白堊系巨厚砂巖下覆巖離層水涌突機理研究

徐建國，趙東良，賀江輝

（1.兗州煤業鄂爾多斯能化有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221006）

目前，煤炭仍然是我國第一大能源，在我國一次能源消費中占比約為60%[1]，在大量的煤礦開采實踐過程中，由于開采厚度以及開采深度的增加，一種新型的頂板水害類型—離層水害越來越常見。位于鄂爾多斯盆地北部的石拉烏素礦具有大采高、大采深的特點，由于覆巖巖性的差異，采動期間各巖層下沉速率并不完全一致，巖層間將產生拉張應力，由于巖層間的抗拉強度較弱，因此在拉張應力的作用下產生離層空間[2]。在尚未被導水斷裂帶貫穿的離層是封閉的，稱為可積水離層，接受離層上下位含水巖層的水源補給形成離層積水，一旦離層失穩破壞，與導水斷裂帶貫通，離層積水將沿著導水斷裂帶迅速下泄到采空區，形成離層突水。石拉烏素礦白堊系地層沉積了以洛河組為主的各種粒級的砂巖、含礫粗粒砂巖夾砂質泥巖，平均厚度262.46 m，在垂向上與其下部安定組泥巖形成“上硬下軟”的結構，工作面回采期間具有形成離層的可能性。石拉烏素礦106A 工作面為本礦南翼首采面，工作面走向長1 100 m，傾向寬290 m，煤層厚度9.5～11.0 m，煤層埋深 660 m。在開采過程中，工作面推進距離切眼550 m 時發生異常涌水事件，最大涌水量達921.4 m3/h，通過對此次異常突水的特征分析，初步判定為采動覆巖離層突水。此前石拉烏素礦北翼已采工作面及鄰近營盤壕、葫蘆素煤礦開采過程中尚未發生此類異常突水的案例，106A 工作面此次大型突水記錄在鄰近相似開采條件的礦井中首次出現，因此有必要對此次離層孕災機理進行深度剖析，以期為接下來工作面開采的離層水防治工作提供依據，避免類似突水事件再次發生。

1 異常突水過程

頂板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[3]。石拉烏素礦106A 工作面在2018 年1 月7 日，工作面推進距離550 m 時發生異常突水，工作面涌水量突增至645.94 m3/h，較前1 d 增大72.67%，之后3 d 涌水量持續增大，并于 2018 年 1 月 10 日增至峰值 921.4 m3/h，后開始回落，1 月20 日跌至436 m3/h，之后雖有回升但幅度不大，以 2017 年 12 月 24 日—2018 年 1 月 6 日及2018 年 1 月 11 日—2018 年 3 月 2 日工作面涌水量為參考，取400～450 m3/h 為異常涌水采段的正常涌水量范圍，可認為此次異常涌水終止于1 月20 日。本次異常涌水持續14 d，在此期間由于礦井排水能力充足、排水設施安裝到位，積水很快被排空而未出現安全事故。106A 工作面回采期間工作面涌水量與洛河組水位對應變化情況如圖1。

圖1 106A 工作面回采期間涌水量、洛河組水位變化情況Fig.1 Change of water inflow and Luohe formation water level during mining in the 106A mining face

此次異常突水特征符合離層水突水特征。由圖1 可知：106A 工作面采動期間，洛河組水位緩慢下降，說明在106A 工作面的開采過程中，有洛河組水以滲漏的方式下泄到采空區中。2018 年1 月7 日—1 月20 日異常突水期間，洛河組水位下降速度有明顯增加的趨勢，可以斷定，洛河組砂巖裂隙水為此次離層突水的補給水源。

2 導水斷裂帶高度之上離層發育位置判別

2.1 覆巖導水斷裂帶發育高度

為監測石拉烏素礦首采面開采期間煤層頂板導水斷裂帶及覆巖離層動態發育過程，在采前于石拉烏素礦北翼首采工作面2-2上201 工作面中心設計、施工了光纖監測孔 SKY3 孔，2-2上201 工作面，東西寬330 m，南北長825.8 m，煤層埋深662.6～693.7 m，煤厚 4.4～6.5 m，平均煤厚約 5.4 m。光纖監測鉆孔距離106A 工作面中心約3.0 km。SKY3 鉆孔所監測的數據如圖2。

