李家樓煤礦離層水害的成因與防治

高 飛，桑 赟

(太原東山李家樓煤業(yè)有限公司，山西 太原 030499)

0 引言

山西省清徐縣于2016年7月連續(xù)發(fā)生了3次暴雨災(zāi)害，造成其境內(nèi)的李家樓煤礦正在開采的1202工作面老空區(qū)在19 min內(nèi)發(fā)生約1000 m3的突水，瞬間水量達3158 m3/h，造成險情。東山煤礦集團技術(shù)人員普遍認為水害為工作面內(nèi)部的陷落柱突水所致，但由于工作面在掘進期間和開采期間揭露的陷落柱都沒有發(fā)生出水現(xiàn)象，因此水害的確切成因難以確定。又由于井田陷落柱密集發(fā)育，對全礦大量的陷落柱的探查和治理工程巨大，有必要對該工作面的突水做進一步的研究。2017年2月我礦與華北科技學(xué)院對本工作面的水害形成條件進行了詳細分析和對陷落柱充填物的詳細觀察，證實水害屬于罕見的頂板次生離層水成因，為其他礦井總體的防治水方案的制定指明了方向。

煤層頂板離層水害在我國水文地質(zhì)條件較為簡單的煤礦時常發(fā)生，頻頻發(fā)生突水淹面，和死亡災(zāi)害，已經(jīng)成為目前煤礦主要水文地質(zhì)災(zāi)害之一。例如，2007年3月10日，遼寧省撫順市老虎臺煤礦發(fā)生頂板次生離層水害[1]，造成29人死亡；2007年7月4日，淮北海孜煤礦發(fā)生次生離層水害[2，3]，造成5人遇難；2016年4月25日，銅川照金煤礦發(fā)生頂板離層水害[4]，造成12人遇難……。據(jù)文獻檢索，頂板離層水害是近幾年方被礦井水文地質(zhì)界認識的水害形式，但已成為華北型煤礦經(jīng)常發(fā)生的水害形式。因此開展這一問題的研究對礦井水害類型的認識與防治具有很大的理論意義和實際價值。

1 李家樓煤礦的水文地質(zhì)條件

李家樓井田位于呂梁山脈東麓，呈侵蝕性低中山區(qū)地貌，溝谷和黃土臺、土梁發(fā)育，相對高差420.60 m，井田地形比較復(fù)雜。井田內(nèi)主要河流有白石溝河與都溝河2條季節(jié)性河流，均發(fā)源于井田外的西北山區(qū)，均屬黃河水系。

礦區(qū)年平均降水量249.5～495.7 mm，降水量多集中在7、8、9三個月。

1202工作面位于井田中南部，首采區(qū)西翼，開采山西組底部的2#煤。工作面走向長約1200 m， 傾向?qū)?50 m，標高722.9～821.3 m，如圖1所示。

圖1 李家樓煤礦10202工作面平面圖

對1202工作面可能造成充水的含水層有：

(1) 中奧陶統(tǒng)峰峰組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。峰峰組灰?guī)r水位標高837.385 m，滲透系數(shù)0.00177 m/d，單位涌水量0.0011 L/s.m，礦化度2246 mg/L， PH值7.20。根據(jù)山西煤田229隊提交的《太原東山煤礦有限責任公司李家樓煤礦礦井水文地質(zhì)報告》，李家樓井田位于晉祠泉域巖溶水系統(tǒng)的滯流區(qū)，富水性弱。根據(jù)工作面處的鉆孔625資料，2#煤距離奧陶系灰?guī)r頂界面137.97 m，承受的水壓為2.65 MPa，突水系數(shù)為0.019 MPa/m。

(2) 上石炭統(tǒng)太原組砂頁巖夾石灰?guī)r含水層組。太原組有四層穩(wěn)定的石灰?guī)rL5、L4、K2、L1，據(jù)鉆孔625鉆孔水位標高919.99 m，單位涌水量0.00029 L/s.m。根據(jù)勘探報告，石炭系各含水層之間、與奧陶系灰?guī)r之間水量聯(lián)系差，富水性很弱，對礦井不構(gòu)成威脅。

