白垩系巨厚砂岩下覆岩离层水涌突机理研究

徐建国，赵东良，贺江辉

（1.兖州煤业鄂尔多斯能化有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221006）

目前，煤炭仍然是我国第一大能源，在我国一次能源消费中占比约为60%[1]，在大量的煤矿开采实践过程中，由于开采厚度以及开采深度的增加，一种新型的顶板水害类型—离层水害越来越常见。位于鄂尔多斯盆地北部的石拉乌素矿具有大采高、大采深的特点，由于覆岩岩性的差异，采动期间各岩层下沉速率并不完全一致，岩层间将产生拉张应力，由于岩层间的抗拉强度较弱，因此在拉张应力的作用下产生离层空间[2]。在尚未被导水断裂带贯穿的离层是封闭的，称为可积水离层，接受离层上下位含水岩层的水源补给形成离层积水，一旦离层失稳破坏，与导水断裂带贯通，离层积水将沿着导水断裂带迅速下泄到采空区，形成离层突水。石拉乌素矿白垩系地层沉积了以洛河组为主的各种粒级的砂岩、含砾粗粒砂岩夹砂质泥岩，平均厚度262.46 m，在垂向上与其下部安定组泥岩形成“上硬下软”的结构，工作面回采期间具有形成离层的可能性。石拉乌素矿106A 工作面为本矿南翼首采面，工作面走向长1 100 m，倾向宽290 m，煤层厚度9.5～11.0 m，煤层埋深 660 m。在开采过程中，工作面推进距离切眼550 m 时发生异常涌水事件，最大涌水量达921.4 m3/h，通过对此次异常突水的特征分析，初步判定为采动覆岩离层突水。此前石拉乌素矿北翼已采工作面及邻近营盘壕、葫芦素煤矿开采过程中尚未发生此类异常突水的案例，106A 工作面此次大型突水记录在邻近相似开采条件的矿井中首次出现，因此有必要对此次离层孕灾机理进行深度剖析，以期为接下来工作面开采的离层水防治工作提供依据，避免类似突水事件再次发生。

1 异常突水过程

顶板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[3]。石拉乌素矿106A 工作面在2018 年1 月7 日，工作面推进距离550 m 时发生异常突水，工作面涌水量突增至645.94 m3/h，较前1 d 增大72.67%，之后3 d 涌水量持续增大，并于 2018 年 1 月 10 日增至峰值 921.4 m3/h，后开始回落，1 月20 日跌至436 m3/h，之后虽有回升但幅度不大，以 2017 年 12 月 24 日—2018 年 1 月 6 日及2018 年 1 月 11 日—2018 年 3 月 2 日工作面涌水量为参考，取400～450 m3/h 为异常涌水采段的正常涌水量范围，可认为此次异常涌水终止于1 月20 日。本次异常涌水持续14 d，在此期间由于矿井排水能力充足、排水设施安装到位，积水很快被排空而未出现安全事故。106A 工作面回采期间工作面涌水量与洛河组水位对应变化情况如图1。

图1 106A 工作面回采期间涌水量、洛河组水位变化情况Fig.1 Change of water inflow and Luohe formation water level during mining in the 106A mining face

此次异常突水特征符合离层水突水特征。由图1 可知：106A 工作面采动期间，洛河组水位缓慢下降，说明在106A 工作面的开采过程中，有洛河组水以渗漏的方式下泄到采空区中。2018 年1 月7 日—1 月20 日异常突水期间，洛河组水位下降速度有明显增加的趋势，可以断定，洛河组砂岩裂隙水为此次离层突水的补给水源。

2 导水断裂带高度之上离层发育位置判别

2.1 覆岩导水断裂带发育高度

为监测石拉乌素矿首采面开采期间煤层顶板导水断裂带及覆岩离层动态发育过程，在采前于石拉乌素矿北翼首采工作面2-2上201 工作面中心设计、施工了光纤监测孔 SKY3 孔，2-2上201 工作面，东西宽330 m，南北长825.8 m，煤层埋深662.6～693.7 m，煤厚 4.4～6.5 m，平均煤厚约 5.4 m。光纤监测钻孔距离106A 工作面中心约3.0 km。SKY3 钻孔所监测的数据如图2。

