濟(jì)寧三號煤礦采場頂板離層水對生產(chǎn)的影響

李新鳳，白錦琳

(山東省煤田地質(zhì)局 物探測量隊，山東 泰安 271021)

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濟(jì)寧三號煤礦采場頂板離層水對生產(chǎn)的影響

李新鳳，白錦琳

(山東省煤田地質(zhì)局 物探測量隊，山東 泰安 271021)

詳細(xì)介紹了研究區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，對濟(jì)寧三號煤礦3上煤頂板離層水形成條件及對生產(chǎn)的影響進(jìn)行了研究；提出了采用導(dǎo)流孔和截流孔來防治離層水突水。結(jié)果表明：井田部分區(qū)域3上煤導(dǎo)水裂縫帶上部巖組由厚層中細(xì)砂巖及泥巖交叉互層構(gòu)成，3上煤頂板砂巖富水性較好，具備離層水形成條件，且以靜水壓涌突水為主。井田西區(qū)3上煤導(dǎo)水裂縫帶頂板泥巖分布的大部分區(qū)域泥巖厚度小于安全臨界厚度17.9m，開采受離層水影響，今后開采西區(qū)3煤時應(yīng)注意離層水害的影響。

頂板；離層水；導(dǎo)流孔；截流孔；靜水壓突水

Influence of Stope Roof Separation Water to Production of Jining Three Coal Mine

隨著煤礦開采深度的增加和采礦地質(zhì)條件的日趨復(fù)雜，一種新的水害形式——離層水隨之出現(xiàn)。所謂離層，即煤層開采后，上覆巖層下沉過程中，上下層狀巖層撓曲不同步形成的離層空間。離層空間中積存的地下水即為離層水[1-3]。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，已逐漸被引起重視[2]。

濟(jì)寧三號煤礦位于濟(jì)東煤田東南部，距濟(jì)寧市區(qū)14km，行政區(qū)劃屬濟(jì)寧市任城區(qū)石橋鎮(zhèn)。礦井采用豎井分區(qū)開拓，自北而南分為東西兩區(qū)。東區(qū)為陸區(qū)，西區(qū)為湖區(qū)。礦井分2個生產(chǎn)水平，第一水平-518m，主要開采3上和3下煤層；第二水平-880m，主要開采3上，3下及16上，17煤層。礦井目前生產(chǎn)水平-518m，采用綜采及綜采放頂煤采煤工藝，垮落法管理頂板。2007年7月至12月，濟(jì)寧二號煤礦在113下05工作面老空水疏放過程中，除煤層上覆裂縫帶砂巖含水層對老空水的補(bǔ)給作用外，存在新的水源進(jìn)入113下05工作面采空區(qū)。據(jù)初步分析，新水源為113下05工作面上覆巖層中離層聚集砂巖水形成的離層水。濟(jì)寧三號煤礦北鄰濟(jì)寧二號煤礦，與濟(jì)寧二號煤礦水文地質(zhì)條件相似，有形成離層水的條件。濟(jì)寧三號煤礦3上，3下煤平均間距35.41m，開采3下煤層時，其導(dǎo)水裂縫帶大部分在3上煤導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)，本文主要研究3上煤的離層水形成條件及影響。

1　研究區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

井田內(nèi)對礦井生產(chǎn)有影響的充水含水層自上而下主要有：第四系砂礫孔隙含水層，上侏羅統(tǒng)砂礫巖孔隙裂隙含水層，山西組3上煤頂部砂巖裂隙含水層、3下煤頂?shù)装迳皫r裂隙含水層，太原組第三、十下層石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。3煤頂?shù)撞?3上煤頂部、3下煤頂?shù)装?砂巖裂隙含水層是開采3煤的直接充水含水層。

