铜川玉华煤矿顶板离层水突水机理与防治_方刚.pdf

第 44 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.3 2016 年 6 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Jun. 2016 收稿日期 2015-10-30 作者简介 方刚（1988），男，陕西西安人，硕士，从事矿井水文地质及防治水方面的工作. E-mailfanggang 引用格式 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. FANG Gang， JIN Dewu. Research on the roof stratifugic water inrush mechanism and control in Tongchuan Yuhua coal mine［J］. Coal Geology Exploration，2016， 44（3）57-64. 文章编号 1001-1986（2016）03-0057-08 铜川玉华煤矿顶板离层水突水机理与防治 方 刚 1，2，3，靳德武1，2 （1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077； 2. 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077； 3. 西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054） 摘要 陕西铜川玉华煤矿一盘区 1418 工作面，回采期间发生多次突水事故，对煤矿的正常生产和 人员的生命安全构成严重威胁。从本井田地质和水文地质资料入手，分析了工作面突水的背景、 水源、通道等，得出洛河组下段砂岩裂隙含水层水为离层空间充水的主要水源，煤层采动后形成 的导水裂隙带为主要的导水通道。通过理论分析和模拟研究覆岩移动破坏规律，分析确定导水裂 隙带发育过程和离层空间可能发育的位置，离层水形成、发展及突水过程，从而总结出玉华井田 1418 工作面顶板离层水突水机理，为矿井后期实现安全高效生产提出切实有效的防治水措施打好 基础。 关 键 词玉华煤矿；顶板离层水；突水机理；防治措施 中图分类号P641.3 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.03.011 Research on the roof stratifugic water inrush mechanism and control in Tongchuan Yuhua coal mine FANG Gang1，2，3，JIN Dewu1，2 （1. Xi′an Research Institute， China Coal Technology and Engineering Group Corp， Xi′an 710077， China； 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention Technology of Water Hazard in Coal Mines， Xi′an 710077， China； 3. College of Geology and Environment， Xi′an University of Science Technology， Xi′an 710054， China） Abstract Several water inrush accidents have occurred in the working face1418 of the first panel of Yuhua coal mine in Tongchuan City， Shaanxi Province during mining， threatening seriously the normal production and miners life. The paper， from the geological and hydrogeological data of the coal mine， analyzed the background， source of water and passage of water inrush in the working face， concluded that the water in sandstone fracture aquifer in the lower member of Luohe ation is the major water source for filling the stratifugic layer， the fractured zone ed after coal seam mining is the main water channel. Through theoretic analysis and simulation research of movement and failure law of the overlying strata， the development process of water-flowing fractured zone and