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第 28 卷 第 2 期 岩石力学与工程学报 Vol.28 No.2 2009 年 2 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2009 收稿日期收稿日期2008–09–12；修回日期修回日期2008–11–18 基金项目基金项目国家重大基础研究发展计划973项目2007CB209400，2006CB202210；国家自然科学基金重点项目50634050；国家自然科学基金资助 项目50674087，50874103 作者简介作者简介白海波1960–，男，博士，1982 年毕业于南京大学水文地质与工程地质专业，现为教授级高级工程师，主要从事矿井水防治、水资源 保护和利用理论与技术等方面的研究工作。E-mailhbbai 高压奥灰水大型逆断层下盘煤层安全开采研究高压奥灰水大型逆断层下盘煤层安全开采研究 白海波 1，茅献彪1，2，吴 宇2，陈占清1 1. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008；2. 中国矿业大学 理学院，江苏 徐州 221008 摘要摘要在底板高压岩溶含水层上且靠近较大断裂构造弱面采矿时，隔水层段的残余厚度和断裂的采动活化程度是 能否突水的关键因素。为探索这类问题，以徐州矿区柳新煤矿在大型逆断层下盘带高压奥灰岩溶水开采深部煤层 为实验现场，根据奥陶系顶部存在隔水层的观点，对该逆断层进行数值模拟、力学及演化的地质历史分析、探测 和现场渗透性实验后，完成工作面的安全保水试采。试采结果表明该矿井田内的奥陶系顶部存在厚约 118 m 碳 酸盐岩隔水层，该隔水层由充填带和岩溶不发育带构成；逆断层天然状态下不导水，工作面开采造成了下盘煤层 至上盘奥陶系顶板逆断层面约 60 m的局部活化，而处于奥陶系顶部隔水层段内的断层面未被活化。若上盘奥陶 系顶板就是岩溶含水层顶板，则在高水压的驱动下岩溶水将沿逆断层活化段向工作面渗透而造成突水。奥陶系顶 部碳酸盐岩隔水层和断层天然不导水是工作面贴近断层开采而不发生突水的主要原因。 关键词关键词工程地质；断层活化；奥陶系岩溶水；碳酸岩隔水层；高水压 中图分类号中图分类号P 642；TD 163 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200902–0246–07 RESEARCH ON WATER-RESERVED MINING WITH HIGH WATER PRESSURE UNDER LARGE-SCALE THRUST-FAULT IN ORDOVICIAN KARST BAI Haibo1，MAO Xianbiao1 ，2，WU Yu2，CHEN Zhanqing1 1. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology， Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2. School of Sciences，China University of Mining and Technology，Xuzhou， Jiangsu 221008，China AbstractThe residual thicknesses of aquifuge and mining reactivations of the fault are the key factors to control the water inrush when mining is near the large-scale fault with karst aquifer under the floor. Taking the mining working face of deep coal seam under large-scale thrush-fault with high water pressure of Ordovician karst at Liuxin mine in Xuzhou mining area as a case， the numerical simulation， the mechanical analysis and the geological evolution process have been pered based on the viewpoint that aquifuges exist in Ordovician top and can be considered as key