摘要：利用数值模拟和相似材料模拟，对厚煤层分层综放开采“两带”发育高度、对断层的扰动和离层发育特征进行研究，查明68002工作面回采后形成的充水断层和离层空间、73003工作面回采波及致灾离层发生水害事故机理。结合离层水害机理，对矿井中部区煤层进行水害威胁分区，制定治理方案。
关键词：厚煤层分层开采；断层离层充水；威胁分区；水害治理
1 矿井地质概况
1.1地层
老虎台井田位于内蒙地轴的东延部分，由古生带前震旦纪、中生代白垩纪、新生代第三纪与第四纪的属系所构成。井田内地层自下而上分为：太古界鞍山群（花岗片麻岩）、中生界下白垩系（砂砾岩）、新生界古近系抚顺群（玄武岩、凝灰岩、煤层、油母页岩、泥灰岩、褐色页岩）和第四系（冲积层）。井田赋存三层煤层，开采的是“一煤层”，该煤层最大厚度110m，平均厚度55.55m；最大埋藏深度1300m，煤层顶板为油母页岩，平均厚度194m；底板为凝灰岩，厚度30m。
1.2、地质构造
井田位于新华夏构造体系的第二隆起带，纬向构造体系与新华夏构造体系的复合部位。从区域应力场作用方向和构造展布特征分析，煤田构造主要由不同高序次的结构面组合而成。燕山运动所派生的低序次分支构造及第三系地层的沉积，创造了边界条件和动力件。喜马拉雅运动，在北东东～南西西向区域力场作用控制下，沿F1裂面发生北盘向西，南盘向东的左旋扭动。导出
新的局部构造应力场，随着左旋扭动的加剧，派生出低序次的分支构造，构成了与“入”字型构造相当的构造体系。
1.3、矿井水文地质条件
井田内主要含水层为白垩系砂砾岩含水层，该层为不同岩石的角砾和不同的胶结物所构成，分布于F1与F1A之间以及北部向斜区内，其垂厚约为450m，主要岩石成分为花岗片麻岩，石英及玄武岩所组成，其单位涌水量为0.00189～0.00247L/s，富水性较弱，原始状态下断层不导水，顶板油母页岩层隔水性能较好，经后期重复开采破坏，形成充水致灾离层，致使原本简单的水文地质条件变得复杂。
2 矿井水害概况
73003工作面位于井田中部，走向长度650m，面长80～100m，开采4分层以上煤层，平均厚度38m，开采标高-600.7～710.0m，可采储量285万吨。煤层走向N45°～61°、倾向NW、倾角10°～20°，工作面靠近F16-1断层下盘，煤层顶板岩性为油母页岩、绿色页岩等中硬岩石。73003工作面开采至190 m位置时发生透水，透水量约3000m3，透水携带绿色页岩、油母页岩、煤炭和砂砾岩等混合物约5000m3，死亡29人。
3、73003工作面水害事故形成机理
68002工作面西回采后，F1断层上下盘产生不均匀沉降，F1断层中产生了一定的空间，F1断层的空间首先接受上盘白垩系砂砾岩含水层的直接补给，形成了稳定的补给水源；由于在F1、F16-1和F18断层之间的岩层中产生了离层，这些离层将各断层导通，并且F18断层南侧的岩层中也产生了不同高程的离层，三条断层及周边的离层空间内接受F1断层的持续水量补给，形成了横向-纵向交错的储水空间；68002工作面于2001年12月25日回采完毕，73003工作面则于2006年9月15日开始回采，间隔时间长达近5年时间，这些储水空间接受了长时间稳定的水量补给，形成了一定规模的静态水源。
当73003工作面开始回采时，在6400剖面附近，由于上方无其它工作面，覆岩没有受到过扰动，故不存在大规模的充水水源；随着工作面推进至68002工作面附近时（6250剖面），由于上部存在68002工作面西的采空区，并且68002工作面西回采已经使覆岩中形成了一定规模的离层和断层水，73003工作面开采对覆岩进行重复扰动，使得覆岩破坏范围增大，波及至上述的离层和断层水，发生水害。
4中部区水害威胁分区
4.1分区原则
根据离层划分原则和工作面布置安全性原则，将中部区按照受水害威胁程度划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等四个分区。
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4.2中部区各剖面分区
根据四个分区的相对位置、所受水害特征，对5800～7200剖面进行离层水
