顶板离层水突涌模式及预防技术模拟研究

张文泉，王在勇，吴欣焘，邵建立，雷 煜，吴绪南

顶板离层水突涌模式及预防技术模拟研究

张文泉1,2，王在勇1,2，吴欣焘1,2，邵建立1,2，雷 煜1,2，吴绪南1,2

(1. 山东科技大学 矿山灾害预防控制重点实验室，山东 青岛 266590；2. 山东科技大学 矿业工程国家级实验教学示范中心，山东 青岛 266590)

为预防顶板离层水突涌产生的安全事故，提出了部分充填方案进行模拟研究。首先通过现有资料总结分析全国发生的多种离层水害事故，深入研究离层积水致灾模式；然后以陕西某矿首采区1307工作面的离层水害事故为例，分析其水文地质条件、上部含水层和离层水突涌的关系，利用3DEC数值软件模拟工作面顶板离层空间发育特征；最后根据该矿的实际情况，提出部分充填开采方式预防离层水突涌的技术措施，并对该矿的部分充填方案进行优化模拟研究。研究结果表明：根据发生条件的不同将离层水突涌划分为5种模式，离层积水过程分为初始积水期、积水至满期和裂隙扩展期；在保持充填率不变的情况下，随着走向采宽和充填宽度的同时同量增加，充填体对上覆岩层支撑作用逐渐增强，离层下部隔水层出现两侧应力增大现象，最佳部分充填方案为采宽80 m，充填宽度80 m，为顶板离层水害的预防提供新的思路。

离层水突涌模式；数值模拟；部分充填；优化；预防

近20 a来，顶板离层水害作为一种新的顶板水害类型给煤矿安全生产带来了巨大威胁，离层水害具有突涌征兆不明显、瞬时水量大、周期性突涌水且威胁大等特点，造成采区与工作面被淹[1-4]及矿工人身伤亡的严重事故，引起煤矿企业和许多专家的重视[5-7]。发生离层水突涌事故的煤矿广泛存在于山东、安徽、陕西、辽宁、重庆等13个省(直辖市)。由于各地区岩层沉积环境不同，离层水发生突涌的机理也是复杂多变的。

为更好地预防这种水害的发生，许多学者对离层水突涌机理与突涌模式及防治措施进行了深入研究。王启庆等[8]、乔伟等[9-10]提出采场顶板离层水井下探放技术，基于现场情况设计多种实施方案，还提出以地面直通式导流孔技术为主、井下探放技术为辅的综合治理措施，通过相关的数值模拟进行验证，并应用于工程实践。还有部分学者提出对离层水上方的砂岩富水区进行钻孔超前疏放，提前降低离层水突涌危害程度，对于防治离层水突涌产生积极的推动作用[11-13]。LI Hongjie等[14]、吕玉广等[15]深入分析离层水突涌发生的条件，借此判断离层水的危害程度，最后总结顶板离层水突涌的预防措施[16-18]。目前，顶板离层水突涌的防治都是通过钻孔疏水来进行，鲜少有从工作面开采方式上预防离层水突涌的工程实例和研究成果。

笔者从矿井工作面的区域地质采矿条件及离层水突涌机理出发，综合考虑煤炭采出率、工作面设备搬家引起的停产及充填开采成本与经济效益等因素，提出利用部分充填方式控制积水离层空间发育，通过设计合理的走向采宽和充填宽度预防顶板离层水害事故。

1 顶板离层水突涌机理与突涌模式

1.1 离层形成力学机制

离层产生的实质是弱面的破坏，主要包含剪裂和拉裂两部分。由应力平衡拱理论可知，拱外上覆岩层的重力由平衡拱传递至拱脚处，下位岩层不再起支撑作用，在自重的作用下逐渐下沉。上下岩层分离产生离层，受力情况[19]如图1所示。

设法线与最小主应力3方向夹角为，1为最大主应力，则离层层面上的法向应力和剪应力分别为：

图1 离层形成力学机制

这里取拉应力为正，压应力为负，可知法向应力为拉应力。由于岩层层面受拉剪破坏，故离层形成的临界条件[20]为：

将式(2)—式(3)代入式(1)，可得出最大主应力和最小主应力为：

顶板上覆岩层的最大主应力、最小主应力满足式(4)和式(5)时，岩层间发育离层。

1.2 离层水突涌模式

1.2.1 动水压突水

积水离层空间的上覆坚硬顶板发生下沉垮落，并触及离层水体，其内部积聚的应变势能作用于离层水体，使其产生动水压力。该动水压力又作用于下部软岩层，使软岩层内的张拉裂隙向上扩展发育，快速连通上部离层水体，进而导致离层水突涌[21]，如图2a所示。

