導水裂隙帶內充水含水層對煤礦生產的影響研究

2019-07-30 12:06:50李新鳳吳豪杰

山東煤炭科技 2019年7期

李新鳳吳豪杰

（山東省煤田地質局物探測量隊，山東濟南 250100）

裂隙水水害水源為砂巖、礫巖等裂隙含水層水。這種水害發生在開采北方二疊紀山西組煤層和侏羅紀煤層以及開采南方侏羅紀的煤層中，這些煤層頂部常有厚層砂巖和礫巖[1]。

煤炭科學研究院劉天泉院士等提出了覆巖破壞學說，將煤層開采后上覆巖層分為“三帶”，由下至上依次為冒落帶、裂隙帶和彎曲沉降帶[2]。彎曲沉降帶是阻水帶，冒落帶和裂隙帶統稱導水裂隙帶，若這“兩帶”的高度之和大于等于開采煤層與其頂板含水層的距離，則頂板含水層中的水就會通過頂板裂隙涌入采掘工作面或巷道[3-5]。濟寧三號煤礦位于濟東煤田東南部。井田主要含煤地層為石炭—二疊系的太原組和山西組，平均總厚度274.17m。礦井主要開采煤層為3上、3下、16上及17煤層，目前濟寧三號煤礦正在開采的煤層為3上、3下煤層，其余煤層尚未開采。本文主要對這兩層煤開采時導水裂隙帶內充水含水層對煤礦生產的影響進行研究。

1 研究區水文地質特征

濟寧三號井田為華北型石炭-二疊系全隱蔽式井田，煤系地層以奧陶系為基底，沉積了本溪組、太原組、山西組及石盒子組，其上被侏羅系和第四系所覆蓋。井田內主要含水層有第四系、上侏羅統砂礫巖、山西組3砂、太原組三灰、十下灰和奧灰。對3煤開采有影響的含水層為3煤頂底部砂巖裂隙含水層和上侏羅統砂礫巖孔隙裂隙含水層。一采區探放水孔揭露上侏羅統底界巖層時均出現涌水現象，說明上侏羅統底部砂巖具有較好的富水性。單位涌水量0.0001～0.2145L/s·m，富水性弱～中等，基本為靜儲量水。3上煤層頂部砂巖為淺灰～灰綠色細—中粒砂巖以及粗砂巖，3上煤層以上50m范圍內砂巖厚1.20～56.45m，平均15.44m，單位涌水量 0.0000178～0.1000L/s·m，富水性弱～中等。3下煤層頂板砂巖為灰白～灰綠色中-粗粒砂巖和細砂巖，厚0.55～56.66m，平均23.86m，單位涌水量0.000032～0.1000L/s·m，富水性總體上弱，但局部地段富水性相對較好。

2 3上、3下煤層頂板導水裂隙帶內的充水含水層

根據生產礦井采煤后頂板活動的觀測資料，煤層回采后頂板垮落形成的冒落帶，最大值是煤層采厚的3～5倍，冒落帶形成后，上部巖層繼續下沉、破裂，相繼形成導水裂隙帶。

2.1 3上、3下煤層頂板導水裂隙帶

濟寧三號煤礦于2001年委托山東科技大學對1301工作面采用壓水試驗進行采動裂隙發育規律的探測，得出的主要結論：采用綜采放頂煤開采，導水裂隙帶最大高度80.88m，裂高采高比10.9～12.4，總結出濟三礦井3煤層開采導水裂隙帶高度預計公式為：

式中：

Hli—導水裂隙帶最大高度，m；

M—采厚，m。

濟寧三號煤礦于2013年委托山東科技大學對回采183上04工作面時導水裂隙帶進行探測，實測導水裂隙帶高度41.57m，導高是采厚的13.9倍，即：

本次采用公式（2）對開采十八采區3上、3下煤層時導水裂隙帶高度進行了預計，采用公式（1）對開采剩余采區3上、3下煤層時導水裂隙帶高度進行了預計。通過計算，3上煤層導水裂隙帶高度9.30～69.76m，平均21.62m，3下煤層導水裂隙帶高度8.68～93.96m，平均53.29m。

