弱膠結(jié)覆巖離層發(fā)育規(guī)律及離層涌水機理研究

吳新慶 陳方明 吳禎婓

（1.西北礦業(yè)公司邵寨煤業(yè)，甘肅 平?jīng)?744400；2.山東元鴻勘測公司，山東 濟南 250000）

邵寨井田地處隴東黃土高原南部，井田面積20.17 km2，可采資源儲量0.93 億t。礦井可采煤層由上而下分別為2 煤、5 煤、8 煤。開采過程中上覆的白堊系洛河組含水層為中、粗粒砂巖，厚度大，對礦井開采威脅較大，是礦井主要水害防范對象。此外，根據(jù)礦井相鄰的崔木煤礦開采揭露可知，洛河組含水層易造成離層水害而威脅工作面開采安全，瞬時涌水量可達到1000 m3/h 以上，極易造成淹面等水災(zāi)事故。為此，邵寨煤礦開采過程中，進一步研究洛河組含水層造成的離層水害，并制定相應(yīng)的防治措施對保障礦井安全回采具有重要意義。

1 研究區(qū)煤層賦存形態(tài)分析

由邵寨煤礦建井地質(zhì)報告可知，中侏羅統(tǒng)延安組含煤三層，含煤系數(shù)20.20%。其中，主要可采煤層煤8，平均厚度7.61 m；次要可采煤層煤2，平均厚2.64 m；煤5 平均厚1.81 m。研究區(qū)5 煤層為邵寨煤礦待開采煤層，該層煤結(jié)構(gòu)簡單，變化規(guī)律明顯，厚度沿走向變化不大，為較穩(wěn)定煤層。由煤層采掘工程平面可知，該區(qū)前期勘探階段共69個鉆孔穿過5 煤層，在提取各鉆平面坐標后，通過Surfer 軟件繪制了煤層厚度等值線圖（圖1）。

圖1 煤礦5 煤厚度等值線圖

通過分析可知，研究區(qū)煤層展布規(guī)律明顯，中厚及厚煤層主要分布在井田西北、東北及東南位置。因煤層開采覆巖運動的影響，該煤層采動后存在導(dǎo)水裂隙帶溝通洛河組砂巖含水層的風險，因此本節(jié)將依據(jù)規(guī)程公式計算不同煤厚區(qū)域?qū)严稁У陌l(fā)育高度，并將其與離層發(fā)育位置對比分析，從而為將來大范圍開采5 煤層提供防治水依據(jù)。

2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征

由于邵寨煤礦目前處于建井階段，準確科學計算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度將是煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[1]。本文將以5 煤為研究對象結(jié)合周邊礦區(qū)實測數(shù)據(jù)綜合確定導(dǎo)水裂隙帶計算方法。由于采場頂板以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，依據(jù)《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)勘查評價標準》計算所得，5煤層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育范圍為25～46 m，此時導(dǎo)水裂隙帶遠遠未達到白堊系地層底界面，但是在綜采條件下，煤層采動導(dǎo)致的覆巖裂隙范圍遠大于規(guī)程公式計算值[2]。依據(jù)相鄰大佛寺煤礦和亭南煤礦開采數(shù)據(jù)，實測裂采比在16.02～22.7 之間。因此，在預(yù)測裂隙帶發(fā)育高度時，取最大值22.7，煤厚按實際煤層厚度取值，依此法計算導(dǎo)水裂隙帶最大高度，結(jié)果如圖2。

圖2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育等值線圖

由裂采比推算，開采5 煤層導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為64.92 m。在侏羅系煤系地層中，5 煤頂板距白堊系地層底界面平均距離160 m，取最小厚度時兩者間距60 m。因此，在未來3 年生產(chǎn)范圍內(nèi)，采場覆巖受采掘破壞產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶縱向延伸不到安定組上部良好隔水層更無法發(fā)育到白堊系砂巖含水層，邵寨煤礦礦井直接充水含水層為侏羅系延安組及直羅組含水層。但根據(jù)周邊煤礦的生產(chǎn)經(jīng)驗，隨著大量煤炭資源的采出，煤層頂板離層空間逐漸形成，當離層空間充滿上部洛河組砂巖水時，就存在離層水通過導(dǎo)水裂隙帶進入采空區(qū)的風險。

3 離層發(fā)育力學分析

由材料力學可知，當單一均質(zhì)梁發(fā)生彎曲變形時，與中性軸平行的各平面均會產(chǎn)生剪應(yīng)力。同樣的，對于組合巖梁來說，當其受力彎曲時，在不同巖梁接觸面上必然存在剪應(yīng)力。由于回采工作面上方的巖梁懸露，可將煤系地層中采場頂板各巖層視為受均布荷載的多層固支梁，如圖3。

圖3 離層發(fā)育模型

圖3 所示為兩力學強度較高的巖層夾持強度低的巖層。由此可知，在工作面推進過程中，當巖層接觸面上的剪應(yīng)力超過其應(yīng)力極限，即軟弱夾層上黏聚力和摩擦阻力達極限時，夾層接觸面即被剪斷。由于該過程符合庫倫剪破裂準則，因此可用如下公式判斷是否發(fā)育離層：

此時，層面上應(yīng)力狀態(tài)可通過應(yīng)力莫爾圓表示，結(jié)合庫倫準則繪制σ-τ坐標軸，如圖4。由巖體的離層發(fā)育極限平衡條件可知，當兩巖層間的正應(yīng)力、剪應(yīng)力組合關(guān)系與庫倫剪破裂近似線性函數(shù)曲線相切時，兩巖層接觸面即被剪斷。因此最大主應(yīng)力σ1與小主應(yīng)力間σ3應(yīng)滿足如下關(guān)系式：