图2 光纤监测钻孔SKY3 监测数据Fig.2 The data of optical fiber monitoring borehole SKY3

由图2 可以看出：光纤在埋深 570.02～585 m 的范围内的应变值为0，可能性最大的情况为该范围内的光纤已经被拉断；在埋深 522.86～570.02 m 的范围内表现为正应变，即光纤发生了拉应变，且应变值相对较大；光纤埋深522.86 m 处为光纤发生拉应变与压应变的分界点；根据采动覆岩应力分布特征，认为导水断裂带内岩层属于拉伸破坏，导水断裂带之上的岩层仅发生弹性变形、以压缩变形为主，即底部大的拉伸应变所在范围为导水断裂带范围，拉应变与压应变的分界点即为导水断裂带顶界[4]；由此可以认为导水断裂带已经发育至埋深522.86 m 处。

除此之外，在埋深 172.44～245.91 m 的范围内也出现了拉应变，但该范围内拉应变的应变量相对较小，推断为该范围发育有离层所致。根据SKY3 孔揭露地层分布情况可知埋深174.32 m 处为两岩层接触面，该接触面上、下岩层分别为厚142.82 m 的中砂岩与厚43.53 m 的细砂岩，由于该接触面上下岩层厚度差异较大，上部巨厚中砂岩变形量会小于下部细砂岩的变形量，理论上进一步说明此处发育有离层空间。

综上，通过对光纤监测数据分析可知，导水断裂带顶界已发育至埋深522.86 m 处。由钻孔信息可知SKY3 孔处揭露煤层顶板埋深为 669.24 m、煤厚5.96 m，计算得导水断裂带最大发育高度为146.38 m，裂采比为24.56，此裂采比对于石拉乌素矿各工作面开采过程中的防治水工作具有指导意义。

根据此实测裂采比，可计算出106A 工作面导水断裂带高度范围为 233.3～270.2 m。

2.2 覆岩离层位置判别

2.2.1 传统离层判别方法及其局限性

传统的覆岩离层发育位置的判别方法是根据系统的解析计算判别离层的发育位置，是基于组合梁原理提出的，把在计算范围内。能够发生同步弯曲变形的岩层称为一组组合梁[2,5-6]。在煤矿开采过程中，覆岩岩层在相互作用下发生弯曲下沉、变形破坏，而传统的离层发育位置判别方法只考虑了计算范围内的岩层相互作用的影响，未考虑整体上覆岩范围内所有岩层的相互作用，因此判别结果与实际情况必定有偏差。

2.2.2 改进后的离层位置判别方法

针对传统方法未考虑覆岩内所有岩层的相互作用的这一不足之处，改进的离层位置判别方法要解决2 个问题：如何将覆岩内所有岩层的相互作用都考虑进去；判断哪些岩层可以同步弯曲、下沉从而可以被划分为1 个组合梁，以便进行离层位置的确定。根据这些需要解决的问题，通过对岩梁的曲率进行计算、对比，从局部到整体来实现。具体方法如下：单独计算覆岩内各岩梁仅在自重条件下岩梁中点处的曲率CIi，然后将相邻岩梁的曲率进行对比，将具有“上部岩梁曲率比下部岩梁曲率大”的特征的相邻岩梁合并为一个组合梁，并计算这些组合梁仅在自重条件下的曲率，将单独的岩梁与组合梁的曲率重新按照CIIi进行编排，并再一次将具有“上部岩梁（组）曲率比下部岩梁（组）曲率大”的特征的相邻岩梁（组）合并为1 个组合梁，并计算其曲率……按照这种合并方法逐级进行合并，直到最后无法合并为止。最后1 级里的岩梁组合状态才是最符合实际的岩梁组合状态，并认为最后1 级里出现“上部组合梁（组）曲率比下部组合梁（组）曲率小”的特征的相邻组合梁之间存在离层。将这种改进的离层位置判别方法称为逐级对比合并法。

