特厚煤層開采覆巖離層水形成及涌突風險

張培森，閆奮前，孫亞楠，吳俊達

（1.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島266590；2.礦業工程國家級實驗教學示范中心，山東 青島266590）

近年來，隨著我國科學技術的發展，我國煤炭產量的不斷增加，煤礦開采深度的增加，離層水害事故由一開始的陌生不了解，現如今已變的越來越常見。離層水害的發生給礦井防治水工作及安全生產構成嚴重威脅[1-5]。

關于離層水形成及致災機理國內許多學者均有研究。李小琴[6]對堅硬覆巖下重復采動離層水形成、涌突機理進行了研究和探討，并提出了離層水防治的關鍵技術；喬偉[7]等分析了濟寧二號煤礦離層水突水事故后，揭示了“靜水壓涌突水”機理并提出了集中離層水防治措施；曹海東[8]通過理論分析、案例解剖、數值模擬、相似模擬及現場驗證等手段，對離層水害類型進行了重新分類，并提出了離層水防控技術體系，針對黃隴侏羅紀煤田離層水災害頻發的現狀，研究成果也頗豐。婁金福[9]以崔木煤礦開展了現場跟班實測與理論研究，構建了離層水出水壓架預警機制；喬偉[10]等針對巨厚煤層在綜放開采條件下的煤礦工程實例分析，對采高和離層水突水的關系以及工作面推進速度與離層空間積水量的關聯性進行了研究；何也[11]等分析了郭家河煤礦多次離層水突水事故，總結出了突水水源、突水規律并提出了防治技術；方剛[12]等通過理論分析和數值模擬的方法分析了銅川玉華煤礦突水機理；呂廣羅[13]等提出了一種測預報系統和防治技術體系，在生產實踐中得到推廣應用。

以上的研究成果對黃隴侏羅紀煤田乃至全國離層水害的防治起了重要的作用，但對特厚煤層開采在離層水的形成及離層水涌突風險的評估很少有研究。為此，以招賢煤礦為研究背景，在分析水文地質條件的基礎上，對離層水的形成展開深入研究，對離層水涌突風險進行評估，避免離層水害發生。

1 水文地質分析

招賢煤礦地處陜西省黃隴侏羅紀煤田的永隴礦區。1307、1305、1303 工作面平面布置圖如圖1。首采區內1307 工作面為首采工作面及規劃開采的1305、1303 工作面主采侏羅系中統延安組3 煤，回采范圍內煤層傾角3°～17°不等，平均傾角9°，3 煤厚為4～15 m，平均厚度10 m。工作面頂板向上的主要巖性為泥巖、砂質泥巖、細、中、粗砂巖、粉砂巖、礫巖。

首采區內煤層頂板上方的主要含水層有第四系全新統含水層、第四系中上更新統含水層、新近系含水層、白堊系下統洛河組含水層、白堊系下統宜君組含水層、侏羅系中統直羅組含水層、侏羅系中統延安組煤層及其頂板砂巖含水層，煤層頂板各含水層厚度柱狀圖如圖2。

圖1 1307、1305、1303 工作面平面布置圖Fig.1 Layout plan of working faces 1307, 1305 and 1303

圖2 煤層頂板各含水層厚度柱狀圖Fig.2 Thickness histogram of each aquifer of coal seam roof

白堊系下統宜君組礫巖裂隙含水層厚度遠大于其它含水層，因此，僅白堊系下統宜君組礫巖裂隙含水層水對工作面生產影響最大。

自2017 年10 月回采以來，首采區共布置4 個長觀孔對宜君組含水層水位進行實時監測，其中G1孔布置于1307 工作面西北方向，距1307 工作面風巷170 m 左右。在1307 工作面開采初期G1 孔水位標高為+1 271.16 m，開采完畢后水位標高為+1 260.86 m，水位整體下降了10.3 m。在1307 工作面回采期間并沒有出現大范圍的透水事故，并且在對宜君組含水層水進行疏放，也沒有出水。這部分“消失”的水始終威脅著工作面的安全生產。

2 覆巖積水離層形成理論判別

根據傳遞巖梁理論[14-15]，認為可以把每1 組同時運動或近乎同時運動的巖層看成1 個運動的整體，稱之為傳遞力的巖梁。兩巖層在自重作用下的彎曲沉降分析，下巖層的跨度和彎矩先于上部巖層達到極限。上下兩巖層同時運動的臨界條件為：

式中：Ex為下部巖層的彈性模量，MPa；mx為下部巖層的厚度，m；Lx為下部巖層的極限破斷距，m；Ls為上部巖層的極限破斷距，m；Es為上部巖層的彈性模量，MPa；ms為上部巖層的厚度，m。

