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第 45 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.6 2017 年 12 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China Abstract In order to study roof water inrush mechanism that the direct water filling source is weak water yield aquifer on coal seam, and explore the prevention and treatment , based on 4 large-scale water inrushes dur- ing 1121 working face mining of Hongliu coal mine in Ningdong mine area, through theoretical analysis, numerical simulation and borehole drilling underground, it is concluded that the working face water inrush was induced by water in separated bed ed from overlying strata movement after coal mining. The key aquifuge of overlying strata was the necessary condition of water inrush from bed separation. The control function of periodic water in- rush from secondary separated bed was researched based on the location, size and hydrogeology property of key aquifuge. The thickness of critical key aquifuge is 18 m, and the best time of water drainage is between bed separa- tion water ed and periodic roof caved before water inrush occurred. The best position of water drainage is above the key aquifuge of coal seam in vertical direction and near the wall of lower tunnel in the plane for 1/61/3 of working face width. The research results were used in the similar condition mine widely. Keywords secondary separated bed; lag water inrush; critical key aquifuge; water inrush mechanism; control technology 以侏罗系直罗组砂岩含水层为煤层顶板直接充 水水源的宁夏宁东煤田红柳煤矿 1121 工作面，从 2009 年 9 月份开始回采到 2010 年 3 月份共推进了 186 m，发生了 4 次较大规模的周期性透水，两次淹 面，最大透水量为 3 000 m3/h[1-2]。根据以往水害案 例，以弱富水的砂岩含水层为煤层顶板直接充水水源 的矿井发生大规模、周期性的透水现象较为罕见[3]。 因此需要对 1121 工作面的透水机理及防治措施开 展专项研究。