1、附录A开滦范各庄井田突水特征及煤层底板突水地质条件分析孟召平,易武,兰华,王萌（1.中国矿业大学资源与地球科学系，北京 100083；2. 三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌 443002)摘要：煤层顶底板突水危险性预测与评价是煤矿突水灾害防治的基础和依据，以开滦范各庄井田为依托，从促发与阻抗突水2 方面系统分析矿井突水特征和1214 煤层间砂岩裂隙含水层厚度及其特征、突水介质条件(岩性、层间距)和突水构造条件，建立煤层底板突水与地质条件之间的相关关系和模型，并探讨控制机制。研究结果表明，本区发生突水的水源以1214 煤层间砂岩裂隙承压含水层为主，其砂岩裂隙含水层的厚度由井田的
2、浅部向深部增厚；含水层水压随其埋藏深度的增加而增高，呈线性相关关系，且富水性增强。煤层底板隔水性能取决于隔水层厚度及其泥岩百分比含量，底板泥岩极限厚度与水压之间呈正相关关系，随着底板泥岩厚度的增加，泥岩层抵抗水压的能力增强，隔水性能变好，且完整底板泥岩层的抗水能力明显大于含裂隙的底板泥岩层。突水与构造密切相关，突水点最大涌水量与断层密度呈正相关关系。断层突水是由于断层对煤岩层的破坏作用导致在断层附近煤岩层裂隙和孔隙增加，力学强度大幅度降低的结果，且受控于区域构造和现代构造应力环境。这些成果为井田12煤层底板突水危险性评价与预测和井下突水防治提供理论依据。关键词：采矿工程；范各庄井田；突水特征；
3、突水地质条件1 引言矿井突水问题一直是困扰煤矿生产的突出问题。自1950 年以来，我国煤矿曾发生过数百次突水事故，其中开滦范各庄矿于1984 年6 月2 日发生突水量为2 053 m3/min 的特大突水淹井事故，造成经济损失人民币5 亿元以上。目前全国600 余处国有重点煤矿中受水害威胁的矿井达285 处，占47.5%，受水害威胁的储量达250108 t。随着矿山开采深度的增加，水压不断增大，深部开采的水害问题日益严重，煤矿突水已成为影响煤矿安全生产的重大关键问题之一。早在 20 世纪初，国内外学者注意到矿井突水与地质条件的关系，认识到隔水层岩性和厚度及断裂分布与突水之间的关系。20 世纪5
4、0 年代，我国首先引入了前苏联的斯列萨烈夫理论将回采空间的底板岩层视为两端固支，受均布载荷作用的梁进行突水预测。近些年来，虽然一些学者把灰色系统理论、模糊数学理论等数学理论引人煤矿突水评价中，提出了各自的评价方法，取得了一定进展，但应用效果受到限制，究其原因是还是对矿井突水地质条件和影响因素认识不够，基础地质参数取值困难，建立的理论模型与实际存在偏差所致，因此有必要加强矿井突水特征及突水地质条件的深入研究，建立煤层顶底板突水与地质条件之间的相关关系和模型，使对复杂的水文地质条件评价和矿井设计更趋合理和可靠。2 井田突水特征开滦范各庄矿是我国自行设计、施工的一座大型现代化矿井，1955 年4 月
5、进行普查勘探，1958年6 月21 日开始建井，1964 年10 月21 日正式投入生产。1973 年开始矿井改扩建，矿井设计能力为400104 t。但由于唐山大地震及极复杂的井田水文地质条件。1996 年，其核定矿井综合生产能力为320104 t。范各庄井田位于开平煤田的东南翼，地层走向整体为NESW 向，倾向NW，地层倾角一般为824。区内褶皱和断裂构造发育，根据构造特征，井田划分为3 个构造区，即井田北部的塔坨向斜区，中部单斜构造区和南部的毕各庄向斜区。含煤地层属石炭二叠系，主要可采煤层为下二叠统大苗庄组的5，7，9 煤层和上石炭统的赵各庄组12 煤层。其中12 煤层位于本区煤系地层的下
