摘要 本文针对海孜矿745工作面2005年5月21日发生特大顶板砂岩突水、瞬时最大水达3887m3／h的罕见事故，从充水因素、突水源等方面进行分析，推断本次特大突水事故因，提出745工作面水害防治对策。
关键词 特大突水 突水源水害 顶板 对策
1.前言
淮北矿业(集团)公司海孜矿设计生产能力90万t／a，经技术改造后核定生产能力150万t／a，主采煤层为下石盒子组7煤、8煤及山西组10煤。
海孜矿一水平84采区自1998年开采以来有6个工作面发生16次突水，突水量在10～350m3／h之间不等，突水水量衰减快、历时短，出水位置一般在项板周期来压过程中，沿走向多为90-100m一次，规律性明显，出水多显淋水形式，采取常规的防治水措施后，均能有效地避免水害事故的发生。但在745工作面特殊的地质、采矿、水文地质条件下，2005年5月21日，在工作面推进总长度140m处，发生了特大突水事故，瞬时最大水量3887m3／h，造成5名工人死亡。
本文将从745工作面充水因素、突水水源入手，对这起罕见突水事故的原因进行分析，提出745工作面水害防治对策。
2.地质、采矿特征
2.1地质特征
7煤层厚度0.2～3.2m，平均厚度1.29m，平均倾角18°。7煤顶板为砂、泥岩组合岩性，自下而上有细中砂岩三层，厚度分别为2.28m、2.19m、5.16m，其余为泥岩、粉砂岩。法线方向54m以上为一层厚96～169m，总面积达10平方公里的巨厚岩浆岩床，岩性以闪长斑岩为主。其下部为厚约23～25m蚀变带，岩石节理裂隙发育，但其发育程度不详。第四系松散层厚247米，下伏四含厚度l0～14米，直接覆盖在煤系露头之上，四含单位漏水量q=0.0923-0.40411／s.m，为弱含水层。
2.2采矿条件
745工作面平均倾角15°，工作面走向长400m，倾斜长120m。炮采，支柱高度2.2～2.5m，单一走向长壁完全垮落法管理项板，平均单产2.5万t／月。截止200t年5月21日，工作面已回采走向长140m。
84采区7煤及8煤均为煤与瓦斯突出煤层，根据解突需要，该采区首先开采了下保护层10煤。采区内设计7煤工作面6个，745为采区最下部一个工作面，开采深度为-327.8～-382.1m，7煤距下层10煤法距80m。745工作面平面、剖面示意图见图1，图2。
745工作面回采之前，采取了多种防治水措施。①补做岩石放水巷并与机巷最低处贯通，工作面形成出水自流条件；②机巷由架棚支护改为锚网支护，以防突水冲垮巷道；③沿机巷施工5组9个放水孔，放水孔距80米一组，回采前累计放水16万m3。
3.突水原因分析
3.1突水经过
2005年5月16日12点745工作面顶板首次出水，水量达350m3／h，出水点在机巷以上10-20m处，17日早6时水量降至35m3／h，以后至21日突水前水量一直稳定在30m3／h左右。出水后，矿立即安排停采撤人，定时测量水量、风量、瓦斯变化情况，维护巷道，保持通风。水质化验显示为顶板砂岩裂隙水，非第四系四含水。
由于煤层软，地压大，16日出水后工作面变形严重，5月21日矿安排部分工人进入工作面维修。12时45分机巷以上10多米处，顶板突然发生突水，瞬时水量达3887m3，在腰巷以下作业的5名工人因来不及撤离而遇难，水体顺岩石放水巷涌入采区轨道下山，流入大巷，将轨道下山底板冲出1米多的深沟，破坏力极大。顶板砂岩突水，如此量大，实属罕见。
3.2 745工作面充水因素分析
