特厚煤層開采覆巖離層水形成及涌突風(fēng)險

張培森，閆奮前，孫亞楠，吳俊達(dá)

（1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島266590；2.礦業(yè)工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山東 青島266590）

近年來，隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國煤炭產(chǎn)量的不斷增加，煤礦開采深度的增加，離層水害事故由一開始的陌生不了解，現(xiàn)如今已變的越來越常見。離層水害的發(fā)生給礦井防治水工作及安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-5]。

關(guān)于離層水形成及致災(zāi)機(jī)理國內(nèi)許多學(xué)者均有研究。李小琴[6]對堅硬覆巖下重復(fù)采動離層水形成、涌突機(jī)理進(jìn)行了研究和探討，并提出了離層水防治的關(guān)鍵技術(shù)；喬偉[7]等分析了濟(jì)寧二號煤礦離層水突水事故后，揭示了“靜水壓涌突水”機(jī)理并提出了集中離層水防治措施；曹海東[8]通過理論分析、案例解剖、數(shù)值模擬、相似模擬及現(xiàn)場驗(yàn)證等手段，對離層水害類型進(jìn)行了重新分類，并提出了離層水防控技術(shù)體系，針對黃隴侏羅紀(jì)煤田離層水災(zāi)害頻發(fā)的現(xiàn)狀，研究成果也頗豐。婁金福[9]以崔木煤礦開展了現(xiàn)場跟班實(shí)測與理論研究，構(gòu)建了離層水出水壓架預(yù)警機(jī)制；喬偉[10]等針對巨厚煤層在綜放開采條件下的煤礦工程實(shí)例分析，對采高和離層水突水的關(guān)系以及工作面推進(jìn)速度與離層空間積水量的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了研究；何也[11]等分析了郭家河煤礦多次離層水突水事故，總結(jié)出了突水水源、突水規(guī)律并提出了防治技術(shù)；方剛[12]等通過理論分析和數(shù)值模擬的方法分析了銅川玉華煤礦突水機(jī)理；呂廣羅[13]等提出了一種測預(yù)報系統(tǒng)和防治技術(shù)體系，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到推廣應(yīng)用。

以上的研究成果對黃隴侏羅紀(jì)煤田乃至全國離層水害的防治起了重要的作用，但對特厚煤層開采在離層水的形成及離層水涌突風(fēng)險的評估很少有研究。為此，以招賢煤礦為研究背景，在分析水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對離層水的形成展開深入研究，對離層水涌突風(fēng)險進(jìn)行評估，避免離層水害發(fā)生。

1 水文地質(zhì)分析

招賢煤礦地處陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田的永隴礦區(qū)。1307、1305、1303 工作面平面布置圖如圖1。首采區(qū)內(nèi)1307 工作面為首采工作面及規(guī)劃開采的1305、1303 工作面主采侏羅系中統(tǒng)延安組3 煤，回采范圍內(nèi)煤層傾角3°～17°不等，平均傾角9°，3 煤厚為4～15 m，平均厚度10 m。工作面頂板向上的主要巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)、中、粗砂巖、粉砂巖、礫巖。

首采區(qū)內(nèi)煤層頂板上方的主要含水層有第四系全新統(tǒng)含水層、第四系中上更新統(tǒng)含水層、新近系含水層、白堊系下統(tǒng)洛河組含水層、白堊系下統(tǒng)宜君組含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組含水層、侏羅系中統(tǒng)延安組煤層及其頂板砂巖含水層，煤層頂板各含水層厚度柱狀圖如圖2。

圖1 1307、1305、1303 工作面平面布置圖Fig.1 Layout plan of working faces 1307, 1305 and 1303

圖2 煤層頂板各含水層厚度柱狀圖Fig.2 Thickness histogram of each aquifer of coal seam roof

白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖裂隙含水層厚度遠(yuǎn)大于其它含水層，因此，僅白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖裂隙含水層水對工作面生產(chǎn)影響最大。

