馬亞杰，常江

(河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009)

煤層開采后將引起上覆巖層的移動與破裂，從而在覆巖中形成采動裂隙，采動巖體中應(yīng)力場變化和采動裂隙會引起井下突水事故，成為制約煤礦安全生產(chǎn)的重要問題。為研究煤層頂板巖層運動規(guī)律和突水危險性，眾多學(xué)者和專家進行了深入分析。形成的主要理論有:“上三帶”理論、關(guān)鍵層理論［1］、“三圖-雙預(yù)測法”［2］、“組合關(guān)鍵層”理論［3］等。本文以開灤礦區(qū)東歡坨礦為依托，針對復(fù)雜水文地質(zhì)條件開展煤層頂板突水控制因素及其危險性研究，并綜合考慮與頂板突水有關(guān)的各種控制因素，對煤炭開采過程中頂板突水危險性進行評價與預(yù)測。

1 地質(zhì)構(gòu)造特征

東歡坨礦區(qū)所在的車軸山向斜，為一狹長不對稱的大型含煤向斜。向斜軸向約為N60°E，向斜軸面向北西方向傾斜，與鉛直面夾角約20°，樞紐以13°角向西南方向傾伏。向斜轉(zhuǎn)折端在油房莊北部，在平面上呈"舌"狀伸出。西北翼的地層走向為N70°E，傾角65～80°，一般70°。局部呈倒轉(zhuǎn)狀態(tài)。東南翼地層走向為N30°E，傾角12～25°，一般20°左右。向斜內(nèi)部斷裂構(gòu)造較發(fā)育，斷層走向多與向斜軸方向一致。

北二采區(qū)位于車軸山向斜仰起轉(zhuǎn)折端，呈相對獨立的水文地質(zhì)塊段，區(qū)內(nèi)地層總體由NE～SW向展布，傾角10～23°，南以F2'斷層為邊界，北以DF35斷層為界，深部至向斜軸與各煤層－500等高線，淺部至沖積層防水煤柱線。區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造發(fā)育，除F2'、DF35大斷層外，還發(fā)育走向NEE正斷層組與走向NWW正斷層組。

2 水文地質(zhì)

東歡坨礦二疊系8煤層頂板上方30～70m處是5煤層頂板砂巖裂隙承壓含水層，此含水層對8煤層的開采直接造成威脅，是8煤層頂板涌(突)水的直接充水含水層。因為8煤層頂板為泥質(zhì)或硅質(zhì)膠結(jié)的砂巖，見水易變軟，極易冒落，從而使煤5～煤8之間的巖段被破壞，冒落裂隙可溝通上部充水含水層，使砂巖裂隙水直泄回采工作面。據(jù)統(tǒng)計，在現(xiàn)階段礦井總涌水量中，水源為5煤層頂板砂巖裂隙水就占其50% ～60%。

由于5煤層頂板砂巖裂隙承壓含水層以傾伏向斜的形式下伏于第四系松散層，第四系底部卵礫石孔隙含水層以“天窗式”和“越流式”兩種方式垂向補給5煤層頂板砂巖裂隙承壓含水層，因此，第四系底部卵礫孔隙含水層是8煤層開采的頂板涌(突)水間接充水水源。

對8煤層頂突水有影響的含水層或含水層組為第四系沖積層孔隙承壓含水層，5煤層頂板砂巖含水層和8煤層頂?shù)?煤層底板間的含水層組。

2.1 第四紀(jì)沖積層孔隙承壓含水層

研究區(qū)第四系沖積層由于其沉積的厚度和韻律不同，其富水性也各不相同。淺部沙層富水性中等，其水位高低主要受季節(jié)性氣候變化，對礦井用水的影響不大。在沖積層的中部多為卵礫石一黏土、沙層等互層，一般層數(shù)較多，對底部卵礫石層孔隙含水層只有在“天窗”處直接進行補給，對礦井的涌水影響不大。底部卵礫石層，其富水性極強，且直接覆蓋于基巖之上，對礦井涌水有直接影響。

2.2 以第四系底卵水為補給水源的A層～煤5強含水層

由于北二采區(qū)位于車軸山向斜仰起端，基巖地形較高，風(fēng)化剝蝕作用強烈，區(qū)內(nèi)缺失A～A0含水層，底卵水直接覆蓋于煤5～A層之上，直接補給該含水層。本組厚度在主石門線為280 m。依照透水性差異，將本含水組分為三個層段:A下80米中等含水層;A下80米～煤5頂100米強含水層;5頂0～100米強含水層，厚約100米，裂隙發(fā)育，含水性極強，單位涌水量0.016～1.507 l/sm，滲透系數(shù)0.369～10.492 m/D，本含水層與底卵層及以上地層無隔水層，是本礦煤層開采的主要水害威脅。

3 煤8頂板突水危險性分析

3.1 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計算

依據(jù)《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》，頂板裂隙帶計算公式。根據(jù)巖性及構(gòu)造特征，將煤8頂板劃歸為中硬頂板。煤層采后頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計算公式如下:

式中:H裂—導(dǎo)水裂隙帶高度(m);∑M—煤層累計厚度(m)。

計算獲得開灤東歡坨井田北二采區(qū)8煤厚度一次采全高冒落裂隙帶高度分布圖，如圖1所示。

圖1 開灤東歡坨北二采區(qū)8煤層一次采全高冒落裂隙帶高度等值線圖

3.2 覆巖與含水層間距特征

8煤層開采時導(dǎo)水裂隙帶是否導(dǎo)通5煤層頂板砂巖裂隙含水層和第四系沖積含水層，主要取決于8煤層頂板上覆巖層的巖性、導(dǎo)水裂隙帶高度、8煤層至5煤層頂板砂巖裂隙含水層之間距離和8煤層至第四系沖積含水層之間距離。

本區(qū)8煤層至5煤層間泥巖百分比含量分布如圖2所示。

圖2 開灤東歡坨井田北二采區(qū)8煤層至5煤層之間泥巖百分比含量分布圖

8煤層至5煤層頂板砂巖裂隙含水層之間距離減去8煤層一次采全高形成的冒落裂隙帶高度(ΔH1)，若是ΔH1大于零，說明開采時可以一次采全高，不會導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通隔水巖段;若ΔH1小于零，說明不能一次采全高，需要采用其它措施處理，如采用分層開采或上部注漿帷幕堵水等措施。若是不采取任何措施下采全高，可能上部充水含水層中水就會下滲回采工作面，造成頂板突水。本區(qū)ΔH1計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 開灤東歡坨井田北二采區(qū)煤8頂至煤5頂板砂巖裂隙含水層之間ΔH1分布圖

8煤層至第四系沖積含水層之間距離減去8煤層一次采全高形成的冒落裂隙帶高度(ΔH2)，若是ΔH2大于零，說明開采時可以一次采全高，不會導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通隔水巖段;若ΔH2小于零，第四系沖積含水層可能涌入回采工作面，造成頂板突水。本區(qū)ΔH2計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 開灤東歡坨井田北二采區(qū)煤8至第四系沖積層之間ΔH2分布

4 煤8頂板突水危險性評價

根據(jù)本區(qū)ΔH1、ΔH2、8煤層至5煤層間泥巖百分比含量和斷裂構(gòu)造條件，將本區(qū)煤層頂板突水危險分為四類，安全區(qū)(Ⅰ)、中等安全區(qū)(II)、安全性差區(qū)(危險)(III)和安全性極差區(qū)(極危險)(IV)四種類型，各因素的評價分類標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 煤8頂板突水危險性地質(zhì)評價分類標(biāo)準(zhǔn)

表中:ΔH1為8煤層至5煤層頂板砂巖裂隙含水層之間距離減去8煤層一次采全高形成的冒落裂隙帶高度;ΔH2為8煤層至第四系沖積含水層之間距離減去8煤層一次采全高形成的落裂隙帶高度。

根據(jù)各因素對突水危險的影響程度將三個因素分別賦予不同的類型系數(shù)，ΔH1、ΔH2影響程度較大，類型系數(shù)各為0.3，泥巖百分比影響較小類型系數(shù)為0.2。對各因素進行類型系數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)為表2、表3、表4、表5。

表2 按ΔH1進行類型系數(shù)劃分的標(biāo)準(zhǔn)

表3 按ΔH2進行類型系數(shù)劃分的標(biāo)準(zhǔn)

表4 按泥巖百分比進行類型系數(shù)劃分的標(biāo)準(zhǔn)

表5 按斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度進行類型系數(shù)劃分的標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)四個因素的類型系數(shù)總和將區(qū)域安全級別進行劃分，四個類型系數(shù)的總和按表6標(biāo)準(zhǔn)分級，最后評價結(jié)果如圖5所示。

表6 類型劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖5 開灤東歡坨井田北二采區(qū)8煤頂板突水危險性等級評價圖

5 結(jié)論

通過對開灤東歡坨礦井各種地質(zhì)資料的學(xué)習(xí)，實習(xí)實踐以及相關(guān)專業(yè)的資料的查閱，總結(jié)影響8煤頂板突水危險性的各種因素，最終得到如下結(jié)論:

(1)影響開灤東歡坨井田北二采區(qū)8煤層頂板突水危險性的主要含水層有:第四系沖積層孔隙承壓含水層，5煤層頂板砂巖含水層和8煤層頂?shù)?煤層底板間的含水層。

(2)影響8煤層頂板突水危險性的因素為:8煤層上覆巖層巖性、厚度，斷裂構(gòu)造和煤層開采時上覆巖層運動破壞和導(dǎo)水裂隙帶高度。

(3)通過煤8厚度的數(shù)據(jù)分析，最終得知在研究區(qū)內(nèi)ΔH1全部小于零，ΔH2局部小于零，為了生產(chǎn)安全可以采取分層開采或是留設(shè)安全防水煤柱等措施。

(4)通過對煤8頂板突水危險性的影響因素的分析，以及綜合各因素進行評價，最終得到研究區(qū)煤8頂板突水危險性等級評價圖。研究區(qū)存在中等安全區(qū)，安全性差區(qū)和安全性極差區(qū)，不存在安全區(qū)。

［1］ 錢鳴高，繆協(xié)興.巖層控制的關(guān)鍵層理論［J］.煤炭學(xué)報，1996，21(3):225-230.

［2］ 武強，黃曉玲，董東林.評價煤層頂板涌(突)水條件的“三圖-雙預(yù)測法”［J］.煤炭學(xué)報，2000，25(1):60-65.

［3］ 侯中杰.組合關(guān)鍵層理論的應(yīng)用研究及其參數(shù)確定［J］.煤炭學(xué)報，2001，26(6):611-615.