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小青煤矿西三采区裂隙水特征及分布预测探讨

 

小青矿  王锦平

 

摘  要  通过对上煤组西二采区、北二采区实见含水裂隙带的分布情况及下煤组西三采区实见含水裂隙的分布规律的分析，综合地质构造原理，对西三采区含水裂隙带的分布做出定性预测，划分出含水裂隙带分布区域，对小青煤矿下煤组西三采区的裂隙水防治工作提供了指导。

关键词  裂隙水　特征　分布　预测

1　引言

含水裂隙（小断层）带将是今后影响小青煤矿安全生产的主要因素之一，通过对小青矿西三采区及相邻采区初见裂隙水危险性的预测分析，认为近东西向小断层及裂隙密集带的发育是造成今后西三采区突水的主要因素之一。西三采区为西二采区的接续采区，其上部为西二采区、西一采区，西二采区水文地质条件比较简单，但在采区开拓、回采巷道掘进过程中多次发生因裂隙出水影响生产的事件，其对生产安全的影响不容忽视。原来对本采区含水裂隙的研究，只是根据钻探资料及三维地震资料，大致掌握含水裂隙的赋存状态，对含水裂隙机理、特征、分布规律等不甚清楚。经过本采区开拓及采掘的多次实见，结合上覆采区裂隙水发育特征，总结出发育规律，以更好地指导下煤组西三采区安全生产。   

2 采区基本概况

西三采区位于小青煤矿井田下煤组西部。本采区西部以F7、F14断层为界与大隆井田相邻；以F6、F14＇、F71断层为界与晓明井田相邻；北为大明井田，以人为技术边界为界；东北以人为技术边界为界与双树子地方矿井田相邻，东以F74、F81断层为界与北三采区相邻，南以纬线4699000定技术边界。 采区东西宽平均为1.64km，南北长平均为4.97km，面积为8.15km²。本采区为下煤组首采区，其上部为上煤组的西一采区、西二采区。

本采区地层与区域地层基本一致，主要由前震旦系辽河群的古老变质岩构成基底，白垩系上统阜新组地层以角度不整合于其上，白垩系上覆地层为白垩系下统的孙家湾组，两者之间以平行不整合接触，第四系地层以角度不整合关系覆盖在白垩系地层之上。

白垩系地层构成本采区的煤系地层，成煤时期为中生代早白垩世。属于陆相、湖盆、河流、沼泽相沉积，由上至下可分为三个段：上含煤段、中部砂泥岩段、下含煤段。本区有可采煤层1层，即15-1层，全区可采，煤层赋存稳定，结构简单，煤厚最大为1.6m，最小为0.70m，平均为1.15m。

3 西三采区含水裂隙赋存情况及发育特征

3.1西三采区含水裂隙赋存情况

西三采区轨道运输巷、皮带运输巷、专用回风巷实见的含水裂隙倾角一般大于80�，裂隙宽度一般在0.01~0.04m之间，最大达0.158m，成组发育。每组有8~10条小裂隙，裂隙间距0.2~0.8m，形成裂隙带，具有明显张裂性质，且充填不实。当裂隙发育区域局部发育有含水的砂砾岩层时，裂隙与其发生水力联系，成为裂隙水的水源。当裂隙与煤层相通时，则煤层内瓦斯在裂隙内积聚，使裂隙水成为承压裂隙水，一旦被采掘工程揭露，极易造成水与瓦斯突出灾害（附表）。

附表   西三采区裂隙突水点情况统计表

突水时间	突水地点	最大水量（m3/h（	水量变化趋势	突水因素分析
2015年4月14日	W3回风下山H20号测点前131m	18	减少至淋水	F6断层裂隙水
2017年8月10日	W3W皮带石门A7前26.5m	1	减少至疏干	87605钻孔裂隙水
2018年2月4日	W3E皮带石门P22点前162m	12	减少至淋水	F6断层裂隙水
2018年8月20日	W3E专用回风巷H25点前132.6m	2	减少至淋水	F6断层尾伴生裂隙水，含瓦斯
2018年8月22日	W3E专用回风巷H26点前40m	1	减少至淋水	F6断层尾伴生裂隙水，含瓦斯
2019年7月26日	W31501回顺B21前44.5m	2.5	减少至淋水	裂隙水，含瓦斯

