煤矿顶板离层水害形成机制、致灾机理及防治技术

乔 伟，王志文，李文平，吕玉广,3，李连刚，黄 阳，贺江辉，李小琴，赵世隆，刘梦楠

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116; 2.矿山水害防治技术基础研究国家级专业中心实验室，江苏 徐州 221116; 3.内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 016299; 4.陕西金源招贤矿业有限公司，陕西 宝鸡 721000; 5.陕西永陇能源开发建设有限公司，陕西 宝鸡 721000)

煤层开采是较为剧烈的工程与环境效应，常引发地质与环境灾害问题。煤层开采过程中覆岩会发生变形、破断并形成大量裂隙，这些裂隙包括水平裂隙、近水平裂隙、顺层裂隙、垂直裂隙和斜交裂隙等，沿岩层间或层内顺层方向拉开的裂隙被称为离层裂隙(简称离层)。离层空间上下岩层若存在含水层，会导致离层空间充水，离层水体若涌入采掘空间即形成离层水害。

随着煤矿开采深度增大，多煤层开采、厚及特厚煤层开采、覆岩工程地质特性差异以及复杂水文地质条件等原因，顶板离层水害时有发生，并具有瞬时水量大、具有周期性和突水征兆不明显等特点。当覆岩中存在风化、软、弱岩层等工程地质性质较差的岩层时，涌突水量较大的离层涌突水往往携带泥、砂、石等物质，危害极大。《煤矿防治水细则》中的定义:离层水是指煤层开采后，顶板覆岩不均匀变形及破坏而形成的离层空腔积水。目前发生过离层水害的矿井分布区域广泛、涉及开采煤系齐全，且不同煤矿离层水的形成条件及影响因素、致灾原因以及水害强度等方面存在差异，由此可见离层水害问题的复杂性。

笔者从煤矿离层水的形成机制、致灾机理、水预测预警及关键防治技术4个方面，对煤矿覆岩离层水害问题进行总结回顾，并展望了矿井离层水害防治的科学技术方向。

1 煤层覆岩离层水形成机制

1.1 采动覆岩离层研究

德国学者H.K RATZSCH的著作《采动损害及防护》、美国学者S.S彭的著作《煤矿地层控制》、美国学者比尼斯基的著作《矿业工程岩层控制》均对采场覆岩离层的形成与发育进行了分析与研究[1-3]。PALCHIK V对水平离层的发育位置、形成发育时间等进行了研究，并通过界面上下岩层的单轴抗压强度、界面上下岩层的厚度，煤层厚度及煤层与岩层之间距离等指标，给出了预测采动水平离层存在的判据[4-5]，但并未涉及离层水害问题。

国内可以解释和判断覆岩离层发育的主要有关键层理论、拱梁平衡理论(图1)、“上四带”理论(图2)、弹性薄板理论等。关键层控制顶板覆岩的运移与破坏，离层最容易发生在关键层与下覆岩层的界面处，且其发育的最大高度受关键层的控制[6-8];拱梁平衡理论则定义了采动覆岩的力学平衡结构，开展了离层分布规律的解释[9];“上四带”理论则认为离层发育于弯曲下沉带的底部与裂隙带的顶部范围内，并将采动顶板覆岩划分为四带[10-11];弹性薄板理论将采场顶板覆岩简化为薄板力学模型求解，得到了离层发育规律和空间体积的计算方法[12-13]。

图1 采动覆岩平衡拱移动示意[9]Fig.1 Movement diagram of balance arch in mining overburden[9]

图2 “上四带”理论示意[10]Fig.2 Schematic diagram of the “four-zone” model[10]

除此之外，朱庆伟等将覆岩破断演化分为3个阶段，并建立了相应的力学模型[14]。张鑫等通过理论分析、数值模拟及三维地震等多种手段研究了综放开采条件下覆岩离层发育位置及离层空间大小[15]。杨鹏等基于应力信息熵，对采动覆岩应力的演化规律进行研究，得到了应力信息熵增减与离层发育状态的关系[16]。赵德深、张建全、滕永海等则通过数值模拟、物理模拟试验、现场实测与理论分析等手段对采场覆岩离层的形成条件、时空发育规律与其发育位置及空间大小等进行研究[17-24]。采场覆岩离层的研究较多，但大多数对于离层的研究都是针对离层注浆减沉的，针对积水离层的研究较少。

1.2 覆岩离层水形成机制

由于岩层的不均匀沉降，先在岩层接触面形成水平裂隙，后期随着采煤工作面的继续推进，采空区面积扩大，岩层的跨度、下沉量增加，最终发生拉张破断，形成竖向裂隙，同时，部分水平裂隙被破坏。那些没有被竖向裂隙贯穿的水平裂隙是封闭的，可作为储水空间，并在积水后形成离层水。离层中水体的主要补给来源是含水层。

目前国内关于覆岩离层水形成机制的观点众多，其研究大多是针对单个发生过离层水害的煤矿。李小琴在对海孜矿745工作面突水事故归纳总结得出覆岩离层水形成的4个基本条件，即离层周边存在补给水源、可积水离层-离层的发育位置应位于导水裂隙带之上、离层空间持续时间足够长、离层周围岩体的渗透能力较强[25]。高琳等通过相似材料模拟的方法提出3个离层水的形成条件，即离层空间位于弯曲带内、离层空间附近含水层富水性强、充足的离层发育时间[26]。孙学阳分析了离层水害形成的条件:离层的形成、离层水发育位置、离层周边存在补给含水层和离层空间持续时间足够长[27]。曹丁涛对济宁二号矿离层水害研究认为:可积水层和层周边存在补给水源是离层水的形成条件;离层的封闭性、补给含水层富水性和离层空间充水时间等则为影响离层积水的因素[28]。

