張新成，潘 旭，劉敬陶，周 鵬

(遼寧省調(diào)兵山市鐵煤集團礦建公司，遼寧 調(diào)兵山 112700)

0 前言

礦井水害事故預(yù)防一直是礦井安全生產(chǎn)的重點和難點問題。工作面頂板離層水是一種少見的礦井水害類型?！翱涨恍汀?離層水是工作面頂板離層水的主要類型，具有瞬時涌水量大、突水征兆不明顯、危害大等特點，相對于采空區(qū)水害來說更難預(yù)判，如果處理不及時，輕則導(dǎo)致工作面設(shè)備損壞、停產(chǎn)，重則礦井被淹， 甚至造成人員傷亡。2013年9月17日15時30分，大明煤礦EW416綜采工作面回順14#鉆場6#瓦斯抽放孔發(fā)生鉆孔涌水，涌水帶壓，渾濁，呈乳白色，伴有輕微的腥臭味，瞬時涌水量達(dá)185 m3/h，造成采區(qū)部分巷道被淹，工作面停采一個多月，給生產(chǎn)造成很大影響。

1 工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

EW416綜采工作面位于東翼采區(qū)西側(cè)，東南以回順為界與火成巖侵入體相鄰；西南以設(shè)計采止線為界與EW專用回風(fēng)道相鄰；東北以切眼為界與DF22號斷層和EW415里段采空區(qū)相鄰；西北以運順為界與EW417采空區(qū)相鄰(圖1)。工作面上、下方無其它工作面，對應(yīng)地表為創(chuàng)業(yè)村小樸屯西側(cè)、小冮家屯東側(cè)耕田，傾向長576～628m，走向長130～220m，距離地表垂深366.7～445.6m。

1.1 地質(zhì)

大明井田位于鐵法煤田北部，其地層為前震旦系花崗片麻巖系構(gòu)成的煤系基底之上發(fā)育的中生界白堊系和第四系。前震旦系形成之后，本區(qū)長期處于剝蝕狀態(tài)，使整個古生界和部分中生界缺失，直到燕山運動晚期形成斷陷盆地，下降接受白堊系早期含煤地層沉積。白堊系自下而上分別為阜新組和泉頭組。

阜新組為本井田的含煤地層，自下而上分別為底部砂礫巖段、下含煤段、中部砂泥巖段和上含煤段。其中下含煤段厚度110～370m，含煤7層，分別為12、 15-1、15-2、16-1、17-1、17-2、17-3煤層。上含煤段厚度90～230m，一般厚度150m，含煤3層，分別為4-1、4-2、7煤層。

工作面回采煤層為4-2煤層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤質(zhì)較好。工作面回采范圍內(nèi)煤層厚度變化趨勢為南部分叉北部合層，南部煤層分為4幅，由上至下分別為4-1上幅煤層、4-1下幅煤層、4-2上幅煤層、4-2下幅煤層，北部合為4煤層。煤層厚度2.80～5.37m，平均厚度3.74m，1005鉆孔附近煤層厚度最大，并以此為分界點向東西兩側(cè)逐漸變薄。

泉頭組僅發(fā)育在井田南半部(由于地層抬升，該地層在井田北部被剝蝕)，假整合于阜新組之上，厚度37～181m，一般厚度150m，主要由紫紅色礫巖及灰白色粗砂巖組成，夾有薄層泥巖、粉砂巖、砂巖，成分以石英為主，長石次之，含有少量暗色礦物。

1.2 構(gòu)造

在構(gòu)造運動的影響下，大明井田從北至南形成了大明二礦向斜、大明一礦背斜和樸起屯向斜。本工作面所處位置為大明一礦背斜南翼，樸起屯向斜北翼。由于背斜核部地層抬升，工作面形成北淺南深，北緩南陡的單斜構(gòu)造，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。工作面區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以斷層為主，褶曲次之。地層走向N35°W，傾向S55°W，傾角5°～23°。

