综放开采煤层顶板离层积水涌突特征及防治关键技术研究

吕广罗，李文平，黄 阳，张 勇，田刚军，肖荃泽，吕品田

（1.国土资源部煤炭地质勘查与综合利用重点实验室，西安 710054；2.中国矿业大学，江苏徐州 221116；3.陕西永陇能源开发建设有限公司崔木煤矿，陕西宝鸡 721501；4.陕西省一八六煤田地质有限公司，西安 710054）

综放开采煤层顶板离层积水涌突特征及防治关键技术研究

吕广罗1，4，李文平2，黄 阳3，4，张 勇4，田刚军4，肖荃泽4，吕品田4

（1.国土资源部煤炭地质勘查与综合利用重点实验室，西安 710054；2.中国矿业大学，江苏徐州 221116；3.陕西永陇能源开发建设有限公司崔木煤矿，陕西宝鸡 721501；4.陕西省一八六煤田地质有限公司，西安 710054）

通过对大埋深巨厚煤层综放开采条件下多起异常涌突水事故的研究，发现了一种新的矿井涌突水致灾类型，即煤层顶板覆岩离层积水涌突灾害，并提出相应的水害预测预报系统和防治技术体系，在生产实践中得到推广应用。在研究陕西省黄陇侏罗系煤田永陇矿区崔木煤矿工作面顶板离层积水涌突水事故时发现：离层积水涌突具有突发性强、危害性大、防治困难等特点，积水离层主要发育在白垩系砂砾岩与侏罗系泥岩接触带以及白垩系下部砂砾岩段，离层积水的补给来源以白垩系砂砾岩地下水为主，离层积水形成、赋积和涌突受覆岩结构，破断特征，开采方式和采放高度、推进速度等多种因素控制。实践证明：离层水害防治，可采用地面直通式导流泄水孔与井下探放水孔相结合的疏放手段，和以控制采高、推进速度、强化疏排为主要措施的综合防治技术体系；离层水害预警，可采用以监测孔水位、覆岩破断距、工作面来压、支架异常状态、围岩异常变化、瓦斯释放速率突增等为核心指标的联合预测预报系统。

综放开采；大埋深巨厚煤层；离层积水涌突；防治技术；崔木煤矿

0　引言

离层是由煤层顶板采动覆岩不同步弯曲沉降引起的层面（或薄弱面）破裂分离现象，对离层形成机理与力学模型已有学者给予了专门研究。高延法将采后覆岩结构力学模型分为破裂带、离层带、弯曲带和松散层带[1]，许家林等认为覆岩离层主要出现在各关键层下，覆岩离层最大发育高度止于覆岩主关键层[2]，孙占国等对煤层开采离层的形成机制和发育规律等做了相关研究[3-9]。离层的萌生、发展、扩大、闭合是覆岩运动的结果，所形成的空间为离层积水的赋集、运移和储存提供了必要的通道和空间。

离层积水涌突具有瞬时水量大、突水征兆不明显、危害大等特点，在煤矿水害分类上尚未发现，属于一种新的水害类型[10]。程新明等对工作面发生的顶板离层水害的成因、探查与防治等进行了研究[11-22]。以往对顶板离层水的研究多是因为煤层叠加开采造成上覆岩层不均匀沉降而产生离层空间，煤层多为中厚-厚煤层，防治方法主要采用井下探放水钻孔对离层积水进行疏放，且研究成果多基于我国中东部煤矿。近年来，在陕西省黄陇侏罗纪煤田铜川焦坪矿区玉华煤矿，彬长矿区火石咀煤矿、大佛寺煤矿，麟游北部矿区郭家河煤矿和崔木煤矿曾发生多次工作面离层积水涌突事故，造成巨大经济损失，严重危害矿井安全生产[23-25]。本文以成功预防崔木煤矿巨厚大埋深煤层综放开采离层积水涌突为例，在分析矿井开采技术条件和离层积水涌突特征的基础上，对离层积水涌突防治关键技术进行了探讨和研究。

