大佛寺煤矿复合煤层开采覆岩破坏规律与水害形成机理

2023-12-09孙学军汪庆国刘孟辉

山东煤炭科技 2023年11期

孙学军汪庆国刘孟辉

（陕西彬长大佛寺矿业有限公司，陕西咸阳 713500）

复合煤层采动主要面临的水害问题包括顶板含水层水害及采空区水害[1-2]。上覆煤层回采过程中顶板导水裂隙波及顶板含水层，下组煤开采过程中顶板含水层再次受到导水裂隙破坏，可能出现离层涌水。

李吴波等[3]认为离层水形成以后，多煤层的重复采动后，采动裂隙会不断向上发育，随着开采面积的增大，其向上延伸的强度也随之增大，致使这些采动裂隙直接切穿采场覆岩中的积水离层带，从而引发离层水涌入工作面。程培毅[4-5]在理论分析覆岩破断规律的基础上，运用经验公式、关键层理论结合数值模拟分析了导水裂隙带发育规律，对回采中的离层发育规律进行分析，并对离层涌水量进行分析，建立模型评价了矿井多煤层采动涌突水危险性。刘小松等[6]基于对东滩煤矿顶板突水进行了预测预报，建立突水的概念模型对水害进行预测。乔伟等[7]在研究崔木煤矿的水害机理后，提出打设地面直通式导流孔、控制采高和采煤推进速度等措施，有效防治崔木煤矿离层水害。

大佛寺煤矿工作面开采过程中面临顶板脉冲型水害频发、采空区积水愈发严重、充水强度增高等问题，同时还伴随着冒顶、压架等叠加灾害，频繁出现淹面、停产等现象，严重影响矿井安全、高效生产。为探究大佛寺煤矿复合煤层开采的覆岩破坏规律，拟采用监测分析、钻孔实测、相似模拟试验方法进行分析。

1 工作面涌水规律分析

大佛寺矿井为双煤层开采，现开采4上煤与4 煤，井田内主要发育有第四系松散层孔隙潜水；白垩系洛河组和宜君组承压含水层；侏罗系安定组、直罗组和延安组砂岩含水层。具体含隔水层与煤层赋存关系如图1 所示。煤层厚度及覆岩结构区域变化较大，不同采区的采掘参数及水文地质条件不同，导致各采区工作面涌水情况的差异性。大佛寺煤矿4煤工作面涌水量和涌水形式与4上煤工作面类似，工作面涌水量存在波动。回采前期基本不存在涌水或者水量很小，回采中后期涌水量明显增大，最大涌水量约300～400 m³/h，涌水量增大迅速，随后逐渐衰减至正常并趋于稳定，回采结束后0.5 a 涌水量逐渐衰减至消失。

图1 大佛寺煤矿含隔水层与煤层赋存关系图（m）

1.1 周期来压与涌水量关系

大佛寺煤矿工作面涌水以顶板水为主，而周期来压即基本顶悬露的跨度达到一定长度时，基本顶在其自重及上覆岩层载荷的作用下发生折断和垮落。因此，周期来压可能伴随着导水裂隙带进一步向上发育及含水层的静储量释放，导致工作面涌水量波动[8-10]。

随着矿井逐渐进入复合煤层开采区，工作面回采将同时受到顶板砂岩含水层水、上覆煤层采空区积水和覆岩不均匀变形破坏形成的局部离层积水的影响。同时，洛河组含水层作为离层水和老空水的补给来源，使得三种水害类型互相影响，开采水文地质条件极为复杂。复合煤层开采条件下工作面顶板覆岩破坏规律尚不明确，且巷道掘进和回采期间均受到上覆采空区积水影响，离层涌水预测预警困难，充水强度也无法预测，故在防治水工作中难以有效综合多种手段，制定有效的防治水技术措施。

为探明4 煤工作面来压与涌水量的关系，通过监测工作面支架阻力确定周期来压步距，并对涌水量进行统计，绘制工作面回采周期来压位置与涌水量曲线作图，如图2 所示。工作面一般周期来压步距15～21 m，周期来压时支架最大平均阻力达到37～41 MPa，部分支架甚至被压死；工作面涌水量增大一般紧随周期来压之后，或者在周期来压当班即出现涌水量突增的情况。

图2 推进过程中涌水量与周期来压关系

监测结果表明，覆岩的周期性垮落将会导通导水裂隙带，导致顶板涌水，随着周期来压结束后，应力重新压实，导水裂隙带暂时封闭。然而随着推进的过程逐渐增加，覆岩裂隙带快速扩展，导致涌水量呈现先降低后增加的趋势。

1.2 钻孔水位变化过程与涌水量关系

工作面回采过程中洛河组含水层水位变化情况、井下涌水与含水层水质对比也是反映导水裂隙带发育高度的重要指标之一。为探明4 煤开采过程中导水裂隙带的导通位置，共计施工两个地质钻孔，监测水位深度与水位下降速度，如图3 和图4。

