峰峰矿区突水类型划分及突水模式

刘 博，关永强，孙玉壮，张会松，边 凯

（1.河北工程大学地球科学与工程学院，河北邯郸 056038；2.冀中能源峰峰集团有限公司，河北邯郸 056011）

我国煤田经过1 个多世纪的开采，煤炭开采逐步进入煤田深部开采时代，尤其华北型煤田，矿井大都已开采至距奥陶系含水层较近的下组煤，因导水构造复杂、发育且隐伏性高，局部地段突水危险性日益增大[1]。

针对深部煤层开采突水问题的复杂性，国内外许多学者在矿井水害类型、突水类型、突水模式和突水机理等方面进行一系列的研究，取得了大量卓有成效的成果。在水害类型研究方面，武强等[2]在构建矿井水害分类依据的基础上，对矿井水害类型进行了系统地划分，并重点分析了主要类型矿井水害的成灾机制和典型特征；侯宪港等[3]在总结山西省典型老空水案例的基础上，以采掘空间与老空水的相对位置关系为依据将老空水害划分了4 大类，并提出了各类老空水害的水文地质结构模式。

在突水类型研究方面，苏昌等[4]结合突水段岩溶发育特征、地下水赋存规律、地下水运移及动态变化特征，将突水段岩溶特征分为均质碳酸盐岩、可溶岩与局部非可溶岩接触带岩溶2 种类型；杜锋等[5]将西部矿区突水溃沙主要类型分为切落裂缝型、垮落型、钻孔诱发型3 类，并从多空介质孔隙度、破碎岩石粒径、沙粒粒径3 个方面对突水溃沙的机理进行了研究。在突水模式研究方面，郭惟嘉等[6]基于不同地质构造受采动影响特征及其诱发煤层底板突水机理，将深部开采底板突水灾变模式划分为完整底板裂隙扩展型、原生通道导通型和隐伏构造滑剪型3 种类型；尹尚先等[7]按照陷落柱与回采工作面或巷道的位置关系，将其突水模式分为正常岩层底板突水模式、断层裂隙带突水模式、陷落柱突水模式，并针对不同模式分析了突水机理。与此同时，许多学者对煤矿突水机理进行了一系列的研究探索，取得了大量的有益研究成果[8-17]。

目前，学者们在分析煤矿突水机理时往往根据突水构造存在形式、采掘空间与突水水源的空间位置等因素对矿井水害类型、突水类型和突水模式进行了划分和归纳，但具体到1 个矿区，并结合其典型突水案例，对其突水类型、模式和致灾机理的研究较少。然而深部煤层开采突水问题，不仅仅是采矿工程在特定的多相（流、固、气等）和多场（温度场、渗流场、应力场等）耦合的复杂水文地质结构，以及高承压水和强烈开采扰动综合影响下所发生的岩体水力学问题，更应该结合具体矿区的典型突水案例，系统地总结致灾成因的多种因素，多角度地分析突水机理。

基于此，在分析峰峰矿区历年72 次突水案例的基础上，根据突水水源的补给来源、开采煤层与突水含水层及通道的空间位置关系，单因素地将峰峰矿区突水类型划分为7 个大类、28 个亚类、50 个细类；同时，系统地总结了致灾成因的多种因素，多角度分析了突水的表现形式，归纳了9 种突水模式，并结合典型的突水案例，阐明了其突水模式的主要特征和机理。

1 矿区概况

1.1 地理位置和地层

1）地理位置。峰峰矿区位于河北省邯郸市的西南部，距邯郸市中心34.5 km。矿区北起南洺河、鼓山北部拐头山，南至水治，西邻太行山，东为华北平原，地理坐标为北纬36°20′～36°34′，东经114°3′～114°16′之间。峰峰矿区总面积约850 km2，地理位置优越，交通十分便利。

2）地层。峰峰矿区地表大部分被0～40 m 厚的第四系松散沉积层所覆盖，区内基岩出露较少[18]。与矿区内采煤、防治矿井水等过程密切相关的地层主要为奥陶系中统、石炭系、二叠系、三叠系和第四系地层。峰峰矿区地层综合柱状图如图1。

图1 峰峰矿区地层综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of strata in Fengfeng Mining Area

1.2 矿井和突水概况

1）矿井概况。峰峰矿区范围内现有10 对生产矿井，其中梧桐庄矿、新屯矿、九龙矿和辛安矿4 对极复杂型矿井，孙庄矿、羊东矿、大社矿3 对复杂型矿井，大淑村矿、牛儿庄矿、万年矿3 对中等型矿井，峰峰矿区各矿井分布示意图如图2。