圖2 光纖監測鉆孔SKY3 監測數據Fig.2 The data of optical fiber monitoring borehole SKY3

由圖2 可以看出：光纖在埋深 570.02～585 m 的范圍內的應變值為0，可能性最大的情況為該范圍內的光纖已經被拉斷；在埋深 522.86～570.02 m 的范圍內表現為正應變，即光纖發生了拉應變，且應變值相對較大；光纖埋深522.86 m 處為光纖發生拉應變與壓應變的分界點；根據采動覆巖應力分布特征，認為導水斷裂帶內巖層屬于拉伸破壞，導水斷裂帶之上的巖層僅發生彈性變形、以壓縮變形為主，即底部大的拉伸應變所在范圍為導水斷裂帶范圍，拉應變與壓應變的分界點即為導水斷裂帶頂界[4]；由此可以認為導水斷裂帶已經發育至埋深522.86 m 處。

除此之外，在埋深 172.44～245.91 m 的范圍內也出現了拉應變，但該范圍內拉應變的應變量相對較小，推斷為該范圍發育有離層所致。根據SKY3 孔揭露地層分布情況可知埋深174.32 m 處為兩巖層接觸面，該接觸面上、下巖層分別為厚142.82 m 的中砂巖與厚43.53 m 的細砂巖，由于該接觸面上下巖層厚度差異較大，上部巨厚中砂巖變形量會小于下部細砂巖的變形量，理論上進一步說明此處發育有離層空間。

綜上，通過對光纖監測數據分析可知，導水斷裂帶頂界已發育至埋深522.86 m 處。由鉆孔信息可知SKY3 孔處揭露煤層頂板埋深為 669.24 m、煤厚5.96 m，計算得導水斷裂帶最大發育高度為146.38 m，裂采比為24.56，此裂采比對于石拉烏素礦各工作面開采過程中的防治水工作具有指導意義。

根據此實測裂采比，可計算出106A 工作面導水斷裂帶高度范圍為 233.3～270.2 m。

2.2 覆巖離層位置判別

2.2.1 傳統離層判別方法及其局限性

傳統的覆巖離層發育位置的判別方法是根據系統的解析計算判別離層的發育位置，是基于組合梁原理提出的，把在計算范圍內。能夠發生同步彎曲變形的巖層稱為一組組合梁[2,5-6]。在煤礦開采過程中，覆巖巖層在相互作用下發生彎曲下沉、變形破壞，而傳統的離層發育位置判別方法只考慮了計算范圍內的巖層相互作用的影響，未考慮整體上覆巖范圍內所有巖層的相互作用，因此判別結果與實際情況必定有偏差。

2.2.2 改進后的離層位置判別方法

針對傳統方法未考慮覆巖內所有巖層的相互作用的這一不足之處，改進的離層位置判別方法要解決2 個問題：如何將覆巖內所有巖層的相互作用都考慮進去；判斷哪些巖層可以同步彎曲、下沉從而可以被劃分為1 個組合梁，以便進行離層位置的確定。根據這些需要解決的問題，通過對巖梁的曲率進行計算、對比，從局部到整體來實現。具體方法如下：單獨計算覆巖內各巖梁僅在自重條件下巖梁中點處的曲率CIi，然后將相鄰巖梁的曲率進行對比，將具有“上部巖梁曲率比下部巖梁曲率大”的特征的相鄰巖梁合并為一個組合梁，并計算這些組合梁僅在自重條件下的曲率，將單獨的巖梁與組合梁的曲率重新按照CIIi進行編排，并再一次將具有“上部巖梁（組）曲率比下部巖梁（組）曲率大”的特征的相鄰巖梁（組）合并為1 個組合梁，并計算其曲率……按照這種合并方法逐級進行合并，直到最后無法合并為止。最后1 級里的巖梁組合狀態才是最符合實際的巖梁組合狀態，并認為最后1 級里出現“上部組合梁（組）曲率比下部組合梁（組）曲率小”的特征的相鄰組合梁之間存在離層。將這種改進的離層位置判別方法稱為逐級對比合并法。