圖4 σ - τ 坐標下的庫倫準則

整理后可獲得極限平衡狀態(tài)時σ1和σ3的關(guān)系式：

當離層極限平衡狀態(tài)的埋深為Hm，此處產(chǎn)生的水平正應(yīng)力與上覆巖體的重量存在如下關(guān)系：

將式（4）帶入式（3）整理，可得離層極限平衡狀態(tài)埋深Hm的表達式：

式中：γ為接觸面上覆巖體的重量；Hm為接觸面的埋深；μ為此處軟弱巖層的泊松比；λ為側(cè)壓系數(shù)；c為接觸面上的黏聚力；φ為接觸面的內(nèi)摩擦角。

因此，在分析研究區(qū)覆巖是否發(fā)育離層時，可將式（5）作為離層發(fā)育的判別公式，如果覆巖實際埋深大于公式計算值，則在兩巖層接觸面上發(fā)育離層。

4 離層突水機理分析

依據(jù)煤礦建井報告，安定組頂界面上覆宜君組與洛河組地層的平均密度約為2.60×103kg/m3，即容重γ為2.6×104N/m3。組內(nèi)各巖石飽和單軸抗壓強度：粉砂質(zhì)泥巖為26.9 MPa，中粒砂巖為24 MPa，含礫粗砂巖為20.7 MPa，細礫巖為20.2 MPa，取含礫粗砂巖20.7 MPa。內(nèi)聚力取值4.5 MPa（取4.5×106 Pa），內(nèi)摩擦角約為15°。由于安定組巖層以砂巖為主，泊松比μ為0.25，即根據(jù)公式（4），側(cè)壓系數(shù)λ為0.33。將上述各參數(shù)帶入式（5）計算極限埋深可知，巖體離層發(fā)育埋深為：

由803 鉆孔資料可知，該孔地面標高1206 m，5 煤頂板至白堊系底界面181 m，推算該處埋深1205 m。由于該巖層在埋深超過1026 m 時已經(jīng)發(fā)育離層，因此依據(jù)離層發(fā)育力學分析認為，受采動影響，如果安定組頂界面巖層存在可下沉空間，即在該處發(fā)育離層。

4.1 離層涌水過程

依據(jù)離層發(fā)育力學分析并結(jié)合邵寨煤礦地質(zhì)及水文地質(zhì)特征，現(xiàn)分析邵寨煤礦礦井離層水害形成機理并繪制離層形成突水機理圖，如圖5。

圖5 煤層頂板離層水突水機理示意圖

工作面自煤層開采后，煤層上覆巖層發(fā)生移動變形，導(dǎo)水裂隙帶逐漸形成并增多，且繼續(xù)向上發(fā)展。隨著采空區(qū)的不斷擴大，覆巖彎曲變形，但由于各層巖性不同，其變形程度有所差異，出現(xiàn)了離層，見圖5（a）離層的形成。

工作面繼續(xù)回采過程中導(dǎo)水裂隙帶穿過離層，煤層上覆含水層水量不大，以礦井正常涌水進入工作面。隨著工作面繼續(xù)推進，離層下部的泥巖逐漸封閉，形成類似的“再造隔水層”。離層空間具有可儲水功能，煤層上覆含水層水沿原生孔隙裂隙及導(dǎo)水裂隙帶下滲進入離層空間中，形成離層水體，見圖5（b）離層水的形成。

工作面繼續(xù)推進，離層空間不斷擴大，上覆含水層水體繼續(xù)下滲進入離層空間內(nèi)蓄積。當離層水體形成一定的規(guī)模，且儲水巖層不再能夠承受所擔負的各向壓力，同時伴隨著周期性來壓，在某一巖層薄弱區(qū)破裂，離層水體全部迅速涌出，沿著巖層中各原生孔隙裂隙及導(dǎo)水裂隙帶涌下，進入工作面，造成煤層頂板突水事故，見圖5（c）離層水突水過程。

離層突水的特點為瞬時水量大，總水量相對較小，且具有一定的周期性。在一次煤層頂板離層突水后，該離層會隨著工作面的繼續(xù)向前推進而逐漸閉合壓實，在工作面繼續(xù)推進的過程中，新的離層空間又可能會繼續(xù)向前向上形成發(fā)展，見圖5（d）周期離層的形成。

4.2 開采防治措施

由于煤層頂板延安組地層相變較為明顯，不同區(qū)段巖層結(jié)構(gòu)和巖性組合有所差異，使得離層形成與發(fā)展的時間、空間具有一定的不確定性[3]。加之不同區(qū)域洛河～宜君組含水層富水性差異大，對離層空間補給強度不同，造成離層充水量差異較大，離層水害影響程度不同。基于此，根據(jù)離層發(fā)育機理可將其總結(jié)為，離層空間形成→離層充水→離層破斷突水→離層閉合4 步周期性發(fā)育過程。

綜上所述，由于離層水在工作面見方、推采距離較大的情況下極易形成，通過布設(shè)井下鉆孔，在工作面第一、二次“見方”提前疏放離層積水，破壞離層結(jié)構(gòu)，可從根源上防治離層水害。

5 結(jié)論

1）通過材料力學假設(shè)，給出了多層巖梁接觸面離層發(fā)育條件，推導(dǎo)了離層發(fā)育極限埋深的判別條件，并計算了研究區(qū)離層發(fā)育埋深，認為研究區(qū)已經(jīng)具備離層水害形成的地質(zhì)背景條件。

2）結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)條件，離層發(fā)育機理可總結(jié)為離層空間形成→離層充水→離層破斷突水→離層閉合4 步周期性發(fā)育過程，并給出了相應(yīng)防治水措施。