aquifuges，which can guarantee the safe mining of the working face. The research results show that in the experimental area，there are carbonatite aquifuge about 118 m in thickness，in which the karst cave is refilled and undeveloped. The fault in natural state is not water-conducting one；and the part of thrush-fault between coal seam in drop side and the Ordovician roofabout 60 m in upthrust side is reactivated by mining，but the part of thrush-fault in top Ordovician aquifuge is not reactivated. If the Ordovician top is saturated with karst water，the water driven by high water pressure may infiltrate to the working face along the reactivation part of fault，which means the water inrush will occur. The aquifuge existing in Ordovician top is the primary reason for 第 28 卷 第 2 期 白海波，等. 高压奥灰水大型逆断层下盘煤层安全开采研究 247 the mining safely around the fault. Key wordsengineering geology；fault reactivation；Ordovician karst water；carbonatite aquifuge；high water pressure 1 引引 言言 华北型煤田基底奥陶系岩溶水既是华北地区主 要的地下水源，又是煤矿防治水的重点。煤矿在奥 陶系承压含水层上开采防止断层突水的主要方法是 留设足够大的防水煤柱，个别的也用注浆加固的办 法以缩小断层防水煤柱宽度[1 ～6]。研究集中在底板 水向上渗透特征和水压对煤层底板的作用方式及作 用结果上[7 ，8]，而对奥陶系可溶岩层本身的研究较 少，只是将整个奥陶系笼统作为含水层对待，认为 煤层埋藏越深，水压越大，突水危险性也就越大。 对大断层附近开采突水危险性的预测常常偏大，而 有些预测为“安全区”却发生了突水事故[9 ～17]。为 此，通过对华北奥陶系沉积特征、顶部残留层位及 岩性、岩溶发育及后期充填和改造等规律的研究， 统计了许多典型矿区资料，提出了在华北广大区域 奥陶系顶部存在隔水层段并可作为煤层底板保水采 煤的关键屏障的观点[18 ～23]。依据这一观点和研究方 法，在徐州矿区柳新矿的 F16 逆断层下盘成功实施 了带高压奥灰岩溶水的安全保水采煤，再次证实了 奥陶系顶部碳酸盐岩也可成为隔水层，并且可以成 为保水采煤的隔水关键层。 2 实验工作面基本条件实验工作面基本条件 该井田为倾向 NW 的单斜构造，第四系覆盖层 厚约 45 m。F16 为走向高角度近 70 逆断层，F16 逆断层上盘的浅部资源已经开采完毕，需要开采下 盘的山西组 7 煤，该煤层与奥陶系顶界面正常层间距 约为 260 m，煤层倾角为 45 ，埋深－700 m以下地 面高程34 m，F16 逆断层错动使上盘奥陶系顶板 与下盘 7 煤间距不足 60 m， 上盘奥陶系岩溶水直接 从浅部隐伏露头获得补给，水量充沛，渗透性好，奥 陶系岩溶水水位为8～10 m， 试采面处的静水压力 约为 7 MPa。732 工作面沿 F16 逆断层走向布置， 其材料道与 F16 逆断层的断煤交线平距不足 40 m。 断层拉近奥陶系与开采煤层的间距，煤层底板 承受奥陶系岩溶水水压高达 7 MPa，有 2 个关键问 题需要解决其一，若把整个奥陶系作为含水层计 算突水系数0.152，则断层带是突水危险区域，即 使按规程规定留设宽度大于 140 m的煤柱，也未必 能保证安全开采。其二，在采动条件下，F16 逆断 层结构面被矿压扰动活化，奥陶系高压岩溶水有可 能沿断层面发生渗流突变，溃入采场如图 1 所示。 