煤礦頂板離層水害形成機(jī)制、致災(zāi)機(jī)理及防治技術(shù)

喬 偉，王志文，李文平，呂玉廣,3，李連剛，黃 陽(yáng)，賀江輝，李小琴，趙世隆，劉夢(mèng)楠

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2.礦山水害防治技術(shù)基礎(chǔ)研究國(guó)家級(jí)專業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 3.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299; 4.陜西金源招賢礦業(yè)有限公司，陜西 寶雞 721000; 5.陜西永隴能源開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司，陜西 寶雞 721000)

煤層開(kāi)采是較為劇烈的工程與環(huán)境效應(yīng)，常引發(fā)地質(zhì)與環(huán)境災(zāi)害問(wèn)題。煤層開(kāi)采過(guò)程中覆巖會(huì)發(fā)生變形、破斷并形成大量裂隙，這些裂隙包括水平裂隙、近水平裂隙、順層裂隙、垂直裂隙和斜交裂隙等，沿巖層間或?qū)觾?nèi)順層方向拉開(kāi)的裂隙被稱為離層裂隙(簡(jiǎn)稱離層)。離層空間上下巖層若存在含水層，會(huì)導(dǎo)致離層空間充水，離層水體若涌入采掘空間即形成離層水害。

隨著煤礦開(kāi)采深度增大，多煤層開(kāi)采、厚及特厚煤層開(kāi)采、覆巖工程地質(zhì)特性差異以及復(fù)雜水文地質(zhì)條件等原因，頂板離層水害時(shí)有發(fā)生，并具有瞬時(shí)水量大、具有周期性和突水征兆不明顯等特點(diǎn)。當(dāng)覆巖中存在風(fēng)化、軟、弱巖層等工程地質(zhì)性質(zhì)較差的巖層時(shí)，涌突水量較大的離層涌突水往往攜帶泥、砂、石等物質(zhì)，危害極大。《煤礦防治水細(xì)則》中的定義:離層水是指煤層開(kāi)采后，頂板覆巖不均勻變形及破壞而形成的離層空腔積水。目前發(fā)生過(guò)離層水害的礦井分布區(qū)域廣泛、涉及開(kāi)采煤系齊全，且不同煤礦離層水的形成條件及影響因素、致災(zāi)原因以及水害強(qiáng)度等方面存在差異，由此可見(jiàn)離層水害問(wèn)題的復(fù)雜性。

筆者從煤礦離層水的形成機(jī)制、致災(zāi)機(jī)理、水預(yù)測(cè)預(yù)警及關(guān)鍵防治技術(shù)4個(gè)方面，對(duì)煤礦覆巖離層水害問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)回顧，并展望了礦井離層水害防治的科學(xué)技術(shù)方向。

1 煤層覆巖離層水形成機(jī)制

1.1 采動(dòng)覆巖離層研究

德國(guó)學(xué)者H.K RATZSCH的著作《采動(dòng)損害及防護(hù)》、美國(guó)學(xué)者S.S彭的著作《煤礦地層控制》、美國(guó)學(xué)者比尼斯基的著作《礦業(yè)工程巖層控制》均對(duì)采場(chǎng)覆巖離層的形成與發(fā)育進(jìn)行了分析與研究[1-3]。PALCHIK V對(duì)水平離層的發(fā)育位置、形成發(fā)育時(shí)間等進(jìn)行了研究，并通過(guò)界面上下巖層的單軸抗壓強(qiáng)度、界面上下巖層的厚度，煤層厚度及煤層與巖層之間距離等指標(biāo)，給出了預(yù)測(cè)采動(dòng)水平離層存在的判據(jù)[4-5]，但并未涉及離層水害問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)可以解釋和判斷覆巖離層發(fā)育的主要有關(guān)鍵層理論、拱梁平衡理論(圖1)、“上四帶”理論(圖2)、彈性薄板理論等。關(guān)鍵層控制頂板覆巖的運(yùn)移與破壞，離層最容易發(fā)生在關(guān)鍵層與下覆巖層的界面處，且其發(fā)育的最大高度受關(guān)鍵層的控制[6-8];拱梁平衡理論則定義了采動(dòng)覆巖的力學(xué)平衡結(jié)構(gòu)，開(kāi)展了離層分布規(guī)律的解釋[9];“上四帶”理論則認(rèn)為離層發(fā)育于彎曲下沉帶的底部與裂隙帶的頂部范圍內(nèi)，并將采動(dòng)頂板覆巖劃分為四帶[10-11];彈性薄板理論將采場(chǎng)頂板覆巖簡(jiǎn)化為薄板力學(xué)模型求解，得到了離層發(fā)育規(guī)律和空間體積的計(jì)算方法[12-13]。

圖1 采動(dòng)覆巖平衡拱移動(dòng)示意[9]Fig.1 Movement diagram of balance arch in mining overburden[9]

圖2 “上四帶”理論示意[10]Fig.2 Schematic diagram of the “four-zone” model[10]

除此之外，朱慶偉等將覆巖破斷演化分為3個(gè)階段，并建立了相應(yīng)的力學(xué)模型[14]。張?chǎng)蔚韧ㄟ^(guò)理論分析、數(shù)值模擬及三維地震等多種手段研究了綜放開(kāi)采條件下覆巖離層發(fā)育位置及離層空間大小[15]。楊鵬等基于應(yīng)力信息熵，對(duì)采動(dòng)覆巖應(yīng)力的演化規(guī)律進(jìn)行研究，得到了應(yīng)力信息熵增減與離層發(fā)育狀態(tài)的關(guān)系[16]。趙德深、張建全、滕永海等則通過(guò)數(shù)值模擬、物理模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論分析等手段對(duì)采場(chǎng)覆巖離層的形成條件、時(shí)空發(fā)育規(guī)律與其發(fā)育位置及空間大小等進(jìn)行研究[17-24]。采場(chǎng)覆巖離層的研究較多，但大多數(shù)對(duì)于離層的研究都是針對(duì)離層注漿減沉的，針對(duì)積水離層的研究較少。

1.2 覆巖離層水形成機(jī)制

由于巖層的不均勻沉降，先在巖層接觸面形成水平裂隙，后期隨著采煤工作面的繼續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)面積擴(kuò)大，巖層的跨度、下沉量增加，最終發(fā)生拉張破斷，形成豎向裂隙，同時(shí)，部分水平裂隙被破壞。那些沒(méi)有被豎向裂隙貫穿的水平裂隙是封閉的，可作為儲(chǔ)水空間，并在積水后形成離層水。離層中水體的主要補(bǔ)給來(lái)源是含水層。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于覆巖離層水形成機(jī)制的觀點(diǎn)眾多，其研究大多是針對(duì)單個(gè)發(fā)生過(guò)離層水害的煤礦。李小琴在對(duì)海孜礦745工作面突水事故歸納總結(jié)得出覆巖離層水形成的4個(gè)基本條件，即離層周邊存在補(bǔ)給水源、可積水離層-離層的發(fā)育位置應(yīng)位于導(dǎo)水裂隙帶之上、離層空間持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)、離層周圍巖體的滲透能力較強(qiáng)[25]。高琳等通過(guò)相似材料模擬的方法提出3個(gè)離層水的形成條件，即離層空間位于彎曲帶內(nèi)、離層空間附近含水層富水性強(qiáng)、充足的離層發(fā)育時(shí)間[26]。孫學(xué)陽(yáng)分析了離層水害形成的條件:離層的形成、離層水發(fā)育位置、離層周邊存在補(bǔ)給含水層和離層空間持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)[27]。曹丁濤對(duì)濟(jì)寧二號(hào)礦離層水害研究認(rèn)為:可積水層和層周邊存在補(bǔ)給水源是離層水的形成條件;離層的封閉性、補(bǔ)給含水層富水性和離層空間充水時(shí)間等則為影響離層積水的因素[28]。