2.2.3 相关计算公式推导

由n 层岩层组成的组合梁弯矩与曲率的关系：

式中：i（i=1，2，…，n）为组合梁中各岩层由下往上的序号；（Mn）i为组合梁弯矩；Ei、Ii分别为各岩层的弹性模量（MPa）、截面惯性矩（m4）。

由于同一个组合梁中各岩层协调变形，则有：

由以上可知要计算岩梁的曲率需计算其所受弯矩大小，均布荷载作用下固支梁模型弯矩分布特征如图3。

图3 均布荷载作用下固支梁模型弯矩分布特征Fig.3 Moment distribution characteristics of clamped-clamped beam model under uniform load

均布荷载作用下固支梁中点处弯矩大小为：

式中：（qn）i为由n 层岩层组成的组合梁中第1层岩层所受荷载，MPa；b、h 分别为岩梁宽度，m；l 为岩梁跨距，m。

由式（2）可知，将组合梁中最底层（第1 层）岩层作为计算对象即可。因此可由组合梁理论用下式计算组合梁中最底层岩层所受荷载：

式中：h1、h1、…、hn为各岩层的厚度，m；ρ1、ρ2、…、ρn为各岩层的密度，t/m3。

由式（1）～式（4）得由 n 层岩层组成的组合梁曲率计算公式：

岩层跨距越大，下沉效果越明显，所以应选取1个较大的悬空跨距，为了便于计算，通常取最底层（第1 层）岩层的极限破断距作为岩层跨距进行计算。当n=1 时，组合梁就变成1 个单个的岩梁，此时式（5）仍然是适用的。

2.3 逐级对比合并法判别离层位置

根据106A 工作面突水位置前方70 m 处K55钻孔所揭露的地层为例，运用逐级对比合并法判别106A 工作面采动覆岩导水断裂带高度之上离层发育位置。221上106A 工作面导水断裂带高度之上离层分布见表1。

表1 106A 工作面导水断裂带高度之上离层分布Table 1 Bed separation distribution of 106A mining face above the height of the water flowing fractured zone

导水断裂带顶界面与压力拱之下的范围内共有9 层岩层，对于n 层岩层组，破断顺序是由下往上，最底层（第1 层）岩层最先发生破断，假设第1 层岩层破断距为（ln）1|max，其计算公式如下：

式中：h1、σ1分别为第 1 层岩层厚度（m）、抗拉强度（MPa）；（qn）1为第 1 层岩层所受荷载，MPa。

由式（3）计算得（qn）1=（q4）1=1.1 MPa，求得（ln）1|max=37.4 m，为方便计算，取 l=37 m 作为逐级对比合并法中的岩层跨距进行计算。

2.4 离层位置判别结果

计算结果显示，白垩系洛河组巨厚砂岩底界面及安定组内部发育有离层，根据矿井水文地质资料，白垩系下统志丹群岩性为各种粒级的砂岩、含砾粗粒砂岩夹砂质泥岩，含水层厚度86.47～423.34 m，平均为 262.46 m，其单位涌水量 q=0.139～0.201 L/（s·m），含水层的富水性中等，渗透系数K=0.115 m/d。当白垩系洛河组巨厚砂岩底界面离层形成后，由于其下部为厚8.11 m 砂质泥岩，为相对隔水层，因此此离层为可积水离层空腔，洛河组砂岩裂隙水含水层中的水可较快地向离层空腔进行补给，形成离层积水，离层距离导高顶界面间保护层厚度约为75.7 m，具有离层突水的可能性。根据K55 钻孔揭露的地层岩层及实验室测得的岩样的物理力学性质，进行106A 工作面煤层开采覆岩变形破的坏数值模拟也显示洛河组底部发育有离层空间（图4），模型沿走向长800 m，沿倾向宽10 m，模型高度为660 m。模型的四周各边界施加水平约束，即四周边界的水平位移为0，模型的底部边界固定，模型的顶部为自由边界。模型的最上岩层埋深为15 m，重力加速度取10 m/s2，由模型顶界面埋深可得，模型顶部自重应力为 0.3 MPa。

图4 洛河组底部离层模拟结果Fig.4 Numerical modeling for separation layer beneath Luohe formation

