斷層構(gòu)造突水機(jī)理及防治措施

1、斷層構(gòu)造突水機(jī)理及防治措施1立項(xiàng)背景煤礦突水是威脅礦井安全生產(chǎn)的主要因素之一，而影響突水的水文地 質(zhì)條件比較復(fù)雜，但引起突水事故的主要是采空區(qū)積水。目前，我礦受采 空區(qū)積水所影響的工作面有多處，以“有疑必探，先探后掘”做指導(dǎo)，在 掘進(jìn)的同時(shí)，我們先后進(jìn)行了多次必要的探放水工作，但隨著工作面布置 的不斷增多和礦井逐步進(jìn)入枯竭受上覆煤層采空區(qū)積水的影響就愈為嚴(yán) 重。而斷層導(dǎo)水是導(dǎo)通水流的主要途徑，其他的突水事故也可能是由于隱 伏斷裂引起的，本著預(yù)防為主、防治結(jié)合的原則，接下來結(jié)合我礦分析和 研究在各種情況下斷層突水機(jī)理，這對(duì)礦井安全生產(chǎn)有十分重要的意義。2煤礦斷層突水特征對(duì)于我礦而言，雖近年來并未

2、有突水事故發(fā)生，而且降水匱乏，但介 于局部斷層發(fā)育頻繁并且多呈帶分布，頂板為厚層堅(jiān)硬砂巖，易形成縱深 較大的大面積導(dǎo)水裂隙帶，與上層采空積水導(dǎo)通，造成突水。因此就斷層 突水的普遍特征表述如下：1）大多數(shù)突水位置為正斷層的上盤。因?yàn)樵谡龜鄬拥纳媳P開采時(shí)，產(chǎn) 生的礦山壓力通過煤柱作用在斷層面上，使斷層帶裂隙產(chǎn)生剪切運(yùn)動(dòng)，而 下盤開采產(chǎn)生的礦山壓力通過煤柱作用在下伏巖石上，對(duì)斷層面沒明顯的 影響。2）斷層的交匯處或尖滅端易突水。斷層的交匯處和尖滅端是應(yīng)力集中 的地段，由于應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂隙發(fā)育，易于突水。3）小斷層密集帶也是易發(fā)生突水的位置。主斷層派生的次級(jí)小斷層成 群出現(xiàn)時(shí)，裂隙發(fā)育。有利于導(dǎo)水通

3、道的形成，同時(shí)因與主斷層構(gòu)造聯(lián)系， 易誘發(fā)突水。4）2條及其以上的近距離平行的正斷層的上盤易突水。由于斷層之間 的巖石受斷層的錯(cuò)動(dòng)影響，巖石破碎，裂隙發(fā)育，斷層帶較寬，對(duì)隔水底 板破壞范圍較大，因而易突水5）同一條斷層愈往深部愈易發(fā)生突水。6）斷層帶突水往往帶有巖石碎屑沖出。7）有時(shí)會(huì)發(fā)生滯后突水。因?yàn)閿鄬硬皇侨魏尾课欢紝?dǎo)水，巷道或工作 面揭露斷層后，也不是立即突水，而是在長(zhǎng)時(shí)間的礦壓作用下，斷層帶可 能活化及相對(duì)移動(dòng)直至與含水層導(dǎo)水裂隙溝通，造成滯后突水。以11-12#410盤區(qū)為東部例。該地區(qū)斷層較多，多為斷距在1m左右 的張扭性正斷層，但由于斷層較為密集，交錯(cuò)發(fā)育頻繁，這種情況下極易 形

4、成頂板破裂顯著，礦壓增大，裂隙相互導(dǎo)通，形成裂隙網(wǎng)，使原本的 粉砂石隔水層形成了裂隙儲(chǔ)水層，導(dǎo)致突水。圖1煤峪口礦井田構(gòu)造綱要圖3斷層突水機(jī)理斷層是在巖體形成后的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程中，沿巖體內(nèi)破裂而發(fā)生明顯位 移的地質(zhì)構(gòu)造。斷層周圍存在的結(jié)構(gòu)稱為斷層破碎帶，其橫剖面可以分 為兩個(gè)帶：構(gòu)造巖帶和斷層影響帶。斷層突水根據(jù)機(jī)理不同可分為兩類： 直接突水、間接突水。斷層的構(gòu)造巖帶與含水層貫通，在工作面推進(jìn)至斷 層影響范圍內(nèi)時(shí)突水為直接突水；斷層影響帶與含水層貫通，在力學(xué)作用 下斷層活化，發(fā)生的突水為間接突水。3.1斷層直接突水機(jī)理3.1.1斷層縮短了煤層與含水層之間的距離當(dāng)斷層切過煤層和含水層時(shí)，斷層兩盤的