此外，賀江輝在對(duì)導(dǎo)通道閉合帶研究的基礎(chǔ)上，認(rèn)為可積水離層空間的存在不應(yīng)僅局限在離層本身，或者構(gòu)成離層的上、下位巖層。從總體含(隔)水層分布角度出發(fā)提出了五大類積水離層[29]，如圖3所示。

圖3 可積水離層的巖層組合形式[29]Fig.3 Rock-layer combinations that can form bed separation with water-accumulation capacity[29]

曹海東則根據(jù)煤層開(kāi)采方式、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度、離層水體發(fā)育位置等之間的相對(duì)關(guān)系將其分為了4類(2類2型)[30]:1類1型為單煤層開(kāi)采，離層水體發(fā)育在導(dǎo)水裂隙帶之外;1類2型為單煤層開(kāi)采，離層水體發(fā)育在導(dǎo)水裂隙帶之內(nèi);2類1型為多煤層疊加開(kāi)采條件下，離層空間發(fā)育在先期煤層開(kāi)采的導(dǎo)水裂隙帶之外;2類2型為多煤層疊加開(kāi)采條件下，離層空間發(fā)育在先期煤層開(kāi)采的導(dǎo)水裂隙帶之內(nèi)。

從以上對(duì)離層水形成機(jī)制的研究中總結(jié)，可作為采場(chǎng)覆巖離層水形成的基本條件有3個(gè):

(1)可積水離層。發(fā)育于導(dǎo)水裂隙帶之上的離層，才可滿足積水條件。采場(chǎng)頂板離層根據(jù)其所能持續(xù)穩(wěn)定的時(shí)間、最大離層量與富水性不同，可分為裂隙型和空腔型2種類型，“空腔型”離層具有離層空間大、維持穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)、富水性與透水性強(qiáng)等特點(diǎn)，是發(fā)生離層水水害的主要離層類型[31-33]?！翱涨恍汀彪x層主要形成于軟硬互層結(jié)構(gòu)的地層中，并集中發(fā)育于厚層堅(jiān)硬巖層底部;而且煤層采厚越大，越易于發(fā)育“空腔型”離層。

(2)離層周邊存在補(bǔ)給水源。在離層達(dá)到“封閉”可積水的條件后，只有接受相鄰含水層的補(bǔ)給才能夠形成離層水體。天然含水層的富水性也決定了采動(dòng)離層空間積水的強(qiáng)度，進(jìn)而影響離層涌突水強(qiáng)度。

(3)離層空間持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)。離層發(fā)育是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，隨著采煤工作面的繼續(xù)推進(jìn)與采空區(qū)面積逐漸增大，離層空間逐漸擴(kuò)大;當(dāng)離層空間發(fā)育到極限，即離層空間上伏巖層達(dá)到極限破斷距時(shí)，其上覆巖層發(fā)生斷裂并整體下沉，離層空間則會(huì)迅速減小甚至閉合，以上過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間則為離層空間持續(xù)時(shí)間，如圖4所示。離層空間持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，則其充水時(shí)間越長(zhǎng)，積水水量越大。

圖4 頂板離層時(shí)空分布規(guī)律[14]Fig.4 Spatial and temporal distributionof roof bed separation[14]

2 煤層覆巖離層水害致災(zāi)機(jī)理

在離層水形成與發(fā)育的基礎(chǔ)上，如果積水離層下部產(chǎn)生導(dǎo)水的通道，致使“相對(duì)封閉”的離層空間與下部的開(kāi)采空間連通，則離層空間中的積水會(huì)沿著導(dǎo)水通道進(jìn)入采空區(qū)或工作面，進(jìn)而形成離層突水。所以離層積水的形成是離層涌突水的先決條件，而導(dǎo)水通道的形成是離層涌突水的誘發(fā)因素。表1為筆者收集的發(fā)生離層水害的采煤工作面，筆者將其致災(zāi)機(jī)理分為多煤層疊加開(kāi)采與單煤層開(kāi)采2個(gè)方面進(jìn)行闡述。

表1 部分煤礦頂板離層水害統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of water disaster caused by roof bed separation in some coal mines

2.1 多煤層疊加開(kāi)采下離層水害形成機(jī)制

多煤層疊加開(kāi)采引發(fā)離層突水的煤礦目前主要有魚(yú)田堡煤礦、南桐一井、南桐二井、打通一礦、五輪山煤礦、海孜煤礦、新集一礦與新集二礦等。在近距離煤層疊加開(kāi)采的條件下，后期的煤層開(kāi)采會(huì)重復(fù)擾動(dòng)煤層頂板覆巖，導(dǎo)致頂板覆巖破壞加劇和導(dǎo)水裂隙帶升高，最終致使離層空間與下伏采場(chǎng)之間形成導(dǎo)水通道，引發(fā)離層水害。根據(jù)其覆巖的工程地質(zhì)條件、導(dǎo)水通道形成原因與突水特點(diǎn)等可將其分成2種類型進(jìn)行介紹。

2.1.1重復(fù)擾動(dòng)突水

魚(yú)田堡、南桐、打通煤礦等煤礦開(kāi)采期間均有工作面出現(xiàn)多次頂板離層突水，突水基本與周期來(lái)壓和關(guān)鍵層破斷有關(guān)，且突水強(qiáng)度隨采深的增加而增加。通過(guò)對(duì)水位、水質(zhì)的分析及大量鉆孔探明:突水水源主要為長(zhǎng)興組灰?guī)r含水層，離層主要發(fā)育在長(zhǎng)興灰?guī)r內(nèi)[34-37]，突水通道為導(dǎo)水裂縫。貴州五輪山煤礦主采二疊系龍?zhí)督M煤層，其1601工作面位于8煤采空區(qū)之上，屬上行開(kāi)采，在工作面回采期間出現(xiàn)3次離層突水。出水時(shí)伴隨礦壓的增大，其出水位置在預(yù)計(jì)覆巖關(guān)鍵層破斷位置處，如圖5所示。突水水源主要為龍?zhí)督M上段砂巖裂隙水，離層發(fā)育于龍?zhí)督M上段3煤底部細(xì)砂巖下，突水通道的形成因疊加開(kāi)采的影響下導(dǎo)水裂隙帶貫穿離層空間所致。

圖5 破斷位置與突水位置Fig.5 Fracture location and water inrush location

可以看出五輪山煤礦與南桐、打通等煤礦的突水案例具有相似之處:① 先期煤層開(kāi)采時(shí)工作面涌水量無(wú)異常，后期煤層開(kāi)采時(shí)發(fā)生離層突水;② 突水時(shí)伴隨周期來(lái)壓，出水位置與關(guān)鍵層破斷位置有關(guān);③ 突水通道的形成為疊加開(kāi)采的影響下導(dǎo)水裂隙帶貫穿離層空間所致。

