导水裂隙带内充水含水层对煤矿生产的影响研究

2019-07-30李新凤吴豪杰

山东煤炭科技 2019年7期

李新凤吴豪杰

（山东省煤田地质局物探测量队，山东济南 250100）

裂隙水水害水源为砂岩、砾岩等裂隙含水层水。这种水害发生在开采北方二叠纪山西组煤层和侏罗纪煤层以及开采南方侏罗纪的煤层中，这些煤层顶部常有厚层砂岩和砾岩[1]。

煤炭科学研究院刘天泉院士等提出了覆岩破坏学说，将煤层开采后上覆岩层分为“三带”，由下至上依次为冒落带、裂隙带和弯曲沉降带[2]。弯曲沉降带是阻水带，冒落带和裂隙带统称导水裂隙带，若这“两带”的高度之和大于等于开采煤层与其顶板含水层的距离，则顶板含水层中的水就会通过顶板裂隙涌入采掘工作面或巷道[3-5]。济宁三号煤矿位于济东煤田东南部。井田主要含煤地层为石炭—二叠系的太原组和山西组，平均总厚度274.17m。矿井主要开采煤层为3上、3下、16上及17煤层，目前济宁三号煤矿正在开采的煤层为3上、3下煤层，其余煤层尚未开采。本文主要对这两层煤开采时导水裂隙带内充水含水层对煤矿生产的影响进行研究。

1 研究区水文地质特征

济宁三号井田为华北型石炭-二叠系全隐蔽式井田，煤系地层以奥陶系为基底，沉积了本溪组、太原组、山西组及石盒子组，其上被侏罗系和第四系所覆盖。井田内主要含水层有第四系、上侏罗统砂砾岩、山西组3砂、太原组三灰、十下灰和奥灰。对3煤开采有影响的含水层为3煤顶底部砂岩裂隙含水层和上侏罗统砂砾岩孔隙裂隙含水层。一采区探放水孔揭露上侏罗统底界岩层时均出现涌水现象，说明上侏罗统底部砂岩具有较好的富水性。单位涌水量0.0001～0.2145L/s·m，富水性弱～中等，基本为静储量水。3上煤层顶部砂岩为浅灰～灰绿色细—中粒砂岩以及粗砂岩，3上煤层以上50m范围内砂岩厚1.20～56.45m，平均15.44m，单位涌水量 0.0000178～0.1000L/s·m，富水性弱～中等。3下煤层顶板砂岩为灰白～灰绿色中-粗粒砂岩和细砂岩，厚0.55～56.66m，平均23.86m，单位涌水量0.000032～0.1000L/s·m，富水性总体上弱，但局部地段富水性相对较好。

2 3上、3下煤层顶板导水裂隙带内的充水含水层

根据生产矿井采煤后顶板活动的观测资料，煤层回采后顶板垮落形成的冒落带，最大值是煤层采厚的3～5倍，冒落带形成后，上部岩层继续下沉、破裂，相继形成导水裂隙带。

2.1 3上、3下煤层顶板导水裂隙带

济宁三号煤矿于2001年委托山东科技大学对1301工作面采用压水试验进行采动裂隙发育规律的探测，得出的主要结论：采用综采放顶煤开采，导水裂隙带最大高度80.88m，裂高采高比10.9～12.4，总结出济三矿井3煤层开采导水裂隙带高度预计公式为：

式中：

Hli—导水裂隙带最大高度，m；

M—采厚，m。

济宁三号煤矿于2013年委托山东科技大学对回采183上04工作面时导水裂隙带进行探测，实测导水裂隙带高度41.57m，导高是采厚的13.9倍，即：

本次采用公式（2）对开采十八采区3上、3下煤层时导水裂隙带高度进行了预计，采用公式（1）对开采剩余采区3上、3下煤层时导水裂隙带高度进行了预计。通过计算，3上煤层导水裂隙带高度9.30～69.76m，平均21.62m，3下煤层导水裂隙带高度8.68～93.96m，平均53.29m。

