黔北煤田矿井顶板水害特征及防治措施研究

李回贵，苏德国，许国胜，王 军,2

（1.贵州工程应用技术学院矿业工程学院，贵州 毕节 551700；2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083）

0 引言

近十年来我国共发生矿井水害事故100 余起，呈下降趋势，但依然是矿井主要灾害之一[1]。矿井水害按照充水水源可以分为地表水害、顶板水害、老空水害和底板水害；按照导水通道可以分为断裂构造水害、陷落柱水害、钻孔水害等[2-5]。黔北煤田近年来主要开采9 号煤层，开采9 号煤层时由于导水裂隙带能够发育至上覆含水层或者受构造的影响与上覆含水层沟通，对煤矿的安全生产具有很大影响。

近年来众多学者针对矿井水害的形成机理、防治措施等进行了研究。乔伟等[6]对煤矿顶板水害形成机制、致灾机理及防治技术进行了研究，认为离层水害的形成需要具备三个基本条件。任邓君等[7]以高家堡煤矿煤层顶板水为研究对象，对顶板含水层的水化学特征进行了分析，并且运用水质特征分析了出水水源，提出了水害防治方法。王威等[8]以黄河北煤田下组煤层开采所受的水害问题为研究对象，分析了黄河北煤田下组煤层的主要水害类型，认为11 煤层开采受到顶板水害和底板水害的威胁。樊文阔等[9]采用区域超前探查治理技术对底板灰岩水害进行了研究。米广锋等[10]以云盖山煤矿一矿22204 综采面为研究对象，通过施工探放水钻孔、瞬变电磁法和矿井水质化验等方法对矿井水害进行了综合防治。金永飞等[11]以宝鼎矿区为研究对象，采用理论分析和FLAC 数值模拟对该区域的水害形成机理进行了研究。李伟等[12]采用“物探先行、化探跟进，钻探验证”的研究方法对补连塔煤矿水害进行了综合防治。李宏杰等[13]对准格尔煤田岩溶的发育特征、水化学特征及突水危险性等进行了深入研究，提出了探测、预测及监测和治理与特殊开采等水害综合防治技术体系。李文平等[14]研究了深部矿井水害特征，探讨了地应力对裂隙水介质的力学作用机制。侯宪港等[15]在总结45 起山西省老空水害事故原因的基础上，分析了山西省老空水害类型及其主要特征。

从以上研究中可以发现，国内外学者对于矿井水害的机理及防治技术开展了大量的研究，但对于黔北煤田顶板水害的特征及防治技术的研究还比较少。近年来黔北煤田顶板涌水事故时有发生，自2016 年4 月以来，相继发生22 起由于开采M9 号煤层，受采动影响，裂隙带导通上覆含水层长兴灰岩的突水未遂事故，最大涌水量达500 m3/h，出现了2 起溃水溃沙并造成人员伤亡的事故，并且涌水事故发生的同时上覆邻近煤层瓦斯也涌出，给采面管理带来极大的安全隐患和问题。因此，研究黔北煤田矿井顶板水害特征及防治措施具有重要的理论意义和现实意义。为了研究黔北煤田矿井顶板水害特征及防治措施，以黔北煤田某片区为研究对象，分析了研究区域顶板水水害的充水水源、水化学特征、水害特征，并提出了相应的顶板水害防治措施。

1 研究区域概况

研究区域位于该井田向斜的轴部，包含六个煤矿，矿区总面积38.5 km2，核定生产能力550 万t。地形条件总体上受区域性地质构造和岩性控制，属以岩溶地貌为主的中等切割的低中山及中山地形，系黔北高原过渡地带，属典型的岩溶山区。区内地势总体呈北西高、南东低。海拔最高+1 628.3 m，最低+980.2 m（西北部马洛河），相对最大高差648.1 m，一般高差100～300 m。