图3 LD1 钻孔钻进过程水位变化曲线图

图4 LD2 钻孔钻进过程水位变化曲线图

LD1钻孔施工中，孔深0～120.39 m 时水位随孔深稳定下降，孔内水位主要为冲洗液液面位置，孔深122.39 m 处提钻后水位由15.8 m 突降至78.5 m，降幅62.7 m，随后钻进中，孔内水位缓慢下降，但总体稳定。钻孔内计算水位下降速度在洛河-宜君组地层内波动明显，说明该区段裂隙发育，水漏失速度较快，宜君组地层以下钻进过程中，孔内水位平稳，水位变化速度在很小范围内波动。

LD2钻孔施工中，孔深78.48 m、98.34 m 处出现2 次水位完全漏失现象，钻进0～146.24 m 时，随钻孔深度增大，孔内水位保持稳定下降，在132.09 m 附近出现水位回升，但后续继续保持下降趋势；孔深153.14 m 处水位从12 m 降至77.5 m，降幅65.5 m，随后钻进中水位虽有2 次小幅度回升，但总体保持缓慢下降最终趋于稳定的趋势。钻孔内计算水位下降速度在洛河-宜君组地层内波动明显，说明该区段裂隙发育，水漏失速度较快，宜君组地层以下钻进过程中，孔内水位平稳，水位变化速度在很小范围内波动。

LD1孔在施工完成后安装了孔内水位观测系统，在4 煤工作面后续回采过程中持续观测洛河组含水层水位。如图5 所示，井下涌水量大小与水位标高呈现明显的负相关性。洛河组含水层水位下降，井下涌水量增大；洛河组水位上升，井下涌水量减小。可以说明洛河组含水层受采动导水裂隙带波及，导水裂隙带发育高度在洛河组含水层内部的发育高度约为孔深157 m 左右。

图5 LD1 钻孔水位与井下涌水量变化曲线图

1.3 钻孔水质化学成分分析

LD2钻孔抽水试验中对洛河组含水层水进行了专门的取样分析，对于井下的煤层顶板淋水、大流量涌水的水源也分别取样进行了水质全分析，结果见表1。由表可以看出，4 煤工作面异常涌水的矿化度略高于洛河组含水层涌水，但明显小于煤层顶板延安组含水层水，表明涌水是由洛河组和侏罗系含水层水混合的混合水。同时，由于矿化度较低，且主要增加离子表现为Na+、HCO3-，且增加组分相对有限，因此可以推断工作面异常涌水主要来源于洛河组砂岩含水层。

表1 含水层与井下涌水水质对比

经过井下涌水量与含水层水位变化、井下涌水与含水层水质对比分析表明，井下涌水量与含水层水位关系密切，涌水水质表现为洛河组含水层水与侏罗系含水层水混合的特征。以此反映，4煤与4上煤复合开采导水裂隙带已经发育至洛河组含水层内。

2 复合煤层覆岩破坏规律相似模拟

为探明大佛寺煤矿复合煤层的覆岩破坏情况，采用相似模拟方法模拟4上煤与4 煤开挖中的覆岩破坏情况，进一步分析导水裂隙带发育高度以及覆岩破坏规律，为涌水机理研究奠定基础。开挖共分为两次，首先开挖4上煤层，其次开挖4 煤层，分析离层与裂隙扩展规律。

如图6 所示，4上煤工作面回采至252 cm 时，上覆岩层垮落，为工作面基本顶第11 次周期来压，周期来压步距18 cm，覆岩垮落高度为9 cm，上覆岩层出现裂隙以及离层，工作面左右两端的破断角分别为37°、24°；当工作面回采至260 cm 时，基本顶悬顶距离加大，再次周期破断，此时为工作面基本顶第12 次周期来压，周期来压步距18 cm，覆岩垮落高度为9 cm。随着工作面继续向前回采，上覆岩层周期性垮落，呈现周期性来压，裂隙扩展趋势具备导通洛河组含水层的能力。

图6 4上煤开挖覆岩垮落特征

图7 所示为4 煤工作面回采至260 cm 时上覆岩层周期垮落后的形态。工作面上覆岩层出现破断以及微小裂隙，工作面上方岩层出现离层以及垮落，从图中可以看出垮落范围已经达到模型顶部。工作面上方覆岩的破断线随着覆岩垮落不断向前移动，当工作面回采到260 cm 时，工作面端部破断线的岩层垮落角别为69°、70°，同时在工作面采空区上覆垮落岩层形成一个较大等腰梯形垮落形态，裂隙和离层发育明显。顶板模拟的洛河组地层周期性断裂，垮断步距约为4～6 个周期来压。