李松營(yíng)，姚小帥,2，楊 培,2，張春光

（1.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司地質(zhì)研究所，河南義馬 472300；2.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454003）

巷道側(cè)向“管涌式”特大型突水分析

李松營(yíng)1，姚小帥1,2，楊 培1,2，張春光1

（1.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司地質(zhì)研究所，河南義馬 472300；2.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454003）

為了弄清金鼎煤礦皮帶大巷施工過程中發(fā)生的最大涌水量達(dá)8000 m3/h的特大型突水的原因，研究了巷道所處層位的巖性、含水層、突水過程、水質(zhì)類型、水位以及瞬變電磁勘探、注漿鉆孔、壓水試驗(yàn)、堵水成果等資料。結(jié)果表明：本次突水水源來自寒武系灰?guī)r承壓含水層，通道為軟弱破碎風(fēng)化帶巖層塑性滑動(dòng)與“管涌”后所形成的“管涌式”通道，6.5 MPa水壓為突水提供了動(dòng)力；本次巷道底板突水，系寒武系灰?guī)r含水層高壓水從側(cè)向推動(dòng)風(fēng)化帶軟弱破碎巖層塑性滑動(dòng)和“管涌”所形成的“管涌式”突水。

風(fēng)化帶；塑性滑動(dòng)；“管涌式”通道；底板突水

0 引言

我國(guó)華北地區(qū)，煤層底板灰?guī)r溶裂隙承壓含水層是威脅礦井安全生產(chǎn)的主要因素之一。針對(duì)底板突水的研究，經(jīng)驗(yàn)公式類有突水系數(shù)法、“遞進(jìn)導(dǎo)升”“下三帶”“下四帶”理論等[1-4]，以力學(xué)模型為基礎(chǔ)的有關(guān)鍵層理論、原位張裂與零位破壞理論等[5-6]，將非線性理論和信息技術(shù)融合應(yīng)用的有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、脆弱性指數(shù)法等[7-10]。這些理論與方法用于突水危險(xiǎn)性分析和預(yù)測(cè)都發(fā)揮著積極作用。井下底板突水，條件各異[11-16]。河南省汝陽縣金鼎煤礦在開拓皮帶大巷過程中，穿過太原組風(fēng)化帶時(shí)，發(fā)生了一起特大型底板滯后突水，與傳統(tǒng)底板突水不同，本次突水系類似于軟弱破碎巖層塑性滑動(dòng)后形成的“管涌式”突水。

1 工程概況與礦井水文地質(zhì)

1.1 工程概況

金鼎煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力45萬t/a，2008年4月開工建設(shè)，主井深度691.5 m。其井田跨汝陽縣城關(guān)、上店和柏樹等3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積17.41 km2。其中，含煤區(qū)域主要位于F3、F4、F5等數(shù)條大型斷層切割所形成的三角斷塊之內(nèi)（圖1），面積6.65 km2。井田主要地層由老至新依次有：寒武系灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等，累計(jì)厚度超過500 m；石炭系中統(tǒng)本溪組鋁土巖，平均厚度8.1 m；石炭系上統(tǒng)太原組，以泥砂巖為主，含薄層灰?guī)r與煤線，平均厚度19.6 m；二疊系下統(tǒng)山西組與下石盒子組，為泥、砂巖互層，平均厚度106.0 m；白堊系九店組礫、砂巖，平均厚度444.9 m；古近系陳宅溝組礫巖，平均厚度117.5 m；以及第四系松散層，平均厚度11.9 m。二疊系山西組二1煤為主要可采煤層，厚度0.79～17.84 m，平均6.15 m，資源量5531萬t，煤種為焦煤。

1.2 礦井水文地質(zhì)

區(qū)內(nèi)第四系沙礫石含水層與古近系礫巖裂隙含水層距主采煤層較遠(yuǎn)且受白堊系隔水層阻隔，對(duì)礦井充水影響較?。幻簩禹敯宥B系大占砂巖裂隙含水層與底板石炭系薄層灰?guī)r溶隙含水層是礦井的直接充水含水層，起經(jīng)常性的充水作用，但富水性弱、補(bǔ)給不足，是采掘生產(chǎn)的影響因素，但并不威脅礦井安全。寒武系灰?guī)r溶、裂隙承壓含水層在井田外部有大面積出露，受大氣降水補(bǔ)給，補(bǔ)給較為充沛，是當(dāng)?shù)氐闹饕畬?，水?310.0～+381.9 m。

井田內(nèi)發(fā)育有多條大、中型斷層，由于斷層的阻、導(dǎo)水作用差異，使得地下水徑流條件變得十分復(fù)雜。寒灰含水層上距二1煤平均厚度為38.1 m，大部分區(qū)域煤層底板突水系數(shù)已遠(yuǎn)超0.1 MPa/m，并且局部區(qū)域煤層底板破碎、完整性差，一旦遇寒灰富水區(qū)段，發(fā)生寒灰突水就在所難免。寒灰含水層是威脅礦井安全的主要水害因素，是礦井防治水工作的重點(diǎn)。

