濟二礦覆巖離層水涌水機理與防治技術研究

賈 民 田 濤

(兗州煤業股份有限公司濟寧二號礦，山東省濟寧市，272072)

近年來，由于我國煤炭產量不斷增加、煤礦開采深度的增大及多煤層疊加開采等原因，一種特殊的水害類型——覆巖離層水水害開始出現。覆巖離層水水害由于具有瞬時水量大、突水征兆不明顯、危害大等特點而成為水害治理的難點，已逐步引起重視。

兗礦集團濟寧二號礦在對工作面采空區疏放水期間，出現了采場覆巖離層水害，主要特點為采場導水裂隙帶之上發育有較大規模離層，離層上方為含水層；工作面回采期間無突水現象，涌水量正常；相鄰工作面開采對采空區疏放水過程中，前期涌水量正常，隨采空區頂板的繼續變形，涌水量突然增大。

1 工作面采空區異常出水經過

濟寧二號煤礦113下05工作面為十一采區先期開采工作面，斷層構造簡單，采用長壁式綜采放頂煤全部垮落采煤法，工作面平均涌水量10.5m3／h，未曾發生頂板淋水、突水現象。2007年7月相鄰113下06工作面切眼及軌道巷道施工，至8月底共超前疏放113下05采空區積水約9.6萬m3，與預計積水量相符。9月10日起113下06切眼及軌道巷道煤壁開始片幫，已停產4個半月的113下05采空區頂板巖層開始再次變形破裂，時常伴有巖層斷裂聲音，隨后采空區積水發生多次補給量突增過程，采空區積水水位不斷上升。從7月8日到12月25日，實際累計疏放采空區水46.6萬m3，較采空區全積滿水加上期間的動補給水量還多出約11.2萬m3。由此推斷，應有新的水源加入。

根據采區鉆孔資料和采礦資料分析可知，113下05工作面范圍內3下煤層平均厚度為4.92m，在3下煤層頂板以上49.73m處發育有黏土巖 (厚度為5.19m)，黏土巖之上為厚層細砂巖 (平均厚度38m，鉆孔單位涌水量顯示其富水性弱)。由于厚層細砂巖與其下黏土巖的力學差異性，煤層開采后在細砂巖-黏土巖界面處形成離層，同時由于細砂巖本身為含水層，離層形成后上部38m厚的細砂巖對離層進行補給，形成離層水。因先期的采空區疏水作用，冒落帶壓密、水頭壓差增大等，離層水進入采空區，造成疏放水量異常增大。

2 覆巖離層發育規律

針對113下05工作面頂板離層進行了離散元數值模擬，結合113下07工作面井下鉆孔動態監測，分析確定離層發育位置及動態變化規律特征。

2.1 覆巖離層離散元數值模擬分析

基于113下05工作面基礎地質資料，結合工作面開采實際情況，建立工作面3下煤層回采時離層發育規律數值模型，模型尺寸為330m×106m，其巖體力學參數指標見表1。

113下05工作面回采覆巖離層變化離散元模擬結果見圖1。工作面開采22m時，直接頂垮落；開采49m時，直接頂泥巖隨采隨落，老頂中砂巖開始垮落觸矸，后方采空區逐步壓實；工作面推進到70m時，直接頂隨采隨落，老頂垮落觸矸，后方采空區被壓密，老頂上覆粉砂巖出現離層和豎向裂縫。

由113下05工作面數值模擬結果及分析可知，在3下煤層回采過程中，當工作面推進90m時，距煤層頂板約35m的中粗砂巖與下伏泥巖巖層界面出現離層，隨著工作面的推進，在橫向和豎向上不斷發育，離層發育寬度及離層量均逐漸增大，至工作面推進至130m時，該層位離層量出現極值，隨后該層位離層量將逐漸減小。

圖1 113下05工作面回采覆巖離層變化離散元模擬結果

2.2 井下鉆孔離層動態監測分析

在113下07工作面回風巷道，距切眼150m處的離層裂隙及兩帶施工電法監測系統鉆孔。在鉆孔中布置電極，采用并行電法進行數據采集，根據鉆孔測線電阻率成像來監測頂板覆巖破壞變化規律。

113下07工作面開采頂板離層動態變化監測見圖2。圖2顯示了開采中頂板離層及離層水的發育動態變化情況:工作面距孔口120m處 (距終孔水平距離約20m)電阻率分布情況可看作背景值情況，但由于此時鉆孔離工作面較近，在距掘進工作面約60m范圍存在超前影響裂隙；孔口附近巖體存在巷道圍巖及鉆孔施工破壞裂隙；工作面推進距孔口50m，此時工作面已有約50m的水平向采空區頂板變形破裂在探測范圍內。電阻率較清楚顯示采空區上方約50m高，頂界面終止到泥巖層的導水裂隙帶；其上的中砂巖層存在離層裂隙，并開始形成積水；推到距孔口15m，先期的導水裂隙帶發生壓密，電阻率升高；其上的先期離層裂隙壓密，電阻率升高；向工作面推進方向開始產生新的離層，并形成積水；推過孔口7m，導水裂隙帶上方先期形成的離層水被擠壓，涌入到導水裂隙帶內，變為高阻，其下的導水裂隙帶內電阻率變低。