1.2.2 岩层软化致灾

根据对已发生离层水突涌矿井进行机理研究，这类可分为导水裂隙带波及积水离层空间和未波及积水离层空间2种情况：①砂岩水在下渗过程中对下位软岩层产生侵蚀作用，导致岩层表层结构出现强度削弱及崩解现象，崩解岩石颗粒填充到下位岩层的微小裂隙间，使其形成再生隔水层。离层水能够在离层空间积聚，并产生静水压力，随着进一步的侵蚀及静水压作用下，之前被填充的部分裂隙扩展发育，进而导致离层水突涌；②由于导水裂隙带未波及积水离层空间，在离层空间发育过程中，离层水一开始就逐渐积聚并对下位软岩层产生侵蚀作用。长期的侵蚀和水压作用下，下位软岩层内的裂缝逐渐向上扩展发育，连通上部离层水体，导致离层水突涌，如图2b所示。

1.2.3 覆岩荷载及水压协同致灾

上位砂岩层富水性较强，离层空间积水速度极速增加，在短时间内充满了整个离层空间。此时，下位岩层承受上部岩层荷载及离层水体压力，导致内部裂隙发生失稳并产生二次起裂，逐步扩展至岩层顶部沟通离层水体，如图2c所示。

1.2.4 多煤层叠加开采突水

多煤层开采过程中也可发生离层水突涌，数量相对较少，但产生的危害性很大。离层水发生突涌的具体过程为：当开采上煤层时，上方的下沉弯曲带内产生了离层空间并开始逐渐积水；到开采下煤层时，导水裂隙带向上扩展，逐渐发育至离层水体底部，导致离层水发生突涌，如图2d所示。

1.2.5 断层离层耦合突水

工作面上方存在多个断层时，断层间也可能出现积水离层空间。随着工作面推进，离层水逐渐积聚，其离层边界也逐渐向四周扩展，直到触及到断层带时，引发离层水突涌。初期，离层水在断层内部渗流，到达垮落带区域时，一般顺着较大的采动裂隙突涌到工作面，造成离层水突涌事故，如图2e所示。

图2 离层水突涌模式划分

1.3 离层积水致灾分析

各岩层厚度、抗拉强度不同，其被采矿扰动时出现不同步下沉，岩层层面间发育离层，而离层位于导水裂隙带之上，其上位岩层若为砂岩含水层，则具备形成离层水。离层积水过程可分为3个阶段：初始积水期、积水至满期和裂隙扩展期，具体如图3所示。

图3 离层积水致灾过程

初始积水期：形成稳定的积水离层空间后，含水层水顺孔隙、原生裂隙流入离层空间，离层开始积水。同时，由于工作面的继续推进，离层空间逐渐变大，故离层空间和离层水体积都呈动态增加趋势。

积水至满期：随着离层空间的逐渐变大，含水层层面的可渗流区域也将变大，离层内单位时间积水流量增加。当离层空间发育至最大时，离层积水流量达到最大，快速充满整个离层空间，上位含水层水位将达到最低点。

裂隙扩展期：离层空间积水完毕后，由于水的不可压缩性，上位岩层的荷载作用于离层水体，使下位岩层的裂隙在荷载作用下开始逐渐向上扩展，并发育至离层水体下部边界，导致离层水发生突涌。在这个期间，含水层不再向离层空间充水，在地下水水力作用下该区域水位逐渐恢复。当离层水发生突涌时，水体短时间内渗流而出，此时含水层继续向离层空间充水，使含水层水位再次迅速降低，直到离层下方裂隙闭合为止。

2 顶板离层发育特征数值模拟分析

2.1 工程背景

2.1.1 矿井地层特征

陕西某煤矿首采区1307工作面位于采区的东南翼，工作面走向长1 307~1 382 m，倾向宽155 m，主采煤层为3煤，平均厚度10.6 m，平均倾角6°，煤层底板高程为+760~+879 m。