(3) 二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層。較強的山西組砂巖含水層位于03#煤頂板60 m——75 m的范圍內(nèi)，據(jù)鉆孔625資料，在1202工作面內(nèi)，砂巖的厚度為13 m，距離03#煤62 m。據(jù)水文孔541的資料，水位標高800.01 m，涌水量0.18 L/s，單位涌水量0.0051 L/s.m，滲透系數(shù)0.04 m/d。

與2#煤有關(guān)的隔水層主要是煤層底板和頂板隔水層。其中底板隔水層基本包括底板至奧灰之間的137.97 m的所有地層，主要巖性為本溪組鋁土巖和煤系地層的泥巖和頁巖；2#煤頂板上覆7.5 m為03#煤，03#煤頂板為厚度為62 m隔水層，巖性主要為粉砂巖和黏土巖。

2 1202工作面頂板離層水害成因分析

2.1 頂板離層水害的水文地質(zhì)條件分析

1202工作面老空出水的可能水源為奧陶系灰?guī)r，大氣降水和次生離層。要確定確切的水源需對水文地質(zhì)條件進行細致的分析。

奧陶系灰?guī)r在區(qū)域的弧度為307 m～373 m，在工作面的水壓為2.65 MPa，突水系數(shù)為0.019 MPa/m，因此如果奧灰含水層為突水水源，那么突水通道只能為陷落柱。而本礦井和工作面所揭露的38個陷落柱都不導(dǎo)水，即使考慮到采礦的擾動，礦壓對陷落柱的破壞深度也不會大于13 m(太原東山煤礦15#的底板破壞深度為13 m)，遠不及奧灰的距離137.97 m。1202工作面在回采前對距離切眼35 m處的X26陷落柱進行了鉆探，鉆孔深度為底板下55 m，沒有任何涌水現(xiàn)象，證實陷落柱底板破壞范圍內(nèi)及其深部都不導(dǎo)水，這樣就否定了采動誘發(fā)陷落柱突水的可能性。另外根據(jù)王經(jīng)明教授關(guān)于高變質(zhì)煤礦區(qū)陷落柱不導(dǎo)水的理論[5]，變質(zhì)程度為無煙煤的李家樓井田的陷落柱是不導(dǎo)水的，因此本工作面的突水不可能是陷落柱造成的。

根據(jù)“三下開采規(guī)程”給出的冒裂帶高度計算公式：

式中，Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；M為煤層開采厚度，m，現(xiàn)已知1202工作面煤層開采的最大厚度為3.65 m，上覆03#煤的開采厚度為1.8 m。采用復(fù)合煤層頂板裂隙高度的計算方法，計算得到導(dǎo)水裂隙帶高度為56 m，小于03#煤層頂板隔水層厚度62 m，大氣降水不會進入工作面。另外工作面的涌水量一直穩(wěn)定在15 m3/h作用，和大氣降水關(guān)系不大。即使上覆隔水層局部被破壞，大氣降水也應(yīng)該造成工作面的涌水逐漸增大，而不應(yīng)該是瞬間爆發(fā)。

這樣，唯一的水害成因只能是儲存于頂板離層帶內(nèi)的地下水突然釋放。依據(jù)如下：

(1) 頂板具備離層的形成條件：據(jù)鉆孔625和鉆孔348資料，2#煤上覆7.5 m處為03#煤，03#煤頂板為厚度為62 m的黏土巖隔水層，再上為厚度為11.2 m的中粒砂巖。上述計算結(jié)果顯示，尚有6 m厚的隔水層沒有遭到導(dǎo)水裂隙帶的破壞，而位于彎曲沉降帶的底部，彎曲沉降的過程中，強硬的厚層砂巖必將與軟弱頁巖將發(fā)生離層。

(2) 離層帶底板巖層的隔水性：根據(jù)鉆孔625和348，離層帶的底板為黏土巖，遇水膨脹，具有良好的隔水性。且開采顯示，工作面在里段，尚有約480 m頂?shù)装鍥]有發(fā)育陷落柱，頂板保持完好，隔水性沒有被破壞。