表1 工作面覆巖巖體工程地質性質參數指標

圖2 113下07工作面開采頂板離層動態變化監測圖

上述現場監測結果與離層動態變化規律的數值模擬結果是基本一致的。

3 離層水形成條件分析與驗證

3.1 可積水離層發育位置

離層注漿減沉方面的研究成果表明，若采動離層空間位于煤層開采導水裂隙帶或與導水裂隙帶相連通時，該離層空間不具備離層注漿減沉的效應。即離層注漿減沉僅能用于封閉的離層空間，即可進行離層注漿的層位應滿足:

式中:H——注漿層位至煤層的距離，m；

H導——煤層開采導水裂隙帶高度，m；

H壓——離層充填帶下位巖層豎向水力壓裂裂縫長度，m；

H保——保護層厚度，m。

同理，發育于采場冒裂帶中的離層空間，或者位于冒裂帶之上但與下部導水裂隙帶相通的離層空間都不具備相對封閉性，進入離層內的水體將直接下滲至下部導水裂隙帶或采空區，無法積聚形成離層水體。可積水離層發育位置見圖3，可積水離層的位置應滿足:

圖3 可積水離層發育位置示意圖

3.2 離層補給水源

由于煤層開采在覆巖內形成相對封閉的離層后，若離層周邊有含水層存在且具有補給通道時，如離層沿含水層層面發育、或者離層發育的層位存在地表露頭，則可接受地表水沿層面的補給等，相對封閉的離層空間內將持續接受補給而集聚形成離層積水。反之，若煤層開采發育有相對封閉離層空間后，但周圍不存在補給水源，則不能形成離層積水，而將形成真空離層。

3.3 離層空間持續時間

依據前文覆巖離層數值模擬結果，結合已有離層勘查與模擬研究成果可知，煤層采后覆巖中發育的離層不是固定不變的，其離層發育層位是隨著煤層不同開采進度而部分變化的，離層規模 (包括離層沿工作面推進方向的長度與離層豎向最大離層量)和離層形態是隨著工作面的推進而不斷變化的。

對于每一層位離層而言，均存在一個由開始發育離層、離層規模不斷發展、離層發育相對穩定直至最終離層閉合的這樣一個動態發育過程。即隨著工作面推進，離層開始發育；隨著工作面采空范圍繼續擴大，該離層沿工作面推進方向持續增大，豎向離層量逐漸增大；當達到該離層上位巖層的極限破斷距時，離層規模發育到最大；隨后離層上位巖層板發生突然斷裂，整體下沉，位于其下方的離層規模迅速減小甚至閉合。由此，可將該離層由起始發育至閉合消失的這一時間段定義為離層的持續時間。

顯然，離層上位巖層越堅硬、結構越完整、其破斷距越大時，下位離層發育的持續時間越長，由此該離層接受周圍補給水源的補給時間也就越長，形成的離層積水水量也就越大，一旦發生離層水涌突，其危害性也就越大。

3.4 113下05工作面離層水形成條件的驗證

基于前面113下05工作面覆巖離層理論判別及數值模擬結果，可知在4.59m泥巖組上方的中細砂巖組底部易于發育形成離層。由濟寧二號煤礦3下煤層導水裂隙帶高度預計公式可得，113下05工作面的導水裂隙帶發育高度約為55.29m。由此可知，113下05工作面3下煤層回采形成的導水裂隙帶頂端發育于4.59m的泥巖組中 (泥巖組底界面距3下煤層頂55.02m)，發育于中細砂巖組與泥巖組交界面處的離層空間處于3下煤層導水裂隙帶的上方，位于整體移動帶中。該離層空間下部仍有厚4.32m的泥巖未受導水裂隙帶波及，具備形成離層積水所需的封閉離層這一基本條件。

綜合113下05工作面數值模擬及離層判別結果表明，在113下05工作面3下煤層上覆巖層中的厚層砂巖層底部易于發育離層，且其底部均為泥巖或粉砂巖，富水性和透水性均較弱，具備形成離層水所需的相對封閉的離層裂隙；同時厚層砂巖層本身為弱富水含水層，能對離層裂隙形成充水補給，即3下煤層冒裂帶上方砂巖水為其下離層的補給水源，這已由113下06工作面切眼處的水樣水質分析結果得到驗證 (2007年9月20日，水樣為煤層頂板砂巖水)。綜上，113下05工作面頂板覆巖具備形成離層水的基本條件。

