大佛寺煤礦復合煤層開采覆巖破壞規律與水害形成機理

孫學軍 汪慶國 劉孟輝

（陜西彬長大佛寺礦業有限公司，陜西 咸陽 713500）

復合煤層采動主要面臨的水害問題包括頂板含水層水害及采空區水害[1-2]。上覆煤層回采過程中頂板導水裂隙波及頂板含水層，下組煤開采過程中頂板含水層再次受到導水裂隙破壞，可能出現離層涌水。

李吳波等[3]認為離層水形成以后，多煤層的重復采動后，采動裂隙會不斷向上發育，隨著開采面積的增大，其向上延伸的強度也隨之增大，致使這些采動裂隙直接切穿采場覆巖中的積水離層帶，從而引發離層水涌入工作面。程培毅[4-5]在理論分析覆巖破斷規律的基礎上，運用經驗公式、關鍵層理論結合數值模擬分析了導水裂隙帶發育規律，對回采中的離層發育規律進行分析，并對離層涌水量進行分析，建立模型評價了礦井多煤層采動涌突水危險性。劉小松等[6]基于對東灘煤礦頂板突水進行了預測預報，建立突水的概念模型對水害進行預測。喬偉等[7]在研究崔木煤礦的水害機理后，提出打設地面直通式導流孔、控制采高和采煤推進速度等措施，有效防治崔木煤礦離層水害。

大佛寺煤礦工作面開采過程中面臨頂板脈沖型水害頻發、采空區積水愈發嚴重、充水強度增高等問題，同時還伴隨著冒頂、壓架等疊加災害，頻繁出現淹面、停產等現象，嚴重影響礦井安全、高效生產。為探究大佛寺煤礦復合煤層開采的覆巖破壞規律，擬采用監測分析、鉆孔實測、相似模擬試驗方法進行分析。

1 工作面涌水規律分析

大佛寺礦井為雙煤層開采，現開采4上煤與4 煤，井田內主要發育有第四系松散層孔隙潛水；白堊系洛河組和宜君組承壓含水層；侏羅系安定組、直羅組和延安組砂巖含水層。具體含隔水層與煤層賦存關系如圖1 所示。煤層厚度及覆巖結構區域變化較大，不同采區的采掘參數及水文地質條件不同，導致各采區工作面涌水情況的差異性。大佛寺煤礦4煤工作面涌水量和涌水形式與4上煤工作面類似，工作面涌水量存在波動。回采前期基本不存在涌水或者水量很小，回采中后期涌水量明顯增大，最大涌水量約300～400 m3/h，涌水量增大迅速，隨后逐漸衰減至正常并趨于穩定，回采結束后0.5 a 涌水量逐漸衰減至消失。

圖1 大佛寺煤礦含隔水層與煤層賦存關系圖（m）

1.1 周期來壓與涌水量關系

大佛寺煤礦工作面涌水以頂板水為主，而周期來壓即基本頂懸露的跨度達到一定長度時，基本頂在其自重及上覆巖層載荷的作用下發生折斷和垮落。因此，周期來壓可能伴隨著導水裂隙帶進一步向上發育及含水層的靜儲量釋放，導致工作面涌水量波動[8-10]。

隨著礦井逐漸進入復合煤層開采區，工作面回采將同時受到頂板砂巖含水層水、上覆煤層采空區積水和覆巖不均勻變形破壞形成的局部離層積水的影響。同時，洛河組含水層作為離層水和老空水的補給來源，使得三種水害類型互相影響，開采水文地質條件極為復雜。復合煤層開采條件下工作面頂板覆巖破壞規律尚不明確，且巷道掘進和回采期間均受到上覆采空區積水影響，離層涌水預測預警困難，充水強度也無法預測，故在防治水工作中難以有效綜合多種手段，制定有效的防治水技術措施。

為探明4 煤工作面來壓與涌水量的關系，通過監測工作面支架阻力確定周期來壓步距，并對涌水量進行統計，繪制工作面回采周期來壓位置與涌水量曲線作圖，如圖2 所示。工作面一般周期來壓步距15～21 m，周期來壓時支架最大平均阻力達到37～41 MPa，部分支架甚至被壓死；工作面涌水量增大一般緊隨周期來壓之后，或者在周期來壓當班即出現涌水量突增的情況。