此外，贺江辉在对导通道闭合带研究的基础上，认为可积水离层空间的存在不应仅局限在离层本身，或者构成离层的上、下位岩层。从总体含(隔)水层分布角度出发提出了五大类积水离层[29]，如图3所示。

图3 可积水离层的岩层组合形式[29]Fig.3 Rock-layer combinations that can form bed separation with water-accumulation capacity[29]

曹海东则根据煤层开采方式、导水裂隙带发育高度、离层水体发育位置等之间的相对关系将其分为了4类(2类2型)[30]:1类1型为单煤层开采，离层水体发育在导水裂隙带之外;1类2型为单煤层开采，离层水体发育在导水裂隙带之内;2类1型为多煤层叠加开采条件下，离层空间发育在先期煤层开采的导水裂隙带之外;2类2型为多煤层叠加开采条件下，离层空间发育在先期煤层开采的导水裂隙带之内。

从以上对离层水形成机制的研究中总结，可作为采场覆岩离层水形成的基本条件有3个:

(1)可积水离层。发育于导水裂隙带之上的离层，才可满足积水条件。采场顶板离层根据其所能持续稳定的时间、最大离层量与富水性不同，可分为裂隙型和空腔型2种类型，“空腔型”离层具有离层空间大、维持稳定时间长、富水性与透水性强等特点，是发生离层水水害的主要离层类型[31-33]。“空腔型”离层主要形成于软硬互层结构的地层中，并集中发育于厚层坚硬岩层底部;而且煤层采厚越大，越易于发育“空腔型”离层。

(2)离层周边存在补给水源。在离层达到“封闭”可积水的条件后，只有接受相邻含水层的补给才能够形成离层水体。天然含水层的富水性也决定了采动离层空间积水的强度，进而影响离层涌突水强度。

(3)离层空间持续时间足够长。离层发育是一个动态的过程，随着采煤工作面的继续推进与采空区面积逐渐增大，离层空间逐渐扩大;当离层空间发育到极限，即离层空间上伏岩层达到极限破断距时，其上覆岩层发生断裂并整体下沉，离层空间则会迅速减小甚至闭合，以上过程所经历的时间则为离层空间持续时间，如图4所示。离层空间持续时间越长，则其充水时间越长，积水水量越大。

图4 顶板离层时空分布规律[14]Fig.4 Spatial and temporal distributionof roof bed separation[14]

2 煤层覆岩离层水害致灾机理

在离层水形成与发育的基础上，如果积水离层下部产生导水的通道，致使“相对封闭”的离层空间与下部的开采空间连通，则离层空间中的积水会沿着导水通道进入采空区或工作面，进而形成离层突水。所以离层积水的形成是离层涌突水的先决条件，而导水通道的形成是离层涌突水的诱发因素。表1为笔者收集的发生离层水害的采煤工作面，笔者将其致灾机理分为多煤层叠加开采与单煤层开采2个方面进行阐述。

表1 部分煤矿顶板离层水害统计Table 1 Statistics of water disaster caused by roof bed separation in some coal mines

2.1 多煤层叠加开采下离层水害形成机制

多煤层叠加开采引发离层突水的煤矿目前主要有鱼田堡煤矿、南桐一井、南桐二井、打通一矿、五轮山煤矿、海孜煤矿、新集一矿与新集二矿等。在近距离煤层叠加开采的条件下，后期的煤层开采会重复扰动煤层顶板覆岩，导致顶板覆岩破坏加剧和导水裂隙带升高，最终致使离层空间与下伏采场之间形成导水通道，引发离层水害。根据其覆岩的工程地质条件、导水通道形成原因与突水特点等可将其分成2种类型进行介绍。

2.1.1重复扰动突水

鱼田堡、南桐、打通煤矿等煤矿开采期间均有工作面出现多次顶板离层突水，突水基本与周期来压和关键层破断有关，且突水强度随采深的增加而增加。通过对水位、水质的分析及大量钻孔探明:突水水源主要为长兴组灰岩含水层，离层主要发育在长兴灰岩内[34-37]，突水通道为导水裂缝。贵州五轮山煤矿主采二叠系龙潭组煤层，其1601工作面位于8煤采空区之上，属上行开采，在工作面回采期间出现3次离层突水。出水时伴随矿压的增大，其出水位置在预计覆岩关键层破断位置处，如图5所示。突水水源主要为龙潭组上段砂岩裂隙水，离层发育于龙潭组上段3煤底部细砂岩下，突水通道的形成因叠加开采的影响下导水裂隙带贯穿离层空间所致。

图5 破断位置与突水位置Fig.5 Fracture location and water inrush location

可以看出五轮山煤矿与南桐、打通等煤矿的突水案例具有相似之处:① 先期煤层开采时工作面涌水量无异常，后期煤层开采时发生离层突水;② 突水时伴随周期来压，出水位置与关键层破断位置有关;③ 突水通道的形成为叠加开采的影响下导水裂隙带贯穿离层空间所致。