總結(jié)以上因素可以得出其離層突水致災(zāi)機(jī)理:在先期煤層開(kāi)采時(shí)，離層空間位于導(dǎo)水裂隙帶之上，處于穩(wěn)定狀態(tài);在后期煤層開(kāi)采的重復(fù)擾動(dòng)下，導(dǎo)水裂縫突破隔水層，形成導(dǎo)水通道，并引發(fā)離層突水。此種離層水害的形成機(jī)制為重復(fù)擾動(dòng)出水，即在近距離多煤層疊加開(kāi)采的重復(fù)擾動(dòng)作用下，先期采動(dòng)時(shí)在覆巖內(nèi)形成的“相對(duì)封閉”的離層積水空間并處于積水狀態(tài)，隨著后期煤層的開(kāi)采與采空區(qū)的擴(kuò)大，導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)一步向上延展;隨著離層空間下伏亞關(guān)鍵層破斷，導(dǎo)水裂隙帶加速發(fā)育溝通了離層區(qū)，形成導(dǎo)水通道，引起離層突水[30,37-38]，如圖6所示。

圖6 重復(fù)擾動(dòng)突水示意Fig.6 Schematic diagram of repeated disturbance water inrush

2.1.2動(dòng)力突水

海孜、新集等煤礦雖然也是近距離多煤層疊加開(kāi)采，但其致災(zāi)原因與突水特點(diǎn)卻與南桐、五輪山等煤礦不同。此3個(gè)煤礦采場(chǎng)上覆巖層發(fā)育巨厚堅(jiān)硬的火成巖或變質(zhì)巖:海孜煤礦采場(chǎng)上覆發(fā)育巨厚火成巖，離層水體發(fā)育于火成巖下覆的砂巖含水層中;新集煤礦屬于推覆體下采煤，采場(chǎng)上覆有堅(jiān)硬片麻巖，離層水體發(fā)育于片麻巖與下覆砂泥巖之間。區(qū)別于重復(fù)擾動(dòng)出水，此類離層突水通道的產(chǎn)生均因?yàn)樵诏B加開(kāi)采的擾動(dòng)下，離層上覆堅(jiān)硬巖體會(huì)突然產(chǎn)生動(dòng)力失穩(wěn)，瞬間釋放巨大動(dòng)能并擊拍離層水體，瞬間產(chǎn)生超高水壓力，突破隔水層，致使離層下覆巖層破斷產(chǎn)生導(dǎo)水通道，引發(fā)離層水害[39-44]，如圖7所示。此種離層水害的形成機(jī)制為動(dòng)力突水，其特點(diǎn)為:突水征兆不明顯，瞬時(shí)水量極大，且有大量的碎石隨離層水體涌入的特點(diǎn)。

圖7 動(dòng)力突水示意Fig.7 Schematic diagram of dynamic water inrus

此后有學(xué)者在海孜煤礦突水案例的基礎(chǔ)上，引入爆炸力學(xué)的理論，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件勘查、模擬試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和理論推導(dǎo)的方法探討動(dòng)力突水的動(dòng)力沖破帶形成機(jī)理[25,45-46]，細(xì)化了突水通道的形成過(guò)程,得出動(dòng)力突水通道由2部分組成:一部分是煤層開(kāi)采形成的導(dǎo)水裂隙帶;另一部分則為動(dòng)力源產(chǎn)生的沖擊動(dòng)力作用下形成的動(dòng)力突破帶，兩者在垂向上相互聯(lián)系，最終形成“動(dòng)力突水通道”。

2.2 單煤層開(kāi)采下離層水害形成機(jī)制

單煤層開(kāi)采引發(fā)離層水害的煤礦主要有濟(jì)寧二號(hào)、紅柳、玉華、照金、崔木、招賢、新上海一號(hào)等煤礦。此類型的煤礦雖沒(méi)有疊加開(kāi)采的影響，但是其開(kāi)采的煤層屬于厚及特厚煤層，開(kāi)采強(qiáng)度大，覆巖破壞劇烈，容易形成離層水害。根據(jù)其所采煤系、覆巖工程地質(zhì)條件、突水特點(diǎn)及致災(zāi)原因可分為2類討論:一類為濟(jì)寧二號(hào)煤礦的靜水壓涌突水離層水害;另一類為鄂爾多斯盆地內(nèi)招賢、崔木、新上海一號(hào)、紅柳、照金等煤礦所發(fā)生的離層水害，此區(qū)域內(nèi)采場(chǎng)覆巖的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、離層水害特點(diǎn)與其他地區(qū)不同，且致災(zāi)機(jī)理復(fù)雜，是目前研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

2.2.1靜水壓涌突水

濟(jì)寧二號(hào)煤礦主采二疊系3煤，煤厚平均4.92 m，單煤層開(kāi)采。其特點(diǎn)為:工作面回采期間涌水量正常，而在對(duì)采空區(qū)疏放水過(guò)程中,隨采空區(qū)頂板覆巖的變形與破壞,最終形成導(dǎo)水通道，離層水體進(jìn)入采空區(qū)，出現(xiàn)采空區(qū)積水補(bǔ)給量突增的現(xiàn)象[47-49]。經(jīng)研究采場(chǎng)覆巖離層發(fā)育于煤層上覆52.18 m以上的泥巖與中粗砂巖之間，充水水源為離層空間上覆的中粗砂巖含水層。

筆者根據(jù)此突水實(shí)例，提出“靜水壓涌突水”的離層水害致災(zāi)機(jī)理[47]:隨著工作面推進(jìn)與采空區(qū)的擴(kuò)大，采場(chǎng)頂板覆巖離層逐漸發(fā)育，在離層周邊含水層對(duì)其的不斷補(bǔ)給下，離層積水量與覆巖變形逐漸增大，離層水頭升高，產(chǎn)生一定的靜水壓力并逐漸增大，使得離層水體對(duì)其下位巖層施加一定的孔隙水壓力與荷載作用,其中孔隙水壓力對(duì)離層下位完整巖層結(jié)構(gòu)造成破壞，使得有效隔水層厚度逐漸減小;而離層水的荷載作用，則使得離層下部的裂隙帶高度增大;最終導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通積水的離層空間形成離層突水，如圖8所示。

圖8 靜水壓涌突水示意Fig.8 Schematic diagram of hydrostatic water inrush

2.2.2侏羅系煤田離層水害形成機(jī)制

目前國(guó)內(nèi)離層水害問(wèn)題以鄂爾多斯盆地內(nèi)侏羅紀(jì)煤田最為突出，工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件復(fù)雜,防治難度大，受高強(qiáng)度開(kāi)采、沖擊地壓危險(xiǎn)性等多因素影響。紅柳、玉華、照金、崔木、招賢、新上海一號(hào)等煤礦，在開(kāi)采期間均有工作面出現(xiàn)多次離層突水，紅柳、玉華、崔木等煤礦工作面離層突水出現(xiàn)周期性的特點(diǎn)[29,50-58];其中玉華、照金、崔木、招賢煤礦的離層發(fā)育層位均位于白堊系與侏羅系接觸帶之間，離層空間距下伏煤層厚100 m以上，均屬高位離層突水;紅柳、新上海一號(hào)煤礦離層則發(fā)育于侏羅系直羅組內(nèi)，其中新上海一號(hào)煤礦其離層突水呈間歇式特點(diǎn)。此外，照金、崔木、招賢、新上海一號(hào)煤礦，出現(xiàn)了突水?dāng)y大量泥沙的情況，其中照金、新上海一號(hào)煤礦更是出現(xiàn)工作面被泥砂掩埋的災(zāi)害事故。筆者將以崔木、招賢、上海廟一號(hào)煤礦的離層水害為例，說(shuō)明突水過(guò)程與突水特征，并對(duì)其離層水害形成機(jī)制展開(kāi)分析。

