弱胶结覆岩离层发育规律及离层涌水机理研究

吴新庆 陈方明 吴祯婓

（1.西北矿业公司邵寨煤业，甘肃 平凉 744400；2.山东元鸿勘测公司，山东 济南 250000）

邵寨井田地处陇东黄土高原南部，井田面积20.17 km2，可采资源储量0.93 亿t。矿井可采煤层由上而下分别为2 煤、5 煤、8 煤。开采过程中上覆的白垩系洛河组含水层为中、粗粒砂岩，厚度大，对矿井开采威胁较大，是矿井主要水害防范对象。此外，根据矿井相邻的崔木煤矿开采揭露可知，洛河组含水层易造成离层水害而威胁工作面开采安全，瞬时涌水量可达到1000 m3/h 以上，极易造成淹面等水灾事故。为此，邵寨煤矿开采过程中，进一步研究洛河组含水层造成的离层水害，并制定相应的防治措施对保障矿井安全回采具有重要意义。

1 研究区煤层赋存形态分析

由邵寨煤矿建井地质报告可知，中侏罗统延安组含煤三层，含煤系数20.20%。其中，主要可采煤层煤8，平均厚度7.61 m；次要可采煤层煤2，平均厚2.64 m；煤5 平均厚1.81 m。研究区5 煤层为邵寨煤矿待开采煤层，该层煤结构简单，变化规律明显，厚度沿走向变化不大，为较稳定煤层。由煤层采掘工程平面可知，该区前期勘探阶段共69个钻孔穿过5 煤层，在提取各钻平面坐标后，通过Surfer 软件绘制了煤层厚度等值线图（图1）。

图1 煤矿5 煤厚度等值线图

通过分析可知，研究区煤层展布规律明显，中厚及厚煤层主要分布在井田西北、东北及东南位置。因煤层开采覆岩运动的影响，该煤层采动后存在导水裂隙带沟通洛河组砂岩含水层的风险，因此本节将依据规程公式计算不同煤厚区域导水裂隙带的发育高度，并将其与离层发育位置对比分析，从而为将来大范围开采5 煤层提供防治水依据。

2 导水裂隙带发育特征

由于邵寨煤矿目前处于建井阶段，准确科学计算导水裂隙带发育高度将是煤矿安全生产的重要环节[1]。本文将以5 煤为研究对象结合周边矿区实测数据综合确定导水裂隙带计算方法。由于采场顶板以砂质泥岩、泥岩为主，依据《煤矿床水文地质、工程地质、环境地质勘查评价标准》计算所得，5煤层开采导水裂隙带发育范围为25～46 m，此时导水裂隙带远远未达到白垩系地层底界面，但是在综采条件下，煤层采动导致的覆岩裂隙范围远大于规程公式计算值[2]。依据相邻大佛寺煤矿和亭南煤矿开采数据，实测裂采比在16.02～22.7 之间。因此，在预测裂隙带发育高度时，取最大值22.7，煤厚按实际煤层厚度取值，依此法计算导水裂隙带最大高度，结果如图2。

图2 导水裂隙带发育等值线图

由裂采比推算，开采5 煤层导水裂隙带最大发育高度为64.92 m。在侏罗系煤系地层中，5 煤顶板距白垩系地层底界面平均距离160 m，取最小厚度时两者间距60 m。因此，在未来3 年生产范围内，采场覆岩受采掘破坏产生的导水裂隙带纵向延伸不到安定组上部良好隔水层更无法发育到白垩系砂岩含水层，邵寨煤矿矿井直接充水含水层为侏罗系延安组及直罗组含水层。但根据周边煤矿的生产经验，随着大量煤炭资源的采出，煤层顶板离层空间逐渐形成，当离层空间充满上部洛河组砂岩水时，就存在离层水通过导水裂隙带进入采空区的风险。

3 离层发育力学分析

由材料力学可知，当单一均质梁发生弯曲变形时，与中性轴平行的各平面均会产生剪应力。同样的，对于组合岩梁来说，当其受力弯曲时，在不同岩梁接触面上必然存在剪应力。由于回采工作面上方的岩梁悬露，可将煤系地层中采场顶板各岩层视为受均布荷载的多层固支梁，如图3。

图3 离层发育模型

图3 所示为两力学强度较高的岩层夹持强度低的岩层。由此可知，在工作面推进过程中，当岩层接触面上的剪应力超过其应力极限，即软弱夹层上黏聚力和摩擦阻力达极限时，夹层接触面即被剪断。由于该过程符合库伦剪破裂准则，因此可用如下公式判断是否发育离层：

此时，层面上应力状态可通过应力莫尔圆表示，结合库伦准则绘制σ-τ坐标轴，如图4。由岩体的离层发育极限平衡条件可知，当两岩层间的正应力、剪应力组合关系与库伦剪破裂近似线性函数曲线相切时，两岩层接触面即被剪断。因此最大主应力σ1与小主应力间σ3应满足如下关系式：