圖2 推進過程中涌水量與周期來壓關系

監測結果表明，覆巖的周期性垮落將會導通導水裂隙帶，導致頂板涌水，隨著周期來壓結束后，應力重新壓實，導水裂隙帶暫時封閉。然而隨著推進的過程逐漸增加，覆巖裂隙帶快速擴展，導致涌水量呈現先降低后增加的趨勢。

1.2 鉆孔水位變化過程與涌水量關系

工作面回采過程中洛河組含水層水位變化情況、井下涌水與含水層水質對比也是反映導水裂隙帶發育高度的重要指標之一。為探明4 煤開采過程中導水裂隙帶的導通位置，共計施工兩個地質鉆孔，監測水位深度與水位下降速度，如圖3 和圖4。

圖3 LD1 鉆孔鉆進過程水位變化曲線圖

圖4 LD2 鉆孔鉆進過程水位變化曲線圖

LD1鉆孔施工中，孔深0～120.39 m 時水位隨孔深穩定下降，孔內水位主要為沖洗液液面位置，孔深122.39 m 處提鉆后水位由15.8 m 突降至78.5 m，降幅62.7 m，隨后鉆進中，孔內水位緩慢下降，但總體穩定。鉆孔內計算水位下降速度在洛河-宜君組地層內波動明顯，說明該區段裂隙發育，水漏失速度較快，宜君組地層以下鉆進過程中，孔內水位平穩，水位變化速度在很小范圍內波動。

LD2鉆孔施工中，孔深78.48 m、98.34 m 處出現2 次水位完全漏失現象，鉆進0～146.24 m 時，隨鉆孔深度增大，孔內水位保持穩定下降，在132.09 m 附近出現水位回升，但后續繼續保持下降趨勢；孔深153.14 m 處水位從12 m 降至77.5 m，降幅65.5 m，隨后鉆進中水位雖有2 次小幅度回升，但總體保持緩慢下降最終趨于穩定的趨勢。鉆孔內計算水位下降速度在洛河-宜君組地層內波動明顯，說明該區段裂隙發育，水漏失速度較快，宜君組地層以下鉆進過程中，孔內水位平穩，水位變化速度在很小范圍內波動。

LD1孔在施工完成后安裝了孔內水位觀測系統，在4 煤工作面后續回采過程中持續觀測洛河組含水層水位。如圖5 所示，井下涌水量大小與水位標高呈現明顯的負相關性。洛河組含水層水位下降，井下涌水量增大；洛河組水位上升，井下涌水量減小。可以說明洛河組含水層受采動導水裂隙帶波及，導水裂隙帶發育高度在洛河組含水層內部的發育高度約為孔深157 m 左右。

圖5 LD1 鉆孔水位與井下涌水量變化曲線圖

1.3 鉆孔水質化學成分分析

LD2鉆孔抽水試驗中對洛河組含水層水進行了專門的取樣分析，對于井下的煤層頂板淋水、大流量涌水的水源也分別取樣進行了水質全分析，結果見表1。由表可以看出，4 煤工作面異常涌水的礦化度略高于洛河組含水層涌水，但明顯小于煤層頂板延安組含水層水，表明涌水是由洛河組和侏羅系含水層水混合的混合水。同時，由于礦化度較低，且主要增加離子表現為Na+、HCO3-，且增加組分相對有限，因此可以推斷工作面異常涌水主要來源于洛河組砂巖含水層。

表1 含水層與井下涌水水質對比

經過井下涌水量與含水層水位變化、井下涌水與含水層水質對比分析表明，井下涌水量與含水層水位關系密切，涌水水質表現為洛河組含水層水與侏羅系含水層水混合的特征。以此反映，4煤與4上煤復合開采導水裂隙帶已經發育至洛河組含水層內。

2 復合煤層覆巖破壞規律相似模擬

為探明大佛寺煤礦復合煤層的覆巖破壞情況，采用相似模擬方法模擬4上煤與4 煤開挖中的覆巖破壞情況，進一步分析導水裂隙帶發育高度以及覆巖破壞規律，為涌水機理研究奠定基礎。開挖共分為兩次，首先開挖4上煤層，其次開挖4 煤層，分析離層與裂隙擴展規律。

