矿井离层水害类型及突水可能性判别.pdf

第3 2 卷增刊12023年6 月文章编号：10 0 4-40 51(2 0 2 3)S1-0447-04中国矿业CHINA MINING MAGAZINED0I:10.12075/j.issn.1004-4051.20230138矿井离层水害类型及突水可能性判别Vol.32,Suppl 1June2023易四海，王，尹尚先，高鹏程，仲锐（华北科技学院安全工程学院，河北三河0 6 52 0 1）摘要：离层水害具有瞬时水量大、突水征兆不明显、危害大等特点，严重影响工作面的生产安全。以钱家营矿2 0 7 5E工作面为例，结合矿井地质、水文地质资料分析，基于离层水致灾条件及水害类型，对该工作面进行了突水可能性判别及离层水害归类分析。研究表明：顶板离层突水致灾必须包括离层发育、离层积水、离层溃水等条件；结合离层突水特征将离层水害分为动水压力型离层突水、静水压力型离层突水、采动裂隙型离层突水三大类；分析得出钱家营矿2 0 7 5E工作面发生离层突水的可能性较大，且突水类型为静水压力型离层突水。研究成果为矿井有效防治煤层顶板水害提供了理论与技术支持。关键词：致灾条件；离层突水；水害类型；可行性判别中图分类号：TD745Identification of types of water hazards and the possibility ofYI Sihai,WANG Yun,YIN Shangxian,GAO Pengcheng,ZHONG Rui(School of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology,Sanhe 06520l,China)Abstract:The separated layer water hazard has the characteristics of large instantaneous water volume,noobvious phenomenons of water inrush,and great harm,which seriously affects the production safety of theworking face.This paper taking the 2075E working face of Qianjiaying Mine as an example,combined withthe analysis of mine geology and hydrogeological data,based on the disaster-causing conditions and waterdamage types of separated layer water,the working face is judged to be the possibility of water inrush andthe classification analysis of separated layer water hazard.The results show that the disaster caused by roofseparation strata water-inrush must include the conditions of separation development,separation area water,and detachment water outburst.According to the characteristics of separation water inrush,the waterhazards of separation are divided into three categories that hydrodynamic pressure type separation waterinrush,hydrostatic pressure type separation water inrush,and mining fracture type separation water inrush.And the analysis show that the possibility of separation water inrush in the working face of Qianjiaying Mine2075E is relatively high,and the water inrush type is hydrostatic pressure type