2 突水簡(jiǎn)述

2011年12月16日16時(shí)許，-328 m軌道大巷距掘進(jìn)頭16～36 m處發(fā)生底鼓（圖2），伴有微量滲水和涌沙。19日10時(shí)許，-328 m皮帶大巷距掘進(jìn)頭15.5～42.5 m處也發(fā)生底鼓（圖2），其中，距正頭40 m前后合計(jì)約5 m長(zhǎng)度巷道快速底鼓，且出現(xiàn)少量滲水；10時(shí)35分，巷道北幫開始出水，涌水量達(dá)到20 m3/h，并伴有細(xì)沙流出；11時(shí)35分涌水量達(dá)到150 m3/h；12時(shí)18分，涌水量達(dá)到500 m3/h；13時(shí)40分，實(shí)測(cè)涌水量超過3000 m3/h；18時(shí)井底車場(chǎng)已淹沒，計(jì)算4個(gè)小時(shí)平均涌水量5 820 m3/h，推算峰值涌水量超過8000 m3/h；之后，水位沿井筒持續(xù)上升；22日2時(shí)，水位標(biāo)高+313.0 m，距井口25.5 m，趨于穩(wěn)定。本次突水累計(jì)出水量為7.3萬m3。

圖2 突水點(diǎn)位置Figure 2 Water bursting point situation

3 突水分析

3.1 水源

綜合分析認(rèn)為，本次突水水源來自寒武系灰?guī)r溶、裂隙承壓含水層。原因如下：

（1）區(qū)域內(nèi)只有寒灰含水層有如此巨大的突水能力。

（2）井田內(nèi)沒有小煤窯，大巷距地表約700 m，可以排除小窯水可能。

（3）水質(zhì)類型為重碳酸鈣鎂型水，為明顯的寒灰水特征。

（4）淹井后，礦井水位最終穩(wěn)定在+313.0 m上下，與區(qū)域寒灰含水層水位一致。

（5）按照“先截流、后堵源”，即在2條巷道各施工2個(gè)鉆孔，先期封填巷道，形成人工閘墻，再延伸鉆孔至寒灰含水層封堵水源的治理思路堵水成功。

3.2 通道

軟弱破碎巖層在高水壓以及巨大地應(yīng)力條件下產(chǎn)生塑性滑動(dòng)與“管涌”，由“管涌式”通道逐漸擴(kuò)大形成了本次突水通道。原因如下：

（1）巷道探查與堵水鉆孔揭露情況等地質(zhì)資料表明：兩條大巷的底鼓區(qū)段均位于太原組的風(fēng)化帶上，泥巖比例較大，且受到構(gòu)造作用，厚度變化劇烈（圖3），巷道底板破碎，碎塊間泥質(zhì)充填，巷道底板呈現(xiàn)塑性巖層特征。

圖3 皮帶大巷底板地質(zhì)剖面Figure 3 Geological section of belt roadway floor

（2）突水初期，現(xiàn)場(chǎng)可以看到隨涌水帶出少量泥沙，有類似“管涌”特征。

（3）6.5 MPa水壓和700 m覆蓋層所形成的巨大地應(yīng)力為軟弱破碎底板巖層塑性滑動(dòng)提供了動(dòng)力。

（4）超前瞬變電磁勘探成果顯示探測(cè)范圍內(nèi)（包括突水區(qū)段）巷道底板視電阻率普遍較高，沒有明顯低阻區(qū)（圖4），指示巷道所在位置寒灰富水性較差。

圖4 瞬變電磁勘探成果Figure 4 TEM prospecting results

（5）3號(hào)、4號(hào)注漿鉆孔分別位于皮帶大巷和軌道大巷的底鼓段（圖2、圖3），分別進(jìn)入巷道底板77.8 m、113.0 m，進(jìn)入寒灰64.0 m、85.0 m，透巷之前下入套管；2個(gè)鉆孔巖心均顯示底鼓段太原組破碎、取心困難，寒灰?guī)r層完整，僅發(fā)育少量溶孔（圖5）；鉆進(jìn)過程中，2個(gè)鉆孔在太原組段漿液漏失嚴(yán)重，進(jìn)入寒灰后漿液僅稍有消耗；3號(hào)鉆孔在底板段進(jìn)入寒灰之前共注入水泥1836 t，而進(jìn)入寒灰后，用2.5 t鹽酸洗孔后注入水泥481 t；4號(hào)鉆孔進(jìn)入寒灰后，用1 t鹽酸洗孔后注入水泥220 t。

（6）5號(hào)鉆孔（圖3）在進(jìn)入寒灰18.0 m后連續(xù)發(fā)生2次掉鉆，掉鉆長(zhǎng)度分別為0.7 m和0.8 m，經(jīng)壓水試驗(yàn)，求得q=21.03 L/(mim·m)，表明其與出水點(diǎn)連通性良好，5號(hào)鉆孔處于皮帶大巷和軌道大巷的底鼓段北向延展線上（圖3），應(yīng)是主要突水通道，也是水源出口所在位置。