(1)崔木、招賢高位離層水害形成機(jī)制。崔木、招賢等煤礦的頂板覆巖離層發(fā)育于白堊系砂巖與下伏侏羅系泥巖接觸帶之間，距下伏延安組煤層有150～350 m的厚度;由于頂板覆巖為軟弱泥質(zhì)弱膠結(jié)巖層，在特厚煤層高強(qiáng)度的開(kāi)采下導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育較高，易導(dǎo)通離層空間，形成高位離層水害。

招賢煤礦1304工作面主采侏羅系延安組3煤，煤厚11 m，工作面長(zhǎng)1 675 m。1304工作面在回采期間共發(fā)生3次離層突水(表2)，且3次突水特征明顯。在3次突水前:白堊系巨厚含水層水位均出現(xiàn)快速下降;工作面支架壓力顯現(xiàn)明顯，逐漸大面積來(lái)壓;出現(xiàn)片幫、煤壁切斷現(xiàn)象，有淋滲水并逐步加大，瓦斯涌出量也迅速增大。3次工作面離層水涌出時(shí):洛河—宜君組水位急速下降;離層水?dāng)y帶大量泥砂進(jìn)入工作面，瞬間造成排水系統(tǒng)癱瘓，導(dǎo)致工作面淤堵;工作面出現(xiàn)煤壁切斷，導(dǎo)致水砂從開(kāi)切眼煤壁處潰出。其中第1次出水發(fā)生在工作面推進(jìn)至944 m處(5次見(jiàn)方)，涌水水源為白堊系巨厚含水層，離層發(fā)育于白堊系砂巖與侏羅系泥巖的交界處，因不均勻采動(dòng)導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙異常發(fā)育，最終突破隔水層形成導(dǎo)水通道。后兩次突水分別發(fā)生在工作面推進(jìn)至1 001,1 109 m處。其突水原因?yàn)?因前一次突水導(dǎo)致工作面停采;停采后采場(chǎng)覆巖開(kāi)始趨于穩(wěn)定，導(dǎo)水通道重新閉合，離層空間重新開(kāi)始積水，靜水壓力產(chǎn)生并隨著積水量的增加而增加;工作面恢復(fù)開(kāi)采后，在采場(chǎng)覆巖重新擾動(dòng)與靜水壓的影響下，離層水體突破隔水層再次形成導(dǎo)水通道，引發(fā)離層突水。

表2 招賢煤礦1304工作面離層突水?dāng)?shù)據(jù)Table 2 Water inrush data of 1 304 working face in Zhaoxian coal mine

崔木煤礦主采煤層為侏羅系延安組3煤，平均煤厚16.89 m，在21301,21302工作面回采期間出現(xiàn)多次異常涌水(圖9)，其水害特征明顯:① 工作面突水前，采場(chǎng)上覆白堊系砂巖含水層水位降幅明顯增大;② 突水發(fā)生隨工作面推進(jìn)呈周期性，涌突水主要發(fā)生在見(jiàn)方處;③ 突涌水量大于400 m3/h時(shí)，全部伴隨冒頂、抽頂、煤壁片幫、支架壓死等現(xiàn)象;④ 瞬時(shí)水量大，攜有大量煤泥，隨后衰減，逐漸平穩(wěn)。從以上特征可以看出，離層突水水源主要為上覆白堊系砂巖含水層，離層發(fā)育于白堊系砂巖與侏羅系泥巖接觸帶之間，離層突水與覆巖破斷及見(jiàn)方來(lái)壓密切，離層突水通道為采動(dòng)影響下導(dǎo)水裂隙帶貫穿離層空間所致。

圖9 崔木21301工作面涌突水水量隨距離開(kāi)切眼距離變化Fig.9 Variation of water inflow and inrush volume with distance from cut off hole in Cuimu 21301 working face

此高位離層突水的特點(diǎn)為:① 離層發(fā)育于白堊系巨厚砂巖與下覆侏羅系泥巖接觸帶之間;② 離層充水水源為白堊系巨厚砂巖含水層;③ 突水前，白堊系砂巖含水層水位降幅明顯增大;④ 離層突水位置與覆巖關(guān)鍵層破斷有關(guān)，多發(fā)生于見(jiàn)方處;⑤ 突水時(shí)出現(xiàn)大面積來(lái)壓，表現(xiàn)為冒頂、抽頂、煤壁片幫、支架壓死等現(xiàn)象;⑥ 離層突水?dāng)y帶泥砂。

此區(qū)域煤層頂板覆巖的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件為:① 白堊系砂巖含水層具有巨厚(厚200～500 m)、高水壓的特點(diǎn)，以長(zhǎng)石石英砂巖為主，分選好，巖性穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)疏松，交錯(cuò)層理發(fā)育，水量大、水質(zhì)好;② 下伏侏羅系為厚150～350 m的軟弱泥質(zhì)隔水層，具有成巖時(shí)間相對(duì)短、弱膠結(jié)、泥質(zhì)含量高等特點(diǎn)，在強(qiáng)水動(dòng)力作用下易發(fā)生崩解與泥化;③ 開(kāi)采煤層為侏羅系厚及特厚煤層。如圖10所示。

圖10 侏羅系煤層、軟弱泥質(zhì)頂板和白堊系巨厚高壓含水層空間結(jié)構(gòu)示意Fig.10 Spatial structure of Jurassic coal seam,weak argillaceous roof and Cretaceous thick high pressure aquifer

災(zāi)害孕育階段為:在侏羅系厚及特厚煤層高強(qiáng)度開(kāi)采過(guò)程中，一方面導(dǎo)水裂隙逐漸向上發(fā)育;另一方面，白堊系巨厚、高水壓砂巖含水層與下伏一定厚度的侏羅系軟弱泥巖形成橫向離層積水空間，離層空間不斷擴(kuò)大并充水，白堊系巨厚、高壓砂巖含水層水位開(kāi)始下降。

災(zāi)害發(fā)生過(guò)程為:導(dǎo)水裂隙持續(xù)發(fā)育，離層積水下位巖層(亞關(guān)鍵層)破斷，導(dǎo)水裂隙帶與橫向離層充水裂隙貫通并形成縱向主導(dǎo)水裂隙，礦山壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈;縱向主導(dǎo)水裂隙是導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)其主要導(dǎo)水作用的主滲流通道，離層水體沿縱向主導(dǎo)水裂隙涌入工作面，含水層水位驟然下降;涌水來(lái)勢(shì)兇猛，軟弱泥質(zhì)覆巖在強(qiáng)水動(dòng)力作用下，形成泥沙隨離層水體涌出;隨后軟弱巖層移動(dòng)調(diào)整，縱向主控裂隙逐漸彌合，涌水量隨之略降;工作面推過(guò)大流量涌水位置后，涌水結(jié)束;進(jìn)入下一個(gè)涌水和來(lái)壓周期。