研究区域内6 个煤矿受井田内区域向斜的影响，其中，A 矿位于向斜北西翼，B 矿位于向斜南翼，C 矿和E 矿位于向斜南东翼，D 矿位于向斜的复合部位，F 矿位于向斜西翼，具体关系图如图1 所示。由图1可知，研究区域处于向斜枢纽部，附近的地下水汇集于向斜枢纽部，给研究区域的防治水工作带来了极大的困难。

2 研究区域充水条件分析

2.1 研究区域顶板水害充水水源分析

研究区域内，主采煤层为C9 号煤层，其上的主要含水层包括龙潭组含水层、长兴组含水层和夜郎组玉龙山段含水层。

1）龙潭组（P3l）。该组地层为井田含煤地层，隐伏于地下，至地表主要有P3c、T1y1、T1y2中下部上覆地层。岩性以灰色、深灰色泥质粉砂岩、粉砂岩为主，夹泥岩、细砂岩、石灰岩、泥灰岩及煤层，厚度84.66～100.32 m，平均厚度91.04 m。

根据勘查报告发现，该组地层地下水属基岩裂隙水类型，研究区位于中至深埋藏地带，岩石的风化程度有所减弱，其富水性也随之减弱。该组地层富水性总体上弱，为研究区煤矿床充水的直接含水层，从煤矿井下突水的水源分析认为，该组地层含水层由于富水性总体较弱，对于煤矿井下突水威胁较小，不属于研究区域9 号煤层开采过程中顶板水害的充水水源。

2）长兴组（P3c）。长兴组为研究区含煤地层的直接上覆地层，隐伏于地下，至地表还有T1y1、T1y2中下部上覆地层。全组岩性以石灰岩为主，上部为深灰色厚层状含遂石结核、条带石灰岩组成，下部为粉砂岩、泥质粉砂岩、夹1 层不可采煤层，厚度44.55～61.72 m，平均厚度53.12 m。

该组地层地下水以含碳酸盐岩溶裂隙水为主，富水性不均一，在浅部岩溶较为发育。由于该组地层在研究区位于中至深埋藏地带，岩溶发育较浅部减弱，不利于地下水的补给与富集，从而造成研究区富水性中等偏弱。该含水层直接上覆于龙潭组含煤地层。区域内该含水层与C9 号煤层的平均距离为48.02 m，导水裂缝带高度按最大预计值计算，在采高为2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m 时，导水裂缝带高度分别取41.37 m、43.24 m、45.11 m 和50.82 m，因此，可以判断在正常地质条件下，开采3.5 m 煤层时导水裂隙带发育高度已大于含水层与C9 号煤层的平均距离，可以认为采动导致的导水裂隙带能够波及至长兴组灰岩含水层，加之在岩溶通道、断层及构造裂隙等因素的影响下，该组地下水将会成为C9 号煤层的主要充水水源之一。

3）玉龙山段（T1y2）。该段地层仅中上部地层出露于井田的南部及南部矿界外，因溶蚀成因形成峰丛谷地等岩溶地貌，其中岩溶微地貌形态较为发育。岩性以灰色中厚层状石灰岩为主，顶部为灰色薄层状粉砂岩，厚度197.44～217.27 m，平均厚度208.72 m。

根据区域内各煤矿核实报告资料，该段地层在研究区域内煤矿井田内广泛出露，发育较大岩溶泉水和地下暗河，在地表降水的补给下，部分构造发育区域富水性较大，天然裂隙通道对于水的输送能力较大。该组地下水为含碳酸盐岩溶洞裂隙水，富水性不均一，浅部岩溶较为发育，由于研究区出露地势较高、地形地貌不利于地下水的富集，虽然岩层厚度较大，其富水性亦为中等至弱，作为矿井的间接充水来源，玉龙山段灰岩含水层距离煤层为125.08 m 左右，远大于煤层开采的导水裂隙带发育高度，加之玉龙山段灰岩含水层与长兴组灰岩含水层之间为沙堡湾段，岩性为灰色薄层状粉砂岩、粉砂质泥岩及细砂岩，平均厚度为16.34 m（7.00～18.80 m）。富水性极弱，为相对隔水层，因此，玉龙山段灰岩含水层对于研究区域内矿井的直接威胁不大。

