特厚煤层开采覆岩离层水形成及涌突风险_张培森.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 近年来， 随着我国科学技术的发展， 我国煤炭产 量的不断增加， 煤矿开采深度的增加， 离层水害事故 由一开始的陌生不了解， 现如今已变的越来越常见。 特厚煤层开采覆岩离层水形成及涌突风险 张培森 1,2， 闫奋前1,2， 孙亚楠1,2， 吴俊达1,2 （1.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地， 山东 青岛 266590； 2.矿业工程国家级实验教学示范中心， 山东 青岛 266590） 摘要 在分析招贤煤矿首采区水文地质资料的基础上， 采用理论分析、 相似材料试验和数值模 拟等研究方法， 理论预判特厚煤层开采过程中覆岩离层层位及积水离层， 分析竖向及横向裂隙 动态发育特征， 探讨特厚煤层多工作面依次开采离层发育状况。研究表明 距 3 煤顶板 253.64 m 处的巨厚砾岩层底部存在可积水离层空间； 工作面推进过程中竖向裂隙高度的增长呈现出线性 增长和台阶式增长 2 个阶段， 横向裂隙自下而上交替呈现动态发育与闭合， 横向裂隙发育高度 与工作面推进距离间呈正相关关系； 1307 工作面开采导致宜君组下方出现开度为 0.02 m 的横 向离层裂隙， 随 1305、 1303 工作面依次开采该离层裂隙开度进一步扩大， 甚至陡增。引入底板突 水系数法对招贤煤矿离层水涌突风险进行评估。 关键词 特厚煤层； 涌突风险； 积水离层； 离层层位； 动态发育 中图分类号 TD745.21文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0036-06 Water ation and Inrush Risk of Overburden Strata for Extra-thick Coal Seam Mining ZHANG Peisen1,2, YAN Fenqian1,2, SUN Yanan1,2, WU Junda1,2 （1.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;2.Mining Engineering National Experimental Teaching Demonstration Center, Qingdao 266590, China） Abstract Based on the analysis of the hydrogeological data of the first mining area in Zhaoxian Coal Mine, by using the research s of theoretical analysis, similar material test and numerical simulation, the separation layer of overburden strata and water in the mining process of extra-thick coal seam is predicted theoretically. The dynamic development characteristics of vertical and horizontal fractures are analyzed, and the development status of separation layer in the sequential mining of multiple working faces in extra-thick coal seam is discussed. The results show that there is a space for water to separate from the bed at 253.64 m away from the top of the No.3 coal seam; the vertical fracture height increases in two stages including linear growth and stepped growth in the process of the working face advance; the horizontal fracture alternately develops and closes from bottom to top, and the development height of the horizontal fracture is positively related to the advancing distance of the working face; the 0.02 m horizontal separation fissure appears under the Yijun ation caused by the mining of 1307 working face, and the