5、位移會(huì)使煤層底板與含水層 之間的相對(duì)位置和距離發(fā)生變化。許多情況下會(huì)使兩者之間的距離縮短， 使隔水層的有效厚度減小，有時(shí)甚至使煤層與含水層直接接觸。在這種情 況下，如果采掘工作面揭露或接近斷層帶，就會(huì)使原來處于封閉狀態(tài)的 承壓水突然涌出而形成突水，煤層與含水層之間的距離縮短多少則取決于 斷層的落差和斷層的傾角。1）斷層落差影響。斷層落差大小的不同可使斷層兩盤的煤層與含水 層之間產(chǎn)生不同的接觸關(guān)系。如隔水層有效厚度變小或使煤層與含水層的 距離增大等。它們都有可能引起突水，但突水時(shí)的來水方向、涌水量顯然 不一樣。2）斷層傾角的影響。井田內(nèi)斷層在平面上和垂向上多數(shù)位置變化較 大。斷層面傾角的變化可能

6、會(huì)使部分防水煤柱失效，造成煤層與含水層之 間距離變短而引起突水。由于煤峪口礦現(xiàn)采煤層集中于J-0地層，該地層的斷層特點(diǎn)是斷層斷 距小但較為密集，這一特點(diǎn)就使得其切割地層的能力有限，因此對(duì)于這一 機(jī)理主要表現(xiàn)于14#與11、12#合并層之間，由于這兩層煤層間距為介于 2-10m，使斷距為1m的小斷層對(duì)其影響也較大，這一影響主要集中在410 盤區(qū)，由于該盤區(qū)東部81016、81018、81020、81022內(nèi)就集中了四條明 顯的斷層，易使采空區(qū)積水導(dǎo)通下流，殃及工作面。3.1.2斷層的貯水導(dǎo)水作用由于構(gòu)造的作用，斷層帶的巖性一般較為破碎，在巖塊松散的情況下， 具有良好的貯水性和導(dǎo)水性。當(dāng)規(guī)模較大時(shí)

7、，破碎帶本身貯存的水就相當(dāng) 可觀。如果斷層同時(shí)切穿多個(gè)含水層或與之發(fā)生水力聯(lián)系，就會(huì)對(duì)礦井形 成較大的威脅。一方面，含水層中的承壓水可通過毛細(xì)作用沿?cái)鄬悠扑榱?隙上升致一定初高，使隔水層的有效厚度減小，使隔水層在局部地段完全 失去阻水作用。3.1.3斷層構(gòu)造降低了巖層的強(qiáng)度斷層帶影響范圍內(nèi)巖性破碎，它的存在破壞了隔水巖層的完整性，降 低了巖層的強(qiáng)度。一般斷層構(gòu)造巖帶的強(qiáng)度只有正常地段的30%左右，尤 其是在斷層交叉處等斷層密度較大的地方，破壞程度更高，且斷層帶的內(nèi) 聚力和內(nèi)摩擦角一般較巖石小得多，其所生產(chǎn)的向下摩擦阻力很小，使隔 水層承受水壓力的能力大大降低，突水事故特別容易發(fā)生。3.1.4水

8、壓作用當(dāng)構(gòu)造巖帶導(dǎo)水性較強(qiáng)時(shí)，若它與煤層底板破壞帶相溝通形成通道， 則承壓水可沿此通道進(jìn)入礦井，發(fā)生突水。此時(shí)，構(gòu)造巖帶為透水的，當(dāng) 空隙水壓力滿足下列條件時(shí)，構(gòu)造巖帶就失去抵抗水壓能力，成為導(dǎo)水通道，即:P? 1（ LAJk式中，k=2-（上四）（i-竺）,k為巖體空隙彈性參數(shù)（通常lWkW2）； u為 1 - u cb巖體的泊松比；cr、cb巖塊，巖體的壓縮指標(biāo)；。巖體的平均抗拉強(qiáng)度， tMPa；6Hmin，0Hmax分別為最大、最小水平主應(yīng)力，MPa?？梢钥闯?，斷層愈深，愈易突水。因?yàn)樯疃仍黾?，含水層水壓增加?地應(yīng)力也增加，斷層面裂隙在地應(yīng)力作用下轉(zhuǎn)化為張性裂隙，承壓水更易 滲透到斷層

