特厚煤层开采覆岩高位离层突水危险性评价.pdf

第30卷第3期2023年 5月Vo l.30 No.3Ma y 2023妥全与环境工程Sa f et y a nd Env iro nment a l Enginee ring引用格式：师修昌，呂广罗特厚煤层开釆覆岩高位离层突水危险性评价J1安全与环境工程,2023,30(3):109-117.Sh i X C,Lyu G L.Ris k a s s es s ment o f wa t er inrus h f ro m o v erburden h igh-lev el bed s epa ra t io n in ext ra t h ic k c o a l s ea m miningJ.Safety and Environmental Engineering2023,30(3)：109-117.特厚煤层开采覆岩高位离层突水危险性评价师修昌13,吕广.(1.河南财经政法大学工程管理与房地产学院，河南郑州450046；2.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西西安710021；3.陕西省一八六煤田地质有限公司，陕西西安710075)摘 要：煤矿覆岩离层突水危险性预测评价是制定科学防治水方案的基础和依据。为提高特厚煤层开采覆岩高 位离层水害防控的精准性，首先根据离层与开采煤层之间距离及其与导水裂隙带范围的空间关系，判断出特厚煤 层开采形成的高位离层位于导水裂隙带顶部附近，并分析了高位离层水涌突的3个基本条件，即相对封闭的可积 水离层空间、离层补给水源和下渗的导水裂隙通道;然后在底板突水危险系数法的基础之上，提出了离层突水危险 系数的概念，建立了高位离层水涌突危险性评价方法和危险性分级标准;最后采用该评价方法对郭家河煤矿1305 工作面顶板离层突水危险性进行了评价，并根据郭家河煤矿和崔木煤矿其他工作面顶板离层突水危险性评价结果 对该方法进行了验证。结果表明：郭家河煤矿1305工作面顶板离层突水危险性等级为安全，即不会发生离层突 水;郭家河煤矿和崔木煤矿其他工作面顶板离层突水危险性评价结果与实际突水情况基本一致，验证了该评价方法的有效性。该研究成果可为黄陇煤田特厚煤层开采顶板离层水害的精准防控提供理论依据。关键词：离层突水;危险性评价;高位离层;导水裂隙带;特厚煤层;黄陇煤田中图分类号：X936；TD745 文章编号：1671-1556(2023)03-0109-09 收稿日期：2021-07-18DOI：10.13578/ki.issn.1671-1556.20210827 开放科学(资源服务)标识码(OSID):Risk Assessment o f Water Inrush fro m Overburden High-level Bed Separatio n in Extra Th ick Co al Seam MiningSHI Xiuc h a ng12*,LYU Gua ngluo23(1.Sc h o o l o f Eng inee ring Manag ement and Real Estate,Henan University o f Ec o no mic s and L aw 9 Zh eng zh o u 450046,Ch ina;2.Ke y L abo rato ry o f Co al Reso urc es Explo ratio n and Co mpreh ensive Utilizatio n Ministry o f L and and Reso urc es 9Xi?an 7100219Ch ina；3.Sh aanxi 186 Co alf ie ld Geo lo g ic al Co.9L td.9Xi?an 710075,Ch ina)Abst r ac t：Th e ris k predic t io n a nd a s s es s ment o f bed s epa ra t io n wa t er inrus h in c o a l mine o v erlying s t ra t a is t h e ba s is f o r f o rmula t ing s c ient if ic wa t er prev ent io n a nd c o nt ro l s c h eme In o rder t o