煤礦頂板突水因素分析

蔡魏瑞　王世文　楊輝鴻

【摘 要】過去較長(zhǎng)時(shí)期中，由于煤礦頂板水害導(dǎo)致煤炭開采中的重大事故較少，因而對(duì)頂板水害預(yù)測(cè)的研究不如底板水害預(yù)測(cè)那樣受到重視。但自二十世紀(jì) 70年代以來(lái)，隨著煤礦綜合機(jī)械化的普及，頂板水害對(duì)正常生產(chǎn)的影響日益突出。因此，研究分析煤礦開采時(shí)的充水條件，總結(jié)突水規(guī)律，預(yù)測(cè)頂板水害和超前制訂防治措施，對(duì)確保礦井安全生產(chǎn)和提高生產(chǎn)效率具有十分重要的意義[1]。

【關(guān)鍵詞】頂板水害預(yù)測(cè)；突水規(guī)律；防治措施

1.煤層頂板突水預(yù)測(cè)理論方法

頂板突水機(jī)理研究主要有“上三帶”[2]理論、巖移“四帶”理論等學(xué)說。煤炭科技研究院劉天泉院士按照長(zhǎng)壁開采后，覆巖變形特征及其導(dǎo)水性能，將上覆巖層分為“三帶” [3]，即冒落帶、裂縫帶和整體彎曲下沉帶，該理論目前為國(guó)內(nèi)研究頂板突水的主要理論基礎(chǔ)?！皟蓭Ц叨取奔疵奥鋷Ш土芽p帶，對(duì)礦井頂板突水研究有重要意義，經(jīng)大量實(shí)踐研究，總結(jié)了兩帶高度公式，拓展了“上三帶”理論的實(shí)用性。此后，山東科技大學(xué)高延法教授突破了傳統(tǒng)的三帶觀念，提出巖移“四帶”模型 [4]，對(duì)第四紀(jì)巖層的作用、特征及對(duì)巖移的影響作了對(duì)比計(jì)算分析，得出了四帶劃分的必要性，認(rèn)為巖層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型應(yīng)劃分為破裂帶、離層帶、彎曲帶和松散沖擊層帶，進(jìn)一步拓寬了對(duì)頂板突水機(jī)理的認(rèn)識(shí)。其他相關(guān)專家學(xué)者對(duì)在此基礎(chǔ)上對(duì)不同區(qū)域的突水機(jī)理進(jìn)行了分析與總結(jié)。

2.影響頂板充水含水層富水性的主要因素分析[5]

影響頂板充水含水層富水性的因素是多方面的，并且各方面之間的關(guān)系比較復(fù)雜"根據(jù)我國(guó)多年來(lái)大量煤層頂板突水案例的系統(tǒng)分析與研究，影響煤層頂板充水含水層富水性的主要控制因素主要包括：

1）頂板充水含水層的巖性特征：主要包括含水層厚度、有效含水層厚度與隔水巖段厚度比（脆、塑性巖厚度比）等；

2）頂板充水含水層的滲流特征：主要包括單位涌水量、滲透系數(shù)、沖洗液消耗量、井下突水情況、近期水位變化等；

3）水化學(xué)特征：主要包括地下水中主要離子毫克當(dāng)量百分比；

4）地質(zhì)構(gòu)造特征：主要包括斷層、裂隙、褶皺及巖溶陷落柱等。

3.頂板突水地層巖性的特征[6]

3.1淺埋深、薄基巖、厚松散層突水

突水條件：1）工作面上方或附近存在現(xiàn)代或古河床洼地，厚層第四系沖積砂層和底部砂礫石層飽和富水；2）煤層埋藏較淺；3）頂板煤層弱～半堅(jiān)硬，基巖結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性較差；4）導(dǎo)水裂隙帶高度大于薄基巖厚度.

突水特點(diǎn)：1）主要發(fā)生在頂板初次來(lái)壓時(shí)的切眼附近；2）突水伴有少量泥砂；3）一般突水量60～150 m3/h，最大突水量200～400 m3/h；4）當(dāng)松散層部黃土隔水層較厚且連續(xù)分布時(shí)，突水危險(xiǎn)性降低.該類突水屬于導(dǎo)水裂隙誘發(fā)的孔隙水突水。

3.2淺埋深、薄基巖、厚砂層潰砂

潰砂原理：1）工作面上方或附近存在現(xiàn)代或古河床洼地，第四系厚層松散砂層以中、細(xì)砂為主，飽和，松散～中等密實(shí)；2）采動(dòng)動(dòng)載作用使砂層孔隙水壓力增大，導(dǎo)水裂隙帶淋水使飽和砂層水力坡度達(dá)臨界潰砂水力坡度；3）砂層底部缺失礫石層作阻砂層；4）煤層埋藏淺，基巖薄，冒落帶向上發(fā)育突破基巖面。

潰砂特點(diǎn)：潰砂量大，可達(dá)4 000～7 000 m3；飽和砂層滲透系數(shù)較小，潰砂過程中涌水量較小，一般在30～80 m3/h.

3.3薄松散層、厚基巖、白堊系突水

突水條件：1）第四系松散層較薄，白堊系（K，zh）與直羅組（J：z）構(gòu)成煤層頂板厚層基巖；2）白堊系洛河組為主要富水含水層；3）由于直羅組頂部風(fēng)化或延安組上部沖刷等原因，煤層與白堊系含水層間距減??；4）煤層頂板導(dǎo)水裂隙達(dá)白堊系含水層底板；5）斷層等因素增加厚基巖突水危險(xiǎn)性.

