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1、断层滞后突水危害性分析及治理摘要：断层构造的突水是矿井常见的水害类型，大多数的底板突水事故都与断层有直接联系，在对突水因素、涌水特征、威胁程度、现场条件、系统能力等因素综合分析的基础上，科学确定治理方案，周密组织施工流程，从而达到了控制水情、消除隐患、提高经济效益之目的。关键词：滞后突水、隐患分析、综合治理方案设计、治理效果。Fault lagging water-inrush hazard analysis and managementAbstract: Fault structure is common to the mine water inrush type water disaste
2、rs, most of the inrush accident and fault has a direct connection, the factors, water features, water inrush threat level, site conditions, the system based on the analysis of the factors such as comprehensive ability and scientific management scheme is determined, careful organization construction
3、process, so as to achieve the control of water regime, eliminate hidden dangers, the purpose of improve the economic benefit.Keywords: Lagging water-inrush, hazard analysis, comprehensive treatment project design, governance effect.1引言影响和制约我国煤炭生产及煤炭产量的最大障碍之一就是矿井水害问题，尤其是近几年来，随着矿井向深部的不断延伸，开采煤层所承受的岩溶含水
4、层水压越来越高，底板突水的威胁愈发严重。从目前已有的各矿区突水的统计资料来看，大部分突水事故都是由于构造引起的，占到各类突水事故的80%之多。因此，煤矿底板的突水问题的实质就是断层构造的突水问题，解决这类问题应以断层为主要研究对象。前人在大断层与突水预测方面做了大量的研究工作，但在断层诱发突水机理的研究中，仍有两方面的研究值得加强：（1）小断层诱发的突水机理研究。由于大断层构造属性（包括产状要素、力学性质等）的易测性，所以其相关的研究成果在实际生产过程中已经取得较好应用，但对于更多的可能由于中小断层所引起的突水事故，仍然使用相同的理论进行预测分析显然是不合适的（2）断层的滞后突水机理研究。突水
5、与岩体中的断层构造、裂隙、孔隙等的发育情况有密切关系。而在开采扰动和高压水共同作用下，上述因素是在变化的，开采活动不仅破坏了原始地应力的平衡，使地应力重新分布，而且这种应力重分布会影响到底板岩体的完整性、原生缺陷的扩张的及相应的渗透能力，而且这种影响不是瞬时的，存在一种时间效应。因此说，底板滞后突水理论的研究是煤矿突水防治理论中需要加强的重要部分1-4。特别是近几年来随着煤矿开采深度的不断加大，突水问题呈现出越来越复杂的趋势，因此，探讨解决新问题的新方法，再次摆在了人们的面前。1.1断层滞后突水概况17日山东华泰矿业有限公司351505西下巷断层附近出现15m3/h 的底板涌水，18日涌水量增
6、至50m3/h，水量呈快速增长的趋势，到21日19 时增至200m3/h，采区泵房刚能够控制水量( 泵房排水能力为350m3/h) ，此后，水量总体上呈稳定态势。1.2突水原因分析1.2.1 开挖空间与断层分析在原始地质条件下，断层与含水层直接沟通，构成导水断层的突水事故比例较小，而绝大多数是在原始地质条件下的非导水断层，在开挖扰动引起断层变形活化下发生突水。影响断裂变形活化的因素有：（1）开挖的高度与宽度：从影响程度看，无论是开挖高度还是宽度的增大，都会使附加应力明显增大。（2）开挖空间至断裂带的距离：开挖空间至断裂带的距离对附加应力的分布有显著影响，随着开挖面到断层距离的缩短，附加应力值及
7、其影响范围会显著增大。（3）开挖空间与断层位置关系：开挖空间位于正断层的上盘比在下盘产生的卸围压效应要强烈的多，也就是说开挖空间位于正断层上盘更易引起断裂变形活化。开挖空间与断层走向平行时，易引起断层的变形活化。本次突水点位于内、外水仓靠近吸水小井的通道，正处于落差3.5m断层的断裂破碎带上（破碎带宽度0.3 m），小井及配水巷紧邻断层面，泵房通道距断层面距离为7m，且与断层走向平行。泵房通道开凿于断层上盘的煤岩层中，巷道断面较大（宽6m）。3515采区水仓位于全井田最低处，巷道底板标高233m，上覆基岩厚度大，地应力大，该范围内巷道变形严重。大断面的泵房通道、密集的巷道开挖、开挖空间与断层特
8、殊的位置关系、巷道围岩地应力显著，加之底板含水层较高的水头压力等一系列内外界因素导致断层滞后突水，突水通道为断层破碎带。1.2.2水源及通道分析由突水点的涌水量变化及各观测孔的水位变化分析：从开始涌水到涌水达到峰值400m3/h，历时18 小时，15 天后，涌水量减小并稳定至360m3/h。距突水点750m远的LK9 太灰观测孔水位急剧下降，到第8天下降80m。此时，各奥灰观测孔水位也开始缓慢下降，下降幅度412m。由此说明先期涌水以太灰水为主，奥灰水参与补给。此后，太灰水位下降速度减慢，20 天下降10m，而奥灰水下降速度有增加趋势，下降幅度1821m。说明随着涌水时间增长，奥灰水的补给量逐
