东欢坨北二采区8煤顶板水害危险性评价

马亚杰，常江

(河北联合大学矿业工程学院，河北唐山063009)

煤层开采后将引起上覆岩层的移动与破裂，从而在覆岩中形成采动裂隙，采动岩体中应力场变化和采动裂隙会引起井下突水事故，成为制约煤矿安全生产的重要问题。为研究煤层顶板岩层运动规律和突水危险性，众多学者和专家进行了深入分析。形成的主要理论有:“上三带”理论、关键层理论［1］、“三图-双预测法”［2］、“组合关键层”理论［3］等。本文以开滦矿区东欢坨矿为依托，针对复杂水文地质条件开展煤层顶板突水控制因素及其危险性研究，并综合考虑与顶板突水有关的各种控制因素，对煤炭开采过程中顶板突水危险性进行评价与预测。

1 地质构造特征

东欢坨矿区所在的车轴山向斜，为一狭长不对称的大型含煤向斜。向斜轴向约为N60°E，向斜轴面向北西方向倾斜，与铅直面夹角约20°，枢纽以13°角向西南方向倾伏。向斜转折端在油房庄北部，在平面上呈"舌"状伸出。西北翼的地层走向为N70°E，倾角65～80°，一般70°。局部呈倒转状态。东南翼地层走向为N30°E，倾角12～25°，一般20°左右。向斜内部断裂构造较发育，断层走向多与向斜轴方向一致。

北二采区位于车轴山向斜仰起转折端，呈相对独立的水文地质块段，区内地层总体由NE～SW向展布，倾角10～23°，南以F2'断层为边界，北以DF35断层为界，深部至向斜轴与各煤层－500等高线，浅部至冲积层防水煤柱线。区内断层构造发育，除F2'、DF35大断层外，还发育走向NEE正断层组与走向NWW正断层组。

2 水文地质

东欢坨矿二叠系8煤层顶板上方30～70m处是5煤层顶板砂岩裂隙承压含水层，此含水层对8煤层的开采直接造成威胁，是8煤层顶板涌(突)水的直接充水含水层。因为8煤层顶板为泥质或硅质胶结的砂岩，见水易变软，极易冒落，从而使煤5～煤8之间的岩段被破坏，冒落裂隙可沟通上部充水含水层，使砂岩裂隙水直泄回采工作面。据统计，在现阶段矿井总涌水量中，水源为5煤层顶板砂岩裂隙水就占其50% ～60%。

由于5煤层顶板砂岩裂隙承压含水层以倾伏向斜的形式下伏于第四系松散层，第四系底部卵砾石孔隙含水层以“天窗式”和“越流式”两种方式垂向补给5煤层顶板砂岩裂隙承压含水层，因此，第四系底部卵砾孔隙含水层是8煤层开采的顶板涌(突)水间接充水水源。

对8煤层顶突水有影响的含水层或含水层组为第四系冲积层孔隙承压含水层，5煤层顶板砂岩含水层和8煤层顶到5煤层底板间的含水层组。

2.1 第四纪冲积层孔隙承压含水层

研究区第四系冲积层由于其沉积的厚度和韵律不同，其富水性也各不相同。浅部沙层富水性中等，其水位高低主要受季节性气候变化，对矿井用水的影响不大。在冲积层的中部多为卵砾石一黏土、沙层等互层，一般层数较多，对底部卵砾石层孔隙含水层只有在“天窗”处直接进行补给，对矿井的涌水影响不大。底部卵砾石层，其富水性极强，且直接覆盖于基岩之上，对矿井涌水有直接影响。

2.2 以第四系底卵水为补给水源的A层～煤5强含水层

由于北二采区位于车轴山向斜仰起端，基岩地形较高，风化剥蚀作用强烈，区内缺失A～A0含水层，底卵水直接覆盖于煤5～A层之上，直接补给该含水层。本组厚度在主石门线为280 m。依照透水性差异，将本含水组分为三个层段:A下80米中等含水层;A下80米～煤5顶100米强含水层;5顶0～100米强含水层，厚约100米，裂隙发育，含水性极强，单位涌水量0.016～1.507 l/sm，渗透系数0.369～10.492 m/D，本含水层与底卵层及以上地层无隔水层，是本矿煤层开采的主要水害威胁。

3 煤8顶板突水危险性分析

3.1 导水裂隙带发育高度计算

依据《矿井水文地质规程》，顶板裂隙带计算公式。根据岩性及构造特征，将煤8顶板划归为中硬顶板。煤层采后顶板导水裂隙带发育高度计算公式如下:

式中:H裂—导水裂隙带高度(m);∑M—煤层累计厚度(m)。

计算获得开滦东欢坨井田北二采区8煤厚度一次采全高冒落裂隙带高度分布图，如图1所示。

图1 开滦东欢坨北二采区8煤层一次采全高冒落裂隙带高度等值线图

3.2 覆岩与含水层间距特征

8煤层开采时导水裂隙带是否导通5煤层顶板砂岩裂隙含水层和第四系冲积含水层，主要取决于8煤层顶板上覆岩层的岩性、导水裂隙带高度、8煤层至5煤层顶板砂岩裂隙含水层之间距离和8煤层至第四系冲积含水层之间距离。

本区8煤层至5煤层间泥岩百分比含量分布如图2所示。

图2 开滦东欢坨井田北二采区8煤层至5煤层之间泥岩百分比含量分布图

8煤层至5煤层顶板砂岩裂隙含水层之间距离减去8煤层一次采全高形成的冒落裂隙带高度(ΔH1)，若是ΔH1大于零，说明开采时可以一次采全高，不会导致导水裂隙带导通隔水岩段;若ΔH1小于零，说明不能一次采全高，需要采用其它措施处理，如采用分层开采或上部注浆帷幕堵水等措施。若是不采取任何措施下采全高，可能上部充水含水层中水就会下渗回采工作面，造成顶板突水。本区ΔH1计算结果如图3所示。

图3 开滦东欢坨井田北二采区煤8顶至煤5顶板砂岩裂隙含水层之间ΔH1分布图

8煤层至第四系冲积含水层之间距离减去8煤层一次采全高形成的冒落裂隙带高度(ΔH2)，若是ΔH2大于零，说明开采时可以一次采全高，不会导致导水裂隙带导通隔水岩段;若ΔH2小于零，第四系冲积含水层可能涌入回采工作面，造成顶板突水。本区ΔH2计算结果如图4所示。

图4 开滦东欢坨井田北二采区煤8至第四系冲积层之间ΔH2分布

4 煤8顶板突水危险性评价

根据本区ΔH1、ΔH2、8煤层至5煤层间泥岩百分比含量和断裂构造条件，将本区煤层顶板突水危险分为四类，安全区(Ⅰ)、中等安全区(II)、安全性差区(危险)(III)和安全性极差区(极危险)(IV)四种类型，各因素的评价分类标准如表1所示。

表1 煤8顶板突水危险性地质评价分类标准

表中:ΔH1为8煤层至5煤层顶板砂岩裂隙含水层之间距离减去8煤层一次采全高形成的冒落裂隙带高度;ΔH2为8煤层至第四系冲积含水层之间距离减去8煤层一次采全高形成的落裂隙带高度。

根据各因素对突水危险的影响程度将三个因素分别赋予不同的类型系数，ΔH1、ΔH2影响程度较大，类型系数各为0.3，泥岩百分比影响较小类型系数为0.2。对各因素进行类型系数划分标准为表2、表3、表4、表5。

表2 按ΔH1进行类型系数划分的标准

表3 按ΔH2进行类型系数划分的标准

表4 按泥岩百分比进行类型系数划分的标准

表5 按断裂构造复杂程度进行类型系数划分的标准

根据四个因素的类型系数总和将区域安全级别进行划分，四个类型系数的总和按表6标准分级，最后评价结果如图5所示。

表6 类型划分标准

图5 开滦东欢坨井田北二采区8煤顶板突水危险性等级评价图

5 结论

通过对开滦东欢坨矿井各种地质资料的学习，实习实践以及相关专业的资料的查阅，总结影响8煤顶板突水危险性的各种因素，最终得到如下结论:

(1)影响开滦东欢坨井田北二采区8煤层顶板突水危险性的主要含水层有:第四系冲积层孔隙承压含水层，5煤层顶板砂岩含水层和8煤层顶到5煤层底板间的含水层。

(2)影响8煤层顶板突水危险性的因素为:8煤层上覆岩层岩性、厚度，断裂构造和煤层开采时上覆岩层运动破坏和导水裂隙带高度。

(3)通过煤8厚度的数据分析，最终得知在研究区内ΔH1全部小于零，ΔH2局部小于零，为了生产安全可以采取分层开采或是留设安全防水煤柱等措施。

(4)通过对煤8顶板突水危险性的影响因素的分析，以及综合各因素进行评价，最终得到研究区煤8顶板突水危险性等级评价图。研究区存在中等安全区，安全性差区和安全性极差区，不存在安全区。

［1］ 钱鸣高，缪协兴.岩层控制的关键层理论［J］.煤炭学报，1996，21(3):225-230.

［2］ 武强，黄晓玲，董东林.评价煤层顶板涌(突)水条件的“三图-双预测法”［J］.煤炭学报，2000，25(1):60-65.

［3］ 侯中杰.组合关键层理论的应用研究及其参数确定［J］.煤炭学报，2001，26(6):611-615.