浅析断层构造突水机理及防治措施.doc

2011-02-27 10:01浅析断层构造突水机理及防治措施浅析断层构造突水机理及防治措施作者 徐睿 屠世浩 郑西贵摘要：总结了断层突水特征，根据突水机理的不同将其分为直接突水和间接突水，并分析了其中的影响因素及影响机制。最后，基于突水的3个条件所属的不同范畴从水文地质和采动力学等几个方面来阐述防治措施，并结合我国一些突水实例进行探讨。关键词：断层：突水机理；裂隙；突水特征；防治措施1 概况煤矿突水是威胁矿井安全生产的主要因素之一，据统计，近30 a间我国发生过200多起淹井事故。我国煤矿水文地质条件比较复杂，但引起突水事故的主要是底板奥灰岩溶水。目前，我国受底板岩溶水威胁的矿井高达222处，有51对矿井随时都有突水的可能，随着开采水平的延深，煤层受底板含水层的威胁越来越大。从目前各矿区突水的统计资料来看，约80%的突水事故是由于断层引起的，其他的突水事故也可能是由于隐伏断裂引起的，所以，煤矿底板的突水问题实质上是断层的突水问题，分析和研究在各种情况下的断层突水机理，对矿井安全生产有十分重要的意义。2 煤矿断层突水特征(1)大多数突水位置为正断层的上盘。因为在正断层的上盘开采时，产生的矿山压力通过煤柱作用在断层面上，使断层带裂隙产生剪切运动，而下盘开采产生的矿山压力通过煤柱作用在下伏岩层上，对断层面没明显的影响。(2)断层的交汇处或尖灭端易突水。断层的交汇处和尖灭端是应力集中的地段，由于应力集中，导致裂隙发育，易于突水。(3)小断层密集带也是易发生突水的部位。主断层派生的次级序次的小断层成群出现时，裂隙发育，有利于导水通道的形成，同时因与主断层构造联系，易诱发突水。(4)2条及其以上的近距离平行的正断层的上盘易突水。由于断层之间的岩层受断层的错动影响，岩石破碎，裂隙发育，断层带较宽，对隔水底板破坏范围较大，因而易突水。(5)同一条断层愈往深部愈易发生突水。(6)采空区周边断层或小断裂地段的岩层易发生底胀突水。(7)突水水源多为奥灰水，且突水前水头压力值较大。(8)断层带突水往往带有岩石碎屑冲出。(9)有时会发生滞后突水。因为断层不是任何部位都导水，巷道或工作面揭露断层后，也不是立即突水，而是在长时间的矿压作用下，断层带可能活化及相对移动直至与含水层导水裂隙沟通，造成滞后突水。3 断层突水机理断层是在岩体形成后的地质运动过程中，沿岩体内破裂面发生明显位移的地质构造。断层周围存在的结构称为断层破碎带，其横剖面可以分为两个带：构造岩带和断层影响带。断层突水根据机理不同可分为两类：直接突水、间接突水。断层的构造岩带与含水层贯通，在工作面推进至断层影响范围内时突水为直接突水；断层影响带与含水层贯通，在力学作用下断层活化，发生的突水为间接突水。3.1 断层直接突水机理3.1.1 断层缩短了煤层与含水层之间的距离当断层切过煤层和含水层时，断层两盘的位移会使煤层底板与含水层之间的相对位置和距离发生变化。许多情况下会使两者之间的距离缩短，使隔水层的有效厚度减小，有时甚至使煤层与含水层直接接触。在这种情况下，如果采掘工作面揭露或接近断层带，就会使原来处于封闭状态的承压水突然涌出而形成突水，煤层与含水层之间的距离缩短多少则取决于断层的落差和断层的倾角。(1)断层落差影响。断层落差大小的不同可使断层两盘的煤层与含水层之间产生不同的接触关系。如隔水层有效厚度变小或使煤层与含水层的距离增大等。它们都有可能引起突水，但突水时的来水方向、涌水量显然不一样。(2)断层倾角的影响。