总结以上因素可以得出其离层突水致灾机理:在先期煤层开采时，离层空间位于导水裂隙带之上，处于稳定状态;在后期煤层开采的重复扰动下，导水裂缝突破隔水层，形成导水通道，并引发离层突水。此种离层水害的形成机制为重复扰动出水，即在近距离多煤层叠加开采的重复扰动作用下，先期采动时在覆岩内形成的“相对封闭”的离层积水空间并处于积水状态，随着后期煤层的开采与采空区的扩大，导水裂隙带进一步向上延展;随着离层空间下伏亚关键层破断，导水裂隙带加速发育沟通了离层区，形成导水通道，引起离层突水[30,37-38]，如图6所示。

图6 重复扰动突水示意Fig.6 Schematic diagram of repeated disturbance water inrush

2.1.2动力突水

海孜、新集等煤矿虽然也是近距离多煤层叠加开采，但其致灾原因与突水特点却与南桐、五轮山等煤矿不同。此3个煤矿采场上覆岩层发育巨厚坚硬的火成岩或变质岩:海孜煤矿采场上覆发育巨厚火成岩，离层水体发育于火成岩下覆的砂岩含水层中;新集煤矿属于推覆体下采煤，采场上覆有坚硬片麻岩，离层水体发育于片麻岩与下覆砂泥岩之间。区别于重复扰动出水，此类离层突水通道的产生均因为在叠加开采的扰动下，离层上覆坚硬岩体会突然产生动力失稳，瞬间释放巨大动能并击拍离层水体，瞬间产生超高水压力，突破隔水层，致使离层下覆岩层破断产生导水通道，引发离层水害[39-44]，如图7所示。此种离层水害的形成机制为动力突水，其特点为:突水征兆不明显，瞬时水量极大，且有大量的碎石随离层水体涌入的特点。

图7 动力突水示意Fig.7 Schematic diagram of dynamic water inrus

此后有学者在海孜煤矿突水案例的基础上，引入爆炸力学的理论，并通过现场地质条件勘查、模拟试验、室内试验和理论推导的方法探讨动力突水的动力冲破带形成机理[25,45-46]，细化了突水通道的形成过程,得出动力突水通道由2部分组成:一部分是煤层开采形成的导水裂隙带;另一部分则为动力源产生的冲击动力作用下形成的动力突破带，两者在垂向上相互联系，最终形成“动力突水通道”。

2.2 单煤层开采下离层水害形成机制

单煤层开采引发离层水害的煤矿主要有济宁二号、红柳、玉华、照金、崔木、招贤、新上海一号等煤矿。此类型的煤矿虽没有叠加开采的影响，但是其开采的煤层属于厚及特厚煤层，开采强度大，覆岩破坏剧烈，容易形成离层水害。根据其所采煤系、覆岩工程地质条件、突水特点及致灾原因可分为2类讨论:一类为济宁二号煤矿的静水压涌突水离层水害;另一类为鄂尔多斯盆地内招贤、崔木、新上海一号、红柳、照金等煤矿所发生的离层水害，此区域内采场覆岩的工程地质与水文地质条件、离层水害特点与其他地区不同，且致灾机理复杂，是目前研究的热点与难点。

2.2.1静水压涌突水

济宁二号煤矿主采二叠系3煤，煤厚平均4.92 m，单煤层开采。其特点为:工作面回采期间涌水量正常，而在对采空区疏放水过程中,随采空区顶板覆岩的变形与破坏,最终形成导水通道，离层水体进入采空区，出现采空区积水补给量突增的现象[47-49]。经研究采场覆岩离层发育于煤层上覆52.18 m以上的泥岩与中粗砂岩之间，充水水源为离层空间上覆的中粗砂岩含水层。

笔者根据此突水实例，提出“静水压涌突水”的离层水害致灾机理[47]:随着工作面推进与采空区的扩大，采场顶板覆岩离层逐渐发育，在离层周边含水层对其的不断补给下，离层积水量与覆岩变形逐渐增大，离层水头升高，产生一定的静水压力并逐渐增大，使得离层水体对其下位岩层施加一定的孔隙水压力与荷载作用,其中孔隙水压力对离层下位完整岩层结构造成破坏，使得有效隔水层厚度逐渐减小;而离层水的荷载作用，则使得离层下部的裂隙带高度增大;最终导致导水裂隙带导通积水的离层空间形成离层突水，如图8所示。

图8 静水压涌突水示意Fig.8 Schematic diagram of hydrostatic water inrush

2.2.2侏罗系煤田离层水害形成机制

目前国内离层水害问题以鄂尔多斯盆地内侏罗纪煤田最为突出，工程地质条件与水文地质条件复杂,防治难度大，受高强度开采、冲击地压危险性等多因素影响。红柳、玉华、照金、崔木、招贤、新上海一号等煤矿，在开采期间均有工作面出现多次离层突水，红柳、玉华、崔木等煤矿工作面离层突水出现周期性的特点[29,50-58];其中玉华、照金、崔木、招贤煤矿的离层发育层位均位于白垩系与侏罗系接触带之间，离层空间距下伏煤层厚100 m以上，均属高位离层突水;红柳、新上海一号煤矿离层则发育于侏罗系直罗组内，其中新上海一号煤矿其离层突水呈间歇式特点。此外，照金、崔木、招贤、新上海一号煤矿，出现了突水携大量泥沙的情况，其中照金、新上海一号煤矿更是出现工作面被泥砂掩埋的灾害事故。笔者将以崔木、招贤、上海庙一号煤矿的离层水害为例，说明突水过程与突水特征，并对其离层水害形成机制展开分析。

