巨厚煤层综放开采顶板离层水形成机制及防治方法研究.pdf

第 33 卷 第 10 期 岩石力学与工程学报 Vol.33 No.10 2014 年 10 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2014 收稿日期收稿日期2014–02–17；修回日期修回日期2014–04–15 基金项目基金项目国家重点基础研究发展计划973项目2015CB251601；国家自然科学基金资助项目41302248；江苏高校优势学科建设工程项目 作者简介作者简介乔 伟1984–，男，博士，2006 年毕业于中国矿业大学地质工程专业，现任副教授，主要从事水文地质工程地质、矿井水害防治方面的 教学和研究工作。E-mailqweiqlm DOI10.13722/ki.jrme.2014.10.014 巨厚煤层综放开采顶板离层水形成机制及巨厚煤层综放开采顶板离层水形成机制及 防治方法研究防治方法研究 乔 伟 1，2，黄 阳3，袁中帮3，郭 伟3，周丹坤1 1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2. 兖矿集团有限公司 博士后科研工作站，山东 邹城 273500； 3. 陕西永陇能源开发建设有限责任公司 崔木煤矿，陕西 宝鸡 721501 摘要摘要针对巨厚煤层在综放开采条件下的顶板离层水涌突水实例，分析离层水形成的基本条件，并对研究区可能 产生离层的位置进行判别计算。重点介绍不同于我国中东部矿区的离层水防治措施，设计的地面直通式导流孔可 以对离层积水进行有效疏放，并研究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。 研究对离层水形成条件的分析和针对西部特殊地层进行的离层水防治水设计为具有相似开采条件的矿井进行离层 水害防治提供重要参考。 关键词关键词采矿工程；巨厚煤层；综放开采；离层空间；离层积水；防治方法 中图分类号中图分类号TD 742 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915201410–2076–09 ATION AND PREVENTION OF WATER INRUSH FROM ROOF BED SEPARATION WITH FULL-MECHANIZED CAVING MINING OF ULTRA THICK COAL SEAM QIAO Wei1 ，2，HUANG Yang3，YUAN Zhongbang3，GUO Wei3，ZHOU Dankun1 1. School of Resources and Earth Science，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China； 2. Post-doctoral Scientific Research Station，Yankuang Group Company Limited，Zoucheng，Shandong 273500，China； 3. Cuimu Coal Mine，Shaanxi Yonglong Energy Development Construction Co.，Ltd.，Baoji，Shaanxi 721501，China AbstractA water inrush case upon roof bed separation of the ultra thick coal seam during the full-mechanized caving mining was analyzed. The types of water inrush in bed separation were summarized and the mechanism of ation of the hydrostatic water inrush in roof bed separation of a mining face was discussed. The possible separation locations in the studied area were calculated. The of prevention of water inrush from roof bed separation was introduced in detail. Proposed drill holes penetrating through up to ground surface drained the water in the separation effectively. The relationships