6、部，为复杂结构的厚煤层，其煤层厚度为1.058.32 m，平均3.54 m，在煤炭开采过程中突水频繁，根据井下突水点资料统计，其突水特征如下：(1) 矿井涌水量大、突水频繁发生。建矿以来共发生0.5 m3/min 以上的突水49 次，其中顶板突水24 次，底板突水18 次，岩溶陷落柱突水5次，断层突水2 次，一次淹井，一次淹水平。突水量小于1 m3/min 的占36.73%，110 m3/min 的占57.14%，大于l0 m3/min 的占6.124%，最大突水量为2 053 m3/min。(2) 发生突水的水源以1214 煤层间砂岩组裂隙承压含水层为主，突水25 次，占52%。而5 煤层顶
7、板砂岩水占 10%，突水量小。发生突水的含水层水压为0.024.92 MPa，平均为3.03 MPa，本区断层破碎带临界突水系数(水压与隔水层厚度比)的经验值为0.06 MPa/m。岩溶陷落柱和断层突水，占15%，且突水量大，大多是通过岩层破裂带突水的，并且突水多发生在开采过程中或开采后老顶来压阶段，尤其是第一次来压。突水前，工作面煤壁及底板发潮，压力增大，折梁断柱，煤帮塌落，最后底臌突水或沿断裂突水。(3) 岩溶陷落柱的存在是范各庄矿水害隐患的根源。建矿以来已发现14 个岩溶陷落柱，且集中分布在研究区北部的塔坨向斜区，均有不同的导水性，除对9#，10#两个陷落柱进行治理外，其余12 个陷落柱
8、均未进行治理。由于陷落柱直接导通奥灰水，严重威胁矿井的安全。同时，由于陷落柱的存在造成煤层不连续，给生产也带来很大的影响。(4) 突水点在空间的分布具有一定的规律性，突水点往往与断裂展布相关。井田中部单斜区中部呈NNW 向展布F0 断层，倾向SWW，倾角7084，为落差37 m 的高角度正断层，水平延展距离较大。三维地震资料显示，该断层垂向错断了整个煤系地层，向下发育至奥灰，向上接近基岩面，断层附近裂隙发育，含水丰富。南部F0 断层附近12煤层底板含水层和K3 灰岩含水层水化学特征接近，北部F0 断层附近12 煤层底板含水层和5 煤层顶板含水层水化学特征接近，表明该断层垂向可能沟通各含水层，区
9、内突水点大多沿该断层带分布，并受该断层所控制。3 突水地质条件分析3.1 12煤层底板充水含水层及其主要特征在煤系地层中，12 煤层底板直接充水含水层有1214 煤层间砂岩组裂隙承压含水层；间接充水含水层有14 煤层唐山灰岩间砂岩灰岩裂隙承压含水层和煤系地层基底的奥陶系灰岩强含水层。井田的东部和西南部是地下水的补给区，大气降水补给第四系地下水，由第四系通过隐伏露头补给12煤层底板充水含水层。(1) 1214 煤层间砂岩裂隙承压含水层1214 煤层间砂岩裂隙承压含水层(以下称12煤层底板砂岩裂隙含水层)厚度最大为73.65 m，最小为0.86 m，平均为50.09 m；含水层厚度变化与1214
10、煤层间隔水层厚度变化规律相反，且随着埋藏深度的增加而增大，也就是含水层厚度由井田的浅部向深部变厚。岩性主要为中、粗砂岩、含砾粗砂岩；中部的一层含砾粗砂岩，裂隙发育、含水丰富，当开拓巷道通过该层时大多表现为裂隙出水。(2) 奥陶系灰岩岩溶含水层奥陶系石灰岩(简称“奥灰”)在井田东部、北部埋藏较浅，在西部、南部埋藏较深；在井田外部为隐伏露头，直接与第四系冲积层接触。整个井田奥陶系石灰岩中构造裂隙和岩溶发育，但不同区域发育程度有很大差异。在塔坨向斜至井口向斜区岩溶发育且有较大溶洞存在，并造成煤系地层陷落，已相继发现了14 个岩溶陷落柱；井田单斜构造区，奥灰岩溶发育则较差。根据抽水实验和对该含水层动态
11、长期观测资料，奥陶系石灰岩是一个互相连通的岩溶含水整体，是煤系地层的主要补给水源，又可通过导水断裂和岩溶陷落柱成为矿井的直接突水水源。(3) 14 煤层唐山灰岩间砂岩灰岩裂隙承压含水层该含水层由 14 煤层底板砂岩和唐山灰岩组成，厚度为40 m，该层裂隙发育，北部唐山灰岩中有溶洞存在。该含水层在隐伏露头区接受冲积层含水层渗透补给，在井田中部接受下伏奥灰含水层越流补给。由于其裂隙发育的不均一性，其含水性由北向南，由浅至深逐渐减弱。但由于隐伏导水构造影响，局部区域含水性强。3.2 突水介质条件隔水岩柱的岩性、厚度、分布规律及其力学特性和其与可采煤层的空间位置控制着开采煤层顶底板突水分布，因此，对隔