separation water inrush.Theresearch results provide theoretical and technical support for the effective prevention and control of coalseam roof water damage in mines.Keywords:disaster-causing conditions;separation strata water-inrush;type of water damage;feasibilitydetermination文献标识码：Awater inrush in mines收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 9基金项目：国家自然科学基金面上项目资助（编号：52 2 7 416 5）第一作者简介：易四海（19 8 0 一），男，湖北公安人，研究员，硕士生导师，主要研究领域为矿山开采沉陷与水害防治，E-mail：t s y i s i h a i 16 3.c o m。第二作者简介：王赞（19 9 7 一），女，贵州毕节人，硕士研究生，主要研究领域为开采沉陷与“三下”采煤技术，E-mail:pw_y_。引用格式：易四海，王赞，尹尚先，等.矿井离层水害类型及突水可能性判别 J.中国矿业，2 0 2 3，3 2（S1）：447-450，454.YI Sihai,WANG Yun,YIN Shangxian,et al.Identification of types of water hazards and the possibility of water inrush in minesJJ.ChinaMining Magazine,2023,32(S1):447-450,454.责任编辑：边晶莹448顶板离层水水害是一种新的煤矿涌水类型，普遍具有突发性、突水点集中、爆发性强、瞬时水量大、来势凶猛且危害大等特点，对矿井工作面的安全生产造成极大威胁 1-4。近年来，广大学者对顶板离层水涌水规律、成因机理进行了大量研究，对其认识也越来越深刻。闫奋前等 5 采用理论分析、相似模拟、数值模拟等研究方法对特厚煤层开采中覆岩离层的发育情况。牛宏伟等 6 1采用理论计算公式、超声成像和彩色钻孔电视系统分别对巨厚砂岩下厚煤层采动覆岩离层的发育位置进行理论计算和定量探测。王启庆等 7 采用力学计算、数值模拟等方法，对采区首采面及后续工作面开采厚硬岩浆岩岩床破断引起的离层初次闭合及周期闭合的距离，进行了理论计算和数值模拟分析。刘剑等 8 1从离层水的形成机理、致灾机理等多方面整理和归纳离层水害的研究进展以及不同条件下的关键防治技术。赵亚飞等 9 以中岭煤矿矿井开采相邻一井（中岭井)和一井（坪山井)的2 个井田为例分析了煤矿离层水害的成因与防治方法。虞泽全 10 1通过理论分析、数值模拟等方法分析工作面涌突水情况并对采区离层水害提出防治措施。以钱家营矿2 0 7 5E工作面为研究对象，根据矿井地质、水文地质条件，结合离层突水致灾条件及离层水害类型，对工作面离层突水进行可能性判别。研究成果将为开滦各矿井完善防控顶板水害隐患及突水灾害提供强有力技术支撑。1地质条件钱家营矿2 0 7 5E工作面位于矿井十采区东翼，西侧为十采皮带山、轨道山及专用回风巷，东侧为十一采皮带山、轨道山和专用回风巷。该工作面主采7煤层，煤层厚度3.0 6.4m，西部较厚，东部略薄，平均厚度4.9 m，平均倾角5。该区域煤7 顶板为砂岩裂隙弱含水层，上覆5煤层顶板含水层赋水性较强，对该区域7 煤层顶板补给充分，在断层及裂隙发育时渗透性强，涌水量较大，属于较强含水层，对采区煤层采、掘构成突水水害威胁。钱家营矿属于开平煤田，井田含煤地层为石炭、二叠系，上覆冲积层，含煤地层基底为中奥陶统灰岩，主要由厚层状砂岩、黏土岩、石灰岩及煤层组成，各系、统间多以整合或假整合接触。煤系层组划分为：唐山组、开平组、赵各庄组，大苗庄组及唐家庄组五段地层，研究的7 煤层位于二叠系下统的唐家组，该主采煤层呈块状或粉末状，以亮煤为主，沥青光泽，间夹镜煤及亮煤条带且东翼7 煤层水质相关性较好，具有大体相同的离子和水质类型，为HCO3-Na+型地下水。中国矿业2075E工作面掘进施工日期为2 0 0 9 年10 月一2010年5月。在回采过程中，2 0 11年2 月14日回采到风道残尺12 15m、运道残尺12 18 m处出现涌水现象，涌水量为0.0 4m/min，随后涌水量逐渐增大，并维持在1.2 m/min左右。