between the mining height and the water inrush from the separation，and the relevance of the mining rate and the water yield in the separation were studied. Key wordsmining engineering；ultra thick coal seam；full-mechanized caving mining；separation space；water in separation；prevention 第 33 卷 第 10 期 乔 伟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 2077 1 引引 言言 随着煤矿开采深度增大，由于多煤层开采等原 因，出现一种新的顶板水害类型顶板离层水水 害。顶板离层水水害由于具有瞬时水量大、突水征 兆不明显、危害大等特点而被重视。高延法[1]将采 后覆岩结构力学模型分为破裂带、离层带、弯曲带 和松散层带，即在原“三带”模型的基础上将破裂 带之上弯曲带底部的岩层重新划为离层带。许家林 等[2]认为覆岩离层主要出现在各关键层下，覆岩离 层最大发育高度止于覆岩主关键层。赵德深等[3-6] 对煤层开采离层的形成机制和发育规律做了相关研 究。李文平等[7-8]对海孜煤矿 745 工作面发生的顶板 特大离层水突水事故进行了研究。 乔 伟等[9]对济宁 二号煤矿顶板离层水静水压涌突水进行了研究。以 往对顶板离层水的研究多是因为煤层叠加开采造成 上覆岩层不均匀沉降而产生离层空间[10]，煤层多为 中厚–厚煤层，防治方法主要采用井下探放水钻孔 对离层积水进行疏放[11-12]，且研究成果多集中在我 国中东部。近年来，随着西部大开发建设，西部侏 罗系煤田开采时也出现离层水害问题，由于采矿条 件、地质及水文地质条件的特殊性，相比中东部矿 井离层水治理难度加大，本文以陕西宝鸡崔木煤矿 巨厚煤层综放开采离层水水害问题为例，分析了其 离层水的形成条件，并提出防治方法，以供探讨和 研究。 2 离层水涌突水概况离层水涌突水概况 崔木煤矿主采煤层为侏罗系延安组 3 煤，21301 工作面为崔木煤矿首采工作面，工作面走向长度 968 m，倾向长度 196 m，煤层开采平均厚度 10 m， 煤层倾角为 3 ～6 。21302 工作面可采长度718 m， 平均采厚 12 m，煤层倾角为 1 ～13 ，切眼长度 205.5 m。21302 工作面目前已经推进 597 m。 21301 工作面自开采以来发生 12 次涌突水事 故，而 21302 工作面目前为止发生 4 次突水事故。 多次大规模突水事故发生时，首先顶板锚杆、锚索 孔内出现淋水现象，然后工作面支架出现淋水并突 然增大， 工作面支架间的水位迅速上升， 顶板来压， 煤炮声不断，部分支架安全阀相继打开，甚至大范 围支架压死，工作面涌水量增大100～1 100 m3/h， 水位不断升高。21301 工作面涌水量随推进距离变 化关系如图 1 所示。 工作面推进距离/m 图 1 21301 工作面涌水量随推进距离变化关系 Fig.1 Relationship between mining rate and water inflow of working face 21301 3 煤顶板充水含水层从上到下为白垩系下统 洛河组砂岩孔隙–裂隙含水层和宜君组砾岩裂隙含 水层；侏罗系中统直罗组砂岩裂隙含水层和延安组； 煤层顶板砂岩含水层。其中洛河组含水层水质类型 HCO3-MgNaCa， HCO3-NaMg， 矿化度 512～1 055 mg/L；宜君组含水层水质类型 ClSO4-Na，SO4-Na， 矿化度 2 590～5 390 mg/L；直罗组含水层水质类型 SO4-Na，矿化度 20 450 mg/L；延安组及煤层顶板 砂岩含水层水质类型 Cl-Na，矿化度 3 674 mg/L。 根据多次涌水的水样化验结果，涌水水质类型为 ClHCO3-Na 或 ClHCO3-Mg 型，矿化度为 1 060～ 1 837 mg/L，从水质类型和矿化度上看，涌水中大 部分为洛河组的砂岩水。 3 离层形成条件离层形成条件 3.1 煤层顶板覆岩结构煤层顶板覆岩结构 21302 工作面开采侏罗系中统延安组 3 煤，上 覆地层由下到上分别为侏罗系中统直罗组、安定组， 白垩系下统宜君组、洛河组以及第四系松散层， 21302 工作面地质剖面示意图如图 2 所示。 图 2 中，宜君组为砂砾岩，其他未标注岩性的 为砂泥岩互层的地层岩性。3 煤顶至洛河组底界面 距离平均 175.60 m；宜君组分布不稳定；安定组平 均厚度 102.54 m；直罗组平均厚度 20.13 m。