2005年對-410m水平西翼采區(qū)進(jìn)行三維地震勘探時發(fā)現(xiàn)本工作面東南側(cè)有較大面積的巖床侵入，侵入巖體形態(tài)為小型巖床，巖性主要為輝綠巖，玄武巖次之。鐵法煤田巖漿活動可分為三個時期。早期發(fā)生于白堊紀(jì)中期，以噴出為主，主要形成玄武巖及安山巖，產(chǎn)狀為噴出巖被。中期發(fā)生于白堊紀(jì)末，以淺層侵入為主，主要形成粗面巖、英安巖等，產(chǎn)狀主要為巖墻和巖株。晚期發(fā)生于，以淺層侵入為主，主要形成輝綠巖，產(chǎn)狀為復(fù)式巖床。本工作面東南側(cè)大面積巖漿巖侵入(侵入面積約0.17km2)為喜山運動的產(chǎn)物。

1.3 水文地質(zhì)

根據(jù)本井田水文地質(zhì)、抽水試驗及水文觀測資料分析，工作面頂板有兩個較大的含水層，從上到下為第四系含水層和白堊系阜新組砂巖含水層。白堊系阜新組砂巖含水層可細(xì)分為上部砂礫巖孔隙承壓含水層和下部砂礫巖孔隙承壓含水層。

上部砂礫巖孔隙承壓含水層為4煤層開采的直接充水含水層，該層被第四系覆蓋，底部與白堊系下統(tǒng)阜新組中部砂泥巖段接觸，除井田北部受構(gòu)造影響被剝蝕外，其它地區(qū)均有沉積。由北向南逐漸增厚，最大厚度165m，平均厚度90m。主要由紫紅、灰綠、灰白色粗砂巖、砂礫巖組成。據(jù)842孔抽水試驗結(jié)果，含水層滲透系數(shù)為0.000 416m/d，單位涌水量0.047 6～0.054 5 L/(m·s)，水質(zhì)屬CaHCO3-Na型水，富水性弱。

下部砂礫巖孔隙承壓含水層在北部露頭區(qū)與第四系接觸，其它地區(qū)位于阜新組4煤層之下，一般厚度為120m，由灰白色、灰黑色砂巖及礫巖組成，中間夾有泥巖、煤及炭質(zhì)泥巖，大部分為泥質(zhì)膠結(jié)，鈣質(zhì)膠結(jié)很少。據(jù)351孔抽水試驗得知：滲透系數(shù)為0.002 124m/d，單位涌水量0.047 6～0.054 5 L/(m·s)。水質(zhì)屬CaHCO3-Na型水，富水性弱。

第四系含水層距離4煤層較遠(yuǎn)，加之第四系含水層中下發(fā)育有一層隔水性良好的亞粘土及薄層淤泥，因此，第四系含水層對4煤層開采沒有明顯影響。影響4煤層開采的主要含水層為白堊系上部砂礫巖孔隙承壓含水層，該含水層水為EW416綜采工作面頂板離層水補給來源。

2 工作面6#瓦斯抽放鉆孔涌水概況

EW416綜采工作面于2013年6月8日開采。 2013年9月17日下午3時30分，工作面回順瓦斯抽放孔施工人員發(fā)現(xiàn)14#鉆場6#抽放孔有涌水現(xiàn)象(14#鉆場共施工6個瓦斯抽放鉆孔，其中6#鉆孔孔深114m，仰角26°，終孔位置與工作面頂板高差約68m，位置如圖1所示)，涌水帶壓，涌水渾濁，呈乳白色，伴有輕微的腥臭味，涌水量為10 m3/h。9月18日涌水逐漸增大，19日涌水量達(dá)到最大值185 m3/h，之后涌水量逐漸減小，水質(zhì)逐漸變清。11月14日6#抽放孔停止涌水，14#鉆場頂板淋水，涌水量約17 m3/h左右。11月17日，頂板淋水逐漸停止，工作面共計涌水61 900 m3，造成采區(qū)部分巷道被淹，工作面停采46d，給生產(chǎn)造成很大影響。

