上覆采空区积水煤层开采突水危险性研究

陈 超

(山西天地王坡煤业有限公司，山西省晋城市，048021)

华北型煤田经历一个多世纪的大规模开采，大部分煤矿上组煤资源濒临枯竭，进入深部下组煤开采，围绕深部煤层开采顶板上覆含水层(体)、底板下伏含水层突水机理、水害治理技术等科技问题，国内外学者开展了大量的研究[1-4]。刘天泉[5]通过理论分析及长期的工程试验提出了煤层顶板突水“上三带”理论，认为煤层开采将在上覆岩层中形成垮落带、裂缝带和弯曲下沉带，其中垮落带和裂缝带会成为导水通道；李白英[6]在多年的奥灰透水机理研究及实践中提出了“下三带”理论，认为承压水体上开采存在底板导水破坏带、有效隔水层保护带和承压水导升带；钱鸣高[7]利用薄板理论将底板各隔水层划分为若干个隔水能力不同的岩层，认为一些较为坚硬的厚岩层在采场上覆岩体的变形和破坏中起着主要的控制作用，对底板突水起着决定作用的一层隔水层作为关键层；许家林[8-9]提出了基于关键层位置的导水裂缝带高度预计方法，认为关键层破断裂缝贯通的临界高度可以粗略按(7～10)M(M为煤层采厚)估算；赵兵朝[10-12]研究认为主关键层在覆岩中的位置与基载比和基采比存在一定的关系；杨国勇[13]基于层次分析-模糊聚类分析法确定了各影响因素的权重，预计导水裂缝带发育高度与实际情况较为相符；卫兆祥[14]应用统计学理论、数值模拟、现场实测等手段分析了煤层底板破坏深度。虽然以上研究对顶板导水裂缝带和煤层底板破坏深度进行了深度探究，但均没有将两者结合研究应用于煤层突水危险性评价。

笔者以王坡煤矿即将开采的15号煤层是否会导通上覆3号煤层采空区积水为研究对象，通过对底板破坏深度和顶板导水裂缝带发育高度的预测，分析评价王坡煤矿上覆采空区积水条件下开采下组中厚煤层的突水危险性，为矿井老空水水害防治工作提供技术依据，以期对同类型煤矿防治水害工作提供一定借鉴。

1 矿井概况

王坡煤矿位于华北型煤田沁水煤田中东部，主要含煤地层为二叠系山西组和石炭系太原组，主要可采煤层为山西组3号煤层和太原组15号煤层。3号煤层平均厚度5.27 m，15号煤层厚度为2.33～5.48 m，平均厚度3.40 m，煤层倾角0°～12°，平均倾角6°，属缓倾斜煤层；3号煤层和15号煤层间距平均88.02 m，岩性主要为含生物碎屑及燧石灰岩、砂岩、粉砂质泥岩、泥岩及煤层(线)等，几种岩性呈交替出现的互层状。砂岩极限抗压强度为26.97～80.51 MPa，属中等坚硬-坚硬岩石，石灰岩极限抗压强度为41.2～70.0 MPa，平均极限抗压强度55.5 MPa，属坚硬岩石。目前开采3号煤层，即将进入深部15号煤层开拓。

2 15号煤层顶板导水裂缝带高度预计

2.1 关键层理论预计导水裂缝带高度

矿井15号煤层尚未采掘，无法获取实测数据[15]，笔者基于“关键层”理论，由文献[10-12]可知，主关键层在覆岩中的位置与基载比(JC)和基采比(JZ)存在如下关系：当JZ<0.8、JC<10～15时主关键层位于“垮落带”，当JZ<0.8、10～150.8、JC>25时主关键层位于“弯曲下沉带”。本次研究3号煤层与15号煤层均为基岩段厚度88.02 m，无松散层，只计算基采比为25.88(>25)的情况，初步推断主关键层位于弯曲下沉带。由文献[8-9]可知，关键层破断裂隙贯通的临界高度可以粗略按(7～10)M(M为煤层厚度)估算，煤层平均厚度3.40 m，估算的关键层破断裂隙贯通的临界高度最大值为34 m，第2、4、7层亚关键层被破断裂隙贯通，导水裂缝带将发育至34 m上方最近的关键层底部，即16层岩层底部。结合两种结果，可推断第16层7.7 m厚的细粒砂岩为主关键层，并且处于弯曲下沉带，所以覆岩导水裂缝带最大发育高度最大值约为第16层岩层底部距15号煤层顶板的垂直距离69.13 m，关键层位置判别如图1所示。

2.2 经验公式预计导水裂缝带高度

3号煤层和15号煤层间距平均88.02 m，通过图1可以看出岩性主要为含生物碎屑及燧石灰岩、砂岩、粉砂质泥岩、泥岩及煤层(线)等，多属坚硬岩层。目前，应用最为普遍的导水裂缝带发育高度经验公式主要有《煤矿防治水细则释义》和《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》中推荐的统计经验公式，计算结果见表1。

