馬蓮凈，趙寶峰，徐會(huì)軍，曹海東

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054; 3.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司 陜西 西安 710054; 4.國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011)

隨著煤礦開(kāi)采條件的日趨復(fù)雜，礦井機(jī)械化程度的提高和綜放開(kāi)采等開(kāi)采方式的普及，煤層開(kāi)采對(duì)圍巖的擾動(dòng)和破壞逐漸增大，由此引發(fā)的斷層和離層水害事故也呈現(xiàn)出頻發(fā)的趨勢(shì)。老虎臺(tái)礦是一個(gè)具有百年開(kāi)采歷史的礦井。2007-03-10，73003工作面發(fā)生頂板潰水，造成了重大人員傷亡事故。通過(guò)對(duì)井田水文地質(zhì)條件的分析，其致災(zāi)因素為斷層和離層帶水，但是潰水特征又有別于常見(jiàn)的斷層和離層潰水。

關(guān)于斷層活化導(dǎo)水和致災(zāi)機(jī)理的研究較多，蔣金泉等[1]采用三維數(shù)值模擬，分析了工作面向逆斷層推進(jìn)過(guò)程中的煤層頂板運(yùn)動(dòng)、采動(dòng)應(yīng)力演化特征及斷層活化規(guī)律;喬偉等[2]提出了綜放開(kāi)采下斷層活化突水先后經(jīng)歷了孔隙流—裂隙流—管道流;朱斯陶等[3]利用理論分析、數(shù)值模擬和微震監(jiān)測(cè)等方法，對(duì)特厚煤層開(kāi)采斷層活化規(guī)律進(jìn)行研究;卜萬(wàn)奎等[4]通過(guò)建立巖石力學(xué)模型，推導(dǎo)了斷層位置法向應(yīng)力和剪應(yīng)力的計(jì)算公式;趙善坤[5]運(yùn)用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)、采場(chǎng)覆巖位移和應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究了采動(dòng)影響下斷層活化前后的覆巖運(yùn)動(dòng)特征、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和動(dòng)力響應(yīng)特征;師本強(qiáng)等[6]推導(dǎo)出斷層活化的臨界傾角、臨界開(kāi)采深度和工作面的臨界推進(jìn)距離;姜耀東等[7]研究了斷層接觸面上法向應(yīng)力、剪切應(yīng)力的時(shí)空演化規(guī)律及斷層上、下盤(pán)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。隨著對(duì)離層水害認(rèn)識(shí)的逐步深入，其產(chǎn)生位置、潰水機(jī)制和防治措施成為了研究的重點(diǎn)，喬偉等[8-9]分析了崔木煤礦多起離層水害事故后，總結(jié)了離層水形成的基本條件和位置，并制定了離層水防治方案;孫學(xué)陽(yáng)等[10]采用數(shù)值模擬的方法分析了離層形成過(guò)程，總結(jié)了離層水害的周期性特征;李新鳳等[11]對(duì)濟(jì)寧三號(hào)煤礦3上煤頂板離層水形成條件及對(duì)生產(chǎn)的影響進(jìn)行了研究;姜國(guó)成[12]分析了離層水形成層位，并通過(guò)水化學(xué)方法確定了工作面潰水水源;方剛等[13]研究了玉華煤礦1418工作面離層水的形成、發(fā)展、潰水過(guò)程及潰水機(jī)理;李小琴[14]對(duì)堅(jiān)硬覆巖下重復(fù)采動(dòng)離層水形成、涌突機(jī)理進(jìn)行了研究和探討，并提出了離層水防治的關(guān)鍵技術(shù);韓東亞等[15]通過(guò)數(shù)值模擬和相似材料模擬認(rèn)為淮北海孜煤礦的頂板水害為次生離層水包破裂所致，并通過(guò)鉆探等得到了證實(shí)。