图 1 逆断层下盘带高压奥灰水开采示意图 Fig.1 Schematic diagram of mining under thrust-fault and high hydraulic pressure of Ordovician karst 3 采动应力集中与逆断层活化导水的 数值模拟 采动应力集中与逆断层活化导水的 数值模拟 本次数值模拟选用 FLAC，其模型尺寸大小为 350 m210 m，采用 interface 单元模拟，假定 F16 逆断层在天然条件下不导水，模拟采宽为 70 m，模 型上施加的垂直载荷为 8 MPa，侧压系数取 1.5，底 部施加的孔隙水压力为 7 MPa，施加 x，y 方向的位 移约束，两端施加 x 方向的位移约束见图 2。 1 应力分布特征 模拟结果显示，732 工作面开采后采场两侧出 现带状分布的垂直应力卸压区，卸压带外出现了应 力集中，其最大值为 15～18 MPa，应力集中系数为 2.25；在采场的两侧斜下都出现了应力集中，最大 值为 15 MPa见图 3；在 F14 正断层与 F16 逆断层相 交区域出现了应力集中，其最大值为 24～27 MPa， 应力集中系数为 3.0，影响范围约为 5 m，次级应力 为 21～24 MPa，其影响范围为 10～15 m见图 4。 0 m 248 岩石力学与工程学报 2009 年 图 2 数值计算模型 Fig.2 Calculation model for numerical simulation 图 3 采场附近垂直应力分布单位Pa Fig.3 Distribution of vertical stresses of working face of its adjacent areaunitPa 图 4 断层交接处垂直应力分布单位Pa Fig.4 Distribution of vertical stresses of cross junction of faults unitPa 采场上部岩层的剪应力分布成双漏斗型，最大 值为 4～6 MPa；受断层影响，采场左侧回风巷剪 应力的集中程度和范围明显比右侧运输巷大得多 如图 5 所示。在断层交汇处剪应力集中比采场附 近要高，最大值为 6～8 MPa，在两断层交汇点与回 风巷之间有一条强度为 4～6 MPa 的剪切带如图 6 所示。 图 5 采场附近剪切应力分布单位Pa Fig.5 Distribution of shear stresses of working face of its adjacent areaunitPa 图 6 断层交接处剪切应力分布单位Pa Fig.6 Distribution of shear stresses of cross junction of faults unitPa 2 F16 逆断层的法向和切向变形 采动影响下，F16 逆断层的法向和切向的力最 大值分别为 7 和 9 MPa，出现在 F16 逆断层和 F14 正断层交接部位见图 7，8，断层的切向滑移量最大 为 1.374 cm，法向张开量最大值为 8 cm见图 9，10。 图 7 F16 逆断层的法向应力单位Pa Fig.7 Normal stresses of thrust fault F16unitPa F16 F14 x/100 m y/100 m x/100 m y/100 m x/100 m y/100 m x/100 m y/100 m x/100 m y/100 m x/100 m y/100 m 第 28 卷 第 2 期 白海波，等. 高压奥灰水大型逆断层下盘煤层安全开采研究 249 图 8 F16 逆断层的切向力单位Pa Fig.8 Tangential stresses of thrust fault F16unitPa 图 9 F16 逆断层的切向变形单位m Fig.9 Tangential deation of thrust fault F16unitm 图 10 F16 逆断层的法向变形单位m Fig.10 Normal deation of thrust fault F16unitm 3 水渗流矢量 假定奥陶系顶界即为含水层顶板，高压岩溶水 将产生越导原始导高，采动又将使 F16 逆断层局 部活化，在高水压驱动下，上盘奥陶系地下水将沿 着断层向上渗流见图 11，然后经采动裂隙及煤层 突入采空区见图 12。 以上应力分布、变形及渗流矢量等模拟结果显 示工作面采动在采空区周围和 F16 逆断层附近都产 生了应力集中，在两断层剖面交汇处与 732 工作面 之间有一条强度为 4～6 MPa 的剪切带贯通；假定 图 11 深部含水层水流矢量图 Fig.11 Current vector diagram of water flow for deep aquifer 图 12 采场附近水流矢量图 Fig.12 Current vector diagram of working face of its adjacent area 奥陶系顶界面即是含水层顶板，开采后岩溶地下水 将沿着断层活化段向上渗，进入采空区，开采 732 工作面有沿 F16 逆断层突水的危险，这与已有的评 价方法诸如突水系数等计算结果和防治水经验相一 致。 