笔者以红柳煤矿 1121 工作面为示范， 通过理论分析、工作面的涌水特征分析、计算机数 ChaoXing 第 6 期 曹海东 煤层顶板次生离层水体透水机理及防治技术 91 值模拟、井下钻探验证等技术手段，得出 1121 工作 面 4 次较大规模的周期性涌水机理，提出了煤层开 采后顶板岩移产生的次生离层水体滞后透水的一种特 殊的透水形式，并摸索出一整套此类典型顶板水害分 析、评估、验证及治理的技术体系，丰富了顶板水害 治理的理论与技术。 成果不仅保障了 1121 工作面以及 红柳煤矿的安全生产，同时广泛应用于相似条件的其 他矿井，有效遏制了这种水害对矿井构成的威胁。 1 示范矿井概况 宁东煤田是我国批准建设的 13 个亿吨级煤炭 生产基地之一，鸳鸯湖矿区位于宁东煤田北部，包 括 5 对现代化生产矿井， 其中红柳煤矿 1121 工作面 主采煤层为侏罗系延安组上部的 2 煤，其直接充水 水源为其顶板直罗组下段粗砂岩含水层[4]。该含水 层富水性弱，单位涌水量 q≤0.1 L/sm。根据钻孔 资料，2 号煤直接顶为粉、细砂岩，厚度 810 m表 1 中 1 号岩层，基本顶为直罗组下段下分层粗砂岩 含水层，厚度 14.6647.17 m，平均厚度 22.2 m2 号 岩层；其上为 7.025.5 m 粉砂岩、泥岩，平均厚度 20 m3 号岩层，为隔水层，具有遇水膨胀、松散的 特征，在钻探过程中该段塌孔、缩径严重；再向上 为厚 29.0741.76 m， 均厚 40.6 m 的直罗组下段上分 层粗砂岩含水层[1]。岩性主要为灰绿、蓝灰、灰褐 色夹紫斑的中、细粒砂岩和粉砂岩，夹少量的粗粒 砂岩和泥岩，局部含砾，富水性较弱；泥质胶结程 度较差，松散较松散，锤击易碎，遇水振荡或手捻 可散。2 煤层顶板各岩层力学参数见表 1。 表 1 2 煤覆岩主要物理参数 Table 1 The main physical parameters of overlying strata on coal seam 2 序号 地质 时代 含隔 水层 岩性 厚度/ m 饱水容重/ kgm-3 抗压强度/ MPa 抗拉强度/ MPa 内聚力/ MPa 内摩擦角/ 弹性模量/ 104 MPa 泊松比 10 含 表土 4 1.60 9 Q E 隔 黏土 45 2.00 8 隔 泥岩 76 2.46 15.2 0.82 1.92 35 0.8 0.20 7 隔 细砂岩 32 2.30 23.9 1.94 3.51 34 1.33 0.17 6 隔 粉砂岩 14 2.31 23.5 1.29 3.18 34 1.05 0.16 5 隔 细砂岩 12 2.30 23.9 1.94 3.51 34 1.33 0.17 4 含 粗砂岩 40 2.18 19.8 1.38 3.07 34 1.43 0.17 3 隔 泥岩 20 2.46 15.2 0.82 1.92 35 0.8 0.20 2 J2z 含 粗砂岩 22 2.18 19.8 1.38 3.07 34 1.43 0.17 1 隔 粉砂岩 10 2.31 23.5 1.29 3.18 34 1.05 0.16 11 隔 2煤 5 1.45 12 J2y 隔 粉砂岩 20 2.66 23.5 1.29 3.18 34 1.05 0.16 2 次生离层空间及离层水体产生位置的判断 2.1 次生离层空间产生位置的判断 根据关键层理论，覆岩中最下一层坚硬厚岩层 对最大离层的产生有很大影响，考虑到覆岩中其他 各坚硬厚岩层，即形成组合关键层[5]，此组合岩体 各岩层的挠度不同，就会产生离层。一般情况下， 主关键层破断后，上位岩层并不是立即全部跟随主 关键层的破断而整体下沉，往往主关键层之上的岩 层的破断会滞后，离层空间的产生是各岩层之间不 连续移动而形成的[6-8]。利用上述结论分析工作面覆 岩可能产生离层空间的位置。据钱鸣高院士的岩层 控制的关键层理论进行计算 23 111 11 nn nni ini i ii EhhE h     式中 n E为各层的弹性模量，n为该组岩层数由下 而上排列； n h为各层的厚度； n 为各层的密度。 计算第 2 层与第 1 层之间，左边 2 11 1 n nni i i Ehh     2 1.43 222.31 1015 987.97。右边 3 1 1 n ni i i E h      3 2.18 1.05 102 289。 可见，左式右式，说明第 2 层对第 1 层之间在 采动过程中会有一段时间产生离层空间。