图2 峰峰矿区各矿井分布示意图Fig.2 Distribution diagram of each mine in Fengfeng Mining Area

2）突水概况。1966—2019 年间，峰峰矿区发生突水事故72 次，其中60 次由太原组薄层灰岩水和奥陶系灰岩水所致，5 次为老空水所致，4 次由煤层顶板砂岩水所致，3 次因地表水灌入造成淹井。矿区突水量最大的突水事故是1995 年12 月3 日梧桐庄矿奥灰水突水，突水量34 000 m3/h，造成具大的经济损失和17 人的伤亡。综观72 次突水案例，主要突水水源为老空水、顶板砂岩水、太原组薄层灰岩水和奥陶系灰岩水，其中奥灰水占突水水源的31.9%；主要突水通道为断层、陷落柱、采空区、巷道、采煤引起的顶、底板导水裂隙和封闭不良钻孔等。

2 峰峰矿区突水类型

在分析峰峰矿区历年72 次突水案例的基础上，单因素地对突水类型进行了划分。首先，总体上根据突水水源的补给来源、开采煤层与突水含水层及通道的空间位置关系，将突水类型划分为7 个大类，即：大气降水突水、地表水突水、地下水突水、顶板突水、底板突水、贯通型突水、老空水突水；在细类中结合不同的降水程度、水体特征、空间组合、位置关系、水力特征进一步细分，最后再结合突水量的大小、危害形式、经济损失、人员伤亡及时效特征划分的峰峰矿区突水类型，峰峰矿区突水类型划分表见表1。

表1 峰峰矿区突水类型划分表Table 1 Water inrush type classification table in Fengfeng Mining Area

3 峰峰矿区突水模式

通过对峰峰矿区突水事故的整理和分析，根据峰峰矿区2011—2019 年生产矿井的水文地质报告、矿井水文地质结构、开采方式、突水类型等资料，多角度综合了突水的致灾因素和表现形式，对峰峰矿区突水模式进行了归纳。其主要突水模式有：非法越层开采突水模式、隐伏微型陷落柱突水模式、复合构造突水模式、贯穿断层突水模式、隔水层原生裂隙扩展突水模式、工作面外围补给突水模式、顶板裂隙扩展突水模式、底板垂向裂隙扩展突水模式、大气降水集中溃入突水模式等。

3.1 非法越层开采突水模式

非法越层开采突水模式是指峰峰矿区内部分小煤矿无视国家法律，开采无序、越层越界、乱挖乱掘，甚至开采防水煤柱和矿井边界煤柱，从而引发煤矿水害的发生。峰峰矿区内分布数10 个小煤矿，小煤矿在生产期间开采获得批准的2#、4#边角煤，但大部分小煤矿不仅仅满足于开采上组煤，甚至开采受奥灰水威胁极大的下组煤。部分小煤矿与主要开采矿井相连通，其采空区分布范围、积水范围、积水量和水头压力，以及与其它水源的联系等情况无法实测和调研，一旦发生突水事故，大青水、奥灰水等通过采空区溃入主要开采矿井，水大势急矸屑俱下，给主要生产矿井的水害防治造成了极大的困难。牛儿庄特大突水事故[18]是典型的永顺小煤矿非法越层开采下组煤，导致奥灰水进入该矿主副井筒，沿采空区从上而下溃入牛儿庄矿井，最终导致牛儿庄矿井被淹没，非法越层开采突水模式图如图3。

图3 非法越层开采突水模式图Fig.3 Water inrush mode of illegal cross layer mining

3.2 隐伏微型陷落柱突水模式

隐伏微型陷落柱突水模式是指峰峰矿区矿井在开采煤层过程中，意外揭露或后期钻探治理中，发现突水通道为隐伏微型陷落柱的突水事故。峰峰矿区内存在许多陷落柱，根据区域矿井多年开采的资料，已形成矿区内陷落柱体型大、基本不导水的传统经验认识，而九龙矿15423N 工作面隐伏微型陷落柱突水通道的发现，突破和颠覆了传统的水文地质条件认识，深部陷落柱体积小，隐伏性高，运用物理勘探手段很难发现其踪迹，在高承压水和强烈的开采扰动作用下，可成为奥灰含水层补给野青灰岩含水层良好的突水通道[19]。“原位张裂和零位破坏”理论[20]在九龙矿15423N 工作面突水的过程及机理中得到了很好的体现。隐伏微型陷落柱突水模式图如图4。