2　采場頂板離層類型

由采場頂板離層水形成過程可知，離層水體是由采場頂板離層(裂隙或空間)積水而成，即采場頂板離層(裂隙或空間)是離層水存在的先決條件；因而采場頂板離層的發(fā)育、分布規(guī)律決定了離層水的形成及其涌突水的危險性。依據(jù)離層持續(xù)穩(wěn)定時間、離層量及離層導(dǎo)水富水性可將離層分為兩種類型：“裂隙型”離層和“空腔型”離層。“空腔型”離層具有離層空間大、維持穩(wěn)定時間長、富水性及透水性較強(qiáng)等特點，因而由“空腔型”離層積水而成的離層水危害較大。而“裂隙型”離層則由于離層量和離層空間較小、維持時間短、富水性和透水性較弱，使得積水而成的離層水體積較小，發(fā)生離層水涌突水的危害也較?。欢摇傲严缎汀彪x層的發(fā)育受巖層間層理面粘結(jié)強(qiáng)度影響較大，具有一定的不確定性。為此，離層水分析中涉及的離層均指“空腔型”離層。

3　離層水形成條件及影響因素

3.1離層水形成條件

采場頂板“空腔型”離層易發(fā)育于具有軟硬互層結(jié)構(gòu)地層中，且主要發(fā)育于厚層堅硬巖層底部。形成離層水的離層空間發(fā)育于采場導(dǎo)水裂縫帶之上，分布于彎曲下沉帶下部，且不與下部的裂隙帶相導(dǎo)通(即在離層空間下部分布有一定厚度、較為完整的相對隔水層)。在形成相對“封閉的”離層后，離層空間還需接受周邊含水層的補(bǔ)給才可積水而形成離層水，否則，離層空間將形成“真空離層”。

濟(jì)寧三號煤礦3上煤導(dǎo)水裂縫帶頂部泥巖組上方的中細(xì)砂巖組底部易于發(fā)育形成離層水。

3.2離層水影響因素

結(jié)合全區(qū)開展的“大學(xué)習(xí)、大調(diào)研、大改進(jìn)”，區(qū)人大各專門委員會結(jié)合專業(yè)特點，就助力民營企業(yè)發(fā)展、推進(jìn)美麗鄉(xiāng)村建設(shè)、加快城市生態(tài)提升、做強(qiáng)文化軟實力等開展專題調(diào)研，并分別形成了調(diào)研報告，提出了富有建設(shè)性和針對性的建議意見，被區(qū)委、區(qū)政府主要領(lǐng)導(dǎo)批示，各有關(guān)部門抓緊落實。區(qū)十七屆人大常委會第十七次會議作出《關(guān)于加強(qiáng)檢察建議工作的決議》和《關(guān)于加強(qiáng)檢察機(jī)關(guān)公益訴訟工作的決議》，為了起草好這兩個決議，會前區(qū)人大法制委員會專門到區(qū)檢察院開展調(diào)研，聽取區(qū)檢察院關(guān)于規(guī)范檢察建議工作和關(guān)于公益訴訟工作情況的報告，并在常委會會議上對兩個決議（草案）作了專門說明。

影響離層積水的主要因素有: 離層持續(xù)時間和充水含水層的富水性等[1]。

對于每一層位離層而言，在層面上均存在一個由起始、發(fā)展、穩(wěn)定至閉合的動態(tài)過程。煤層采動過后上覆巖層中發(fā)育的離層量越大，持續(xù)時間越長，離層裂隙接受周邊含水層的補(bǔ)給時間也就越長，離層積水量也就越大；而離層持續(xù)的時間主要由離層上位巖層的巖性、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)及煤層開采情況決定。

在軟弱覆巖條件下，采場覆巖由于移動與變形速度較快，開采影響很快到達(dá)地表，不易形成持續(xù)穩(wěn)定的離層空間。離層上位巖層厚度越大，抗張抗拉強(qiáng)度越高，離層持續(xù)時間越長，越有利于離層形成。當(dāng)采場覆巖中離層上位巖層一定時，離層的持續(xù)時間與煤層開采速度成反比，即工作面推進(jìn)速度越快，越不利于離層積水；當(dāng)采場覆巖具備離層水形成條件時，工作面面長越大、推進(jìn)距離越大、煤厚越大，離層發(fā)育空間越大。