自2017 年10 月回采以來，首采區(qū)共布置4 個長觀孔對宜君組含水層水位進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，其中G1孔布置于1307 工作面西北方向，距1307 工作面風(fēng)巷170 m 左右。在1307 工作面開采初期G1 孔水位標(biāo)高為+1 271.16 m，開采完畢后水位標(biāo)高為+1 260.86 m，水位整體下降了10.3 m。在1307 工作面回采期間并沒有出現(xiàn)大范圍的透水事故，并且在對宜君組含水層水進(jìn)行疏放，也沒有出水。這部分“消失”的水始終威脅著工作面的安全生產(chǎn)。

2 覆巖積水離層形成理論判別

根據(jù)傳遞巖梁理論[14-15]，認(rèn)為可以把每1 組同時運(yùn)動或近乎同時運(yùn)動的巖層看成1 個運(yùn)動的整體，稱之為傳遞力的巖梁。兩巖層在自重作用下的彎曲沉降分析，下巖層的跨度和彎矩先于上部巖層達(dá)到極限。上下兩巖層同時運(yùn)動的臨界條件為：

式中：Ex為下部巖層的彈性模量，MPa；mx為下部巖層的厚度，m；Lx為下部巖層的極限破斷距，m；Ls為上部巖層的極限破斷距，m；Es為上部巖層的彈性模量，MPa；ms為上部巖層的厚度，m。

不滿足臨界條件，兩巖層分開運(yùn)動。即使ms=mx和Es=Ex，但隨著采煤工作面的推進(jìn)，下部巖層將先達(dá)到極限彎矩，滿足ωs＜ωx的條件，ωs為上部巖層的撓度，m；ωx為下部巖層的撓度，m。因此必然先行破壞，兩巖層分別形成傳遞巖梁依次運(yùn)動。上部巖層強(qiáng)度越高（Es越大）、厚度越大，顯著運(yùn)動滯后的時間越長。

基于以上離層形成條件分析成果, 將鉆孔所揭露的3 煤頂板各巖層相應(yīng)參數(shù)代入式（1），離層層位判別表見表1。

表1 離層層位判別表Table 1 Discrimination table of separated layers

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采指南》（2017 版）中提供的厚煤層放頂煤開采的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度計算公式計算得出招賢煤礦導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度約為210 m，裂采比為21。

結(jié)合表1 中離層層位判別，離層9 距3 煤頂板204.24 m，離層10 距3 煤頂板212.65 m。其中，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度為210 m，所以，1 號～9 號離層位于導(dǎo)水?dāng)嗔褞路?，無法形成負(fù)壓空間，周圍含水層水匯集到離層空間的水會通過導(dǎo)水裂隙直接進(jìn)入工作面，離層10～離層13 位于導(dǎo)水?dāng)嗔褞е?，而離層10 的上下巖體為泥巖和粉砂巖，硬度相對較小，存在時間較短，不會形成離層積水，也就是說距3 煤頂板253.64 m 的厚170.03 m 的礫巖底部發(fā)育有可積水離層空間。在實(shí)際生產(chǎn)中需要及時探明離層發(fā)生位置并及時治理。

3 特厚煤層開采覆巖破壞試驗(yàn)

3.1 離層動態(tài)發(fā)育過程

覆巖運(yùn)動實(shí)物圖如圖3。

根據(jù)相似材料模擬試驗(yàn)，在工作面推進(jìn)到40 m左右時上覆懸露巖層，在重力作用下發(fā)生彎曲破斷，直接頂初次垮落，如圖3（a）。當(dāng)工作面推進(jìn)至135 m 時，基本頂出現(xiàn)初次垮落，距煤層頂板50 m處出現(xiàn)離層，如圖3（b）。當(dāng)工作面推進(jìn)至162.5 m時，發(fā)生周期性垮落，離層空間向上移動，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，離層空間逐漸向上發(fā)育，如圖3（c）～圖3（h）。當(dāng)工作面推進(jìn)到350 m 時，離層空間發(fā)育到宜君組下方。

3.2 裂隙發(fā)育規(guī)律

豎向裂隙發(fā)育規(guī)律如圖4。由圖4 可知，豎向裂隙高度的增長可分為2 個階段：線性式上升階段、臺階式上升階段。在工作面推進(jìn)距離在0～135 m 時，豎向裂隙呈現(xiàn)線性增長，在工作面推進(jìn)距離在135～350 m 時，豎向裂隙呈現(xiàn)“臺階式”上升，在工作面推進(jìn)到350 m 時，豎向裂隙發(fā)育高度為207.5 m，與前文中計算結(jié)果基本一致。