以上研究對(duì)于斷層和離層水害防治起到了重要的推進(jìn)作用，但斷層和離層共同作用下誘發(fā)水害事故的相關(guān)研究鮮有報(bào)道，同時(shí)復(fù)雜開(kāi)采條件下多因素耦合潰水致災(zāi)機(jī)理等方面研究?jī)?nèi)容較少。為了保障老虎臺(tái)礦的安全生產(chǎn)，需要通過(guò)對(duì)73003工作面潰水案例進(jìn)行深入研究，揭示斷層-離層耦合潰水機(jī)理，進(jìn)而提出水害防治對(duì)策，避免類(lèi)似水害事故的再次發(fā)生。

1 礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)和水害概況

1.1 礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

(1)井田地層。老虎臺(tái)井田內(nèi)鉆孔揭露的地層由新至老分別為第三系、第四系、白堊系和太古鞍山群(表1)，礦井主采煤層為 “本層煤”，該煤層的最大厚度為130 m，最薄為8 m，平均厚度59.58 m，最大埋藏深度1 300 m。

(2)井田構(gòu)造。老虎臺(tái)井田為軸向近似東西的不對(duì)稱(chēng)向斜構(gòu)造，北翼較陡，南翼較緩。由于受喜馬拉雅造山運(yùn)動(dòng)的影響，在南北擠壓應(yīng)力的作用下煤田北部產(chǎn)生了F1逆斷層(圖1(a))，并與煤田走向以10°左右的夾角斜切向斜的北翼，把上盤(pán)的煤巖層沖到千米以上，后期被剝蝕。

(3)井田水文地質(zhì)條件。老虎臺(tái)井田由上至下分別有第四系沖積層、第三系泥灰?guī)r和凝灰?guī)r、白堊系砂礫巖4個(gè)含水層，根據(jù)以往抽水試驗(yàn)資料，第四系含水層為強(qiáng)富水，其余3個(gè)含水層均為弱～中等富水。井田內(nèi)主要斷層多為泥質(zhì)碎屑物、方解石所充填，為閉合斷層，經(jīng)抽水試驗(yàn)驗(yàn)證，富水性較弱。

表1老虎臺(tái)井田地層
Table1StrataofLaohutaicoalfield

巖性密度/(kg·m-3)彈性模量/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa泊松比黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)綠色頁(yè)巖2 45314 92026.32.950.214.050油母頁(yè)巖2 1891 1705.51.010.241.144煤層1 2203 35017.32.980.283.442泥灰?guī)r2 71244 76840.14.600.226.854砂礫巖2 55217 88523.01.520.183.057斷層1 7201 0001.60.200.310.131松散層1 7201 0001.60.200.310.131

圖1 68002,73003工作面及“3·10”潰水位置示意Fig.1 Position of 68002,73003 working face and “3·10” water inrush site

1.2 礦井潰水概況及成因初步分析

老虎臺(tái)礦采用特厚煤層水平分層走向長(zhǎng)壁后退式、綜合機(jī)械化放頂煤采煤法。73003綜放工作面位于井田中部，開(kāi)采厚度為40～60 m，工作面走向長(zhǎng)度650 m，由東向西小面對(duì)接大面俯斜式開(kāi)采，東部?jī)A向長(zhǎng)度80 m，走向長(zhǎng)度300 m，西部?jī)A向長(zhǎng)度100 m，走向長(zhǎng)度350 m(圖1(b))，煤層頂板為油母頁(yè)巖，底板為凝灰?guī)r。73003工作面上方的68002工作面已于2001年底回采完畢。

73003工作面于2007-03-10回采至190 m(6250剖面附近)處發(fā)生頂板潰水事故(圖1)，潰水持續(xù)約0.5 h，總潰水量3 000 m3，包括綠色頁(yè)巖、油母頁(yè)巖、煤炭淤泥及少量砂礫巖在內(nèi)的沖積物5 000 m3;約30 t的大塊綠色頁(yè)巖從工作面上端頭移動(dòng)距離約260 m;沖毀機(jī)巷和煤門(mén)膠帶3條，上隅角3個(gè)支架移動(dòng)1.2 m。

根據(jù)對(duì)73003工作面潰水點(diǎn)、井下各水平涌水點(diǎn)和地表水取樣化驗(yàn)，采用同位素、水化學(xué)特征、飽和指數(shù)SI和指紋圖等方法綜合分析，73003工作面潰水主要來(lái)自白堊系砂礫巖含水層。