3.3 動(dòng)力

6.5 MPa的高水壓既為風(fēng)化帶巖層塑性滑動(dòng)和“管涌”提供了動(dòng)力，也是本次突水的動(dòng)力條件。

圖5 3號(hào)鉆孔寒武系灰?guī)r巖心Figure 5 Cambrian limestone samples from borehole No.3

4 結(jié)論

（1）金鼎煤礦在基建期間皮帶大巷發(fā)生的特大型突水，水源來自于寒武系灰?guī)r溶裂隙承壓含水層，通道為軟弱破碎底板巖層在高水壓與巨大礦壓作用下發(fā)生塑性滑動(dòng)與“管涌”而形成的“管涌式”通道。

（2）預(yù)防巷道底板巖溶水突出，不僅要分析水壓、隔水層厚度、巷道下方灰?guī)r的富水性，還應(yīng)該研究相鄰區(qū)域的富水性、巷道所處層位、巷道圍巖物理性質(zhì)等。對(duì)于軟弱破碎巖層，應(yīng)采取措施避免發(fā)生塑性滑動(dòng)而發(fā)生“管涌式”突水。

[1]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2009.

[2]王經(jīng)明.承壓水沿煤層底板遞進(jìn)導(dǎo)升突水機(jī)理的模擬和觀測(cè)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21(5):546-549.

[3]Jincai Zhang.Investigations of water inrushes from aquifers under coal seams[J].International Journal of Rock Mechanics&Mining Scienc?es，2005，(42):350～360.

[4]張金才，劉天泉.論煤層底板采動(dòng)裂隙帶的深度及分布特征[J].煤炭學(xué)報(bào)，1990，(2):35-38.

[5]錢鳴高，繆協(xié)興，許家林.巖層控制中的關(guān)鍵層理論研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，1996，21(31):44-47.

[6]曹慶奎，趙斐.基于模糊—支持向量機(jī)的煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(4):633-637.

[7]孫明，張文泉，郭啟忠，等.基于模糊神經(jīng)理論的深井煤層底板突水因素研究[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，26(4):5-10.

[8]武強(qiáng)，張志龍，張生元，等.煤層底板突水評(píng)價(jià)的新型實(shí)用方法Ⅱ—脆弱性指數(shù)法[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(11):1121-1126.

[9]武強(qiáng)，劉守強(qiáng)，賈國(guó)凱.脆弱性指數(shù)法在煤層底板突水評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭，2010，36(6):15-22.

[10]李建林，張洪云，王心義，等.脆弱性指數(shù)法在煤層底板突水預(yù)測(cè)中的應(yīng)用與建議[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(4)：725－730.

[11]李松營(yíng)，武強(qiáng)，滕吉文，等.新安礦13151工作面煤壁側(cè)底板突水分析[J].中國(guó)煤炭，2015，41(6):40-43.

[12]謝興華，速寶玉，高延法，等.礦井底板突水的水力劈裂研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（6）：987-993.

[13]李連崇，唐春安，左宇軍，等.煤層底板下隱伏陷落柱的滯后突水機(jī)理[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009，24(9)：1212-1216.

[14]李松營(yíng).曹窯東井27080工作面非斷層大型奧灰突水分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36（9）：84-86.

[15]宋振騏，郝建，湯建泉，等.斷層突水預(yù)測(cè)控制理論研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(9)：1511-1515.

[16]王曉軍.突水系數(shù)法在大淑村煤礦西翼6號(hào)煤安全開采中的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭地質(zhì)，2015，27（1）：40-43.

Analysis of Roadway Lateral“Piping Typed”O(jiān)versize Water Bursting

Li Songying1,Yao Xiaoshuai1,2,Yang Pei1,2and Zhang Chunguang1
(1.Geological Research Institute,Yima Coal Industry Group Co.Ltd.,Yima,Henan 472300; 2.School of Resources and Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454003)

To fully understand the cause of oversize water bursting with maximum inflow 8000 m3/h happened during the belt roadway drifting have studied lithology of roadway situated horizon,aquifer,water bursting process,water quality type,water level and informa?tion from TEM prospecting,grouting boreholes,packer test and water plugging results.The result has shown that the water bursting source is from Cambrian limestone confined aquifer,through soft and weak cracked weathering zone strata plastic sliding after piping formed“piping typed”channel,plus 6.5MPa water pressure provided power for this water bursting.So,this roadway floor water burst?ing is a“piping typed”water bursting formed by Cambrian limestone aquifer high pressure water laterally pushed weathering zone soft and weak cracked strata plastic sliding and piping.

weathering zone;plastic sliding;“piping typed”channel;floor water bursting

TD745

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.10

1674-1803(2017)03-0050-03

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（41130419）

李松營(yíng)（1967—），男，河南鞏義人，教授級(jí)高工，博士，從事礦井防治水科研與管理工作。

2016-09-08

責(zé)任編輯：樊小舟