济宁三号煤矿采场顶板离层水对生产的影响

2016-11-11李新凤白锦琳

采矿与岩层控制工程学报 2016年5期

关键词：静水压离层突水

李新凤，白锦琳

(山东省煤田地质局物探测量队，山东泰安 271021)

济宁三号煤矿采场顶板离层水对生产的影响

李新凤，白锦琳

(山东省煤田地质局物探测量队，山东泰安 271021)

详细介绍了研究区地质与水文地质条件，对济宁三号煤矿3上煤顶板离层水形成条件及对生产的影响进行了研究；提出了采用导流孔和截流孔来防治离层水突水。结果表明：井田部分区域3上煤导水裂缝带上部岩组由厚层中细砂岩及泥岩交叉互层构成，3上煤顶板砂岩富水性较好，具备离层水形成条件，且以静水压涌突水为主。井田西区3上煤导水裂缝带顶板泥岩分布的大部分区域泥岩厚度小于安全临界厚度17.9m，开采受离层水影响，今后开采西区3煤时应注意离层水害的影响。

顶板；离层水；导流孔；截流孔；静水压突水

Influence of Stope Roof Separation Water to Production of Jining Three Coal Mine

随着煤矿开采深度的增加和采矿地质条件的日趋复杂，一种新的水害形式——离层水随之出现。所谓离层，即煤层开采后，上覆岩层下沉过程中，上下层状岩层挠曲不同步形成的离层空间。离层空间中积存的地下水即为离层水[1-3]。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，已逐渐被引起重视[2]。

济宁三号煤矿位于济东煤田东南部，距济宁市区14km，行政区划属济宁市任城区石桥镇。矿井采用竖井分区开拓，自北而南分为东西两区。东区为陆区，西区为湖区。矿井分2个生产水平，第一水平-518m，主要开采3上和3下煤层；第二水平-880m，主要开采3上，3下及16上，17煤层。矿井目前生产水平-518m，采用综采及综采放顶煤采煤工艺，垮落法管理顶板。2007年7月至12月，济宁二号煤矿在113下05工作面老空水疏放过程中，除煤层上覆裂缝带砂岩含水层对老空水的补给作用外，存在新的水源进入113下05工作面采空区。据初步分析，新水源为113下05工作面上覆岩层中离层聚集砂岩水形成的离层水。济宁三号煤矿北邻济宁二号煤矿，与济宁二号煤矿水文地质条件相似，有形成离层水的条件。济宁三号煤矿3上，3下煤平均间距35.41m，开采3下煤层时，其导水裂缝带大部分在3上煤导水裂缝带内，本文主要研究3上煤的离层水形成条件及影响。

1　研究区地质与水文地质条件

井田内对矿井生产有影响的充水含水层自上而下主要有：第四系砂砾孔隙含水层，上侏罗统砂砾岩孔隙裂隙含水层，山西组3上煤顶部砂岩裂隙含水层、3下煤顶底板砂岩裂隙含水层，太原组第三、十下层石灰岩岩溶裂隙含水层，奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。3煤顶底部(3上煤顶部、3下煤顶底板)砂岩裂隙含水层是开采3煤的直接充水含水层。

2　采场顶板离层类型

由采场顶板离层水形成过程可知，离层水体是由采场顶板离层(裂隙或空间)积水而成，即采场顶板离层(裂隙或空间)是离层水存在的先决条件；因而采场顶板离层的发育、分布规律决定了离层水的形成及其涌突水的危险性。依据离层持续稳定时间、离层量及离层导水富水性可将离层分为两种类型：“裂隙型”离层和“空腔型”离层。“空腔型”离层具有离层空间大、维持稳定时间长、富水性及透水性较强等特点，因而由“空腔型”离层积水而成的离层水危害较大。而“裂隙型”离层则由于离层量和离层空间较小、维持时间短、富水性和透水性较弱，使得积水而成的离层水体积较小，发生离层水涌突水的危害也较小；而且“裂隙型”离层的发育受岩层间层理面粘结强度影响较大，具有一定的不确定性。为此，离层水分析中涉及的离层均指“空腔型”离层。

3　离层水形成条件及影响因素

3.1离层水形成条件

采场顶板“空腔型”离层易发育于具有软硬互层结构地层中，且主要发育于厚层坚硬岩层底部。形成离层水的离层空间发育于采场导水裂缝带之上，分布于弯曲下沉带下部，且不与下部的裂隙带相导通(即在离层空间下部分布有一定厚度、较为完整的相对隔水层)。在形成相对“封闭的”离层后，离层空间还需接受周边含水层的补给才可积水而形成离层水，否则，离层空间将形成“真空离层”。