图4 隐伏微型陷落柱突水模式图Fig.4 Water inrush model of hidden micro collapse column

3.3 复合构造突水模式

复合构造突水模式是指峰峰矿区矿井在发生突水事故时，其突水通道不仅仅为单一的构造组成，而是由多种复合构造构成。峰峰矿区内存在大量的断层和陷落柱，这些断层和陷落柱贯穿煤层或隐伏于煤层之下，在强烈的开采扰动和高承压水的联合作用下，断层、陷落柱和采动裂隙相联通，形成良好的突水通道。突水通道为隐伏陷落柱+隐伏断层+采动裂隙的辛安矿112106 工作面突水是典型的复合构造突水模式。辛安矿112106 工作面在回采2#煤时，在采动应力和高水压的综合作用下，隐伏陷落柱顶端的裂隙突破完整岩层带与工作面底板矿压破坏带裂隙贯通形成良好的集中突水通道，从而引发采空区底板滞后突水，复合构造突水模式图如图5。

图5 复合构造突水模式图Fig.5 Water inrush model of composite structure

3.4 贯穿断层突水模式

贯穿断层突水模式是指峰峰矿区内矿井在发生突水事故时，其突水通道为贯穿煤层的断层。在深部煤层开采过程中，不可避免地接近或揭露未探明的断层构造，导致断层破碎带不断扩展与工作面采空区矿压破坏带相连通或处于准连通状态，进一步的开采扰动不仅造成断层带附近岩体破坏，还使岩体内局部的地应力得到释放，会诱发底板承压水瞬间冲破隔水关键层，从而引发突水事故。辛安矿112124 掘进工作面突水通道为1 条走向为NE10°、倾向NW、落差近120 m 的贯穿断层F55-1，落差为120 m F55-1贯穿断层的存在，将7.9 MPa 的奥灰承压水作用在底板隔水层的距离缩短了110 m。在强烈的开采扰动和高承压水的联合作用下，112124 工作面运输巷掘进期间高压奥灰水突破煤层底板完整岩层带，从而发生底板奥灰特大突水灾害，贯穿断层突水模式图如图6。

图6 贯穿断层突水模式图Fig.6 Water inrush model of through fault

3.5 隔水层原生裂隙扩展型突水模式

隔水层原生裂隙扩展型突水模式是指煤层隔水层存在许多原生裂隙，减小了隔水层的有效厚度和阻水能力，缩短了高承压原始导升带与矿压破坏带距离。与开采浅层上组煤不同，深部煤层开采产生的原生裂隙在高承压水的压裂扩容作用下更易扩展。同时，在开采扰动和高地应力作用下原生裂隙周围不断产生翼状等次生裂隙，形成局部化剪切贯穿断裂带。由于高承压水流楔劈、冲刷、软化和压裂扩容的相互作用、相互促进，隔水层原生裂隙沿最薄弱的方向进一步扩展，与周围的剪切贯穿断裂带逐步沟通，形成更大范围的破坏带，并最终突破完整岩层带与矿压破坏带相连，形成良好的突水通道并导致突水事故的发生[21]。九龙矿15252N 工作面底板隔水层原生裂隙较发育，在强烈的开采扰动、矿压和高压奥灰水的联合作用下，致使15252N 工作面回采2#煤层期间高压奥灰水突破巷道煤层底板完整岩层带，发生底板奥灰特大突水灾害，隔水层原生裂隙扩展型突水模式图如图7。

图7 隔水层原生裂隙扩展型突水模式图Fig.7 Water inrush model of original fracture expansion in aquiclude

3.6 工作面外围远程补给突水模式

工作面外围远程补给突水模式是指采前对工作面进行了地面区域治理和区域注浆改造，增强了工作面底板隔水层的抗压强度和有效厚度，降低了底板主要含水层突水的几率和突水程度。但加固的范围有限，未扩大到工作面外围，若工作面外围存在断层相交、向斜轴部垂向裂隙等导水构造，在矿压和高承压水的作用下，大青与奥灰含水层通过导水构造远程侧向补给工作面下伏的含水层，从而导致突水事故的发生。

梧桐庄矿182602 工作面外侧存在导水构造钟离村向斜，向斜轴部密集断裂带成为工作面外围奥灰含水层远程侧向补给2#工作面下方野青含水层的天然通道，受强烈的开采扰动及高地应力的作用，密集断裂带进一步扩展、贯通、并产生新的裂隙破坏带，在下部高承压奥灰水流楔劈、冲刷及扩容作用下，突水通道越来越畅通，工作面外侧的奥灰含水层远程补给野青含水层的水量大幅度增加，随着时间推移突水通道进一步扩大，最终导致工作面外侧奥灰水的直接突出，从而造成较大的底板奥灰突水事故，工作面外围远程补给突水模式图如图8。

