導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)充水含水層對(duì)煤礦生產(chǎn)的影響研究

李新鳳 吳豪杰

（山東省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，山東 濟(jì)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(fā)生在開(kāi)采北方二疊紀(jì)山西組煤層和侏羅紀(jì)煤層以及開(kāi)采南方侏羅紀(jì)的煤層中，這些煤層頂部常有厚層砂巖和礫巖[1]。

煤炭科學(xué)研究院劉天泉院士等提出了覆巖破壞學(xué)說(shuō)，將煤層開(kāi)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(tǒng)稱導(dǎo)水裂隙帶，若這“兩帶”的高度之和大于等于開(kāi)采煤層與其頂板含水層的距離，則頂板含水層中的水就會(huì)通過(guò)頂板裂隙涌入采掘工作面或巷道[3-5]。濟(jì)寧三號(hào)煤礦位于濟(jì)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(kāi)采煤層為3上、3下、16上及17煤層，目前濟(jì)寧三號(hào)煤礦正在開(kāi)采的煤層為3上、3下煤層，其余煤層尚未開(kāi)采。本文主要對(duì)這兩層煤開(kāi)采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)充水含水層對(duì)煤礦生產(chǎn)的影響進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)特征

濟(jì)寧三號(hào)井田為華北型石炭-二疊系全隱蔽式井田，煤系地層以?shī)W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(nèi)主要含水層有第四系、上侏羅統(tǒng)砂礫巖、山西組3砂、太原組三灰、十下灰和奧灰。對(duì)3煤開(kāi)采有影響的含水層為3煤頂?shù)撞可皫r裂隙含水層和上侏羅統(tǒng)砂礫巖孔隙裂隙含水層。一采區(qū)探放水孔揭露上侏羅統(tǒng)底界巖層時(shí)均出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，說(shuō)明上侏羅統(tǒng)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(chǔ)量水。3上煤層頂部砂巖為淺灰～灰綠色細(xì)—中粒砂巖以及粗砂巖，3上煤層以上50m范圍內(nèi)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(xì)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(duì)較好。

2 3上、3下煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)的充水含水層

根據(jù)生產(chǎn)礦井采煤后頂板活動(dòng)的觀測(cè)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(xù)下沉、破裂，相繼形成導(dǎo)水裂隙帶。

2.1 3上、3下煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶

濟(jì)寧三號(hào)煤礦于2001年委托山東科技大學(xué)對(duì)1301工作面采用壓水試驗(yàn)進(jìn)行采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律的探測(cè)，得出的主要結(jié)論：采用綜采放頂煤開(kāi)采，導(dǎo)水裂隙帶最大高度80.88m，裂高采高比10.9～12.4，總結(jié)出濟(jì)三礦井3煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)公式為：

式中：

Hli—導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；

M—采厚，m。

濟(jì)寧三號(hào)煤礦于2013年委托山東科技大學(xué)對(duì)回采183上04工作面時(shí)導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行探測(cè)，實(shí)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度41.57m，導(dǎo)高是采厚的13.9倍，即：

本次采用公式（2）對(duì)開(kāi)采十八采區(qū)3上、3下煤層時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了預(yù)計(jì)，采用公式（1）對(duì)開(kāi)采剩余采區(qū)3上、3下煤層時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了預(yù)計(jì)。通過(guò)計(jì)算，3上煤層導(dǎo)水裂隙帶高度9.30～69.76m，平均21.62m，3下煤層導(dǎo)水裂隙帶高度8.68～93.96m，平均53.29m。

2.2 “兩帶”高度內(nèi)的充水含水層

3上煤層可采厚度0.70～5.80m，平均1.72m，導(dǎo)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(dǎo)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(xì)—中粒砂巖以及粗砂巖，煤層以上50m范圍內(nèi)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(xì)砂巖，厚0.55～56.66m，平均23.86m。礦井開(kāi)采時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)的頂板砂巖水將會(huì)全部進(jìn)入礦井。3上煤距上侏羅統(tǒng)底界18.45～252.57m，平均121.29m，3上煤頂板導(dǎo)水裂隙帶頂距上侏羅統(tǒng)底界-4.94～241.66m，平均99.63m。礦井東南部一、三采區(qū)以及東北部十二采區(qū)（圖1），由于3煤與上侏羅統(tǒng)底界距離多小于或接近采后導(dǎo)水裂隙帶高度，上侏羅統(tǒng)下含水段水沿導(dǎo)水裂隙進(jìn)入礦井。3下煤距上侏羅統(tǒng)底界22.76～313.81m，平均150.45m，3下煤頂板導(dǎo)水裂隙帶頂距上侏羅統(tǒng)底界-50.35～292.73m，平均96.99m。在一、三、十二采區(qū)以及二采區(qū)東部、五采區(qū)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(qū)的大部，導(dǎo)水裂隙帶波及上侏羅統(tǒng)，這些采區(qū)開(kāi)采將受上侏羅統(tǒng)水的威脅。所以開(kāi)采3煤層時(shí)“兩帶”高度內(nèi)的充水含水層包括3煤層頂板砂巖和上侏羅統(tǒng)砂礫巖。另外，3下煤距離3上煤層平均34.86m，西區(qū)為下行開(kāi)采，即先開(kāi)采3上煤，后開(kāi)采3下煤。3上煤層老空水在3下煤層導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)，3下煤開(kāi)采時(shí)將受3上煤頂板老空水影響，因此西區(qū)開(kāi)采3下煤時(shí)應(yīng)將3上煤采空區(qū)積水疏干。

