渑池煤田顶板水害研究

林刘军 许江涛

（1.河南工程技术学校，河南 焦作 454000；2.河南工业和信息化职业学院，河南 焦作 454000）

随着我国经济发展的速度加快，国家经济对煤炭量的需求日益增大，许多煤矿被迫向更深部的煤层加速开采。顶板防治水日益凸显出来，本文研究的主要目的是探讨煤矿顶板突水的机理及规律，这对指导渑池煤田煤矿开采具有十分重要的意义。

1 渑池煤田的顶板来水水源

1.1 大气降水与地表水

大气降水的下渗是地下水最重要的补给水源，也是矿井充水的主要因素之一。渑池煤田处于豫西地区，四季降水量差异较大，而降水量多少，持续时间长短，直接控制着地下水的补给量，也影响着矿井涌水量的动态变化。

1.2 老窑水

研究区内，矿区浅部都有许多废弃的老窑，由于老窑数量多，开采年代久远，没有较详细的资料记录，其位置、深度不易准确确定，有的老窑积水补给缺乏，是一坑死水。

1.3 渑池煤田二组煤顶板砂岩裂隙水

1.3.1 大占砂岩

二1煤层顶板的大占砂岩裂隙比较发育，含有裂隙水，是煤层顶板直接含水层，采掘活动使媒层顶板岩层变形，破坏，形成冒落带，裂隙带和弯曲变形带，煤层顶板的山西组砂岩裂隙水甚至石河子组砂岩裂隙水以顶板水的形式进入矿井，就渑池煤田来讲，顶板砂岩裂隙虽然比较发育，但多为方解石脉充填，且砂岩含水层均被泥岩河砂质泥岩所分隔，补给河储存条件差，富水性弱，因此，煤层顶板砂岩水常常表现为顶板滴水，淋水，很少形成突水，通常，只有在断层带附近或裂隙密集带，顶板砂岩水会形成突水，但突水量一般不会很大[1]。

1.3.2 砂锅窑砂岩

渑池煤田的砂锅窑砂岩存在于大占砂岩之上，一般为灰色、灰绿色，为细-中粗粒长石石英砂岩，泥质胶结，含少量的暗色矿物及铁质结核，有时相变为砂质泥岩，厚度0—43.55M，平均9M。

2 导水带

2.1 裂隙与采动裂隙导水通道

山西组大占砂岩和香炭砂岩裂隙含水层是二1煤层顶板直接充水层，裂隙发育，含有裂隙水，富水性不均匀，裂隙发育地段富水性强，裂隙水可沿裂隙流入矿井。各数情况下，顶板砂岩裂隙水主要以顶板淋水，滴水形式进入矿井，偶尔会形成突水。

采煤活动使煤层顶板产生冒落断裂，将上覆岩层破坏，形成冒落带，裂隙带和弯曲带，不仅为煤层直接顶板山西组砂岩裂隙水进入矿井提供了通道，同时，也为二叠系石盒子组砂岩裂隙水进入矿井提供了通道，若采煤引起的导水裂隙发展到地面地表水体时，必然会引起矿井涌水量增加。

2.2 人为通道

钻孔除了沟通直接含水层与其它含水层的联系之外,也可能造成有关含水层通过钻孔直接向矿井充水的作用,封闭不良的钻孔还可能沟通老窑形成老空水。实际上煤矿开采以后,自然流场一般情况下必然会发生变化,如果能在封孔时充分的考虑到矿床开采以后自然流场的变化情况,则封孔将可能使矿井充水条件向有利的方面转化。豫西矿区的钻孔打的大都比较早，质量不够合格，有的可以定为次钻孔，充填的时候填料和施工不符合要求。在观音堂矿封闭钻孔记录中就存在着大量封闭不良钻孔。

3 渑池煤田顶板突水机理研究

沈继方等提出的“三带”机理,对煤矿研究顶板突水较为适用。既开采矿体在地下形成采空区，采空区上方顶板岩层失去支撑和平衡后，会产生变形，以致破坏，形成“三带”,这就会给上部含水层或地表水体等提供人为充水途径，因此，对埋藏在强含水层或地表水体之下的矿藏，要评价顶板的稳定性，预测它可能破坏的最大高度。