济宁三号煤矿3上煤导水裂缝带顶部泥岩组上方的中细砂岩组底部易于发育形成离层水。

3.2离层水影响因素

结合全区开展的“大学习、大调研、大改进”，区人大各专门委员会结合专业特点，就助力民营企业发展、推进美丽乡村建设、加快城市生态提升、做强文化软实力等开展专题调研，并分别形成了调研报告，提出了富有建设性和针对性的建议意见，被区委、区政府主要领导批示，各有关部门抓紧落实。区十七届人大常委会第十七次会议作出《关于加强检察建议工作的决议》和《关于加强检察机关公益诉讼工作的决议》，为了起草好这两个决议，会前区人大法制委员会专门到区检察院开展调研，听取区检察院关于规范检察建议工作和关于公益诉讼工作情况的报告，并在常委会会议上对两个决议（草案）作了专门说明。

影响离层积水的主要因素有: 离层持续时间和充水含水层的富水性等[1]。

对于每一层位离层而言，在层面上均存在一个由起始、发展、稳定至闭合的动态过程。煤层采动过后上覆岩层中发育的离层量越大，持续时间越长，离层裂隙接受周边含水层的补给时间也就越长，离层积水量也就越大；而离层持续的时间主要由离层上位岩层的岩性、结构、力学性质及煤层开采情况决定。

在软弱覆岩条件下，采场覆岩由于移动与变形速度较快，开采影响很快到达地表，不易形成持续稳定的离层空间。离层上位岩层厚度越大，抗张抗拉强度越高，离层持续时间越长，越有利于离层形成。当采场覆岩中离层上位岩层一定时，离层的持续时间与煤层开采速度成反比，即工作面推进速度越快，越不利于离层积水；当采场覆岩具备离层水形成条件时，工作面面长越大、推进距离越大、煤厚越大，离层发育空间越大。

离层上位岩层含水性越好、水压越高，离层空间积水量越大。

3.33上煤离层水形成条件

济宁三号煤矿3上煤采后导水裂缝带高度为0.62～69.76m，平均19.80m。井田部分区域3上煤导水裂缝带上部岩组由厚层中细砂岩及泥岩交叉互层构成，中细砂与泥岩交界面极易形成离层裂隙(图1)，且离层裂隙维持时间较长。同时，3上煤顶板砂岩本身属弱～中等富水含水层，为发育于弯曲下沉带中的离层裂隙提供了补给水源，即离层裂隙充水后可形成离层积水带(离层水体)。在采动、上覆岩层移动、疏放水等作用下，离层水体有突破其下部相对隔水岩层而沿裂隙下泄至工作面的可能。

图1　3上煤顶板柱状

4　离层水涌突水类型

4.1离层水“动力突水”

离层水“动力突水”具有瞬时水量大、伴有大量的碎石涌入等特点，其冲击动力作用强烈。发生“动力突水”的主要诱导因素为离层上位岩层达到极限悬空距破断时的冲击动力荷载，冲击动力作用的强弱是离层水能否发生“动力突水”的控制因素。冲击动力作用的强弱主要由其覆岩及自身的物理力学性质决定，当离层上位岩层厚度巨大、完整性好、强度高、极限垮落距大时，离层上位岩层破断时产生的冲击动力荷载也将异常强烈，对应的动力突破带也较大，也就越易于发生离层水“动力突水”[4]。

4.2离层水静水压涌突水

离层水静水压涌突水具有可积水离层发育深度大、离层积水量和水头压力大等特点。控制因素为离层水的静水压和离层下位隔水层厚度。在采场顶板离层水形成之后，由于离层上位岩层的下沉变形及周边含水层的补给，离层水将具有一定的水头压力。离层水将对其下位岩层施加一定的荷载和静水压作用；在加载和静水压的楔入或张拉作用下，使得离层下位完整岩层发育垂向裂隙丧失其原阻隔水性，引发离层涌突水。

3上煤的埋深较大，其顶板砂岩的初始水头较高，因而3上煤工作面回采后若其顶板能形成离层水，其涌突水机理将以静水压涌突水为主。

5　离层水对生产的影响

由图2可知，井田内大部分区域在3上煤回采后导水裂缝带顶部及其上方发育有一定厚度的泥岩或粉砂岩，阻碍裂缝带以上砂岩含水层与下部采场的水力联系，即下部采场煤层回采对裂缝带上方砂岩含水层的疏放影响较小，因而裂缝带上方砂岩含水层仍能保持较高的水头压力。