impro v e t h e a c c ura c y o f wa t er h a za rd prev ent io n a nd c o nt ro l o o v erlying s t ra t a h igh-lev el bed s epa ra t io n in ext ra t h ic k c o a l s ea m mining,f irs t ly,a c c o rding t o t h e dis t a nc e bet wee n t h e s epa ra t io n a nd t h e mining c o a l s ea m a nd it s s pa t ia l rela t io ns h ip wit h wa t er-c o nduc t ing f ra c t ured z o ne,it is judged t h a t t h e h igh-lev el bed s epa ra t io n f o rmed by t h e mining o f ext ra t h ic k c o a l s ea m is lo c a t e d nea r t h e t o p o f wa t er-c o nduc t ing f ra c t ure zo ne.Th re e ba s ic c o ndit io ns o f wa t er inrus h f ro m h igh-lev el bed s epa ra t io n a re a na lyzed,na mely rela t iv ely c lo s ed wa t er s epara t io n s pa c e9 s epa ra t io n rec h a rge wa t er s o urc e9 a nd inf ilt ra t ing wa t er-c o nduc t ing f ra c t ure c h a nnel.Th en,ba s ed o n t h e f lo o r wa t er inrus h c o ef f ic ient met h o d,t h e c o nc ept o f bed s pera t io n wa t er inrus h ris k c o ef f ic ient is pro po s ed,a nd t h e ris k a s s es s ment met h o d a nd ris k c la s s if ic a t io n s t a nda rd o f wa t er inrus h f ro m基金项目：河南省科技攻关计划项目(232102320343.202102310218)；陕西省工业科技攻关项目(2016GY-172)作者简介：师修昌(1989),男，博士，讲师，主要从事水文地质、工程地质及地下工程绿色开发与智能建造方面的教学和研究工作。E-ma il：s x-c c umt b126.c o m110鉴仝与琢规工程 ht t p:/水t aq.c bpt.c 第30卷h igh-lev el bed s epa ra t io n a re es t a blis h ed Fina lly,t h is met h o d is us ed t o ev a lua t e t h e wa t er inrus h ris k o f ro o f s epa ra t io n in No.1305 wo rk ing f a c e o f Guo jia h e c o a l mine.Th e res ult s s h o w t h a t t h e wa t er inrus h ris k lev el o f ro o f s epa ra t io n in No.1305 wo rk ing f a c e is s a f e,t h a t is,t h ere will be no wa t er inrus h f ro m ro o f s epa ra t io n Th e ev a lua t io n res ult s o f wa t er inrus h f ro m ro o f s epa ra t io n in o t h er wo rk ing f a c