由于第 1 层会随工作面的推进而垮落，故该离层空间没有任 何实际意义。 依次计算结果将产生离层空间的位置有第 1 层与第 2 层、第 3 层与第 4 层、第 6 层与第 7 层、 第 7 层与第 8 层之间。 2.2 次生离层水体形成位置的判断 a. 发育位置 煤炭科学研究总院提交的“神华宁煤集团红柳 煤矿 1121 工作面覆岩破坏导水裂隙带高度及顶板 富水性探测报告”中，利用钻孔冲洗液漏失量观测 和钻孔电视两种方法实测红柳煤矿 1121 工作面垮 落带高度为 42.7 m，垮采比为 8 倍；导水裂隙带高 度 62.5 m，裂采比为 11.8 倍。1121 工作面 2 煤开采 形成的导水裂隙带已经波及到了直罗组底部粗粒砂 ChaoXing 92 煤田地质与勘探 第 45 卷 岩含水层上段，即第 4 号岩层，与煤层间距 57 m， 小于导水裂隙带高度Hd62.5 m， 因此第 3 层与第 4 层之间、第 6 层与第 7 层之间及第 7 层与第 8 层之 间的离层空间有充水的可能性。 b. 补给水源 由于第 4 号岩层为主要含水层，能形成离层水 体， 且对开采构成威胁的只有第 3 层与第 4 层之间。 虽然该位置离层水体已处在导水裂缝带范围内，但 是由于隔水层为 20 m 左右的泥岩，该泥岩遇水膨 胀、松散，逐渐填堵了导水裂隙，再造“隔水层”， 形成了可以储水的“次生离层水体”。该泥岩及厚度 就成为在第 3 层与第 4 层之间形成“储水离层”并致 灾的关键因素。 2.3 离层主要控制参数 设离层沿工作面推进方向的长度l、离层高度 h’，离层距煤层距离H、距工作面切眼距离S、工作 面推进距离St。上覆岩层运移特征为梯形，这是因 为随着离煤层顶板距离的增加，岩层垮落的长度是 减小的，形成的离层裂隙的长度也会有所减小，如 图 1 所示。 图 1 主要控制参数示意图 Fig.1 The schematic of main control parameters 计算公式如下 t 2 lh q   1 式中 h为垮落的岩体厚度； t 为岩体抗拉强度；q 为岩体自身荷载和其上方岩层的载荷之和。 4 5 384 q hMl EI     2 式中 h为离层高度；M为煤层的采厚；为下沉系 数； E为岩体的弹性模量；I为岩体的惯性矩；l 为岩体极限跨距，由式1确定。 p 1 Mh H K    3 式中 H为离层距煤层距离；M为采高；Kp为碎胀 系数。 2 cot/2SHl 4 t12 cotcotSHHl 5 式中 l为离层沿工作面推进方向的长度；θ1为采空 区开切眼侧的岩层断裂角；θ2为采空区终采线侧的 岩层断裂角。 2.4 次生离层空间在工作面推进工程中的变化 结合图1所示，将第3层为弹性岩梁，第4层 定为刚性岩梁。离层沿工作面推进方向的长度按式 1计算，l78 m。 离层高度按式2计算， 2.296 mh ，多个观测 站资料得到的下沉系数与开采深度、开采厚度之间 的关系，结合红柳煤矿煤层覆岩岩性条件，下沉系 数取0.55。 离层距工作面距离按式3计算得H52.0 m。 根据研究资料，开切眼处断裂角θ1平均值为 60，终采线侧断裂角θ2平均值为55，离层中心距 工作面距离按式4计算得S75.4 m。工作面推进距 离按式5计算得St144 m。 因此，当隔水关键层厚度为20 m，工作面推进 到144 m时，形成宽度为78 m，高度为2.296 m的 离层储水空间。 第一次出现离层空间后，则以后每次出现最 大离层空间将呈现周期性变化，但离层距所采煤 层距离不变，由于岩层断裂角在采空区两侧不 同，使得第一次出现离层空间时工作面推进长度 由式5计算， 在第二次以后工作面每推进一定距 离，顶板进入周期断裂阶段，则离层空间将周期 性出现。 3 数值模拟分析 3.1 模拟实验方案的确定 通过计算机数值模拟实验[9-10]，在采厚和覆岩 结构不变的条件下 a. 在工作面走向、倾向方向上，隔水关键层从 7 m增加到22 m，每增加1 m，建立一个模型，共 计32个模型， 模拟煤层开采引起上覆岩层移动破坏 的形式、范围、规律。 b. 研究覆岩中关键控制层移动破坏形式，确定 控制隔水关键层破坏的临界尺寸。 整个模型由12层煤岩层组成， 其中2号煤层上 方第4层为主要含水层，第3层泥岩为隔水层。模 型沿走向长度为600 m， 高为300 m， 划分为250263 共65 750个单元，两端水平约束，底端固定。