不滿足臨界條件，兩巖層分開運動。即使ms=mx和Es=Ex，但隨著采煤工作面的推進，下部巖層將先達到極限彎矩，滿足ωs＜ωx的條件，ωs為上部巖層的撓度，m；ωx為下部巖層的撓度，m。因此必然先行破壞，兩巖層分別形成傳遞巖梁依次運動。上部巖層強度越高（Es越大）、厚度越大，顯著運動滯后的時間越長。

基于以上離層形成條件分析成果, 將鉆孔所揭露的3 煤頂板各巖層相應參數代入式（1），離層層位判別表見表1。

表1 離層層位判別表Table 1 Discrimination table of separated layers

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采指南》（2017 版）中提供的厚煤層放頂煤開采的導水斷裂帶發育高度計算公式計算得出招賢煤礦導水斷裂帶發育高度約為210 m，裂采比為21。

結合表1 中離層層位判別，離層9 距3 煤頂板204.24 m，離層10 距3 煤頂板212.65 m。其中，導水斷裂帶發育高度為210 m，所以，1 號～9 號離層位于導水斷裂帶下方，無法形成負壓空間，周圍含水層水匯集到離層空間的水會通過導水裂隙直接進入工作面，離層10～離層13 位于導水斷裂帶之上，而離層10 的上下巖體為泥巖和粉砂巖，硬度相對較小，存在時間較短，不會形成離層積水，也就是說距3 煤頂板253.64 m 的厚170.03 m 的礫巖底部發育有可積水離層空間。在實際生產中需要及時探明離層發生位置并及時治理。

3 特厚煤層開采覆巖破壞試驗

3.1 離層動態發育過程

覆巖運動實物圖如圖3。

根據相似材料模擬試驗，在工作面推進到40 m左右時上覆懸露巖層，在重力作用下發生彎曲破斷，直接頂初次垮落，如圖3（a）。當工作面推進至135 m 時，基本頂出現初次垮落，距煤層頂板50 m處出現離層，如圖3（b）。當工作面推進至162.5 m時，發生周期性垮落，離層空間向上移動，隨著工作面的繼續推進，離層空間逐漸向上發育，如圖3（c）～圖3（h）。當工作面推進到350 m 時，離層空間發育到宜君組下方。

3.2 裂隙發育規律

豎向裂隙發育規律如圖4。由圖4 可知，豎向裂隙高度的增長可分為2 個階段：線性式上升階段、臺階式上升階段。在工作面推進距離在0～135 m 時，豎向裂隙呈現線性增長，在工作面推進距離在135～350 m 時，豎向裂隙呈現“臺階式”上升，在工作面推進到350 m 時，豎向裂隙發育高度為207.5 m，與前文中計算結果基本一致。

隨著工作面的開采，采空區面積逐漸擴大，頂板離層裂隙不斷向前、向上移動，發育形態可用“梯形”圖[16-19]來表示。離層發育空間位置圖如圖5。

圖5 離層發育空間位置圖Fig.5 Spatial map of separation development

離層空間發育高度始終保持在工作面推進距離的0.4～0.5 倍之間。離層橫向上的發展由巖層破碎角的圈定，在煤層開采中工作面一側的破碎角不斷發生變化，切眼一側的破碎角基本保持不變，在開采完成后兩側破碎角基本相同，其變化范圍在56°～62°。結合豎向裂隙的發育情況、鉆孔揭露巖層巖性及厚度可知，離層1～離層6 處于豎向裂隙發育區域內，離層空間無法形成負壓空間，不具備形成離層積水的條件。離層7 位于豎向斷裂帶上方并且離層的上位巖體為礫巖、下位巖體為泥巖，泥巖類遇水侵蝕后，多迅速崩解成粒狀或泥狀，泥巖遇水泥化重新具備隔水的能力，該特征對阻隔上部含水層地下水下泄具有重要意義，可使因采動產生的導水斷裂帶自動彌合，從而使隔水層在破壞后重新具備隔水能力，為離層積水創造了條件。隨著工作面的繼續推進，離層空間內的水越積越多，水壓逐漸加大，對周圍巖體有擠壓或張拉作用，當水壓達到下位巖體最大承受能力時，發生破斷，離層水涌突風險增大。

4 特厚煤層多個工作面依次開采離層發育規律

4.1 測線布置

采用FLAC3D數值模擬軟件，以原始的地質條件和巖層的賦存狀態和實際屬性為基礎[20]，模擬首采區內1307、1305、1303 工作面依次開采過程中離層發育情況。在模擬中沿煤層走向、傾向方向上共布置6 排測線。在1307、1305、1303 工作面走向方向上分別距離煤層頂板235、245 m 位置處布置2 排測線，此時在傾向上距模型邊界分別為290、490、720 m。同理，在1307、1305、1303 傾向方向上分別距煤層頂板235、245 m 位置處布置2 排測線，走向上距模型邊界290 m。

