贵州省腾龙煤矿溃水溃矸事故形成机制分析

郑 纲

（1.中煤科工西安研究院（集团）有限公司， 陕西西安 710077； 2.煤矿灾害防控全国重点实验室， 陕西西安 710077； 3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室， 陕西西安 710077）

0 引言

2022 年6 月19 日，贵州大西南矿业有限公司金沙县新化乡国照腾龙煤矿（以下简称腾龙煤矿）10903综采工作面顶板（溃水溃矸）事故，共造成2人死亡。此次事故由顶板离层水发育引起，由于工作面停产时间长，顶板支护缺陷导致局部空顶，顶板突然架前切冒，水、泥浆、矸石混合涌出，由高处到低处快速流动，迅速淤塞整个工作面，掩埋了采面设备及施工人员。

目前，离层水引起的溃水溃矸事故发生较少。相关的研究主要是两带发育高度及充水危险性的研究［1-2］、工作面突水溃沙及离层水突水灾害的研究［3-6］。以往突水溃沙主要发生在西北地区浅埋工作面，其他地区煤层露头区上覆第四系松散沙含水层的的工作面也经常发生［7-10］。

因为10903工作面溃水溃矸灾害的致灾机制不明确，且缺乏成熟的防治技术，矿井对该类灾害不重视，以致发生溃水溃矸的事故。本文通过现场调查突水情况、溃入物质、支护变化等确定工作面事故为溃水溃矸事故。在分析矿井水文地质条件及工作面地质结构的基础上，进一步研究了煤矿顶板离层水形成条件、过程及其引起的溃水溃矸形成机制。

1 地质及水文地质

1.1 构造及地层

腾龙煤矿处于扬子陆块黔北隆起遵义断拱短轴式褶皱区，区内伴有东西向排列的穹窿和盆地，凹陷幅度不一的短轴向斜常连成一片。晚二叠世含煤地层埋藏于短轴向斜腹部，被大面积三叠系、侏罗系覆盖，断层稀少。

矿区位于鸭溪向斜南西转折端，地层呈单斜产出，产状较稳定，倾向22°～49°，倾角5°～10°。矿区内未发现断距大于30m 的断层。矿井地质构造复杂程度属“中等”类型。

矿区地层由老至新依次为中二叠统茅口组，上二叠统龙潭组、长兴组，下三叠统夜郎组及第四系。

1.2 含（隔）水层特征

1.2.1 含水层

矿区及附近出露地层中的含水层有第四系孔隙水、下三叠统夜郎组第二段、上二叠统长兴组、龙潭组岩溶裂隙含水层。

1）第四系孔隙水。零星分布于矿区内的斜坡及冲沟的沟底地段，出露厚度极不均一，根据钻孔资料，厚度为0～10m。该层具透水性，仅季节性含水，富水性弱。

2）下三叠统夜郎组第二段岩溶裂隙水。上部为灰色、浅灰色薄—中厚层灰岩，下部为深灰色泥灰岩，节理裂隙发育，厚130～180m，出露于矿区北西部，露头灰岩遭受风化作用和岩溶作用侵蚀，岩溶裂隙、节理较发育，富水性中等。

3）上二叠统长兴组岩溶裂隙水。该岩溶含水层出露于矿区南西部，为灰、深灰色中厚至块状灰岩，局部含燧石结核；厚37.38～41.23m，平均厚39.29m。地表处露泉水点1 个，流量为0.794L/s，出露标高为1228m。矿区内揭露的11 个钻孔均见溶蚀现象，全层岩溶率为0.8%。为矿床充水间接顶板，富水性中等—强。地下水化学类型为SO42-、HCO3—Ca2＋，矿化度为1.28g/L，pH值7.60。

4）上二叠统龙潭组岩溶裂隙水。在矿区的西部小面积出露，岩性主要由黏土岩、炭质黏土岩、粉砂质黏土岩、粉砂岩及灰岩和煤层交互组成，厚度88.25～108.79m。含可采煤层3 层，由上至下为C5、C9、C15。地表调查中未见泉水点；钻孔简易水文地质未见明显异常，含基岩裂隙水，为矿床直接充水顶板，富水性弱。据相邻矿山中心煤矿的ZK304 钻孔（距矿区西面约1km）抽水试验成果，该层渗透系数K=0.001 9m/d，q=0.003L/（s·m）。