通过 钻孔岩性统计，可得出井田内 3 煤与洛河组之间岩 性组合特征，统计结果如表 1 所示。 由表 1 可知，3 煤顶板至洛河组的主要岩性为 泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和细、中、粗粒砂岩。其 中泥岩、砂质泥岩、粉砂岩等平均厚 105.85 m，占 60.09； 细、 中、 粗砂岩平均厚67.43 m， 占36.74； 砾岩平均厚 6.34 m，占 3.18。泥岩、砂质泥岩和 粉砂岩的含量比例较大，泥岩遇水易崩解软化， 涌水量/m3h －1 2078 岩石力学与工程学报 2014年 图 2 21302 工作面地质剖面示意图 Fig.2 Geological sections of working surface 21302 表 1 3 煤顶板至洛河组底界面岩性组合统计表 Table 1 Data of stratum between coal 3 and Luohe ation 使煤层采动扰动的导水裂缝带闭合，重新胶结恢复 隔水性能，对矿井顶板防治具有积极意义。具备一 定的阻隔上部白垩系含水层向下补给径流的作用， 同时可有效降低 3 煤顶板导水裂缝带向上发育高度 及降低矿井顶板含水层充水强度。 3.2 离层发育及离层积水离层发育及离层积水 1 覆岩导水裂隙带高度及离层突水判别 根据崔木煤矿周边和中东部综放开采矿井采厚 和裂采比实例，进行了采厚–裂采比拟合，获得拟 合曲线如图 3 所示。 采厚 M/m 图 3 采厚–裂采比实测结果与拟合曲线 Fig.3 Measured data and fitting curve of mining height and ratio of height of water flowing fracture zone to mining height 图 3 中，平均开采厚度为 10 m，所以裂采比为 14.38，而崔木矿实测裂采比为 15.7，两者相比取大 值较为安全，所以确定裂采比为 15.7，导水裂隙带 高度为 157 m。根据表 1 中的 3 煤距洛河组底界面 距离166.62～202.48 m，平均 180.97 m，导高均未 发育到洛河组导水裂隙带最高点距离洛河组底界 9.62～45.48 m，平均 23.97 m，但涌突水水质均含 有洛河组水的水质成分，说明了洛河组底部可能发 育有离层并充水而形成离层水。 据矿井水文地质资料，白垩系下统宜君组砾岩 裂隙含水层单位涌水量 0.008 8 L/sm，渗透系数 0.020 m/d，属富水性不均一的弱含水层。侏罗系中 统安定组单位涌水量 0～0.000 076 L/sm， 侏罗系 中统直罗组砂岩裂隙含水层单位涌水量 0.004 578 L/sm， 渗透系数 0.003 348 m/d， 属富水性微弱的 含水层。侏罗系中统延安组煤层及其顶板砂岩含水 层钻孔单位涌水量 0.000 633～0.003 431 L/sm， 渗透系数 0.000 401～0.006 6 m/d，属富水性极弱含 水层。导致波及范围内的含水层均为极弱富水含水 层，据地质报告计算崔木煤矿矿井正常涌水量为 343.12 m3/h，而 21301 和 21302 工作面开采期间的 顶板水害瞬时最大涌水量达到 1 100 m3/h，且涌水 水质为洛河组含水层水质，这一点更加说明了洛河 组底部离层水的存在。3 煤开采覆岩破坏数值模拟 结果[12]也显示了洛河组底部的离层空间见图 4。 模型沿走向长 1 500 m，沿倾斜宽 720 m，模型高度 为 179 m。三维模型共划分为 228 000 个三维单元， 共 256 262 个结点，模型的四周各边界施加水平约 束，即四周边界的水平位移为 0，模型的底部边界 固定，模型的顶部为自由边界。模型的最上岩层埋 深为 360 m，重力加速度取 10 m/s2，由模型顶界面 0.75 1.25 1.75 2.25 2.75 3.25 开挖长度/102 m 图 4 洛河组底部离层模拟结果[12] Fig.4 Numerical modeling for separation layer beneath Luohe ation[12] 钻孔 泥岩、砂质泥岩、粉砂岩 细、中、粗砂岩 砾岩 间距/ m 累厚/m 所占百 分比/ 累厚/m 所占百 分比/ 累厚/m 所占百 分比/ K6–1 128.27 71.79 50.4028.21 0.00 0.00 178.67 K6–2 66.25 41.10 109.5458.90 0.00 0.00 182.59 K6–3 128.35 77.03 36.0721.65 2.20 1.32 166.62 X7–2 108.55 62.21 