隨著工作面的開采，采空區(qū)面積逐漸擴(kuò)大，頂板離層裂隙不斷向前、向上移動，發(fā)育形態(tài)可用“梯形”圖[16-19]來表示。離層發(fā)育空間位置圖如圖5。

圖5 離層發(fā)育空間位置圖Fig.5 Spatial map of separation development

離層空間發(fā)育高度始終保持在工作面推進(jìn)距離的0.4～0.5 倍之間。離層橫向上的發(fā)展由巖層破碎角的圈定，在煤層開采中工作面一側(cè)的破碎角不斷發(fā)生變化，切眼一側(cè)的破碎角基本保持不變，在開采完成后兩側(cè)破碎角基本相同，其變化范圍在56°～62°。結(jié)合豎向裂隙的發(fā)育情況、鉆孔揭露巖層巖性及厚度可知，離層1～離層6 處于豎向裂隙發(fā)育區(qū)域內(nèi)，離層空間無法形成負(fù)壓空間，不具備形成離層積水的條件。離層7 位于豎向斷裂帶上方并且離層的上位巖體為礫巖、下位巖體為泥巖，泥巖類遇水侵蝕后，多迅速崩解成粒狀或泥狀，泥巖遇水泥化重新具備隔水的能力，該特征對阻隔上部含水層地下水下泄具有重要意義，可使因采動產(chǎn)生的導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё詣訌浐?，從而使隔水層在破壞后重新具備隔水能力，為離層積水創(chuàng)造了條件。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，離層空間內(nèi)的水越積越多，水壓逐漸加大，對周圍巖體有擠壓或張拉作用，當(dāng)水壓達(dá)到下位巖體最大承受能力時，發(fā)生破斷，離層水涌突風(fēng)險增大。

4 特厚煤層多個工作面依次開采離層發(fā)育規(guī)律

4.1 測線布置

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，以原始的地質(zhì)條件和巖層的賦存狀態(tài)和實(shí)際屬性為基礎(chǔ)[20]，模擬首采區(qū)內(nèi)1307、1305、1303 工作面依次開采過程中離層發(fā)育情況。在模擬中沿煤層走向、傾向方向上共布置6 排測線。在1307、1305、1303 工作面走向方向上分別距離煤層頂板235、245 m 位置處布置2 排測線，此時在傾向上距模型邊界分別為290、490、720 m。同理，在1307、1305、1303 傾向方向上分別距煤層頂板235、245 m 位置處布置2 排測線，走向上距模型邊界290 m。

4.2 數(shù)值結(jié)果

通過監(jiān)測模型中礫巖層、泥巖層的沉降變化，從而可以綜合確定各工作面推進(jìn)過程中礫巖與泥巖間出現(xiàn)的離層的變化情況：在1307、1305、1303 工作面推采結(jié)束時，礫巖層的最大下沉量分別為0.27、0.30、0.98 m，泥巖層的最大下沉量為0.29、0.74、1.12 m，由此可知在1307、1305、1303 工作面推進(jìn)中礫巖層和泥巖層之間出現(xiàn)0.02、0.44、0.04 m 的離層裂隙。在1307 工作面開采中，宜君組中的礫巖與安定組中的泥巖之間出現(xiàn)離層，這與理論計算，相似材料試驗(yàn)結(jié)果相符，隨著1305 工作面的開采礫巖與泥巖之間的離層高度逐漸增大，在1303 工作面的推進(jìn)過程中礫巖層下沉量突然增加，離層積水很有可能會發(fā)生涌突。

5 離層水涌突風(fēng)險評估

工作面采動過程中離層水發(fā)生涌突根本原因是離層水體水壓作用下沖破隔水層與導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ы油◤亩鴮?dǎo)致離層水涌突，離層水發(fā)生涌突影響因素示意圖如圖6。

圖6 離層水發(fā)生涌突影響因素示意圖Fig.6 Sketch map of factors influencing the occurrence of water inrush in the separation layer

通過計算H 值的大小，可對離層水的涌突大小進(jìn)行評價，計算公式為：

式中：H 為相對隔水層厚度，m；Ht為煤層頂板到含水層之間的距離，m；Hf為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度，m；Hs為離層水體最大影響高度，m。