1.2.2 隔水层

工作面及附近出露地层中的主要相对隔水层有下三叠统夜郎组第一段、夜郎组九级滩段。

1）上二叠统夜郎组第一段。岩性为黄绿色、灰绿色页岩夹薄层泥质灰岩，厚8～13m，为夜郎组第二段与长兴组之间的相对隔水层。

2）上二叠统夜郎组九级滩段。为紫红色页岩夹褐黄色、褐灰色钙质页岩，中上部见1 层厚约20m浅灰色中厚层生物碎屑灰岩，厚80～140m，为夜郎组第二段与长兴组之间的相对隔水层。

2 10903工作面地质结构

10903 工作面主采C9 煤层。C9 煤层赋存于二叠系龙谭组中部，上距长兴组灰岩平均46.8m；下距底板承压含水层茅口灰岩平均50m。煤层厚度1.8～2.6m、平均2.5m，倾角5°～9°、平均7°。煤与含水层关系见图1。

图1 煤与含水层关系Figure 1 Relationship between coal and aquifer

3 事故分析

经10903 底抽巷工作面26 架煤机处涌水量观测点实测，事故前涌水量59.6m³/h（工作面出水量32m³/h，含老空水27.6m³/h）；事故中总水量迅速上升约200 m³/h，然后迅速回落，事故1 天后总水量60.8m³/h（工作面出水量33.2m³/h，老空水27.6m³/h，老空水水量稳定，无较大变化）。事故后在工作面下出口观测，3～7 号支架淋水较大，水沿支架结合部和煤壁流出，运输巷排水沟总涌水量32m³/h左右。

经事故现场勘查，此次事故冒顶区位于10903工作面15～25 号支架之间，25 号支架至溜头被冒落矸石填充，无法通行，1 号支架压死；在冒落矸石区未发现泥沙存在，矸石上部为多为5cm左右碎石。

通过事故现场勘查、幸存人员调查，存在顶板冒落、水石溃入的事实；经灾害机理分析，认定事故为离层水引起的溃水溃矸事故.特点是事故水源由顶板离层水引起；溃入物为矸石与水的混合物；触发因素为长时间停产，支护变动；动力源为高位离层顶板岩层切冒破断作用和离层水水压力作用。该事故突发性强，来势凶猛，混合物中矸石多水少，石、水分离快，迁移距离较短，危害性大，可以迅速淤塞整个工作面，掩埋采面设备及施工人员。

4 事故形成机制分析

4.1 控制离层水的关键层

C9煤层上覆岩层可以分为三层，第一层是泥质粉砂岩，厚度较大，为5.34～14.46；第二层为5.94m左右的粉砂岩岩层；第三层长兴组灰岩（39.2～51.12m）。由于矿物成分及成岩时间不同，煤系构成厚度不等、强度不同的多层岩层。采场覆岩的力学模型如图2所示。

图2 工作面顶板力学模型Figure 2 Mechanical model of working face roof

工作面一层或数层厚硬岩层在岩层移动中起主要的控制作用。顶板关键层离层控制作用的模拟试验参图3。

图3 顶板关键层离层控制作用模拟试验Figure 3 Simulation test on the control effect of key layer abscission layer the Roof

长兴组灰岩位于煤层上方46.8m，厚度为39.48m，厚度和强度都比下部细砂、粉砂质岩层大，总体呈中等坚硬，控制着工作面矿山压力的显现规律。

10903 综采工作面走向长度890m（走向可采长度840m），斜长160m，采煤方法为走向长壁后退式，采煤工艺为综合机械化采煤，参照公式（1），导水裂隙带高度最大约39.61m，长兴灰岩位于导水裂隙带上方的弯曲带范围内［11-13］。

式中：M为煤层厚度，m；Hli导水裂隙带高度，m。

由于上覆灰岩与下部粉砂岩、粉砂质泥岩的力学性质不同，顶板冒落后，顶板弯曲程度不同，长兴灰岩下方、导水裂隙带上部形成离层空间且逐渐增大，长兴灰岩水逐渐渗入，形成离层水。下部泥岩、砂质泥岩与砂岩遇水易软化，煤层采动形成的导水裂隙容易闭合，重新充填胶结恢复隔水性能，阻隔上覆含水层水及离层水向采空区下渗流，成为充水空间的弱渗透底板，为离层水集聚提供了条件［14-16］。