(1)崔木、招贤高位离层水害形成机制。崔木、招贤等煤矿的顶板覆岩离层发育于白垩系砂岩与下伏侏罗系泥岩接触带之间，距下伏延安组煤层有150～350 m的厚度;由于顶板覆岩为软弱泥质弱胶结岩层，在特厚煤层高强度的开采下导水裂隙带发育较高，易导通离层空间，形成高位离层水害。

招贤煤矿1304工作面主采侏罗系延安组3煤，煤厚11 m，工作面长1 675 m。1304工作面在回采期间共发生3次离层突水(表2)，且3次突水特征明显。在3次突水前:白垩系巨厚含水层水位均出现快速下降;工作面支架压力显现明显，逐渐大面积来压;出现片帮、煤壁切断现象，有淋渗水并逐步加大，瓦斯涌出量也迅速增大。3次工作面离层水涌出时:洛河—宜君组水位急速下降;离层水携带大量泥砂进入工作面，瞬间造成排水系统瘫痪，导致工作面淤堵;工作面出现煤壁切断，导致水砂从开切眼煤壁处溃出。其中第1次出水发生在工作面推进至944 m处(5次见方)，涌水水源为白垩系巨厚含水层，离层发育于白垩系砂岩与侏罗系泥岩的交界处，因不均匀采动导致导水裂隙异常发育，最终突破隔水层形成导水通道。后两次突水分别发生在工作面推进至1 001,1 109 m处。其突水原因为:因前一次突水导致工作面停采;停采后采场覆岩开始趋于稳定，导水通道重新闭合，离层空间重新开始积水，静水压力产生并随着积水量的增加而增加;工作面恢复开采后，在采场覆岩重新扰动与静水压的影响下，离层水体突破隔水层再次形成导水通道，引发离层突水。

表2 招贤煤矿1304工作面离层突水数据Table 2 Water inrush data of 1 304 working face in Zhaoxian coal mine

崔木煤矿主采煤层为侏罗系延安组3煤，平均煤厚16.89 m，在21301,21302工作面回采期间出现多次异常涌水(图9)，其水害特征明显:① 工作面突水前，采场上覆白垩系砂岩含水层水位降幅明显增大;② 突水发生随工作面推进呈周期性，涌突水主要发生在见方处;③ 突涌水量大于400 m3/h时，全部伴随冒顶、抽顶、煤壁片帮、支架压死等现象;④ 瞬时水量大，携有大量煤泥，随后衰减，逐渐平稳。从以上特征可以看出，离层突水水源主要为上覆白垩系砂岩含水层，离层发育于白垩系砂岩与侏罗系泥岩接触带之间，离层突水与覆岩破断及见方来压密切，离层突水通道为采动影响下导水裂隙带贯穿离层空间所致。

图9 崔木21301工作面涌突水水量随距离开切眼距离变化Fig.9 Variation of water inflow and inrush volume with distance from cut off hole in Cuimu 21301 working face

此高位离层突水的特点为:① 离层发育于白垩系巨厚砂岩与下覆侏罗系泥岩接触带之间;② 离层充水水源为白垩系巨厚砂岩含水层;③ 突水前，白垩系砂岩含水层水位降幅明显增大;④ 离层突水位置与覆岩关键层破断有关，多发生于见方处;⑤ 突水时出现大面积来压，表现为冒顶、抽顶、煤壁片帮、支架压死等现象;⑥ 离层突水携带泥砂。

此区域煤层顶板覆岩的工程地质与水文地质条件为:① 白垩系砂岩含水层具有巨厚(厚200～500 m)、高水压的特点，以长石石英砂岩为主，分选好，岩性稳定，结构疏松，交错层理发育，水量大、水质好;② 下伏侏罗系为厚150～350 m的软弱泥质隔水层，具有成岩时间相对短、弱胶结、泥质含量高等特点，在强水动力作用下易发生崩解与泥化;③ 开采煤层为侏罗系厚及特厚煤层。如图10所示。

图10 侏罗系煤层、软弱泥质顶板和白垩系巨厚高压含水层空间结构示意Fig.10 Spatial structure of Jurassic coal seam,weak argillaceous roof and Cretaceous thick high pressure aquifer

灾害孕育阶段为:在侏罗系厚及特厚煤层高强度开采过程中，一方面导水裂隙逐渐向上发育;另一方面，白垩系巨厚、高水压砂岩含水层与下伏一定厚度的侏罗系软弱泥岩形成横向离层积水空间，离层空间不断扩大并充水，白垩系巨厚、高压砂岩含水层水位开始下降。