图2　3上煤导水裂缝带顶板岩性分布

由离层静水压突水机理可知，离层下位隔水层的受力状态与采场底板岩层受底板承压水的力学作用是相似的。因此，离层积水能否突出，可借用底板突水危险性评价中底板突水系数公式(T0=P/h)判断[5]。当离层下位隔水层厚度h大于临界厚度( 取突水系数T0=0.1MPa/m) 时，离层水不会下泄，是安全的。反之，当离层下位隔水层厚度小于或等于临界厚度时，便会导致离层水下泄，导致水害事故发生。

目前3煤顶板砂岩水位标高平均-388.78m，而3上煤裂缝带上方砂岩含水层底板标高平均为-567.87m，即裂缝带上方砂岩含水层水压(P)为1.79MPa，该水压可作为3上煤工作面顶板离层水发生涌突水时离层水的水压力。3上煤顶板离层水静水压作用所能突破完整岩层的极限厚度为：

hmin=P/T0=1.79/0.1=17.9(m)

若离层下方泥岩层厚度小于17.9m，在静水压作用下顶板离层水可突破离层下方完整泥岩层，与下部采动裂缝带导通，对采空区进行充水。

由图2可知，井田西区3上煤导水裂缝带顶板泥岩分布的大部分区域泥岩厚度小于17.9m，受离层水影响。井田东区大部分区域3上煤导水裂缝带顶板泥岩厚度较大，最大达50m以上，能有效阻隔离层水的影响。今后开采西区3煤时应注意离层水害的影响。

6　离层水突水防治措施[3-7]

(1)以离层水导流孔疏放采场顶板离层水若采场导水裂缝带上方存在离层水威胁，可采用顶板离层水导流孔对煤层采后顶板发育的离层水进行疏放(导流孔内需下入厚壁花管)；而考虑到采场顶板离层及离层水发育滞后于工作面回采，离层水导流孔应迎向工作面推进方向布置，指向采空区。但若某一煤层采场顶板事先已发育(形成)离层水(由其他煤层回采产生)，此时离层水导流孔沿工作面推进方向布置。

(2)以离层水截流孔拦截离层水补给来源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。

7　结　论

(1)通过对研究区地质与水文地质条件的分析，研究了济宁三号煤矿3上煤顶板离层水形成条件及影响因素。井田部分区域3上煤导水裂缝带上部岩组由厚层中细砂岩及泥岩交叉互层构成，3上煤顶板砂岩富水性较好，具备离层水形成条件。

(2)通过对地质条件的分析得出，3上煤工作面回采后若其顶板能形成离层水，其涌突水机理将以静水压涌突水为主。

(3)借用底板突水危险性评价中底板突水系数公式计算了3上煤层顶板离层下位隔水层的安全临界厚度( 取突水系数T0=0.1MPa/m)为17.9m。井田西区3上煤导水裂缝带顶板泥岩分布的大部分区域泥岩厚度小于17.9m，受离层水影响。井田东区大部分区域3上煤导水裂缝带顶板泥岩厚度较大，能有效阻隔离层水的影响。今后开采西区3煤时应注意离层水害的影响。

(4)提出了采用导流孔和截流孔来防治离层水突水，为煤矿的安全、高效开采提供了技术保障。

[1]曹丁涛.离层静水压突水及其防治[J].水文地质工程地质，2013，40(2)：9-12.[2]杨吉平，李学华.工作面顶板离层水积水量预测及探放方案[J].湖南科技大学学报，2012，27(3)：1-4.

[3]贾民，田涛.济二矿覆岩离层水涌水机理与防治技术研究[J].中国煤炭，2013，39(1)：110-115.

[4]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，2007，19(2)：35-37.

[5]乔伟，李文平，李小琴.采场顶板离层水“静水压涌突水”机理及防治[J].采矿与安全工程学报，2011，28(1)：96-104.

[6]李小琴.坚硬覆岩下重复采动离层水涌突机理研究[D].徐州：中国矿业大学，2011.

[7]王经明，喻道慧.煤层顶板次生离层水害成因的模拟研究[J].岩土工程学报，2010，32(2):231-236.

[责任编辑：施红霞]

2016-01-11

李新凤(1986-)，女，山东青州人，工程师，硕士，主要从事矿产地质勘查、地质报告编制、电法勘探等工作。

TD745

1006-6225(2016)05-0098-03