图8 工作面外围远程补给突水模式图Fig.8 Water inrush mode of remote recharge around working face

3.7 顶板裂隙扩展突水模式

顶板裂隙扩展型突水模式是指煤层采出后，上覆岩层失去支撑、顶板围岩发生移动、变形以至破坏和垮落。顶板隔水层产生离层裂隙，在采动和矿压的影响下，裂隙不断扩展、集中、相互贯通形成宏观裂隙，导致岩层的垮落，依次形成垮落带、断裂带、弯曲下沉带[22-23]。当开采煤层上方存在老空水、水仓或地表水体时，裂隙延伸与其贯通，就会造成顶板突水事故。羊东矿开采2#煤层时，在强烈开采扰动和矿压影响下，导水断裂带不断向上延伸，与2#煤层上方的老空水和石盒子组砂岩含水层相连，导致砂岩水和老空水进入工作面，从而造成煤层顶板突水，顶板裂隙扩展突水模式图如图9。

图9 顶板裂隙扩展突水模式图Fig.9 Water inrush mode of roof crack expansion

3.8 底板垂向裂隙扩展型突水模式

底板垂向裂隙扩展型突水模式是指开采煤层位于背斜轴部上侧，底板隔水层垂向裂隙发育，且延伸很深，在矿压和水压的联合作用下，垂向裂隙沿最薄弱的方向进一步扩展，形成更大范围的密集断裂带。采前对目标含水层进行了疏水降压措施，单一的疏水降压措施使垂向裂隙相互促进、相互作用，降低了隔水层强度、完整性及阻水能力，奥灰含水层补给目标含水层的通道越来越顺畅，从而引发底板奥灰含水层突水。梧桐庄182102 首采工作面位于韦武-神岗背斜轴部，大煤底板自上而下发育了垂直或高角度的密集断裂带。开采条件下受强烈的采动及疏水降压影响，垂向裂隙扩展、贯通并产生新裂隙，在水压和矿压的共同作用下，承压水递进导升带裂隙向上发展与矿压破坏带贯通，182102 工作面下伏野青含水层水和高承压奥灰水就呈突发形式进入工作面，从而形成了底板突水，底板垂向裂隙扩展型突水模式图如图10。

图10 底板垂向裂隙扩展型突水模式图Fig.10 Water inrush model of vertical crack expansion in floor

3.9 大气降水集中溃入突水模式

大气降水集中溃入突水模式是指由于大气降雨引起的突水事故，其致灾时间与大气降水时间具有同步相关性或固定时间的延迟相关性，其突水量一般与降水量呈正比关系。在暴雨季节，地表水位（河水位）抬升高于井口（或隐伏的古井筒、封闭不良的钻孔、地面坍陷坑与井下存在水力联系时）标高时，将沿这些集中通道溃入井下，从而造成突水事故。辛安矿突水时恰逢雨季，受暴雨影响，地表洪水水位大幅度提高，由于辛安井田柳条东冲沟存在大量历史久远、位置不明、充填不密实的隐伏古井筒，其成为地表洪水溃入矿井工作面的良好导水通道。煤层采出后，上覆岩层失去支撑、顶板岩层发生移动、变形以至破坏和垮落。受开采扰动和矿压的影响，煤层顶板围岩开始大范围地产生裂隙并沿原生节理、裂隙发展扩大，即导水断裂带。导水断裂带与隐伏古井筒贯通，形成集中突水通道，从而引发大气降水突水，大气降水集中溃入突水模式图如图11。

图11 大气降水集中溃入突水模式图Fig.11 Water inrush model of concentrated precipitation outburst

4 结 语

1）将峰峰矿区突水类型划分为7 个大类，即：大气降水突水、地表水突水、地下水突水、顶板突水、底板突水、贯通型突水、老空水突水；在细类中结合不同的降水程度、水体特征、空间组合、位置关系、水力特征进一步细分了28 个亚类、50 个细类。

2）通过对峰峰矿区突水事故的整理和分析，系统地总结了致灾成因的多种因素，多角度分析了突水的表现形式，基于其致灾关键因素不同，归纳了9 种突水模式，并结合典型的突水案例，阐明了其突水模式的主要特征和机理。