es o Guo jia h e a nd Cuimu c o a l mine a re ba s ic a lly c o ns is t ent wit h t h e a c t ua l wa t er inrus h s it ua t io n,wh ic h v erif ies t h e ef f ect iv enes s o f t h e ev a lua t io n met h o d.Th e c o nc lus io ns c a n pro v ide a t h eo ret ic a l ba s is f o r t h e a c c ura t e prev ent io n a nd c o nt ro l o f ro o f s epa ra t io n wa t er inrus h dis a s t er in ext ra t h ic k c o a l s ea m mining in Hua nglo ng c o a lf ield.Key wo r ds：bed s epa ra t io n wa t er inrus h；ris k a s s es s ment；h igh-lev el bed s epa ra t io n；wa t er f lo wing f ra c t ure dzo ne；ext ra t h ic k c o a l s ea m；Hua nglo ng c o a lf ield黄陇煤炭基地是中国14个亿吨级大型煤炭基 地之一，煤层埋藏较深,矿井地质及水文地质条件较 为复杂，在大规模高强度开采下矿井开采水平不断 加深,开采范围也持续增大，煤矿水害风险及其防治 难度也随之加大近年来，随着黄陇侏罗纪煤田 各生产矿井相继生产，煤层顶板离层水害事故频发，其具有瞬时突水量大、水势急、周期性等特点，而且 相对比中东部矿井离层水害形成机理更复杂，治理 难度更大，黄陇侏罗纪煤田矿井的安全开采面临着 严峻形势5。很多学者针对离层水害问题进行了卓有成效的 研究。如王经明等囚从海孜煤矿地质与开采条件分 析入手，认为煤层顶板硬厚火成岩的冲击性垮落是 导致离层水体破裂涌突的主要原因；乔伟等提出 了煤矿特大动力突水的三要素，解释了离层空腔积 水动力突水通道的形成过程；吕广罗等如分析了永 陇矿区特厚煤层开采顶板离层积水涌突特征，并基 于离层突水联动效应提出了多指标的离层水害联合 预测预报系统；吕玉广等分析了弱富水软岩类顶 板离层突水事故，发现离层水携泥砂一起溃入井下 工作面;曹海东口刃研究了宁东煤田红柳煤矿煤层顶 板次生离层水体透水机理，并摸索出一整套防治技 术体系；孙魁等分析了巨厚煤层顶板离层和导水 裂隙带的时空演化特征，判定出了可致灾的离层空 间发育位置，探讨了离层水的动态周期致灾过程。综上所述，已有研究在离层水的形成、离层突水 机理及防治技术等基础理论和工程实践方面取得了 丰硕的成果，但在煤层顶板离层突水危险性预测及 评价方面的研究还较少。由于受煤矿地质条件复杂 性和井下观测条件限制等影响，目前在煤层顶板离 层水害防控方面具有一定的盲目性，究其原因是未 能对离层水害危险程度进行预测评价，因此为了提 高煤层顶板离层水害防控的精准性、针对性,有必要 对煤层顶板离层水害危险性进行评价，从而为离层 突水的预测预报和防治方案的制定提供依据。黄陇侏罗纪煤田永陇矿区郭家河煤矿1303和 1304工作面开采过程中顶板砂岩离层水体溃入工 作面,最大涌水量达2 300 n?/h,并伴有支架压死与 瓦斯突出等，工作面大部分被淹，离层水害严重威胁 郭家河煤矿的安全开采。针对这一问题，本文提出 了针对特厚煤层开采覆岩高位离层水体涌突危险性 评价方法，判别了“空腔型”离层的发育位置,并以郭 家河煤矿1305工作面开采为例，利用该方法对高位 离层水体涌突危险性进行了评价，可为离层突水发 生可能性的判断提供理论依据。1特厚煤层开采覆岩高位离层层位及 高位离层水涌突条件1.1特厚煤层开采覆岩高位离层的层位特厚煤层是指厚度大于&0 m的煤层，其开采 形成的巨大采出空间会引发大范围内的岩层活动，采动覆岩破坏特征具有纵向裂隙发育高度大、层间 离层层位多等特征。特厚煤层开采过程中，导水 裂隙带的发育高度会逐渐增高，同时离层裂缝的层 位也会不断向上扩展。根据离层与开采煤层之间距 离及其与导水裂隙带范围的空间关系，将采动覆岩 离层大致分为三类，即低位离层、中位离层、高位离 层,具体特征分析如下：(1)低位离层。