2.2.3 相關計算公式推導

由n 層巖層組成的組合梁彎矩與曲率的關系：

式中：i（i=1，2，…，n）為組合梁中各巖層由下往上的序號；（Mn）i為組合梁彎矩；Ei、Ii分別為各巖層的彈性模量（MPa）、截面慣性矩（m4）。

由于同一個組合梁中各巖層協調變形，則有：

由以上可知要計算巖梁的曲率需計算其所受彎矩大小，均布荷載作用下固支梁模型彎矩分布特征如圖3。

圖3 均布荷載作用下固支梁模型彎矩分布特征Fig.3 Moment distribution characteristics of clamped-clamped beam model under uniform load

均布荷載作用下固支梁中點處彎矩大小為：

式中：（qn）i為由n 層巖層組成的組合梁中第1層巖層所受荷載，MPa；b、h 分別為巖梁寬度，m；l 為巖梁跨距，m。

由式（2）可知，將組合梁中最底層（第1 層）巖層作為計算對象即可。因此可由組合梁理論用下式計算組合梁中最底層巖層所受荷載：

式中：h1、h1、…、hn為各巖層的厚度，m；ρ1、ρ2、…、ρn為各巖層的密度，t/m3。

由式（1）～式（4）得由 n 層巖層組成的組合梁曲率計算公式：

巖層跨距越大，下沉效果越明顯，所以應選取1個較大的懸空跨距，為了便于計算，通常取最底層（第1 層）巖層的極限破斷距作為巖層跨距進行計算。當n=1 時，組合梁就變成1 個單個的巖梁，此時式（5）仍然是適用的。

2.3 逐級對比合并法判別離層位置

根據106A 工作面突水位置前方70 m 處K55鉆孔所揭露的地層為例，運用逐級對比合并法判別106A 工作面采動覆巖導水斷裂帶高度之上離層發育位置。221上106A 工作面導水斷裂帶高度之上離層分布見表1。

表1 106A 工作面導水斷裂帶高度之上離層分布Table 1 Bed separation distribution of 106A mining face above the height of the water flowing fractured zone

導水斷裂帶頂界面與壓力拱之下的范圍內共有9 層巖層，對于n 層巖層組，破斷順序是由下往上，最底層（第1 層）巖層最先發生破斷，假設第1 層巖層破斷距為（ln）1|max，其計算公式如下：

式中：h1、σ1分別為第 1 層巖層厚度（m）、抗拉強度（MPa）；（qn）1為第 1 層巖層所受荷載，MPa。

由式（3）計算得（qn）1=（q4）1=1.1 MPa，求得（ln）1|max=37.4 m，為方便計算，取 l=37 m 作為逐級對比合并法中的巖層跨距進行計算。

2.4 離層位置判別結果

計算結果顯示，白堊系洛河組巨厚砂巖底界面及安定組內部發育有離層，根據礦井水文地質資料，白堊系下統志丹群巖性為各種粒級的砂巖、含礫粗粒砂巖夾砂質泥巖，含水層厚度86.47～423.34 m，平均為 262.46 m，其單位涌水量 q=0.139～0.201 L/（s·m），含水層的富水性中等，滲透系數K=0.115 m/d。當白堊系洛河組巨厚砂巖底界面離層形成后，由于其下部為厚8.11 m 砂質泥巖，為相對隔水層，因此此離層為可積水離層空腔，洛河組砂巖裂隙水含水層中的水可較快地向離層空腔進行補給，形成離層積水，離層距離導高頂界面間保護層厚度約為75.7 m，具有離層突水的可能性。根據K55 鉆孔揭露的地層巖層及實驗室測得的巖樣的物理力學性質，進行106A 工作面煤層開采覆巖變形破的壞數值模擬也顯示洛河組底部發育有離層空間（圖4），模型沿走向長800 m，沿傾向寬10 m，模型高度為660 m。模型的四周各邊界施加水平約束，即四周邊界的水平位移為0，模型的底部邊界固定，模型的頂部為自由邊界。模型的最上巖層埋深為15 m，重力加速度取10 m/s2，由模型頂界面埋深可得，模型頂部自重應力為 0.3 MPa。

圖4 洛河組底部離層模擬結果Fig.4 Numerical modeling for separation layer beneath Luohe formation