1　矿井地质及开采技术条件

1.1矿井地质

崔木煤矿位于陕西省黄陇侏罗纪煤田永陇矿区麟游区东北端，为掩盖式煤田，地表沟谷中零星出露有白垩系下统洛河组，其上新近系及第四系广泛覆盖。矿井地层按照由老到新的顺序依次为：三叠系中统铜川组，侏罗系下统富县组、中统延安组、直罗组和安定组，白垩系下统宜君组、洛河组，新近系中新统，第四系中上更新统和全新统。含煤地层为延安组，主采3号煤层埋深540～600 m，倾角为3°～6°，一般厚度14.75～17.3 m，平均厚度16.89 m，结构较简单，属较稳定煤层。

矿井地质构造简单，3煤底板总体为一东南高西北低的波状单斜构造，呈EW向展布，煤层底板高程626.10～937.39 m，平均每公里下降47 m。煤层伪顶呈孤立岛状零星分布，厚度0.22～1.04 m，一般0.5 m，为炭质泥岩、泥岩，局部地段，煤层直接与砂岩老顶接触，直接顶砂泥岩则普遍发育。伪顶厚度薄，稳定性差，随着煤层开采而冒落，属不稳定岩体；直接顶砂泥岩呈互层状产出，属稳定性较差的岩体；老顶砂岩一般为中等稳定岩体。

1.2含（隔）水层及其水文地质特征

崔木煤矿含（隔）水层水文地质特征如图1所示。

侏罗系中统直罗组砂岩含水层、延安组煤层及其顶板砂岩含水层为煤层开采顶板直接充水含水层，但其埋藏深、裂隙不发育、补给条件差、富水性弱，井巷充水易于疏排，对煤层开采影响不大。白垩系下统砂砾岩虽为煤层顶板间接充水含水层，但其厚度大、分布广、富水性好，且与区域强含水层相联，严重威胁矿井安全开采。

1.3煤层顶板覆岩结构

从覆岩厚度变化规律、岩性组合特征、构造发育程度、岩石物理力学性质、岩体质量特征等方面，对主采煤层顶板至白垩系砂砾岩含水层底界之间覆岩发育特征进行分析研究。结果表明：煤层顶面至砂砾岩含水层底界面之间的覆岩厚度125.43～277.80 m，平均185.80 m，由互层状泥岩与砂岩组成。泥岩、砂质泥岩累计厚度5.85～177.99 m，平均92.74 m，占总厚度的8.52%～83.92%，平均占比57.75%，且与煤层厚度呈正相关关系；中、粗粒砂岩累计厚度1.50～112.67 m，平均44.63 m，占总厚度的6.47%～74.16%，平均26.14%；粉砂、细粒砂岩累计厚度平均占总厚度16.10%，局部地段因相变成泥岩而厚度变小乃至缺失。岩层中发育的小规模正断层和裂隙，断距一般小于5 m，以2～3 m居多，延伸方向NW、EW和NE，倾角50°～80°；覆岩总体呈中等坚硬，泥岩、砂质泥岩与砂岩易水解为软岩、极软岩；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，具备一定的阻隔上覆含水层地下水向下渗流的作用，可有效降低煤层顶板含水层充水强度。

2　离层积水涌突特征

崔木煤矿采用立井单一水平开采，全井田共划分为6个盘区，移交盘区为21盘区。工作面回采期间，曾发生多起顶板离层积水涌突水事故。

2.1涌突水规模以中型突水点为主

据崔木煤矿210301、210302及210303工作面涌突水情况统计：平均涌突水量小于60 m3/h的涌突水情况有4次，涌水量60～600 m3/h的涌突水情况有17次，涌突水量600～1800 m3/h的涌突水事故有4次，可见所发生的涌突水事故中，以中型突水点为居多。