opening of the separation fissure is further expanded or even increased sharply with the mining of 1305 and 1303 working faces in turn; the of floor water inrush coefficient is introduced to uate the risk of separation water inrush in Zhaoxian Coal Mine. Key words extra-thick coal seam; inrush risk; water separation; separation horizon; dynamic development DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.008 张培森， 闫奋前， 孙亚楠， 等.特厚煤层开采覆岩离层水形成及涌突风险 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7） 36-41. ZHANG Peisen, Water ation and Inrush Risk of Overburden Strata for Extra-thick Coal Seam Mining ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 36-41. 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2018YFC0604702） ； 国家 自然科学基金资助项目 （51509149， 51379119， 51774199） ； 山东省 重点研发计划资助项目 （2018GSF120009） 移动扫码阅读 36 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 离层水害的发生给矿井防治水工作及安全生产构成 严重威胁[1-5]。 关于离层水形成及致灾机理国内许多学者均有 研究。李小琴[6]对坚硬覆岩下重复采动离层水形成、 涌突机理进行了研究和探讨，并提出了离层水防治 的关键技术； 乔伟[7]等分析了济宁二号煤矿离层水 突水事故后， 揭示了 “静水压涌突水” 机理并提出了 集中离层水防治措施； 曹海东[8]通过理论分析、 案例 解剖、 数值模拟、 相似模拟及现场验证等手段， 对离 层水害类型进行了重新分类，并提出了离层水防控 技术体系，针对黄陇侏罗纪煤田离层水灾害频发的 现状， 研究成果也颇丰。娄金福[9]以崔木煤矿开展了 现场跟班实测与理论研究，构建了离层水出水压架 预警机制； 乔伟[10]等针对巨厚煤层在综放开采条件 下的煤矿工程实例分析，对采高和离层水突水的关 系以及工作面推进速度与离层空间积水量的关联性 进行了研究； 何也[11]等分析了郭家河煤矿多次离层 水突水事故，总结出了突水水源、突水规律并提出 了防治技术； 方刚[12]等通过理论分析和数值模拟的 方法分析了铜川玉华煤矿突水机理； 吕广罗[13]等提 出了一种测预报系统和防治技术体系，在生产实践 中得到推广应用。 以上的研究成果对黄陇侏罗纪煤田乃至全国离 层水害的防治起了重要的作用，但对特厚煤层开采 在离层水的形成及离层水涌突风险的评估很少有研 究。为此， 以招贤煤矿为研究背景， 在分析水文地质 条件的基础上，对离层水的形成展开深入研究， 对 离层水涌突风险进行评估， 避免离层水害发生。 1水文地质分析 招贤煤矿地处陕西省黄陇侏罗纪煤田的永陇矿 区。 1307、 1305、 1303 工作面平面布置图如图 1。 首采 区内 1307 工作面为首采工作面及规划开采的1305、 1303 工作面主采侏罗系中统延安组 3 煤， 回采范围 内煤层倾角 3～17不等，平均倾角 9， 3 煤厚为 4～ 15 m， 平均厚度 10 m。工作面顶板向上的主要岩性 为泥岩、 砂质泥岩、 细、 中、 粗砂岩、 粉砂岩、 砾岩。 首采区内煤层顶板上方的主要含水层有第四系 全新统含水层、第四系中上更新统含水层、新近系 含水层、白垩系下统洛河组含水层、白垩系下统宜 君组含水层、侏罗系中统直罗组含水层、侏罗系中 统延安组煤层及其顶板砂岩含水层，煤层顶板各含 水层厚度柱状图如图 2。 白垩系下统宜君组砾岩裂隙含水层厚度远大于 其它含水层， 因此， 仅白垩系下统宜君组砾岩裂隙含 水层水对工作面生产影响最大。 自 2017 年 10 月回采以来，首采区共布置 4 个 长观孔对宜君组含水层水位进行实时监测， 其中 G1 孔布置于 1307 工作面西北方向，距 1307 工作面风 巷 170 m 左右。在 1307 工作面开采初期 G1 孔水位 标高为1 271.16 m，开采完毕后水位标高为1 260.86 m， 水位整体下降了 10.3 m。在 1307 工作面 回采期间并没有出现大范围的透水事故，并且在对 宜君组含水层水进行疏放， 也没有出水。这部分 “消 失” 的水始终威胁着工作面的安全生产。 