但是考虑到沙堡湾段相对隔水层由于其厚度薄、厚薄不均，在受未来采动、断层或构造裂隙等因素的影响下，该段地层的隔水能力变差，从而使上覆玉龙山段岩溶含水层与下伏长兴组岩溶含水层之间的地下水发生水力联系，加大了长兴组含水层的水源补给，以及对矿井的水害威胁。其中，研究区内某年某月发生了一起顶板水害事故，经过事故调查分析发现，隐伏断层将沙堡湾段相对隔水层进行了切割，将长兴组灰岩含水层和玉龙山段含水层联系起来，进行水源补给，是事故发生的主要原因。因此，正常开采情况下，研究区域内玉龙山段含水层对煤矿开采影响很小，不是其主要的顶板水害充水水源，但是当顶板中存在构造时，有可能变成顶板水害的主要充水水源。

4)研究区内水化学特征。煤矿顶板含水层中的水由于受到地层岩性、地形地貌及水的来源等影响，导致含水层中水的水化学特征存在差异，因此，可以用来识别矿井涌水水源。矿井水质全分析测试是测试矿井涌水水化学特征的一种重要方法[16-20]，测试主要参数包括：Ca2+、Mg2+、K+、Na+、HCO3-、Cl-、SO42-等七大离子，以及矿化度、pH 值等参数，黔北研究区域主要水源水质全分析测试结果见表1，根据表1 绘制各水源Piper 三线图，如图2 所示。由表1 可知，长兴组含水层的阳离子以Na++K+为主，阴离子以HCO3-、SO42-为主，矿化度变化范围较大，在327.76～1 175.36之间，水质类型为SO42-、HCO3--Na+；玉龙山段含水层的阳离子以Ca2+、Na+为主，阴离子以HCO3-、SO42-为主，矿化度变化范围较大，在352.63～1 133.81 之间，水质类型为HCO3-、SO42--Ca2+和HCO3-、SO42--Na+、Ca2+；老空水的水质类型为SO42-、HCO3--Na+。这说明研究区域内长兴组含水层与玉龙山段含水层的水质类型存在差异，E 矿905 采面顶板和B 矿10901 采面102架顶板主要来水水源为长兴组含水层，C 矿903 采面顶板主要涌水水源可能为长兴组含水层和玉龙山段含水层。区内各含水层的pH 值以弱碱性为主，范围为7.63～8.18。

表1 各水源水质全分析测试结果Table 1 Results of total analysis and test of water quality of different sources

图2 研究区域内矿井水质Piper 图Fig.2 Piper diagram of mine water quality in the study area

2.2 研究区域内突水通道分析

选取黔北煤田某片区内A 矿、B 矿、C 矿、D 矿、E 矿及F 矿典型工作面地质和采矿条件进行分析，通过工作面开采高度、煤层距离长兴组灰岩含水层的距离等信息，分析工作面开采后导水裂隙带发育高度，见表2。表2 中裂采比的计算见式（1）。计算得到上述六个煤矿的导水裂隙带高度分别为48.10 m、44.64 m、44.21 m、45.68 m、42.71 m 和44.94 m。除了A 矿1901 工作面和B 矿10901 工作面导水裂隙带计算值小于C9 号煤层与长兴组距离以外，其他煤矿工作面的导水裂隙带均能够发育至长兴组灰岩底界。考虑到长兴组下部粉砂质泥岩、石灰岩、泥质粉砂岩的裂隙及弱面等因素，A 矿和B 矿导水裂隙带发育高度虽小于长兴组底界6.90 m 和5.80 m，但是考虑到工作面开采范围内长兴组灰岩与煤层距离的变化，综合认为研究区域上述六个煤矿的导水裂隙带均能够发育至长兴组底界，即工作面开采到一定尺寸时，导水裂隙带作为突水通道沟通井下工作面与长兴组灰岩下离层水空间，易引发工作面顶板涌水事故。