3 離層水涌突機理研究

3.1 離層區積水載荷傳遞作用機理

據鉆孔資料顯示，221上106A 工作面覆巖洛河組底界面處砂巖裂隙含水層水壓為3.0 MPa，由于安定組頂界面具有分布連續的具有較好隔水性的砂質泥巖，因此洛河組承壓水可通過洛河組與安定組接觸面并作用在安定組巖層之上。

煤層開采過程中，由于覆巖下沉的不一致，當洛河組與安定組接觸面形成離層時，由于真空作用，洛河組承壓水將在自身水壓以及離層空腔吸力的作用下向離層空腔內進行補給，但由于不能及時將離層空腔充滿，離層將會處于1 個真空狀態，下位巖體會受到1 個向上的吸力，且此時將不再受到洛河組水壓。

當離層充滿水或者由于上位巖體的下沉變形使得離層空腔充滿水時，離層積水起到傳遞洛河組水壓的作用，以致離層的下位巖體將重新受到洛河組承壓水的壓力。由于靜水壓力導致的離層下位巖體破壞而導致的離層積水涌入采場的離層突水模式稱之為靜水壓突水模式[7]。

3.2 極限隔水層厚度的確定

離層在充滿水的情況下，離層下位巖層將承受含水層水壓的影響，離層下位完整巖層在將在自重及離層水作用下發生彎曲變形，其受力狀態與采場底板巖層受底板承壓水體的力學作用類似。據此，可引入底板突水危險性評價中的經驗突水系數法[8]來確定離層水在靜水壓下能破壞其下位完整巖層的極限厚度：

式中：h、hj分別為有效隔水層厚度和不發生涌突水的極限有效隔水層厚度，m；Ts、T0分別為突水系數和臨界突水系數；p 為水頭壓力，MPa。

不同于底板突水危險性評價中的經驗突水系數法只考慮承壓水壓的作用，覆巖頂板巖層同時受到自重及水壓的作用力，從而發生彎曲變形，因此對上式進行改進：

式中：hi、ρi分別為離層下位各有效隔水巖層的厚度、密度。

為了便于計算，ρ 取覆巖平均密度 2.4 t/m3，則：

洛河組在底界離層產生的水壓約為3 MPa，按照經驗突水系數法取臨界突水系數0.06 MPa/m 計算[9]，需要的極限有效隔水層厚度為83 m，大于106A工作面采動期間導水斷裂帶至洛河組底界面的殘余保護層厚度75.7 m。因此可得出結論，由于洛河組水壓作用的參與，使得導水斷裂帶以上的隔水層遭到破壞，并與導水斷裂帶貫通，導致了此次離層突水。

4 離層水防治措施

1）控制采高。由本次離層突水機理可知，由于洛河組水壓的存在，導水裂縫帶距洛河組底部需要至少83 m 有效隔水層，以防止離層發生靜水壓突水涌入采場，可通過控制采高，從而降低導水斷裂帶發育高度，滿足極限有效隔水層厚度。以106A 工作面為例，采高降至9 m 時，有效隔水層厚度可增加至98.6 m，采高降至8 m 時，有效隔水層厚度可增加至123.2 m。在采高≤8 m 時，有利于煤礦安全開采。

2）根據鉆探資料，106A 工作面在采前對導水斷裂帶高度以內的含水層進行了超前探放水工作，并未對洛河組含水層進行探放水。在煤礦采動過程中，施工直通式導流孔[10]至洛河組砂巖底部，離層形成并開始積水時，由于直通式導流孔與離層空間導通，離層內積水隨即順導流孔下泄到采空區，離層無法充滿水，從而無法傳遞洛河組水壓，離層下位巖層得到保護。

5 結 論

1）利用逐級對比合并法判別覆巖離層發育位置，與數值模擬結果基本吻合，對于離層發育位置的判別符合實際。

2）此次221上06A 工作面異常突水，按實測裂采比計算導水斷裂帶高度為245.6 m，不會溝通洛河組砂巖底部離層區積水，但由于離層區積水的載荷傳遞作用，且離層下位保護層厚度不足，導致導水斷裂帶與離層之間的巖層發生破壞，使得導水斷裂帶高度異常發育，溝通了離層區積水，這是引發221上106A 工作面突水的原因。