李新鳳，白錦琳

(山東省煤田地質(zhì)局 物探測量隊，山東 泰安 271021)

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濟寧三號煤礦采場頂板離層水對生產(chǎn)的影響

李新鳳，白錦琳

(山東省煤田地質(zhì)局 物探測量隊，山東 泰安 271021)

詳細(xì)介紹了研究區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，對濟寧三號煤礦3上煤頂板離層水形成條件及對生產(chǎn)的影響進行了研究；提出了采用導(dǎo)流孔和截流孔來防治離層水突水。結(jié)果表明：井田部分區(qū)域3上煤導(dǎo)水裂縫帶上部巖組由厚層中細(xì)砂巖及泥巖交叉互層構(gòu)成，3上煤頂板砂巖富水性較好，具備離層水形成條件，且以靜水壓涌突水為主。井田西區(qū)3上煤導(dǎo)水裂縫帶頂板泥巖分布的大部分區(qū)域泥巖厚度小于安全臨界厚度17.9m，開采受離層水影響，今后開采西區(qū)3煤時應(yīng)注意離層水害的影響。

頂板；離層水；導(dǎo)流孔；截流孔；靜水壓突水

Influence of Stope Roof Separation Water to Production of Jining Three Coal Mine

隨著煤礦開采深度的增加和采礦地質(zhì)條件的日趨復(fù)雜，一種新的水害形式——離層水隨之出現(xiàn)。所謂離層，即煤層開采后，上覆巖層下沉過程中，上下層狀巖層撓曲不同步形成的離層空間。離層空間中積存的地下水即為離層水[1-3]。覆巖離層水水害由于具有瞬時水量大、突水征兆不明顯、危害大等特點而成為水害治理的難點，已逐漸被引起重視[2]。

濟寧三號煤礦位于濟東煤田東南部，距濟寧市區(qū)14km，行政區(qū)劃屬濟寧市任城區(qū)石橋鎮(zhèn)。礦井采用豎井分區(qū)開拓，自北而南分為東西兩區(qū)。東區(qū)為陸區(qū)，西區(qū)為湖區(qū)。礦井分2個生產(chǎn)水平，第一水平-518m，主要開采3上和3下煤層；第二水平-880m，主要開采3上，3下及16上，17煤層。礦井目前生產(chǎn)水平-518m，采用綜采及綜采放頂煤采煤工藝，垮落法管理頂板。2007年7月至12月，濟寧二號煤礦在113下05工作面老空水疏放過程中，除煤層上覆裂縫帶砂巖含水層對老空水的補給作用外，存在新的水源進入113下05工作面采空區(qū)。據(jù)初步分析，新水源為113下05工作面上覆巖層中離層聚集砂巖水形成的離層水。濟寧三號煤礦北鄰濟寧二號煤礦，與濟寧二號煤礦水文地質(zhì)條件相似，有形成離層水的條件。濟寧三號煤礦3上，3下煤平均間距35.41m，開采3下煤層時，其導(dǎo)水裂縫帶大部分在3上煤導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)，本文主要研究3上煤的離層水形成條件及影響。

1　研究區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

井田內(nèi)對礦井生產(chǎn)有影響的充水含水層自上而下主要有：第四系砂礫孔隙含水層，上侏羅統(tǒng)砂礫巖孔隙裂隙含水層，山西組3上煤頂部砂巖裂隙含水層、3下煤頂?shù)装迳皫r裂隙含水層，太原組第三、十下層石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。3煤頂?shù)撞?3上煤頂部、3下煤頂?shù)装?砂巖裂隙含水層是開采3煤的直接充水含水層。

2　采場頂板離層類型

由采場頂板離層水形成過程可知，離層水體是由采場頂板離層(裂隙或空間)積水而成，即采場頂板離層(裂隙或空間)是離層水存在的先決條件；因而采場頂板離層的發(fā)育、分布規(guī)律決定了離層水的形成及其涌突水的危險性。依據(jù)離層持續(xù)穩(wěn)定時間、離層量及離層導(dǎo)水富水性可將離層分為兩種類型：“裂隙型”離層和“空腔型”離層?！翱涨恍汀彪x層具有離層空間大、維持穩(wěn)定時間長、富水性及透水性較強等特點，因而由“空腔型”離層積水而成的離層水危害較大。而“裂隙型”離層則由于離層量和離層空間較小、維持時間短、富水性和透水性較弱，使得積水而成的離層水體積較小，發(fā)生離層水涌突水的危害也較?。欢摇傲严缎汀彪x層的發(fā)育受巖層間層理面粘結(jié)強度影響較大，具有一定的不確定性。為此，離層水分析中涉及的離層均指“空腔型”離層。

3　離層水形成條件及影響因素

3.1離層水形成條件

采場頂板“空腔型”離層易發(fā)育于具有軟硬互層結(jié)構(gòu)地層中，且主要發(fā)育于厚層堅硬巖層底部。形成離層水的離層空間發(fā)育于采場導(dǎo)水裂縫帶之上，分布于彎曲下沉帶下部，且不與下部的裂隙帶相導(dǎo)通(即在離層空間下部分布有一定厚度、較為完整的相對隔水層)。在形成相對“封閉的”離層后，離層空間還需接受周邊含水層的補給才可積水而形成離層水，否則，離層空間將形成“真空離層”。