65.9537.79 0.00 0.00 174.50 X7–3 97.81 48.30 75.1937.13 29.48 14.56 202.48 平均 105.85 60.09 67.4336.74 6.34 3.18 180.97 裂采比 e 模型高度/102 m 垂直方向位移/m 延安组 砂岩 3 煤 宜君组 泥岩 洛河组 砂岩 洛河组 砂岩 安定组 砂泥岩 直罗组砂岩 延安组 砂岩 直罗组砂岩 安定组 砂泥岩 安定组 砂泥岩 直罗组砂岩 延安组 砂岩 第 33 卷 第 10 期 乔 伟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 2079 埋深可得，模型顶部自重应力为 9 MPa，模型水平 方向考虑到构造应力和自重应力取值为垂直应力的 1.2 倍，即水平方向施加10.8 MPa 的等效水平应力。 根据现场地质调查和相关研究提供的岩石力学 试验结果，考虑到岩石的尺度效应，模拟计算采用 的岩体力学参数如表 2 所示。 表 2 岩体物理力学参数 Table 2 Physico-mechanical parameters of rocks 岩性 M/m 密度/ kgm －3 碎胀系数 K/GPa 弹性模 量 G/ GPa 黏聚力 c/MPa 内摩擦角 / 细砂岩 16.86 2 570 14.88 10.24 3.2 27.0 泥岩 5.56 2 640 8.00 4.80 2.3 25.0 铝质泥岩 5.16 2 570 14.88 10.24 3.0 25.0 铝质泥岩 5.17 2 340 12.30 8.10 3.0 25.0 泥岩 2.15 2 570 14.88 10.24 3.0 25.0 3 煤 15.05 1 380 8.00 3.38 1.8 18.0 粗砂岩 6.95 2 630 12.50 8.60 3.6 26.0 泥岩 15.75 2 640 10.20 7.40 3.3 25.0 细砂岩 3.56 2 570 14.88 10.24 3.2 27.0 细砂岩 9.21 2 570 14.88 10.24 3.2 27.0 粉砂岩 2.60 2 570 14.88 10.14 3.1 27.5 泥岩 11.26 2 640 10.20 7.40 3.3 25.0 粗砂岩 5.54 2 340 12.30 8.10 2.3 26.0 砂质泥岩 6.32 2 540 10.20 7.40 2.9 25.0 粗砂岩 2.90 2 630 12.50 8.60 3.6 26.0 砂质泥岩 44.00 2 540 10.10 7.40 3.0 25.0 2 离层空间发育层位 顶板离层为采动覆岩沉陷运动过程中沿层面产 生分离的现象，这一现象普遍存在于各类采场覆岩 中，在垮落带、裂隙带及弯曲带中均可产生，但垮 落带、裂隙带中离层发育的时间较短且其空隙会逐 渐被压实闭合，而弯曲带中一般离层范围较大，发 育时间较长[14]。 采场顶板离层根据其所能持续稳定的时间、最 大离层量及其导水富水性不同，可分为裂隙型和空 腔型 2 种类型，但由于空腔型离层具有离层空间大、 维持稳定时间长、富水性透水性强及其积水形成的 离层水危害大等特点[7]，是发生离层水水害的主要 离层裂隙类型。为此，后续离层水分析过程中涉及 的离层均指空腔型离层。 空腔型离层力学机制为上覆岩层间由相对错 动引起的张拉或剪应力超过岩层面间的强度，且上 下岩层的刚度相差较大，易于发生不协调变形，即 上位岩层控制的荷载不对下位岩层形成加载[15-17]， 有 qn，1＞qn1，1 1 式中qn，1，qn1，1分别为第 n，n1 层岩层对第 1 层 岩层形成的荷载。若上、下位岩层满足式1要求， 则两岩层间具备发育空腔型离层的力学结构。 若将采场上覆岩层看成由若干组岩层叠加组合 而成，且各岩层上的荷载呈均匀分布，如图 5 所示 图中 Si为岩层标号，根据组合梁原理，式1等价 于 11 33 1111 nnnn iiiiiiii iiii E hhE hh    ＞ 2 式中Ei，hi， i 分别为第 i 层岩层的弹性模量、厚 度和重度。式2可简化为 23 111 11 nn nniinii ii EhhE h    ＞ 3 图 5 组合岩梁示意图 Fig.5 Sketch of combined rock beam 由式3可对上覆岩层中是否能发育空腔型离 层进行初步判别。 其次，由于空腔型离层量及离层空间较大，且 呈空腔型，而离层空间需煤层采空区提供；即煤层 开采后，采空区未能完全被冒裂带岩石完全充填， 即有 10 ii MKh＞ 4 式中Ki为煤层采后冒裂带内第 i 层岩层的碎胀系 数。 