位于冒落带范围内，煤层开采 后直接顶板垮落,与老顶之间存在较大的离层空间，老顶破断岩块形成的变形失稳与滑落失稳使离层空 间结构破坏而闭合，不具备蓄积离层水的空间条件。(2)中位离层。位于裂隙带范围内，是采动影 响下各岩层不同步挠曲的结果，离层裂缝横向延展 长度和纵向张开量较小,并随着工作面的推进，离层 裂缝过早被纵向覆岩破断裂隙刺穿，且在上覆压力 的作用下逐渐闭合，持续的时间较短,不具备蓄积离 层水的空间和时间条件。(3)高位离层。位于导水裂隙顶部附近，离层 第3期师修昌等：特厚煤层开采覆岩高位离层突水危险性评价111空间体积较大且持续时间长，在导水裂隙带刺穿以 前离层空间稳定性好，且最终被导水裂隙带波及而 失稳破裂，具备蓄积离层水的空间和时间条件。1.2高位离层水涌突条件离层积水是在复杂矿井地质与水文地质条件 下，煤层开采过程中形成的覆岩离层孔腔接收含水 层补给形成的一种动态突水水源由于离层发 育的不连续及各离层间的相对封闭如，随着工作面 的推进，上覆岩层持续变形、破断，工作面前方会遇 到新的离层，并产生新的突水水源。一般而言，煤层 顶板覆岩离层积水涌突需要具备以下条件：（1）可积水离层空间。可积水离层空间必须是 相对封闭的，位于导水裂隙带上方的离层区，即属于 高位离层，并且高位离层和导水裂隙带之间分布有 一定厚度、较为完整的隔水层，否则进入离层空间内 的水体将直接通过导水裂隙下渗至工作面而无法形 成离层积水。（2）补给水源。在离层满足相对封闭要求后，离层空间需通过补给通道（岩层原生裂隙、采动引起 的离层裂隙）接受周边含水层或水体的补给,才可发 育形成顶板离层水。（3）下渗的导水通道。离层空腔是水体汇聚的 空间，导水通道是离层水体渗流的路径。采煤工作 面在推采过程中，导水裂隙带随着推进长度的增加 而增大，当导水裂隙带直接贯穿覆岩离层积水或离 层水体下伏隔水岩层厚度不足以抵抗其所受的压力 时，离层水体便通过导水通道涌入工作面，造成离层 水体涌突。2高位“空腔型”离层发育位置判别“空腔型”离层空间大，维持时间长，且易蓄存大 量积水，相对于“裂隙型”离层,煤层开采过程中此类 离层发生突水的危险性较高。因此，确定“空腔型”离层的发育位置，可为离层突水危险性评价及离层 水害的防治提供依据。煤系地层是一系列厚度不等、强度不同岩层的 有序叠合,离层的形成是在采动过程中由于上、下位 岩层抗弯刚度不同发生不同步变形的结果，从力学 角度分析，就是覆岩破断后层间剪应力超过了岩层 分界面上的黏结力。根据组合梁原理，离层产生的 力学条件为匚切q”+（1）式中：g”+i,i、g”,i分别为第n+ln层岩层对第1层 影响时形成的载荷（MPa）。离层能否产生取决于岩层的力学参数,如岩层 的弹性模量E、岩层的厚度恥岩层的容重y等。因 此，公式（1）可进一步写为n n n+1 n nn nVE；阴另小（2）d=l d=l i=l d=l公式（2）可简化为n nn n丫申EJi：0（4）式中:M为开采煤层厚度（m）；仏为覆岩破坏范围内 第；层岩层的厚度（m）；K,为覆岩破坏范围内第：层岩层的碎胀系数（无量纲）。覆岩中相邻岩层同时满足公式（3）和（4）时，两 岩层之间才能形成高位的“空腔型”离层。综上所 述,采场覆岩高位“空腔型”离层发育位置判别的基 本力学条件可以归结为：相邻上、下层位的岩层都 保持其整体连续移动，未受到断裂式破坏;在拉压 应力作用下，岩层面间的拉应力或剪应力超过相应 的抗拉或抗剪强度；相邻两岩层的结构力学条件 为上硬下软;相邻两岩层的垂宜移动力学条件为 上层位岩层挠度小于下层位岩层挠度；岩层沿垂 直方向可移动的条件为开采空间尚未被冒落岩石全 部充填。3高位离层突水危险性评价3.1高位离层空腔底部有效隔水层厚度计算煤层开采顶板导水裂隙带高度能否导通高位离 层空腔，主要取决于覆岩导水裂隙带发育高度和开 采煤层顶界至高位离层空腔结构底界之间的距离。可积水高位离层空腔发育位置，如图1所示。开采煤层顶界至高位离层空腔底界之间的距离（H）减去覆岩导水裂隙带高度（HR为有效隔水层 厚度AH,即：H=H（5）式中：AH为有效隔水层厚度（m）；H为开采煤层顶112安冬与琢境工裡 ht t p:/水t aq.c bpt.c 第30卷图1可积水高位离层空腔发育位置Fig.1 Position of water-accumulating hig h-level bedseparation space界至高位离层空腔底界之间的距离（m）；H,为覆岩 导水裂缝带高度（m）。