9、帶的裂隙中，降低了巖石的力學(xué)強(qiáng)度，削弱了斷層兩盤之間的 摩擦力，裂隙的裂開度進(jìn)一步加大，在水壓的作用下便發(fā)生突出。3.2斷層間接突水機(jī)理斷層影響帶是受斷層影響而形成的裂隙發(fā)育帶，分布在構(gòu)造巖帶的兩 側(cè)，它的寬度取決于斷層的規(guī)模和兩盤巖石的力學(xué)性質(zhì)等因素，寬度大小 不等，而且沿著斷層走向和傾向?qū)挾茸兓己艽?。裂隙發(fā)育帶中，原巖產(chǎn) 生大量張裂隙、扭裂隙及分支斷層。在采動(dòng)作用影響下，采場(chǎng)斷層會(huì)發(fā)生 重新活動(dòng)，即活化。活化后的斷層在水壓力的作用下，產(chǎn)生種種破壞作用， 使水沿著斷層面升，當(dāng)煤層開采造成底板破壞深度達(dá)到水沿裂隙上升高度 時(shí)，底板承壓水即巖斷層面突出，造成突水事故。4防治措施斷層突水必須具備

10、3個(gè)條件：一是豐富的地下水；二是突水動(dòng)力源； 三是突水通道，而這些條件的形成與否取決于水文地質(zhì)因素和采動(dòng)力學(xué)因 素的作用程度，因此，可以從水文地質(zhì)和力學(xué)因素兩個(gè)方面來討論防治突 水措施。4.1水文地質(zhì)法1）減弱上覆煤層采空區(qū)積水量：對(duì)于上覆煤層采空區(qū)積水富水區(qū)段， 在補(bǔ)給條件較差的情況下，應(yīng)采用疏干方法，進(jìn)行一定的探放水工作，使 水壓降低，水量減少，從而實(shí)現(xiàn)安全開采。2）避開突水區(qū)域；對(duì)已查明的斷層或斷層組必須按規(guī)定留足防水煤 柱避開突水區(qū)域，因?yàn)閿鄬釉诓傻V活動(dòng)下，可能導(dǎo)致突水，這種形式的突 水往往較大。3）堵塞導(dǎo)水通道；在地面或井下打鉆注漿，對(duì)斷層、裂隙井巷等關(guān) 鍵部位進(jìn)行注漿充填改造，可以

11、使這些導(dǎo)水通道失去導(dǎo)水作用，達(dá)到阻水 效果，從而防止突水事故發(fā)生。同煤集團(tuán)同家梁礦注漿堵塞裂隙通道成功 封堵西北翼達(dá)子溝煤礦一帶一千多米，有效控制了地表水的滲流，使得采 空區(qū)積水的補(bǔ)給得以抑制。對(duì)于煤峪口礦，在掘進(jìn)過程中經(jīng)常會(huì)遇到上覆 煤層已被采空，并且采空區(qū)積水量較多，也可以借鑒同家梁礦經(jīng)驗(yàn)，實(shí)行 地面抽水和井下探放水相結(jié)合的方法，因?yàn)椴捎迷摲椒ǔ晒M(jìn)行采掘的實(shí) 例很多。4.2采動(dòng)力學(xué)法礦壓是導(dǎo)致斷層突水的主要因素之一，因此，可以通過合理的采煤方 法來降低礦壓對(duì)底板隔水層的破壞進(jìn)而防止斷層突水。其措施有：通過 人工強(qiáng)制放頂控制懸頂距，減小底板礦壓；煤柱位置盡量避開斷層，防 止在集中應(yīng)力作用下斷層突水；選擇合理的工作面布置方式，選擇礦壓 顯現(xiàn)最小的推進(jìn)方向布置工作面；合理確定工作面長(zhǎng)度，將礦壓破壞作 用降低到最低限度。4.3加強(qiáng)對(duì)隱伏小構(gòu)造的探查頂板突水往往是一些小的斷層，尤其是一些隱伏的小斷層，導(dǎo)致頂板 巖層破碎，隔水性能減弱引起的。因此，要采取各種鉆探手段探明隱伏構(gòu) 造，尤其要查明導(dǎo)水構(gòu)造和隔水層的薄弱帶。4.4水位觀測(cè)要建立地下主要采空區(qū)積水區(qū)的水位觀測(cè)系統(tǒng)，以防止由于水位升 高，相應(yīng)措施沒能跟上，而造成原來留設(shè)的煤柱不足，形成水壓導(dǎo)水通道，