濟寧三號煤礦3上煤導(dǎo)水裂縫帶頂部泥巖組上方的中細(xì)砂巖組底部易于發(fā)育形成離層水。

3.2離層水影響因素

結(jié)合全區(qū)開展的“大學(xué)習(xí)、大調(diào)研、大改進”，區(qū)人大各專門委員會結(jié)合專業(yè)特點，就助力民營企業(yè)發(fā)展、推進美麗鄉(xiāng)村建設(shè)、加快城市生態(tài)提升、做強文化軟實力等開展專題調(diào)研，并分別形成了調(diào)研報告，提出了富有建設(shè)性和針對性的建議意見，被區(qū)委、區(qū)政府主要領(lǐng)導(dǎo)批示，各有關(guān)部門抓緊落實。區(qū)十七屆人大常委會第十七次會議作出《關(guān)于加強檢察建議工作的決議》和《關(guān)于加強檢察機關(guān)公益訴訟工作的決議》，為了起草好這兩個決議，會前區(qū)人大法制委員會專門到區(qū)檢察院開展調(diào)研，聽取區(qū)檢察院關(guān)于規(guī)范檢察建議工作和關(guān)于公益訴訟工作情況的報告，并在常委會會議上對兩個決議（草案）作了專門說明。

影響離層積水的主要因素有: 離層持續(xù)時間和充水含水層的富水性等[1]。

對于每一層位離層而言，在層面上均存在一個由起始、發(fā)展、穩(wěn)定至閉合的動態(tài)過程。煤層采動過后上覆巖層中發(fā)育的離層量越大，持續(xù)時間越長，離層裂隙接受周邊含水層的補給時間也就越長，離層積水量也就越大；而離層持續(xù)的時間主要由離層上位巖層的巖性、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)及煤層開采情況決定。

在軟弱覆巖條件下，采場覆巖由于移動與變形速度較快，開采影響很快到達地表，不易形成持續(xù)穩(wěn)定的離層空間。離層上位巖層厚度越大，抗張抗拉強度越高，離層持續(xù)時間越長，越有利于離層形成。當(dāng)采場覆巖中離層上位巖層一定時，離層的持續(xù)時間與煤層開采速度成反比，即工作面推進速度越快，越不利于離層積水；當(dāng)采場覆巖具備離層水形成條件時，工作面面長越大、推進距離越大、煤厚越大，離層發(fā)育空間越大。

離層上位巖層含水性越好、水壓越高，離層空間積水量越大。

3.33上煤離層水形成條件

濟寧三號煤礦3上煤采后導(dǎo)水裂縫帶高度為0.62～69.76m，平均19.80m。井田部分區(qū)域3上煤導(dǎo)水裂縫帶上部巖組由厚層中細(xì)砂巖及泥巖交叉互層構(gòu)成，中細(xì)砂與泥巖交界面極易形成離層裂隙(圖1)，且離層裂隙維持時間較長。同時，3上煤頂板砂巖本身屬弱～中等富水含水層，為發(fā)育于彎曲下沉帶中的離層裂隙提供了補給水源，即離層裂隙充水后可形成離層積水帶(離層水體)。在采動、上覆巖層移動、疏放水等作用下，離層水體有突破其下部相對隔水巖層而沿裂隙下泄至工作面的可能。

圖1　3上煤頂板柱狀

4　離層水涌突水類型

4.1離層水“動力突水”

離層水“動力突水”具有瞬時水量大、伴有大量的碎石涌入等特點，其沖擊動力作用強烈。發(fā)生“動力突水”的主要誘導(dǎo)因素為離層上位巖層達到極限懸空距破斷時的沖擊動力荷載，沖擊動力作用的強弱是離層水能否發(fā)生“動力突水”的控制因素。沖擊動力作用的強弱主要由其覆巖及自身的物理力學(xué)性質(zhì)決定，當(dāng)離層上位巖層厚度巨大、完整性好、強度高、極限垮落距大時，離層上位巖層破斷時產(chǎn)生的沖擊動力荷載也將異常強烈，對應(yīng)的動力突破帶也較大，也就越易于發(fā)生離層水“動力突水”[4]。

4.2離層水靜水壓涌突水

離層水靜水壓涌突水具有可積水離層發(fā)育深度大、離層積水量和水頭壓力大等特點?？刂埔蛩貫殡x層水的靜水壓和離層下位隔水層厚度。在采場頂板離層水形成之后，由于離層上位巖層的下沉變形及周邊含水層的補給，離層水將具有一定的水頭壓力。離層水將對其下位巖層施加一定的荷載和靜水壓作用；在加載和靜水壓的楔入或張拉作用下，使得離層下位完整巖層發(fā)育垂向裂隙喪失其原阻隔水性，引發(fā)離層涌突水。