3.1 太原组灰岩突水机理研究

以石豪矿井为例，顶板突水共有11次，从记录的情况看，太原组灰岩涌水量一般很小，这与太原组灰岩岩溶发育向深部减弱有关。突水时多为断层切割太原组灰岩，造成底板裂隙水突出。二1煤到太原组灰岩之间大部分都为泥岩，在石壕泥岩的厚度为14米，在观音堂为20.29M。太原组灰岩的厚度为8M左右，就厚度来说有可能发生直接突水，但是要太原组的含水性不丰富，且很不均一，这样就造成了突水的可能性不同。即在薄弱带可能发生突水[2-3]。

3.2 顶板砂岩突水机理的研究

在研究的区域，顶板砂岩裂隙较多，但多为方解石脉充填，且砂岩含水层均被泥岩河砂质泥岩所分隔，补给和储存条件差，富水性弱，因此，煤层顶板砂岩水常常表现为顶板滴水，淋水，另外山西组大占砂岩为二1煤层直接顶板，是矿井直接充水含水层，突水时多为小断层和大断裂切割，但因其含水性较弱，一般只会造成滴水，淋水现象，发生突水的可能性不大。但如有断层存在时，可使顶板砂岩和强的含水层对接，如太原组灰岩，奥陶系灰岩，顶板砂岩作为间接通道也可能发生大的突水。

4 突水的预测

4.1 煤层顶板突水危险性预测

开采空间的存在及松散冒落岩块的被压缩，是产生导水裂隙带的根本原因，开采空间越高，冒落带也越高，冒落岩块的压缩量也就越多，其上面所产生的导水裂隙带也就随之越高。导水裂隙带的高度也和冒落一样与顶板岩性密切相关。脆性顶板中的导水裂隙带高度要大于塑性顶板中的高度。根据煤炭科学院北京开采研究所的研究，导水裂隙带的最大高度可用下式计算[4]：

H裂=M/CM+m2+d

式中c,d为与顶板岩性有关的系数。

对于坚硬顶板：H 裂=100ΣM/（1.2ΣM+2.0）+-8.9

对于中硬顶板：H 裂=100ΣM/（1.6ΣM+3.6）+-5.6

对于软弱顶板：H 裂=100ΣM/（3.1ΣM+5.0）+-4.0

对于风化顶板：H 裂=100ΣM/（5.0ΣM+8.0）+-3.0

根据研究区的实际情况，用下列公式：

H 裂=100ΣM/（3.1ΣM+5.0）+4.0M

开采煤层的厚度一般为4M。可算H裂为26.99

但是对于豫西煤田应该用下列公式计算导水裂隙带的最大高度

H 裂=100ΣM/（3.3n+3.8）+5.1

式中：n为煤分层层数。五号井取1，八号井取2，可计算如下结果

五号井：H 裂＝46.37

八号井：H裂=50.9

4.2 顶板水害的预防

凡是位于冒落带及导水裂隙带最大高度以内的含水层或地表水体以及导水裂隙带最大高度能达到其底板的含水层或地表水体,都必须通过导水裂隙带及冒落垂直带直接向矿井充水；反之,当含水层或地表的底板至被开采的顶板的最短距离大于导水裂隙带的最大高度,而又无导水裂隙或导水陷落柱等导水通道存在时,则该含水层或地表的水体中的水将不会直接进入矿井。因此,在预测在某一含水层或地表水体采煤是否安全时,可用下式来判别：

H安≥H裂+H保

式中：H安——安全采煤所需的顶板隔水层厚度（m）

H裂——导水裂隙带的最大厚度（m）

H保——导水裂隙带以上的隔水保护层厚度（m）

H保的具体数值应视隔水层的性质而定，对于坚硬的或半坚硬的基岩隔水层一般为10-20M；对于塑性粘土层则只须5-10M，因为豫西地区开采的都是大煤，上面为比较坚硬的大占砂岩，再考虑的安全因素，在次取20米，根据前面的计算结果H安大约47米。

5 结论

影响突水的条件是复杂多样的，在具体的生产中，要综合考虑断层、构造、煤厚等别的因素，如果条件发生变化，那么这个数值也应该随着变化，要以安全为前提，适当增加防水煤住的厚度。在豫西渑池煤田生产时，顶板保护煤柱应大于47米。

［1］吴新民,彭应熙,主编.观音堂煤矿矿井地质报告[Z].1989.

［2］义马矿务局工程勘察公司.甘豪煤矿:水平采区补勘地质报告[Z].1995,12.

［3］王恩营,潘国营.小浪底水库蓄水后新安矿区充水条件演变及预测[R].2001,8.

［4］王长文,慕松利.焦作矿区突水特点及矿井综合防治[J].焦作工学院报,1999(7).