表1 开采15号煤层导水裂缝带高度计算

图1 关键层位置判别

经验公式主要适应于采用单一薄及中厚煤层或厚煤层分层开采，它是在大量实测数据的基础上，采用数学化思路，考虑煤层倾角、顶板管理方法，将覆岩岩性的强度和厚度运用数理统计方法加权平均后分类为坚硬、中硬、软弱、极软弱等，以煤层厚度为唯一参数，推导出的数学公式，在很长时间内满足了我国煤矿水体下采煤设计要求。根据15号煤层初步设计在煤层厚度低于2.8 m时采用一次采全高，大于2.8 m时采用放顶煤开采。一次采全高或分层开采时，垮落带和裂缝带的高度与采高呈近似直线关系，水平至倾斜煤层厚煤层分层开采或近距离煤层群重复开采条件下，垮落带和裂缝带高度增大幅度随分层次数增加而递减；而大采高和放顶煤开采的垮落带和导水裂缝带高度要比分层开采高[15]。

3 3号煤层底板破坏深度研究

根据“下三带”理论，煤层底板受采动矿压影响，底板岩层的完整性受到破坏，产生各种裂隙，破坏了岩层的阻水能力[6]。目前研究煤层底板采动破坏深度主要有现场观测、经验公式计算、理论估计等手段。

3.1 煤层底板破坏深度观测

本次以王坡煤矿正在回采的3310综放工作面为试验场地。工作面设计长度2 083 m，开切眼斜长175 m，走向南北，倾向东西，煤层倾角2°～8°，平均倾角4°，煤厚5.1～5.6 m，平均5.4 m，工作面整体为一单斜构造，东北高西南低，平均标高+450 m；地表为构造剥蚀中低山区，沟谷发育，切割较破碎，地形坡度多为20°～30°，总的地势为中部及东北部高，北部、南部及东部低，最高点位于工作面东北部的山梁上，最低点位于南部的冲沟中，平均海拔+1 050 m，开采深度平均500 m。

由于各个煤田矿区地质条件的差别，对底板破坏深度的观测研究的方法也多种多样，由于其各自适用条件的不同，在不同煤田矿区观测得到的结果也不尽相同。其中大多数方法在各自煤田矿区观测应用中都取得较好效果，几乎都得到了有效的底板破坏深度，能够很好地指导煤矿底板防治水工作。目前国内常用的底板破坏深度观测研究方法有钻孔注水法、电磁波法、钻孔声波法、震波CT技术、超声成像法、应力应变技术等。在王坡煤矿采矿地质条件基础上，综合考虑各种方法的优缺点，计划采用钻孔注水法观测底板破坏深度。本次采用钻孔注水法之一的双端堵水器试验法，该方法的实质性特点是在井下采煤工作面周围选择合适的观测场所，例如可在相邻工作面巷道(轨中巷)或可测工作面停采线或开切眼以外的巷道中开掘钻窝(机房)，向工作面下方打俯斜钻孔。在工作面回采前可以研究底板岩层的原始裂隙发育规律，在工作面回采以后可以研究煤层底板的破坏深度。综合考虑工作面采掘进度及巷道情况，选择3310工作面规划停采线齐平位置及停采线后50 m作为观测位置，施工位置为距3310工作面35 m的3308运输巷。依据采动底板的“倒马鞍形”破坏原则，在3310工作面采后30 d内进行观测施工，3308运输巷设置2个观测钻场，每个钻场各布置2个钻孔，共布置4个钻孔，如图2所示。在停采线位置设置钻场1，向3310已采工作面区域底板打2个钻孔进行观测，钻场1观测完毕后，在停采线后50 m位置设置钻场2，向3310面停采线后未采区域底板打2个钻孔进行观测，见表2。

表2 3号煤层底板破坏深度实验观测孔设计参数表

图2 观测孔平面布置图

钻场1钻孔冲洗液漏失量变化如图3所示。由图3(a)可以看出，Z-1号钻孔深度小于44 m时，漏失量为0.1 L/s左右，44 m处漏失量突然增大，为0.8 L/s，并且钻进过程中有塌孔、卡钻现象，钻孔开始漏水，表明进入破碎带边缘；随着探测深度的增大，直至59 m时漏失量减小，44～58 m漏失量基本大于0.5 L/s，最大为1.9 L/s；59 m位置有卡钻、掉块现象，之后漏失量明显减小，表明58 m为裂缝带顶点，则底板破坏深度为20.18 m。由图3(b)可以看出，Z-2号钻孔深度小于41 m时，漏失量为0.05 L/s左右，41 m处漏失量突然增大，为0.8 L/s，并且钻进过程中有塌孔、卡钻现象，钻孔开始漏水，表明进入破碎带边缘；随着探测深度的增大，直至56 m时漏失减小，41～56 m漏失量基本大于0.6 L/s，最大为1.8 L/s；55 m位置有卡钻、掉块现象，之后漏失量均小于0.1 L/s，表明56 m为破碎带顶点，则底板破坏深度为20.39 m。