4 靜水壓涌突水通道形成力學機理

以上分析表明，隨著工作面向前推進，采空區范圍逐漸增大，采場覆巖離層規模不斷增大，若周圍存在補給水源 (如含水層水或地表水等)，覆巖離層將不斷接受補給，而離層空間內積水量的不斷增大，造成離層積水的靜水壓力逐漸增大，該靜水壓力必然施加到離層下位巖層上。

同時，離層下位巖層內的微裂隙在靜水壓力作用下將產生擴張、沖刷等作用，使得離層下位巖層中的有效隔水厚度逐漸減小，增大離層水涌入井下的可能性。

根據固支梁理論，若將采場覆巖中積水離層的下位巖層簡化為梁，由于離層的存在，固支梁上不承受上覆巖層的重量，但由于離層水的存在，固支梁上將承受離層積水造成的靜水壓力 (可簡化為均布荷載q0)，固支梁力學分析見圖4。

圖4 固支梁力學分析示意圖

在梁的兩端，即邊緣支撐處的彎矩最大:

式中:Mxmax——邊緣支撐處的最大彎矩；

L——離層沿工作面推進方向的懸空長度。

考慮到巖石的抗拉強度遠小于其抗剪和抗壓強度，當巖梁 (離層下位巖層)下部的拉應力達到其抗拉強度時即發生破壞，即:

取q＝q0＋γ·h，得離層水的靜水壓力:

求得此時對應的固支梁最小厚度:

式中:γ——離層下位巖層的重度；

h——離層下位巖層的厚度；

σt——離層下位巖層的抗拉強度；

q0——離層內積水的靜水壓力；

hmin——離層下位巖層在離層水靜水壓力作用下能保持穩定的最小厚度。

由此可知，若積水離層下位巖層的實際厚度h大于計算所得的hmin，即使存在離層水的靜水壓作用，離層下位巖層仍能有效阻隔離層水進入井下；反之，若積水離層下位巖層實際厚度h小于hmin，則在離層水的靜水壓作用下，離層水將突破其下位巖層進入井下，造成井下涌水量的增大。

據濟寧二號煤礦十一采區北部3下煤層頂板砂巖水位長觀孔GP1-3孔實際觀測資料可知，113下05工作面頂板離層水發生涌突水時的最大水壓約為3.55MPa(觀測水頭高度為354.57m)，根據式 (6)計算得，在該靜水壓力作用下能保持穩定的離層下位巖層最小厚度hmin為23.67m。

在113下05工作面頂板38m厚砂巖底面發育離層水，離層水下方存在約4.32m厚度的泥巖層未受導水裂隙帶波及，即離層水下位巖層的實際厚度h為4.32m。

此時，計算所得的hmin遠大于離層下位巖層實際厚度h，在離層水的靜水壓力作用下，離層水必然突破該泥巖層，與下部導水裂隙帶溝通，從而對采空區進行充水，造成礦井涌水量增大。

圖5 離層水導流孔、離層水截流孔布置示意圖

5 覆巖離層水防治技術

根據前文離層水形成的基本條件分析可知，針對離層的相對封閉性，可以通過破壞離層的封閉性來避免離層水的形成；針對離層存在補給水源，可以通過超前疏放離層補給水源，攔截離層水補給途徑來避免覆巖離層水的形成。

上述兩種防止離層水形成的途徑都可以通過施工井下疏放水鉆孔來實現，依據其目的不同，可將井下疏放水孔分成離層水導流孔和離層水截流孔，見圖5。

(1)離層水導流孔，指向開采工作面內，終孔于離層發育帶或離層積水區。該類井下鉆孔的施工目的是為預先形成鉆孔組溝通預計離層水發育層位與采場，破壞離層的相對封閉性，在覆巖離層水對下部采場形成充水影響之前，對采場頂板水或覆巖離層水按計劃進行超前疏放，減小或避免回采期間對下部采場的充水影響。

(2)離層水截流孔，指向開采工作面外、終孔于離層水補給途徑中。該類鉆孔的施工目的是針對離層水的補給來源進行中途攔截，使離層獲得的水源補給量大大減小，從而難以形成較大規模的離層積水，明顯降低離層水的危險性。

離層水導流孔和離層水截流孔須在受離層水害威脅工作面回采之前就進行施工，并進行疏放水作業。

為檢驗前述防治技術的有效性，對該礦113下07工作面施工離層水導流孔和離層水截流孔，這兩類鉆孔對113下06和113下05工作面采空區水進行超前疏放，共計疏放水41.3萬m3。隨后進行的113下07工作面開采實現了安全無水作業，表明了施工離層水導流孔和離層水截流孔這一離層水防治技術的有效性。

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