特厚煤层开采覆岩离层水形成及涌突风险

张培森，闫奋前，孙亚楠，吴俊达

（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）

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。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。

图1 1307、1305、1303 工作面平面布置图Fig.1 Layout plan of working faces 1307, 1305 and 1303

图2 煤层顶板各含水层厚度柱状图Fig.2 Thickness histogram of each aquifer of coal seam roof

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：

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；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ms=mx和Es=Ex，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。

表1 离层层位判别表Table 1 Discrimination table of separated layers

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。

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。

图5 离层发育空间位置图Fig.5 Spatial map of separation development

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。

图6 离层水发生涌突影响因素示意图Fig.6 Sketch map of factors influencing the occurrence of water inrush in the separation layer

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：

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：

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 首采区涌突风险评估图Fig.7 Risk assessment diagram of inrush in the first mining area

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。