灾害发生过程为:导水裂隙持续发育，离层积水下位岩层(亚关键层)破断，导水裂隙带与横向离层充水裂隙贯通并形成纵向主导水裂隙，矿山压力显现强烈;纵向主导水裂隙是导水裂隙带内其主要导水作用的主渗流通道，离层水体沿纵向主导水裂隙涌入工作面，含水层水位骤然下降;涌水来势凶猛，软弱泥质覆岩在强水动力作用下，形成泥沙随离层水体涌出;随后软弱岩层移动调整，纵向主控裂隙逐渐弥合，涌水量随之略降;工作面推过大流量涌水位置后，涌水结束;进入下一个涌水和来压周期。

(2)新上海一号间歇式离层突水。新上海一号煤矿主采煤层为侏罗系延安组8煤，平均煤厚3.5 m。111084工作面长1 880 m，宽210 m，在回采至141 m处，发生顶板离层突水，并在停采133 d内又出现3次突水，见表3。

表3 新上海一号煤矿111084工作面离层突水数据Table 3 Water inrush data of 111084 working face in new Shanghai No.1 Coal Mine

相比于崔木、招贤等煤矿，新上海一号煤矿的煤层较薄，采动强度相对较低，其离层突水出现新特点:① 离层发育于侏罗系直罗组底部“七里镇砂岩”内;② 离层充水水源为直罗组“七里镇砂岩”含水层;③ 突水携带大量泥沙，工作面以及回风巷道、运输巷道均被泥沙淤塞，造成淹面埋架严重事故;④ 突水停采后相同位置又发生多次突水，表现为间歇式突水，突水水量梯次递减。

侏罗系直罗组平均厚度103.88 m，岩性主要为砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩等，底部的粗粒石英长石砂岩为“七里镇砂岩”，与延安组呈角度不整合接触;“七里镇砂岩”含水层，平均41.20 m，富水性不均一为弱～中等，属孔隙-裂隙含水层。通过工作面上覆“七里镇砂岩”含水层富水性分区及危险性分区，111084工作面同时处于富水区与危险区内。

灾害孕育阶段为:工作面推进过程中，一方面导水裂缝逐渐向上发育;另一方面，直罗组底部“七里镇砂岩”因岩性不均一，形成横向离层积水裂隙不断变大并充水，“七里镇砂岩”含水层水位开始下降。

灾害发生过程为:在煤层开采的扰动下，导水裂隙带持续升高，同时离层下伏岩体在静水压力和覆岩遇水软化双重作用下，形成导水通道，发生第1次突水时，离层涌水量最大达2 000 m3/h，在强水动力作用下，携带大量泥沙进入工作面;在停采期间，水压与水动力减弱，离层下覆泥岩裂隙闭合，离层又开始进行蓄水;随着离层空间内水压水量的增大，离层水体再次冲开导水通道，发生离层突水。随着离层空间在覆岩重力作用下受到压缩和附近含水层水体释放后离层水从更远处补给，离层水量呈梯次性衰减，休止期梯次延长。

(3)携泥砂型离层水害机理分析。近些年来，鄂尔多斯盆地煤矿离层水害出现离层突水携带大量泥沙的现象。新上海一号、招贤、崔木、照金等煤矿均出现离层突水并携带大量泥沙的情况。照金煤矿202工作面发生携泥砂型离层水害，工作面回采至1 153 m时，生产人员听到巨大声响，并伴有强大的气流，瞬时最大涌水量1 299 m3/h，泥砂石总量约1 680 m3，少量石块主要为岩石的碎块，工作面被泥砂掩埋，并有450 m巷道出现淤积，造成人员死亡。与招贤、崔木煤矿类似，照金煤矿也属高位离层突水，其上覆侏罗系属弱胶结软岩地层，在强水动力作用下易发生崩解与泥化，进而形成泥-砂-水混合体，随导水通道进入工作面，造成工作面的掩埋或淤堵。

鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田高强度开采覆岩携泥砂突水的孕灾机理与以往矿井突水溃砂灾害有所不同。从灾害的水源、物源、通道和强度上分析具有以下特征:① 携泥砂突水“水源”是地下天然含水层，或者是导水裂隙带上部的采动高位离层裂隙(空间)积水体，补给水源均为白垩纪巨厚含水层，并非传统突水溃砂的水源为水砂混合层；② 携泥砂突水的固体“物源”非地表的风积沙或新生代松散覆盖层底部砂粒(水砂混合层)，而是侏罗纪覆岩隔水层中的风化—软—弱岩层遇水分解、崩解、泥化形成的；③ 携泥砂突水“通道”并非完全由采动影响而演化，而是“通道”本身也提供固体“物源”，且泥砂的冲出和堆积会影响“通道”的扩展和封堵；④ 携泥砂突水“强度”(涌突水量和泥砂石量)具有瞬时量大、伴随强烈矿压并随后逐步减弱的特点，且固体“物源”与“水源”分离。泥砂石量的强度取决于覆岩岩层的沉积相、胶结物、粒度、碎屑含量和黏土矿物成分等工程地质特性，同时也受水压力和涌水强度影响。