如圖6 所示，4上煤工作面回采至252 cm 時，上覆巖層垮落，為工作面基本頂第11 次周期來壓，周期來壓步距18 cm，覆巖垮落高度為9 cm，上覆巖層出現裂隙以及離層，工作面左右兩端的破斷角分別為37°、24°；當工作面回采至260 cm 時，基本頂懸頂距離加大，再次周期破斷，此時為工作面基本頂第12 次周期來壓，周期來壓步距18 cm，覆巖垮落高度為9 cm。隨著工作面繼續向前回采，上覆巖層周期性垮落，呈現周期性來壓，裂隙擴展趨勢具備導通洛河組含水層的能力。

圖6 4上煤開挖覆巖垮落特征

圖7 所示為4 煤工作面回采至260 cm 時上覆巖層周期垮落后的形態。工作面上覆巖層出現破斷以及微小裂隙，工作面上方巖層出現離層以及垮落，從圖中可以看出垮落范圍已經達到模型頂部。工作面上方覆巖的破斷線隨著覆巖垮落不斷向前移動，當工作面回采到260 cm 時，工作面端部破斷線的巖層垮落角別為69°、70°，同時在工作面采空區上覆垮落巖層形成一個較大等腰梯形垮落形態，裂隙和離層發育明顯。頂板模擬的洛河組地層周期性斷裂，垮斷步距約為4～6 個周期來壓。

圖7 4 煤開挖覆巖垮落特征

3 開采全空間水害形成機理

綜合工作面涌水特征及主要影響因素分析，大佛寺煤礦復合煤礦開采過程中主要表現為脈沖型涌水特征：工作面推采過程中，受上覆洛河組含水層充水影響，涌水量呈周期性波動變化，正常情況下涌水較小，脈沖涌水造成瞬時水量突增，持續時間總體有限，回采結束后水量平穩且衰減較為明顯。

根據上述研究分析，工作面涌水水源主要為洛河組含水層，大佛寺煤礦復合煤層開采脈沖型涌水類型為含水層周期性破斷涌水模式。具體的涌水機理及變化過程總結為4 個步驟：

1）4上煤開采造成洛河組水文地質條件變異

4上煤開采造成洛河組含水層內部裂隙較為發育，主要以近水平狀層間局部小規模離層和斜裂隙為主，含水層由以往的孔隙為主轉變為孔隙—裂隙的二元結構，總體富水性和含水層的非均質性增強。

2）4 煤開采形成導水裂隙帶導通洛河組含水層

4 煤開采過程中形成導水裂隙帶，再次破壞再生的隔水地層，進一步導通水文地質條件發生變化的洛河組含水層，導通洛河組含水層高度約鉆孔157 m 深，基本全部導通含水層，造成工作面涌水。

3）4 煤開采覆巖周期性破斷靜儲量釋放

隨著4 煤工作面的逐漸推采，頂板洛河組地層周期性斷裂，垮斷步距約為4～6 個周期來壓。斷裂的洛河組地層中賦存的地下水瞬時潰入井下，造成涌水突增，形成脈沖型涌水特征。由于不同垮斷位置涌水量受含水層上次垮斷后的疏放程度、隔水層內裂隙發育程度等綜合影響，單次涌水峰值差異較大。

4）隔水層自修復封閉導水裂隙

4 煤工作面推采過后，出水點逐漸進入采空區壓實區，導水裂隙在應力壓實、泥巖膨脹、失穩等綜合影響下逐漸閉合，涌水量減小。待下次頂板垮斷時，隔水層再次破壞造成下一次涌水。

4 結語

1）根據周期來壓監測，鉆孔水位監測與水質分析結果表明，周期性的導水裂隙帶導通與閉合是導致脈沖性涌水的關鍵，導水裂隙帶在洛河組含水層內部的發育高度約為孔深157 m。工作面異常涌水主要來源于洛河組含水層。

2）相似模擬4 煤與4上煤開采過程驗證了4上煤開采的裂隙具備導通洛河組含水層的能力，得出了洛河組地層周期性斷裂，垮斷步距約為4～6 個周期來壓。

3）水害形成機理為，4上煤開采造成洛河組形成導水裂隙帶導通洛河組，導致含水層覆巖破斷釋放靜儲量，最后隔水層自修復封閉導水裂隙。