長安旬東煤礦頂板分散空腔離層判別及離層位置相似模擬分析

王 剛，尚建衛(wèi)

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000； 2.陜西旬邑縣旬東煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 711300)

隨著煤層開采覆巖不均勻下沉、破壞，在巖層層間形成離層空間，離層空間積水后所形成的離層水體，直接威脅到采場安全。據(jù)調(diào)查，自2016年至今，長安旬東煤礦采掘工作面頻繁遭受空腔離層水患，尤其是頂板分散空腔離層水患嚴(yán)重干擾采掘工作面的正常生產(chǎn)，頂板空腔離層水患涌水、突水的瞬時水量大，嚴(yán)重時會導(dǎo)致相關(guān)工作面被淹停采，甚至造成了人員傷亡，給礦井安全開采構(gòu)成了極大威脅。因此，要充分認(rèn)識礦區(qū)內(nèi)的離層水形成條件并進(jìn)行離層判別驗證分析，為制定防治措施做好準(zhǔn)備[1-2]。

目前，國內(nèi)關(guān)于井下離層水發(fā)育的形態(tài)和規(guī)律方面的研究較多，離層判別及驗證方法也逐漸形成一定的規(guī)范，比如，根據(jù)離層涌水判別離層水是否存在，根據(jù)涌水情況判別離層水的水位變化階段[3]，還有研究對井下離層水涌突水原因也總結(jié)為“動力突水”、“靜水壓涌突水”等[4-6]。在這些研究的基礎(chǔ)上，本文對長安煤礦頂板分散空腔型離層位置進(jìn)行了相似模擬實驗，并針對長安旬東煤礦4113工作面得出了探放水相關(guān)建議。

1 地質(zhì)特征概況

長安旬東煤礦隸屬于陜西旬邑縣旬東煤業(yè)有限責(zé)任公司，位于咸陽市旬邑縣潘川溝內(nèi)，距旬邑縣東南20 km，礦井核定生產(chǎn)能力達(dá)到240萬t/a，井下有受采掘破壞或影響的孔隙裂隙發(fā)育以及溶隙含水層補(bǔ)給影響。

(1)第四系全新統(tǒng)沖積含水層。分布在第界河的支流潘川溝附近溝谷中，呈條帶狀。上部以黏土、砂質(zhì)黏土、深灰色粉砂及黏粒，下部發(fā)育有砂卵礫石層以及煤層中富含水流砂。地下水位埋深0.30～4.70 m，含水層厚度0.40～7.20 m，平均厚2.30 m。水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Mg型，礦化度0.465～0.663 g/L，總硬度295.57～407.90 mg/L，pH值7.6～8.3，水溫9～12 ℃。

(2)第四系上更新統(tǒng)潛水含水層。第四系上更新統(tǒng)為黃土、砂黃土及古土壤組成，主要特征為潛水含水層發(fā)育，孔隙裂隙發(fā)育。于梁、塬邊出露，泉流量在0.023 L/s左右。據(jù)周邊調(diào)查，泉水水質(zhì)類型為HCO3- Mg·Ca，礦化度0.46 g/L，pH值7.9，水溫15 ℃。

(3)新近系隔水層。新近系厚度在20 m以上，巖層性質(zhì)為相對單一的紅土，上覆松散巖類，下部為基巖含水層，為紅土隔水層。

(4)白堊系下統(tǒng)洛河宜君砂礫含水巖組。洛河宜君組主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖，砂礫巖，根據(jù)巖性、分選性、巖石膠結(jié)程度及煤層孔隙裂隙發(fā)育，局部含水，為相對隔水層。礦區(qū)東部厚度大于200 m，最厚約260.00 m；礦區(qū)西部小于100 m，局部地段缺失。據(jù)地質(zhì)報告，4-2號水文孔抽水試驗結(jié)果：潛水含水層厚度128.22 m，單位涌水量0.011 6 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.013 045 m/d，水位標(biāo)高-1 346.04 m。特征為含水層但富水性較弱，其水質(zhì)類型為Cl·HCO3-Na、HCO3-Ca·Mg型，礦化度0.557～0.999 g/L，總硬度124.20～296.14 mg/L，pH值7.6～8.4，水溫12 ℃。