3.2.1 该矿地质报告对7煤顶板砂岩及岩浆岩床的突水性描述甚少，仅个别孔作简易水文观测。岩浆岩床区地质勘探有4个钻孔发生漏、耗水，钻孔过岩浆岩的漏水量为1.2～12.8m3／h，表明岩浆岩是含水的，在岩浆侵入煤系地层冷凝收缩过程中形成的结晶水储存其裂隙中，因此岩浆岩水可能是7煤开采的间接充水水源。
3.2.2岩浆岩底部“蚀变带”的含水性显示，蚀变带水可能已成为745工作面顶板砂岩突水的直接补给源。
经查阅22B5、22B6等钻孔柱状的简易水文参数，过7煤顶板钻孔砂岩漏水量达1.92～4.16m3／h：蚀变带泥岩、砂岩漏水量为0.9m3／h。初步分析该蚀变带有贮存运移地下水的条件，但其富水性不明。
3.3 745工作面突水源分析
3.3.1 突水水源的排查与初步认定
根据勘探报告，7煤顶板砂岩裂隙水q=0.0005251/s.m，可视为隔水层。但顶板砂岩16次突水表明实际为含水层，而本次突水水量大(3887 m3／h)，来势猛，因此，排除了7煤顶板砂岩水是主要突水水源的可能性；由于745工作面风巷是沿原743工作面机巷沿空送巷，可排除老塘水为本次突水水源的可能性；745工作面以突水点为中心，以100m为半径范围内无地质勘探钻孔，排除有封闭不良钻孔成为本次突水水源的可能性；突水地段无断层分布，排除断层水成为本次突水水源的可能性；根据突水量衰减快以及水质、水温特征分析，排除了奥灰导水陷落柱成为本次突水水源的可能性：根据5线剖面，工作面风巷距四含底晃最小距离为122m，依《三下开采规程》公式计算，两带最大高度约36.6m，从而排除了四含水成为本次突水水源的可能性；7煤底板至太灰距离170m，且本次突水为顶板水出水，从而排除了太灰水成为本次突水水源的可能性。
由于上述7种水源被排除，都不是本次突水的主要水源，因此，只有745工作面的上覆岩浆岩及其蚀变带水，有成为突水的主要水源的较大可能性。
3.3.2突水通道分析
通过对745工作面突水冲出的冒落、裂隙带岩石标本特征对比分析认为，岩石标本是7煤项板0.5～31m范围内的砂岩及泥岩，表明导水裂隙带是通畅的突水通道。其上至岩浆岩底板有13m的岩层，根据计算，在0.78MPa压力下不会被突破，但能被远远大于0.78MPa的矿山冲击地压所突破，从而有可能成为突水通道。
没有特定的水源和通道，绝无可能有如此巨大的水量。
3.3.3 “离层水体”可能成为突水源分析
本次突水无任何预兆，与顶板砂岩突水由小到大并有突水前兆的规律相悖；瞬时最大突水量达3887m3／h，在两淮矿区顶板突水的记录中是史无前例的，创顶板突水量最高记录，在国内也极为罕见：瞬时最大突水量衰减快(仅18分钟)，具有“封闭水体”突水的特点(如老空水)，2小时后水量衰减了77％(由3887m3／h减至905m3／h)，3.5小时水量衰减了97％(由3887 m3／h减至139 m3／h)。
据本次突水特点，依突水量为指标划分等级，可以认为本次突水是无突水预兆的以“离层水体"为水源的突发性特大突水，突水通道不明。
经分析，推断本次特大突水原因有以下两个方面：
①客观上原因
1992年提交的精查补充勘探报告中没有提供有关7煤顶板岩浆岩、岩浆岩蚀变带及7煤开采主要充水因素的资料信息，客观上造成了人们不了解岩浆岩水、蚀变带水等水害隐患的存在，误导了745工作面防治水工作方向即只以砂岩水为主要防治对象。
②在矿山冲击地压的作用下，“离层水体”可能是本次突水的最主要直接原因
10煤层采厚为2m，依据两淮矿区实测地表沉陷资料，下沉系数一般为0.8～1，则该工作面开采后地表的最大下沉值应为1.6～2m。而84采区10煤1042工作面开采后，地面仅下沉0.1m，下沉系数0.05。因此，在岩浆岩不下沉的条件下，其下方形成了离层空间并充满地下水，形成“离层水体"，从而使745工作面已成为事实上的“水体下”开采。