突水特點(diǎn)：突水量可達(dá)50～400 m3/h；當(dāng)裂隙連通地表水體時(shí)突水量增大.該類型突水屬于導(dǎo)水裂隙引起的孔隙水裂隙水突水。

4.地質(zhì)構(gòu)造與頂板突水關(guān)系[7]

4.1斷裂構(gòu)造與頂板突水關(guān)系

斷裂構(gòu)造本身往往就是導(dǎo)水通道，即使在煤層開采前原始狀態(tài)為非導(dǎo)水構(gòu)造，在煤層開采后因礦山壓力作用，也有可能會(huì)發(fā)生活化而成為頂板水的導(dǎo)水通道.例如華豐礦3405面頂板涌水量就與斷裂構(gòu)造有密切關(guān)系.該面下平巷西端揭露的F52斷層，落差達(dá)5 m.向西部尚有地震勘探控制的F51斷層（H=0～20 m），因此，該面西段構(gòu)造較為復(fù)雜.另外，工作面西部處于井田向斜西部轉(zhuǎn)彎處，煤巖原始應(yīng)力集中，裂隙發(fā)育，斷裂構(gòu)造成為勾通礫巖與頂板砂巖水力聯(lián)系的通道.該面西部及井下鉆孔出水，說明在此帶礫巖水與砂巖水具有較好的水力聯(lián)系.3405上面推采已經(jīng)揭露工作面上平巷落差2.5 m的逆斷層，且頂板壓力大，煤壁片幫嚴(yán)重，說明采動(dòng)影響下上覆礫巖層已經(jīng)活動(dòng)斷裂，導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)一步發(fā)育，從而造成頂板淋水及老空側(cè)出水。

4.2.斑裂線與頂板突水關(guān)系

華豐煤礦4煤層開采頂板涌（突）水有2大特點(diǎn)：一是主要沿工作面下平巷涌出；二是涌水持續(xù)不斷.這種突水特點(diǎn)是華豐煤礦山西組煤層開采過程中的普遍規(guī)律.形成這種規(guī)律的主要原因有3點(diǎn)：一是頂板突水主要通道為斑裂線，二是頂板覆巖的厚層礫巖和黏土巖巖層界面之間容易形成離層裂隙，三是上覆巖層的傾角較大.在工作面傾斜方向發(fā)育的斑裂線就如平行排列的斷層組，如圖1所示.2條斑裂線之間的距離便是工作面斜長(zhǎng)。

5. 滑動(dòng)構(gòu)造頂板裂隙致突模式[8]

滑動(dòng)構(gòu)造造成地層缺失，隔水層厚度變薄，從而成為構(gòu)造薄弱帶，因此此類突水模式的導(dǎo)水通道為構(gòu)造薄弱帶，具有突水水量大，水源補(bǔ)給范圍廣（包括地表水的水層補(bǔ)給），突水前期以頂板淋水為前兆，而且水質(zhì)混雜，突水趨勢(shì)增大的特點(diǎn)。

滑動(dòng)構(gòu)造頂板裂隙突水模式是針對(duì)鄭州礦區(qū)特殊的礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，提出的一種基于滑動(dòng)斷裂面（帶）的一種模式。這種模式在重力下滑（擠壓滑移）過程中，受到強(qiáng)烈的擠壓作用力和剪切作用力，巖石破碎、鏡面、擦痕、裂隙比較發(fā)育，形成滑動(dòng)裂隙破碎帶。當(dāng)煤層頂板砂巖中具有這種滑動(dòng)裂隙破碎帶時(shí)，富水性增大，可引起煤礦突水（圖2）。

圖 2 滑動(dòng)構(gòu)造致突型示意圖

6. 結(jié)論

引起煤礦頂板突水的因素有很多種，分析各種不同因素采用相應(yīng)的方法進(jìn)行防治，貫徹以“預(yù)防為主，防治結(jié)合”為基本方針，以“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”為基本原則，并根據(jù)礦井水害實(shí)際情況制定相應(yīng)的“防、堵、疏、排、截”綜合防治措施 [9]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 寧喜文.GIS復(fù)合分析在煤礦頂板水害預(yù)測(cè)中的應(yīng)用.高新技術(shù).2011.

[2] 趙春虎1，劉其聲1，田干1，李賢志2.平朔井工三礦首采區(qū)特厚煤層綜采頂板水綜合防治技術(shù)實(shí)踐.地質(zhì)與測(cè)量.

[3] 王新.煤礦頂板突水機(jī)理探討.煤礦開采.2007（10）.

[4] 高延法.巖移“四帶”模型與動(dòng)態(tài)位移分析[J]，煤炭學(xué)報(bào)，1996，21（1）.

[5] 李云龍.基于多源信息融合的姚橋礦水害防治方法與應(yīng)用研究.博士論文.2010.5

[6] 繆協(xié)興1，王長(zhǎng)申2，白海波1.神東礦區(qū)煤礦水害類型及水文地質(zhì)特征分析.采礦與安全工程學(xué)報(bào).2010，27（3）.289～290.

[7] 景繼東，施龍青，李子林等.華豐煤礦頂板突水機(jī)理研究[Jl.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，35（5）.

[8]董東林，孫錄科，馬靖華，劉爭(zhēng)偉，李健.鄭州礦區(qū)突水模式及防治對(duì)策研究.采礦與安全工程學(xué)報(bào).2010（9）.

[9]徐連利.平朔一號(hào)井工礦頂板水害評(píng)價(jià)方法與應(yīng)用研究博士論文.2010.