the location of the possible development of stratifugic layer， the ation， the process and water inrush process were analyzed and determined. Thus the water inrush mechanism of the stratifugic water in the roof of working face 1418 in Yuhua coal mine was summarized， providing a good foundation for proposing practical and effective water control measures for realization of safe and highly efficient production in the later stage of the mine. Key words Yuhua coal mine； roof stratifugic water； water inrush mechanism； control measures 我国煤炭资源丰富， 煤炭产量自 1990 年以来稳 居世界第一，但也是世界上受矿井水害威胁最严重 的主要产煤国之一。近年来，由于开采深度的增大 及多煤层叠加开采等原因，一种特殊的水害类型 覆岩离层水水害开始多次出现。该类型水害由 于具有突水征兆不明显、瞬时水量大、造成危害严 重等特点而成为煤矿水害治理的难题，目前已逐步 引起重视［1］。 玉华煤矿 1418 工作面在回采期间发生多次突 水事故。回顾该面的突水事故，具有一定的周期性 和相似性，其突水情况均表现为顶板离层水突水的 特点［2］，因此，尽快弄清离层水突水机理对于矿井 ChaoXing 58 煤田地质与勘探 第 44 卷 防治水工作具有重要的理论意义和实际应用价值。 1 工作面突水概况 玉华煤矿 1418 工作面为井田一盘区回采的最 后一个工作面，工作面走向长 1 997.8 m，倾向长 180 m，工作面上下界标高为944.2～895.2 m， 面积 359 604 m2。工作面内地层较为平缓，构造总 体简单，煤层倾角 3～8，主采 4-2号煤层平均厚度 约 12 m，采用走向长壁综采放顶煤垮落法回采工 艺，机采 3 m，放顶煤 7 m，约留 2 m 底煤，全部垮 落法管理顶板。 自 2012 年 3 月至 2013 年 5 月，1418 工作面发 生多次顶板突水事故（表 1、图 1）。突水情况均具有 明显的顶板离层水突水特征，即工作面在推进一定 距离后，发生顶板突水，水量瞬时较大，但在短时 间内水量会衰减稳定并恢复正常；而后工作面继续 回采，则再次发生类似的突水现象，反复多次，直 至该面回采完毕。 表 1 玉华煤矿 1418 工作面突水情况一览表 Table 1 Water inrush cases in working face 1418 in Yuhua coal mine 编号 采掘位置/m 突水时间 时间间隔/d 位置间隔/m 最大涌水量/（m 3h-1） 稳定涌水量/（m3h-1） 涌水持续时间/d 涌水总量/m3 1 725 2012-03-31 600 35～45 3 5 000 2 883 2012-05-2656 158 590 30 3 5 500 3 1 437 2012-12-04192 554 249 50 2 750 4 1 643 2013-02-2179 206 12 000 5 1 798 2013-04-1856 102 400 10 1 1 000 6 1 900 2013-05-2638 53 200 30 1 600 图 1 1418 工作面突水点位置示意图 Fig.1 Location of water inrush points in working face 1418 2 覆岩移动变形 当采场覆岩层中存在多个岩层时，关键层对岩 体活动全部或局部起控制作用，关键层是由其岩层 厚度、强度和载荷大小而定［3］。离层的发育位置与 关键层有着重要的关系，而关键层的破断与离层水 突水也有着必然的联系。因此，在关键层理论的基 础上，本文通过完成研究区关键层、软岩层的判断， 极限跨距分析，软岩水平变形分析，岩层下部自由 空间计算（表 2）及其破断关系分析等工作， 为导水裂 隙带、离层及离层水的形成与发展进行更深入的研 究打下基础。 通过理论分析，工作面导水裂隙带和离层的发 育情况主要受控于 6、8、9、15、16、19 号岩层， 其中 8、15 号软岩层对抑制导水裂隙带的发展起着 决定性作用。 针对 1418 工作面煤层回采后顶板覆岩移动变 形情况，结合矿区及现场实测资料，通过理论方法 分析计算［3-4］、计算机数值模拟计算和物理相似材料 模拟实验（图 2图 6），确定了煤层回采后产生的导 水裂隙带发育高度、覆岩离层发育位置等［5］。 理论分析得出，9、16、19 号亚关键层的破断 使得导水裂隙带发展至 6 号主关键层中；同时， 关键层位的软硬岩性组合是离层发育的关键。综 合各计算结果，得出 1418 工作面 4-2号煤层回采 至1 051.25 m左右， 导水裂隙带最大发育高度257.26 m （裂 采比约 26）， 而后则基本不再随着工作面的推进而发 生变化；覆岩离层发育位置在宜君组粗砾岩（硬岩） 和直罗组泥岩（软岩）附近， 离层高度预计为 149.75 m 左右。