3 涌水水源分析

工作面發(fā)生涌水后，立即對井下涌水、第四系潛水進(jìn)行了取樣化驗，同時在地面進(jìn)行了EH4物探，查探上覆巖層中含水層的富水情況。

3.1 水質(zhì)化驗

水質(zhì)化驗結(jié)果如表1所示。

圖1 EW416綜采工作面位置Figure 1 EW416 full mechanized face location

表1 水質(zhì)化驗結(jié)果

注：小冮屯水井涌水前原始水位標(biāo)高+57.6m

3.2 EH4大地電磁探測

由圖2可見：工作面涌水地點上覆巖層深度125～300m段賦存一視電阻率30Ω·m以下的低阻層，厚度約120m。該低阻層呈東高西低態(tài)勢，中部有較明顯落差。在探測線兩端部區(qū)域，低阻層顯示有2個低阻團A、B，視電阻率20Ω·m以下(含水較豐富)。西側(cè)低阻團位于工作面運順上方，賦存深度125～225m；東側(cè)低阻團位于工作面回順上方，賦存深度200～300m。二次加密探測未現(xiàn)其他異常區(qū)。低阻層下方50～70m為出水鉆場鉆孔分布區(qū)域，距離B低阻團距離約65m，距離A低阻團最小距離約150m。低阻團所處位置地層為白堊系下統(tǒng)阜新組上含煤段4煤層頂板白堊系上部砂礫巖孔隙承壓含水層中，巖性為灰白色細(xì)砂巖、粗砂巖、砂礫巖。

圖2 測線視電阻率剖面Figure 2 Prospecting line apparent resistivity section

3.3 頂板導(dǎo)水裂隙帶高度計算

工作面采高3.2m，根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]成果，取最大值計算，EW416工作面導(dǎo)水裂縫帶高度為50.0m，垮落帶高度為13.98m。參照大興礦的實測資料，導(dǎo)水裂縫帶最大高度為采厚的19.45倍(計算時取20)計算，導(dǎo)水裂縫帶最大高度為64m。按參考文獻(xiàn)[5]中附錄六給出的覆巖巖性為中硬的預(yù)計公式計算，導(dǎo)水裂縫帶最大高度為74m 。本著“就高不就低”的原則，EW416綜采工作面導(dǎo)水裂縫帶最大高度取最大值74m。

3.4 涌水水源初步判定

從水質(zhì)化驗結(jié)果分析來看，第四系含水層水與工作面突水有著很大區(qū)別，而且涌水前后工作面對應(yīng)地表小冮屯水井水位也無明顯變化，可以排除第四系含水層水通過地質(zhì)鉆孔導(dǎo)入井下的可能。工作面導(dǎo)水裂縫帶最大高度為74m，EW417和EW415工作面回采中未發(fā)生頂板裂隙涌水現(xiàn)象，說明匯水構(gòu)造下部粉砂巖隔水性能較好，同時也說明離層帶發(fā)育位置高于導(dǎo)水裂縫帶最大高度。由EH4電磁探測結(jié)果，可以定性的確定，工作面上覆巖層中存在匯水構(gòu)造(低阻異常區(qū))，即工作面上覆巖層中存在儲水離層。根據(jù)08-06與1005號鉆孔資料，工作面上方導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)砂巖、泥巖交替沉積，巖性粗砂巖成份以石英為主，砂質(zhì)膠結(jié)，堅硬，局部含薄層泥巖。粉砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，局部與細(xì)砂巖互層沉積。

從涌水的渾濁度分析，涌水開始呈乳白色，這與正常的含水層水形成的離層水有點不同。結(jié)合鐵法礦區(qū)大隆礦W1 901工作面、曉南礦W2采區(qū)、曉明礦N3408工作面火成巖附近開采頂板裂隙涌水情況，可以斷定匯水構(gòu)造在火成巖附近。根據(jù)08-06與1005號鉆孔資料分析，距工作面107～157m位置發(fā)育有厚層火成巖，厚度70.4～190m。顏色深灰色-灰黑色，致密，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，局部巖心破碎，裂隙較為發(fā)育?；鸪蓭r下部巖層巖性以灰綠-灰白色粗砂巖、砂礫巖為主，灰色-灰黑色粉砂巖、泥巖次之。巖漿侵入時的高溫、擠壓，孔隙水的熱對流可能與離層水的形成有一定的關(guān)系。從出水量與氣味分析，水量較大-，涌水初期有輕微的腥臭味，這與老窯水近似，可以從側(cè)面說明，本工作面離層水形成年代較為久遠(yuǎn)。至于離層水為火成巖侵入體時伴生形成還是由于煤層采動影響形成，缺乏相關(guān)證據(jù)，也未有過相關(guān)方面的研究，在此不做討論。