图4 σ - τ 坐标下的库伦准则

整理后可获得极限平衡状态时σ1和σ3的关系式：

当离层极限平衡状态的埋深为Hm，此处产生的水平正应力与上覆岩体的重量存在如下关系：

将式（4）带入式（3）整理，可得离层极限平衡状态埋深Hm的表达式：

式中：γ为接触面上覆岩体的重量；Hm为接触面的埋深；μ为此处软弱岩层的泊松比；λ为侧压系数；c为接触面上的黏聚力；φ为接触面的内摩擦角。

因此，在分析研究区覆岩是否发育离层时，可将式（5）作为离层发育的判别公式，如果覆岩实际埋深大于公式计算值，则在两岩层接触面上发育离层。

4 离层突水机理分析

依据煤矿建井报告，安定组顶界面上覆宜君组与洛河组地层的平均密度约为2.60×103kg/m3，即容重γ为2.6×104N/m3。组内各岩石饱和单轴抗压强度：粉砂质泥岩为26.9 MPa，中粒砂岩为24 MPa，含砾粗砂岩为20.7 MPa，细砾岩为20.2 MPa，取含砾粗砂岩20.7 MPa。内聚力取值4.5 MPa（取4.5×106 Pa），内摩擦角约为15°。由于安定组岩层以砂岩为主，泊松比μ为0.25，即根据公式（4），侧压系数λ为0.33。将上述各参数带入式（5）计算极限埋深可知，岩体离层发育埋深为：

由803 钻孔资料可知，该孔地面标高1206 m，5 煤顶板至白垩系底界面181 m，推算该处埋深1205 m。由于该岩层在埋深超过1026 m 时已经发育离层，因此依据离层发育力学分析认为，受采动影响，如果安定组顶界面岩层存在可下沉空间，即在该处发育离层。

4.1 离层涌水过程

依据离层发育力学分析并结合邵寨煤矿地质及水文地质特征，现分析邵寨煤矿矿井离层水害形成机理并绘制离层形成突水机理图，如图5。

图5 煤层顶板离层水突水机理示意图

工作面自煤层开采后，煤层上覆岩层发生移动变形，导水裂隙带逐渐形成并增多，且继续向上发展。随着采空区的不断扩大，覆岩弯曲变形，但由于各层岩性不同，其变形程度有所差异，出现了离层，见图5（a）离层的形成。

工作面继续回采过程中导水裂隙带穿过离层，煤层上覆含水层水量不大，以矿井正常涌水进入工作面。随着工作面继续推进，离层下部的泥岩逐渐封闭，形成类似的“再造隔水层”。离层空间具有可储水功能，煤层上覆含水层水沿原生孔隙裂隙及导水裂隙带下渗进入离层空间中，形成离层水体，见图5（b）离层水的形成。

工作面继续推进，离层空间不断扩大，上覆含水层水体继续下渗进入离层空间内蓄积。当离层水体形成一定的规模，且储水岩层不再能够承受所担负的各向压力，同时伴随着周期性来压，在某一岩层薄弱区破裂，离层水体全部迅速涌出，沿着岩层中各原生孔隙裂隙及导水裂隙带涌下，进入工作面，造成煤层顶板突水事故，见图5（c）离层水突水过程。

离层突水的特点为瞬时水量大，总水量相对较小，且具有一定的周期性。在一次煤层顶板离层突水后，该离层会随着工作面的继续向前推进而逐渐闭合压实，在工作面继续推进的过程中，新的离层空间又可能会继续向前向上形成发展，见图5（d）周期离层的形成。

4.2 开采防治措施

由于煤层顶板延安组地层相变较为明显，不同区段岩层结构和岩性组合有所差异，使得离层形成与发展的时间、空间具有一定的不确定性[3]。加之不同区域洛河～宜君组含水层富水性差异大，对离层空间补给强度不同，造成离层充水量差异较大，离层水害影响程度不同。基于此，根据离层发育机理可将其总结为，离层空间形成→离层充水→离层破断突水→离层闭合4 步周期性发育过程。

综上所述，由于离层水在工作面见方、推采距离较大的情况下极易形成，通过布设井下钻孔，在工作面第一、二次“见方”提前疏放离层积水，破坏离层结构，可从根源上防治离层水害。

5 结论

1）通过材料力学假设，给出了多层岩梁接触面离层发育条件，推导了离层发育极限埋深的判别条件，并计算了研究区离层发育埋深，认为研究区已经具备离层水害形成的地质背景条件。

2）结合研究区水文地质条件，离层发育机理可总结为离层空间形成→离层充水→离层破断突水→离层闭合4 步周期性发育过程，并给出了相应防治水措施。