长安旬东煤矿顶板分散空腔离层判别及离层位置相似模拟分析

王 刚，尚建卫

(1.陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000； 2.陕西旬邑县旬东煤业有限责任公司，陕西 咸阳 711300)

随着煤层开采覆岩不均匀下沉、破坏，在岩层层间形成离层空间，离层空间积水后所形成的离层水体，直接威胁到采场安全。据调查，自2016年至今，长安旬东煤矿采掘工作面频繁遭受空腔离层水患，尤其是顶板分散空腔离层水患严重干扰采掘工作面的正常生产，顶板空腔离层水患涌水、突水的瞬时水量大，严重时会导致相关工作面被淹停采，甚至造成了人员伤亡，给矿井安全开采构成了极大威胁。因此，要充分认识矿区内的离层水形成条件并进行离层判别验证分析，为制定防治措施做好准备[1-2]。

目前，国内关于井下离层水发育的形态和规律方面的研究较多，离层判别及验证方法也逐渐形成一定的规范，比如，根据离层涌水判别离层水是否存在，根据涌水情况判别离层水的水位变化阶段[3]，还有研究对井下离层水涌突水原因也总结为“动力突水”、“静水压涌突水”等[4-6]。在这些研究的基础上，本文对长安煤矿顶板分散空腔型离层位置进行了相似模拟实验，并针对长安旬东煤矿4113工作面得出了探放水相关建议。

1 地质特征概况

长安旬东煤矿隶属于陕西旬邑县旬东煤业有限责任公司，位于咸阳市旬邑县潘川沟内，距旬邑县东南20 km，矿井核定生产能力达到240万t/a，井下有受采掘破坏或影响的孔隙裂隙发育以及溶隙含水层补给影响。

(1)第四系全新统冲积含水层。分布在第界河的支流潘川沟附近沟谷中，呈条带状。上部以黏土、砂质黏土、深灰色粉砂及黏粒，下部发育有砂卵砾石层以及煤层中富含水流砂。地下水位埋深0.30～4.70 m，含水层厚度0.40～7.20 m，平均厚2.30 m。水质类型为HCO3-Ca·Mg型，矿化度0.465～0.663 g/L，总硬度295.57～407.90 mg/L，pH值7.6～8.3，水温9～12 ℃。

(2)第四系上更新统潜水含水层。第四系上更新统为黄土、砂黄土及古土壤组成，主要特征为潜水含水层发育，孔隙裂隙发育。于梁、塬边出露，泉流量在0.023 L/s左右。据周边调查，泉水水质类型为HCO3- Mg·Ca，矿化度0.46 g/L，pH值7.9，水温15 ℃。

(3)新近系隔水层。新近系厚度在20 m以上，岩层性质为相对单一的红土，上覆松散岩类，下部为基岩含水层，为红土隔水层。

(4)白垩系下统洛河宜君砂砾含水岩组。洛河宜君组主要为泥岩、砂质泥岩，砂砾岩，根据岩性、分选性、岩石胶结程度及煤层孔隙裂隙发育，局部含水，为相对隔水层。矿区东部厚度大于200 m，最厚约260.00 m；矿区西部小于100 m，局部地段缺失。据地质报告，4-2号水文孔抽水试验结果：潜水含水层厚度128.22 m，单位涌水量0.011 6 L/(s·m)，渗透系数0.013 045 m/d，水位标高-1 346.04 m。特征为含水层但富水性较弱，其水质类型为Cl·HCO3-Na、HCO3-Ca·Mg型，矿化度0.557～0.999 g/L，总硬度124.20～296.14 mg/L，pH值7.6～8.4，水温12 ℃。

(5)侏罗系中统安定组。区内无出露。侏罗系中统安定组由紫红色、灰褐色泥岩组成，特征为相对隔水层，其分布特征为：一采区北部厚度大于20 m，最后可达38.33 m；一采区南部和西部局部缺失。

(6)侏罗系中统直罗组和延安组，下统富县组及三叠系上统胡家村组在矿区内无出露。

2 长安旬东煤矿离层判别及验证

统计长安旬东煤矿工作面覆岩离层地质勘探测量以往数据，发现覆岩、煤层中形成较多分散离层，尤其在较厚煤层岩层内部，这些分散离层的层位伴随工作面回采上下浮动。通过长期对长安旬东煤矿工作面分散离层的导含水情况分析，初步判断长安旬东煤矿工作面受到分散空腔离层危害最多，这种分散的空腔离层间隔空间大、孔隙裂隙发育，透水性强、长期持续富水。

(1)顶底板围岩特征。以4113工作面为例，其顶板第1层即伪顶为泥岩，顶板第2层(直接顶)为砂泥岩及砂岩，顶板第3层(基本顶)为细粒砂岩及中粒砂岩，顶板第1，第2，第3层岩层的原始厚度最大值为：h1+h2+h3=18.88 m。顶底板围岩特征详见表1。

表1 4113工作面顶底板围岩特征Tab.1 Surrounding rock characteristics of roof and floor of 4113 working face

(2)长安旬东煤矿离层层位判别。旬东煤矿顶板分散空腔离层主要集中在洛河组及其底部，尤其多形成在泥岩界面之间，具体形成原因是由于泥岩遇水后软化，水泥岩干扰到开采煤层，直接封闭了开采煤层的导水裂隙带，经过一定时间重新胶结后使其具有了隔水性能，这样导水闭合、隔水恢复的过程，极易形成离层空腔积水。洛河组及其底界部可积水离层发育如图1所示。