2.2 “兩帶”高度內的充水含水層

3上煤層可采厚度0.70～5.80m，平均1.72m，導水裂隙帶高度平均21.62m。3下煤層可采厚度0.70～9.69m，平均4.93m，導水裂隙帶高度平均53.29m。

3上煤層頂部砂巖為淺灰～灰綠色細—中粒砂巖以及粗砂巖，煤層以上50m范圍內砂巖厚 1.20～56.45m，平均 15.44m。3下煤層頂板砂巖為灰白～灰綠色中—粗粒砂巖和細砂巖，厚0.55～56.66m，平均23.86m。礦井開采時，導水裂隙帶范圍內的頂板砂巖水將會全部進入礦井。3上煤距上侏羅統底界18.45～252.57m，平均121.29m，3上煤頂板導水裂隙帶頂距上侏羅統底界-4.94～241.66m，平均99.63m。礦井東南部一、三采區以及東北部十二采區（圖1），由于3煤與上侏羅統底界距離多小于或接近采后導水裂隙帶高度，上侏羅統下含水段水沿導水裂隙進入礦井。3下煤距上侏羅統底界22.76～313.81m，平均150.45m，3下煤頂板導水裂隙帶頂距上侏羅統底界-50.35～292.73m，平均96.99m。在一、三、十二采區以及二采區東部、五采區南部接近煤層露頭處（圖2），剩余煤柱不足20m，特別是一、三采區的大部，導水裂隙帶波及上侏羅統，這些采區開采將受上侏羅統水的威脅。所以開采3煤層時“兩帶”高度內的充水含水層包括3煤層頂板砂巖和上侏羅統砂礫巖。另外，3下煤距離3上煤層平均34.86m，西區為下行開采，即先開采3上煤，后開采3下煤。3上煤層老空水在3下煤層導水裂隙帶內，3下煤開采時將受3上煤頂板老空水影響，因此西區開采3下煤時應將3上煤采空區積水疏干。

3 “兩帶”高度內充水含水層對生產的影響

（1）3煤頂部砂巖局部突水量大，影響安全生產

3煤頂部砂巖為開采上組煤直接充水含水層之一，通常以淋水的形式通過采動裂隙直接涌入采掘工作面及回采工作面的采空區，為礦井正常涌水的來源。但3煤頂部砂巖富水性不均一，在斷裂破碎帶、構造裂隙發育區等部位富水性較好，巷道掘進揭露以及回采工作面老頂大面積突然垮落時，在這些部位容易發生較大水量的涌水甚至突水。由于老頂垮落具有周期性，因此，伴隨老頂垮落發生的突水也具有周期性的特征，即涌水峰值呈現出隨工作面推進重復出現，給安全生產造成一定的影響。如六采區6301回采工作面生產中發生了6次較大的突水，最大涌水量527.13m3/h（2001年11月30日），水從采空區涌出，同時伴有工作面大面積淋水，涌水歷時41d，對生產影響較大。

（2）上侏羅統砂礫巖涌水量大，疏干困難

礦井東部、東南部，由于3煤與上侏羅統底界距離多小于采后導水裂隙帶高度，上侏羅統下含水段水沿導水裂隙進入礦井，增加了礦井涌水量，甚至發生多次較大涌水量的突水。其突水特點是：涌水持續時間長，峰值高，衰減慢，給開采造成嚴重的影響。如一采區均位于井田東南部，開采的3下煤層距離上侏羅統底界23.77～68.64m，平均53.96m。3下煤層厚3.17～7.42m，平均5.80m。采用綜采放頂煤開采，導水裂隙帶最大高度80.88m。而3下煤層與侏羅統底界的距離最大68.64m，因此，上侏羅統下部砂礫巖含水段便成為礦井直接充水含水層，造成回采工作面多次大量突水。一采區工作面生產中共發生涌水量65m3/h以上的突水18次，單個工作面最多突水6次（1301工作面），最大突水量533.84m3/h（1301工作面，2000年11月14日），最長突水期50d（1306工作面），嚴重地影響了工作面的安全生產。