澠池煤田頂板水害研究

林劉軍 許江濤

（1.河南工程技術(shù)學(xué)校，河南 焦作 454000；2.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度加快，國家經(jīng)濟(jì)對(duì)煤炭量的需求日益增大，許多煤礦被迫向更深部的煤層加速開采。頂板防治水日益凸顯出來，本文研究的主要目的是探討煤礦頂板突水的機(jī)理及規(guī)律，這對(duì)指導(dǎo)澠池煤田煤礦開采具有十分重要的意義。

1 澠池煤田的頂板來水水源

1.1 大氣降水與地表水

大氣降水的下滲是地下水最重要的補(bǔ)給水源，也是礦井充水的主要因素之一。澠池煤田處于豫西地區(qū)，四季降水量差異較大，而降水量多少，持續(xù)時(shí)間長短，直接控制著地下水的補(bǔ)給量，也影響著礦井涌水量的動(dòng)態(tài)變化。

1.2 老窯水

研究區(qū)內(nèi)，礦區(qū)淺部都有許多廢棄的老窯，由于老窯數(shù)量多，開采年代久遠(yuǎn)，沒有較詳細(xì)的資料記錄，其位置、深度不易準(zhǔn)確確定，有的老窯積水補(bǔ)給缺乏，是一坑死水。

1.3 澠池煤田二組煤頂板砂巖裂隙水

1.3.1 大占砂巖

二1煤層頂板的大占砂巖裂隙比較發(fā)育，含有裂隙水，是煤層頂板直接含水層，采掘活動(dòng)使媒層頂板巖層變形，破壞，形成冒落帶，裂隙帶和彎曲變形帶，煤層頂板的山西組砂巖裂隙水甚至石河子組砂巖裂隙水以頂板水的形式進(jìn)入礦井，就澠池煤田來講，頂板砂巖裂隙雖然比較發(fā)育，但多為方解石脈充填，且砂巖含水層均被泥巖河砂質(zhì)泥巖所分隔，補(bǔ)給河儲(chǔ)存條件差，富水性弱，因此，煤層頂板砂巖水常常表現(xiàn)為頂板滴水，淋水，很少形成突水，通常，只有在斷層帶附近或裂隙密集帶，頂板砂巖水會(huì)形成突水，但突水量一般不會(huì)很大[1]。

1.3.2 砂鍋窯砂巖

澠池煤田的砂鍋窯砂巖存在于大占砂巖之上，一般為灰色、灰綠色，為細(xì)-中粗粒長石石英砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，含少量的暗色礦物及鐵質(zhì)結(jié)核，有時(shí)相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖，厚度0—43.55M，平均9M。

2 導(dǎo)水帶

2.1 裂隙與采動(dòng)裂隙導(dǎo)水通道

山西組大占砂巖和香炭砂巖裂隙含水層是二1煤層頂板直接充水層，裂隙發(fā)育，含有裂隙水，富水性不均勻，裂隙發(fā)育地段富水性強(qiáng)，裂隙水可沿裂隙流入礦井。各數(shù)情況下，頂板砂巖裂隙水主要以頂板淋水，滴水形式進(jìn)入礦井，偶爾會(huì)形成突水。

采煤活動(dòng)使煤層頂板產(chǎn)生冒落斷裂，將上覆巖層破壞，形成冒落帶，裂隙帶和彎曲帶，不僅為煤層直接頂板山西組砂巖裂隙水進(jìn)入礦井提供了通道，同時(shí)，也為二疊系石盒子組砂巖裂隙水進(jìn)入礦井提供了通道，若采煤引起的導(dǎo)水裂隙發(fā)展到地面地表水體時(shí)，必然會(huì)引起礦井涌水量增加。

2.2 人為通道

鉆孔除了溝通直接含水層與其它含水層的聯(lián)系之外,也可能造成有關(guān)含水層通過鉆孔直接向礦井充水的作用,封閉不良的鉆孔還可能溝通老窯形成老空水。實(shí)際上煤礦開采以后,自然流場(chǎng)一般情況下必然會(huì)發(fā)生變化,如果能在封孔時(shí)充分的考慮到礦床開采以后自然流場(chǎng)的變化情況,則封孔將可能使礦井充水條件向有利的方面轉(zhuǎn)化。豫西礦區(qū)的鉆孔打的大都比較早，質(zhì)量不夠合格，有的可以定為次鉆孔，充填的時(shí)候填料和施工不符合要求。在觀音堂礦封閉鉆孔記錄中就存在著大量封閉不良鉆孔。

3 澠池煤田頂板突水機(jī)理研究

沈繼方等提出的“三帶”機(jī)理,對(duì)煤礦研究頂板突水較為適用。既開采礦體在地下形成采空區(qū)，采空區(qū)上方頂板巖層失去支撐和平衡后，會(huì)產(chǎn)生變形，以致破壞，形成“三帶”,這就會(huì)給上部含水層或地表水體等提供人為充水途徑，因此，對(duì)埋藏在強(qiáng)含水層或地表水體之下的礦藏，要評(píng)價(jià)頂板的穩(wěn)定性，預(yù)測(cè)它可能破壞的最大高度。

3.1 太原組灰?guī)r突水機(jī)理研究

以石豪礦井為例，頂板突水共有11次，從記錄的情況看，太原組灰?guī)r涌水量一般很小，這與太原組灰?guī)r巖溶發(fā)育向深部減弱有關(guān)。突水時(shí)多為斷層切割太原組灰?guī)r，造成底板裂隙水突出。二1煤到太原組灰?guī)r之間大部分都為泥巖，在石壕泥巖的厚度為14米，在觀音堂為20.29M。太原組灰?guī)r的厚度為8M左右，就厚度來說有可能發(fā)生直接突水，但是要太原組的含水性不豐富，且很不均一，這樣就造成了突水的可能性不同。即在薄弱帶可能發(fā)生突水[2-3]。