綜合以上分析，初步認(rèn)為，大明礦EW416工作面涌水源為工作面上部厚層火成巖下層間離層水，根據(jù)水量可以進(jìn)一步斷定涌水水體為工作面頂板“空腔型”離層水。

4 工作面頂板離層水成因分析

工作面地質(zhì)剖面示意圖如圖3所示。

煤層頂板“空腔型”離層水是頂板離層裂隙接受補給形成的封閉水體?！翱涨恍汀彪x層水形成需同時具備：①周邊有補給水源；②離層空間存在的時間要足夠長；③離層空間周圍的圍巖存在裂隙；④堅硬巖層下發(fā)育有泥巖、粉砂巖等隔水層。

從工作面水文地質(zhì)情況來看，工作面上方沉積了由紫紅、灰綠、灰白等粗砂巖、砂礫巖組成的白堊系上部砂礫巖孔隙承壓含水層，是離層水的補給水源。

鐵法煤田在新近紀(jì)形成的淺層侵入巖，主要巖性為輝綠巖，產(chǎn)狀為復(fù)式巖床，工作面東南側(cè)大面積火成巖(侵入面積約0.17km2)無論是巖性，還是產(chǎn)狀，都與新近紀(jì)形成的淺層侵入巖特征吻合。工作面頂板離層水為巖漿侵入時的孔隙水的熱對流作用還是僅由于煤層采動影響形成，缺乏相關(guān)證據(jù)，也未有過相關(guān)方面的研究。但無論是伴生形成還是采動影響形成，從涌水開始呈乳白色，并伴有輕微的腥臭味來分析，與老空水極其相似，這一點從側(cè)面證明了工作面頂板離層空間存在的時間年代久遠(yuǎn)。

在火成巖與圍巖的侵入接觸帶，除圍巖原有的裂隙外，由于火成巖侵入時的高溫、擠壓，接觸變質(zhì)作用以及后期的構(gòu)造變動影響，常形成密集的張性裂隙。這些裂隙成了頂板離層水的補給通道。

從08-06鉆孔巖性來看，距工作面煤層頂板100m左右發(fā)育有一層約2.0m厚的粉砂巖，粉砂巖遇水崩解軟化，重新膠結(jié)，形成了性能良好的隔水層。由于隔水層的形成，隔絕了白堊系含水層向下補給徑流，上覆及周邊白堊系砂巖水不斷補給，積聚成一定規(guī)模。在工作面采動和人為因素 (瓦斯抽放

圖3 EW416回順地質(zhì)剖面Figure 3 EW416 face air-return crossheading geological section

孔施工)影響下，離層空間平衡結(jié)構(gòu)被破壞，巖層破裂，離層水通過裂隙和鉆孔涌出，造成工作面涌水。

5 結(jié)論

工作面煤層頂板離層水作為一種少見的礦井水害類型，在生產(chǎn)中難以預(yù)判，對礦井安全生產(chǎn)是一種潛在的巨大威脅。因此，在工作面水文地質(zhì)分析中，應(yīng)對工作面上覆巖層巖性作為重點進(jìn)行分析，尤其是在火成巖侵入體附近，分析上覆巖層是否具有形成離層水的條件。在計算采動形成的導(dǎo)水裂隙帶時，不應(yīng)僅僅立足于理論系數(shù)與經(jīng)驗公式，還應(yīng)充分考慮火成巖侵入產(chǎn)生的裂隙帶在工作面推移過程中與采動形成的導(dǎo)水裂隙帶逐漸連通，以及施工瓦斯抽放鉆孔對頂板巖層完整性的破壞。

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