賈 民 田 濤

(兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧二號(hào)礦，山東省濟(jì)寧市，272072)

近年來(lái)，由于我國(guó)煤炭產(chǎn)量不斷增加、煤礦開(kāi)采深度的增大及多煤層疊加開(kāi)采等原因，一種特殊的水害類型——覆巖離層水水害開(kāi)始出現(xiàn)。覆巖離層水水害由于具有瞬時(shí)水量大、突水征兆不明顯、危害大等特點(diǎn)而成為水害治理的難點(diǎn)，已逐步引起重視。

兗礦集團(tuán)濟(jì)寧二號(hào)礦在對(duì)工作面采空區(qū)疏放水期間，出現(xiàn)了采場(chǎng)覆巖離層水害，主要特點(diǎn)為采場(chǎng)導(dǎo)水裂隙帶之上發(fā)育有較大規(guī)模離層，離層上方為含水層；工作面回采期間無(wú)突水現(xiàn)象，涌水量正常；相鄰工作面開(kāi)采對(duì)采空區(qū)疏放水過(guò)程中，前期涌水量正常，隨采空區(qū)頂板的繼續(xù)變形，涌水量突然增大。

1 工作面采空區(qū)異常出水經(jīng)過(guò)

濟(jì)寧二號(hào)煤礦113下05工作面為十一采區(qū)先期開(kāi)采工作面，斷層構(gòu)造簡(jiǎn)單，采用長(zhǎng)壁式綜采放頂煤全部垮落采煤法，工作面平均涌水量10.5m3／h，未曾發(fā)生頂板淋水、突水現(xiàn)象。2007年7月相鄰113下06工作面切眼及軌道巷道施工，至8月底共超前疏放113下05采空區(qū)積水約9.6萬(wàn)m3，與預(yù)計(jì)積水量相符。9月10日起113下06切眼及軌道巷道煤壁開(kāi)始片幫，已停產(chǎn)4個(gè)半月的113下05采空區(qū)頂板巖層開(kāi)始再次變形破裂，時(shí)常伴有巖層斷裂聲音，隨后采空區(qū)積水發(fā)生多次補(bǔ)給量突增過(guò)程，采空區(qū)積水水位不斷上升。從7月8日到12月25日，實(shí)際累計(jì)疏放采空區(qū)水46.6萬(wàn)m3，較采空區(qū)全積滿水加上期間的動(dòng)補(bǔ)給水量還多出約11.2萬(wàn)m3。由此推斷，應(yīng)有新的水源加入。

根據(jù)采區(qū)鉆孔資料和采礦資料分析可知，113下05工作面范圍內(nèi)3下煤層平均厚度為4.92m，在3下煤層頂板以上49.73m處發(fā)育有黏土巖 (厚度為5.19m)，黏土巖之上為厚層細(xì)砂巖 (平均厚度38m，鉆孔單位涌水量顯示其富水性弱)。由于厚層細(xì)砂巖與其下黏土巖的力學(xué)差異性，煤層開(kāi)采后在細(xì)砂巖-黏土巖界面處形成離層，同時(shí)由于細(xì)砂巖本身為含水層，離層形成后上部38m厚的細(xì)砂巖對(duì)離層進(jìn)行補(bǔ)給，形成離層水。因先期的采空區(qū)疏水作用，冒落帶壓密、水頭壓差增大等，離層水進(jìn)入采空區(qū)，造成疏放水量異常增大。

2 覆巖離層發(fā)育規(guī)律

針對(duì)113下05工作面頂板離層進(jìn)行了離散元數(shù)值模擬，結(jié)合113下07工作面井下鉆孔動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，分析確定離層發(fā)育位置及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律特征。

2.1 覆巖離層離散元數(shù)值模擬分析

基于113下05工作面基礎(chǔ)地質(zhì)資料，結(jié)合工作面開(kāi)采實(shí)際情況，建立工作面3下煤層回采時(shí)離層發(fā)育規(guī)律數(shù)值模型，模型尺寸為330m×106m，其巖體力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

113下05工作面回采覆巖離層變化離散元模擬結(jié)果見(jiàn)圖1。工作面開(kāi)采22m時(shí)，直接頂垮落；開(kāi)采49m時(shí)，直接頂泥巖隨采隨落，老頂中砂巖開(kāi)始垮落觸矸，后方采空區(qū)逐步壓實(shí)；工作面推進(jìn)到70m時(shí)，直接頂隨采隨落，老頂垮落觸矸，后方采空區(qū)被壓密，老頂上覆粉砂巖出現(xiàn)離層和豎向裂縫。