研究区内地层由老至新依次为：三叠系中统铜川组，侏罗系下统富县组、中统延安组、直罗组、安定组，白垩系下统宜君组、洛河组，新近系及第四系中上更新统、全新统。

2.1.2 水文地质特征及突水

研究区主要含(隔)水层可划分为新生界含(隔)水层、白垩系砂砾岩含水层、侏罗系安定组泥岩隔水层、侏罗系直罗组砂岩含水层、侏罗系延安组砂岩含水层(包含煤层)、侏罗系富县组泥岩隔水层和三叠系铜川组砂岩含水层，综合柱状如图4所示。

经分析，白垩系下统宜君组砾岩裂隙含水层对工作面生产影响最大，其钻孔单位涌水量为0.006 1~0.379 6 L/(s·m)，富水性为弱–中等，在开采过程中具有较大的顶板水害威胁。

工作面推进过程中，出现两次顶板离层水突涌事故，第1次涌水量相对较小，当时认为是顶板淋水；第2次涌水量较大，但未影响到工作面开采，后续相邻的1304工作面则发生了3次较为严重的离层水突涌事故，最大涌水量分别达280、260、420 m3/h，工作面排水系统被淹，被迫停产。

后期发现工作面溃出物多以灰色、绿色泥岩、砂质泥岩及粉砂岩为主，研究认为宜君组含水层为主要充水含水层，安定组泥岩为隔水层，这两岩层间产生离层积水空间。

2.1.3 含水层水位变化对离层水发育的影响

含水岩层内孔隙、裂隙储存大量地下水，对离层空间起到水源补给作用。离层积水过程导致含水层水位逐渐下降，离层水突涌更会导致含水层水位发生异常变化，故这里根据研究区钻孔探测的水位变化情况来分析研究区的离层积水过程，具体如图5所示。

由图5可看出，A区域处工作面推进距离350~400 m，A区域前含水层水位持续下降，说明在向离层空间补给水源；A区域后为水位恢复阶段，未对离层空间充水，可能原因为离层空间已积满离层水。B区域处工作面推进距离650~700 m，B区域前，含水层水位一直保持缓慢升高状态，至B区域后突然发生水位快速下降，随后水位逐渐恢复，分析认为离层水已发生突涌事故，造成离层空间和含水岩层接触面增大，进而含水层内的地下水借助裂隙通道向离层空间快速渗流。

图4 水文地质综合柱状图

图5 研究区工作面推进过程中钻孔水位变化曲线

2.2 数值模拟模型

为研究1307工作面上覆岩层离层空间的发育规律，采用3DEC数值模拟软件建立计算模型。根据该工作面地质条件，模型尺寸设计为500 m× 2 m×275 m，前后和左右边界施加水平约束，底部边界固定，上部为自由边界。模型中煤岩体变形破坏采用摩尔–库伦准则，设计采高为10 m，采出率为100%。工作面采深为600 m，模型顶部为泥岩，泥岩上方宜君组巨厚砾岩层、洛河组岩层、新近系和第四系通过均布荷载代替，其值为8.12 MPa。模型两侧留设80 m边界煤柱，工作面每次推进20 m。工作面为综采工作面，离层空间发育于第9层泥岩和第10层粉砂岩间。为测量离层空间发育高度，在距底板岩层高度240 m的泥岩和260 m的砂岩处分别布置一组位移测线，各测线中布置位移测点，间隔30 m，如图6所示。

图6 数值模拟模型

2.3 顶板离层发育分析

根据数值模拟数据，当工作面推进到100 m时，第10层粉砂岩和第9层泥岩层面分离，积水离层空间开始形成，隔水层厚度为130.36 m，不会产生离层水突涌。当工作面推进到220 m时，积水离层空间高度达到最大，为7.141 m(图7)。当工作面推进到320 m时，上覆坚硬顶板层面间发生节理，进而发生连续破断。当上位坚硬岩层破断后，左侧部分较右侧部分下沉值更大，这是因为左侧岩层独立承载上覆岩层时间更长，产生蠕变反应。