2.3 能量源和表现特征离层水害分类对比

上述根据我国发生离层水害的单煤层和多煤层进行了归类说明，其中侏罗系煤层开采覆岩离层水害多出现携带泥砂现象，只是有些离层水害泥砂量较少，有些离层水害泥砂石量较大，所以可以归结为:离层携泥砂井下泥石流灾害。所以又可以按照能量大小和表现特征进一步对比分析，离层“动力突水”的动力源重点在巨厚整体状结构火成岩破断释放的能量，能量巨大，突水通道的形成具有突发性，往往瞬间形成，离层“动力突水”突水量的大小取决于积水量和火成岩破断能量，突水表现为瞬时量巨大、破坏性极强、水量迅速衰减，灾害事故几乎是“瞬间形成”;离层“静水压涌突水”的通道是在高位岩层破断压力和水压力以及导水裂隙带向上发育突破隔水关键层的共同作用下形成，突水通道形成也有突发性，但由于能量源相对较小，水动力势能取决于积水量和积水高度，水害特征与“动力突水”相比相对“缓和”，多出现井下涌水量持续增加或探放水水量异常增大;离层“携泥砂井下泥石流”突水动力源取决于高位岩层破断能量、离层积水高度和离层积水量，突水通道的形成具有突发性、周期性，主要特点为水流下泄过程中出现携带覆岩泥砂溃入井下形成井下泥石流，携泥砂井下泥石流导致进一步的压架加重，矿压显现强烈，工作面空间减小，被泥砂淤堵，但受覆岩地质条件和开采条件影响，不同位置的突水水量和携带泥砂量大小不一;离层“携泥砂井下泥石流”灾害形成具有一定的突发性[59]，但往往在灾害之前有“水位急剧下降”、“大面积来压”、“支架动载加强”等表征。总结上述3种离层水害的突水特点差异见表4。

表4 按照能量源与灾害特点分类离层水害类型对比Table 4 Comparison of water disaster types in bed separation according to energy source and disaster characteristics

3 覆岩离层水害预测

纵观以上离层突水案例，离层水害具有破坏性强、持续时间短、致灾机理复杂、探查难度大等特点。离层水害预测的首要问题是对积水离层位置进行预判，其次是对其破断的周期性进行预测，最后离层突水的水量预测。

3.1 可积水离层位置预判

传统关键层判别离层公式:假设岩层所承受的载荷是均匀的，采用组合梁理论进行力学分析，如果各组合梁的挠度不同，两组组合梁之间就会产生离层，其中在每组组合梁中，第n层岩层对该组的第1层岩层的载荷[27]为

(1)

式中,E1，E2，…，En为各层的弹性模量;h1，h2，…，hn为各层的厚度;ρ1，ρ2，…，ρn为各层的密度;n为该组岩层数。

如果qn,1>qn+1,1则说明n+1层岩层没有对第1层岩层施加载荷，证明离层产生在第n层与第n+1层之间，整理得

(2)

此后，贺江辉改进的离层位置判别方法提出了逐级对比合并法[29]。范开放针对传统关键层判别离层公式忽略了岩层组合的力学作用与变形情况，对其进行了修正[60]。PALCHIK V利用气井排气的特性进行了离层带和裂隙带发育高度的现场实测研究，结合覆岩相关特点和实测结果总结出了离层的判别公式[4,61]为

(3)

其中，K为判别系数，若大于0则产生离层，小于0则不产生离层;m为开挖煤层的厚度;H为从开采煤层到岩层界面的距离;σa和σb分别为岩层界面上方和下方的岩石单轴抗压强度;ha和hb分别为岩层界面上方和下方的岩层厚度;hd为裂隙带范围内关键层的厚度;a=0.07为统计系数。

除此之外，不少学者通过数值模拟(如FLAC,3DEC软件)与相似材料模拟等手段，对离层发育位置进行预测[27,53,61-64]。

3.2 离层突水周期性预判

煤层顶板覆岩离层水突水是一个由离层的形成、发展、积水，到突水及新的离层形成的动态过程。煤层顶板覆岩的周期性破断，使得离层突水也呈现出周期性特点，但是由于每个周期内形成的离层空间体积大小不同，所以每次离层突水的规模也各不相同，一般来说首次出现的离层空间体积最大，其突水规模也最大[27,52]。

对周期性离层突水，研究顶板覆岩离层的时空发育规律对于离层突水的预测有着重要作用。方刚、娄金福等从玉华、红柳、崔木等煤矿的周期性离层突水案例中研究得出:周期性离层突水与周期性来压和覆岩(亚)关键层的周期性破断有关，即离层出水位置往往是覆岩(亚)关键层破断处且伴随周期来压[52,62,65-67]。因此，周期来压步距与周期跨落步距是预测离层突水周期性的关键。张文忠推导了在考虑水体浮托力下的离层破断距L计算公式[38]为

(4)

式中，h为悬露岩层的分层厚度，m;Rt为含水层中基本顶的极限抗拉强度;q为含水层中基本顶上部载荷;g为重力加速度;∑h为覆岩的垮落厚度，m;θ为岩层垮落角。

3.3 离层涌突水水量预测

目前有关离层涌突水水量预测的研究还较少。若可积水离层被积水完全充满时，离层水的体积即为可积水离层的总体积，即离层水的最大体积为各可积水离层的体积之和，因此对于离层涌突水水量的预测可转化为离层空间体积的预测。

程新明等提出了经验类比法来计算离层涌突水水量[68]。根据相关文献资料检索情况,以及淮南矿区对采动离层裂隙发育情况的实地监测与统计,发现离层裂隙体积V与煤层回采体积Vc存在正比例关系,即

V=γVc

(5)