(3) 水源：據(jù)氣象記載，2017年7月22日至8月5日，礦區(qū)共發(fā)生了3次大到暴雨級的降雨，雨量一次為40 mm，2次為50 mm，總降雨量為140 mm，連續(xù)的大暴雨為離層帶內(nèi)儲水提供了充足的水源。

底板的泥巖遇水而膨脹，將原有的裂隙封堵，使得離層帶的水得以保存。當離層帶頂板發(fā)生斷裂后，對離層水體造成猛烈沖擊，離層帶底板發(fā)生破裂形成突水。

2.2 頂板離層水害的離散元數(shù)值模擬

為了再現(xiàn)離層水的形成過程和證實§2.1的水文地質(zhì)條件分析，采用了UDEC軟件對工作面進行了模擬。模擬的煤層采高2.5 m (1202工作面的平均采高)。模擬老頂斷裂步距10 m。上邊界載荷按300 m深巖石自重施加，底邊界固定,左右邊界水平方向固定，力學(xué)參數(shù)見表1，以自然垮落的頂板管理方法模擬開采。

表1 745工作面次生離層水數(shù)值模擬參數(shù)表

模擬發(fā)現(xiàn)，工作面推進了200 m時厚層砂巖頂板下尚未出現(xiàn)明顯的離層，見圖2；當工作面推進了250 m和300 m時，頂板在砂巖與煤系地層之間出現(xiàn)了明顯的離層現(xiàn)象，見圖3。UDEC的模擬結(jié)果符合頂板關(guān)鍵層理論[6,7]。從巖性可知，1202工作面頂板巖層存在著3個亞關(guān)鍵層(3個3 m厚的細砂巖層)和一個主關(guān)鍵層(03#煤層上方62 m處的厚層長石石英砂巖)。模擬顯示離層首先在最下面的亞關(guān)鍵層下界形成，當?shù)谝粋€關(guān)鍵層斷裂后，離層出現(xiàn)在第二個關(guān)鍵層下，然后向上發(fā)展到第三個關(guān)鍵層下，最后終止于主關(guān)鍵層，見圖4。顯然，隨著工作面的推進，離層空間越來越大。模擬顯示采礦造成頂板的離層是顯著的，關(guān)于離層帶形成的水文地質(zhì)條件分析是符合實際情況的。

圖2 煤層回采200 m時頂板離層離散元模擬圖

圖3 煤層回采250 m時頂板的離層情況離散元模擬圖

圖4 煤層回采300 m時頂板離層離散元模擬圖

圖5 離層水疏干工程布置剖面圖

3 李家樓煤礦離層水害的防治方法

由于1202工作面突水水源是儲存于2#煤上覆地層的離層空間內(nèi)的，采用預(yù)疏干技術(shù)是防治此類水害的最佳方法，具體方法是在雨季，在工作面的巷道內(nèi)迎著推進方向以一定間距施工鉆孔至離層帶，如圖5所示，使儲存于離層帶的地下水及時排出。為了保證鉆孔在開采過程中不發(fā)生破壞，可在鉆孔內(nèi)安裝花管，這樣即可疏干離層帶內(nèi)的積水，避免離層水害發(fā)生。

4 結(jié)論

通過對太原東山煤礦集團公司李家樓煤礦1202工作面頂板水害的調(diào)查、水文地質(zhì)分析和數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

(1) 1202工作面的水害為頂板離層水所致，而不是陷落柱導(dǎo)水造成的。

(2) 1202工作面的頂板離層水是由于煤層上方沉降帶底部的為堅硬的長石石英砂巖，下部軟弱泥巖和黏土巖，在不均勻彎曲條件下形成了離層空間，在此期間發(fā)生了較強的降雨，使離層空間充入了大量水，離層帶底板的黏土巖隔水層遇水膨脹確保了地下水的聚集。離散元模擬試驗再現(xiàn)了次生離層水害的形成過程，證實了水文地質(zhì)條件分析的準確性。

(3) 提供了預(yù)疏干的離層水防治方法，即在雨季時，迎著掌子面向煤層頂板離層帶施工一組鉆孔，并下花套管的疏干技術(shù)。

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