73003工作面潰水具有以下幾個(gè)特點(diǎn):架后潰水、瞬時(shí)水量大、衰減速度快、潰水勢(shì)能大、過(guò)水通道大、潰出物成分復(fù)雜等。根據(jù)對(duì)73003工作面潰水特征的分析，初步判斷此次潰水的直接水源為一定規(guī)?？臻g內(nèi)的蓄積水體，根據(jù)潰出物成分，導(dǎo)水通道為73003工作面回采產(chǎn)生的垮落帶，本質(zhì)為工作面頂板斷層-離層耦合潰水。筆者選取距離水害事故發(fā)生最近的6250剖面作為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬和相似材料模擬實(shí)驗(yàn)兩種方法定量分析、相互驗(yàn)證，總結(jié)了特厚煤層分層綜放開(kāi)采條件下覆巖破壞規(guī)律、斷層和離層空間形成特征，進(jìn)而揭示了斷層-離層耦合潰水機(jī)理。

2 特厚煤層分層綜放開(kāi)采數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型及參數(shù)

將發(fā)生水害事故附近的6250剖面作為數(shù)值模型主斷面(圖1(a))，模型模擬范圍長(zhǎng)2 000 m，高760 m，模型內(nèi)的各巖層做分層處理，如圖2所示。利用UDEC軟件建立數(shù)值模型，采用不規(guī)則的三角形劃分網(wǎng)格單元，模型塊體的本構(gòu)關(guān)系選用莫爾—庫(kù)侖模型，節(jié)理的本構(gòu)模型采取面接觸的庫(kù)侖滑移模型。

圖2 老虎臺(tái)礦6250剖面數(shù)值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model of profile 6250 in Laohutai Coal Mine

根據(jù)老虎臺(tái)礦巖石力學(xué)性質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置模型所需參數(shù)(表2)。模型開(kāi)采時(shí)，自上而下進(jìn)行，先分5步開(kāi)采圖2中的白色區(qū)域，然后依次開(kāi)采68002和73003工作面。

表2老虎臺(tái)礦煤、巖層物理力學(xué)參數(shù)
Table2PhysicalandmechanicsparametersofcoalandrockinLaohutaicoalmine

圖3 特厚煤層分層綜放開(kāi)采覆巖破壞Fig.3 Overburden failure of fully-mechanized sublevel caving of ultra-thick coal seam

2.2 覆巖破壞特征

當(dāng)68002工作面回采后(圖3(a))，上覆巖層產(chǎn)生拉張破壞，塑性破壞區(qū)主要集中分布在上覆油母頁(yè)巖中，F(xiàn)18和F1斷層帶之間綠色頁(yè)巖局部發(fā)生破壞。采空區(qū)兩端應(yīng)力集中，呈現(xiàn)兩端不對(duì)稱(chēng)的“馬鞍狀”狀破壞區(qū)。73003工作面回采后(圖3(b))，覆巖破壞進(jìn)一步擴(kuò)大，塑性破壞區(qū)高度進(jìn)入綠色頁(yè)巖，并且越過(guò)F18斷層擴(kuò)大至斷層上盤(pán)。

利用數(shù)值模擬得到的塑形區(qū)分布范圍和高度，確定垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度。68002工作面開(kāi)采后，垮落帶高度約210 m，導(dǎo)水裂縫帶高度約299 m，其冒采比和裂采比分別為5.25和7.48;73003工作面開(kāi)采后，垮落帶高度增加至282 m，而導(dǎo)水裂縫帶高度則增加至431 m，其冒采比和裂采比分別為4.70和7.18(表3)。

表368002和73003工作面“兩帶”發(fā)育高度
Table3Heightsof“twozones”of68002and73003workingface

工作面采高/m垮落帶高度/m導(dǎo)水裂縫帶高度/m冒采比裂采比68002402102995.257.4873003602824314.707.18

2.3 斷層空間形成特征

為了分析68002工作面開(kāi)采對(duì)斷層的擾動(dòng)，在F18,F16-1和F1斷層上、下盤(pán)分別布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)68002工作面回采后各斷層上、下盤(pán)的位移情況。斷層上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置原則是:自煤層頂板向上每間隔100 m設(shè)置一組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，至斷層頂部;當(dāng)斷層延伸范圍有限時(shí)，適當(dāng)調(diào)整監(jiān)測(cè)點(diǎn)的間距;斷層上、下盤(pán)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于同一水平面上，斷層帶上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 斷層面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.4 Monitoring points of fault planes