为得 到更好的垮落效果，每层之间增加横向节理。模型 沿走向自左侧100 m开始开挖，推进距离400 m， 停采线距离模型右侧边界100 m，采高5 m，每步开 挖10 m，共分40步。数值计算模型如图2所示。 ChaoXing 第6期 曹海东 煤层顶板次生离层水体透水机理及防治技术 93 图 2 离层发育过程图 Fig.2 The development process of bed separation 3.2 离层形成过程分析 当工作面推进至30 m时，上覆岩层悬露，在重 力的作用下弯曲岩梁在端部开裂，煤层直接顶中的粉 砂岩出现离层现象，并伴随着部分砂岩第1次垮落。 当工作面推进至60 m时，出现第2次大范围的垮落， 离层快速向上发展。当推进至150 m时，第3层岩层 与第4层之间的离层发育到最大，此时离层长度约 76.8 m，高度约2.5 m，此时垮落带高度已经发育到第 3层岩层即隔水层的底部； 当工作面推进至240 m时， 第2次离层长度约33.3 m，高度约1.3 m，第5层与 第4层岩层接触面上发育有长约140 m，高约0.3 m 的离层。导水裂隙带高度已经发育至第4层中部，但 导水裂隙被泥岩破碎体填充，含水层中的地下水未溃 入工作面；当工作面推进至300 m时，第3次离层继 续发育，第2次离层不再增大，第1次离层逐渐被压 实，长度和高度均有大幅度的减少，第6层与第5层 岩层接触面离层长度约152 m；当工作面推进至400 m终采时， 在工作面推进方向上第3层与第4层岩层 之间共出现4次离层。第4次离层长度此时约9.3 m， 最大高度约0.8 m，第3次、第2次和第1次形成的 离层均逐渐被压实，长度和高度均有大幅度的减少。 此时覆岩从第2层到第8层岩层接触面及内部均有离 层发育，后逐渐被压实。综上所述，第3层与第4层 岩层离层裂隙呈周期性出现的特点，离层最大高度约 2.5 m，离层沿工作面推进方向的长度最大约76.8 m， 离层距工作面距离为52 m。其他岩层间均有离层发 育，随着工作面的推进则逐渐被压实。所得结果与理 论分析结果基本一致。 3.3 临界隔水关键层厚度的确定 红柳煤矿1121综采工作面隔水关键层[11]为厚度 725.5 m的泥岩，平均20 m。该隔水层对1121综采 工作面顶板直罗组裂隙孔隙含水层能否直接进入采空 区，次生离层水体能否形成等均具有重要意义[9]。 3.3.1 覆岩破裂对比分析 限于篇幅，在此仅给出泥岩隔水层厚度18 m、 21 m的覆岩破裂分析。当泥岩隔水层厚度为18 m 时，开挖35 m离层空间就已经发育至第3层和第4 层，当工作面推进至160 m，离层空间最大宽度增 至最大约为120 m，最大高度约为1.1 m，随后开始 闭合图3a。此时，覆岩中的裂隙已经贯通该离层 空间，离层水体被疏导入采空区。直到模型 “开采” 完毕，覆岩没有出现周期性的储水空间。因此，隔 水层厚度小于18 m时，储水空间没有发育完全，导 水裂隙带可以导穿隔水层，进入含水层底部，次生 离层水体形成规律不明显图3b。 图 3 隔水层厚 18 m 时弹性模量图 Fig.3 The elastic modulus figure the thickness of aquifuge is 18 m 当泥岩隔水层厚度为21 m， 工作面推进到40 m 时，离层空间就已经发育至第3层和第4层，随着 工作面持续推进，储水空间逐步扩展。当工作面推 进至190 m， 储水空间最大宽度增至最大约为81 m， 最大高度约为2.5 m，随后开始闭合图4a。此时， 覆岩中的裂隙仍然没有贯通该离层空间。此后，储 水空间周期性出现，导水裂隙带持续向上发展，直 至增加到58 m。当模型 “开采”完毕后，出现周期 性的离层空间，该周期约为62 m。至开挖完毕，次 生离层水体形成规律明显图4b。 当隔水层厚度为19 m时，模拟结果显示，储水 空间发育，厚度18 m，规律性有明显改善，认为隔 水层临界厚度为18 m。 3.3.2 渗流过程对比分析 提取第3层关键隔水层底部、开采煤层顶部的 垂向渗流速度数据，工作面推进300 m不同隔水层 厚度时的渗流情况如图5所示。 当隔水层厚度为10 m时图5a， 泥岩底板的渗 流速度在采空区中部至开切眼范围内显著大于其他 区域的情况，最大渗流速度约2.1 m/d。