(2)新上海一號(hào)間歇式離層突水。新上海一號(hào)煤礦主采煤層為侏羅系延安組8煤，平均煤厚3.5 m。111084工作面長(zhǎng)1 880 m，寬210 m，在回采至141 m處，發(fā)生頂板離層突水，并在停采133 d內(nèi)又出現(xiàn)3次突水，見(jiàn)表3。

表3 新上海一號(hào)煤礦111084工作面離層突水?dāng)?shù)據(jù)Table 3 Water inrush data of 111084 working face in new Shanghai No.1 Coal Mine

相比于崔木、招賢等煤礦，新上海一號(hào)煤礦的煤層較薄，采動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較低，其離層突水出現(xiàn)新特點(diǎn):① 離層發(fā)育于侏羅系直羅組底部“七里鎮(zhèn)砂巖”內(nèi);② 離層充水水源為直羅組“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層;③ 突水?dāng)y帶大量泥沙，工作面以及回風(fēng)巷道、運(yùn)輸巷道均被泥沙淤塞，造成淹面埋架嚴(yán)重事故;④ 突水停采后相同位置又發(fā)生多次突水，表現(xiàn)為間歇式突水，突水水量梯次遞減。

侏羅系直羅組平均厚度103.88 m，巖性主要為砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖等，底部的粗粒石英長(zhǎng)石砂巖為“七里鎮(zhèn)砂巖”，與延安組呈角度不整合接觸;“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層，平均41.20 m，富水性不均一為弱～中等，屬孔隙-裂隙含水層。通過(guò)工作面上覆“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層富水性分區(qū)及危險(xiǎn)性分區(qū)，111084工作面同時(shí)處于富水區(qū)與危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)。

災(zāi)害孕育階段為:工作面推進(jìn)過(guò)程中，一方面導(dǎo)水裂縫逐漸向上發(fā)育;另一方面，直羅組底部“七里鎮(zhèn)砂巖”因巖性不均一，形成橫向離層積水裂隙不斷變大并充水，“七里鎮(zhèn)砂巖”含水層水位開(kāi)始下降。

災(zāi)害發(fā)生過(guò)程為:在煤層開(kāi)采的擾動(dòng)下，導(dǎo)水裂隙帶持續(xù)升高，同時(shí)離層下伏巖體在靜水壓力和覆巖遇水軟化雙重作用下，形成導(dǎo)水通道，發(fā)生第1次突水時(shí)，離層涌水量最大達(dá)2 000 m3/h，在強(qiáng)水動(dòng)力作用下，攜帶大量泥沙進(jìn)入工作面;在停采期間，水壓與水動(dòng)力減弱，離層下覆泥巖裂隙閉合，離層又開(kāi)始進(jìn)行蓄水;隨著離層空間內(nèi)水壓水量的增大，離層水體再次沖開(kāi)導(dǎo)水通道，發(fā)生離層突水。隨著離層空間在覆巖重力作用下受到壓縮和附近含水層水體釋放后離層水從更遠(yuǎn)處補(bǔ)給，離層水量呈梯次性衰減，休止期梯次延長(zhǎng)。

(3)攜泥砂型離層水害機(jī)理分析。近些年來(lái)，鄂爾多斯盆地煤礦離層水害出現(xiàn)離層突水?dāng)y帶大量泥沙的現(xiàn)象。新上海一號(hào)、招賢、崔木、照金等煤礦均出現(xiàn)離層突水并攜帶大量泥沙的情況。照金煤礦202工作面發(fā)生攜泥砂型離層水害，工作面回采至1 153 m時(shí)，生產(chǎn)人員聽(tīng)到巨大聲響，并伴有強(qiáng)大的氣流，瞬時(shí)最大涌水量1 299 m3/h，泥砂石總量約1 680 m3，少量石塊主要為巖石的碎塊，工作面被泥砂掩埋，并有450 m巷道出現(xiàn)淤積，造成人員死亡。與招賢、崔木煤礦類似，照金煤礦也屬高位離層突水，其上覆侏羅系屬弱膠結(jié)軟巖地層，在強(qiáng)水動(dòng)力作用下易發(fā)生崩解與泥化，進(jìn)而形成泥-砂-水混合體，隨導(dǎo)水通道進(jìn)入工作面，造成工作面的掩埋或淤堵。

鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田高強(qiáng)度開(kāi)采覆巖攜泥砂突水的孕災(zāi)機(jī)理與以往礦井突水潰砂災(zāi)害有所不同。從災(zāi)害的水源、物源、通道和強(qiáng)度上分析具有以下特征:① 攜泥砂突水“水源”是地下天然含水層，或者是導(dǎo)水裂隙帶上部的采動(dòng)高位離層裂隙(空間)積水體，補(bǔ)給水源均為白堊紀(jì)巨厚含水層，并非傳統(tǒng)突水潰砂的水源為水砂混合層；② 攜泥砂突水的固體“物源”非地表的風(fēng)積沙或新生代松散覆蓋層底部砂粒(水砂混合層)，而是侏羅紀(jì)覆巖隔水層中的風(fēng)化—軟—弱巖層遇水分解、崩解、泥化形成的；③ 攜泥砂突水“通道”并非完全由采動(dòng)影響而演化，而是“通道”本身也提供固體“物源”，且泥砂的沖出和堆積會(huì)影響“通道”的擴(kuò)展和封堵；④ 攜泥砂突水“強(qiáng)度”(涌突水量和泥砂石量)具有瞬時(shí)量大、伴隨強(qiáng)烈礦壓并隨后逐步減弱的特點(diǎn)，且固體“物源”與“水源”分離。泥砂石量的強(qiáng)度取決于覆巖巖層的沉積相、膠結(jié)物、粒度、碎屑含量和黏土礦物成分等工程地質(zhì)特性，同時(shí)也受水壓力和涌水強(qiáng)度影響。