3 “兩帶”高度內(nèi)充水含水層對(duì)生產(chǎn)的影響

（1）3煤頂部砂巖局部突水量大，影響安全生產(chǎn)

3煤頂部砂巖為開(kāi)采上組煤直接充水含水層之一，通常以淋水的形式通過(guò)采動(dòng)裂隙直接涌入采掘工作面及回采工作面的采空區(qū)，為礦井正常涌水的來(lái)源。但3煤頂部砂巖富水性不均一，在斷裂破碎帶、構(gòu)造裂隙發(fā)育區(qū)等部位富水性較好，巷道掘進(jìn)揭露以及回采工作面老頂大面積突然垮落時(shí)，在這些部位容易發(fā)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(fā)生的突水也具有周期性的特征，即涌水峰值呈現(xiàn)出隨工作面推進(jìn)重復(fù)出現(xiàn)，給安全生產(chǎn)造成一定的影響。如六采區(qū)6301回采工作面生產(chǎn)中發(fā)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(qū)涌出，同時(shí)伴有工作面大面積淋水，涌水歷時(shí)41d，對(duì)生產(chǎn)影響較大。

（2）上侏羅統(tǒng)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(tǒng)底界距離多小于采后導(dǎo)水裂隙帶高度，上侏羅統(tǒng)下含水段水沿導(dǎo)水裂隙進(jìn)入礦井，增加了礦井涌水量，甚至發(fā)生多次較大涌水量的突水。其突水特點(diǎn)是：涌水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，峰值高，衰減慢，給開(kāi)采造成嚴(yán)重的影響。如一采區(qū)均位于井田東南部，開(kāi)采的3下煤層距離上侏羅統(tǒng)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(kāi)采，導(dǎo)水裂隙帶最大高度80.88m。而3下煤層與侏羅統(tǒng)底界的距離最大68.64m，因此，上侏羅統(tǒng)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(qū)工作面生產(chǎn)中共發(fā)生涌水量65m3/h以上的突水18次，單個(gè)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(zhǎng)突水期50d（1306工作面），嚴(yán)重地影響了工作面的安全生產(chǎn)。

圖1 3上煤頂板導(dǎo)水裂隙帶波及紅層范圍

4 水害防治措施

（1）對(duì)水文地質(zhì)條件不清或預(yù)計(jì)涌水較大地點(diǎn)，提前進(jìn)行井下物探，視探測(cè)結(jié)果超前進(jìn)行探放水。

（2）在充分分析研究開(kāi)采地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，合理確定開(kāi)采順序與時(shí)間，提前開(kāi)展井下疏放水工作，避免突水事故發(fā)生。

5 結(jié)論

（1）采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出的公式計(jì)算了3上煤和3下煤的頂板導(dǎo)水裂隙帶高度。3上煤層導(dǎo)水裂隙帶高度9.30～69.76m，平均21.62m，3下煤層導(dǎo)水裂隙帶高度8.68～93.96m，平均53.29m。

（2）開(kāi)采3煤層時(shí)“兩帶”高度內(nèi)的充水含水層包括3煤層頂板砂巖含水層和上侏羅統(tǒng)砂礫巖含水層。另外，西區(qū)為下行開(kāi)采，3上煤層老空水在3下煤層導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)，3下煤開(kāi)采時(shí)將受3上煤頂板老空水影響。

（3）3煤頂板砂巖以靜儲(chǔ)量為主，易于疏干，但其富水性不均一，在斷裂破碎帶、構(gòu)造裂隙發(fā)育區(qū)等部位富水性較好，容易造成突水事故。礦井東部、東南部，由于3煤與上侏羅統(tǒng)底界距離多小于采后導(dǎo)水裂隙帶高度，上侏羅統(tǒng)下含水段水沿導(dǎo)水裂隙進(jìn)入礦井，且礦井涌水量大，涌水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響礦井開(kāi)采。

圖2 3下煤頂板導(dǎo)水裂隙帶波及紅層范圍