若AHWO,说明覆岩导水裂缝带导通高位离层 空腔，如果高位离层空腔蓄积有水体,则离层水体会 涌突进入工作面，如果高位离层空腔内没有水体，则 不会发生高位离层突水危险；若AH。,说明煤层 开采时可以全厚开采，覆岩导水裂缝带不会直接导 通高位离层空腔,其突水危险性取决于和高位 离层空腔下位隔水层承受的压力P的大小。3.2高位离层突水危险系数计算煤层底板承压水上带压开采一般采用突水系数 作为预测煤层底板突水与否的标准，突水系数就是 水压力与有效隔水层厚度的比值。由于高位离层空 腔下位隔水层与煤层底板隔水层的受力情况不同，其不但要承受离层空腔水的水头压力，还要承受着 自重力，因此判断煤层开采中高位离层水突水与否，可以借鉴底板承压水上带压开采的突水系数，并定 义“离层突水危险系数”的概念，即高位离层空腔下 位隔水层承受的水压与自重力之和P与有效隔水 层厚度之比，称为离层突水危险系数乙，即：与煤层底板承压水上带压开采一样，工作面开 采过程中，不同区域的有效隔水层厚度和离层蓄水 水压不同，离层突水危险性应存在安全开采的临界 系数。：当Ls0.1表示在压力p作 用下，高位离层水体会突破其与导水裂隙带之间的 隔水层，含水层富水性中等一强，对离层空间补给的 水量较多,离层突水危险性大。（4）危险性极大（N）。HW0,表示导水裂隙 带直接刺穿进入离层空间，含水层富水性中等一极 强,对离层空间补给的水量较多，离层突水危险性极 大。表1高位离层突水危险性分级标准Table 1 Risk classification standard of water inrushfrom hig h-level bed separation危险性分级突水危险 系数Ls有效隔水层 厚度ZSH含水层富水性安全（I）0弱一极强危险性小（U）0.100中等一强危险性极大（N）0中等一极强4工程案例应用与分析4.1研究区地质概况郭家河煤矿位于陕西省麟游县北部，属陕西黄 陇侏罗纪煤田永陇矿区麟北区，矿区东西长约为 14.8 k m,南北宽约为7.8 k m,煤矿井田面积为 94.72 k m2o该煤系地层呈缓波状起伏,倾角为3 12,其中3煤层位于延安组第1段中部，为区内主 要可采煤层，可采面积为51.60 k n?,煤层厚为 0.5526.83 m,平均煤层厚为11.66 m,煤层埋深第3期师修昌等：特厚煤层开采覆岩高位离层突水危险性评价113为410810 m,属深埋特厚煤层。该煤层开采采用 斜立井综合开拓方式，工作面采用走向长壁后退式 综合机械化放顶煤采煤法，顶板管理方式为全部垮 落法。郭家河煤矿矿区地层区划属华北地层区鄂尔多 斯盆地分区，矿区地层由老到新有:三叠系上统铜川 组（T/），侏罗系下统富县组（J/）,侏罗系中统延安 组（JQ）、宜罗组（J/）、安定组白垩系下统宜 君组（Ku）、洛河组（2）、华池组（KiQ,新近系和 第四系。3煤层宜接充水含水层为侏罗系中统宜罗组砂 岩裂隙含水层，其单位涌水量为0.004 578 L/s-m,渗透系数为0.003 348 m/d，富水性微弱,会导致回采工作面的涌水量有所增加，但煤层顶板 砂岩裂隙水补给条件较差，易于疏干,对矿井安全开 采威胁较小。该煤层间接充水含水层为白垩系洛 河一宜君组砂岩含水层，其具有分布范围广、厚度 大、富水性弱一中等、补给与赋存条件良好等特征,与开采煤层间距大，但在特厚煤层综放开采条件下 局部区域的覆岩导水裂隙带会导通白垩系含水层,对工作面安全开采造成较大的威胁。4.2煤层顶板导水裂隙带发育高度探测顶板导水裂隙带发育高度探测方法有地面钻孔 冲洗液漏失量观测法和钻孔彩色电视观测法。4.2.1 地面钻孔冲洗液漏失量观测法4.2.1.1观测方法与孔位布置1305工作面为郭家河煤矿东翼第二采面，工作 面倾斜长度为235 m,煤层倾角约为3,开采的3煤 层采放总厚度为14.8 mo为了观测导水裂隙带发 育高度最大值，设计观测钻孔D02布置在距开切眼 200 m处位置、在1305工作面皮带顺槽以里15 m,观测钻孔D02位置如图2所示。根据工作面采掘 工程平面图，D02钻孔孔口标高为+1 197 m,煤层 底板标高为+756 mo4.2.1.2观测结果分析根据D02钻孔的柱状图，系统地观测了该钻孔 内水位、冲洗液消耗量、岩心岩性和厚度等参数，据 此得到D02钻孔内单位时间冲洗液漏失量和水位 随钻孔深度的变化曲线，见图3和图4。