2.2涌突水事故与覆岩破断及见方来压密切相关

涌突水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倾向上面长的整数倍附近。据统计，在涌突水水量大于100 m3/ h的涌突水事故中，全部伴随着冒顶、抽顶、煤壁片帮、支架压死等现象。究其原因，与覆岩破断密切相关。如图2所示，大的涌突水事故主要发生在距离切眼200～230 m，300～345 m，420～500 m，570～595 m，与覆岩初次破断距和周期性破断距基本一致。覆岩破断及离层闭合为离层积水涌入工作面提供了冲击动力和通道。

图1　水文地质柱状Figure1Hydrogeologicalcolumnarsection

图3显示了210303工作面7月11日至28日顶板来压、涌突水及水位变化过程，I、II、III1、III2、IV分别表示不同的涌突水阶段。由图可知，工作面始终遵循顶板来压—水位下降—涌突水事故发生的规律。

据此，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。

图2　工作面涌突水量与切眼距离关系Figure2Relationshipbetweenworkingfacegushingandburstingwaterinflowandcutdistance

图3　工作面涌突水与顶板来压关系曲线Figure3Relationshipcurvebetweenworkingfacegushing,burstingandroofpressuring

2.3水化学成分可间接显示涌突水源自上覆白垩系砂砾岩水

矿井涌突水的主要化学成分、水质类型、pH值、矿化度和总硬度等水化学特征与矿井充水含水层及工作面矿井水分析对比结果如表1所示。

表1　矿井充水含水层地下水主要化学成分统计Table1Statisticsofminewaterfillingaquifergroundwatermainchemicalcomponents

由表1可以看出：侏罗系地下水中HCO3离子质量分数为5.66%，白垩系地下水为54.65%～76.55%，工作面及采空区矿井水为32.71～40.96，显示矿井水中渗入了部分白垩系地下水；矿井涌突水中HCO3离子质量分数达44.32%～46.74%，说明有更多的白垩系地下水参与其中。另据矿化度、水化学类型等水化学特征的变化，亦可反映出工作面矿井水与矿井涌突水的水化学特征具有侏罗系与白垩系地下水混合作用的特征，且矿井涌突水中白垩系地下水参与的成分更高。可见，白垩系地下水是矿井涌突水主要来源之一。

2.4水位变化与工作面涌突水密切相关

洛河组地下水位随井下工作面涌突水呈周期性升降波动。当地下水位突降时，井下发生涌突水；涌突水结束后，地下水位回升，直到下一次涌突水时，又突然下降（图4）。

由图4可见：洛河组地下水位（K1L）总体呈波浪状下降，出现的12个波谷对应井下12次工作面涌突水。从2013年2月到2014年2月，以平均波峰值统计水位下降7.64 m，以波谷值统计下降33.25 m。总体水位年降幅7.64～33.25 m，平均降幅每年20.45 m。洛河组水位表现为涌突水前水位骤降，而后水位开始回升。

3　离层积水防治关键技术

3.1预测预报

基于离层积水涌突过程中含水层水位下降超前于工作面突水，水位降幅和降速与工作面来压强烈程度密切相关，水位变化幅度和降速越大，工作面来压越强烈，压架突水危险性越大。覆岩破断是导致水位突变与顶板来压突水之间存在联动效应的主要原因，伴随着关键层结构破断、滑落、失稳，大量采空区体积传至上覆砂砾岩含水层形成积水离层带，离层积水在覆岩破断冲击力和静水压力作用下，穿过导水裂隙下泄溃入工作面，水位出现大幅度快速下降，发生压架突水事故。利用含水层水位变化与顶板来压突水的联动效应，可建立以监测孔水位＋覆岩破断距＋工作面来压＋支架异常状态＋围岩异常＋瓦斯释放速率突增为核心指标的离层积水涌突联合预测预报系统。结合崔木煤矿开采实践，所确定涌突水联合预测预报核心指标参数如下：

①长观孔水位：监测孔水位出现下降，降速大于0.03 m/h，降幅大于2 m；

图4　地下水位动态与矿井突水量关系Figure 4 Relationship between groundwater level dynamic and mine water bursting inflow