式中，γ为比例系数，%，根据相似矿井或工作面已有的离层裂隙监测资料进行回归统计确定。

对于周期性离层涌水的矿井，可以通过之前离层涌突水水量的观测资料，得出离层涌水量与工作面推进的相关关系，进行下一次离层涌突水水量预测;除此之外，还可以通过附近已开采区域离层涌突水水量的情况，对工作面离层涌突水水量进行预测。

4 离层水害防治方法与难点

4.1 防治方法

要想达到离层水防治效果的最大化，就要设计合理可行的离层水防治方案。对于不同的工程，因其地质条件与工程条件的不同，其离层水的防治方案与措施也不同。近年来，由于离层水害的频发，对于离层水害防治的研究也逐渐增加，目前对于离层水害防治的方案步骤基本一致。首先，确定可积水离层可能发育的位置与周边含水层的富水性,判断该工作面上覆离层水的形成条件;然后在采前对周边补给含水层进行有效疏放，在回采过程中对离层水进行探放;最后增加工作面与矿井的排水能力，建立矿井水情动态监测及水害预警[52]。

根据前述章节叙述可知离层水害的4个基本条件:① 可积水离层—离层空间具有“封闭性”;② 离层周边存在补给水源;③ 一定长的离层空间充水时间;④ 具备导水通道。离层水害防治措施从这4个条件出发。

钻孔疏放是目前主要的离层水害防治方法:在掌握离层积水发育位置后，对其进行疏放。疏放钻孔可以预疏放离层补给水源，破坏离层空间的可积水性，疏放离层空间积水，以破坏离层水害形成的基本条件达到防治目的。采场顶板离层水疏放孔可分为井下导流孔、截流孔与地面直通式泄水孔。积水离层位置距下伏工作面较近时，可采用井下疏放孔治理;对崔木、招贤等煤矿积水离层发育位置较高，井下上仰施工困难的情况，可采用地面直通式泄水孔进行离层水的疏放。

(1)井下离层水导流孔。其目的是在覆岩离层水对工作面造成影响之前，对覆岩离层水进行超前疏放，减小回采期间覆岩离层积水对工作面的影响。井下离层水导流孔应指向离层空间，终孔于离层积水区，如图11所示。

图11 井下离层水导流孔示意Fig.11 Schematic diagram of diversion hole for bed separation water

(2)井下离层水截流孔(超前疏放孔)。其目的是疏放离层补给含水层，阻截其对离层空间的补给，以减小离层空间获得的补给量，从而减小离层积水对工作面的影响。其中截流孔终孔于离层补给含水层，指向工作面外。离层水截流孔须在工作面回采之前进行施工，并进行疏放水，如图12所示。

图12 井下离层水截流孔示意Fig.12 Schematic diagram of cutoff hole for bed separation water

(3)直通式泄水孔。针对崔木、招贤等煤矿高位离层水害，因其离层与下部工作面之间大多数为泥岩层，井下施工困难，可以采用地面直通式泄水孔对采场顶板离层水进行疏放[32]。直通式泄水孔的作用与离层水导流孔作用相同，都是提前疏放离层空间中的积水，以减小回采期间对下部工作面的影响。对于直通式泄水孔，应指向离层空间，终孔于冒落带顶部，如图13所示。

图13 地面直通式泄水孔结构示意Fig.13 Structural diagram of straight through drain hole on the ground

除了钻孔疏放的方法外，可以通过控制采高和推进速度的方法来破坏可积水离层形成的必要条件，阻止离层水的形成。采场顶板离层空间的持续时间与煤层开采推进速度成反比，因此，加快工作面的推进速度，可以缩短离层的持续时间，达到减小顶板离层水积水对下部采场影响的目的。此外由于采场顶板离层空间积水量取决于离层空间体积大小及离层空间动态补给量，而离层空间体积发育与工作面的推进距离有关，因此，控制推进速度可以控制离层空间积水量的大小。笔者曾以崔木煤矿 21302工作面为例，推算出21302工作面推进速度与离层水积水量关系，提出了合理的推进速度有效减弱了离层水突水危害[32]。在多煤层开采时，通过减小采高，控制导水裂隙带发育高度，从而避免导水裂隙带直接波及到离层积水区域，形成导水通道造成顶板离层突水。

在离层突水预警方面不少学者也有所研究，通过采场附近水文长观孔对离层补给含水层进行水动态监测，观测顶板含水层的水位、水压等水情动态，并进行详细记录，可起到突水预警作用[53]，如图14所示。离层突水时常伴随矿压的增大与瓦斯含量增加的现象，因此，对工作面矿压与瓦斯含量的检测，可辅助水动态监测，共同起到突水预警作用。此外曹海东基于对红柳煤矿1121工作面突水实例的研究，认为泥岩隔水层厚度是覆岩离层突水问题的关键，并推导了发生离层水害的泥岩厚度计算公式与离层水体位置计算公式，可用于覆岩离层水害的预警与防治[30,69]。

图14 崔木煤矿洛河组水位-井下涌水的关系曲线Fig.14 Relationship curve between water level and underground water inflow of Luohe formation in cuimu coal mine

4.2 防治难点及对策

本节结合目前国内离层水害最严重的鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田开展相关分析。由上文叙述可知，鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田离层水害防治的难点是:① 高位离层突水出现强矿压，表现为冒顶、抽顶、煤壁片帮、支架压死等现象;② 离层水害引发的溃砂问题严重，造成工作面及部分巷道被淹。