7S.H、*水B燮炯ft叵te创*.5.0.5.0.5.0.5.0.504.43.3.Z2.LL0.502802O403703004CO4346钻孔深度/m图3 D02钻孔内单位时间冲洗液漏失量随钻孔深度的 变化曲线Fig.3 Chang e curve o flushing fluid leakag e in boreholeDO 2 with depth300250皮带顺槽o OO 52 100110 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300钻孔深度An图4 D02钻孔内水位随钻孔深度的变化曲线Fig.4 Chang e curve of water level in borehole DO2 with depthJ D02观测 钻孔1305工作面回风顺槽图2导水裂隙带高度观测钻孔D02位置Fig.2 Position of observation hole D02 for the heig htof water-conducting fracture zone由图3可以看出:当钻孔钻进至孔深为255.67 m时,D02钻孔内冲洗液漏失量有一定幅度的增大,并持续稳定至孔深260.62 m处，分析原因认为可 能是由于此段地层原生裂隙发育所致；当钻孔继续 向下探测至孔深为262.22 m时，该钻孔内冲洗液 漏失量显著增大,并稳定在一个较大值1.2 L/s附 近；当钻孔钻进至孔深为324.95 m时不返浆，该钻 孔内冲洗液全部漏失。由图4可以看出:当钻孔钻进至孔深为263.02 m时,D02钻孔内水位显著降低，该钻孔内水位下降 速度由缓慢变急剧；当钻孔钻进至孔深为274.07 m 后，该钻孔内无水。综上分析可以判定，煤层顶板导水裂隙带发育 顶点的孔深为262.22 m。114安金与聲燼工裡 ht t p：/水t aq.c bpt.c 第30卷通过观测D02钻孔钻进过程中的现场情况，发 现钻孔钻进至孔深为353 m后开始出现频繁掉钻、明显吸风等异常现象，且岩心破碎，因此综合判定垮 落带顶点的孔深为353.0 m。4.2.2 钻孔彩色电视观测法本文采用钻孔彩色电视观测法,将摄像头直接 放入D02钻孔，对钻孔孔壁进行直接观测与记录,其观测结果见图5。262.0(c)孔深为267.4m处裂缝(d)孔深为280.8m处裂缝(a)套管与基岩的分界面位置(b)孔深为262.2 m处裂缝图5 D02钻孔孔壁彩色电视观测结果Fig.5 Color TV observation results in the wall of borehole DO2由图5可以看出：套管与基岩的分界面位置在 孔深为250.7m处见图5(a)；在孔深分别为 262.2.267.4,280.8 m处的岩体均发育有比较明显 的裂缝面,判定为煤层开采导致的上覆岩层破坏引起 见图5(b)、(c)、(d)。随着钻孔深度的增加，即越 靠近开采煤层顶板，采动覆岩的破坏程度越大，破裂 面越明显，裂隙发育与扩展越明显。综合D02钻孔内冲洗液漏失量和钻孔彩色电 视观测结果，确定导水裂隙带顶点在孔深为262.2 m处，并结合该钻孔标高、煤层底板标高等，确定 D02钻孔导水裂隙带的高度为164 m,垮落带高度 为 73.2 mo4.3 1305工作面顶板离层突水危险性评价4.3.1 1305工作面顶板离层水涌突地质条件分析在煤层覆岩岩性-结构、岩石力学性质、含隔水 层等特殊组合情况下，可出现煤层顶板砂岩离层积 水涌突水害。因此，本文针对1305工作面顶板离层 水涌突地质条件进行分析。4.3.1.1可积水离层发育位置研究区侏罗系含煤地层条件下，1305工作面上 部地层为白垩系下统厚层状砂岩、砂砾岩，下部地层 为侏罗系中统直罗组、安定组泥岩、细砂岩等，覆岩 结构类型属于典型的“上强下弱”型。根据1305工 作面煤层顶板岩层结构，将各岩层相应的参数代入 公式(3)和(4)进行判别，其判别结果见表2。由表2可知，“空腔型”离层的发育位置位于白 垩系下统宜君组砂砾岩与侏罗系中统安定组泥岩接 触带、白垩系下统宜君组砂砾岩与洛河组砂岩分界 面以及白垩系下统洛河组砂岩内，其为离层积水蓄 积提供了空间场所。4.3.1.2补给水源侏罗系中统直罗组砂岩裂隙含水层和延安组煤 层及其顶板砂岩裂隙含水层已处在冒落带范围内，其水体渗流进入采空区，无法补给“空腔型”离层。白垩系下统洛河组砂砾岩含水层位于3煤冒落带上 方，富水性为弱一中等，能对“空腔型”离层充水补给,1305工作面顶板覆岩具备形成离层水的基本条件。