表2 研究区域内煤矿导水裂隙带发育高度计算Table 2 Calculation of development height of water diversion fracture zone in coal mines in the study area

式中：Lc为裂采比；M为工作面采高，m。

3 黔北煤田水害特征分析

根据上述分析可知，黔北煤田某片区开采9 号煤层时，顶板主要充水水源为长兴组灰岩水。表3展示了黔北煤田某片区工作面涌水情况。由表3 可知，研究区域内矿井工作面正常涌水量在11～320 m3/h 之间，最大涌水量在67～470 m3/h 之间，异常涌水时最大涌水量为正常涌水量的1.33～19.10 倍，这说明黔北煤田涌水事故发生时存在突发性强、涌水水头值较大的特点。顶板涌水持续时间在3～120 h 之间，平均涌水衰减速度在0.96～18.30 m3/h之间，这说明该区域的顶板涌水持续时间较短，涌水衰减速度较快。突水位置绝大部分处于工作面下三分之一处；涌水事故发生时部分工作面存在支架压架的情况，同时部分工作面存在伴随瓦斯涌出的情况；该区域涌水事故发生时部分事故与断层存在紧密的关系。

表3 黔北煤田研究区域工作面涌水情况Table 3 Water inrush of working face in the study area of North Guizhou Coalfield

4 黔北煤田顶板水害防治措施

根据上述对于黔北煤田工作面顶板水害充水水源、充水通道及水害特征的分析，结合煤矿井下现场顶板水防治的经验以及国内顶板水害防治的有益经验，制定了针对黔北煤田顶板水害的防治措施。

4.1 控制工作面开采速度，避免工作面长时间停采

黔北煤田开采9 号煤层时，在长兴组含水层下方存在泥岩、砂质泥岩、泥质粉砂岩等岩层，开采9号煤层虽然裂隙可以发展至长兴组下方，但是在工作面长时间停采期间，泥岩、砂质泥岩、泥质粉砂岩等岩层在水的作用下，会产生膨胀，从而封闭产生的节理裂隙，形成相对封闭的空间，为顶板水害的发生创造了条件。

4.2 工作面顶板来压及周期来压期间，注意顶板水害防控

根据黔北煤田某片区过往顶板涌水事故分析，顶板涌水事故的发生随工作面推进呈周期性出现，大的涌突水主要发生在工作面推进距离为初次来压步距左右。黔北煤田某片区E 矿推进距离57 m 左右发生基本顶初次来压，而且顶板淋水，紧接着出现顶板水大量涌入，涌水量最大达到160 m3/h。该矿10905 采面于2020 年3 月17 日，运输巷回采到35 m时初次来压（主要受断层影响基本顶提前垮断），此时1 号架～17 号架范围内顶板出水，涌水量达到68 m3/h，至2020 年3 月21 日中班，回风巷基本顶全部垮落，导水裂隙带进一步发育扩大，长兴组灰岩水直接进入采面及后部采空区，采面涌水量达到89 m3/h。2020 年3 月30 日，回风巷推采44 m，运输巷推采55 m，工作面基本顶周期断裂，采煤工作面25号架～32 号架突出大量来水并伴有泥沙，造成排水泵部分堵塞，采面运输巷被淹110 m，采面最大涌水量达391 m3/h。上述顶板水害一定程度上遵循顶板来压-涌突水事故发生的规律。因此，分析矿压变化规律可有效判别工作面是否发生涌突水，顶板来压亦间接对涌突水事件起到预警作用。