只有满足式4时，煤层上覆岩层中才具有发育 空腔型离层所需的空间，而且式4左边数值的大小 也限制了覆岩中的最大离层量；因而煤层采厚越大， 2080 岩石力学与工程学报 2014年 则越易于发育空腔型离层。另由岩石的碎胀性和压 实性可知，煤层采动后，顶板冒落岩石发生破碎， 此时冒落带顶板岩石碎胀系数较大，达 1.2～1.6； 而随着上覆岩层的继续下移跨落，冒落带岩石在自 重和上覆荷载作用下逐渐压实，体积随之减小，碎 胀系数也逐渐趋近于 1.0； 即厚煤层开采后， 即使最 初不满足式4的要求，随着工作面的推进，冒落带 岩石逐渐压密，相应的空腔型离层也将逐渐发育。 以上分析表明，仅当煤层上覆相邻两岩层同时满足 式3和4时，两岩层间才可发育空腔型离层。 根据 21301 和 21302 工作面内 K6–3 钻孔揭露 的 3 煤层顶板岩层结构，将各岩层相应的参数代入 式2进行判别，判别结果如表 3 所示。 表 3 21302 工作面顶板离层发育位置判别结果K6–3 孔 Table 3 Calculated results of separation location of working face 21302drill hole K6–3 编号 岩性 厚度/m 是否为空腔型离层 29 砂质泥岩 43.90 否 28 含砾砂岩 28.30 否 27 粗砂岩 114.47 是 26 中粒砂岩 3.35 否 25 粗砂岩 37.00 是 24 粗粒砂岩 31.20 是 23 粗砂岩 27.90 是 22 中粒砂岩洛河组底部 12.10 是 21 砂质泥岩 5.79 否 20 粗砾岩 2.20 否 19 粗粒砂岩 5.79 否 18 泥岩 11.70 否 17 粗粒砂岩 5.70 否 16 泥岩 5.00 否 15 泥岩 17.00 否 14 泥岩 10.00 否 13 粗粒砂岩 2.00 否 12 砂质泥岩 6.00 否 11 砂质泥岩 15.00 否 10 粗粒砂岩 4.26 否 9 砂质泥岩 18.50 否 8 粗粒砂岩 2.90 否 7 砂质泥岩 6.32 否 6 粗粒砂岩 5.54 否 5 泥岩 11.30 否 4 粉砂岩 2.60 否 3 泥岩 9.21 否 2 细粒砂岩 3.56 否 1 泥岩 22.70 否 0 3 煤 表 3 计算结果表明，在 21302 工作面上覆岩层 中编号第 2212.10 m 厚中粒砂岩、第 2327.90 m 厚粗砂岩、第 2431.20 m 厚粗粒砂岩、第 25 37.00 m 厚粗砂岩和第 27114.47 m 厚粗砂岩分别 与其下相邻岩层具备发育空腔型离层的力学结构。 根据以上计算可知，21302 工作面离层将主要发育 在洛河组及其底界面与泥岩等软岩顶界面之间。 厚层洛河砂岩层本身为弱富水含水层，能对离 层裂隙形成充水补给，即 3 煤冒裂带上方洛河组砂 岩水为其下离层空间的补给水源。洛河组底界的水 压达到 3 MPa，洛河组岩层在弯曲下沉过程中对离 层水体也有挤压作用， 在离层水压力3 MPa和洛河 组岩层挤压作用下，离层水体会突破其与导水裂隙 带之间的隔水层厚度 9.62～45.48 m，平均厚度 23.97 m而涌入采场，形成离层水害。 4 离层水防治措施离层水防治措施 3 煤顶板至洛河组的主要岩性为泥岩和砂质泥 岩，其平均厚 105.85 m，占 60.09，砂质泥岩和泥 岩的含量比例较大，主要为安定组泥岩，泥岩遇水 易崩解软化，容易封闭导水裂隙带通道，但对于离 层水的疏放带来不利条件，主要原因是采用井下施 工探放水钻孔对离层水进行疏放时，井下钻孔往 顶板方向施工仰孔，钻孔在进入泥岩层时，钻孔全 部塌孔甚至埋钻，使得钻探无法有效进行。在这种 特殊的水文地质工程地质条件下，对崔木煤矿的离 层水防治采用了地面直通式导流孔、控制采高和推 进速度、完善排水系统等措施，有效防治了崔木煤 矿离层水水害。 4.1 地面直通式导流孔地面直通式导流孔 基于板假设的上部岩体破断距分析，确定了离 层上部岩体初次极限破断离层首次闭合距为 300～350 m，周期极限破断离层周期闭合距 150～ 175 m。根据离层闭合距离，在地面布设直通式导 流孔距离开切眼 200，360，525 m 处共施工 3 个导 流孔，直通式导流孔可以有效疏放洛河组底部离层 空间的积水，如图 6 所示。 21302 工作面在回采至 422 m 位置处发生压架 事故，但是涌水量较小工作面最大涌水量 15 m3/h， 地面直通式导流孔起到关键作用。图 7 为 21302 工 作面地面直通式导流孔洛河组水位变化。