(5)侏羅系中統(tǒng)安定組。區(qū)內(nèi)無出露。侏羅系中統(tǒng)安定組由紫紅色、灰褐色泥巖組成，特征為相對隔水層，其分布特征為：一采區(qū)北部厚度大于20 m，最后可達(dá)38.33 m；一采區(qū)南部和西部局部缺失。

(6)侏羅系中統(tǒng)直羅組和延安組，下統(tǒng)富縣組及三疊系上統(tǒng)胡家村組在礦區(qū)內(nèi)無出露。

2 長安旬東煤礦離層判別及驗證

統(tǒng)計長安旬東煤礦工作面覆巖離層地質(zhì)勘探測量以往數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)覆巖、煤層中形成較多分散離層，尤其在較厚煤層巖層內(nèi)部，這些分散離層的層位伴隨工作面回采上下浮動。通過長期對長安旬東煤礦工作面分散離層的導(dǎo)含水情況分析，初步判斷長安旬東煤礦工作面受到分散空腔離層危害最多，這種分散的空腔離層間隔空間大、孔隙裂隙發(fā)育，透水性強(qiáng)、長期持續(xù)富水。

(1)頂?shù)装鍑鷰r特征。以4113工作面為例，其頂板第1層即偽頂為泥巖，頂板第2層(直接頂)為砂泥巖及砂巖，頂板第3層(基本頂)為細(xì)粒砂巖及中粒砂巖，頂板第1，第2，第3層巖層的原始厚度最大值為：h1+h2+h3=18.88 m。頂?shù)装鍑鷰r特征詳見表1。

表1 4113工作面頂?shù)装鍑鷰r特征Tab.1 Surrounding rock characteristics of roof and floor of 4113 working face

(2)長安旬東煤礦離層層位判別。旬東煤礦頂板分散空腔離層主要集中在洛河組及其底部，尤其多形成在泥巖界面之間，具體形成原因是由于泥巖遇水后軟化，水泥巖干擾到開采煤層，直接封閉了開采煤層的導(dǎo)水裂隙帶，經(jīng)過一定時間重新膠結(jié)后使其具有了隔水性能，這樣導(dǎo)水閉合、隔水恢復(fù)的過程，極易形成離層空腔積水。洛河組及其底界部可積水離層發(fā)育如圖1所示。

圖1 洛河組及其底界部可積水離層發(fā)育Fig.1 Luohe formation and its bottom boundary have developed water-separable layers

(3)長安旬東煤礦離層驗證。按長安旬東礦采煤工作面采厚8.6 m計算，依據(jù)《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標(biāo)準(zhǔn)》，裂采比在14.500～15.625，選用最大值15.625，計算冒裂帶發(fā)育高度約為134.400 m。長安旬東煤礦頂板分散空腔離層上覆硬質(zhì)厚巖層，與下部巖層間變形不一致，位變形變均不協(xié)調(diào)，同時該離層與上覆巖層保持了一定的懸空距，導(dǎo)致下部離層空間具有一定的持續(xù)性[7-8]。“空腔型”離層力學(xué)機(jī)理：上覆巖層之間的相對錯動引起的應(yīng)力(張應(yīng)力、拉應(yīng)力、剪應(yīng)力)大于巖層面之間的強(qiáng)度，使上下巖層形成較大剛度差，容易導(dǎo)致變形不協(xié)調(diào)(W上

qn，1>qn+1，1

(1)

式中，qn，1為第n層巖層對第1層巖層的負(fù)載值；qn+1，1為第n+1層巖層對第1層巖層的負(fù)載值；W為巖層彈性模量。

把采場上覆的若干巖層近似認(rèn)為疊加組合而成，并認(rèn)為各巖層上的負(fù)載均勻分布，則長安旬東煤礦采面頂板上下位巖層滿足式(1)，從而在物理力學(xué)結(jié)構(gòu)上滿足了分散空腔離層發(fā)育的基本條件?！翱涨恍汀彪x層量及離層空間相對較大，煤層開采后，采空區(qū)未能完全被冒裂帶巖石完全充填，提供了離層空間，即有：

M-∑(Ki-1)hi>0

(2)

