结合同家梁矿简析断层构造
突水机理及防治措施
同煤集团同家梁矿
地质科：赵晨德
温思南
苗连江
结合同家梁矿简析断层构造
突水机理及防治措施
1 概况
煤矿突水是威胁矿井安全生产的主要因素之一，而影响我矿突水的水文地质条件比较复杂，但引起突水事故的主要是采空区积水。目前，我矿受采空区积水所影响的工作面有多处，以“有疑必探，先探后掘”作指导，在掘进的同时，我们先后进行了多次必要的探放水工作，但随着工作面布置的不断增多和矿井逐步进入枯竭期受上覆煤层采空区积水的影响就愈为严重。而断层导水是导通水流的主要途径，其他的突水事故也可能是由于隐伏断裂引起的，本着预防为主、防治结合的原则，接下来结合同家梁矿井分析和研究在各种情况下的断层突水机理，这对矿井安全生产有十分重要的意义。
2 煤矿断层突水特征
对于同家梁矿而言，虽近年来并未有突水事故发生，并且降水匮乏，但介于该区段断层发育频繁并且多呈带分布，顶板为厚层坚硬砂岩，易形成纵深较大的大面积导水裂隙带，与上层采空积水导通，造成突水。因此就断层突水的普遍特征表述如下：
(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)断层带突水往往带有岩石碎屑冲出。
(7)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。
以12#309盘区为例。该地区断层较多，多为断距在1m左右的张扭性正断层，但由于断层较为密集，交错发育频繁，这种情况下极易形成顶板破裂显著，矿压增大，裂隙相互导通，形成裂隙网，使原本的粉砂岩隔水层形成了裂隙储水层，导致突水。
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。
由于同家梁矿现采煤层集中于J - O地层，该地层的断层特点是断层断距小但较为密集，这一特点就使得其切割地层的能力有限，因此对于这一机理主要表现于14#与12#之间，由于这两层煤层间距为介于2 - 4m，使断距为1m的小断层对其影响也较大，这一影响主要集中在即将开采的14#410盘区81013工作面，由于该工作面切眼巷在短短的一百多米距离内就集中了四个小断层，易使12#采空区积水导通下流，殃及工作面。
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。
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1≤K≤2)；μ为岩体的泊松比；cr、cb岩块，岩体的压缩性指标；σt为岩体的平均抗拉强度，MPa；σHmin，σHmax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。
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)减弱上覆煤层采空区积水量：对于上覆煤层采空区富水区段，在补给条件较差的情况下，应采用疏干方法，进行一定的探放水工作，使水压降低，水量减少，从而实现安全开采。
(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。大同煤炭集团同家梁矿注浆堵塞裂隙通道成功封堵西北翼达子沟煤矿一带一千余米，有效控制了地表水的渗流，使得采空区积水的补给得以抑制。
对于同家梁矿而言，由于其属衰老矿井，在掘进过程中经常会遇到上覆煤层已被采空，并且采空区积水量较多，多实行地面抽水与井下探放水相结合的方法，因此采用该方法进行成功采掘的实例很多。
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：①通过人工强制放顶控制悬顶距，减小底板矿压；②煤柱位置尽量避开断层，防止在集中应力作用下断层突水；③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；④合理确定工作面长度，将矿压破坏作用降低到最低限度。
4.3 加强对隐伏小构造的探查
顶板突水往往是一些小的断层，尤其是一些隐伏的小断层，导致顶板岩层破碎，隔水性能减弱引起的。因此，要采取各种钻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。
4.4 水位观测
要建立地下主要采空区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
矿井顶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，防止突水灾害发生，使隐患控制在萌芽阶段，为矿井安全生产奠定基础，同时也为煤矿节省了资金。