导水裂隙带从产生、发展至稳定过程中，将 切穿离层空间。 本文计算所得导水裂隙带高度值比一般经验值 偏大，经分析，其影响因素较多，但主要原因是以 往经验公式形成时期较早，已不能完全适用和指导 现今不同采煤方法、地质条件等多变因素影响下的 煤矿生产。现生产实际证明，采用本矿的采煤方法 时采动导水裂隙带高度一般远大于经验公式计算结 果；同时因为本区内煤层埋深较大，上覆基岩巨厚， 随着不断向深部采掘，造成导水裂隙带发育高度可 ChaoXing 60 煤田地质与勘探 第 44 卷 图 4 塑性区分布图 Fig.4 Distribution of the plastic zone 图 5 UDEC 模型岩移变形破坏图 Fig.5 Deation and failure of rock in UDEC model 能要比一般经验高度值偏大。由于矿方未进行现场 实测，只能依据临近条件类似矿井进行比较，其中， 同处本区的铜川照金煤矿［6］也发生过类似的顶板离 层突水事故，经计算，其导水裂隙带发育高度至少 在 192.5 m（裂采比约 24）以上。 3 离层水突水机理分析 1418 工作面顶板离层水突水机理分析主要从 两方面入手离层水形成的机理研究；离层水突水 的过程研究［6-8］。 3.1 离层水形成机理 3.1.1 离层的形成与发展 离层的形成主要是在下伏煤层回采后，上覆基 岩发生移动变形，由于覆岩的岩性、厚度、距离采 空区位置等条件不同， 导致各岩层的运动形态并不是 完全同步一致， 特别是在软硬岩层之间， 出现了上覆 各岩层在垂直方向的位移差，形成离层空间［9-10］。 从图 7（对于层厚较薄、岩性接近的地层进行合 并概化处理）可以看出，煤层埋深约 600 m 左右，上 覆岩层主要以砂砾岩为主，结构复杂；上覆的直罗 组内为一层厚约 62.5 m 的中粒砂岩，其上部为一层 厚约 15 m 的泥岩（软岩）；其上为宜君组粗砾岩，厚 度约 20 m；宜君组之上为洛河组巨厚砂砾岩互层， 总厚度近 300 m；洛河组上部为厚约 105 m 的华池 环河组粉砂岩，其上为第四系黄土 10 余 m。 根据模拟实验结果，当煤层回采至约 40～60 m 处，基本顶初次来压，直接顶垮落，上覆岩层弯曲 变形。继续进行回采，导水裂隙带同时向上发展， 随着采动面积不断扩大，上覆岩层随着采动产生的 裂隙移动，岩层弯曲下沉，直罗组泥岩的下沉量较 ChaoXing 第 3 期 方刚等 铜川玉华煤矿顶板离层水突水机理与防治 61 图 6 物理相似材料模拟覆岩变形特征图 Fig.6 Deation characteristics of physical similar material simulation of the overlying strata 大，而宜君组粗砾岩和洛河组下段砂砾岩互层（6 号 主关键层附近）岩性较为坚硬，产生的弯曲变形量甚 小，与其下部的泥岩变形量不一致，从而产生了离 层，该处泥岩具有一定厚度，且泥岩本身的塑性， 遇水膨胀后，不会随着导水裂隙带的导通而完全破 碎，为离层空间储水提供条件。随着工作面的继续 推进， 离层空间也向着工作面推进的方向前进发展。 3.1.2 离层水的形成与发展 a. 充水水源及通道 1418 工作面内地层较为平缓，无岩浆活动，较 大的断裂和褶皱均不发育；地表无较大的河流，大 气降水对矿井开采影响甚微； 相邻的 1420 工作面内 老空水对研究区的煤层开采影响不大， 且 1418 工作 面位于井田内部，开采基本不受井田周边老窑的影 响；含水层之间一般没有水力联系，只有在采矿形 成的冒裂带贯通时才可能形成含水层之间的联系。 因此， 煤层上覆含水层水为 1418 工作面突水的主要 充水水源。 煤层上覆的含水层共有 5 层（图 7），其中，除顶 部接近地表的第四系含泥质砂卵石潜水含水层为强 富水性以外，其他含水层富水性均为弱极弱。该 强含水层的厚度相对较薄且分布不均，与煤层间距 ChaoXing 62 煤田地质与勘探 第 44 卷 图 7 工作面地层综合柱状示意图 Fig.7 Comprehensive columnar diagram of the working face strata 约 600 m，根据计算结果，判断导水裂隙带不会沟 通至其下部的白垩系下统华池环河组砂岩裂隙含水 层。而其他含水层虽然富水性相对较弱，但厚度较 大（白垩系下统洛河组下段砂岩裂隙潜水含水层厚 度近 174 m），岩性组合结构复杂，加之该面采用的 回采工艺对顶板扰动严重，使得导水裂隙带发展高 度会比一般情况下大许多，预计导水裂隙带会沟通 至洛河组下段砂砾岩层。根据矿方提供的突水后水 质化验报告分析，工作面突水水质与洛河组含水层 水质相似。 工作面范围内不存在封闭不良钻孔、断层构造 及其他可能的导水通道，煤层开采后产生的导水裂 隙带，随着回采过程中对顶板的不断扰动，裂隙发 育变形沟通，成为主要的导水通道。 b. 含水层水进入离层空间 随着采掘的进行，导水裂隙带在未稳定前仍随 着煤层的采动不断向上发展，已穿过离层空间进入 上部洛河组含水层，此时空间内尚未储存或储存的 水量不大，含水层的水以矿井正常涌水量的形式流 入工作面，而泥岩层厚度较大，遇水膨胀松散，而 后逐渐将裂隙填堵封闭，形成“再造隔水层”，其上 部的坚硬砂砾岩层，受裂隙带影响，岩层部分破碎， 与岩层的原生裂隙贯通形成通道，将该段含水层内 的水导入离层空间内，随着时间的推移，形成封闭 的离层水体。 