济二矿覆岩离层水涌水机理与防治技术研究

贾 民 田 涛

(兖州煤业股份有限公司济宁二号矿，山东省济宁市，272072)

近年来，由于我国煤炭产量不断增加、煤矿开采深度的增大及多煤层叠加开采等原因，一种特殊的水害类型——覆岩离层水水害开始出现。覆岩离层水水害由于具有瞬时水量大、突水征兆不明显、危害大等特点而成为水害治理的难点，已逐步引起重视。

兖矿集团济宁二号矿在对工作面采空区疏放水期间，出现了采场覆岩离层水害，主要特点为采场导水裂隙带之上发育有较大规模离层，离层上方为含水层；工作面回采期间无突水现象，涌水量正常；相邻工作面开采对采空区疏放水过程中，前期涌水量正常，随采空区顶板的继续变形，涌水量突然增大。

1 工作面采空区异常出水经过

济宁二号煤矿113下05工作面为十一采区先期开采工作面，断层构造简单，采用长壁式综采放顶煤全部垮落采煤法，工作面平均涌水量10.5m3／h，未曾发生顶板淋水、突水现象。2007年7月相邻113下06工作面切眼及轨道巷道施工，至8月底共超前疏放113下05采空区积水约9.6万m3，与预计积水量相符。9月10日起113下06切眼及轨道巷道煤壁开始片帮，已停产4个半月的113下05采空区顶板岩层开始再次变形破裂，时常伴有岩层断裂声音，随后采空区积水发生多次补给量突增过程，采空区积水水位不断上升。从7月8日到12月25日，实际累计疏放采空区水46.6万m3，较采空区全积满水加上期间的动补给水量还多出约11.2万m3。由此推断，应有新的水源加入。

根据采区钻孔资料和采矿资料分析可知，113下05工作面范围内3下煤层平均厚度为4.92m，在3下煤层顶板以上49.73m处发育有黏土岩 (厚度为5.19m)，黏土岩之上为厚层细砂岩 (平均厚度38m，钻孔单位涌水量显示其富水性弱)。由于厚层细砂岩与其下黏土岩的力学差异性，煤层开采后在细砂岩-黏土岩界面处形成离层，同时由于细砂岩本身为含水层，离层形成后上部38m厚的细砂岩对离层进行补给，形成离层水。因先期的采空区疏水作用，冒落带压密、水头压差增大等，离层水进入采空区，造成疏放水量异常增大。

2 覆岩离层发育规律

针对113下05工作面顶板离层进行了离散元数值模拟，结合113下07工作面井下钻孔动态监测，分析确定离层发育位置及动态变化规律特征。

2.1 覆岩离层离散元数值模拟分析

基于113下05工作面基础地质资料，结合工作面开采实际情况，建立工作面3下煤层回采时离层发育规律数值模型，模型尺寸为330m×106m，其岩体力学参数指标见表1。

113下05工作面回采覆岩离层变化离散元模拟结果见图1。工作面开采22m时，直接顶垮落；开采49m时，直接顶泥岩随采随落，老顶中砂岩开始垮落触矸，后方采空区逐步压实；工作面推进到70m时，直接顶随采随落，老顶垮落触矸，后方采空区被压密，老顶上覆粉砂岩出现离层和竖向裂缝。

由113下05工作面数值模拟结果及分析可知，在3下煤层回采过程中，当工作面推进90m时，距煤层顶板约35m的中粗砂岩与下伏泥岩岩层界面出现离层，随着工作面的推进，在横向和竖向上不断发育，离层发育宽度及离层量均逐渐增大，至工作面推进至130m时，该层位离层量出现极值，随后该层位离层量将逐渐减小。

图1 113下05工作面回采覆岩离层变化离散元模拟结果

2.2 井下钻孔离层动态监测分析

在113下07工作面回风巷道，距切眼150m处的离层裂隙及两带施工电法监测系统钻孔。在钻孔中布置电极，采用并行电法进行数据采集，根据钻孔测线电阻率成像来监测顶板覆岩破坏变化规律。

113下07工作面开采顶板离层动态变化监测见图2。图2显示了开采中顶板离层及离层水的发育动态变化情况:工作面距孔口120m处 (距终孔水平距离约20m)电阻率分布情况可看作背景值情况，但由于此时钻孔离工作面较近，在距掘进工作面约60m范围存在超前影响裂隙；孔口附近岩体存在巷道围岩及钻孔施工破坏裂隙；工作面推进距孔口50m，此时工作面已有约50m的水平向采空区顶板变形破裂在探测范围内。电阻率较清楚显示采空区上方约50m高，顶界面终止到泥岩层的导水裂隙带；其上的中砂岩层存在离层裂隙，并开始形成积水；推到距孔口15m，先期的导水裂隙带发生压密，电阻率升高；其上的先期离层裂隙压密，电阻率升高；向工作面推进方向开始产生新的离层，并形成积水；推过孔口7m，导水裂隙带上方先期形成的离层水被挤压，涌入到导水裂隙带内，变为高阻，其下的导水裂隙带内电阻率变低。