2覆岩积水离层形成理论判别 根据传递岩梁理论[14-15]， 认为可以把每 1 组同 时运动或近乎同时运动的岩层看成 1 个运动的整 体，称之为传递力的岩梁。两岩层在自重作用下的 弯曲沉降分析，下岩层的跨度和弯矩先于上部岩层 达到极限。上下两岩层同时运动的临界条件为 Exm 2 x≥ Lx Ls （ ） 4 Esm 2 s 1.2 （） 5 4 Esm 2 s （1 ） 式中 Ex为下部岩层的弹性模量， MPa； mx为下 部岩层的厚度， m； Lx为下部岩层的极限破断距， m； 含水层厚度 /m 图 11307、 1305、 1303 工作面平面布置图 Fig.1Layout plan of working faces 1307, 1305 and 1303 图 2煤层顶板各含水层厚度柱状图 Fig.2Thickness histogram of each aquifer of coal seam roof 37 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 Ls为上部岩层的极限破断距， m； Es为上部岩层的弹 性模量， MPa； ms为上部岩层的厚度， m。 不满足临界条件， 两岩层分开运动。即使 msmx 和 EsEx， 但随着采煤工作面的推进， 下部岩层将先 达到极限弯矩， 满足 ωs＜ωx的条件， ωs为上部岩层的 挠度， m； ωx为下部岩层的挠度， m。因此必然先行破 坏，两岩层分别形成传递岩梁依次运动。上部岩层 强度越高 （Es越大） 、 厚度越大， 显著运动滞后的时 间越长。 基于以上离层形成条件分析成果, 将钻孔所揭 露的 3 煤顶板各岩层相应参数代入式 （1 ） ， 离层层位 判别表见表 1。 根据 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设 与压煤开采指南 （2017 版） 中提供的厚煤层放顶煤 开采的导水断裂带发育高度计算公式计算得出招贤 煤矿导水断裂带发育高度约为 210 m， 裂采比为21。 结合表 1 中离层层位判别，离层 9 距 3 煤顶板 204.24 m， 离层 10 距 3 煤顶板 212.65 m。 其中， 导水 断裂带发育高度为 210 m， 所以， 1 号～9 号离层位于 导水断裂带下方，无法形成负压空间，周围含水层 水汇集到离层空间的水会通过导水裂隙直接进入工 作面， 离层 10～离层 13 位于导水断裂带之上， 而离 层 10 的上下岩体为泥岩和粉砂岩，硬度相对较小， 存在时间较短， 不会形成离层积水， 也就是说距 3 煤 顶板 253.64 m 的厚 170.03 m 的砾岩底部发育有可 积水离层空间。在实际生产中需要及时探明离层发 生位置并及时治理。 3特厚煤层开采覆岩破坏试验 3.1离层动态发育过程 覆岩运动实物图如图 3。 图 3覆岩运动实物图 Fig.3Physical map of overlying rock movement 组岩层岩性厚度/m离层位置 洛河组 宜君组 安定组 直罗组 延安组 中砂岩 粉砂岩 细砂岩 粉砂岩 细砂岩 粉砂岩 砾岩 泥岩 粉砂岩 泥岩 粉砂岩 泥岩 粉砂岩 泥岩 粉砂岩 泥岩 细砂岩 泥岩 粉砂岩 泥岩 粉砂岩 泥岩 粉砂岩 泥岩 粉砂岩 泥岩 粉砂岩 泥岩 泥岩 细砂岩 粉砂岩 细砂岩 粉砂岩 泥岩 3 煤 5.67 21.13 5.97 3.03 10.12 2.74 170.03 21.86 4.11 15.02 1.17 7.24 2.69 7.68 1.37 21.76 7.39 27.98 5.33 4.21 1.27 13.11 4.01 13.89 7.04 2.84 1.17 4.23 9.08 4.65 23.82 5.18 6.70 28.75 10.00 离层 12 离层 11 离层 10 离层 9 离层 8 离层 7 离层 6 离层 5 离层 4 离层 2 离层 1 离层 3 表 1离层层位判别表 Table 1Discrimination table of separated layers 38 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 根据相似材料模拟试验， 在工作面推进到 40 m 左右时上覆悬露岩层，在重力作用下发生弯曲破 断， 直接顶初次垮落， 如图 3 （a） 。当工作面推进至 135 m 时， 基本顶出现初次垮落， 距煤层顶板 50 m 处出现离层， 如图 3 （b） 。当工作面推进至 162.5 m 时， 发生周期性垮落， 离层空间向上移动， 随着工作 面的继续推进， 离层空间逐渐向上发育， 如图 3 （c） ～ 图 3 （h） 。当工作面推进到 350 m 时， 离层空间发育 到宜君组下方。 3.2裂隙发育规律 竖向裂隙发育规律如图 4。由图 4 可知， 竖向裂 隙高度的增长可分为 2 个阶段 线性式上升阶段、 台 阶式上升阶段。在工作面推进距离在 0～135 m 时， 竖向裂隙呈现线性增长， 在工作面推进距离在 135～ 350 m 时， 竖向裂隙呈现 “台阶式” 上升， 在工作面推 进到 350 m 时， 竖向裂隙发育高度为 207.5 m， 与前 文中计算结果基本一致。 