當(dāng)68002工作面回采后，F(xiàn)18斷層上、下盤(pán)下沉值之差最大值為0.85 m，F(xiàn)16-1斷層上、下盤(pán)下沉值之差最大值為0.04 m，F(xiàn)1斷層上、下盤(pán)下沉值之差最大值為0.09 m(圖5)，并且隨著與煤層頂板距離增大，斷層上、下盤(pán)的間距表現(xiàn)出先增大后減小的特點(diǎn)。

圖5 68002工作面回采后斷層空間形成特征Fig.5 Formation characteristic of fault space after 68002 working face mining

2.4 離層空間形成特征

68002工作面回采后，F(xiàn)18斷層周邊形成的離層空間主要位于距離煤層頂板200～250 m，F(xiàn)16-1和F1斷層之間的離層空間主要位于250～300 m(圖6)，這兩個(gè)位置恰好是油母頁(yè)巖和綠色頁(yè)巖的接觸面，由于這兩種地層的巖性和物理力學(xué)性質(zhì)存在較大差異，在工作面回采擾動(dòng)下，容易形成離層空間。F18斷層周邊地層受68002工作面采動(dòng)影響較大，形成了覆巖中規(guī)模較大的離層空間。

圖6 68002工作面回采后離層空間形成特征Fig.6 Formation characteristic of bed separation space after 68002 working face mining

3 特厚煤層分層綜放開(kāi)采相似材料模擬

3.1 相似材料模擬模型

根據(jù)井田地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以河沙為骨料，以石膏為膠結(jié)物，以滑石粉為填料，用不同配比模擬地層中的軟弱、中硬和堅(jiān)硬巖層。用白云母片模擬各巖層之間的層理面。根據(jù)相似比以及模擬煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)合相似材料試件測(cè)試成果，選擇相似材料的配比見(jiàn)表4。相似材料模擬實(shí)驗(yàn)所用裝置長(zhǎng)3.0 m，高1.5 m，寬0.2 m。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備高度有限，綠色頁(yè)巖之上的地層采用荷載形式實(shí)現(xiàn)。

表4相似材料模擬配比
Table4Similarmaterialsimulationratio

巖性模擬材料質(zhì)量配比煤粉沙石膏滑石粉綠色頁(yè)巖0837油母頁(yè)巖0928煤261515泥灰?guī)r0737砂礫巖0837

相似材料模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M地層總厚度約為760 m，其中煤層上覆巖最大厚度650 m，根據(jù)相似條件，模型的尺寸及開(kāi)采厚度見(jiàn)表5和圖7。

表5模型尺寸及開(kāi)采厚度
Table5Modelsizeandminingthickness

參數(shù)橫向長(zhǎng)度垂向高度煤層采高原型尺寸/m1 20076040/50/60模型尺寸/cm30015010/12.5/15

圖7 相似材料模型Fig.7 Similar material model

圖8為測(cè)點(diǎn)布置示意，實(shí)際模擬時(shí)自煤層頂板上方10 cm處開(kāi)始布設(shè)4排觀(guān)測(cè)點(diǎn)，每排各測(cè)點(diǎn)順著巖層傾向，第1排布設(shè)在距離煤層頂板10 cm處，第2排布設(shè)在第1排上方20 cm處，第3排布置在油母頁(yè)巖和綠色頁(yè)巖巖層分界線(xiàn)處，第4排觀(guān)測(cè)點(diǎn)布置在第3排上方20 cm處，在斷層處加密測(cè)點(diǎn)。