745工作面于2005年元月开始回采，至05年21日已推进140m，依地表及岩层移动规律，工作面地表下沉及岩层移动正值活跃期，因此导致7煤上覆岩浆岩产生移动变形，由此产生巨大的动压或冲击地压，最终诱发突水灾害。但“离层水体”事实存在与否，必须通过多种手段进行勘查、研究。
综上所述，745工作面“5.21”特大突水是在特定地质、采矿、水文地质条件下发生的，是难以预见的水害，是采矿史上罕见的突水特例。
4. 745工作面水害防治对策
本文对745工作面“5.21"特大突水水源、通道及突水原因做了初步推断，但在该面特殊的地质、采矿、水文地质条件下造成异常的突水因素应进一步深入勘查、研究，才能为745工作面试采及7煤层乃至整个中组煤的开采制定防治水措施提供依据。
采用地面、井下相结合的工程研究方案。地面布置6个勘探钻孔，工程量2500m，井下进行工作面顶板瞬变电法探测，先期施工6个顶板放水孔，工程量640m。
4.1地面勘探工程
①初步查明岩浆岩、岩浆岩底部蚀变岩垂向分布，详细了解裂隙发育情况，观测含水性能，测定基本水文地质参数；
②确定7煤层上覆岩层岩性结构特征；
③取样测定岩浆岩、岩浆岩底部蚀变岩和覆岩物理力学指标参数，为相似材料模拟提供依据；
④地面钻孔用作水位监测孔，为井下放水试验(脉冲干扰试验)提供观测条件；
⑤利用一个钻孔建立“离层标"，以进行岩浆岩与下伏岩下沉速度、幅度的直接观测：
⑩利用两个钻孔进行震波CT测试：
①地面钻孔作为连通试验的试剂投放通道。
4.2并下探查工程
①利用瞬变电磁方法查明顶板富水异常地段，为放水孔设计提供依据；
②查明煤层顶板岩性、结构、含水情况、主要隔水层位：
③建立试采过程中的顶板水(离层水体)疏放系统，保证工作面在疏干的条件下试采：
④配合地面钻孔进行放水(脉冲干扰)试验、连通试验；
⑤建立试采过程中水位监测系统。
4.3其它水文地质研究
①水化学测试研究：钻孔施工竣工后，应采集水样，进行水化学测试研究项目的实施，为查明水源积累资料；
②冲击地压相关项目的测试研究：进行取岩样及原始地应力测量等；
③测井：利用钻孔进行数字测井，增加井中测流、大于30℃时进行近似稳态测温；
④放水试验、连通试验：根据观测、化验数据计算水文地质参数：
⑤cT测试：利用地面钻孔进行一个剖面的试采前、试采临近剖面30m、试采至剖面时和试采至剖面后30m共4次震波CT测量，以观测“三带”发育情况和可能的“离层空间"的产生、发展和变化情况；
⑥相似材料模拟：利用地面钻孔采样和测试资料，较为真实地进行相似材料模拟，以再现“5.21”突水机理；
⑦地下水动态观测：整个勘探和试采阶段，进行钻孔水位(压)、突水点涌水量、放水孔放水量、水温、水质等项观测工作。根据观测数据分析判断主要含水层补、迳、排关系，计算水文地质参数：
⑧化探工作：根据地面钻孔采样化验资料，建立分层水化学模型。
工程研究完工后，尽可能查明“5.2l"突水机理，初步制定出海孜矿7煤及中组煤安全开采的防治水措旅，其研究成果经过专家论证后，作为745工作面试采及7煤与中组煤安全开采的理论依据。
745工作面尚有可采储量5.7万吨，工作面恢复开采主要取决于能否查明“5.2l"突水水源、通道形态和突水动力。在此基础上，才能制定有针对性的、可靠的水害防治对策措施。海孜井田16～23勘探线间7、8、9、10煤层被岩浆岩覆盖的总面积10K m 2，可采储量4000.7万吨，是海孜矿稳产的重要资源条件，各煤层开采存在的水害隐患问题与745工作面相类似，因此，加大投入，进行补勘和水害研究与查治是十分迫切和必要的。