随着工作面的开采， 采空区面积逐渐扩大， 顶板 离层裂隙不断向前、向上移动，发育形态可用“梯 形” 图[16-19]来表示。离层发育空间位置图如图 5。 离层空间发育高度始终保持在工作面推进距离 的 0.4～0.5 倍之间。离层横向上的发展由岩层破碎 角的圈定，在煤层开采中工作面一侧的破碎角不断 发生变化，切眼一侧的破碎角基本保持不变，在开 采完成后两侧破碎角基本相同， 其变化范围在 56～ 62。结合竖向裂隙的发育情况、 钻孔揭露岩层岩性 及厚度可知， 离层 1～离层 6 处于竖向裂隙发育区域 内，离层空间无法形成负压空间，不具备形成离层 积水的条件。离层 7 位于竖向断裂带上方并且离层 的上位岩体为砾岩、 下位岩体为泥岩， 泥岩类遇水侵 蚀后， 多迅速崩解成粒状或泥状， 泥岩遇水泥化重新 具备隔水的能力，该特征对阻隔上部含水层地下水 下泄具有重要意义，可使因采动产生的导水断裂带 自动弥合，从而使隔水层在破坏后重新具备隔水能 力，为离层积水创造了条件。随着工作面的继续推 进， 离层空间内的水越积越多， 水压逐渐加大， 对周 围岩体有挤压或张拉作用，当水压达到下位岩体最 大承受能力时， 发生破断， 离层水涌突风险增大。 4特厚煤层多个工作面依次开采离层发育规律 4.1测线布置 采用 FLAC3D数值模拟软件， 以原始的地质条件 和岩层的赋存状态和实际属性为基础[20]， 模拟首采 区内 1307、 1305、 1303 工作面依次开采过程中离层 发育情况。在模拟中沿煤层走向、倾向方向上共布 置 6 排测线。 在 1307、 1305、 1303 工作面走向方向上 分别距离煤层顶板 235、 245 m 位置处布置 2 排测 线，此时在倾向上距模型边界分别为 290、 490、 720 m。同理， 在 1307、 1305、 1303 倾向方向上分别距煤 层顶板 235、 245 m 位置处布置 2 排测线，走向上距 模型边界 290 m。 4.2数值结果 通过监测模型中砾岩层、 泥岩层的沉降变化， 从 而可以综合确定各工作面推进过程中砾岩与泥岩间 出现的离层的变化情况 在 1307、 1305、 1303 工作面 推采结束时，砾岩层的最大下沉量分别为 0.27、 0.30、 0.98 m，泥岩层的最大下沉量为 0.29、 0.74、 1.12 m， 由此可知在 1307、 1305、 1303 工作面推进中 砾岩层和泥岩层之间出现 0.02、 0.44、 0.04 m 的离层 裂隙。在 1307 工作面开采中， 宜君组中的砾岩与安 定组中的泥岩之间出现离层，这与理论计算，相似 材料试验结果相符， 随着 1305 工作面的开采砾岩与 泥岩之间的离层高度逐渐增大， 在 1303 工作面的推 进过程中砾岩层下沉量突然增加，离层积水很有可 图 4竖向裂隙发育规律 Fig.4Vertical fracture development law 图 5离层发育空间位置图 Fig.5Spatial map of separation development 39 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 能会发生涌突。 5离层水涌突风险评估 工作面采动过程中离层水发生涌突根本原因是 离层水体水压作用下冲破隔水层与导水断裂带接通 从而导致离层水涌突，离层水发生涌突影响因素示 意图如图 6。 通过计算 H 值的大小， 可对离层水的涌突大小 进行评价， 计算公式为 H≈Ht-Hf-Hs（2） 式中 H 为相对隔水层厚度， m； Ht为煤层顶板 到含水层之间的距离， m； Hf为导水断裂带发育高 度， m； Hs为离层水体最大影响高度， m。 当 H＞0 离层积水不会发生涌突；当 H≤0 时离 层水涌突风险较大。随着离层积水量增大、水头升 高，对其周围岩层形成挤压或张拉作用，而离层下 位完整岩层在自重及离层水作用下发生弯曲变形， 从这一点来说，其受力状态与采场底板岩层受底板 承压水体的力学作用类似，同时两者涌突水通道所 处的岩层结构也相似。据此，可引入底板突水危险 性评价中的经验突水系数法来确定离层水在静水压 下能破坏 （击穿） 其下位完整岩层的极限厚度， 计算 公式为 H′ p T0 （3） 式中 H′为不发生涌突水的极限有效隔水层厚 度， m； p 为水头压力， MPa； T0为临界突水系数， 参照 煤矿防治水细则 可取 0.1 MPa/m。 根据首采区钻孔揭露的岩层，可统计得到煤层 顶板到宜君组之间的厚度变化， 可确定 Ht； 招贤煤 矿水位标高约为1 271.16 m （G1 孔） ， 高出 3 煤层 底板约 450 m，离层下位岩体承受的静水压力约为 4.5 MPa， 利用式 （3） 计算可得离层水影响范围约为 75 m，因此， Hs取 75 m；在前文的计算中可确定招 贤煤矿裂采比确定为 21， 可知 Hf取 210 m。通过式 （2 ） 可计算得到 H 的大小来判别招贤煤矿首采区是 否存在离层水涌突风险，将计算所得的数据导入 surfer 中， 对首采区离层水涌突风险进行评估， 首采 区涌突风险评估图如图 7。 图 7 中， 红色符号表示计算结果大于 0， 说明该 位置离层水涌突风险较小。 