3.2 含水裂隙的发育特征

3.2.1含水裂隙的性状

西三采区自2014年开拓生产以来，揭露的含水裂隙带共计11处，其中最大涌水量超过10m³/h的地点有2处。涌水量最大的出水点在W3回风下山，达到18m³/h。裂隙水量最大的出水点在W3回风下山，裂隙出水总量达到1000m³以上，且含有大量瓦斯。含水裂隙带实见多分布在断层影响范围、褶曲两翼，分布较集中，有一定的规律性。

3.2.2含水裂隙的产状

含水裂隙走向主要呈EW向，其次为NW向，再次NE向。倾向主要呈N-NE和S-SW两个方向，倾角一般在82�~89�之间。含水裂隙与总体分布规律基本一致，以倾角85�的为主，占95%。

3.2.3含水裂隙的宽度及分布规律

煤层中揭露的含水裂隙带宽度较小，多为0.01~0.04m左右，多有岩屑充填。个别宽度较大，如W3专用回风巷（沿15煤层顶板掘进）实见的F6断层尾部，裂隙带宽度达0.15m。岩石中的裂隙宽度稍大，多在0.02~0.08m之间。裂隙主要分布在大中型断层附近及尖灭部位、复合褶曲轴部应力集中区，其宽度受大中型断层及复合褶曲的控制。据统计，宽度大于0.10m的裂隙占统计裂隙数量的15%，宽度大于0.05m的裂隙占统计裂隙数量的25%，宽度在0.05m以下的裂隙占统计裂隙数量的60%。总之，宽度相对较大的裂隙主要分布在大中型断层附近及尖灭部位和复合褶曲轴部应力集中区。小断层和简单褶曲附近的裂隙带的宽度一般较小。

3.3 相邻采区含水裂隙的发育特征

根据上部西二采区、北二采区及其它采区的实见资料，可见本井田的相邻采区含水裂隙具有如下特征：

1. 含水裂隙主要为高角度张性裂隙，倾角多在82�以上。
2. 含水裂隙产状总体上一致。走向主要呈EW向，其次为NW向，再次NE向，倾向主要呈N-NE和S-SW两个方向。近EW向的含水裂隙在井田内的含水构造起控制作用。NW、NE向的含水裂隙只在局部发育。
3. 含水裂隙宽度一般在0.02 m以上，往往成组发育，走向及垂直方向延伸较长，个别有一至二条主裂隙面。含水小断层落差一般在3.5m以下，在煤层中的断层面一般都有煤、岩屑充填，在岩层中的断层面可见有明显缝隙。
4. 含水裂隙的密度及分布范围与上下煤层具有对应关系。

4 西三采区含水裂隙形成的机理分析

4.1 影响含水裂隙形成的介质条件

煤层相对于其它岩层属于软弱层，硬度小，受挤压易于变形。当煤层受到构造应力作用时，煤层本身不但发生塑性变形，产生断裂构造，而且为煤层顶底板岩层中的断裂构造发育提供了位移空间，使顶底板岩层中的断裂构造延伸到煤层中。所以，煤层中断裂构造较其它岩层发育，并且煤层厚度大更利于断裂构造的形成，反之不利于形成断裂构造。

