范各庄矿区北翼12煤层突水灾害分析

范各庄矿区北翼12煤层突水灾害分析刘建平;冯玉【摘要】Water inrush is an important hidden danger threatening the safe mining in Fangezhuang Coal Mine, so finding out the causes of water inrush has important practical significance. Based on the study of the hydro-geological conditions in this mining area, analysis was made on the water filling conditions, water filling channels and water filling strength of 12th coal seam. The results showed that the mine inflow was large and water inrush frequently occurred, but the mine inflow did not change with the seasons;the cracks were the main water filling channel, and the second was the subsided columns and faults; the statistical data showed that the water inflow in the research area had a phase change characteristics of falling down - stable - falling down again since 1989.%煤矿井下突水是威胁范各庄煤矿安全开采的重要隐患，查明突水的原因具有重要的实际意义。

在研究矿区水文地质条件的基础上，分析了范各庄矿区内12煤层的充水条件、充水通道及充水强度等，结果显示：研究区具有涌水量大与突水频繁等特征，但矿井涌水量无季节性变化；裂缝为最主要的通水通道，其次为陷落柱和断层；从统计数据来看研究区涌水量自1989年以来具有下降—稳定—再下降的阶段性变化特征。

【期刊名称】《矿业安全与环保》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】4页(P112-115)【关键词】突水灾害;充水因素;陷落柱;裂缝【作者】刘建平;冯玉【作者单位】河北能源职业技术学院矿产资源与建筑工程系，河北唐山063004;开滦集团有限责任公司，河北唐山063000【正文语种】中文【中图分类】TD745;P64煤矿井下突水一直以来都是困扰华北地区煤炭开采的重大隐患,往往会造成大量的人员伤亡与财产损失,对煤矿的安全开采十分不利。

范各庄煤矿于1958年开始建井,1964年正式投入生产,2013年计划生产450万t,实际产量为469万t。

矿区北翼的塔坨向斜区水文地质条件复杂,该区由塔坨向斜、井口向斜和北二背斜组成,在2个向斜的轴部附近断裂构造发育,这些断裂构造往往会沟通各含水层而导致井下发生突水[1-3]。

1978—1990年,在井口向斜轴部先后因岩溶陷落柱和断裂构造发生了204出水点区裂隙出水、2176采煤工作面出水、2171采煤工作面9号陷落柱突水、208高水位异常区平7孔突水等事故。

因此,通过对区域、矿井地质和水文地质条件分析,查明矿井充水因素,以及分析导水通道的特征等对矿区北翼12煤层制订防治水方针策略具有十分重要的实际意义,同时也为邻近矿区水文地质条件的研究提供一定的参考。

1.1 区域水文地质条件范各庄井田位于开平向斜东南翼南段,主体构造为井田北翼的塔坨向斜和南翼的毕各庄向斜(见图1),开平向斜在发育过程中,北部受青龙山东西构造带影响,为开平主向斜轴在古冶以北发生偏转呈东西向而派生出的南北应力场形成的次一级构造。

研究区位于燕山沉降带中段之南缘,为一北东向的北翼陡南翼缓的不对称向斜构造。

向斜北部基岩裸露地区,地面标高40～60 m,南部标高20 m左右。

区内地表水系不发育。

分布于煤田东部的沙河及自西部进入煤田的陡河,均系季节性河流,平时主要起着排泄矿井水的作用。

矿区内主要含水层为冲积层含水层、煤系地层砂岩裂隙承压含水层、奥灰含水层,除第四系潜水层外均为承压含水层。

煤系砂岩含水层富水性受构造发育控制,主要是裂隙含水层;奥灰含水层岩溶发育,含水丰富,对区域内矿井威胁较大。

区域内含水层的补给主要为大气降水,同时由于导水构造的存在,也造成各含水层的越流补给。

1.2 范各庄矿区北翼水文地质特征本区褶皱和断裂构造发育。

北部塔坨向斜区,以褶皱和陷落柱发育为主要特征,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8°～24°。

范各庄煤矿北翼东北和东部以12～14煤层砂岩含水层隐伏露头为边界,接受第四系底部卵砾石孔隙含水层的补给,南四石门进入毕各庄向斜处为南部边界,西北部与吕家坨煤矿为邻,西边以12煤层-800 m底板等高线为界,东南边界为断层边界;西南部边界为露头补给,12煤层底板含水层地下水由四周向井田北部的中央径流,东南断层边界为东部地下水分水岭,渗透性弱,为近似隔水边界。

西、西北部边界受吕家坨煤矿采煤影响,水位已降到-500 m以下,而且单孔出水量小,充水含水层渗透性能较弱,也可以近似视为隔水边界。

南部边界亦为近似隔水边界。

大气降水通过下渗补给第四系底部卵石含水层,然后通过顺层和垂向补给下部其他含水层,其中以顺层补给为主,但大气降水对下部含水层及矿井涌水量不会造成大的影响,而煤系含水层主要通过弱透水层接受潜水的越流补给、侧向补给。

奥陶系灰岩水不能直接补给含煤地层。

奥陶系灰岩距最下一个稳定可采煤层(12煤层)的间距一般为160～220 m,在正常情况下与矿井无直接充水关系,但岩溶陷落柱及导水断裂构造可将奥灰水直接导入煤系地层,成为矿井水的直接补给水源,如图2所示。