9、渐增加。自4月21日，各观测孔水位趋于稳定，说明奥灰补给太灰水量及太灰通过断层突水点的涌水量达到平衡。突水通道形成是一个复杂的损伤演化过程，岩石材料内在物理力学性质随时间劣化及岩体内部细观损伤积累的最终表现是突水发生，因此，隔水底板岩层本身的物理特性、采动影响下的底板破坏区的大小、断层活化程度以及裂隙的扩展过程都影响突水通道的时空位置。根据巷道工程实际资料分析，3515采区构造非常复杂，落差大于15m 的断层就有10条，还存在火成岩侵蚀带。而且区域奥灰水位高(3515采区下部奥灰观测孔水压为7MPa) ，富水性强。351505 西下巷F183断层(F18断层的派生断层，落差50m，断层带宽度0
10、.5m) ，在水压的作用下，奥灰水首先进入断层裂隙带而出现巷道涌水，随着水流的不断涌出，断层带内的充填物被逐渐冲蚀，导水通道更加畅通，最终导致了断层滞后突(图1) 。2 突水危害性分析(1) 区域奥灰厚度大(350m以上) ，水位高(根据采区奥灰观测孔压力7 MPa 和孔口标高600m推算，奥灰水位在+50m) ，富水性强(3515采区奥灰观测孔仅揭露奥灰1.5m时就出现了30m3/h的涌水) ，作为直接补给水源，为本次断层突水的长期、大量存在创造了条件。(2) 区域断层裂隙、火成岩涌出通道及伴生裂隙，构成奥灰对其它灰岩( 四灰、五灰和六灰) 的补给和泻出通道。而F183断层裂隙的开放状态以及
11、断层带的不稳定性有可能打破目前水量补给与突出间的微弱平衡，使得断层滞后突水量进一步增加。(3) 3515 采区泵房排水系统非常脆弱，仅有50m3/h 的富余排水能力，如果涌水量进一步增加或排水系统出现故障，就会发生3515采区被淹事故，甚至会影响到整个矿井的安全。图1 35150 西下巷断层滞后突水示意图3 治理方案的确定综合分析突水性质、变化趋势、威胁程度、系统状况、排水能力和经济效益等因素，拟定了“堵”、“疏”、“排”相结合的综合治理方案。堵: 选定合适位置并选取合理参数构筑水闸墙，根据系统排水能力，控制放水。疏: 利用水闸墙预留的管路并通过奥灰水的自身水压，将水直接疏排至3515上车场，
12、既能疏水降压，又可缓解排水系统压力。排: 在现有的排水系统基础上，增加300m3/h的排水能力，发挥应急排水作用。4 断层防治水措施断层突水必须具备3个条件:一是丰富的地下水;二是突水动力源;三是突水通道, 而这些条件的形成与否取决于水文地质因素和采动力学因素的作用程度, 因此, 可以从水文地质和力学因素两个方面来讨论防治突水措施。(1)减弱含水层富水性:对工作面的底板断层富水区段, 在动水补给条件较差的情况下采用疏干方法易于形成降落漏斗, 从而使水压降至安全水头以下, 从而实现安全开采)(2)避开突水区域:对已查明的断层或断层组必须按定留足防水煤柱来避开突水区域, 因为断层在采矿活动的影响下
13、, 可能导致突水, 这种形式的突水往往较大。(3)堵塞导水通道:在地面或井下打钻注浆, 对岩溶陷落柱、断层、裂隙小窑井巷等的关键部位进行注浆充填改造, 可以使这些导水通道失去导水作用,达到阻水效果, 从而防止突水事故发生。5-7 根据断层含水情况，经研究，决定对该断层进行注浆，改造6649断层，让其变为不导水。4.1 注浆钻孔设计另行设计两个斜孔，钻孔2和钻孔3，分别打到该巷道的两侧，加上第一个钻孔，总共三个注浆孔(图1) ，在该断层周围形成一定厚度的注浆帷幕，以封闭底板方向的断层水。钻孔设计为以打到断煤交线向下12m为准，倾角12，施工顺序为钻进取芯、下套管、注浆、装闸阀、钻进。4.2 注浆
14、参数为保证注浆帷幕强度，本次注浆扩散半径设计为15m，为保证扩散半径，注浆压力设计为出水压的2.02.5倍，即采用2MPa，采用水泥水玻璃双液浆，掺加58%的水泥膨胀剂。采用42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃选用液体硅酸钠型、浓度为3640Be、模数2.62.8，双液比为水泥浆液: 水玻璃即CS = 10.30.6。注浆采用QB 12型双液注浆泵。图1 注浆钻孔设计示意图4.3 注浆施工步骤每个钻孔先后注浆两次，先对正迎头钻孔进行注浆，然后再对两侧钻孔进行注浆16h后，再次注浆。4.4 注浆结束标准为保证注浆堵水和加固质量，在注浆压力P2.0MPa，浆液浓度不小于(水灰比)1.251情况下，注浆终
15、量q40L /min。4.5注浆堵水效果该工程共施工三个钻孔，累计钻探工程量198m，共注浆6次，使用水泥240t，水玻璃1.1m3，速凝剂1.3t，水泥膨胀剂2.2t。在以后的掘进工作中，揭露该断层，淋水量仅1.2m3 /h，注浆堵水效果明显，取得了良好的经济效益。5 治理方案的实施5.1墙体位置的选择按煤矿防治水规定中防隔水煤柱的留设公式: L=0.5KM式中: L煤柱留设的宽度(m);K安全系数,一般取2 5，为确保安全取5;M煤层厚度或采高(m)，十五层煤厚度1.15m;P水头压力，根据观测孔压力推算，该突水点(标高为660m)水压为7.6MPa;Kp 煤的抗张强度，实测为0.076MPa。代入上式:L=0.551.5 =49.80 mm为安全起见,水闸墙位置在断层以东60m处顶板完好段(见图2) 。5.2墙体厚度以及管路配置按照煤炭工业出版社2003年出版的采矿工程设计手册防水闸门(墙)硐室设计要求，水压大于16MPa时，宜采用倒截锥形公式计算墙体长度。长度计算: =ln()ln()/0.3986L = + 水闸门硐室嵌入围岩深度: = ()S/E = 式中: 水闸墙体应力衰减段计算长度，m; 自然对数符号;