3.2 离层水突水过程 离层水体在一段时间内趋于稳定，随着工作面 的继续推进，采空区面积不断增加，顶板破坏强度 加大， 伴随着每 20～30 m 一次的周期来压（模拟实验 结果），老顶（19 号亚关键层）垮落、断裂，同时裂隙 向上发展，上覆岩层在不断扰动的情况下，16、9 号亚关键层陆续破断，原先的平衡被打破，离层空 间破裂，其内部的水体沿导水裂隙带瞬间溃入工作 面，造成突水事故。 在工作面顶板突水之前，其预兆不明显，而在 突水过程中表现出瞬时的水量较大，但是突水的总 量不大，且存在周期性。可见，离层空间有限，离 层内可蓄积的水量有限，而不同的区段由于岩性分 布、 局部空间组合等原因很有可能形成多个离层带， 其大小不一，形态不同，且还有可能出现若干离层 体的叠加，造成工作面推进一定距离，则出现一次 突水。 在离层水体迅速涌入工作面，其消耗完毕后， 离层空间需要新的平衡稳定下来，上部岩层变形移 动，离层空间逐渐闭合消失，而工作面继续推进， 新的离层空间有可能向前继续形成发展。 3.3 突水机理 本文认为，煤层顶板离层水突水为一个动态的 ChaoXing 第 3 期 方刚等 铜川玉华煤矿顶板离层水突水机理与防治 63 过程，其形成、发展到最后结束，是一个时间不固 定，地点不确定，有偶然性但同时具有一定的周期 性规律的现象。 矿井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，在关 键层附近，出现了离层（图 8a）。 随着采掘的继续，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”， 离层空间具有储水功能， 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（图 8b）。 而后，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，亚 关键层陆续破断，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（图 8c）。 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（因玉华煤矿 离层形成地层厚度条件和空间组合等因素，在图 8d 中可能没有更为明显的表现出离层向上发展的态 势），同时由于各岩层结构复杂，还可能形成叠加离 层或多个离层同时存在，给矿井的安全生产造成一 定的威胁，见图 8d 周期离层的形成［10-11］。 图 8 煤层顶板离层水突水机理示意图 Fig.8 Schematic of water inrush mechanism of stratifugic water 4 防治水技术措施 在全面分析 1418 工作面水文地质条件的基础 上，总结离层在空间上展布特征，确定离层水突水 机理，以 1418 工作面离层水探放为重点，制定了 1418 工作面离层水防治措施。 a. 顶板充水含水层采前预疏放与含水层超前 截流 最大程度预疏放工作面顶板洛河组下段砂岩 含水层水体，堵截离层水形成的充水水源，并获取 该含水层涌水量、水位随时间的变化规律； b. 回采过程中离层水探放 探查离层积水空间 发育层位及范围，破坏离层空间的完整性，疏放顶 板积水，降低透水强度； c. 增加工作面临排及矿井排水能力等 其中加 大 1418 工作面下巷临排能力，作为被动防治水措 施，并强排老空水。 同时，为了减少类似水害的发生，还应做到 加强井田内水文地质特征的探查与研究，扩大探查 范围；同时对采空区积水进行动态监测，实时更新 ChaoXing 64 煤田地质与勘探 第 44 卷 水文地质资料；加强突水规律和突水机理的研究， 指导防治水工作；加强突水快速治理方法的研究， 减少不利影响［6，11-12］。 5 结 论 a. 玉华煤矿 1418 工作面煤层顶板离层水的形 成和发展与多项因素有关，主要是与煤层所处的地 质条件及特征、上覆岩层岩性组合，关键层位，空 间关系，时间关系等有关，同时确定了离层水的充 水水源主要为洛河组下段砂岩裂隙含水层水、导水 通道主要为煤层采动后形成的导水裂隙带。 b. 玉华煤矿 1418 工作面煤层顶板离层水突水 过程为离层水体在一段时间内趋于稳定后，随着工 作面的继续推进，采空区面积扩大，顶板破坏强度 加大，伴随着周期来压，老顶垮落、断裂，同时裂 隙向上发展，上覆岩层在不断扰动的情况下，下部 各关键层位出现破断，原先的平衡被打破，离层空 间破裂，其内部的水体沿煤层开采后产生的导水裂 隙带这一主要导水通道瞬间溃入工作面，造成突水 事故。 c. 煤层顶板离层水突水为一个动态的过程，离 层和离层水的形成、发展、突水及结束后新的离层 形成，是一个时间不固定，地点不确定，有偶然性 但同时具有一定周期性的现象。 d. 为玉华煤矿 1418 工作面离层水害的防治提 出防治水措施和建议。主要为顶板充水含水层采前 预疏放与含水层超前截流； 回采过程中离层水探放； 增加工作面临排及矿井排水能力等。 参考文献 ［1］ 贾民，田涛. 济二矿覆岩离层水涌水机理与防治技术研究［J］. 中国煤炭，2013，39（1）110-115. 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