②覆岩破断距：离层积水段覆岩初次破断距为300～350 m，周期破断距150～175 m，破断位置50 m范围为涌突水预警范围；

③工作面来压：压力上限为连续5支架压力记录仪超过13500 kN；

④支架异常状态：安全阀大面积、频繁开启，支架活柱量接近下限值0.8 m；

⑤围岩异常：煤壁片帮加剧、范围变大，煤炮声频繁、连片出现；

⑥瓦斯涌出速率出现突增。

运用上述指标和方法，现场应用与验证结果如表2所示，表明指标参数符合工作面涌突水来压实际，涌突水压架事故预测预报效果良好。

表2　矿井涌突水预测预报与实际涌突水情况统计Table2Statisticsofminewatergushingandburstingpredictedandactualsituations

3.2防治措施

在做好涌突水预测预报工作的同时，离层积水防治至关重要。考虑到工作面顶板覆岩离层积水主要赋存于安定组顶面以上洛河—宜君组下部砂砾岩段，与煤层顶板垂直距离大于180 m；煤层顶板与上覆离层积水体之间覆岩结构为砂泥岩互层，且以泥岩居多，井下探放和疏排离层积水钻孔施工难度较大；加之离层积水的形成与涌突属动态过程，需随时监测孔内及其周围水情变化，及时采取相应疏通措施。基于上述分析，离层积水防治的总体思路是强化“疏、排”措施，可概括表述为：超前疏放顶板水，直通导流离层水，优化采掘技术，确保排水设备能力和应急发挥作用。形成以地面直通式导流泄水孔与井下探放水孔相结合的离层积水疏放系统，和以控制采高、推进速度、强化疏排为主要措施的离层积水涌突综合防治体系。地面直通式导流泄水孔及井下探放水孔对离层积水的疏排和探放功能如图5所示。

3.2.1地面直通式导流泄水孔

结合对工作面离层发育层位判断，离层持续时间的力学分析，以及离层积水涌突通道形成的动力学机理分析，工作面推进300～350 m发生覆岩离层（洛河组底部离层）初次闭合，而之后的周期闭合距在150～170 m。在工作面开切眼后130～170 m布置直通导流孔，并且在采前完成。地面直通式导流泄水钻孔具有提前疏排离层积水、防止工作面离层水害，覆岩变形动态观测，顶板导水裂隙带探查以及地下水动态监测等多项功能。地面直通式导流泄水孔技术，已在崔木煤矿全面实施，并推广到邻近招贤煤矿、亭南煤矿和郭家河煤矿。

3.2.2井下探放水孔

针对离层积水，探放水孔的终孔层位为洛河组下部含水层段离层积水富集带。210302工作面井下探放水钻孔施工期间，钻遇厚层致密泥岩施工难度大，泥岩中粘土矿物遇水膨胀，钻孔缩径严重，加之覆岩沉降破断等因素，影响了钻孔放水效果。临近火石咀矿井在回采工作面的轨道顺槽向采空区方向打200～250 m放水孔，每相隔70～110 m设1个放水点，每个放水点施工3个钻孔[23]。以采面方向与顺槽30°夹角，上仰45°，钻孔直径159 mm，孔口管长10 m，用化学黏剂封孔，做耐压试验使压强达到3.5 MPa/m2以上。部分点位实现了单孔放水量150 m3/h，单点位放水量450 m3/h。

图5　地面直通式导流泄水孔与井下探放水孔示意Figure 5 A schematic diagram of surface through-type diversion,drainage boreholes and underground exploration,drainage boreholes

3.2.3控制采放高度和推进速度

3.2.3.1控制采放高度

为选择合理的采放高度，必须确定顶板隔水层厚度和煤层开采导水裂隙带高度。考虑到离层积水在静水压作用下涌突时，离层下部完整岩层在自重及离层水压作用下发生弯曲变形，其受力状态与采场底板岩层受底板承压水体的力学作用类似。据此，可引入底板突水危险性评价中的临界突水系数[26]，来确定离层水静水压力下完整岩层的顶板隔水层厚度。白垩系砂砾岩含水层水柱高度为246.29 m，临界突水系数取0.1 MPa/m，则顶板隔水层厚度为24.63 m。