3上煤的埋深較大，其頂板砂巖的初始水頭較高，因而3上煤工作面回采后若其頂板能形成離層水，其涌突水機理將以靜水壓涌突水為主。

5　離層水對生產(chǎn)的影響

由圖2可知，井田內(nèi)大部分區(qū)域在3上煤回采后導(dǎo)水裂縫帶頂部及其上方發(fā)育有一定厚度的泥巖或粉砂巖，阻礙裂縫帶以上砂巖含水層與下部采場的水力聯(lián)系，即下部采場煤層回采對裂縫帶上方砂巖含水層的疏放影響較小，因而裂縫帶上方砂巖含水層仍能保持較高的水頭壓力。

圖2　3上煤導(dǎo)水裂縫帶頂板巖性分布

由離層靜水壓突水機理可知，離層下位隔水層的受力狀態(tài)與采場底板巖層受底板承壓水的力學(xué)作用是相似的。因此，離層積水能否突出，可借用底板突水危險性評價中底板突水系數(shù)公式(T0=P/h)判斷[5]。當(dāng)離層下位隔水層厚度h大于臨界厚度( 取突水系數(shù)T0=0.1MPa/m) 時，離層水不會下泄，是安全的。反之，當(dāng)離層下位隔水層厚度小于或等于臨界厚度時，便會導(dǎo)致離層水下泄，導(dǎo)致水害事故發(fā)生。

目前3煤頂板砂巖水位標(biāo)高平均-388.78m，而3上煤裂縫帶上方砂巖含水層底板標(biāo)高平均為-567.87m，即裂縫帶上方砂巖含水層水壓(P)為1.79MPa，該水壓可作為3上煤工作面頂板離層水發(fā)生涌突水時離層水的水壓力。3上煤頂板離層水靜水壓作用所能突破完整巖層的極限厚度為：

hmin=P/T0=1.79/0.1=17.9(m)

若離層下方泥巖層厚度小于17.9m，在靜水壓作用下頂板離層水可突破離層下方完整泥巖層，與下部采動裂縫帶導(dǎo)通，對采空區(qū)進行充水。

由圖2可知，井田西區(qū)3上煤導(dǎo)水裂縫帶頂板泥巖分布的大部分區(qū)域泥巖厚度小于17.9m，受離層水影響。井田東區(qū)大部分區(qū)域3上煤導(dǎo)水裂縫帶頂板泥巖厚度較大，最大達50m以上，能有效阻隔離層水的影響。今后開采西區(qū)3煤時應(yīng)注意離層水害的影響。

6　離層水突水防治措施[3-7]

(1)以離層水導(dǎo)流孔疏放采場頂板離層水若采場導(dǎo)水裂縫帶上方存在離層水威脅，可采用頂板離層水導(dǎo)流孔對煤層采后頂板發(fā)育的離層水進行疏放(導(dǎo)流孔內(nèi)需下入厚壁花管)；而考慮到采場頂板離層及離層水發(fā)育滯后于工作面回采，離層水導(dǎo)流孔應(yīng)迎向工作面推進方向布置，指向采空區(qū)。但若某一煤層采場頂板事先已發(fā)育(形成)離層水(由其他煤層回采產(chǎn)生)，此時離層水導(dǎo)流孔沿工作面推進方向布置。

(2)以離層水截流孔攔截離層水補給來源該類鉆孔的施工目的是針對離層水的補給來源進行中途攔截，使離層獲得的水源補給量大大減小，從而難以形成較大規(guī)模的離層積水，明顯降低離層水的危險性。

7　結(jié)　論

(1)通過對研究區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)條件的分析，研究了濟寧三號煤礦3上煤頂板離層水形成條件及影響因素。井田部分區(qū)域3上煤導(dǎo)水裂縫帶上部巖組由厚層中細(xì)砂巖及泥巖交叉互層構(gòu)成，3上煤頂板砂巖富水性較好，具備離層水形成條件。

(2)通過對地質(zhì)條件的分析得出，3上煤工作面回采后若其頂板能形成離層水，其涌突水機理將以靜水壓涌突水為主。

(3)借用底板突水危險性評價中底板突水系數(shù)公式計算了3上煤層頂板離層下位隔水層的安全臨界厚度( 取突水系數(shù)T0=0.1MPa/m)為17.9m。井田西區(qū)3上煤導(dǎo)水裂縫帶頂板泥巖分布的大部分區(qū)域泥巖厚度小于17.9m，受離層水影響。井田東區(qū)大部分區(qū)域3上煤導(dǎo)水裂縫帶頂板泥巖厚度較大，能有效阻隔離層水的影響。今后開采西區(qū)3煤時應(yīng)注意離層水害的影響。

(4)提出了采用導(dǎo)流孔和截流孔來防治離層水突水，為煤礦的安全、高效開采提供了技術(shù)保障。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

2016-01-11

李新鳳(1986-)，女，山東青州人，工程師，碩士，主要從事礦產(chǎn)地質(zhì)勘查、地質(zhì)報告編制、電法勘探等工作。

TD745

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1006-6225(2016)05-0098-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.028

[引用格式]李新鳳，白錦琳.濟寧三號煤礦采場頂板離層水對生產(chǎn)的影響[J].煤礦開采，2016，21(5)：98-100，94.