4 奥陶系顶部岩层隔水性能研究奥陶系顶部岩层隔水性能研究 4.1 岩溶发育与富水性岩溶发育与富水性 以徐州矿区为例，马五组阁庄组岩层为海退 时期的云坪、灰云坪沉积，其中有 4 个旋回，各旋 回的厚度自下而上依次为 33，39，46，15 m。每个 旋回均以微晶–细晶–中粗晶白云岩开始，经豹斑 状泥质白云岩至泥质白云岩夹薄层钙质泥岩结束。 徐州残留了 3 个旋回，第 4 个旋回厚约 15 m连同 其上的八陡组马六组被剥蚀殆尽，残留厚约 118 m。 白云岩段溶蚀较弱，以溶孔和小溶穴为主，但连通 性差。因加里东期长期风化剥蚀，徐州矿区又缺失 了八陡组马六组、阁庄组马五组的第四旋回，由 于古岩溶风化壳的存在和后期沉积充填作用，使得 马五组上部碳酸盐岩混入大量的泥质，岩溶不易再 x/100 m y/100 m x/100 m y/100 m x/100 m y/100 m x/100 m y/100 m x/100 m y/100 m 250 岩石力学与工程学报 2009 年 发育，因此，富水性很差、含水性弱，成为隔水层。 1 水源勘探资料证实阁庄组富水性很差 位于柳新矿南侧、庞庄矿东侧的奥陶系分布区 杜楼、孙庄以及东固城等几个村庄在奥陶系阁庄组 隐伏露头区施工 6 个水源勘探孔，都是岩芯完整， 溶孔和裂隙被方解石和泥质全充填，均为不漏水的 干孔。 在霸王山前、新河矿向斜北侧的半步店村的阁 庄组隐伏露头区施工水源孔，穿越 58 m 厚的第四 系后，在 58～165 m深度范围内揭穿阁庄组，见蜂 窝状溶孔、溶穴，钻进循环水基本不漏失，抽水实 验证实不能成井。 张集矿、垞城矿、义安矿、庞庄矿、权台矿、 董庄矿、唐庄矿和柳新矿等单位在阁庄组中寻找水 源均未成功，在马家沟组灰岩含水层q10.8～ 16.0 L/sm中才解决。 2 矿井防治水工作证实了阁庄组富水性差 卧牛山矿在－120 m 开拓放水巷抵达奥陶系顶 界面后，再继续向奥灰钻进 100 m阁庄组，仍无水。 唐庄矿补 4 孔进入奥陶系阁庄组 52.6 m在孔深 272.4～325.03 m，未漏水、岩芯完整，抽水实验资 料为S 41.98 m，Q 0.25 L/s，q 0.006 L/sm， K 0.011 7 m/d。该矿将矿井下部车场布置在奥陶系 顶板，已经安全使用二十多年。 为验证推覆构造存在与否，在韩桥矿施工 2 个 揭穿整个奥陶系的孔，其中，阁庄组厚度为 92.3～ 105.8 m，岩芯完整、不漏水。 韩桥－42～330 m、夏桥－45～330 m、青山 泉 3 个井、新河－50～300 m以及卧牛山－42～ －300 m垞城煤矿－260～－700 m等矿已采完或正 在开采太原组 20， 21煤， 大黄山在－120～－500 m、 董庄矿在－200～－680 m 开拓太原组均未发生奥陶 系岩溶水突入矿井的问题，而下组煤仅距奥陶系顶 界面 35～40 m，若奥陶系顶部无隔水层段存在，采 动对底板的破坏带就会与奥陶系承压水的原始越 导导高带相同而出水，反过来也证明奥陶系顶部不 富水。 柳新矿有 6–8，6–10，6–5 三个孔分别在覆 盖区和掩埋区揭露奥陶系顶部 60～140 m的层位， 未见漏水，从而证实阁庄组的富水性差，可认作隔 水层，其厚度为 118 m。 4.2 隔水关键层构成隔水关键层构成 徐州矿区奥陶系顶部阁庄组作为隔水层是存在 的，阁庄组以白云岩为主，在加里东风化壳古岩 溶期，地势平坦，构造变形小，地下水在孔隙度相 对较大18的松软白云岩中循环深度受限，古地 表形成低缓的馒头状山包，地下岩溶发育深度不 大。长期风化剥蚀产物堆积造成古风化壳岩溶被全 部充填，测井、地震波阻抗反演和钻探均证实该段 泥质含量高，厚为 30～50 m。因此由上部充填段和 下部的岩溶不发育段二者共同构成了奥陶系顶部隔 水层，总厚度为 90～120 m。同时该隔水层也是致 密的结构关键层，可以单独构成隔水关键层；奥陶 系上覆的本溪组25～30 m及其上的软岩隔水层也 可以单独构成隔水关键层，还可以将奥陶系顶部致 密碳酸盐岩层和上覆软岩层构成复合隔水关键层 如图 13 所示。 图 13 隔水关键层构成及类型 Fig.13 Category and composition of key aquifuge 5 F16 逆断层导水性分析逆断层导水性分析 既然无缺陷的隔水关键层是可以抗住 7 MPa 水 压力，那么，奥陶系高压岩溶水能否突入矿井就决 定于 F16 逆断层断裂带的阻水能力。 