3.2 頂板砂巖突水機(jī)理的研究

在研究的區(qū)域，頂板砂巖裂隙較多，但多為方解石脈充填，且砂巖含水層均被泥巖河砂質(zhì)泥巖所分隔，補(bǔ)給和儲(chǔ)存條件差，富水性弱，因此，煤層頂板砂巖水常常表現(xiàn)為頂板滴水，淋水，另外山西組大占砂巖為二1煤層直接頂板，是礦井直接充水含水層，突水時(shí)多為小斷層和大斷裂切割，但因其含水性較弱，一般只會(huì)造成滴水，淋水現(xiàn)象，發(fā)生突水的可能性不大。但如有斷層存在時(shí)，可使頂板砂巖和強(qiáng)的含水層對(duì)接，如太原組灰?guī)r，奧陶系灰?guī)r，頂板砂巖作為間接通道也可能發(fā)生大的突水。

4 突水的預(yù)測(cè)

4.1 煤層頂板突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

開采空間的存在及松散冒落巖塊的被壓縮，是產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙帶的根本原因，開采空間越高，冒落帶也越高，冒落巖塊的壓縮量也就越多，其上面所產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶也就隨之越高。導(dǎo)水裂隙帶的高度也和冒落一樣與頂板巖性密切相關(guān)。脆性頂板中的導(dǎo)水裂隙帶高度要大于塑性頂板中的高度。根據(jù)煤炭科學(xué)院北京開采研究所的研究，導(dǎo)水裂隙帶的最大高度可用下式計(jì)算[4]：

H裂=M/CM+m2+d

式中c,d為與頂板巖性有關(guān)的系數(shù)。

對(duì)于堅(jiān)硬頂板：H 裂=100ΣM/（1.2ΣM+2.0）+-8.9

對(duì)于中硬頂板：H 裂=100ΣM/（1.6ΣM+3.6）+-5.6

對(duì)于軟弱頂板：H 裂=100ΣM/（3.1ΣM+5.0）+-4.0

對(duì)于風(fēng)化頂板：H 裂=100ΣM/（5.0ΣM+8.0）+-3.0

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，用下列公式：

H 裂=100ΣM/（3.1ΣM+5.0）+4.0M

開采煤層的厚度一般為4M。可算H裂為26.99

但是對(duì)于豫西煤田應(yīng)該用下列公式計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶的最大高度

H 裂=100ΣM/（3.3n+3.8）+5.1

式中：n為煤分層層數(shù)。五號(hào)井取1，八號(hào)井取2，可計(jì)算如下結(jié)果

五號(hào)井：H 裂＝46.37

八號(hào)井：H裂=50.9

4.2 頂板水害的預(yù)防

凡是位于冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶最大高度以內(nèi)的含水層或地表水體以及導(dǎo)水裂隙帶最大高度能達(dá)到其底板的含水層或地表水體,都必須通過導(dǎo)水裂隙帶及冒落垂直帶直接向礦井充水；反之,當(dāng)含水層或地表的底板至被開采的頂板的最短距離大于導(dǎo)水裂隙帶的最大高度,而又無導(dǎo)水裂隙或?qū)萋渲葘?dǎo)水通道存在時(shí),則該含水層或地表的水體中的水將不會(huì)直接進(jìn)入礦井。因此,在預(yù)測(cè)在某一含水層或地表水體采煤是否安全時(shí),可用下式來判別：

H安≥H裂+H保

式中：H安——安全采煤所需的頂板隔水層厚度（m）

H裂——導(dǎo)水裂隙帶的最大厚度（m）

H?！獙?dǎo)水裂隙帶以上的隔水保護(hù)層厚度（m）

H保的具體數(shù)值應(yīng)視隔水層的性質(zhì)而定，對(duì)于堅(jiān)硬的或半堅(jiān)硬的基巖隔水層一般為10-20M；對(duì)于塑性粘土層則只須5-10M，因?yàn)樵ノ鞯貐^(qū)開采的都是大煤，上面為比較堅(jiān)硬的大占砂巖，再考慮的安全因素，在次取20米，根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果H安大約47米。

5 結(jié)論

影響突水的條件是復(fù)雜多樣的，在具體的生產(chǎn)中，要綜合考慮斷層、構(gòu)造、煤厚等別的因素，如果條件發(fā)生變化，那么這個(gè)數(shù)值也應(yīng)該隨著變化，要以安全為前提，適當(dāng)增加防水煤住的厚度。在豫西澠池煤田生產(chǎn)時(shí)，頂板保護(hù)煤柱應(yīng)大于47米。

［1］吳新民,彭應(yīng)熙,主編.觀音堂煤礦礦井地質(zhì)報(bào)告[Z].1989.

［2］義馬礦務(wù)局工程勘察公司.甘豪煤礦:水平采區(qū)補(bǔ)勘地質(zhì)報(bào)告[Z].1995,12.

［3］王恩營,潘國營.小浪底水庫蓄水后新安礦區(qū)充水條件演變及預(yù)測(cè)[R].2001,8.

［4］王長文,慕松利.焦作礦區(qū)突水特點(diǎn)及礦井綜合防治[J].焦作工學(xué)院報(bào),1999(7).