由113下05工作面數(shù)值模擬結(jié)果及分析可知，在3下煤層回采過(guò)程中，當(dāng)工作面推進(jìn)90m時(shí)，距煤層頂板約35m的中粗砂巖與下伏泥巖巖層界面出現(xiàn)離層，隨著工作面的推進(jìn)，在橫向和豎向上不斷發(fā)育，離層發(fā)育寬度及離層量均逐漸增大，至工作面推進(jìn)至130m時(shí)，該層位離層量出現(xiàn)極值，隨后該層位離層量將逐漸減小。

圖1 113下05工作面回采覆巖離層變化離散元模擬結(jié)果

2.2 井下鉆孔離層動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析

在113下07工作面回風(fēng)巷道，距切眼150m處的離層裂隙及兩帶施工電法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)鉆孔。在鉆孔中布置電極，采用并行電法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)鉆孔測(cè)線電阻率成像來(lái)監(jiān)測(cè)頂板覆巖破壞變化規(guī)律。

113下07工作面開(kāi)采頂板離層動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)見(jiàn)圖2。圖2顯示了開(kāi)采中頂板離層及離層水的發(fā)育動(dòng)態(tài)變化情況:工作面距孔口120m處 (距終孔水平距離約20m)電阻率分布情況可看作背景值情況，但由于此時(shí)鉆孔離工作面較近，在距掘進(jìn)工作面約60m范圍存在超前影響裂隙；孔口附近巖體存在巷道圍巖及鉆孔施工破壞裂隙；工作面推進(jìn)距孔口50m，此時(shí)工作面已有約50m的水平向采空區(qū)頂板變形破裂在探測(cè)范圍內(nèi)。電阻率較清楚顯示采空區(qū)上方約50m高，頂界面終止到泥巖層的導(dǎo)水裂隙帶；其上的中砂巖層存在離層裂隙，并開(kāi)始形成積水；推到距孔口15m，先期的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)生壓密，電阻率升高；其上的先期離層裂隙壓密，電阻率升高；向工作面推進(jìn)方向開(kāi)始產(chǎn)生新的離層，并形成積水；推過(guò)孔口7m，導(dǎo)水裂隙帶上方先期形成的離層水被擠壓，涌入到導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)，變?yōu)楦咦瑁湎碌膶?dǎo)水裂隙帶內(nèi)電阻率變低。

表1 工作面覆巖巖體工程地質(zhì)性質(zhì)參數(shù)指標(biāo)

圖2 113下07工作面開(kāi)采頂板離層動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)圖

上述現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與離層動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的數(shù)值模擬結(jié)果是基本一致的。

3 離層水形成條件分析與驗(yàn)證

3.1 可積水離層發(fā)育位置

離層注漿減沉方面的研究成果表明，若采動(dòng)離層空間位于煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶或與導(dǎo)水裂隙帶相連通時(shí)，該離層空間不具備離層注漿減沉的效應(yīng)。即離層注漿減沉僅能用于封閉的離層空間，即可進(jìn)行離層注漿的層位應(yīng)滿足:

式中:H——注漿層位至煤層的距離，m；

H導(dǎo)——煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶高度，m；

H壓——離層充填帶下位巖層豎向水力壓裂裂縫長(zhǎng)度，m；

H?！Ｗo(hù)層厚度，m。

同理，發(fā)育于采場(chǎng)冒裂帶中的離層空間，或者位于冒裂帶之上但與下部導(dǎo)水裂隙帶相通的離層空間都不具備相對(duì)封閉性，進(jìn)入離層內(nèi)的水體將直接下滲至下部導(dǎo)水裂隙帶或采空區(qū)，無(wú)法積聚形成離層水體?？煞e水離層發(fā)育位置見(jiàn)圖3，可積水離層的位置應(yīng)滿足:

圖3 可積水離層發(fā)育位置示意圖

3.2 離層補(bǔ)給水源

由于煤層開(kāi)采在覆巖內(nèi)形成相對(duì)封閉的離層后，若離層周邊有含水層存在且具有補(bǔ)給通道時(shí)，如離層沿含水層層面發(fā)育、或者離層發(fā)育的層位存在地表露頭，則可接受地表水沿層面的補(bǔ)給等，相對(duì)封閉的離層空間內(nèi)將持續(xù)接受補(bǔ)給而集聚形成離層積水。反之，若煤層開(kāi)采發(fā)育有相對(duì)封閉離層空間后，但周圍不存在補(bǔ)給水源，則不能形成離層積水，而將形成真空離層。