西三采区的15煤层厚度0.13~1.60m，平均厚度在1.01m。本煤层顶、底板河床相沉积比较发育，多以中粗砂岩、砂砾岩为主，其次为粉砂岩、细砂岩及泥岩等，属于较脆性岩层。在构造应力场作用下，断裂构造易在脆性岩层中形成，并在应力的持续作用下向下部煤层扩展。由于15煤层厚度小，断裂构造很容易切过煤层，继续向底板塑性岩层粉砂质泥岩中发展。当遇到厚的砂岩岩层时则无力切穿，多形成上大下小的断裂构造。总的来说西三采区的15煤顶底板岩性组合特征有利于断裂构造发育。

4.2 影响含水裂隙形成的力学条件

4.2.1大型断层对含水裂隙产状的影响

在西三采区内表现比较明显，有一定的规律性，反映了大型断层对含水裂隙的控制作用。例如：F6断层尾部的裂隙带在上煤组的西二采区4、7煤层及岩巷中多处实见，且含大量裂隙水及瓦斯，在15煤层巷道邻近F6掘进时也实见有多处含水裂隙，它们与大型断层的关系为：

走向上：含水裂隙主要为近EW向，其次为NW、NE向，大断层走向为NWW、NE向，含水裂隙走向与大断层呈平行或小角度相交，显示应为大断层派生的小构造。

倾向上：采区内小断层发育的三组优势倾向中，主要为S、SW向，与大断层相一致。或N、NE向，与大断层倾向相反或有一定夹角。

4.2.2 复合褶曲对含水裂隙产状的影响

在采区内表现比较明显，具有一定的规律性，反映了复合褶曲对含水裂隙的控制作用。含水裂隙受复合褶曲影响的情况，，它们与复合褶曲的关系为：

走向上：本区域含水裂隙主要为近EW向，其次为NWW向。复合褶曲轴部走向为SWW、NE向，含水裂隙走向与SWW向褶曲轴部走向呈平行或小角度相交，显示本区域内的含水裂隙受复合褶曲EW向应力挤压、SN向应力拉伸的影响。

倾向上：井田内小断层发育的三组优势倾向中，主要为S、SW向，与复合褶曲轴部相一致。或N、NE向，与复合褶曲轴部倾向相反或有一定夹角。

4.2.3 大型断层、复合褶曲对含水裂隙带宽度、密度及分布的影响

根据采掘实见，证实含水裂隙带的产生是在大中型断层或复合褶曲带的控制下形成的。距大中型断层、复合褶曲带较近的地段，含水裂隙带的宽度、密度较大，远离大中型断层、复合褶曲带则宽度、密度逐渐减小；在断层的转折部位、交汇部位及断层尖灭部位和复合褶曲轴部交汇部位，都是应力集中的部位，往往含水裂隙的宽度和密度都较大。

5  含水裂隙带的定性预测

西三采区作为小青矿今后的主产采区，由于含水裂隙带是采区内水与瓦斯突出的主要因素，因此，对本采区内的含水裂隙带的分布进行准确预测是十分必要的。

5.1 预测依据

（1）实见表明，多煤层中的含水裂隙在产状、密度、分布等方面一般具有上下一致性，故可利用已采掘煤层的实见资料，对其上下煤层中含水裂隙进行预测。

（2）大型断层、复合褶曲是控制采区内煤层含水裂隙发育的重要条件。因此，可以利用区域内实见煤层大型断层、复合褶曲与含水裂隙的关系，对采区内未实见煤层中的含水裂隙进行预测。

（3）含水裂隙发育的煤层顶底板一般都发育有砂岩含水层，为其裂隙水源。因此，在砂岩含水层分布范围和大型断层、复合褶曲交汇区域含水裂隙带的主要发育部位，是预测的主要区域。

5.2 定性预测

通过对已知出水点和各种预测成果的分析认为，含水裂隙为不同方向构造缝和规模断层相交处、断层消失处和传导性较好的地区，并据此推断和预测了没有开采15_-1煤层的出水情况。15煤层1029钻孔北部靠近断层部分，754钻孔、525钻孔、1051钻孔区域裂缝发育带为出水可能性较大的区域。（附图）。