4.2 离层水的补给水源

长兴组灰岩下距C9 煤层46.8m，不但是控制顶板覆岩离层的关键层，而且是离层水的主要补给水源。

4.3 工作面离层水发育

随着工作面推进，离层在平面上向前移动；垂向上逐渐抬高，下部的离层逐渐被压实闭合、上部的离层逐渐形成，大致发育形态呈“梯形”。 10903工作面没有严格落实瓦斯综合治理措施，上覆5煤、4 煤瓦斯治理不充分，工作面瓦斯频繁超限，导致停产时间过长。顶板冒落后，不同岩层弯曲变形程度不同，长兴灰岩下方、导水裂隙带上部形成离层空间，长兴灰岩含水层水逐渐渗入，形成离层水［17-18］。采空区上方离层水形成后、逐渐发展并沿裂隙渗漏，正常推采情况下离层水发育见图4。

图4 正常推采情况下离层水发育示意Figure 4 Schematic diagram of abscission layer water development under normal push mining conditions

腾龙煤矿开采过程中相继发生过多起离层水突水事故，其中2020 年11 月11 日10901 工作面出水，最大涌水量达800m3/h；10903 工作面5 月21 日23点工作面22～27号支架顶板出水，涌水量50m³/h；2022年5月27日在1～34号支架顶板出水，涌水量最大180m³/h。5月27日涌水量最大209m3/h。

4.4 断层破坏致岩体碎裂

2022 年5 月4 日10903 工作面回采至运输巷560m，回风巷568m时，工作面揭露断层5条，均为正断层，5 组断层发育走向与工作面推采夹角小，且位于1～40号支架区域，造成煤层顶板破碎［13］。

4.5 工作面支护变动引发溃水溃矸

由于断层的破坏及采动裂隙的影响，承压离层水沿裂隙流出，当离层水水力坡度超过和达到沙或细小矸石的临界水力坡度，渗透力或动水压力足以使崩解堆积的砂土颗粒流动，发生类似管涌现象，使顶板岩体强度逐渐弱化。现场工人急于复产，有推溜、拉架，护帮板收回、打出等动作，拆除了单体柱和煤壁上的贴帮柱，部分伸缩梁没有打到位，导致局部空顶。以上动作使支架泄压，岩体进一步离层碎裂，同时煤机强烈震动，局部岩体架前切冒。顶板切冒后，碎裂岩体的导水通道变大，导致后方离层水突出。顶板离层水与破碎矸石一并冒落，工作面迎头形成溃水溃矸（图5）。大小矸石与地下水混合，形成水石两相流，在重力、地下水动水压力作用下，水石、泥混合物沿工作面倾向迅速向下流动，淤塞了一段工作面。

图5 溃水溃矸示意Figure 5 Schematic diagram of water and gangue collapse

5 结论

1）10903 工作面事故是由上覆离层水引起的溃水溃矸事故。该灾害突发性强，危害大，能迅速吞没、淤塞一段工作面。

2）工作面覆岩软硬相间的地质结构、主采煤层与长兴灰岩的间距及采厚是离层空间形成的客观因素。10903 工作面煤层上部的长兴组灰岩是控制覆岩形成离层空间关键层，长兴灰岩水是离层水的主要补给水源。

3）工作面隐伏小断层发育和工作面长时间停止推进导致顶板离层、碎裂、充水，岩体强度弱化；顶板冒落后，采空区上方离层水形成并沿裂隙渗漏。长时间停产是离层水逐渐发育的原因。工作面离层水发育、断层破坏是工作面溃水溃矸的客观因素。支护缺陷、采煤机振动导致顶板碎裂、架前切冒，是溃水溃矸的触发因素。离层水既是充水水源，又是溃矸快速流动的动力因素。

4）保证工作面正常推进，降低离层空间的发育，减小离层水的发育规模。离层水形成后，应采取探放措施，疏降离层水，降低离层水压。工作面上覆5煤、4煤瓦斯治理不充分，瓦斯频繁超限，是停产时间过长的原因.应加强瓦斯治理，减少停产时间。瓦斯、水、顶板等灾害并存的工作面，应综合分析，制定综合性的防治技术措施。