3 离层水涌突机理研究

3.1 离层区积水载荷传递作用机理

据钻孔资料显示，221上106A 工作面覆岩洛河组底界面处砂岩裂隙含水层水压为3.0 MPa，由于安定组顶界面具有分布连续的具有较好隔水性的砂质泥岩，因此洛河组承压水可通过洛河组与安定组接触面并作用在安定组岩层之上。

煤层开采过程中，由于覆岩下沉的不一致，当洛河组与安定组接触面形成离层时，由于真空作用，洛河组承压水将在自身水压以及离层空腔吸力的作用下向离层空腔内进行补给，但由于不能及时将离层空腔充满，离层将会处于1 个真空状态，下位岩体会受到1 个向上的吸力，且此时将不再受到洛河组水压。

当离层充满水或者由于上位岩体的下沉变形使得离层空腔充满水时，离层积水起到传递洛河组水压的作用，以致离层的下位岩体将重新受到洛河组承压水的压力。由于静水压力导致的离层下位岩体破坏而导致的离层积水涌入采场的离层突水模式称之为静水压突水模式[7]。

3.2 极限隔水层厚度的确定

离层在充满水的情况下，离层下位岩层将承受含水层水压的影响，离层下位完整岩层在将在自重及离层水作用下发生弯曲变形，其受力状态与采场底板岩层受底板承压水体的力学作用类似。据此，可引入底板突水危险性评价中的经验突水系数法[8]来确定离层水在静水压下能破坏其下位完整岩层的极限厚度：

式中：h、hj分别为有效隔水层厚度和不发生涌突水的极限有效隔水层厚度，m；Ts、T0分别为突水系数和临界突水系数；p 为水头压力，MPa。

不同于底板突水危险性评价中的经验突水系数法只考虑承压水压的作用，覆岩顶板岩层同时受到自重及水压的作用力，从而发生弯曲变形，因此对上式进行改进：

式中：hi、ρi分别为离层下位各有效隔水岩层的厚度、密度。

为了便于计算，ρ 取覆岩平均密度 2.4 t/m3，则：

洛河组在底界离层产生的水压约为3 MPa，按照经验突水系数法取临界突水系数0.06 MPa/m 计算[9]，需要的极限有效隔水层厚度为83 m，大于106A工作面采动期间导水断裂带至洛河组底界面的残余保护层厚度75.7 m。因此可得出结论，由于洛河组水压作用的参与，使得导水断裂带以上的隔水层遭到破坏，并与导水断裂带贯通，导致了此次离层突水。

4 离层水防治措施

1）控制采高。由本次离层突水机理可知，由于洛河组水压的存在，导水裂缝带距洛河组底部需要至少83 m 有效隔水层，以防止离层发生静水压突水涌入采场，可通过控制采高，从而降低导水断裂带发育高度，满足极限有效隔水层厚度。以106A 工作面为例，采高降至9 m 时，有效隔水层厚度可增加至98.6 m，采高降至8 m 时，有效隔水层厚度可增加至123.2 m。在采高≤8 m 时，有利于煤矿安全开采。

2）根据钻探资料，106A 工作面在采前对导水断裂带高度以内的含水层进行了超前探放水工作，并未对洛河组含水层进行探放水。在煤矿采动过程中，施工直通式导流孔[10]至洛河组砂岩底部，离层形成并开始积水时，由于直通式导流孔与离层空间导通，离层内积水随即顺导流孔下泄到采空区，离层无法充满水，从而无法传递洛河组水压，离层下位岩层得到保护。

5 结 论

1）利用逐级对比合并法判别覆岩离层发育位置，与数值模拟结果基本吻合，对于离层发育位置的判别符合实际。

2）此次221上06A 工作面异常突水，按实测裂采比计算导水断裂带高度为245.6 m，不会沟通洛河组砂岩底部离层区积水，但由于离层区积水的载荷传递作用，且离层下位保护层厚度不足，导致导水断裂带与离层之间的岩层发生破坏，使得导水断裂带高度异常发育，沟通了离层区积水，这是引发221上106A 工作面突水的原因。