2.3 能量源和表現(xiàn)特征離層水害分類對(duì)比

上述根據(jù)我國(guó)發(fā)生離層水害的單煤層和多煤層進(jìn)行了歸類說(shuō)明，其中侏羅系煤層開(kāi)采覆巖離層水害多出現(xiàn)攜帶泥砂現(xiàn)象，只是有些離層水害泥砂量較少，有些離層水害泥砂石量較大，所以可以歸結(jié)為:離層攜泥砂井下泥石流災(zāi)害。所以又可以按照能量大小和表現(xiàn)特征進(jìn)一步對(duì)比分析，離層“動(dòng)力突水”的動(dòng)力源重點(diǎn)在巨厚整體狀結(jié)構(gòu)火成巖破斷釋放的能量，能量巨大，突水通道的形成具有突發(fā)性，往往瞬間形成，離層“動(dòng)力突水”突水量的大小取決于積水量和火成巖破斷能量，突水表現(xiàn)為瞬時(shí)量巨大、破壞性極強(qiáng)、水量迅速衰減，災(zāi)害事故幾乎是“瞬間形成”;離層“靜水壓涌突水”的通道是在高位巖層破斷壓力和水壓力以及導(dǎo)水裂隙帶向上發(fā)育突破隔水關(guān)鍵層的共同作用下形成，突水通道形成也有突發(fā)性，但由于能量源相對(duì)較小，水動(dòng)力勢(shì)能取決于積水量和積水高度，水害特征與“動(dòng)力突水”相比相對(duì)“緩和”，多出現(xiàn)井下涌水量持續(xù)增加或探放水水量異常增大;離層“攜泥砂井下泥石流”突水動(dòng)力源取決于高位巖層破斷能量、離層積水高度和離層積水量，突水通道的形成具有突發(fā)性、周期性，主要特點(diǎn)為水流下泄過(guò)程中出現(xiàn)攜帶覆巖泥砂潰入井下形成井下泥石流，攜泥砂井下泥石流導(dǎo)致進(jìn)一步的壓架加重，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，工作面空間減小，被泥砂淤堵，但受覆巖地質(zhì)條件和開(kāi)采條件影響，不同位置的突水水量和攜帶泥砂量大小不一;離層“攜泥砂井下泥石流”災(zāi)害形成具有一定的突發(fā)性[59]，但往往在災(zāi)害之前有“水位急劇下降”、“大面積來(lái)壓”、“支架動(dòng)載加強(qiáng)”等表征?？偨Y(jié)上述3種離層水害的突水特點(diǎn)差異見(jiàn)表4。

表4 按照能量源與災(zāi)害特點(diǎn)分類離層水害類型對(duì)比Table 4 Comparison of water disaster types in bed separation according to energy source and disaster characteristics

3 覆巖離層水害預(yù)測(cè)

縱觀以上離層突水案例，離層水害具有破壞性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間短、致災(zāi)機(jī)理復(fù)雜、探查難度大等特點(diǎn)。離層水害預(yù)測(cè)的首要問(wèn)題是對(duì)積水離層位置進(jìn)行預(yù)判，其次是對(duì)其破斷的周期性進(jìn)行預(yù)測(cè)，最后離層突水的水量預(yù)測(cè)。

3.1 可積水離層位置預(yù)判

傳統(tǒng)關(guān)鍵層判別離層公式:假設(shè)巖層所承受的載荷是均勻的，采用組合梁理論進(jìn)行力學(xué)分析，如果各組合梁的撓度不同，兩組組合梁之間就會(huì)產(chǎn)生離層，其中在每組組合梁中，第n層巖層對(duì)該組的第1層巖層的載荷[27]為

(1)

式中,E1，E2，…，En為各層的彈性模量;h1，h2，…，hn為各層的厚度;ρ1，ρ2，…，ρn為各層的密度;n為該組巖層數(shù)。

如果qn,1>qn+1,1則說(shuō)明n+1層巖層沒(méi)有對(duì)第1層巖層施加載荷，證明離層產(chǎn)生在第n層與第n+1層之間，整理得

(2)

此后，賀江輝改進(jìn)的離層位置判別方法提出了逐級(jí)對(duì)比合并法[29]。范開(kāi)放針對(duì)傳統(tǒng)關(guān)鍵層判別離層公式忽略了巖層組合的力學(xué)作用與變形情況，對(duì)其進(jìn)行了修正[60]。PALCHIK V利用氣井排氣的特性進(jìn)行了離層帶和裂隙帶發(fā)育高度的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，結(jié)合覆巖相關(guān)特點(diǎn)和實(shí)測(cè)結(jié)果總結(jié)出了離層的判別公式[4,61]為

(3)

其中，K為判別系數(shù)，若大于0則產(chǎn)生離層，小于0則不產(chǎn)生離層;m為開(kāi)挖煤層的厚度;H為從開(kāi)采煤層到巖層界面的距離;σa和σb分別為巖層界面上方和下方的巖石單軸抗壓強(qiáng)度;ha和hb分別為巖層界面上方和下方的巖層厚度;hd為裂隙帶范圍內(nèi)關(guān)鍵層的厚度;a=0.07為統(tǒng)計(jì)系數(shù)。

除此之外，不少學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬(如FLAC,3DEC軟件)與相似材料模擬等手段，對(duì)離層發(fā)育位置進(jìn)行預(yù)測(cè)[27,53,61-64]。

3.2 離層突水周期性預(yù)判

煤層頂板覆巖離層水突水是一個(gè)由離層的形成、發(fā)展、積水，到突水及新的離層形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程。煤層頂板覆巖的周期性破斷，使得離層突水也呈現(xiàn)出周期性特點(diǎn)，但是由于每個(gè)周期內(nèi)形成的離層空間體積大小不同，所以每次離層突水的規(guī)模也各不相同，一般來(lái)說(shuō)首次出現(xiàn)的離層空間體積最大，其突水規(guī)模也最大[27,52]。

對(duì)周期性離層突水，研究頂板覆巖離層的時(shí)空發(fā)育規(guī)律對(duì)于離層突水的預(yù)測(cè)有著重要作用。方剛、婁金福等從玉華、紅柳、崔木等煤礦的周期性離層突水案例中研究得出:周期性離層突水與周期性來(lái)壓和覆巖(亞)關(guān)鍵層的周期性破斷有關(guān)，即離層出水位置往往是覆巖(亞)關(guān)鍵層破斷處且伴隨周期來(lái)壓[52,62,65-67]。因此，周期來(lái)壓步距與周期跨落步距是預(yù)測(cè)離層突水周期性的關(guān)鍵。張文忠推導(dǎo)了在考慮水體浮托力下的離層破斷距L計(jì)算公式[38]為

(4)

式中，h為懸露巖層的分層厚度，m;Rt為含水層中基本頂?shù)臉O限抗拉強(qiáng)度;q為含水層中基本頂上部載荷;g為重力加速度;∑h為覆巖的垮落厚度，m;θ為巖層垮落角。

3.3 離層涌突水水量預(yù)測(cè)

目前有關(guān)離層涌突水水量預(yù)測(cè)的研究還較少。若可積水離層被積水完全充滿時(shí)，離層水的體積即為可積水離層的總體積，即離層水的最大體積為各可積水離層的體積之和，因此對(duì)于離層涌突水水量的預(yù)測(cè)可轉(zhuǎn)化為離層空間體積的預(yù)測(cè)。

程新明等提出了經(jīng)驗(yàn)類比法來(lái)計(jì)算離層涌突水水量[68]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料檢索情況,以及淮南礦區(qū)對(duì)采動(dòng)離層裂隙發(fā)育情況的實(shí)地監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)離層裂隙體積V與煤層回采體積Vc存在正比例關(guān)系,即

V=γVc

(5)

式中，γ為比例系數(shù)，%，根據(jù)相似礦井或工作面已有的離層裂隙監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行回歸統(tǒng)計(jì)確定。

對(duì)于周期性離層涌水的礦井，可以通過(guò)之前離層涌突水水量的觀測(cè)資料，得出離層涌水量與工作面推進(jìn)的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)行下一次離層涌突水水量預(yù)測(cè);除此之外，還可以通過(guò)附近已開(kāi)采區(qū)域離層涌突水水量的情況，對(duì)工作面離層涌突水水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4 離層水害防治方法與難點(diǎn)