3.3 離層空間持續(xù)時(shí)間

依據(jù)前文覆巖離層數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合已有離層勘查與模擬研究成果可知，煤層采后覆巖中發(fā)育的離層不是固定不變的，其離層發(fā)育層位是隨著煤層不同開(kāi)采進(jìn)度而部分變化的，離層規(guī)模 (包括離層沿工作面推進(jìn)方向的長(zhǎng)度與離層豎向最大離層量)和離層形態(tài)是隨著工作面的推進(jìn)而不斷變化的。

對(duì)于每一層位離層而言，均存在一個(gè)由開(kāi)始發(fā)育離層、離層規(guī)模不斷發(fā)展、離層發(fā)育相對(duì)穩(wěn)定直至最終離層閉合的這樣一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程。即隨著工作面推進(jìn)，離層開(kāi)始發(fā)育；隨著工作面采空范圍繼續(xù)擴(kuò)大，該離層沿工作面推進(jìn)方向持續(xù)增大，豎向離層量逐漸增大；當(dāng)達(dá)到該離層上位巖層的極限破斷距時(shí)，離層規(guī)模發(fā)育到最大；隨后離層上位巖層板發(fā)生突然斷裂，整體下沉，位于其下方的離層規(guī)模迅速減小甚至閉合。由此，可將該離層由起始發(fā)育至閉合消失的這一時(shí)間段定義為離層的持續(xù)時(shí)間。

顯然，離層上位巖層越堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)越完整、其破斷距越大時(shí)，下位離層發(fā)育的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，由此該離層接受周圍補(bǔ)給水源的補(bǔ)給時(shí)間也就越長(zhǎng)，形成的離層積水水量也就越大，一旦發(fā)生離層水涌突，其危害性也就越大。

3.4 113下05工作面離層水形成條件的驗(yàn)證

基于前面113下05工作面覆巖離層理論判別及數(shù)值模擬結(jié)果，可知在4.59m泥巖組上方的中細(xì)砂巖組底部易于發(fā)育形成離層。由濟(jì)寧二號(hào)煤礦3下煤層導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)公式可得，113下05工作面的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度約為55.29m。由此可知，113下05工作面3下煤層回采形成的導(dǎo)水裂隙帶頂端發(fā)育于4.59m的泥巖組中 (泥巖組底界面距3下煤層頂55.02m)，發(fā)育于中細(xì)砂巖組與泥巖組交界面處的離層空間處于3下煤層導(dǎo)水裂隙帶的上方，位于整體移動(dòng)帶中。該離層空間下部仍有厚4.32m的泥巖未受導(dǎo)水裂隙帶波及，具備形成離層積水所需的封閉離層這一基本條件。

綜合113下05工作面數(shù)值模擬及離層判別結(jié)果表明，在113下05工作面3下煤層上覆巖層中的厚層砂巖層底部易于發(fā)育離層，且其底部均為泥巖或粉砂巖，富水性和透水性均較弱，具備形成離層水所需的相對(duì)封閉的離層裂隙；同時(shí)厚層砂巖層本身為弱富水含水層，能對(duì)離層裂隙形成充水補(bǔ)給，即3下煤層冒裂帶上方砂巖水為其下離層的補(bǔ)給水源，這已由113下06工作面切眼處的水樣水質(zhì)分析結(jié)果得到驗(yàn)證 (2007年9月20日，水樣為煤層頂板砂巖水)。綜上，113下05工作面頂板覆巖具備形成離層水的基本條件。

4 靜水壓涌突水通道形成力學(xué)機(jī)理

以上分析表明，隨著工作面向前推進(jìn)，采空區(qū)范圍逐漸增大，采場(chǎng)覆巖離層規(guī)模不斷增大，若周圍存在補(bǔ)給水源 (如含水層水或地表水等)，覆巖離層將不斷接受補(bǔ)給，而離層空間內(nèi)積水量的不斷增大，造成離層積水的靜水壓力逐漸增大，該靜水壓力必然施加到離層下位巖層上。

同時(shí)，離層下位巖層內(nèi)的微裂隙在靜水壓力作用下將產(chǎn)生擴(kuò)張、沖刷等作用，使得離層下位巖層中的有效隔水厚度逐漸減小，增大離層水涌入井下的可能性。

根據(jù)固支梁理論，若將采場(chǎng)覆巖中積水離層的下位巖層簡(jiǎn)化為梁，由于離層的存在，固支梁上不承受上覆巖層的重量，但由于離層水的存在，固支梁上將承受離層積水造成的靜水壓力 (可簡(jiǎn)化為均布荷載q0)，固支梁力學(xué)分析見(jiàn)圖4。

圖4 固支梁力學(xué)分析示意圖

在梁的兩端，即邊緣支撐處的彎矩最大:

式中:Mxmax——邊緣支撐處的最大彎矩；

L——離層沿工作面推進(jìn)方向的懸空長(zhǎng)度。

考慮到巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗剪和抗壓強(qiáng)度，當(dāng)巖梁 (離層下位巖層)下部的拉應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度時(shí)即發(fā)生破壞，即:

取q＝q0＋γ·h，得離層水的靜水壓力:

求得此時(shí)對(duì)應(yīng)的固支梁最小厚度:

式中:γ——離層下位巖層的重度；

h——離層下位巖層的厚度；

σt——離層下位巖層的抗拉強(qiáng)度；

q0——離層內(nèi)積水的靜水壓力；

hmin——離層下位巖層在離層水靜水壓力作用下能保持穩(wěn)定的最小厚度。

由此可知，若積水離層下位巖層的實(shí)際厚度h大于計(jì)算所得的hmin，即使存在離層水的靜水壓作用，離層下位巖層仍能有效阻隔離層水進(jìn)入井下；反之，若積水離層下位巖層實(shí)際厚度h小于hmin，則在離層水的靜水壓作用下，離層水將突破其下位巖層進(jìn)入井下，造成井下涌水量的增大。

據(jù)濟(jì)寧二號(hào)煤礦十一采區(qū)北部3下煤層頂板砂巖水位長(zhǎng)觀孔GP1-3孔實(shí)際觀測(cè)資料可知，113下05工作面頂板離層水發(fā)生涌突水時(shí)的最大水壓約為3.55MPa(觀測(cè)水頭高度為354.57m)，根據(jù)式 (6)計(jì)算得，在該靜水壓力作用下能保持穩(wěn)定的離層下位巖層最小厚度hmin為23.67m。

在113下05工作面頂板38m厚砂巖底面發(fā)育離層水，離層水下方存在約4.32m厚度的泥巖層未受導(dǎo)水裂隙帶波及，即離層水下位巖層的實(shí)際厚度h為4.32m。

此時(shí)，計(jì)算所得的hmin遠(yuǎn)大于離層下位巖層實(shí)際厚度h，在離層水的靜水壓力作用下，離層水必然突破該泥巖層，與下部導(dǎo)水裂隙帶溝通，從而對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充水，造成礦井涌水量增大。

圖5 離層水導(dǎo)流孔、離層水截流孔布置示意圖

5 覆巖離層水防治技術(shù)

根據(jù)前文離層水形成的基本條件分析可知，針對(duì)離層的相對(duì)封閉性，可以通過(guò)破壞離層的封閉性來(lái)避免離層水的形成；針對(duì)離層存在補(bǔ)給水源，可以通過(guò)超前疏放離層補(bǔ)給水源，攔截離層水補(bǔ)給途徑來(lái)避免覆巖離層水的形成。

上述兩種防止離層水形成的途徑都可以通過(guò)施工井下疏放水鉆孔來(lái)實(shí)現(xiàn)，依據(jù)其目的不同，可將井下疏放水孔分成離層水導(dǎo)流孔和離層水截流孔，見(jiàn)圖5。

(1)離層水導(dǎo)流孔，指向開(kāi)采工作面內(nèi)，終孔于離層發(fā)育帶或離層積水區(qū)。該類井下鉆孔的施工目的是為預(yù)先形成鉆孔組溝通預(yù)計(jì)離層水發(fā)育層位與采場(chǎng)，破壞離層的相對(duì)封閉性，在覆巖離層水對(duì)下部采場(chǎng)形成充水影響之前，對(duì)采場(chǎng)頂板水或覆巖離層水按計(jì)劃進(jìn)行超前疏放，減小或避免回采期間對(duì)下部采場(chǎng)的充水影響。

(2)離層水截流孔，指向開(kāi)采工作面外、終孔于離層水補(bǔ)給途徑中。該類鉆孔的施工目的是針對(duì)離層水的補(bǔ)給來(lái)源進(jìn)行中途攔截，使離層獲得的水源補(bǔ)給量大大減小，從而難以形成較大規(guī)模的離層積水，明顯降低離層水的危險(xiǎn)性。

離層水導(dǎo)流孔和離層水截流孔須在受離層水害威脅工作面回采之前就進(jìn)行施工，并進(jìn)行疏放水作業(yè)。

為檢驗(yàn)前述防治技術(shù)的有效性，對(duì)該礦113下07工作面施工離層水導(dǎo)流孔和離層水截流孔，這兩類鉆孔對(duì)113下06和113下05工作面采空區(qū)水進(jìn)行超前疏放，共計(jì)疏放水41.3萬(wàn)m3。隨后進(jìn)行的113下07工作面開(kāi)采實(shí)現(xiàn)了安全無(wú)水作業(yè)，表明了施工離層水導(dǎo)流孔和離層水截流孔這一離層水防治技術(shù)的有效性。

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