井田内断层在平面上和垂向上多数位置变化较大。断层面倾角的变化可能会使部分防水煤柱失效，造成煤层与含水层之间距离变短而引起突水。3.1.2 断层的贮水导水作用由于构造的作用，断层带的岩性一般比较破碎，在岩块松散胶结的情况下，具有良好的贮水性和导水性。当规模较大时，破碎带本身贮存的水就相当可观。如果断层同时切穿多个含水层或与之发生水力联系，就会对矿井形成较大的威胁。一方面，含水层中的承压水可通过毛细作用沿断层破碎裂隙上升致一定初高，使隔水层的有效厚度减小，使隔水层在局部地段完全失去阻水作用；另一方面，当断裂规模较大，同时切穿多个含水层时，断层的作用会使各含水层之间发生水力联系，形成相互补给，突水规模将大大增加，易于发生淹井事故。3.1.3 断层构造降低了岩层的强度断层带影响范围内岩性破碎，它的存在破坏了隔水层岩层的完整性，降低了岩层的强度。一般断层构造岩带的强度只有正常地段的30%左右，尤其是在断层交叉处等断层密度较大的地方，破坏程度更高，且断层带的内聚力和内摩擦角一般较岩石小得多，其所产生的向下摩擦阻力很小，使隔水层承受水压力的能力大大降低，突水事故特别容易发生。3.1.4 水压作用当构造岩带导水性较强时，若它与煤层底板破坏带相沟通形成通道，则承压水可沿此通道进入矿井，发生突水。此时，构造岩带为透水的，当空隙水压力满足下列条件时，构造岩带就失去抵抗水压的能力，成为导水通道，即： 式中， k为岩体空隙弹性参数(通常1K2)；为岩体的泊松比；cr、cb岩块，岩体的压缩性指标；t为岩体的平均抗拉强度，MPa；Hmin，Hmax分别为最小、最大水平主应力，MPa。可以看出，断层愈深，愈易突水。因为深度增加，含水层水压增加，地应力也增加，断层面裂隙在地应力作用下转化为张性裂隙，承压水更易渗透到断层带的裂隙中，降低了岩石的力学强度，削弱了断层两盘之间的摩擦阻力，裂隙的裂开度进一步加大，在水压的作用下便发生突出。 3.2 断层间接突水机理断层影响带是受断层影响而形成的裂隙发育带，分布在构造岩带的两侧，它的宽度取决于断层的规模和两盘岩石的力学性质等因素，宽度大小不等，而且沿着断层走向和倾向宽度变化都很大。裂隙发育带中，原岩产生大量张裂隙、扭裂隙及分支断层。在采动作用影响下，采场断层会发生重新活动，即活化。活化后的断层在水压力的作用下，产生种种破坏作用，使水沿断层面升，当煤层开采造成的底板破坏深度到达水沿裂隙上升的高度时，底板承压水即沿断层面突出，造成突水事故。3.2.1 矿山压力对断层的影响在矿山压力作用下，岩层的压入水量取决于其密度的大小，密度大，则孔隙率就小，压人的水量少，反之，则相反。当岩层受力被压缩时，其密度就会变大，而卸压膨胀时，密度就会变小。因此，压水量最少的点是底板岩层在该深度上压力最大的部位，而压水量最多的点为该深度上压力最小的部位，分别称为最大压缩点和最大膨胀点，同类点的连线就是最大压缩线和最大膨胀线，两线均有随着底板深度的增加向采空区移动的特点。其大致形态如图1所示。一般来讲，各工作面的条件并不相同，但底板岩层中的最大压缩和膨胀曲线形态仍然存在。最大膨胀点一般均位于采面前后，如果煤层强度大于底板岩层强度，其最大膨胀点点多在采前，反之则位于采后，若基本一致，往往位于采面的零位处。底板应力的释放，使采空部分卸压，采壁边缘内部增压，这一应力差会使底板岩层产生剪切变形和位错，而煤壁侧则因顶板压力转移受到更大的承载压力，其底板岩层必然就会受到压缩，而压缩区相对下沉，卸压区相对上升，当有破裂面断层存在时，其上、下盘易产生错动，使得两盘之间由“胶结”状态转化为“断开”状态，断层裂隙进一步扩展，延伸至含水层，从而为突水通道奠定了基础。