对于高位离层水害，从矿井突水水源、通道和强度3个角度分析，高位离层水害有以下特点:① 其突水“水源”为发育于白垩系与侏罗系接触带之间高位离层空间积水体，其补给水源为白垩系巨厚、高压含水层，且具有一定的体量和周期性发育特点;② 突水“通道”主要为采动引发的侏罗系覆岩纵向主导水裂缝，其沟通离层空间是引发突水的主要原因，纵向主导水裂缝受导水裂缝发育和高位亚关键层破断控制，且具有动态演化特征，为主渗流通道;③ 突水“强度”，即突水水量，由导水通道(纵向主导水裂隙)和离层空间的演化规律控制，具有突水伴随强烈矿压并随后逐步减弱的特点。

鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田近年来出现的离层水害引发的溃砂问题，使得防治离层水害的难度进一步加大。传统的矿井溃砂灾害，是指近松散层采掘条件下，含砂量高的水砂混合层中的流体(含砂)溃入井下工作面，影响矿井安全生产的一种矿井地质灾害。而鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田出现的灾害是一种携泥砂突水灾害，其水源和物源是分离赋存的，灾害通道因采动和水流的作用引发物源脱离而扩展，从而进一步增加矿压控制的难度，最终形成采场突水、泥砂俱下、支架失效等极复杂灾害链问题。

引发鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田携泥砂突水灾害的核心问题有2个:一是侏罗—白垩纪覆岩较为特殊的工程地质特性，复杂的沉积亚相和微相对应的古风化壳、软弱泥质岩和弱胶结砂岩(风化-软-弱岩层)以及大埋深煤层、高地应力、高水压的环境使得天然工程地质与水文地质条件较为复杂;二是厚及特厚煤层的高强度采动，综采放顶煤，超长工作面等诱发的采动工程地质与水文地质条件的变化使得灾害问题进一步复杂化。所以防控此类灾害，即在采前就做到“有的放矢”，有必要抓住侏罗—白垩纪覆岩工程地质特性这一主导因素。

阐明白垩系水文地质条件、高位积水离层演化和突水通道提供泥砂石物质来源，实则明确了灾害的“水源”、“动力源”和“物源”问题。而由于侏罗—白垩纪覆岩的工程地质特性，直接顶、基本顶和主(亚)关键层的破断规律，覆岩结构和裂隙演化，决定了灾害的位置和方式，所以为灾害的“通道”的范畴。所以，不同覆岩工程地质特性下的不同采高的工作面，是否一定有水害问题？如果存在水害，表现为只“突水”还是“携泥砂突水”？相关研究亟待开展。

综上所述，离层水害的孕育与发展具有“动态水源”和“动态通道”的特点，离层水害的发生后果是瞬时水量大甚至是携带泥砂石(易导致工作面压架)的灾害。所谓“动态水源”是指离层积水体不是天然含水层，而是在煤层覆岩中出现的采动空间受天然含水层补给而充水，所以预测离层水体的形成位置、时机是难点之一。“动态通道”的难点在于离层积水体与采动导水裂隙的结合点难以把握，离层积水体形成之后，如果导水裂缝(带)无法与其贯通，则无法形成离层涌突水;若导水裂隙(带)在采空区上方与离层水体沟通，则形成的离层涌突水危害强度较弱;当导水裂隙在控顶区上方与离层水体沟通，或者在采空区上方沟通但是水流由导水裂隙引入工作面时，往往形成离层水害。所以，离层积水体(横向裂隙空间积水)与采动导水裂隙(以纵向导水裂隙为主)的结合点位置、结合时机难以把握。由于涌突水的水源是动态的，而涌突水的通道也是动态的，所以离层涌突水的水量就难以预计。

离层水害的防治难点在于其涉及水文地质、工程地质、采动岩体力学和采矿工艺与设备等多个方面。首先应对煤层覆岩工程地质与水文地质条件深入分析，开展离层水害的区域预测工作，划分离层水害发生的危险区域，对水害的防治做到“有的放矢”。其次应深入分析工作面采动过程中水位-矿压-涌水量的联动关系，获取工作面离层水害的特征和外在表征，并辅助瓦斯涌出量、微震信号识别和地球物理探测等手段，开展多个因素在离层涌突水全过程周期的演化规律研究，明辨离层水害发生的主要因素和矛盾，最后有针对性的开展前述相关治理方法的研究和实施。

5 展 望

(1)离层水害的区域性预测。应细化煤层覆岩的工程地质水文地质条件研究，研究高位离层垂向和平面发育位置判断的方法，开展离层水害采前精准预测分区研究。

(2)离层水害演化过程的核心问题在于采动覆岩变形、移动和破坏机制，而目前覆岩破坏是一个“灰箱”问题，需要钻探技术、地球物理探测技术和采动岩体工程地质力学特性研究的进一步突破，使得“灰箱”逐渐向“白箱”发展。从而进一步可以防控灾害链(离层涌突水-溃砂石-冲击地压-工作面自燃等)的发生。

(3)在防控技术方面，目前防控技术相对单一、缺乏针对性，缺少离层水害综合防控技术体系，从而导致或过度防治造成经济、工程量的浪费。应在采矿工艺、开采布局、泄水孔快速有效施工、推进速度控制和井下防排水系统完善等方面开展深入研究。