式中，M為開采煤層總厚度；hi為煤層采后冒裂帶內(nèi)第i層巖層的原始厚度；Ki為碎脹系數(shù)。

其中，Ki取1.4，∑hi=h直接頂+h基本頂+h偽頂≈19 m，即：M>0.4∑hi，該計算結(jié)果驗證了長安旬東煤礦工作面分散空腔離層的存在。另外，長安旬東煤礦在探放水鉆孔鉆至該類離層時，有明顯的吸風(fēng)、負(fù)壓、掉鉆等現(xiàn)象，側(cè)面證明了空腔的形成。

3 相似模擬分析

以長安旬東煤礦4113工作面為原型進(jìn)行離層位置相似模擬分析，實際煤層走向長約1 713 m，傾斜長約180 m，采深范圍在146～192 m，煤層平均厚度接近10 m，傾角平均3.1°。

(1)相似模擬條件。假設(shè)應(yīng)力條件為理想狀態(tài)，設(shè)計模型尺寸為長×寬×高=300 cm×20 cm×(80～95) cm，模型巖層按照井下工作面綜合鉆孔柱狀圖紙，以1∶200比例設(shè)計[9]。

(2)相似模擬結(jié)果。模擬采厚4.3 cm(實際采厚8.6 m)開始推進(jìn)，距模型兩側(cè)邊界30 cm處開切眼開挖，以推進(jìn)到20、40、100、240 cm等位置為例，模擬分析頂板分散空腔離層位置，按理想應(yīng)力狀態(tài)實驗具體結(jié)果見表2。

表2 4113工作面頂板及上覆巖離層位置相似模擬實驗結(jié)果Tab.2 Similar simulation experiment results of position of roof and overlying strata of 4113 working face

圖2 模擬工作面推進(jìn)過程中頂板垮落分析Fig.2 Analysis of roof collapse during advancing process of simulated working face

圖3 模擬工作面推進(jìn)到240 cm時覆巖特征全景Fig.3 Panoramic view of overlying rock features whensimulated working face advanced to 240 cm

4 長安旬東煤礦離層水疏放治理建議

(1)分析離層涌水突水因素，可采取對離層水進(jìn)行鉆孔疏放即采用地面直通式導(dǎo)流孔或井下施工仰孔探放水，將水排放至采空區(qū)，實現(xiàn)靠近頂板分散空腔離層水的疏放。

(2)在地面布設(shè)的直通式導(dǎo)流孔疏放洛河組底部離層空間的積水方式，受限于礦區(qū)煤層覆巖的整體性結(jié)構(gòu)，隨著采掘工作面的持續(xù)推進(jìn)，導(dǎo)流孔頻繁被沖壞甚至堵死，導(dǎo)致導(dǎo)流不暢通，暗伏水患。另外，礦區(qū)內(nèi)地表為梁塬溝壑交錯的山區(qū)地貌，交通與施工條件差，不建議地面直通式鉆孔施工。

(3)分析判斷頂板分散空腔離層的形成規(guī)律，大多在工作面來壓期間頂板分散空腔離層密集，因此井下探放水鉆孔布置時間應(yīng)與來壓周期一致。綜采工作面周期來壓有大小周期之分。根據(jù)礦井對綜采工作面的來壓觀測，礦井一采區(qū)4111、4113、4117、4119等工作面，小周期來壓步距在30 m之內(nèi)，一般持續(xù)6～12 h，而大周期來壓達(dá)到90 m之外，來壓持續(xù)在1～3 d。通過調(diào)查周邊其他煤礦的疏放鉆孔的布置，間距在200 m，鉆孔的疏放半徑100 m。因此，在布置探放鉆孔時，根據(jù)周期來壓的步距選擇200 m的間距可滿足離層水的防治與疏放半徑要求，設(shè)計鉆孔間距200 m。工作面切眼200 m向外間隔200 m布置1個斜向工作面的鉆孔，對煤層頂板砂巖進(jìn)行超前疏放和離層水防治，該類鉆孔進(jìn)至煤層導(dǎo)水裂隙帶以上30 m，到底洛河組巖層中，保證工作面回采后探放水孔仍能將洛河組水疏導(dǎo)至采空區(qū)中，從而避免頂板分散空腔離層帶過多。

(4)裂隙孔隙對頂板分散空腔離層的形成影響很大?！翱涨恍汀彪x層災(zāi)害裂隙易發(fā)育于采厚大的煤層，在實際工作中要對透水性較弱并周邊有可補(bǔ)給水源的巨厚煤層重點(diǎn)關(guān)注，提前疏放。