工作面在 推过上次离层闭合位置后，在继续推进的过程中， 离层空间重新发育，离层内持续积水，当工作面推 第 33 卷 第 10 期 乔 伟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 2081 图 6 地面直通式导流孔结构示意图 Fig.6 Layout of straightway diversion drill hole 日期 图 7 21302 工作面地面直通式导流孔洛河组水位变化 Fig.7 Changes of water level of Luohe aquifer in drilled hole above working face 21302 到直通式导流孔时，直通式导流孔与离层空间导通 2013 年 10 月 1 日，离层内积水随即顺导流孔下泄 到采空区， 水位下降较快水位降深 139 m， 而且大 降深疏放离层水稳定 9 d， 有效下泄了离层积水。 随 着采面的持续推进，到 2013 年 10 月 9 日，工作面 已经推过直通式导流孔约 50 m， 由于煤层覆岩多为 整体结构，在岩梁破断和调整过程中，直通式导流 孔容易被封闭破坏，导致其泄水不畅，洛河组含水 层水位随即上升。 4.2 控制采高和推进速度控制采高和推进速度 1 控制采高 不同采高条件下导水裂隙带高度计算结果如表 4 所示，参考 K6–3 钻孔离层判别位置，得到不同采 厚下导水裂隙带高度和离层关系。 表 4 不同采高条件下导水裂隙带高度计算结果 Table 4 Heights of water flowing fracture zone with different mining heights 裂采比 导高计算 导高发育最高处与洛河组底部离层距离/m 采高/m导高/m 15.7 7 109.9 56.72 8 125.6 41.02 9 141.3 25.32 10 157.0 9.62 11 172.7 – 12 188.4 – 注 “–”表示导高波及到洛河组。 考虑到离层水在发生静水压涌突水时，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，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。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 s 0 / / TP h P Th      静 5 式中h，h静分别为有效隔水层厚度和不发生涌突 水的极限有效隔水层厚度m；Ts，T0分别为突水系 数和临界突水系数；P为水头压力MPa。 洛河组在最低离层产生的水压约为3 MPa，按 照经验突水系数法的临界值为0.1 MPa/m计算[18]， 需要的极限有效隔水层厚度为30 m。 而根据表4的 导高计算结果，采厚为7和8 m时，有效隔水层厚 度分别为56.72和41.02 m， 满足极限有效隔水层厚 度为30 m的要求，离层水体不会突破有效隔水层； 采厚M≥8.7 m时，有效隔水层厚度也不能满足极 限有效隔水层厚度为30 m的要求。考虑一定的安 全系数，采厚M≤8 m时，对离层水水害防治较为 有利。 2 控制推进速度 结合21302工作面尺寸，假设采场覆岩中离层 主要发育弯曲带下部，且暂时未发生闭合，根据薄 板弹性力学理论，可近似计算得到21302工作面掘 进L距离时，其覆岩中可发育的最大离层总体积 mas V为 masmax 11 44 VWabM La 6 洛河组含水层水位 H/m 2082 岩石力学与工程学报 2014年 式中η为下沉系数，a为工作面宽度m，b为工 作面推进距离m， max W为覆岩最大下沉量m。 崔木煤矿洛河组含水层为孔隙裂隙承压水，开 采时在洛河组内形成离层空间，离层空间内的积水 主要由离层形成为一个负压空间，离层内水头急剧 降低，致使周围一定范围内洛河组含水层中的水向 离层空间内流动，即动补给量，其大小与渗透系数 大小、进水边界长度有关。 离层空间形成并不断增大的过程中，设定洛河 组含水层水头Hi降至洛河组底界标高H0， 即相对 水位标高为0，周边洛河组含水层中的水会在水头 压差下向离层内流动。根据承压含水层地下水动力 学计算模型见图8，离层空间第i边的单宽流量qi 为 0ii i ii HHH qkmkm RR   7 式中k为离层范围内洛河组含水层的渗透系数，m 为离层空间顶板含水层平均厚度，Ri为离层空间第 i边的对应水位降深的影响半径。由此可得总的动 储量Qd为 d 1 n i i i Qql   8 式中li为离层空间第i边的长度。 图 8 承压水流地下水动力学模型 Fig.8 Groundwater dynamics model of confined water 目前崔木煤矿21302工作面推进位置已经进入 离层周期闭合阶段，根据地质和水文地质条件分析， 在离层空间中，距离离层边界各边往外一定距离降 深影响半径后，可看作为定水头边界。