離層上位巖層含水性越好、水壓越高，離層空間積水量越大。

3.33上煤離層水形成條件

濟(jì)寧三號煤礦3上煤采后導(dǎo)水裂縫帶高度為0.62～69.76m，平均19.80m。井田部分區(qū)域3上煤導(dǎo)水裂縫帶上部巖組由厚層中細(xì)砂巖及泥巖交叉互層構(gòu)成，中細(xì)砂與泥巖交界面極易形成離層裂隙(圖1)，且離層裂隙維持時間較長。同時，3上煤頂板砂巖本身屬弱～中等富水含水層，為發(fā)育于彎曲下沉帶中的離層裂隙提供了補(bǔ)給水源，即離層裂隙充水后可形成離層積水帶(離層水體)。在采動、上覆巖層移動、疏放水等作用下，離層水體有突破其下部相對隔水巖層而沿裂隙下泄至工作面的可能。

圖1　3上煤頂板柱狀

4　離層水涌突水類型

4.1離層水“動力突水”

離層水“動力突水”具有瞬時水量大、伴有大量的碎石涌入等特點，其沖擊動力作用強(qiáng)烈。發(fā)生“動力突水”的主要誘導(dǎo)因素為離層上位巖層達(dá)到極限懸空距破斷時的沖擊動力荷載，沖擊動力作用的強(qiáng)弱是離層水能否發(fā)生“動力突水”的控制因素。沖擊動力作用的強(qiáng)弱主要由其覆巖及自身的物理力學(xué)性質(zhì)決定，當(dāng)離層上位巖層厚度巨大、完整性好、強(qiáng)度高、極限垮落距大時，離層上位巖層破斷時產(chǎn)生的沖擊動力荷載也將異常強(qiáng)烈，對應(yīng)的動力突破帶也較大，也就越易于發(fā)生離層水“動力突水”[4]。

4.2離層水靜水壓涌突水

離層水靜水壓涌突水具有可積水離層發(fā)育深度大、離層積水量和水頭壓力大等特點?？刂埔蛩貫殡x層水的靜水壓和離層下位隔水層厚度。在采場頂板離層水形成之后，由于離層上位巖層的下沉變形及周邊含水層的補(bǔ)給，離層水將具有一定的水頭壓力。離層水將對其下位巖層施加一定的荷載和靜水壓作用；在加載和靜水壓的楔入或張拉作用下，使得離層下位完整巖層發(fā)育垂向裂隙喪失其原阻隔水性，引發(fā)離層涌突水。

3上煤的埋深較大，其頂板砂巖的初始水頭較高，因而3上煤工作面回采后若其頂板能形成離層水，其涌突水機(jī)理將以靜水壓涌突水為主。

5　離層水對生產(chǎn)的影響

由圖2可知，井田內(nèi)大部分區(qū)域在3上煤回采后導(dǎo)水裂縫帶頂部及其上方發(fā)育有一定厚度的泥巖或粉砂巖，阻礙裂縫帶以上砂巖含水層與下部采場的水力聯(lián)系，即下部采場煤層回采對裂縫帶上方砂巖含水層的疏放影響較小，因而裂縫帶上方砂巖含水層仍能保持較高的水頭壓力。

圖2　3上煤導(dǎo)水裂縫帶頂板巖性分布

由離層靜水壓突水機(jī)理可知，離層下位隔水層的受力狀態(tài)與采場底板巖層受底板承壓水的力學(xué)作用是相似的。因此，離層積水能否突出，可借用底板突水危險性評價中底板突水系數(shù)公式(T0=P/h)判斷[5]。當(dāng)離層下位隔水層厚度h大于臨界厚度( 取突水系數(shù)T0=0.1MPa/m) 時，離層水不會下泄，是安全的。反之，當(dāng)離層下位隔水層厚度小于或等于臨界厚度時，便會導(dǎo)致離層水下泄，導(dǎo)致水害事故發(fā)生。