圖8 相似材料模擬實(shí)驗(yàn)裝架Fig.8 Similar material simulation experiment frame

相似材料模型左邊留有10 cm的煤柱，開(kāi)挖分5大步完成，第1步至第3步模擬68002工作面之前的傾斜煤層開(kāi)采區(qū)域，每步采厚12.5 cm(即50 m);第4步模擬開(kāi)采68002工作面，開(kāi)采厚度10 cm(即40 m)，開(kāi)采長(zhǎng)度25 cm(即100 m);第5步模擬開(kāi)采73003工作面，開(kāi)采厚度15 cm(即60 m)，開(kāi)采長(zhǎng)度20 cm(即80 m)。

3.2 覆巖破壞特征

根據(jù)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)成果，68002工作面開(kāi)采后，垮落帶高度約228 m，導(dǎo)水裂縫帶高度約289 m，其冒采比和裂采比分別為5.70和7.23;73003工作面開(kāi)采后，垮落帶高度增加至308 m，而導(dǎo)水裂縫帶高度則增加至418 m，其冒采比和裂采比分別為5.13和6.97(表6)。

表668002和73003工作面“兩帶”發(fā)育高度
Table6Heightsof“twozones”of68002and73003workingface

工作面采高/m垮落帶高度/m導(dǎo)水裂縫帶高度/m冒采比裂采比68002402282895.707.2373003603084185.136.97

3.3 斷層空間形成特征

68002工作面回采后F18斷層順著斷層延伸方向發(fā)育有長(zhǎng)度224 m，寬度32 cm的裂縫。F1斷層順著延伸方向發(fā)育有長(zhǎng)度164 m，寬度8 cm的裂縫(圖9)。

圖9 68002工作面開(kāi)采后斷層及離層空間Fig.9 Fault and bed separation space after 68002 working face mining

3.4 離層空間形成特征

68002工作面回采后覆巖中產(chǎn)生兩個(gè)離層，1號(hào)離層距煤層頂板236 m，長(zhǎng)度136 m，2號(hào)離層距煤層頂板238 m，長(zhǎng)度72 m。1號(hào)離層發(fā)育位置位于綠色頁(yè)巖和油母頁(yè)巖的接觸面附近(圖9)。

4 特厚煤層分層綜放開(kāi)采工作面頂板斷層-離層耦合潰水機(jī)理及防治

4.1 重復(fù)采動(dòng)下工作面“兩帶”發(fā)育高度

以往老虎臺(tái)礦針對(duì)覆巖破壞規(guī)律方面開(kāi)展的研究工作較多，采用的方法包括數(shù)值模擬、微震探測(cè)和沖洗液消耗觀(guān)測(cè)法等，具體成果見(jiàn)表7。以往數(shù)值模擬研究的是覆巖破壞高度，沒(méi)有區(qū)分垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶;微震探測(cè)的83002工作面采高僅有11.6 m，與68002和73003工作面采高差異較大;沖洗液消耗觀(guān)測(cè)法是最直觀(guān)的探測(cè)方法，其結(jié)果通?？梢源韺?shí)際情況。

根據(jù)本次數(shù)值模擬和相似材料模擬研究成果，冒采比約為4.98～5.42，裂采比約為7.10～7.30，和沖洗液消耗觀(guān)測(cè)法所獲取的裂采比接近，說(shuō)明本次所得到工作面重復(fù)采動(dòng)覆巖破壞規(guī)律科學(xué)合理，可以作為分析73003工作面水害形成機(jī)理的依據(jù)。與同忻等礦區(qū)特厚煤層頂板堅(jiān)硬覆巖“兩帶”發(fā)育高度相比，老虎臺(tái)礦本層煤頂板軟弱覆巖的冒采比和裂采比相對(duì)較小[16]。

表7重復(fù)采動(dòng)下工作面“兩帶”發(fā)育高度探查成果
Table7Heightsof“twozones”underworkingfacerepeatmining

項(xiàng)目本次數(shù)值模擬本次相似材料模擬以往數(shù)值模擬微震探測(cè)沖洗液消耗觀(guān)測(cè)冒采比4.985.426.00——裂采比7.337.10—30.177.00