2.2 “两带”高度内的充水含水层

3上煤层可采厚度0.70～5.80m，平均1.72m，导水裂隙带高度平均21.62m。3下煤层可采厚度0.70～9.69m，平均4.93m，导水裂隙带高度平均53.29m。

3上煤层顶部砂岩为浅灰～灰绿色细—中粒砂岩以及粗砂岩，煤层以上50m范围内砂岩厚 1.20～56.45m，平均 15.44m。3下煤层顶板砂岩为灰白～灰绿色中—粗粒砂岩和细砂岩，厚0.55～56.66m，平均23.86m。矿井开采时，导水裂隙带范围内的顶板砂岩水将会全部进入矿井。3上煤距上侏罗统底界18.45～252.57m，平均121.29m，3上煤顶板导水裂隙带顶距上侏罗统底界-4.94～241.66m，平均99.63m。矿井东南部一、三采区以及东北部十二采区（图1），由于3煤与上侏罗统底界距离多小于或接近采后导水裂隙带高度，上侏罗统下含水段水沿导水裂隙进入矿井。3下煤距上侏罗统底界22.76～313.81m，平均150.45m，3下煤顶板导水裂隙带顶距上侏罗统底界-50.35～292.73m，平均96.99m。在一、三、十二采区以及二采区东部、五采区南部接近煤层露头处（图2），剩余煤柱不足20m，特别是一、三采区的大部，导水裂隙带波及上侏罗统，这些采区开采将受上侏罗统水的威胁。所以开采3煤层时“两带”高度内的充水含水层包括3煤层顶板砂岩和上侏罗统砂砾岩。另外，3下煤距离3上煤层平均34.86m，西区为下行开采，即先开采3上煤，后开采3下煤。3上煤层老空水在3下煤层导水裂隙带内，3下煤开采时将受3上煤顶板老空水影响，因此西区开采3下煤时应将3上煤采空区积水疏干。

3 “两带”高度内充水含水层对生产的影响

（1）3煤顶部砂岩局部突水量大，影响安全生产

3煤顶部砂岩为开采上组煤直接充水含水层之一，通常以淋水的形式通过采动裂隙直接涌入采掘工作面及回采工作面的采空区，为矿井正常涌水的来源。但3煤顶部砂岩富水性不均一，在断裂破碎带、构造裂隙发育区等部位富水性较好，巷道掘进揭露以及回采工作面老顶大面积突然垮落时，在这些部位容易发生较大水量的涌水甚至突水。由于老顶垮落具有周期性，因此，伴随老顶垮落发生的突水也具有周期性的特征，即涌水峰值呈现出随工作面推进重复出现，给安全生产造成一定的影响。如六采区6301回采工作面生产中发生了6次较大的突水，最大涌水量527.13m3/h（2001年11月30日），水从采空区涌出，同时伴有工作面大面积淋水，涌水历时41d，对生产影响较大。

（2）上侏罗统砂砾岩涌水量大，疏干困难

矿井东部、东南部，由于3煤与上侏罗统底界距离多小于采后导水裂隙带高度，上侏罗统下含水段水沿导水裂隙进入矿井，增加了矿井涌水量，甚至发生多次较大涌水量的突水。其突水特点是：涌水持续时间长，峰值高，衰减慢，给开采造成严重的影响。如一采区均位于井田东南部，开采的3下煤层距离上侏罗统底界23.77～68.64m，平均53.96m。3下煤层厚3.17～7.42m，平均5.80m。采用综采放顶煤开采，导水裂隙带最大高度80.88m。而3下煤层与侏罗统底界的距离最大68.64m，因此，上侏罗统下部砂砾岩含水段便成为矿井直接充水含水层，造成回采工作面多次大量突水。一采区工作面生产中共发生涌水量65m3/h以上的突水18次，单个工作面最多突水6次（1301工作面），最大突水量533.84m3/h（1301工作面，2000年11月14日），最长突水期50d（1306工作面），严重地影响了工作面的安全生产。