回采至风道残尺675m、运道残尺6 8 1m时，涌水量最大时达到4.5m/min，随后涌水量逐渐减小，涌水量稳定到1.0m/min左右，但仍有动水0.5m/min。2 0 7 5E工作面回采期间涌水情况如图1所示。(u/)/鲁4320100200300400500600700800900100011001200图12 0 7 5E工作面回采期间涌水情况Fig.1Water inflow situation during the mining periodof 2075Eworking face2离层突水机理及类型分析2.1离层水致灾条件分析1）离层发育条件。上覆结构“上硬下软”，能够在煤层开采后发育成离层，形成空腔，为离层积水提供空间；离层发育明显，具有足够储水致灾的离层空间；离层空间需煤层采空区提供即采空区未能完全被冒裂带岩石完全充填。2）离层积水条件。离层空间形成后需要有含水层或者含水体对其进行充水，使其成为充水离层，离层积水的条件有离层能形成“半封闭”空腔，空腔底部岩层隔水，且不能与裂隙带导通，为离层维持积水储量提供条件；有补给水源，离层空腔顶部为含水层或有导水通道，为离层积水提供水源；有充裕的积水时间，为离层形成大量积水提供时间。3）离层溃水条件。在离层空腔集满足够致灾的水后，空腔下位岩层在动水压力、静水压力或采动扰动等作用下形成贯通工作面的裂缝，发生工作面生突水。2.2离层水害类型分析工作面采动过程中离层水涌突的根本原因是储水体的离层空间受到破坏，离层积水通过导水裂隙带进入采区造成灾害-12 。根据离层水害的突水模式可将离层水害分为三类：动水压力型离层突水 13 、静水压力型离层突水 14 和采动裂隙型离层突水 15,其具体如下所述。1）动水压力型离层突水。当开采煤层上覆岩体存在多层软岩交互的岩层组合时，随着工作面推第3 2 卷推进距离/m弯曲带增刊1进，上位坚硬岩层与下位软岩之间出现离层，离层空腔接受上覆水源的补给，使得离层成为了一个相对稳定的“储水体”，此时整个地层处于平衡状态。随着工作面推进，离层上覆岩层悬空距离不断增大，当达到极限破断长度时，在地层荷载的作用下较完整的坚硬岩体弹性能聚集，失稳后断裂，瞬间释放巨大动能，致使在坚硬岩层下方的离层水体产生超高水压，并导致离层水体破裂溃入矿井，发生工作面突水，即上位岩层破断产生的强冲击和采场回采活动时的强扰动 16 的破断属于动水压力型离层突水，如图2 所示。H.导图2 动水压力型离层发育示意图Fig.2SSchematic diagram of dynamic water pressuretype separation layer development2）静水压力型离层突水。由于离层积水需要具有“半密闭性”的储水条件，发生致灾水害的离层只能是发育在弯曲带，而由于覆岩离层的发育是一个动态的时空过程，在工作面推进的过程中，随着采动越来越充分，离层经历形成、发展到逐渐闭合的过程，而新的离层空间又可能会继续向前向上形成发易四海，等：矿井离层水害类型及突水可能性判别弯曲带离层水体单煤层开采采空区449发生在多层近距煤层或厚煤层多次开采。煤层初次开采时，煤层顶板离层发育于弯曲带，离层发育形成并充水，同时处于长期的稳定状态；再次开采时，煤层覆岩重复扰动破坏，随着开采面积的增大，破坏的强度和范围也不断，导水裂缝带直接导通了该离层水体，引发透水，如图4所示 15。该类离层在煤层初次开采时发育于弯曲带中，具有离层空间大、维持稳定时间长的特点；再次采动时离层下位岩层产生采动裂隙导通离层水体与采场，不存在动水压力。因此，此类离层突水后具有突发性、水量大、持续时间长、爆发性不强等特点。H,导一单煤层开采采空区图3 静水压力型离层发育示意图Fig.3 Schematic diagram of hydrostatic pressure typeseparation layerdevelopmentH,下层导，,上层导211离层水体离层水体展。在采动过程中，同一离层有可能先位于导水裂缝带上方的弯曲带，后随采动的充分而位于导水裂缝带内。此类型致灾离层的充水水源均来自离层上覆岩体。离层空间充水过程中，水位持续上升到一定高度直至与上覆充水含水层相同水压，离层下覆隔水层在自身重力、静水压力作用下持续蠕变下沉，直至位移达到极限在岩层薄弱部位发生结构性改变而破裂，与下部导水裂隙带沟通，导致离层水下泄采场，发生工作面突水，即离层积水的静水压力的破断属于静水压力型离层突水，如图3 所示 15该类离层发育具有离层空间大、维持稳定时间长的特点，能够持续积水且积水量大。该离层空间要形成足够的静水压力，其离层积水要充满离层空腔，需要充裕的积水时间，即工作面要推进很长一段时候后才能形成突水，具有一定的滞后性。