大气降水、地表水、含水层水、断层水和老空水均可成为矿井的充水水源。

由于第四系冲积层厚度在井田北部为50 m左右,到井田南部厚度已达500 m以上,因此大气降水只对第四系含水层补给,矿井主要充水水源为含水层水、断层水和老空水。

2.1 大气降水矿区气候属大陆型季风气候,夏季炎热潮湿多雨,冬季寒冷干燥少雨,多年来,该区域7—9月平均降雨量为431.34 mm,占年平均降雨量的70.91%。

含煤地层上覆盖着巨厚的冲积层,降雨后雨水大部分从地表流走,少部分渗入地下,经过一系列的径流、渗透和补给,仅有少量水进入巷道及采空区内,对矿井涌水量变化的影响较小,因此矿井涌水量无季节性变化,不受大气降雨的直接影响。

2.2 地表水体井田范围内有沙河自井田北部流向西南,河面开阔,水力坡度较小,仅为1‰～2‰。

随着矿井开采,地表不断塌陷,在工业广场两翼形成了大面积塌陷积水坑,北翼塌陷坑曾与沙河连为一体。

地表水体与第四系冲积层中的潜水层水呈互补关系。

地表水体和大气降水一样,在正常情况下,只是通过渗透补给冲积层底部卵砾石含水层,间接补给煤系地层。

2.3 含水层水矿井直接充水水源主要来自5煤层顶板砂岩裂隙承压含水层、5～12煤层和12～14煤层砂岩裂隙含水层。

间接充水水源主要来自第四系底部卵砾石强含水层和煤系底部的奥陶系岩溶裂隙承压含水层。

矿井直接充水含水层和间接充水含水层,各含水层之间都有较好的隔水层存在,正常情况下水力联系微弱。

矿井的充水通道包括采动导水断裂带、岩溶陷落柱、导水断裂带等。

3.1 采动导水断裂带根据收集的数据,按照覆岩性质不同分为3大类,即坚硬、中硬、软弱。

由于煤层的采动产生的裂隙带也会导水,鉴于范各庄煤矿12煤层顶板抗压强度属于中硬岩石,可选用中硬覆岩经验公式:y^= -0.054 1 x^2+0.098 x^-0.000 9求得导水断裂带高度,其结果见表1。

3.2 岩溶陷落柱充水影响2022、2024、2026工作面的陷落柱有2、7、8、10、12号陷落柱。

其中2、8、12号陷落柱为边缘充水类型,7号陷落柱为疏干类型,10号陷落柱为全充水类型[4-5]。

1)2号陷落柱边缘裂隙发育,顺裂隙由下往上涌水,但陷落柱的中部却无水。

12煤层底板砂岩水经6年疏降,涌水量已降至0.4 m3/min。

经过10多年的疏降,水量基本疏干,2号陷落柱周边除12煤层西部未回采外,其余均已回采,附近新打钻孔漏水,进一步说明水量疏干程度较高。

2)7号陷落柱位于二水平北翼2172回采工作面内,1982年在2172综采工作面揭露,当时只在陷落柱边滴水,柱内充填物大多风化成黄色细砂和黏泥,只有少量5煤层顶板砂岩残存。

7号陷落柱区域,8煤层采掘工作面绕过柱体施工,9煤层上下方均已回采、12煤层周边尚未回采,开采9煤层时水量较大,在12煤层底板探查中发现下部存在导水通道。

3)8号陷落柱位于二水平北翼2176采煤工作面内,柱内充填物和柱边裂隙均无水,充填物中的砂岩为蓝色,打碎后里面为浅灰色,外部这层蓝色膜说明陷落柱曾充水,由于工作面运输巷出水而被疏干。

8号陷落柱周边8煤层已沿防隔水煤柱线开采,9煤层仅上方开采,12煤层周边尚未开采。

4)10号陷落柱位于井田二水平北翼2178工作面切眼南部,经过两期治理消除了隐患。

10号陷落柱周边7、8煤层均已回采,周边9、12煤层尚未回采。

3.3 导水断裂带据井下突水点资料并结合邻近井田地下水活动特征,说明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[6-9]。

统计表明,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有关,随着断层密度增大,煤层底板突水点最大涌水量也增大。

区内12煤层底板突水事故均与断裂构造和岩溶陷落柱密切相关,如表2所示。

4.1 各水平充水情况范各庄煤矿水文地质条件比较复杂。

一水平最早揭露本井田各煤层直接充水含水层,顶底板含水层充水强度较大,最大涌水量曾达到9.20 m3/min。

二水平井口及北翼受塔坨向斜和陷落柱影响,为本井田水文地质条件最复杂区域,工作面涌水量大,陷落柱富水性强,发生204出水点和2298工作面集中断裂带突水。

三水平南翼一石门,受F0大断层影响,顶板破碎、煤层松散,顶板以滴、淋水为主;三水平南翼二石门,断层多为落差1.0 m以下的斜交小断层,回采时5煤层顶板砂岩含水层涌水量较大, 3255工作面最大涌水量达2.14 m3/min。