关于综放采煤条件导水裂隙带高度，国内在兖州、淮南、铁法、铜川、潞安、彬长等矿区开展了一些工作。有关学者初步总结了中硬、软弱顶板条件下覆岩导水裂隙带发育高度计算公式[27-33]。本次在崔木煤矿210301工作面通过钻孔冲洗液消耗量观测、水位观测、钻孔井下摄相观测、水质分析等综合方法分析研究确定了导水裂隙带上限。运用不同方法得出的综放开采裂采比见表3。

表3　裂采比综合确定Table3Integrateddeterminationofwaterconductedzoneheight/shearheightratio

为防止煤层顶板离层积水涌突，考虑到顶板隔水层厚度应不小于24.63 m，裂高采厚比取19.97，煤层顶板与白垩系含水层底界之间的岩柱高度取平均值185.80 m，据此计算的采高值为8.07 m。考虑一定的安全系数，采放高度小于8 m时，对离层水水害防治较为有利。

3.2.3.2控制推进速度

当采场覆岩中离层上位岩层一定时，离层持续的时间与煤层开采速度成反比，即工作面推进速度越快，则不利于离层积水，或在回采期间离层水涌突水几率相对较小。在离层空间形成并不断增大的过程中，设定洛河组含水层水头（Hi）降至洛河组底界标高（H0），即相对水位标高为零，周边洛河组含水层中的水会在水头压差下向离层内流动。根据承压含水层地下水动力学计算公式，离层空间第i边的单宽流量（qi）计算公式为：

由此，可得总离层积水量为：

其中：k——离层范围内洛河组含水层的渗透系数，m/d；

M——离层空间顶板含水层平均厚度，m；

Ri——离层空间第i边的对应水位降深的影响半径，m；

qi——离层空间第i边的单宽流量，m3/d；

li——离层空间第i边的长度，m。

运用理论公式和经验类比法可就210302工作面宽202.5 m，推进L=150 m时，求得不同采高的离层空间大小；运用公式（1）及公式（2）计算得到工作面不同开采速度下的离层积水体积。结果表明：采高一定，不同开采速度下的离层积水体积不同；采速越小，离层积水体积越大。表4显示了采高为8 m时，离层空间体积为18845.17 m3；当采速为6 m/d时出现了287.49 m3的未积水离层空间，7 m/d时出现了3311.48 m3的未积水离层空间。

表4　开采速度与离层水积水体积关系（采高8 m，工作面推进150 m）Table4Relationship between mining rate and abscission layer ponding volume(shear height 8 m,working face advanced 150 m)

综合考虑矿压作用，建议工作面推进速度控制在5～6 m/d为宜。

3.2.4强化疏排

建立健全畅通的矿井疏排水系统。采前对井上、井下排水设施（排水沟、水仓和管路）进行清理、疏通和检修，水仓、泵房、排水沟、管路均要达到正常运作要求。在开采期间要保证中央泵房除按规定正在检修以外的所有水泵处于随时开机运行状态，加强排水设备的维修与管理，定期清理水沟和水仓，确保疏排水系统的正常。保证工作面具备足够的临时排水能力，确保工作面一旦有水涌出时能顺畅疏排。

4　结论

(1)以崔木煤矿水文地质条件和煤层顶板覆岩特征为基础，对工作面回采过程中发生的数十起涌突水事故进行分析研究，结合涌突水具有突发性强、危害性大、防治困难等特点，提出了一种新的矿井涌突水灾害类型，即覆岩离层积水涌突水害类型。