因此，此离层突水后具有突发性、水量大、时间短、突水点集中、突水时间滞后等特点。3）采动裂隙型离层突水。该类离层突水主要上层采空区下层采空区图4采动裂隙型离层发育示意图Fig.4Schematic diagram of the development ofmining induced fracture type separation layers3钱家营矿离层突水可能性判别结合离层突水类型，以钱家营矿2 0 7 5E工作面为例，分析离层突水可能性以及离层突水致灾过程及类型。1）致灾离层的判别。离层空间判别：根据采区钻孔柱状资料分析得出，2 0 7 5E工作面上覆岩层软硬岩相互交替，存在上硬下软的结构，开采过程中，覆岩中具备上方为厚层硬岩关键层、下方为软岩，可能发育离层空间的共有6 组，分别是埋深为533.54m砂岩组和煤之间、埋深为49 5.0 4m中粒砂岩和砂质泥岩之间、埋深为47 7.2 7 m中粒砂岩和砂质泥岩之间、埋深为458.6 1m粗砂岩和粉砂450岩之间、埋深为42 3.8 5m中、细粒砂岩组和砂质泥岩之间、埋深为3 9 5.3 9 m细粒砂岩和砂质泥岩之间。根据钱家营矿（煤层顶板中硬）导水裂缝带高度经验公式计算可得，2 0 7 5E工作面开采后垮落带高度为15m，导水裂缝带高度55.4m。根据发育离层与工作面导水裂缝带发育高度的相对位置关系可以判断，前2 组离层于导水裂缝带范围以下，后4组离层于导水裂缝带范围以上。充水离层判别：据离层充水条件可知，第1组岩层之间的离层处于垮落带范围内，随工作面推进“随采随垮”，离层发育时间短，不具备积聚水的条件；第2 组岩层之间的离层处于裂缝带范围内，该离层在上覆硬岩破断后向井下产生动压溃水，但由于工作面推进速度快（约5m/d)，离层聚水时间有限，工作面水量增加，但不构成突水危害；后4组离层均位于弯曲带内，且其上部岩体为含水层、下方岩体为隔水层，能够形成离层空间积水。离层致灾机制的判别：后5组离层充水水源均为5煤层顶板砂岩裂隙水，工作面区域5煤层顶板含水层水头高度为42 0 m。尤其第3 组离层空腔积满水后，离层水体压力将立马跃升，很容易击穿其下位岩层（砂质泥岩，厚2.46 m）的完整性，并与导水裂缝带联通，形成突水通道，发生离层水静水压涌突水。2）离层水害类型。据2 0 7 5E工作面涌水规律可知，工作面推进到56 6 m时，工作面发生突水事故，工作面突水具有突发性、初期水量大、持续时间短等特点，突水时间在工作面推进见方后6 8 d后发生，具有明显的时间滞后性。经综合分析，钱家营矿地质采矿、水文地质条件具备离层突水过程中所具备的一切条件，极易发生“静水压力”型离层突水，发生突水的离层一般发育于导水裂缝带上方约2 0 m以内的覆岩内。另外，因钱家营矿主采煤层顶板存在厚层泥岩或泥质粉砂岩，也易发生周期型静水压力型离层突水。4结 论1）开采煤层顶板离层水体突水是一个动态的过程，其突水致灾必须包括离层发育、离层积水、离层溃水等条件。根据离层突水特征将离层水害分为动水压力型离层突水、静水压力型离层突水和采动裂隙型离层突水三大水害类型。2）分析认为钱家营矿2 0 7 5E工作面地质、水文地质条件满足离层发育、离层充水、离层溃水致灾等突水过程中所具备的一切条件，极易发生周期型静水压力型离层突水。中国矿业1乔伟，黄阳，袁中帮，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J.岩石力学与工程学报，2 0 14，3 3（10）：2076-2084.QIAO Wei,HUANG Yang,YUAN Zhongbang,et al.Forma-tion and prevention of water inrush form roof bed separationwith full-mechanized caving mining of ultra thick coal seamJ.Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(10):2076-2084.2张周鑫，刘启蒙，金洲洋.厚层坚硬顶板离层发育特征与水害成因机理 J.黑龙江科技大学学报，2 0 14，2 4（2）：18 2-18 6.ZHANG Zhouxin,LIU Qimeng,JIN Zhouyang.Separationdevelopment features and genetic mechanism of water hazardsunder 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