随着工作面的推进，积水离层空间的上部砂岩和下部泥岩发生不同程度下沉。通过布置监测点获得岩层下沉值，获得工作面推进过程中积水离层空间发育规律，结果如图7所示。

图7 工作面推进时积水离层空间发育特征

上部砂岩下沉过程中引发离层水突涌，造成工作面瞬时涌水量突然增大，危及工作面的正常推进。为预防顶板离层水突涌事故，通过控制上覆岩层的垮落来抑制离层空间发育，使离层空间可积水量变小，从源头上消除离层水积聚。在工作面开采技术方面，一般可采用条带开采、全充填开采、部分充填开采和限制采高这些措施来控制离层空间发育，而考虑到煤炭采出率、工作面设备搬家引起的停产以及全充填开采的成本与经济效益问题，部分充填方式预防顶板离层水突涌更为适宜。

3 部分充填开采设计优化模拟

3.1 充填材料岩石力学参数室内实验

为了使充填体更好地支撑上覆岩层重力，同时具有较好的阻水能力，需通过材料配比实验控制，对充填体材料的力学性能参数和抗渗性能进行测试，室内实验分别以粉煤灰、水泥和黏土为原料，配以发泡剂(质量分数为0或2%)增强材料性能，共设计了24组材料配比方案。其中水灰比为1︰2。材料组分配比(质量分数)见表1。

表1 试验材料组分配比方案

注：A-0表示发泡剂质量分数为0，A-1表示发泡剂质量分数为2%，其余同。

将充填体配比完成后，放入养护箱进行养护。再按照实验要求，对充填体分别进行抗压强度、抗渗性能、巴西劈裂等力学强度性能测试，得到各试件的物化性能。根据该煤矿工作面埋深及顶板渗水情况，选择E-1，G-0，H-0，L-0四组充填体，进一步考虑工作面充填开采的成本问题(水泥少用粉煤灰多用原则)，则充填体E-1为部分充填材料的最佳配比方案，其力学参数见表2。

表2 E-1组充填体的力学参数

3.2 部分充填开采方案优化模拟

为了更有效地预防离层水突涌，结合上述2.3节数值模拟得出的结果，采用部分充填开采方式用于控制积水离层空间的发育。部分充填尺寸对部分充填的稳定性影响很大，有研究表明，部分充填的宽高比小于0.8时，不利于充填体的自身稳定[21]，故本文设计部分充填开采方案宽高比大于0.8，并考虑部分充填区域顶底板移近量为采厚的20%(即充填率为80%)。根据2.3节模拟结果，煤层开采推进100 m时出现离层空间，即砂岩水能够在离层空间内积聚，故设计工作面走向采宽和充填宽度不超过100 m。模拟设计方案见表3。

表3 部分充填的开采方案

通过分析各方案模拟获得的隔水层厚度、积水离层空间发育情况、下部岩层的应力、充填体稳定性等监测结果，可得到最优的部分充填开采方案。

3.3 结果与讨论

3.3.1 导水裂隙带分析

各方案导水裂隙带及离层发育情况见表4。由表4可知，随着走向采宽和充填宽度的同量增加，导水裂隙带高度逐渐增大。方案1和方案2中未发育离层，方案3和方案4弯曲下沉带内均发育2个积水离层空间。方案3和方案4左侧离层空间发育高度均大于右侧，同时，方案3和方案4中的2个离层空间比例系数(离层间距离和充填宽度的比值)均较大，说明2个离层独立发育并积聚少量离层水，判断不会对工作面生产造成危害。

表4 各方案导水裂隙带及离层发育情况

注：0.692/0.301表示左侧离层空间最大发育高度/右侧离层空间最大发育高度。

3.3.2 不同方案的垂直应力分布规律

通过分析，采空区岩层垮落下沉，应力被释放，最大垂直应力集中于煤柱和充填体区域(表5)。

表5 各方案垂直应力分布情况

随着走向采宽和充填宽度的增加，煤柱区域最大垂直应力变化不大，较稳定；充填体最大垂直应力呈增长趋势，表明充填体对上覆岩层支撑作用逐渐增强，在控制上覆隔水层稳定性中能够发挥较大的作用。

3.3.3 充填体稳定性分析

如图8所示，充填率为80%，充填体上覆岩层将发生弯曲下沉，充填体上部存在塑性区。方案1中仅充填体上部出现少量塑性区，充填体底板塑性分布较多；方案2中充填体上部和中下部存在少量塑性区，充填体底板塑性分布比方案1少；方案3中仅充填体上部存在少量塑性区，充填体底板塑性分布比方案1和方案2都少；方案4中充填体上部存在少量塑性区，充填体下方底板塑性分布较少，但充填体两侧底板塑性破坏明显增多，故综合分析确定方案3稳定性更好。