4.1 防治方法

要想達(dá)到離層水防治效果的最大化，就要設(shè)計(jì)合理可行的離層水防治方案。對(duì)于不同的工程，因其地質(zhì)條件與工程條件的不同，其離層水的防治方案與措施也不同。近年來(lái)，由于離層水害的頻發(fā)，對(duì)于離層水害防治的研究也逐漸增加，目前對(duì)于離層水害防治的方案步驟基本一致。首先，確定可積水離層可能發(fā)育的位置與周邊含水層的富水性,判斷該工作面上覆離層水的形成條件;然后在采前對(duì)周邊補(bǔ)給含水層進(jìn)行有效疏放，在回采過(guò)程中對(duì)離層水進(jìn)行探放;最后增加工作面與礦井的排水能力，建立礦井水情動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及水害預(yù)警[52]。

根據(jù)前述章節(jié)敘述可知離層水害的4個(gè)基本條件:① 可積水離層—離層空間具有“封閉性”;② 離層周邊存在補(bǔ)給水源;③ 一定長(zhǎng)的離層空間充水時(shí)間;④ 具備導(dǎo)水通道。離層水害防治措施從這4個(gè)條件出發(fā)。

鉆孔疏放是目前主要的離層水害防治方法:在掌握離層積水發(fā)育位置后，對(duì)其進(jìn)行疏放。疏放鉆孔可以預(yù)疏放離層補(bǔ)給水源，破壞離層空間的可積水性，疏放離層空間積水，以破壞離層水害形成的基本條件達(dá)到防治目的。采場(chǎng)頂板離層水疏放孔可分為井下導(dǎo)流孔、截流孔與地面直通式泄水孔。積水離層位置距下伏工作面較近時(shí)，可采用井下疏放孔治理;對(duì)崔木、招賢等煤礦積水離層發(fā)育位置較高，井下上仰施工困難的情況，可采用地面直通式泄水孔進(jìn)行離層水的疏放。

(1)井下離層水導(dǎo)流孔。其目的是在覆巖離層水對(duì)工作面造成影響之前，對(duì)覆巖離層水進(jìn)行超前疏放，減小回采期間覆巖離層積水對(duì)工作面的影響。井下離層水導(dǎo)流孔應(yīng)指向離層空間，終孔于離層積水區(qū)，如圖11所示。

圖11 井下離層水導(dǎo)流孔示意Fig.11 Schematic diagram of diversion hole for bed separation water

(2)井下離層水截流孔(超前疏放孔)。其目的是疏放離層補(bǔ)給含水層，阻截其對(duì)離層空間的補(bǔ)給，以減小離層空間獲得的補(bǔ)給量，從而減小離層積水對(duì)工作面的影響。其中截流孔終孔于離層補(bǔ)給含水層，指向工作面外。離層水截流孔須在工作面回采之前進(jìn)行施工，并進(jìn)行疏放水，如圖12所示。

圖12 井下離層水截流孔示意Fig.12 Schematic diagram of cutoff hole for bed separation water

(3)直通式泄水孔。針對(duì)崔木、招賢等煤礦高位離層水害，因其離層與下部工作面之間大多數(shù)為泥巖層，井下施工困難，可以采用地面直通式泄水孔對(duì)采場(chǎng)頂板離層水進(jìn)行疏放[32]。直通式泄水孔的作用與離層水導(dǎo)流孔作用相同，都是提前疏放離層空間中的積水，以減小回采期間對(duì)下部工作面的影響。對(duì)于直通式泄水孔，應(yīng)指向離層空間，終孔于冒落帶頂部，如圖13所示。

圖13 地面直通式泄水孔結(jié)構(gòu)示意Fig.13 Structural diagram of straight through drain hole on the ground

除了鉆孔疏放的方法外，可以通過(guò)控制采高和推進(jìn)速度的方法來(lái)破壞可積水離層形成的必要條件，阻止離層水的形成。采場(chǎng)頂板離層空間的持續(xù)時(shí)間與煤層開(kāi)采推進(jìn)速度成反比，因此，加快工作面的推進(jìn)速度，可以縮短離層的持續(xù)時(shí)間，達(dá)到減小頂板離層水積水對(duì)下部采場(chǎng)影響的目的。此外由于采場(chǎng)頂板離層空間積水量取決于離層空間體積大小及離層空間動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量，而離層空間體積發(fā)育與工作面的推進(jìn)距離有關(guān)，因此，控制推進(jìn)速度可以控制離層空間積水量的大小。筆者曾以崔木煤礦 21302工作面為例，推算出21302工作面推進(jìn)速度與離層水積水量關(guān)系，提出了合理的推進(jìn)速度有效減弱了離層水突水危害[32]。在多煤層開(kāi)采時(shí)，通過(guò)減小采高，控制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，從而避免導(dǎo)水裂隙帶直接波及到離層積水區(qū)域，形成導(dǎo)水通道造成頂板離層突水。

在離層突水預(yù)警方面不少學(xué)者也有所研究，通過(guò)采場(chǎng)附近水文長(zhǎng)觀孔對(duì)離層補(bǔ)給含水層進(jìn)行水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，觀測(cè)頂板含水層的水位、水壓等水情動(dòng)態(tài)，并進(jìn)行詳細(xì)記錄，可起到突水預(yù)警作用[53]，如圖14所示。離層突水時(shí)常伴隨礦壓的增大與瓦斯含量增加的現(xiàn)象，因此，對(duì)工作面礦壓與瓦斯含量的檢測(cè)，可輔助水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，共同起到突水預(yù)警作用。此外曹海東基于對(duì)紅柳煤礦1121工作面突水實(shí)例的研究，認(rèn)為泥巖隔水層厚度是覆巖離層突水問(wèn)題的關(guān)鍵，并推導(dǎo)了發(fā)生離層水害的泥巖厚度計(jì)算公式與離層水體位置計(jì)算公式，可用于覆巖離層水害的預(yù)警與防治[30,69]。

圖14 崔木煤礦洛河組水位-井下涌水的關(guān)系曲線Fig.14 Relationship curve between water level and underground water inflow of Luohe formation in cuimu coal mine

4.2 防治難點(diǎn)及對(duì)策

本節(jié)結(jié)合目前國(guó)內(nèi)離層水害最嚴(yán)重的鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田開(kāi)展相關(guān)分析。由上文敘述可知，鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田離層水害防治的難點(diǎn)是:① 高位離層突水出現(xiàn)強(qiáng)礦壓，表現(xiàn)為冒頂、抽頂、煤壁片幫、支架壓死等現(xiàn)象;② 離層水害引發(fā)的潰砂問(wèn)題嚴(yán)重，造成工作面及部分巷道被淹。