當(dāng)H＞0 離層積水不會發(fā)生涌突；當(dāng)H≤0 時離層水涌突風(fēng)險較大。隨著離層積水量增大、水頭升高，對其周圍巖層形成擠壓或張拉作用，而離層下位完整巖層在自重及離層水作用下發(fā)生彎曲變形，從這一點(diǎn)來說，其受力狀態(tài)與采場底板巖層受底板承壓水體的力學(xué)作用類似，同時兩者涌突水通道所處的巖層結(jié)構(gòu)也相似。據(jù)此，可引入底板突水危險性評價中的經(jīng)驗(yàn)突水系數(shù)法來確定離層水在靜水壓下能破壞（擊穿）其下位完整巖層的極限厚度，計算公式為：

式中：H′為不發(fā)生涌突水的極限有效隔水層厚度，m；p 為水頭壓力，MPa；T0為臨界突水系數(shù)，參照《煤礦防治水細(xì)則》可取0.1 MPa/m。

根據(jù)首采區(qū)鉆孔揭露的巖層，可統(tǒng)計得到煤層頂板到宜君組之間的厚度變化，可確定Ht；招賢煤礦水位標(biāo)高約為+1 271.16 m（G1 孔），高出3 煤層底板約450 m，離層下位巖體承受的靜水壓力約為4.5 MPa，利用式（3）計算可得離層水影響范圍約為75 m，因此，Hs取75 m；在前文的計算中可確定招賢煤礦裂采比確定為21，可知Hf取210 m。通過式（2）可計算得到H 的大小來判別招賢煤礦首采區(qū)是否存在離層水涌突風(fēng)險，將計算所得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入surfer 中，對首采區(qū)離層水涌突風(fēng)險進(jìn)行評估，首采區(qū)涌突風(fēng)險評估圖如圖7。

圖7 首采區(qū)涌突風(fēng)險評估圖Fig.7 Risk assessment diagram of inrush in the first mining area

圖7 中，紅色符號表示計算結(jié)果大于0，說明該位置離層水涌突風(fēng)險較小。在1307 工作面推進(jìn)過程中沒有出現(xiàn)透水現(xiàn)象，分析其原因：①在1307 工作面開采結(jié)束后離層高度很小，形成離層積水量??；②相較于崔木煤礦，招賢煤礦隔水層中泥巖的含量大、煤層頂板距含水層距離遠(yuǎn)，即使積水離層下位巖體出現(xiàn)裂隙，安定組內(nèi)泥巖也會很快將裂隙彌合；③離層積水以水包的形式存在于上覆巖層中，在進(jìn)行疏放時鉆孔沒有碰及水包；④據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)資料q=0.000 31～0.037 96 L/（s·m），富水性弱，形成的離層積水量較小，不足以破壞隔水層與導(dǎo)水裂隙連通。雖然在1307 工作面推進(jìn)中沒有發(fā)生離層水涌突事故，隨著1305、1303 工作面的依次開采積水離層存在著涌突風(fēng)險，應(yīng)加強(qiáng)離層水涌突的防范。

6 結(jié) 論

1）通過對招賢煤礦水文地質(zhì)分析得出宜君組礫巖裂隙含水層水對工作面開采影響最大。

2）根據(jù)傳遞巖梁理論對覆巖離層層位進(jìn)行了預(yù)判，結(jié)合導(dǎo)水?dāng)嗔褞в嬎憬Y(jié)果分析得出積水離層位于宜君組下方。

3）通過相似材料模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)招賢煤礦在開采中導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度為207.5 m，與計算結(jié)果基本相符。在工作面推進(jìn)到350 m 時，宜君組下方出現(xiàn)了可積水離層空間。

4）采用數(shù)值模擬的方法對多個工作面依次開采中礫巖層、泥巖層的位移進(jìn)行了觀測，發(fā)現(xiàn)在1307工作面開采之間礫巖層與泥巖層間出現(xiàn)了明顯的離層，隨著1305、1303 工作面開采離層水涌突的風(fēng)險增大。

5）引入底板突水系數(shù)法對招賢煤礦離層水涌突風(fēng)險進(jìn)行了評估并對離層水涌突風(fēng)險較大區(qū)域進(jìn)行了劃分，為煤礦安全生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。