4.3 顶板水井下疏放孔防治措施

目前，对于采场顶板水的防治主要有顶板水超前疏放、限制开采上限、条带开采等技术方法，而结合黔北煤田顶板水害充水水源、充水通道及水害特征设计了顶板水疏放方案，顶板水疏放孔布置在工作面运输巷和回风巷，疏放孔开孔位置位于工作面运输巷和回风巷巷道中间顶板，疏放孔间隔距离为15 m，如图3 所示。钻孔钻进方向垂直于工作面运输巷和回风巷轴线，钻孔终孔于长兴组灰岩底界以上3 m 位置，终孔位置在工作面倾向方向上控制在采煤工作面上下三分之一位置，如图4 和图5 所示。

图4 离层水疏放孔俯视图Fig.4 Top view of separation water drainage hole

图5 离层水疏放孔单孔剖面图Fig.5 Single hole profile of separation water drainage hole

根据上述设计，确定疏放孔主要参考依据如下所述。

1）钻孔间距及钻孔个数。结合采空区上方长兴组灰岩初次断裂步距和周期断裂步距，确定疏放孔间距为15 m（保证初次来压悬顶距内至少有四个疏水孔，周期来压悬顶距内有两个疏水孔）。布置离层水疏放孔设计情况：采面两顺槽两侧都为实体煤的，两顺槽均布置疏放孔；采面两顺槽一侧为实体煤的，在实体煤顺槽布置疏放孔。根据超前支承压力的影响范围，疏水孔施工超前工作面至少30 m。正常情况下每组疏放孔钻场布置一个疏放孔。对于上述第一种情况，若遇物探地质低阻异常区域，增加一个疏放孔，疏放孔垂直于顺槽，控制在采煤工作面上下四分之一位置。对于上述第二种情况，若在靠采空区一侧，物探报告见低阻异常区时，增加一个疏放孔，疏放孔垂直于顺槽，控制在采煤工作面上下四分之一位置。

2）钻孔方位角。疏放孔方位角以垂直于工作面运输巷和回风巷轴线为准。

3）钻孔倾角。主要由钻孔的平距和垂距决定，同时考虑到钻机施工能力和施工效率，还要考虑钻孔有效段尽可能长的揭露目标含水层，通常钻孔倾角为34°～45°。

4）钻孔平距。离层水疏放孔终孔位置在工作面倾向方向上控制在工作面上下三分之一处，平距为工作面倾向长度的三分之一，物探低阻异常区，增加一个钻孔，平距为工作面倾向长度的四分之一。

5）钻孔垂距。煤层与长兴组灰岩含水层底界的垂距。

对工作面物探报告中异常区域，在原来疏放孔设计的基础上，每组增加一个钻孔，增加的钻孔终孔于长兴组灰岩底界以上3 m 位置，终孔位置在工作面倾向方向上控制在采煤工作面上下四分之一位置，如图6 所示。

图6 地质异常区域离层水疏放孔单孔剖面图Fig.6 Single hole profile of separated water drainage hole in geological anomaly area

5 结论

1）通过对黔北煤田研究区域开采9 号煤层上覆岩层中的含水层特征及工作面涌水水质化验结果分析可以发现，开采9 号煤层，以往工作面发生的涌水事故充水水源主要来源于长兴组含水层；玉龙山段含水层的水质类型为HCO3-、SO42--Ca2+和HCO3-、SO42--Na+、Ca2+，长兴组含水层的水质类型为SO42-、HCO3--Na+。

2）黔北煤田顶板涌水事故存在涌水突发性强、水头值大、衰减速度快、涌水持续时间较短的特征，同时涌水事故发生时绝大部分处于工作面下三分之一位置。

3）黔北煤田工作面回采时应注意停采时间不宜过长，工作面回采期间要注意初期来压和周期来压时的水害防治工作，同时应该提前设置顶板水疏放孔，将顶板水疏放至采空区。