所以，采空区煤壁附近最易发生断层突水事故。3.2.2 水压对断层的影响水压对断层也有挤压、扩张等作用，使得位于临空区的一盘向采空区产生移动。主要通过两种方式：一是水楔作用(水在压力作用下沿断层面的导升称为水楔作用)。水楔作用会对岩石裂隙产生劈裂破坏和挤压破坏，使本来相对完整的岩石产生裂隙并且不断扩张，水在压力作用下沿裂隙上升。二是水对岩石的软化膨胀作用。由于断层面多为粘土矿物，水沿着裂隙上升，使粘土矿物软化、膨胀、分解，大大降低了断层面的抗压强度，水对断层的长期渗透、浸泡能够减少断层面之间的摩擦力，分解后的岩体碎片由于地下水水位的不断变化，水流对断层面产生冲刷，岩体碎片不断被水流带出断层面，久而久之，断层面不断扩展，即形成了导水通道。4 防治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。4.1 水文地质法(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。采用该方法进行成功采掘的实例很多，如峰峰矿务局二矿东南区，疏降大清水进行安全开采，徐州矿务局韩集矿、张双楼矿疏降底板薄层灰岩水进行开采也取得了成功。(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，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。徐州矿务局张集煤矿注浆堵塞裂隙通道，成功封堵西翼300m太原组轨道下山奥灰隐伏陷落柱特大突水灾害；淮北矿务局刘桥一矿在断层巷道揭露造成多处底板渗水的情况下，在62运输上山上部对F断层采取注浆加固，控制了工作面突水。4.2 采动力学法矿压是导致断层突水的主要因素之一，因此，可以通过合理的采煤方法来降低矿压对底板隔水层的破坏进而防止断层突水。其措施有：通过人工强制放顶控制悬顶距，减小底板矿压；煤柱位置尽量避开断层，防止在集中应力作用下断层突水；选择合理的工作面布置方式，选择矿压显现最小的推进方向布置工作面；合理确定工作面长度，将矿压破坏作用降低到最低限度。邯郸矿务局王凤矿一坑的1955工作面采用短壁工作面法，即把一个较大的工作面分成3个小的工作面进行回采，尽管有少量突水，但避免了较大的断层突水。淄博矿务局的各个煤矿，采用长壁分割协调开采方法，减少了底板矿压的破坏作用，很明显地避免了底板突水事故。4.3 加强对隐伏小构造的探查底板突水往往是一些小的断层，尤其是一些隐伏的小断层，导致底板岩层破碎，隔水性能减弱引起的。因此，要采取各种钻探及物探手段探明隐伏构造，尤其要查明导水构造和隔水层的薄弱带。淮北朱仙庄加强防治水工作，对可能存在水害威胁的作业场所，充分利用钻探、物探和电法勘探等手段，进行水文地质勘探，掌握水文地质条件，投产24 a来没有发生一起淹面或突水伤人事故，实现了安全开采。4.4 水位观测要建立地下主要含水层和小窑积水区的水位观测系统，以防止由于水位升高，相应措施没能跟上，而造成原来留设的煤柱不足，形成水压导水通道，导致突水灾害发生。5 结语矿井底板突水受多种因素作用，其中断层构造是主要因素。根据突水机理的不同将其分为直接突水和间接突水，直接突水主要受地质条件影响，间接突水则受力学条件的作用，由于影响条件不同，在防治突水工作中，针对不同类型的突水机理，采取有效措施，进行综合治理，防止突