4.2 工作面頂板斷層-離層空間形成過(guò)程

68002工作面回采前，其頂板覆巖和斷層受擾動(dòng)較小(圖10(a));68002工作面回采后，F(xiàn)18,F16-1和F1斷層由于上、下盤(pán)的沉降程度不同形成各自的斷層空間。68002工作面覆巖中油母頁(yè)巖和綠色頁(yè)巖的巖性差異較大，受到工作面采動(dòng)的影響，其接觸面產(chǎn)生了規(guī)模較大的離層空間。橫-縱交錯(cuò)的斷層和離層空間形成過(guò)程彼此獨(dú)立，成為了良好的導(dǎo)水通道和儲(chǔ)水空間(圖10(b))。

圖10 工作面頂板斷層-離層形成、充水及潰水過(guò)程示意Fig.10 Formation,water filling and water inrush process of fault-bed separation on working face roof

4.3 工作面頂板斷層-離層空間充水過(guò)程

F1斷層上盤(pán)的白堊系砂礫巖含水層對(duì)F1斷層空間進(jìn)行持續(xù)水量補(bǔ)給，導(dǎo)致F1斷層活化為含(導(dǎo))水?dāng)鄬?，由于離層空間已經(jīng)將3條斷層空間溝通，F(xiàn)1斷層中的水體沿著離層空間進(jìn)入F18和F16-1斷層空間，并對(duì)覆巖中的離層進(jìn)行充水(圖10(c))。白堊系砂礫巖含水層富水性較弱，斷層和離層空間的充水也是一個(gè)緩慢的過(guò)程。綜上所述，68002工作面回采時(shí)，并未發(fā)生水害，而是為下部的73003工作面創(chuàng)造了潰水的條件。

4.4 工作面頂板斷層-離層潰水過(guò)程

73003工作面回采前，其覆巖中的離層空間以及F18,F16-1和F1斷層空間已經(jīng)蓄積了一定規(guī)模的水體(圖10(c))，由于73003工作面采放高度最大達(dá)到了60 m左右，并在局部可能更高，其形成的垮落帶溝通至斷層或離層水體，這些水體便以近似管道流的形式迅速潰入工作面(圖10(d))，并且73003工作面埋深較大，斷層和離層水體位置較高、距離工作面較遠(yuǎn)，因此，具有高承壓和高勢(shì)能等特點(diǎn)，從而具備將大塊綠色頁(yè)巖攜帶至工作面的條件。

4.5 工作面頂板斷層-離層潰水機(jī)理

結(jié)合工作面頂板斷層-離層空間形成、充水和潰水過(guò)程分析，其潰水機(jī)理為:特厚煤層分層開(kāi)采過(guò)程中，受到上分層綜放工作面開(kāi)采的擾動(dòng)，覆巖中巖性不同的巖層之間出現(xiàn)離層，同時(shí)含(導(dǎo))水性較差的斷層由于上、下盤(pán)沉降程度不同出現(xiàn)斷層空間，從而“活化”導(dǎo)水，斷層-離層空間在接受含水層的補(bǔ)給后，形成斷層和離層水體，當(dāng)下分層綜放工作面開(kāi)采形成的垮落帶溝通至斷層和離層水體后，發(fā)生潰水。

4.6 工作面頂板斷層-離層潰水特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)老虎臺(tái)礦73003工作面斷層-離層耦合潰水機(jī)理的分析，并結(jié)合礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)條件分析，其潰水水源、通道和特征與常規(guī)斷層水害和離層水害相比有以下3個(gè)特點(diǎn):

(1)斷層、離層作為水源和通道的復(fù)合特性。受到特厚煤層分層綜放開(kāi)采的擾動(dòng)，斷層和工作面覆巖中產(chǎn)生空間，斷層空間接受白堊系含水層的補(bǔ)給，成為充水水源，同時(shí)作為導(dǎo)水通道向離層空間進(jìn)行水量補(bǔ)給;而離層在接受斷層水補(bǔ)給后成為充水水源，同時(shí)又向周邊斷層空間進(jìn)行水量補(bǔ)給，成為導(dǎo)水通道。