目前3煤頂板砂巖水位標(biāo)高平均-388.78m，而3上煤裂縫帶上方砂巖含水層底板標(biāo)高平均為-567.87m，即裂縫帶上方砂巖含水層水壓(P)為1.79MPa，該水壓可作為3上煤工作面頂板離層水發(fā)生涌突水時離層水的水壓力。3上煤頂板離層水靜水壓作用所能突破完整巖層的極限厚度為：

hmin=P/T0=1.79/0.1=17.9(m)

若離層下方泥巖層厚度小于17.9m，在靜水壓作用下頂板離層水可突破離層下方完整泥巖層，與下部采動裂縫帶導(dǎo)通，對采空區(qū)進(jìn)行充水。

由圖2可知，井田西區(qū)3上煤導(dǎo)水裂縫帶頂板泥巖分布的大部分區(qū)域泥巖厚度小于17.9m，受離層水影響。井田東區(qū)大部分區(qū)域3上煤導(dǎo)水裂縫帶頂板泥巖厚度較大，最大達(dá)50m以上，能有效阻隔離層水的影響。今后開采西區(qū)3煤時應(yīng)注意離層水害的影響。

6　離層水突水防治措施[3-7]

(1)以離層水導(dǎo)流孔疏放采場頂板離層水若采場導(dǎo)水裂縫帶上方存在離層水威脅，可采用頂板離層水導(dǎo)流孔對煤層采后頂板發(fā)育的離層水進(jìn)行疏放(導(dǎo)流孔內(nèi)需下入厚壁花管)；而考慮到采場頂板離層及離層水發(fā)育滯后于工作面回采，離層水導(dǎo)流孔應(yīng)迎向工作面推進(jìn)方向布置，指向采空區(qū)。但若某一煤層采場頂板事先已發(fā)育(形成)離層水(由其他煤層回采產(chǎn)生)，此時離層水導(dǎo)流孔沿工作面推進(jìn)方向布置。

(2)以離層水截流孔攔截離層水補(bǔ)給來源該類鉆孔的施工目的是針對離層水的補(bǔ)給來源進(jìn)行中途攔截，使離層獲得的水源補(bǔ)給量大大減小，從而難以形成較大規(guī)模的離層積水，明顯降低離層水的危險性。

7　結(jié)　論

(1)通過對研究區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)條件的分析，研究了濟(jì)寧三號煤礦3上煤頂板離層水形成條件及影響因素。井田部分區(qū)域3上煤導(dǎo)水裂縫帶上部巖組由厚層中細(xì)砂巖及泥巖交叉互層構(gòu)成，3上煤頂板砂巖富水性較好，具備離層水形成條件。

(2)通過對地質(zhì)條件的分析得出，3上煤工作面回采后若其頂板能形成離層水，其涌突水機(jī)理將以靜水壓涌突水為主。

(3)借用底板突水危險性評價中底板突水系數(shù)公式計算了3上煤層頂板離層下位隔水層的安全臨界厚度( 取突水系數(shù)T0=0.1MPa/m)為17.9m。井田西區(qū)3上煤導(dǎo)水裂縫帶頂板泥巖分布的大部分區(qū)域泥巖厚度小于17.9m，受離層水影響。井田東區(qū)大部分區(qū)域3上煤導(dǎo)水裂縫帶頂板泥巖厚度較大，能有效阻隔離層水的影響。今后開采西區(qū)3煤時應(yīng)注意離層水害的影響。

(4)提出了采用導(dǎo)流孔和截流孔來防治離層水突水，為煤礦的安全、高效開采提供了技術(shù)保障。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

2016-01-11

李新鳳(1986-)，女，山東青州人，工程師，碩士，主要從事礦產(chǎn)地質(zhì)勘查、地質(zhì)報告編制、電法勘探等工作。

TD745

B

1006-6225(2016)05-0098-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.028

[引用格式]李新鳳，白錦琳.濟(jì)寧三號煤礦采場頂板離層水對生產(chǎn)的影響[J].煤礦開采，2016，21(5)：98-100，94.