害威胁分区：5800～6400剖面受水害威胁程度较重，6600～6800剖面受水害威胁程度严重，7000～7200剖面受水害威胁程度较轻。西翼煤层距离断层群较近，覆岩破坏严重，离层空间发育，同时易接受断层水的补给，形成致灾充水离层，6200剖面附近发生过水害事故，因此，西翼煤层受水害威胁程度较重或严重；东翼煤层在6600～6800剖面附近的水文地质条件、回采条件和73003、工作面出水点附近（6250剖面）类似，面临较重或严重的水害威胁；7000～7200剖面煤层远离F1断层，覆岩中离层发育有限，受水害威胁程度轻或较轻。
4.3 中部区平面图分区
由于受水害威胁程度分区平面图是基于5800～7200剖面绘制的，两条剖面之间距离是200m，剖面与剖面之间的区域可能存在煤炭资源赋存和开采条件上的变化，因此，在工作面布置和采取防治水措施时，需要根据实际情况对各分区的平面图进行细化和修正。
5离层水害治理方案
5.1 地面常规钻孔探查与治理
致灾离层形成的位置在平面上位于靠近含（导）水断层，在剖面上位于油母页岩和绿色页岩接触面的位置，根据致灾离层的位置，在地面布设直通式探查钻孔。钻孔位置主要以原始冒落带范围和各分区冒落带范围之间的区域而定，探放的主要区域在垂向上位于原始冒落带范围以外，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分区冒落带范围以内，平面上位于距离断层较近的位置，重点兼顾绿色页岩和油母页岩的接触面、地层较为破碎区以及其它需要探放的区域。
5.2 地面定向钻孔探查与治理
钻孔位置主要以原始冒落带范围和各分区冒落带范围之间的区域而定，探放的主要区域在垂向上位于原始冒落带范围以外，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分区冒落带范围以内，平面上位于距离断层较近的位置，重点兼顾绿色页岩和油母页岩的接触面、地层较为破碎区以及其它需要探放的区域。
5.3 井下常规钻孔探查与治理
与地面探查钻孔相比，井下探查钻孔施工方便，并且工程量少，但是由于中部区上部煤炭资源基本均有开采，下部煤层在开采前如果对上部离层水和断层进行探放时，钻孔需要穿过上部煤层的垮落带，并且由于离层水和断层水距离可以施工的区域较远，存在施工困难。
井下探查钻孔可以施工的区域较少，现以6850剖面为例，设计4个探查钻孔，其中T1和T2目的是对绿色页岩和油母页岩接触面附近离层水进行探放，T3和T4目的是对F18断层水进行探放。
6结论
6.1、根据数值模拟预测成果，冒采比约为4.70～5.25，裂采比约为7.18～7.48；根据相似材料模拟成果，冒采比约为5.00～5.80，裂采比约为7.28～8.00；
6.2、根据数值模拟和相似材料模拟研究成果，当68002西工作面回采后，F18、F16-1和F1断层附近距离煤层顶板200～300m处发育有一离层带，这个离层带成为沟通F18、F16-1和F1三条断层的通道，同时这个离层带位于油母页岩和绿色页岩的接触面附近；
6.3、根据数值模拟和相似材料模拟研究成果，当68002西工作面回采后，F18、F16-1和F1断层由于上下盘不同程度的沉降，三条断层形成了一定规模的断层空间；
6.4、73003工作面离层水害形成机理：68002工作面回采后绿色页岩和油母页岩之间形成了离层集中发育区，F18、F16-1和F1断层也形成断层空间，离层空间和断层空间共同形成“横-纵”交错的储水空间，在接受F1上盘白垩系砂砾岩含水层的补给后，成为了离层和断层水体，73003工作面回采产生的冒落带沟通至离层和断层水体后，发生水害事故；
6.5、基于离层水害形成机理，对中部区5800～7200剖面进行了离层水害威胁分区，并将4个威胁程度不同的分区绘制在平面图上；
6.6、针对不同水害威胁分区，分别制定了地面和井下钻孔探查和治理方案。
作者简介：
王景新，1965年10月出生，采矿工程师，现任抚矿集团公司老虎台矿地测副总工程师，毕业于辽宁工程技术学院，连续多年从事矿井地质、测量及水害防治工作，多次被评为企业双先模范、生产技术专家和学科带头人。
论文作者:王景新,耿福民,庄振玮
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/11
标签：断层论文; 水害论文; 工作面论文; 煤层论文; 剖面论文; 油母页岩论文; 钻孔论文; 《基层建设》2018年第23期论文;