表1 工作面覆岩岩体工程地质性质参数指标

图2 113下07工作面开采顶板离层动态变化监测图

上述现场监测结果与离层动态变化规律的数值模拟结果是基本一致的。

3 离层水形成条件分析与验证

3.1 可积水离层发育位置

离层注浆减沉方面的研究成果表明，若采动离层空间位于煤层开采导水裂隙带或与导水裂隙带相连通时，该离层空间不具备离层注浆减沉的效应。即离层注浆减沉仅能用于封闭的离层空间，即可进行离层注浆的层位应满足:

式中:H——注浆层位至煤层的距离，m；

H导——煤层开采导水裂隙带高度，m；

H压——离层充填带下位岩层竖向水力压裂裂缝长度，m；

H保——保护层厚度，m。

同理，发育于采场冒裂带中的离层空间，或者位于冒裂带之上但与下部导水裂隙带相通的离层空间都不具备相对封闭性，进入离层内的水体将直接下渗至下部导水裂隙带或采空区，无法积聚形成离层水体。可积水离层发育位置见图3，可积水离层的位置应满足:

图3 可积水离层发育位置示意图

3.2 离层补给水源

由于煤层开采在覆岩内形成相对封闭的离层后，若离层周边有含水层存在且具有补给通道时，如离层沿含水层层面发育、或者离层发育的层位存在地表露头，则可接受地表水沿层面的补给等，相对封闭的离层空间内将持续接受补给而集聚形成离层积水。反之，若煤层开采发育有相对封闭离层空间后，但周围不存在补给水源，则不能形成离层积水，而将形成真空离层。

3.3 离层空间持续时间

依据前文覆岩离层数值模拟结果，结合已有离层勘查与模拟研究成果可知，煤层采后覆岩中发育的离层不是固定不变的，其离层发育层位是随着煤层不同开采进度而部分变化的，离层规模 (包括离层沿工作面推进方向的长度与离层竖向最大离层量)和离层形态是随着工作面的推进而不断变化的。

对于每一层位离层而言，均存在一个由开始发育离层、离层规模不断发展、离层发育相对稳定直至最终离层闭合的这样一个动态发育过程。即随着工作面推进，离层开始发育；随着工作面采空范围继续扩大，该离层沿工作面推进方向持续增大，竖向离层量逐渐增大；当达到该离层上位岩层的极限破断距时，离层规模发育到最大；随后离层上位岩层板发生突然断裂，整体下沉，位于其下方的离层规模迅速减小甚至闭合。由此，可将该离层由起始发育至闭合消失的这一时间段定义为离层的持续时间。

显然，离层上位岩层越坚硬、结构越完整、其破断距越大时，下位离层发育的持续时间越长，由此该离层接受周围补给水源的补给时间也就越长，形成的离层积水水量也就越大，一旦发生离层水涌突，其危害性也就越大。

3.4 113下05工作面离层水形成条件的验证

基于前面113下05工作面覆岩离层理论判别及数值模拟结果，可知在4.59m泥岩组上方的中细砂岩组底部易于发育形成离层。由济宁二号煤矿3下煤层导水裂隙带高度预计公式可得，113下05工作面的导水裂隙带发育高度约为55.29m。由此可知，113下05工作面3下煤层回采形成的导水裂隙带顶端发育于4.59m的泥岩组中 (泥岩组底界面距3下煤层顶55.02m)，发育于中细砂岩组与泥岩组交界面处的离层空间处于3下煤层导水裂隙带的上方，位于整体移动带中。该离层空间下部仍有厚4.32m的泥岩未受导水裂隙带波及，具备形成离层积水所需的封闭离层这一基本条件。

综合113下05工作面数值模拟及离层判别结果表明，在113下05工作面3下煤层上覆岩层中的厚层砂岩层底部易于发育离层，且其底部均为泥岩或粉砂岩，富水性和透水性均较弱，具备形成离层水所需的相对封闭的离层裂隙；同时厚层砂岩层本身为弱富水含水层，能对离层裂隙形成充水补给，即3下煤层冒裂带上方砂岩水为其下离层的补给水源，这已由113下06工作面切眼处的水样水质分析结果得到验证 (2007年9月20日，水样为煤层顶板砂岩水)。综上，113下05工作面顶板覆岩具备形成离层水的基本条件。

4 静水压涌突水通道形成力学机理

以上分析表明，随着工作面向前推进，采空区范围逐渐增大，采场覆岩离层规模不断增大，若周围存在补给水源 (如含水层水或地表水等)，覆岩离层将不断接受补给，而离层空间内积水量的不断增大，造成离层积水的静水压力逐渐增大，该静水压力必然施加到离层下位岩层上。

同时，离层下位岩层内的微裂隙在静水压力作用下将产生扩张、冲刷等作用，使得离层下位岩层中的有效隔水厚度逐渐减小，增大离层水涌入井下的可能性。

根据固支梁理论，若将采场覆岩中积水离层的下位岩层简化为梁，由于离层的存在，固支梁上不承受上覆岩层的重量，但由于离层水的存在，固支梁上将承受离层积水造成的静水压力 (可简化为均布荷载q0)，固支梁力学分析见图4。