图1 洛河组及其底界部可积水离层发育Fig.1 Luohe formation and its bottom boundary have developed water-separable layers

(3)长安旬东煤矿离层验证。按长安旬东矿采煤工作面采厚8.6 m计算，依据《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》，裂采比在14.500～15.625，选用最大值15.625，计算冒裂带发育高度约为134.400 m。长安旬东煤矿顶板分散空腔离层上覆硬质厚岩层，与下部岩层间变形不一致，位变形变均不协调，同时该离层与上覆岩层保持了一定的悬空距，导致下部离层空间具有一定的持续性[7-8]。“空腔型”离层力学机理：上覆岩层之间的相对错动引起的应力(张应力、拉应力、剪应力)大于岩层面之间的强度，使上下岩层形成较大刚度差，容易导致变形不协调(W上

qn，1>qn+1，1

(1)

式中，qn，1为第n层岩层对第1层岩层的负载值；qn+1，1为第n+1层岩层对第1层岩层的负载值；W为岩层弹性模量。

把采场上覆的若干岩层近似认为叠加组合而成，并认为各岩层上的负载均匀分布，则长安旬东煤矿采面顶板上下位岩层满足式(1)，从而在物理力学结构上满足了分散空腔离层发育的基本条件。“空腔型”离层量及离层空间相对较大，煤层开采后，采空区未能完全被冒裂带岩石完全充填，提供了离层空间，即有：

M-∑(Ki-1)hi>0

(2)

式中，M为开采煤层总厚度；hi为煤层采后冒裂带内第i层岩层的原始厚度；Ki为碎胀系数。

其中，Ki取1.4，∑hi=h直接顶+h基本顶+h伪顶≈19 m，即：M>0.4∑hi，该计算结果验证了长安旬东煤矿工作面分散空腔离层的存在。另外，长安旬东煤矿在探放水钻孔钻至该类离层时，有明显的吸风、负压、掉钻等现象，侧面证明了空腔的形成。

3 相似模拟分析

以长安旬东煤矿4113工作面为原型进行离层位置相似模拟分析，实际煤层走向长约1 713 m，倾斜长约180 m，采深范围在146～192 m，煤层平均厚度接近10 m，倾角平均3.1°。

(1)相似模拟条件。假设应力条件为理想状态，设计模型尺寸为长×宽×高=300 cm×20 cm×(80～95) cm，模型岩层按照井下工作面综合钻孔柱状图纸，以1∶200比例设计[9]。

(2)相似模拟结果。模拟采厚4.3 cm(实际采厚8.6 m)开始推进，距模型两侧边界30 cm处开切眼开挖，以推进到20、40、100、240 cm等位置为例，模拟分析顶板分散空腔离层位置，按理想应力状态实验具体结果见表2。

表2 4113工作面顶板及上覆岩离层位置相似模拟实验结果Tab.2 Similar simulation experiment results of position of roof and overlying strata of 4113 working face

图2 模拟工作面推进过程中顶板垮落分析Fig.2 Analysis of roof collapse during advancing process of simulated working face

图3 模拟工作面推进到240 cm时覆岩特征全景Fig.3 Panoramic view of overlying rock features whensimulated working face advanced to 240 cm

4 长安旬东煤矿离层水疏放治理建议

(1)分析离层涌水突水因素，可采取对离层水进行钻孔疏放即采用地面直通式导流孔或井下施工仰孔探放水，将水排放至采空区，实现靠近顶板分散空腔离层水的疏放。

(2)在地面布设的直通式导流孔疏放洛河组底部离层空间的积水方式，受限于矿区煤层覆岩的整体性结构，随着采掘工作面的持续推进，导流孔频繁被冲坏甚至堵死，导致导流不畅通，暗伏水患。另外，矿区内地表为梁塬沟壑交错的山区地貌，交通与施工条件差，不建议地面直通式钻孔施工。

(3)分析判断顶板分散空腔离层的形成规律，大多在工作面来压期间顶板分散空腔离层密集，因此井下探放水钻孔布置时间应与来压周期一致。综采工作面周期来压有大小周期之分。根据矿井对综采工作面的来压观测，矿井一采区4111、4113、4117、4119等工作面，小周期来压步距在30 m之内，一般持续6～12 h，而大周期来压达到90 m之外，来压持续在1～3 d。通过调查周边其他煤矿的疏放钻孔的布置，间距在200 m，钻孔的疏放半径100 m。因此，在布置探放钻孔时，根据周期来压的步距选择200 m的间距可满足离层水的防治与疏放半径要求，设计钻孔间距200 m。工作面切眼200 m向外间隔200 m布置1个斜向工作面的钻孔，对煤层顶板砂岩进行超前疏放和离层水防治，该类钻孔进至煤层导水裂隙带以上30 m，到底洛河组岩层中，保证工作面回采后探放水孔仍能将洛河组水疏导至采空区中，从而避免顶板分散空腔离层带过多。

(4)裂隙孔隙对顶板分散空腔离层的形成影响很大。“空腔型”离层灾害裂隙易发育于采厚大的煤层，在实际工作中要对透水性较弱并周边有可补给水源的巨厚煤层重点关注，提前疏放。