图8 不同方案下的塑性区范围

综上所示，当充填率不变时，随着走向采宽和充填宽度的增加，导水裂隙带高度逐渐增大，隔水层厚度逐渐减少，充填体对上覆岩层支撑作用更显著，充填体塑性破坏范围占充填体面积的比例相对降低，充填体下部底板塑性影响也有所降低。但方案3的塑性影响相对方案4更低，同时，方案3的隔水层厚度91.09 m对于控制离层水突涌具有更好的效果，故得出最佳部分充填开采方案为方案3，即采宽80 m，充填体宽80 m。鄂尔多斯盆地内侏罗纪煤田离层水突涌频发，主要原因是软弱泥质岩和弱胶结砂岩的沉积以及厚煤层的高强度采动。这一研究思路应用于鄂尔多斯盆地高家梁煤矿20303工作面，煤层采用一次采全高走向长壁采煤法开采，为预防顶板出现离层水砂突涌，通过走向条带煤柱与部分充填相结合的方式，控制顶板含水层向下渗水，工作面开采至今未发生突水事故，取得了良好的防治效果，说明部分充填方案有利于预防离层水突涌。

4 结论

a. 将顶板离层水突涌模式分为动水压突水、岩层软化致灾、覆岩荷载及水压协同致灾、多煤层叠加开采突水和断层离层耦合突水；顶板离层积水致灾过程划分为初始积水期、积水至满期和裂隙扩展期。

b. 利用数值模拟分析了陕西某煤矿首采区1307工作面离层空间形成到发育至最大的过程，提出对工作面采用部分充填的开采方式；依据充填方案的模拟优化结果，提出采宽80 m、充填体宽80 m为最优充填方案。

c. 在其他煤矿工作面应用部分充填开采方式时，应重新分析其地质采矿条件及离层水突涌机理与突涌模式，并模拟计算最优的部分充填开采方案。

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Investigation and simutation on the model and prevention technology of water inrush from roof bed separation

ZHANG Wenquan1,2, WANG Zaiyong1,2, WU Xintao1,2, SHAO Jianli1,2, LEI Yu1,2, WU Xunan1,2

(1. Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. National Experimental Teaching Demonstration Center for Mining Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

In order to prevent water inrush from roof separation, a partial backfill scheme is proposed for simulation study. First of all, based on the existing data, many kinds of separation water inrush accidents occurred in China were summarized and analyzed, and the disaster model of separation water accumulation was studied deeply. Then, taking the separation water accident of 1307 working face in the first mining area of a mine in Shaanxi Province as an example, the hydrogeological conditions and the relationship between upper aquifer and separation water inrush were analyzed, and the development characteristics of roof separation space of working face were simulated by 3DEC numerical software. Finally, according to the actual situation of the mine, the technical measures to prevent water inrush from bed separation by partial backfill mining method were put forward, and the partial backfill scheme of the mine was optimized and simulated. The results showed that according to the different occurrence conditions, water inrush from roof bed separation was divided into five models. The process of separation water accumulation could be divided into initial water accumulation period, full water period and crack propagation period. When the filling rate unchanged, with the increase of strike mining width and backfill width at the same time, the supporting effect of the backfill strip on the overlying strata increased gradually, and the stress in the lower aquifer of the bed separation increased on both sides. The best scheme of partial backing is 80 m mining width and 80 m backfill width, which provides a new idea for the prevention of water inrush from roof bed separation.

model of water inrush from bed separation; numerical simulation; partial backfill; optimization; prevention

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TD745

A

1001-1986(2021)01-0217-08

2020-11-12；

2021-01-15

国家自然科学基金项目(51774199)

张文泉，1965年生，男，山东淮坊人，教授，博士生导师，从事特殊开采、矿井水害防治相关工作. E-mail：wenquanzhang@163.com

王在勇，1994年生，男，四川广元人，硕士研究生，从事煤矿顶板水害研究工作. E-mail：zaiyongwang@163.com

张文泉，王在勇，吴欣焘，等. 顶板离层水突涌模式及预防技术模拟研究[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(1)：217–224. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.023

ZHANG Wenquan，WANG Zaiyong，WU Xintao，et al. Investigation and simutation on the model and prevention technology of water inrush from roof bed separation[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：217–224. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.01.023

(责任编辑 周建军)