(2)离层积水涌突是在采场特定的开采技术条件下发生的顶板溃水灾害，对其突水来源、通道和强度等涌突特征研究发现：积水离层主要发育在白垩系砂砾岩与侏罗系泥岩接触带以及白垩系下部砂砾岩中，离层积水的补给来源主要为白垩系砂岩地下水，离层积水形成、赋积和涌突受覆岩结构，变形破断特征，开采方式和工作面采放高度、推进速度等多种因素控制。

(3)针对大埋深巨厚煤层综放开采条件下，煤层顶板与离层积水带之间覆岩厚度大，离层积水部位井下探放施工困难等特点，提出了以地面直通式导流泄水孔与井下探放水孔相结合的离层积水疏放手段，和以控制采高、推进速度、强化疏排为主要措施的离层积水涌突综合防治技术体系。

(4)基于覆岩含水层水位变化与离层积水涌突之间的联动规律，结合含水层水位变化与顶板来压突水的联动效应，建立了以监测孔水位＋覆岩破断距＋工作面来压＋支架异常状态＋围岩异常变化＋瓦斯释放速率突增为核心指标的离层积水涌突联合预测预报系统。

志谢：国土资源部煤炭地质勘查与综合利用重点实验室段中会教授级高级工程师和张玉平教授级高级工程师对本文的审阅、指导和建议。

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Coal Roof Abscission Layer Ponding Water Gushing and Bursting Characteristics and Study on Key Technologies of Prevention and Control during Fully Mechanized Mining

Lyu Guangluo1,4,Li Wenping2,Huang Yang3,4,Zhang Yong4,Tian Gangjun4,Xiao Quanze4and Lyu Pintian4
(1.Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization,Ministry of Land and Resources,Xi’an,Shaanxi 710054;2.China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116; 3.Cuimu Coalmine,Shaanxi Yonglong Energy Exploitation and Construction Co.Ltd.,Baoji,Shaanxi 721501; 4.Shaanxi Provincial No.186 Coal Geological Exploration Co.Ltd.,Xi’an,Shaanxi 710054)

Through project exploration and theoretical analysis,carried out studies on many cases of abnormal water gushing and burst⁃ing accidents during deep buried thick coal seam fully mechanized mining.A new kind of mine water inrush hazard have been found, that is coal roof abscission ponding water gushing and bursting.Corresponding water disaster prediction and forecast system and preven⁃tion,control technical system have been put forward,popularized and applied in productive practices.During the study on working face coal roof abscission ponding water gushing and bursting accident in Cuimu coalmine,Yonglong mine area,Huanglong Jurassic coal⁃field in Shaanxi Province had found that the abscission layer ponding gushing and bursting have characteristics of strong unexpected⁃ness,great harmfulness and hard to prevent and control.Ponding abscission layers are mainly developed in the contact zone between Cretaceous sandy conglomerate and Jurassic mudstone,as well as Cretaceous strata lower part sandy conglomerate sector.Their re⁃charge source is mainly from Cretaceous sandy conglomerate groundwater.The formation,hosting gushing and bursting of abscission layer ponding are controlled by multiple factors including overburden structure,faulting characters,mining system,caving height and advancing speed etc.Practices have proven that abscission ponding water hazard prevention and control can use the integrated preven⁃tion and control technical system of surface through-type diversion,drainage boreholes and underground exploration,drainage bore⁃holes,supplemented with shear height and advancing speed control,enhanced drainage combination drainage means.Abscission layer ponding water hazard early warning can use the integrated prediction and forecast system from monitoring of kernel indices including water level,overburden fault throw,working face pressuring,support abnormal state,surrounding rock abnormal change and gas release rate surging.

fully mechanized mining;deep buried thick coal seam;abscission layer ponding water gushing and bursting;prevention and control technologies;Cuimu coalmine

TD745

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.11.11

1674-1803(2016)11-0055-07

陕西省工业科技攻关S2016YFGY0393 2016GY-172，国土资源部煤炭地质勘查与综合利用重点实验室ZZ2013-2

吕广罗（1963—），男，陕西礼泉人，高级工程师，从事水文地质与工程地质工作。

2016-06-16

责任编辑：樊小舟