煤层顶板的 渗流速度的分布特征与泥岩底板的情况是相同的， ChaoXing 94 煤田地质与勘探 第45卷 图 4 隔水层厚 21 m 时弹性模量图 Fig.4 The elastic modulus figure the thickness of aquifuge is 21 m 图 5 不同隔水层厚度渗流速度对比图 Fig.5 The comparison of seepage velocity under the condition of different aquifuge thickness 在靠近开切眼一侧采空区的渗流速度最大，最大渗 流速度约2.4 m/d。此时隔水层中已经形成了上下导 通的裂隙，其上方主要含水层的承压水通过导水裂 隙进入采空区内，使得隔水层底板和煤层顶板的渗 流速度表现为基本一致的特点。 当隔水层厚度为14 m 图5b时，泥岩底板和煤层顶板的渗流速度分布区 域仍表现为基本一致的特点，其中泥岩顶板的最大 渗流速度为1.1 m/d左右， 煤层顶板的最大渗流速度 在1.9 m/d左右。 当隔水层厚度为18 m图5c时，在采空区中部 至开切眼的范围内的渗流速度明显减小，泥岩底板 和煤层顶板的最大渗流速度小于0.8 m/d。 当隔水层厚度为20 m图5d时，泥岩底板和煤 层顶板的最大渗流速度小于0.4 m/d。 综上所述，当隔水层厚度大于18 m时，泥岩底 板的导水裂隙的渗流能力显著减小，当隔水层厚度 20 m时，泥岩底板和煤层顶板的渗流速度均很小， 表明此时导水裂隙接近闭合状态，主要含水层中的 水无法透过关键隔水层而到达采空区内。 4 次生储水体滞后涌水机理分析 随着工作面回采， 煤层直接顶板的垮落， 泥岩隔 水层因失去支撑发生蠕变而弯曲下沉， 由于泥岩隔水 层抗张强度、 弯曲下沉量与砂岩含水层的差异性， 从 而在砂、 泥岩沉积层理部位形成次生离层空间， 当厚 度大于18 m时泥岩隔水层在水理作用下发生膨胀， 采动裂隙逐步缩小直至自愈合[12]，继而再次形成封 闭的储水空间，顶板水渗流集聚于该空间[13]；随着 悬顶范围进一步增大， 顶板泥岩隔水层在自身重力、 矿压和水体劈裂作用下持续蠕变下沉、直至发生结 构性改变而破裂[14]，次生离层水体突出；多次循环 导致周期性透水。隔水能力再生过程对顶板岩移次 生离层水体周期性透水起到了控制作用。该种透水 形式具有次生性、滞后性和周期性的特征。 5 红柳煤矿 1121 工作面防治水工程实践 工作面240 m回采期间的次生离层水体探放共 分为6个阶段 分别为工作面回采18 m、45 m、90 m、 120 m、187 m、240 m时次生离层水体探放[15]。在 此对各阶段的次生储水体探放情况进行阐述和总 结。各阶段典型钻场水量变化如图6所示。 通过上述各阶段对次生离层水体的探放，1121 工作面自第4次透水后的停采线起共安全回采了 240 m[2]，分别在机巷和泄水巷设计并施工次生离层 水体探放钻孔25个，总疏放量约21.2万m3。工作 面回采期间涌水无明显异常，采空区涌水量基本稳 定在130150 m3/h。 6 结 论 a. 提出了顶板覆岩中隔水关键层是造成次生 离层水体透水的必要条件。 ChaoXing 第6期 曹海东 煤层顶板次生离层水体透水机理及防治技术 95 图 6 各阶段钻孔水量历时曲线 Fig.6 The duration curve of borehole water yield in each stage b. 分析了红柳煤矿及周边类似条件的矿井造 成次生离层水体的顶板覆岩破坏规律，临界隔水关 键层厚度为18 m，验证了顶板覆岩中泥岩弯曲下 沉、蠕变、破裂、闭合、再次破裂等过程，揭示了 关键隔水层厚度及其水理性质对次生离层水体周期 性透水的控制作用。 c. 提出了次生离层水体致灾前疏放的最佳时 机为次生离层水体形成但周期垮落前，最佳位置垂 向上为煤层主隔水关键层顶板，平面上位于下顺槽 距煤帮1/61/3工作面斜长范围。 参考文献 [1] 郭天辉， 樊雪莲. 宁夏红柳煤矿水文地质特征及首采工作面涌 水分析[J]. 中国煤炭地质，2012，24531–32. 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