(2)垮落帶在工作面潰水中的特殊屬性。以往頂板水害防治關(guān)注的導(dǎo)水通道為垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶，而對(duì)于油母頁(yè)巖和綠色頁(yè)巖等軟弱覆巖，遇水容易崩解泥化，形成的導(dǎo)水裂縫帶高度較堅(jiān)硬覆巖有所減小，并且在高地應(yīng)力和遇水的條件下易閉合，故73003工作面潰水的通道為垮落帶，從潰出物中存在大塊綠色頁(yè)巖可以得到驗(yàn)證。

(3)潰水的滯后性。斷層-離層潰水具有顯著的滯后性，主要表現(xiàn)在上分層工作面開(kāi)采并不會(huì)發(fā)生水害，但是形成的斷層和離層水體為下分層工作面回采埋下了水害隱患，當(dāng)下分層工作面回采波及至斷層和離層水體時(shí)，即發(fā)生潰水事故。

4.7 工作面頂板斷層-離層潰水防治方案

在查明了斷層-離層耦合潰水機(jī)理后，可以采取有針對(duì)性的防治水方案，杜絕水害事故的發(fā)生。

根據(jù)斷層-離層潰水機(jī)理，將研究區(qū)煤層按受水害威脅程度進(jìn)行分區(qū):Ⅰ區(qū)受水害威脅程度輕:覆巖未產(chǎn)生或產(chǎn)生小規(guī)模斷層和離層空間;Ⅱ區(qū)受水害威脅程度較輕:覆巖中產(chǎn)生較大規(guī)模斷層和離層空間，但未充水;Ⅲ區(qū)受水害威脅程度較重:覆巖中形成小規(guī)模斷層和離層水體，且下分層工作面的垮落帶能夠波及至水體;Ⅳ區(qū)受水害威脅程度重:覆巖中形成大規(guī)模斷層和離層水體，且位于下分層工作面的垮落帶范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)典型剖面Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)煤層的安全回采，初步證明了分區(qū)的可靠性(圖11)。

圖11 水害威脅程度分區(qū)及驗(yàn)證(7200剖面)Fig.11 Partition of threat level of water disaster and verification(7200 profile)

對(duì)于Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)內(nèi)的工作面在回采前，必須開(kāi)展斷層-離層水害防治工作，包括以下3個(gè)方面:

(1)上分層工作面回采完畢后，對(duì)剛形成且尚未充水的斷層和離層空間進(jìn)行注漿充填，避免斷層和離層水體形成;

(2)從地面或井下施工斷層和離層水體探放鉆孔，在下分層工作面回采前，對(duì)發(fā)育規(guī)模較大的斷層和離層水體進(jìn)行疏放;

(3)減少工作面放頂高度或采用充填開(kāi)采等方法開(kāi)采下分層工作面，以減少對(duì)覆巖的再次破壞，避免溝通至已形成的斷層和離層水體。

5 結(jié) 論

(1)模擬特厚煤層分層綜放開(kāi)采軟弱覆巖條件下冒采比約為4.98～5.42，裂采比約為7.10～7.30，相對(duì)于堅(jiān)硬覆巖條件下“兩帶”發(fā)育高度較低。

(2)斷層在綜放工作面采動(dòng)影響下，由于上、下盤(pán)沉降幅度的差異，形成了斷層空間，距離回采工作面較近、落差較大的斷層形成的空間較大。

(3)在上分層工作面回采擾動(dòng)下，不同巖性軟、硬巖層間易形成離層空間，其中能夠接受水源補(bǔ)給且位于下分層工作面垮落帶范圍內(nèi)的為致災(zāi)離層，是離層水害防治的重點(diǎn)對(duì)象。

(4)斷層-離層耦合潰水主要是由于特厚煤層上分層工作面回采導(dǎo)致斷層和離層空間的形成，接受斷層上盤(pán)含水層補(bǔ)給后形成斷層和離層水體，當(dāng)下分層工作面回采時(shí)產(chǎn)生的垮落帶溝通至水體后形成水害事故。

(5)對(duì)于斷層-離層耦合潰水，可以采取將斷層和離層水體進(jìn)行超前疏放，減少放頂高度或采用充填法開(kāi)采等技術(shù)來(lái)減少對(duì)覆巖的擾動(dòng)。