在 1307 工作面推进过程 中没有出现透水现象， 分析其原因 ①在 1307 工作 面开采结束后离层高度很小， 形成离层积水量小； ② 相较于崔木煤矿， 招贤煤矿隔水层中泥岩的含量大、 煤层顶板距含水层距离远，即使积水离层下位岩体 出现裂隙， 安定组内泥岩也会很快将裂隙弥合； ③离 层积水以水包的形式存在于上覆岩层中，在进行疏 放时钻孔没有碰及水包； ④据钻孔抽水试验资料 q 0.000 31～0.037 96 L/ （s m） ， 富水性弱， 形成的离层 积水量较小， 不足以破坏隔水层与导水裂隙连通。 虽然在 1307 工作面推进中没有发生离层水涌 突事故，随着 1305、 1303 工作面的依次开采积水离 层存在着涌突风险， 应加强离层水涌突的防范。 6结论 1） 通过对招贤煤矿水文地质分析得出宜君组砾 岩裂隙含水层水对工作面开采影响最大。 2） 根据传递岩梁理论对覆岩离层层位进行了预 判，结合导水断裂带计算结果分析得出积水离层位 于宜君组下方。 3） 通过相似材料模拟试验发现招贤煤矿在开采 图 7首采区涌突风险评估图 Fig.7Risk assessment diagram of inrush in the first mining area 图 6离层水发生涌突影响因素示意图 Fig.6Sketch map of factors influencing the occurrence of water inrush in the separation layer 40 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 中导水断裂带发育高度为 207.5 m，与计算结果基 本相符。在工作面推进到 350 m 时， 宜君组下方出 现了可积水离层空间。 4） 采用数值模拟的方法对多个工作面依次开采 中砾岩层、 泥岩层的位移进行了观测， 发现在 1307 工作面开采之间砾岩层与泥岩层间出现了明显的离 层，随着 1305、 1303 工作面开采离层水涌突的风险 增大。 5） 引入底板突水系数法对招贤煤矿离层水涌突 风险进行了评估并对离层水涌突风险较大区域进行 了划分， 为煤矿安全生产提供了理论依据。 参考文献 ［1］ 黎灵， 舒宗运， 冯宇锋.特厚煤层综放开采覆岩离层水 突水机理分析及防治 ［J］ .煤炭科学技术， 2018， 46 （1） 175-182. ［2］ 张玉军， 李凤明.高强度综放开采采动覆岩破坏高度 及裂隙发育演化监测分析 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2011， 30 （S1） 2994-3001. ［3］ 朱卫兵， 王晓振， 孔翔， 刘文涛.覆岩离层区积水引发 的采场突水机制研究 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2009， 28 （2） 306-311. ［4］ 李凤荣， 陈真富， 王和志.煤层顶板离层水体分布规律 及防治技术探讨 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2009， 26 （2） 239-243. ［5］ 孙学阳， 付恒心， 寇规规， 等.综采工作面顶板次生离 层水害形成机理分析 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2017， 34 （4） 678-683. ［6］ 李小琴.坚硬覆岩下重复采动离层水涌突机理研究 ［D］ .徐州 中国矿业大学， 2011. ［7］ 乔伟， 李文平， 李小琴.采场顶板离层水 “静水压涌突 水” 机理及防治 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2011， 28 （1） 96-104. ［8］ 曹海东.煤层开采覆岩离层水体致灾机理与防控技术 研究 ［D］ .北京 煤炭科学研究总院， 2018. ［9］ 娄金福， 徐刚， 林青， 等.永陇矿区松软富水顶板灾变 机理与防控研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2018， 46 （7） 10. ［10］ 乔伟， 黄阳， 袁中帮， 等.巨厚煤层综放开采顶板离层 水形成机制及防治方法研究 ［J］ .岩石力学与工程学 报， 2014， 33 （10） 2076-2084. ［11］ 何也， 杨国栋， 黄美涛.郭家河煤业公司顶板离层突 水规律及防治技术研究 ［J］ .能源技术与管理， 2018， 43 （1） 95-96. ［12］ 方刚， 靳德武.铜川玉华煤矿顶板离层水突水机理与 防治 ［J］ .煤田地质与勘探， 2016， 44 （3） 57-64. ［13］ 吕广罗， 李文平， 黄阳， 等.综放开采煤层顶板离层积 水涌突特征及防治关键技术研究 ［J］ .中国煤炭地 质， 2016， 28 （11） 55-61. ［14］ 宋振骐， 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