“空腔型”离层形成后接受白垩系含水层补给,形成巨 大“水包”,这成为区内煤矿开采防治水的主要威胁。4.3.1.3突水介质条件3煤层之上至白垩系下统洛河组砂岩含水层之 间为侏罗系中统延安组、直罗组、安定组和白垩系下 统宜君组地层，主要岩性为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩 和细、中、粗粒砂岩。3煤覆岩的饱和单轴抗压强度 第3期师修昌等：特厚煤层开采覆岩高位离层突水危险性评价115表2郭家河煤矿1305 I作面煤层顶板“空腔型”离层发育 位置的判别结果face of Guojiahe coal mineTable 2 Discriminating results of Mcavity type separationdevelopment position in roof o No.1305 working岩层岩性厚度/m容重/(k N m3)弹性模是否形成“空 量/GPa腔型”离层3煤14.6016.61.82泥岩3.4422.13.05否中粒砂岩1.9023.223.10否粉砂岩4.2024.117.50否粗粒砂岩1.8223.14.58否砂纸泥岩3.8024.67.45否中粒砂岩4.9423.223.10否粉砂岩6.1024.117.50否粗粒砂岩4.5423.14.58否泥岩3.2022.13.05否粗粒砂岩3.3023.14.58否粉砂岩4.0524.117.50否中粒砂岩11.2623.223.10否泥岩6.0223.32.45否细粒砂岩9.6223.916.60否粗粒砂岩&9023.14.58否粉砂岩15.2624.117.50否泥岩5.4823.32.45否粗粒砂岩&0623.14.58否粉砂岩7.0024.117.50否砂纸泥岩34.0624.67.45否细粒砂岩6.1623.916.60否砂质泥岩9.3524.67.45否细粒砂岩7.0623.916.60否砂质泥岩（安定组顶部）65.8024.67.45否粗砾砂岩（宜君组）20.3825.825.10是粗粒砂岩（洛河组底部）4.3023.14.58是粉砂岩14.0024.117.50是范围为7.4532.70 MPa,均为软弱一中硬岩石，软 化系数为0.210.71,表明覆岩力学强度低，易软 化,塑变能力强。3煤覆岩中泥岩、砂质泥岩和粉砂 岩含量的比例较大，而泥岩遇水易崩解软化,使煤层 采动形成的导水裂隙带闭合，重新胶结恢复隔水性 能，可有效降低3煤层顶板导水裂隙带向上发育高 度以及降低矿井顶板含水层充水强度，具备一定的 阻隔上部白垩系砂砾岩含水层向下补给径流的作 用，对矿井顶板突水防治具有积极的意义。其中，侏 罗系中统安定组泥岩厚度为155 m,其层位稳定、连 续性好、隔水性能良好,是煤层顶板离层水体涌突的 隔水关键层。4.3.2 1305工作面顶板离层突水危险性分级1305工作面钻孔资料显示，3煤层顶界至白垩 系砂砾岩含水层底界之间的厚度为235.3 m；D02 钻孔内冲洗液漏失量观测及钻孔彩色电视探测结果 显示，郭家河煤矿深埋特厚煤层综放开采条件下煤 层顶板导水裂隙带发育高度为164 m,因此导水裂 隙带仅发育至侏罗系中统安定组泥岩内部，未导通 白垩系砂砾岩与侏罗系泥岩接触带的“空腔型”离层 积水，有效隔水层厚度为71.3 m。本文利用11个钻孔测量出白垩系砂砾岩含水 层水柱高度为185.26299.30尬皿，即白垩系下 统洛河组底界的最大水压（离层水压力）为3 MPa。高位离层空腔下位隔水岩层为砂质泥岩，厚度为 65.8 m,其自重力为1.619 MPa,根据公式（6）,可 计算得到高位离层突水危险系数L*为0.064 8,小 于临界突水系数。因此,1305工作面顶板离层突水 危险性分级为安全，即不会发生离层突水。4.4离层空间积水现场探测为了进一步探究“空腔型”离层内是否存在积 水、积水量有多少，对离层空间内的积水进行了探 测，这对1305工作面和后续工作面的安全开采具有 重要的意义。LD1钻孔为1305工作面采后孔、泄水孔，该处 对应的孔口标高为1 251.00 m,煤层底板标高约为 765 m,煤层埋深为470 m,煤层开采厚度约为15 m,为了控制煤层采空区，终孔位置为3煤层底板,导通采空区,完成泄水任务，终孔孔深为485.58 m。