以开采推进 L距离为例，考虑到安全因素，假设离层空间覆盖 面积与开采推进L距离面积相等，其动态补给量根 据地下水动力学原理见图9计算，动储量离层形 成最大空间时每天动态补给量为 图 9 离层空间动态补给量示意图 Fig.9 Sketch of dynamic recharge of separation space d1234 Qq aq aq Lq L 9 其中， q q1 q2 q3 q4 1 /KMH R 由此，离层空间形成后的第1 d开采速度为v， 第1 d开采距离L1在数值上等于v积水量qd1为 d11 2222qqaqLqaqv 10 所以开采第2 d时，推进距离为L2，此时推进 总距离为L1L2，所以第2 d进入离层的进水量为 d22 2222 2qqaqLqaq v 11 所以第2 d离层的总积水量为第1和2 d积水量 的和 1 2d1d21 22QqqqaqL   2 22qaqL 12 推进完总长为L的距离需要的天数dmax为L/v， 所以推进完总长为L的距离时，离层积水总体积 QL为 / Ld1d2 22 n L v nn n QqqqqaqL     13a 其中， 12 m n nn m LLLLmv   13b 这里，n的最大值为L/v。 根据离层初次破断距为300 m，周期破断距为 150 m，目前21302工作面已经采过初次破断距 300 m位置，处于离层周期闭合阶段，离层周期闭 合距L 150 m， 工作面宽度a 205.5 m， 可以得到 不同开采速度下的离层空间的未充水空间体积及充 水体积，由式6计算得到采高8 m时离层发育总体 积为18 500 m3， 开采速度与离层水积水体积关系如 表4所示。 根据式6计算得到工作面推进L 150 m、开 采高度为8 m时的周期离层形成的最大体积约为 18 500 m3；不同开采速度下的离层积水体积不同， 采速越小，离层积水体积越大，采速为2 m/d时， 第 33 卷 第 10 期 乔 伟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 2083 表 4 开采速度与离层水积水体积关系采高 8 m，工作面 推进 150 m Table 4 Relationships between volume of water in the separation with different mining ratemining height is 8 m and mining distance is 150 m 开采速度 v/md －1 推进完 150 m 需要的天数/d 离层积水总 体积 V/m3 离层空间中未 充水体积 V/m3 2 75 34 606 0 3 50 18 937 0 4 38 17 658 842 5 30 13 916 4 584 6 25 11 617 6 883 7 21 9 724 8 776 8 19 8 891 9 609 9 17 7 983 10 517 10 15 7 019 11 481 离层空间中全部充水；采速≥4 m/d时，离层空间 出现未充水体积，且随着开采速度的增加，离层积 水量逐渐减少，离层空间内未充水体积逐渐增大， 采速与离层总积水量关系如图10所示。 工作面推进速度/md －1 图 10 采速与离层总积水量关系采高 8 m Table 10 Relationships between water yield and different mining ratemining height is 8 m 2013年10月18日工作面出现离层水突水情 况，由于控制采高为8 m左右，开采速度为4 m/d， 工作面为仰采阶段，控顶区存在离层未积水区域， 同时地面直通导流孔下泄作用，本次涌水量为200 m3/h，相比之前涌水水量大幅度减小，防治措施有 效减弱了离层水突水危害。 5 结结 论论 1 形成离层水的离层空间不能发育于采场冒 裂带中，而应分布于整体移动带中，且不能与下部 的裂隙带相导通即在离层空间下部分布有一定厚 度、较为完整的相对隔水层，即可积水离层的位置 应满足H＞H裂H可积水离层发育高度，H裂为导水 裂隙带发育高度。 2 得出离层水形成的基本条件为可积水离层 和补给水源的结论，即发育于采场冒裂带上方的离 层，同时其周边的含水层水体能对该离层形成补 给；离层水的形成还受离层持续时间覆岩岩性结 构、工作面推进速度及开采尺寸等因素的影响。 3 针对离层发育在厚层泥岩层上方而导致井 下钻探无法有效探放离层水的工程难题，设计地面 直通式导流孔对离层积水进行疏放，实践证明此方 法合理、有效。 4 离层涌突水的主要诱导因素为离层水的静 水压力，即如何确定采场顶板离层水的静水压力、 导水裂隙带发育高度受采高影响及其可突破的相 对隔水层厚度是判别能否发生该类离层水涌突水的 关键。 5 工