12、水岩柱的岩性、厚度及分布规律进行评价是突水评价与预测的基础。本区煤系为海陆交替相含煤沉积，岩性由砂岩、泥岩、灰岩和煤组成，沉积旋回明显，纵、横剖面上岩性具一定变化。对12 煤层开采充水和安全构成威胁的底板主要含水层有1214 煤层间砂岩裂隙承压含水层，14 煤层唐山灰岩间砂岩灰岩裂隙承压含水层和煤系地层基底的奥陶系灰岩强含水层，其中1214 煤层间砂岩裂隙承压含水层距12煤层的层间距小，且变化大，同时岩性横向变化也大；而14 煤层唐山灰岩间砂岩、灰岩裂隙承压含水层和煤系地层基底的奥陶系灰岩强含水层距12 煤层层间距大，且到14 煤层之间的间距相对稳定，且岩性在横向上变化不大，只有在断层破坏隔水
13、层的完整性时才有可能向12 煤层采区突水。含水层的富水性与含水层的厚度、岩性、构造及性质和裂隙发育程度以及水压等密切相关。由于本区含水层厚度和水压均随着埋藏深度的增加而增大，因此，本区12 煤层底板砂岩裂隙含水层的富水性随着含水层埋藏深度的增加而增强，也就是本区砂岩裂隙含水层的富水性由井田的浅部向深部增强，同时，深部煤层底板突水的危险性也相应增高。3.3 突水构造条件井田南、北部均为向斜构造，中间为单斜构造，有良好的储水条件，地下水极易沿岩层的孔隙、裂隙集中而达到饱和，其结果使所有含水层均为承压状态，并具有矿井越向深部延深含水层压力越大的特点。本区北部的塔坨向斜区，以褶皱和陷落柱发育为主要特征
14、，小型断裂构造发育；中部单斜构造区，地层走向变化不大，倾向NWW 向，地层倾角824，由北往南倾角逐渐减小，一般在15以下，以小型断裂为主，F0 大断层贯穿该区域；南部的毕各庄向斜区，主体以毕各庄向斜和大断层为特征。统计结果表明，本区断裂构造以NEE，NE，NW，NNW 和近EW 向断层为主，尤其以NEE 和NE 向最为发育。突水与构造密切相关，断裂构造规模和力学性质以及区域内断裂构造的复杂程度是发生突水的重要因素。统计表明，突水点最大涌水量与断层密度呈正相关关系，随着断层密度的增大，煤层底板突水点最大涌水量也增大。3.4 构造作用及新构造运动范各庄井田位于呈北东向展布的开平向斜的ES 翼。从
15、上面的分析可以看出，本区突水地质条件比较复杂，突水地质条件主要受控于区域构造和现代构造环境。开平向斜是华北的一个小规模的古生代含煤断陷盆地。现代应力场在很大程度上影响煤层顶底板岩层的渗透性和突水分布。井田内中小型断裂构造突水特征和断裂结构面力学性质及其展布和现代地应力环境密切相关。NNW 向断裂面粗糙，破碎带宽，充填物排列杂乱，角砾岩棱角明显，无定向排列，表现为张性断裂特征；近EW 向组断裂现代处于拉张环境，沿该方向渗透性好。NNE 和NE 向组断裂面比较紧闭，可见明显的滑动痕迹，表现压扭性质。该组断裂在开采过程中，因弹性回跳效应而应力释放引起突水，这也是突水具有滞后效应的因素之一。其他组断裂
16、结构面力学性质表现为张扭性或压扭性，很少突水。4 结论井下突水的相关因素主要是水源、通道和介质条件以及开采因素，地质条件即含水层厚度及富水性、隔水层岩性及其厚度和构造条件控制着突水分布。从促发与阻抗突水两方面系统分析了矿井突水特征和1214 煤层间砂岩裂隙含水层厚度及其特征、突水介质条件(岩性、层间距)和突水构造条件，取得了如下成果和认识：(1) 本区煤系为海陆交替相含煤沉积，对12 煤层开采充水和安全构成威胁的底板主要含水层有1214 煤层间砂岩裂隙承压含水层，其厚度随着埋藏深度的增加而增大。(2) 12 煤层底板砂岩裂隙含水层水压随着含水层埋藏深度的增加而增高，呈线性相关关系；12 煤层底板砂岩裂隙含水层的富水性随其埋藏深度的增加而增强，且煤层底板突水的危险性相应增高。(3) 煤层底板隔水性能取决于隔水层厚度及其泥岩百分比含量，底板泥岩极限厚度与水压之间呈正相关关系