4.2 數值結果

通過監測模型中礫巖層、泥巖層的沉降變化，從而可以綜合確定各工作面推進過程中礫巖與泥巖間出現的離層的變化情況：在1307、1305、1303 工作面推采結束時，礫巖層的最大下沉量分別為0.27、0.30、0.98 m，泥巖層的最大下沉量為0.29、0.74、1.12 m，由此可知在1307、1305、1303 工作面推進中礫巖層和泥巖層之間出現0.02、0.44、0.04 m 的離層裂隙。在1307 工作面開采中，宜君組中的礫巖與安定組中的泥巖之間出現離層，這與理論計算，相似材料試驗結果相符，隨著1305 工作面的開采礫巖與泥巖之間的離層高度逐漸增大，在1303 工作面的推進過程中礫巖層下沉量突然增加，離層積水很有可能會發生涌突。

5 離層水涌突風險評估

工作面采動過程中離層水發生涌突根本原因是離層水體水壓作用下沖破隔水層與導水斷裂帶接通從而導致離層水涌突，離層水發生涌突影響因素示意圖如圖6。

圖6 離層水發生涌突影響因素示意圖Fig.6 Sketch map of factors influencing the occurrence of water inrush in the separation layer

通過計算H 值的大小，可對離層水的涌突大小進行評價，計算公式為：

式中：H 為相對隔水層厚度，m；Ht為煤層頂板到含水層之間的距離，m；Hf為導水斷裂帶發育高度，m；Hs為離層水體最大影響高度，m。

當H＞0 離層積水不會發生涌突；當H≤0 時離層水涌突風險較大。隨著離層積水量增大、水頭升高，對其周圍巖層形成擠壓或張拉作用，而離層下位完整巖層在自重及離層水作用下發生彎曲變形，從這一點來說，其受力狀態與采場底板巖層受底板承壓水體的力學作用類似，同時兩者涌突水通道所處的巖層結構也相似。據此，可引入底板突水危險性評價中的經驗突水系數法來確定離層水在靜水壓下能破壞（擊穿）其下位完整巖層的極限厚度，計算公式為：

式中：H′為不發生涌突水的極限有效隔水層厚度，m；p 為水頭壓力，MPa；T0為臨界突水系數，參照《煤礦防治水細則》可取0.1 MPa/m。

根據首采區鉆孔揭露的巖層，可統計得到煤層頂板到宜君組之間的厚度變化，可確定Ht；招賢煤礦水位標高約為+1 271.16 m（G1 孔），高出3 煤層底板約450 m，離層下位巖體承受的靜水壓力約為4.5 MPa，利用式（3）計算可得離層水影響范圍約為75 m，因此，Hs取75 m；在前文的計算中可確定招賢煤礦裂采比確定為21，可知Hf取210 m。通過式（2）可計算得到H 的大小來判別招賢煤礦首采區是否存在離層水涌突風險，將計算所得的數據導入surfer 中，對首采區離層水涌突風險進行評估，首采區涌突風險評估圖如圖7。

圖7 首采區涌突風險評估圖Fig.7 Risk assessment diagram of inrush in the first mining area

圖7 中，紅色符號表示計算結果大于0，說明該位置離層水涌突風險較小。在1307 工作面推進過程中沒有出現透水現象，分析其原因：①在1307 工作面開采結束后離層高度很小，形成離層積水量??；②相較于崔木煤礦，招賢煤礦隔水層中泥巖的含量大、煤層頂板距含水層距離遠，即使積水離層下位巖體出現裂隙，安定組內泥巖也會很快將裂隙彌合；③離層積水以水包的形式存在于上覆巖層中，在進行疏放時鉆孔沒有碰及水包；④據鉆孔抽水試驗資料q=0.000 31～0.037 96 L/（s·m），富水性弱，形成的離層積水量較小，不足以破壞隔水層與導水裂隙連通。雖然在1307 工作面推進中沒有發生離層水涌突事故，隨著1305、1303 工作面的依次開采積水離層存在著涌突風險，應加強離層水涌突的防范。

6 結 論

1）通過對招賢煤礦水文地質分析得出宜君組礫巖裂隙含水層水對工作面開采影響最大。

2）根據傳遞巖梁理論對覆巖離層層位進行了預判，結合導水斷裂帶計算結果分析得出積水離層位于宜君組下方。

3）通過相似材料模擬試驗發現招賢煤礦在開采中導水斷裂帶發育高度為207.5 m，與計算結果基本相符。在工作面推進到350 m 時，宜君組下方出現了可積水離層空間。

4）采用數值模擬的方法對多個工作面依次開采中礫巖層、泥巖層的位移進行了觀測，發現在1307工作面開采之間礫巖層與泥巖層間出現了明顯的離層，隨著1305、1303 工作面開采離層水涌突的風險增大。

5）引入底板突水系數法對招賢煤礦離層水涌突風險進行了評估并對離層水涌突風險較大區域進行了劃分，為煤礦安全生產提供了理論依據。