1 F16 逆断层是燕山期与徐宿弧同时形成的 压性结构面 F16 逆断层与区内主构造线方向一致，根据分 期配套，其属于燕山运动期的产物，与徐州宿县 弧形构造同期同成因， 即在 SE～NW 向推挤力的作 用下产生了徐州宿县弧形构造和平行于弧线的一 系列褶皱、断裂，F16 逆断层就是平行于弧线的压 性结构面。由于边界条件限制，断裂方向与新构造 运动最大主应力方向不一致，所以，后期的喜马拉 雅运动和新构造运动对其改造甚微，至今仍然保持 其压性结构面的特点。 2 F16 逆断层天然状态下不导含水 断层形成的性质和后期改造情况均决定了断层 面的渗透性差。控制与穿过该断层的钻孔有 17 个 第 28 卷 第 2 期 白海波，等. 高压奥灰水大型逆断层下盘煤层安全开采研究 251 孔，没有发生漏水；井下有－430 m北一石门、751 石门、－430 m南北大巷、南一采区石门、南二采区 石门、727 与 729 工作面、707 与 730 工作面及相邻 的张小楼矿等巷道揭露，多条巷道穿越而不出水， 证实 F16 逆断层天然状态下不导水。 自 732 工作面回风巷向 F16 逆断层施工了 2 个 验证钻孔，钻孔从断层下盘穿到上盘，显示断层面 紧闭，充填钙质胶结的粉砂岩，上盘破碎带很窄且 其中的破碎岩石已经胶结固化，无水。利用 2孔进 行断层带阻水性能实验，经在 1孔加压注水，在 2 孔观测接收，压水点至接受点间距为 15 m，超过 2.7 MPa 后才压裂导通，得到断层带阻水能力η 0.18 MPa/m，证明该断层有一定的抗渗透能力。图 14 为断层面阻水性能实验示意图。 图 14 断层面阻水性能实验示意图 Fig.14 Schematic diagram of water resisting test along thrust fault face 3 F16 逆断层是矿井深浅 2 个水文地质单元 的分界线 F16 逆断层为近走向逆断层NE40 ～45 ，其 走向呈舒缓波状，倾向 SE，与单斜地层倾向相反， 倾角为 60 ～83 ，落差为 20～200 m，延展长度为 3 500 m。在该断层的倾斜上方，有多条近乎走向的 正断层，但由于延伸距离较短，只能起局部阻水作 用，而 F16 逆断层倾角大、断距大、延伸长，两端 延伸出本井田之外相当的距离， 将本井田彻底分成深 浅 2 部分，煤系地层中的砂岩和薄层石灰岩裂隙含 水层被断开，大断距使上下盘煤系含水层失去水力 联系。 由于 F16 逆断层的阻水作用和顶托作用，太原 组石灰岩裂隙水交替变差， 岩溶发育迅速终止， F16 逆断层构成了太原组石灰岩溶隙发育的终止线。 6 开采实践检验开采实践检验 前述奥陶系顶部隔水层厚约 118 m，使隔水层 总厚度增加，特别是逆断层带上，上盘真正的奥陶 系岩溶含水段顶板与下盘煤层底板间真实距离超过 180 m，F16 逆断层采动活化导水段约 60 m，最大 只抵达奥陶系顶界面，而奥陶系顶部隔水碳酸盐岩 层恰是 F16 逆断层的非活化段，前述断层带抗渗实 验表明未活化的断层带抗渗性能与完整的砂、页岩 相近，因此，采动非活化段足够阻止高压岩溶水向 上渗透，使采动活化段与奥灰含水段O2m不能沟通 见图 15，因此，下盘开采只需留设小煤柱防对盘 太原组薄层灰岩裂隙水。 图 15 奥陶系顶板隔水关键层与断层活化关系 Fig.15 Relationship between fault remobilization and key top confining strata of Ordovician top 7 结结 论论 1 模拟结果表明采动导致的断层局部活化段 已抵达奥陶系顶界面附近，假定奥陶系顶部富含水 则不能安全开采，这与已有的突水系数等评价方法 得出的结果一致，证明数值模拟方法是可以用于具 体工程力学评价的。 2 工作面沿逆断层成功安全开采的根本保障 是奥陶系顶部的碳酸盐岩层构成的隔水层。该隔水 层在本井田内是由顶部泥、钙质和黄铁矿充填带和 岩溶不发育带白云岩组成，厚达 118 m。在奥陶系 顶部隔水层段内 F16 逆断层面未被活化、破坏，该 隔水层发挥了隔水关键层的作用。 252 岩石力学与工程学报 2009 年 3 华北奥陶系顶部存在隔水层的观点在该矿 被又一次证实和成功利用，安全采出原认为是最危 险块段的煤炭资源，不仅为该矿开采深部资源奠定 了理论和实践基础，而且为探索华北约 2.001011 t 的“下组煤”提供了新途径。 参考文献参考文献References [1] 刘衍高. 深部开采区导水断层防水煤柱合理留设探析[J]. 煤矿开 采， 2008， 131 21–23.LIU Yangao. 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