LD1钻孔井下电视窥视情况如下：距工作面推 采过LD1钻孔位置18个月左右，对LD1钻孔进行 了一次钻孔井下电视窥视，较为清晰地窥视了 0 364.00 m段的孔内情况，其中0236.456 m段为 黄土层护壁、白垩系止水套管，236.456364.372 m段全孔未见水位，窥视到全孔孔壁极不规则，连 续呈葫芦状，未见明显的竖直裂隙；观测过程中0 300.00 m段钻孔内未见滴、淋水现象，300.00 364.00 m段随着钻孔深度的增加，逐渐出现少量滴 水至少量淋水，说明白垩系下统洛河组以上含水层 封闭止水效果良好，下部地层未见离层空间及积水 现象。LD1钻孔在白垩系下统宜君组底部及下部软 硬岩结合处地层中有离层空间发育的可能，但是经 过井下电视窥视并未看到明显的离层发育空间（图6），初步分析认为工作面采后18个月离层空间在覆 岩压实作用下逐渐闭合。LD1钻孔自施工至475 m后，出现了一次掉钻 现象,说明该钻孔已经导通1305工作面采空区；钻 孔施工至485.58 m时，钻孔内未观测到水位，观测 井口未出现吹风、吸风和其他异常情况，说明煤层顶 板上部没有积水下泄现象，未发现原预想的离层空116安仝苗猱说工翟 http:/水第30卷图6 LD1钻孔电视窥视图像Fig.6 Peeping imag e in drill hole LD1间积水;钻孔内中洗液漏失量严重,说明裂隙较发育，而矿井涌水量并没有显著增大的现象，说明离层 空间已经闭合或者大部闭合，离层空间积水较少。LD1钻孔的施工，初步证明1305工作面离层空间 积水较少，这对后续工作面的回采不会产生威胁。4.5其他工作面离层突水危险性评价将本文方法应用到郭家河煤矿和崔木煤矿其他 工作面中，通过对地质钻孔资料的统计和煤层顶板 导水裂隙带高度的实测结果，对矿井各工作面煤层 顶板离层突水危险性进行了评价。根据高位“空腔 型”离层发育位置判别方法,“空腔型”离层主要位于 白垩系下统砂砾岩含水层底部，即其与侏罗系中统 安定组泥岩接触带位置,为离层积水赋集、运移提供 了存储空间。白垩系下统砂砾岩含水层厚度大、分 布广，属富水性中等一强含水层，能对离层空间进行 充水补给。郭家河煤矿和崔木煤矿其他工作面离层 突水危险性评价结果与实际突水情况的对比，见表 3。inrush situation in other working faces of Guojiahe coal mine and Cuimu coal mine表3郭家河煤矿和崔木煤矿其他工作面离层突水危险性评价结果与实际突水悄况的对比Table 3 Comparison between the risk assessment results of water inrush of roof seperation and the actual water采高/导水裂隙煤层顶界至高位离有效隔水压力P/离层突离突水危险实际突m带高度/!层底界之间距离/m层厚度/mMPa水系数性评价结果水情况郭家河煤矿1306工作面14.5242.35242.350300一危险性极大突水郭家河煤矿1302工作面9.0209.83246.6746.844.150.088安全未突水崔木煤矿21301工作面12.023&67210.36-28.31300一危险性极大突水崔木煤矿21302工作面10.0210.40166,62-43.783.00一危险性极大突水崔木煤矿21303工作面&2190.51201.5010.993.250.296危险性极大突水由表3可知，郭家河煤矿和崔木煤矿其他工作 面煤层顶板离层突水危险性评价结果与实际突水情 况基本一致，从而验证了本文方法的有效性,该方法 对离层突水的防控具有一定的工程指导意义。5结论(1)采场覆岩高位离层位于导水裂隙带顶部附 近，离层空间体积较大且持续时间长，在导水裂隙带 刺穿以前离层空间稳定性好，且最终被导水裂隙带 波及而失稳破裂。高位离层水涌突的3个基本条件 为相对封闭的可积水离层空间、离层补给水源和下 渗的导水裂隙通道。(2)在底板突水系数法的基础上，建立了特厚 煤层开采覆岩高位离层水涌突危险性评价方法，其 评价指标包括离层水水压、有效隔水层厚度和补给 含水层富水性，并提出了离层突水系数的概念，以此 为基础对高位离层突水危险性进行分级，高位离层 突水危险性等级划分为安全、危险性小、危险性大、危险性极大4级。(3)将本文方法应用到郭家河煤矿1305工作 面中，得到采动覆岩导水裂隙带高度为164 m,离层 突水危险系数即高位离层空腔下位隔水层承受的水 压