图3 钻场1钻孔冲洗液漏失量变化

钻场2钻孔冲洗液漏失量变化如图4所示。由图4(a)可以看出，Z-3号钻孔施工过程中无漏水塌孔现象，在整个测试过程中，漏失量无较大变化，漏失量为0.05 L/s左右，最大为0.1 L/s，说明该钻孔岩层基本稳定，无较大裂隙产生。由图4(b)可以看出，Z-4号钻孔施工过程中无漏水塌孔现象，钻孔在整个测试过程中，漏失量无较大变化，漏失量为0.06 L/s左右，最大为0.09 L/s，说明该钻孔岩层基本稳定，无较大裂隙产生。

图4 钻场2钻孔冲洗液漏失量变化

试验段透水率、钻孔测试过程中的压力值(P)和流量值(Q)按下式计算：

(1)

式中：q——试段的透水率，Lu；

L——试段长度，m；

Q——漏失量，L/min；

P——水压，MPa。

钻孔各试验段透水率计算结果见表3。

表3 钻孔各试段透水率计算表

经过对3310工作面停采线位置钻场1进行观测可得，3号煤层开采底板采动破坏带漏失量为0.5～2.0 L/s，采动破坏带发育深度为20.39 m，破坏带透水率为140～380 Lu，说明裂隙发育比较明显。经过对3310工作面停采线后50 m位置钻场2进行观测可得，3号煤层开采底板漏失量为0.05～0.10 L/s，透水率为4～20 Lu，说明3号煤层开采底板岩层基本稳定，无较大裂隙产生，采动破坏影响波及超前范围小于50 m。

3.2 经验公式预计底板破坏深度

国内学者对因采动影响造成的煤层底板破坏深度开展了大量的实际观测，通过对观测数据的研究发现，在考虑煤层倾角和开采深度的情况下，推导出采动影响底板破坏深度公式为：

h1=0.0085H+0.1665α+0.1079L1-4.3579

(2)

式中：h1——采矿对底板扰动的破坏深度，m；

H——开采深度，m；

α——煤层倾角，(°)；

L1——工作面斜长，m。

3310工作面平均开采深度500 m，煤层倾角2°～8°，平均4°，工作面开切眼斜长175 m，将相关数值代入式(2)，计算得3号煤层底板采动导水破坏带深度为19.44 m。

4 突水危险性综合评价

前文基于关键层理论预计的开采15号煤层导水裂缝带的发育最大高度约为69.13 m，3个经验公式预计的发育高度分别约为64.82、65.31、86.76 m，所以开采15号煤层导水裂缝带的发育高度范围约为64.82～86.76 m之内。受3号煤层采动破坏影响，底板岩层受到破坏的深度双端堵水器试验法测算值约为20.39 m，规程中经验公式预计值约为19.44 m，所以受3号煤层采动破坏影响底板破坏深度的范围为19.44～20.39 m。

因各矿井的采矿地质条件各异，经验公式计算和理论估计往往与实际情况产生较大误差，所以现场观测应用最为广泛和准确[16-18]，本次对底板破坏深度开展了实测，所以底板破坏深度取值20.39 m。《煤矿防治水细则释义》经验公式预计导水裂缝带发育高度加上3号煤层底板破坏深度总高度约为85.21～85.70 m，略小于3号煤层与15号煤层平均间距88.02 m，开采15号煤层不受上覆3号煤层采空区积水影响；《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》经验公式预计的导水裂缝带发育高度加上3号煤层底板破坏深度总高度约为107.15 m，大于3号煤层与15号煤层平均间距，开采15号煤层将受上覆3号煤层采空区积水威胁；基于关键层理论预计的开采15号煤层导水裂缝带的发育高度加上3号煤层底板破坏深度总高度约为89.52 m，大于3号煤层与15号煤层平均间距，开采15号煤层将受上覆3号煤层采空区积水威胁。文中导水裂缝带发育高度采用的是分层开采经验公式预计，根据实践经验大采高和放顶煤开采的垮落带和裂缝带高度要比分层开采高[15]，所以预计3号煤层底板破坏带将与原始状态下15号煤层顶板裂缝带贯通，实际导水裂缝带会直接贯通3号煤层采空区，开采15号煤层将受上覆3号煤层采空区积水威胁，开采15号煤层前需对上覆3号煤层采空区积水进行疏放。

5 结语

(1)将“上三带”中导水裂缝带、“下三带”中底板破坏深度、关键层等理论应用于开采上覆采空区积水条件下的煤层，实测得到3号煤层受采矿影响实际的底板破坏深度，通过理论预测了15号煤层在原始条件下的导水裂缝带发育高度，二者相加的高度大于3号煤层与15号煤层之间的间距，得出开采15号煤层将受上覆3号煤层采空区积水威胁的结论。

(2)后期开采15号煤层时在首采面开展疏放水工程后进行采空区水疏放效果评价，确保疏干放净后方可进行回采；理论计算和实际情况存在误差，首采面在回采过程中要及时开展15号煤层导水裂缝带发育高度的实测研究；15号煤层底板下伏高承压奥灰含水层，还应同时开展15号煤层“下三带”研究。