巨厚砂岩含水层下煤层群开采顶板突水机理研究

2022-11-04夏向学闫国成唐忠义黄文先

华北科技学院学报 2022年5期

王瑞，夏向学，闫国成,杨博，徐斌，唐忠义，黄文先

(1. 华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 065201;2. 华北科技学院应急技术与管理学院，北京东燕郊 065201;3. 陕西未来能源化工有限公司，陕西榆林 719000；4. 陕西长武亭南煤业有限责任公司，陕西咸阳 713602)

0 引言

近年来，国内煤矿水害事故频发[1]，西北地区矿井开采侏罗纪煤层时普遍受上覆延安组、直罗组巨厚砂岩含水层威胁，在巷道掘进、工作面回采过程中容易滋生顶板突水事故，严重影响煤层的安全高效开采。我国多位学者在巨厚砂岩含水层下煤层开采顶板突水机理的研究上取得了丰硕成果。徐建国等[2]通过理论分析和现场实测得出导水裂隙不会沟通巨厚砂岩下的封闭离层空间，突水通道形成的直接原因是离层积水的荷载传递。牛宏伟等[3]采用超声成像、彩色钻孔电视等技术实现了覆岩离层发育位置的探测。方刚等[4]研究确定导水裂隙带发育过程和离层空间可能发育的位置，离层水形成、发展及突水过程，从而总结顶板离层水突水机理。王厚柱等[5]针对侏罗纪煤田巨厚顶板砂岩含水层下煤层开采提出了区域防治水方案。

综上所述，目前水体下采煤的地质条件均集中在地表松散层强含水层、地表江河湖海水库等水体，对顶板富水性相对有限的巨厚孔隙-裂隙基岩含水层研究较少[6-12]。巨厚砂岩下的单煤层开采顶板突水机理研究多停留在裂隙带发育高度、离层位置预测与探测、防治水方案制定上，未考虑到煤层采动过程中含水层内部渗流场的变化，且缺少针对近距离煤层群开采上覆巨厚砂岩顶板突水机理及防治措施的研究。

本文以灵新矿14#、15#、16#煤层为研究对象，通过顶板巨厚砂岩含水层精细探查工程分析煤层群开采水文地质条件，采用流固耦合相似模拟、三维激光扫描等技术研究顶板覆岩破坏规律和巨厚砂岩含水层渗流模式，并在此基础上提出煤层群开采水害风险防治建议。

1 水文地质条件分析

1.1 煤层群地质条件

灵新矿六采区依次下行开采14#、15#、16#煤，煤层采厚分别为2.78 m、3.18 m、4.28 m，倾角约10°，14#煤-15#煤、15#煤-16#煤间距分别为20 m、18 m。每一煤层开采两个工作面，采宽180 m左右，两工作面间隔离煤柱约为25 m。顶板充水水源主要为延安组K2、K3、K4含水层，工作面采用倾斜长壁采煤方法，后退式回采，全部冒落法管理顶板。含(隔)水层空间位置示意图如图1所示。

由图1可知：K4含水层岩性以细砂岩为主，富水性弱，煤层群下行开采过程中，导水裂隙带波及该含水层时涌水量很小，对矿井生产影响较小。K2含水层底板距14#煤280 m左右，很难受到覆岩破坏带影响。因此，此次主要从含水层区域补径排条件、延安组含水层空间分布规律、隔水层发育规律等分析煤层群开采对K3巨厚砂岩含水层的影响。

图1 含(隔)水层空间位置示意图

1.2 巨厚砂岩含水层发育特征

(1) K3含水层空间分布规律

矿区开展了多处水文地质探查工作，地面施工钻孔总计88个，总进尺34064.92 m。K3含水层平均厚度约100.42 m，井田西部厚度较大，约616.86 m左右，由西向东逐渐变薄。煤层群上部14#煤层顶板距K3含水层底板93～130 m，平均间距约100 m。

总体而言，14#煤层与K3含水层间距自西向东逐渐变厚，在井田东北部厚度最大。K3延安组巨厚砂岩裂隙承压水含水层发育稳定且厚度较大，为储水提供了条件，严重威胁14#、15#、16#煤的开采。

(2) K3含水层岩性特征

K3含水层岩性以粗砂岩、中砂岩、砾岩为主，粉、细砂岩和泥岩含量相对较低。粗砂岩平均总厚36 m，平均占比45%；中砂岩平均总厚21 m，平均占比26%；细砂岩平均总厚8 m，平均占比9%。

砂岩主要为灰白色，成分以石英长石为主，分选较差，为次棱角状，局部含少量粗砂岩，为疏松状。含水层岩性不均一，各层位砂砾岩胶结程度不同，在平面和垂向表现出典型的岩性、岩相非均质特征。且随着埋深增大，K3砂岩的孔隙率逐渐减小。

(3) K3含水层富水性

K3含水层全段及延安与直罗组混合抽水试验获得的单位涌水量值为0.11～0.28 L/(s·m)，地下水矿化度为2.05～5.57 g/L，井田范围内单位涌水量值均在0.15 L/(s·m)以上，属中等富水性含水层。含水层从西向东富水性增强，与厚度变化相反。含水层垂向富水性表现为由下至上富水性逐渐增强，涌水能力逐渐增大。