對(duì)于高位離層水害，從礦井突水水源、通道和強(qiáng)度3個(gè)角度分析，高位離層水害有以下特點(diǎn):① 其突水“水源”為發(fā)育于白堊系與侏羅系接觸帶之間高位離層空間積水體，其補(bǔ)給水源為白堊系巨厚、高壓含水層，且具有一定的體量和周期性發(fā)育特點(diǎn);② 突水“通道”主要為采動(dòng)引發(fā)的侏羅系覆巖縱向主導(dǎo)水裂縫，其溝通離層空間是引發(fā)突水的主要原因，縱向主導(dǎo)水裂縫受導(dǎo)水裂縫發(fā)育和高位亞關(guān)鍵層破斷控制，且具有動(dòng)態(tài)演化特征，為主滲流通道;③ 突水“強(qiáng)度”，即突水水量，由導(dǎo)水通道(縱向主導(dǎo)水裂隙)和離層空間的演化規(guī)律控制，具有突水伴隨強(qiáng)烈礦壓并隨后逐步減弱的特點(diǎn)。

鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田近年來(lái)出現(xiàn)的離層水害引發(fā)的潰砂問(wèn)題，使得防治離層水害的難度進(jìn)一步加大。傳統(tǒng)的礦井潰砂災(zāi)害，是指近松散層采掘條件下，含砂量高的水砂混合層中的流體(含砂)潰入井下工作面，影響礦井安全生產(chǎn)的一種礦井地質(zhì)災(zāi)害。而鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田出現(xiàn)的災(zāi)害是一種攜泥砂突水災(zāi)害，其水源和物源是分離賦存的，災(zāi)害通道因采動(dòng)和水流的作用引發(fā)物源脫離而擴(kuò)展，從而進(jìn)一步增加礦壓控制的難度，最終形成采場(chǎng)突水、泥砂俱下、支架失效等極復(fù)雜災(zāi)害鏈問(wèn)題。

引發(fā)鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田攜泥砂突水災(zāi)害的核心問(wèn)題有2個(gè):一是侏羅—白堊紀(jì)覆巖較為特殊的工程地質(zhì)特性，復(fù)雜的沉積亞相和微相對(duì)應(yīng)的古風(fēng)化殼、軟弱泥質(zhì)巖和弱膠結(jié)砂巖(風(fēng)化-軟-弱巖層)以及大埋深煤層、高地應(yīng)力、高水壓的環(huán)境使得天然工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜;二是厚及特厚煤層的高強(qiáng)度采動(dòng)，綜采放頂煤，超長(zhǎng)工作面等誘發(fā)的采動(dòng)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件的變化使得災(zāi)害問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。所以防控此類災(zāi)害，即在采前就做到“有的放矢”，有必要抓住侏羅—白堊紀(jì)覆巖工程地質(zhì)特性這一主導(dǎo)因素。

闡明白堊系水文地質(zhì)條件、高位積水離層演化和突水通道提供泥砂石物質(zhì)來(lái)源，實(shí)則明確了災(zāi)害的“水源”、“動(dòng)力源”和“物源”問(wèn)題。而由于侏羅—白堊紀(jì)覆巖的工程地質(zhì)特性，直接頂、基本頂和主(亞)關(guān)鍵層的破斷規(guī)律，覆巖結(jié)構(gòu)和裂隙演化，決定了災(zāi)害的位置和方式，所以為災(zāi)害的“通道”的范疇。所以，不同覆巖工程地質(zhì)特性下的不同采高的工作面，是否一定有水害問(wèn)題？如果存在水害，表現(xiàn)為只“突水”還是“攜泥砂突水”？相關(guān)研究亟待開(kāi)展。

綜上所述，離層水害的孕育與發(fā)展具有“動(dòng)態(tài)水源”和“動(dòng)態(tài)通道”的特點(diǎn)，離層水害的發(fā)生后果是瞬時(shí)水量大甚至是攜帶泥砂石(易導(dǎo)致工作面壓架)的災(zāi)害。所謂“動(dòng)態(tài)水源”是指離層積水體不是天然含水層，而是在煤層覆巖中出現(xiàn)的采動(dòng)空間受天然含水層補(bǔ)給而充水，所以預(yù)測(cè)離層水體的形成位置、時(shí)機(jī)是難點(diǎn)之一?！皠?dòng)態(tài)通道”的難點(diǎn)在于離層積水體與采動(dòng)導(dǎo)水裂隙的結(jié)合點(diǎn)難以把握，離層積水體形成之后，如果導(dǎo)水裂縫(帶)無(wú)法與其貫通，則無(wú)法形成離層涌突水;若導(dǎo)水裂隙(帶)在采空區(qū)上方與離層水體溝通，則形成的離層涌突水危害強(qiáng)度較弱;當(dāng)導(dǎo)水裂隙在控頂區(qū)上方與離層水體溝通，或者在采空區(qū)上方溝通但是水流由導(dǎo)水裂隙引入工作面時(shí)，往往形成離層水害。所以，離層積水體(橫向裂隙空間積水)與采動(dòng)導(dǎo)水裂隙(以縱向?qū)严稙橹?的結(jié)合點(diǎn)位置、結(jié)合時(shí)機(jī)難以把握。由于涌突水的水源是動(dòng)態(tài)的，而涌突水的通道也是動(dòng)態(tài)的，所以離層涌突水的水量就難以預(yù)計(jì)。

離層水害的防治難點(diǎn)在于其涉及水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、采動(dòng)巖體力學(xué)和采礦工藝與設(shè)備等多個(gè)方面。首先應(yīng)對(duì)煤層覆巖工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件深入分析，開(kāi)展離層水害的區(qū)域預(yù)測(cè)工作，劃分離層水害發(fā)生的危險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)水害的防治做到“有的放矢”。其次應(yīng)深入分析工作面采動(dòng)過(guò)程中水位-礦壓-涌水量的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，獲取工作面離層水害的特征和外在表征，并輔助瓦斯涌出量、微震信號(hào)識(shí)別和地球物理探測(cè)等手段，開(kāi)展多個(gè)因素在離層涌突水全過(guò)程周期的演化規(guī)律研究，明辨離層水害發(fā)生的主要因素和矛盾，最后有針對(duì)性的開(kāi)展前述相關(guān)治理方法的研究和實(shí)施。

5 展 望

(1)離層水害的區(qū)域性預(yù)測(cè)。應(yīng)細(xì)化煤層覆巖的工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件研究，研究高位離層垂向和平面發(fā)育位置判斷的方法，開(kāi)展離層水害采前精準(zhǔn)預(yù)測(cè)分區(qū)研究。

(2)離層水害演化過(guò)程的核心問(wèn)題在于采動(dòng)覆巖變形、移動(dòng)和破壞機(jī)制，而目前覆巖破壞是一個(gè)“灰箱”問(wèn)題，需要鉆探技術(shù)、地球物理探測(cè)技術(shù)和采動(dòng)巖體工程地質(zhì)力學(xué)特性研究的進(jìn)一步突破，使得“灰箱”逐漸向“白箱”發(fā)展。從而進(jìn)一步可以防控災(zāi)害鏈(離層涌突水-潰砂石-沖擊地壓-工作面自燃等)的發(fā)生。

(3)在防控技術(shù)方面，目前防控技術(shù)相對(duì)單一、缺乏針對(duì)性，缺少離層水害綜合防控技術(shù)體系，從而導(dǎo)致或過(guò)度防治造成經(jīng)濟(jì)、工程量的浪費(fèi)。應(yīng)在采礦工藝、開(kāi)采布局、泄水孔快速有效施工、推進(jìn)速度控制和井下防排水系統(tǒng)完善等方面開(kāi)展深入研究。