图4 固支梁力学分析示意图

在梁的两端，即边缘支撑处的弯矩最大:

式中:Mxmax——边缘支撑处的最大弯矩；

L——离层沿工作面推进方向的悬空长度。

考虑到岩石的抗拉强度远小于其抗剪和抗压强度，当岩梁 (离层下位岩层)下部的拉应力达到其抗拉强度时即发生破坏，即:

取q＝q0＋γ·h，得离层水的静水压力:

求得此时对应的固支梁最小厚度:

式中:γ——离层下位岩层的重度；

h——离层下位岩层的厚度；

σt——离层下位岩层的抗拉强度；

q0——离层内积水的静水压力；

hmin——离层下位岩层在离层水静水压力作用下能保持稳定的最小厚度。

由此可知，若积水离层下位岩层的实际厚度h大于计算所得的hmin，即使存在离层水的静水压作用，离层下位岩层仍能有效阻隔离层水进入井下；反之，若积水离层下位岩层实际厚度h小于hmin，则在离层水的静水压作用下，离层水将突破其下位岩层进入井下，造成井下涌水量的增大。

据济宁二号煤矿十一采区北部3下煤层顶板砂岩水位长观孔GP1-3孔实际观测资料可知，113下05工作面顶板离层水发生涌突水时的最大水压约为3.55MPa(观测水头高度为354.57m)，根据式 (6)计算得，在该静水压力作用下能保持稳定的离层下位岩层最小厚度hmin为23.67m。

在113下05工作面顶板38m厚砂岩底面发育离层水，离层水下方存在约4.32m厚度的泥岩层未受导水裂隙带波及，即离层水下位岩层的实际厚度h为4.32m。

此时，计算所得的hmin远大于离层下位岩层实际厚度h，在离层水的静水压力作用下，离层水必然突破该泥岩层，与下部导水裂隙带沟通，从而对采空区进行充水，造成矿井涌水量增大。

图5 离层水导流孔、离层水截流孔布置示意图

5 覆岩离层水防治技术

根据前文离层水形成的基本条件分析可知，针对离层的相对封闭性，可以通过破坏离层的封闭性来避免离层水的形成；针对离层存在补给水源，可以通过超前疏放离层补给水源，拦截离层水补给途径来避免覆岩离层水的形成。

上述两种防止离层水形成的途径都可以通过施工井下疏放水钻孔来实现，依据其目的不同，可将井下疏放水孔分成离层水导流孔和离层水截流孔，见图5。

(1)离层水导流孔，指向开采工作面内，终孔于离层发育带或离层积水区。该类井下钻孔的施工目的是为预先形成钻孔组沟通预计离层水发育层位与采场，破坏离层的相对封闭性，在覆岩离层水对下部采场形成充水影响之前，对采场顶板水或覆岩离层水按计划进行超前疏放，减小或避免回采期间对下部采场的充水影响。

(2)离层水截流孔，指向开采工作面外、终孔于离层水补给途径中。该类钻孔的施工目的是针对离层水的补给来源进行中途拦截，使离层获得的水源补给量大大减小，从而难以形成较大规模的离层积水，明显降低离层水的危险性。

离层水导流孔和离层水截流孔须在受离层水害威胁工作面回采之前就进行施工，并进行疏放水作业。

为检验前述防治技术的有效性，对该矿113下07工作面施工离层水导流孔和离层水截流孔，这两类钻孔对113下06和113下05工作面采空区水进行超前疏放，共计疏放水41.3万m3。随后进行的113下07工作面开采实现了安全无水作业，表明了施工离层水导流孔和离层水截流孔这一离层水防治技术的有效性。

[1]李忠凯，胡杰.工作面顶板动态离层水治理研究[J].中国煤田地质，2007 (2)

[2]李伟，李文平等.整体结构顶板特大动力突水水害查治方法[M].徐州:中国矿业大学出版社，2008

[3]朱卫兵，王晓振等.覆岩离层区积水引发的采场突水机制研究[J].岩石力学与工程学报，2009(2)

[4]王争鸣，王经明.新集矿区推覆体下采煤离层水的成因与防治[J].能源技术与管理，2008(3)

[5]李吴波，吴鹏等.缓倾斜地层顶板离层水对综采工作面的危害及防治探讨[J].中国煤田地质，2009(10)

[6]赵德深，陈雄等.采动覆岩离层的数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2005(S1)

[7]滕永海，阎振斌.采动过程中覆岩离层发育规律的研究[J].煤炭学报，1999(1)

[8]苏仲杰，于广明等.覆岩离层变形力学机理数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2003(8)

[9]涂敏，刘泽功.综放开采顶板离层裂隙变化研究[J].煤炭科学技术，2004 (4)

[10]赵庆彪.带压开采防治水技术保障体系建设[J].中国煤炭，2010(1)