(4) K3含水层水化学特征

结合水质矿化度等指标对不同层位水质成果进行分析，得出水质属Cl·SO4-K+Na型水。该含水层与第四系变化规律基本相同，主要补给源为第四系孔隙水和大气降水，原始状态下沿地形坡度径流，向西天河排泄。采空区涌水与K3含水层水质类型较为一致，表明在现开采条件下，矿井涌水以K3含水层地下水为主。

1.3 顶板隔水层发育特征

此次将K3含水层底板至14#煤层顶板之间地层作为隔水层进行研究。隔水层厚度约100 m，14#煤层顶板隔水层厚度变化与K3含水层厚度变化相反，由西南向东北逐渐变厚。14#煤层底板至15#煤层顶板间为沥青质泥岩，岩性致密，厚度为3～4 m，全井田分布稳定，是良好的隔水层。15#煤层底板至16#煤层顶板间为粉砂岩及泥岩，厚度为3～8 m，平均厚度约5.5 m，是较好的隔水层。隔水层厚度的非连续性变化给矿井顶板水害防治带来较大困难。

2 覆岩破坏规律研究

2.1 覆岩“上三带”破坏规律

影响导水裂隙带发育及导水通道形成的因素有很多，主要包括：覆岩力学性质和结构特征、采煤手段和顶板管理方法、煤层倾角、开采厚度与面积、地质构造、时间因素以及重复采动等。依据“上三带”理论，煤层群开采导水裂隙带发育结果可如图2所示。

图2 煤层群开采导水裂隙带发育示意图

按煤炭工业部《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱与压煤开采规程》可知：

(1)

(2)

式中，Hm为冒落带高度,m;Hl为导水裂隙带高度，m;∑M为累计采厚,m。

通过计算得到14#煤、15#煤、16#煤冒落带最大高度分别为10.87 m、11.57 m、13.14 m，导水裂隙带最大高度分别为40.14 m、42.20 m、46.56 m。

2.2 流固耦合相似模拟实验

采用流固耦合相似模拟技术搭建灵新矿煤层群开采模拟实验架，实验过程中，运用三维激光扫描技术对采动后覆岩的裂隙场进行扫描，分析裂隙发育演化规律。实验结果如图3所示。

图3 工作面开采覆岩裂隙发育识别结果图

采动裂隙识别依循的原理是扫描图像与实际模型间“同名点位”特征点的识别、寻找与匹配。14#煤、15#煤、16#煤依次下行开采L1614、L1615、L1616工作面，根据裂隙识别结果，对裂隙面积、裂隙率、导水裂隙最高高度进行了统计，见表1。

表1 各开采阶段覆岩裂隙面积及裂隙率

由表1可知，上部14#煤层和中部15#煤层开采后，覆岩离层发育，封闭离层空间面积占比大，采空区覆岩连通裂隙空间面积占比小，覆岩破坏连通裂隙面积约占开采总面积(即裂隙率)20%左右；下部16#煤层开采后，覆岩破坏剧烈，覆岩破坏裂隙相互连通，连通裂隙面积显著增加，裂隙率可达70%。且下部煤层开采后，导水裂隙发育至K3含水层底部，推测下部煤层重复采动会导致“上三带”重新发育，形成破坏带叠加的覆岩结构，致使中上部煤层弯曲下沉带出现新的导水裂隙带，造成下部煤层导水裂隙带高度的异常增加。

2.3 初次、周期来压分析

14#煤层L1614工作面采宽180 m，每次开采20 m，老顶厚度8.6 m，老顶抗拉强度3.5 MPa，岩层上覆载荷0.23 MPa，采取经验公式法推算工作面老顶的初次来压步距，计算公式如下：

(3)

(4)

式中，λ1为采空区几何系数;a1为每次开采距离,m;b为工作面采宽,m;L为老顶初次来压步距,m;h为老顶厚度,m;μ为岩层的泊松比,取0.18;σs为老顶抗拉强度,MPa;q为岩层上覆载荷,MPa。

通过计算得出L1614工作面老顶的初次来压步距为49 m,周期来压步距约20 m。

按照上述方法类推计算L1615、L1616工作面开采的初次、周期来压步距,并与相似模拟实验得到的结果进行比对,见表2。

表2 初次、周期来压结果对比分析表

由表2可知,上部煤层开采时,理论计算值与模拟实测值相差不大,但随着中下部煤层的开采,模拟实测值明显减少,且初次来压步距与周期来压步距的倍数关系呈现增大趋势。由此可见,煤层群重复采动会导致初次、周期来压步距明显缩短,且随着重复采动次数的增多,来压频率逐渐升高。

3 巨厚砂岩顶板突水机理研究

3.1 含水层渗流场分析

随着L1614、L1615、L1616工作面的逐层开采,砂岩含水层底部离层显现,形成封闭负压储水空间,该空间的存在加速含水层非连续渗流现象的出现。导水裂隙带异常发育至含水层底部,造成其与储水空间连通区域的垂向渗透系数增大,进而形成多个降落漏斗。渗透压的逐渐增强会使得“储水空间-连通区域-裂隙带顶部”出现“水井”现象,导致地下水的垂向下渗。含水层内部流场示意图如图4所示。