我國(guó)煤礦離層涌突水致災(zāi)機(jī)理及其防控關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展*

張培森 朱慧聰 吳玉華 段中穩(wěn) 牛 輝 李復(fù)興

(①山東科技大學(xué)， 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地， 青島 266590， 中國(guó)) (②山東科技大學(xué)， 礦業(yè)工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 青島 266590， 中國(guó)) (③安徽省皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司， 宿州 234000， 中國(guó))

0 引 言

高效穩(wěn)定的能源供應(yīng)體系是實(shí)現(xiàn)高速度和高質(zhì)量兼并發(fā)展的重要保障。我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，最高年產(chǎn)在2014年達(dá)到峰值38.7×108t(孫超等， 2021)，原煤年消耗量在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比常年穩(wěn)定在55%以上(程磊等， 2016)。預(yù)計(jì)到2030年左右，煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占據(jù)的比重仍能達(dá)到50%(錢鳴高等， 2018)。由此可見，未來很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，煤炭在我國(guó)能源領(lǐng)域的主體地位不會(huì)動(dòng)搖，仍然是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中堅(jiān)能源。當(dāng)前，隨著新能源(如太陽能、風(fēng)能、核能、地?zé)崮?、波浪能?產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比會(huì)有所下降，但當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展對(duì)能源的需求總體上仍然呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，煤炭行業(yè)也將伴隨經(jīng)濟(jì)新常態(tài)局面的形成而迎來新的發(fā)展契機(jī)，同時(shí)也要面對(duì)新的挑戰(zhàn)，煤礦安全建設(shè)即為面臨的挑戰(zhàn)之一。

圖 1 離層動(dòng)態(tài)發(fā)育時(shí)空分布規(guī)律Fig. 1 Temporal and spatial distribution of dynamic development of bed separation

礦井突水事故是采礦工程的伴生災(zāi)害，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)建設(shè)的進(jìn)程。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)(孫文潔等， 2017； 苗耀武等， 2021)， 2000～2020年間我國(guó)共發(fā)生煤礦水害事故1193起，導(dǎo)致4745人死亡，其中較大事故和重大事故導(dǎo)致的死亡人數(shù)分別占統(tǒng)計(jì)年份區(qū)間內(nèi)死亡總?cè)藬?shù)的53%和38%。由此可見，煤礦突水事故的發(fā)生會(huì)嚴(yán)重威脅井下工作人員的生命安全，嚴(yán)重制約礦井的發(fā)展。近年來，隨著煤炭開采深度和開采強(qiáng)度的加大，煤層賦存水文地質(zhì)環(huán)境相對(duì)更加復(fù)雜，礦山壓力顯現(xiàn)增強(qiáng)，覆巖運(yùn)動(dòng)更為顯著。在此地質(zhì)背景下，頂板離層突水(武強(qiáng)等， 2013； 隋旺華等， 2019)漸呈多發(fā)態(tài)勢(shì)，引起了越來越多專家學(xué)者的重視，開展了相關(guān)研究。孫學(xué)陽等(2016)基于組合梁理論開展了離層動(dòng)態(tài)發(fā)育特征的相似材料模擬試驗(yàn)研究，分析了離層的動(dòng)態(tài)突水過程； 錢鳴高等(1996)、許家林等(2004)認(rèn)為在采場(chǎng)覆巖中，主關(guān)鍵層與亞關(guān)鍵層之間、亞關(guān)鍵層與亞關(guān)鍵層之間變形的不協(xié)調(diào)性是不同巖性巖層層間發(fā)育離層的主控因素，且受限于關(guān)鍵層巖體自身的高強(qiáng)度力學(xué)性質(zhì)，離層層位的最大發(fā)育高度一般位于主關(guān)鍵層以下； 張培森等(2020a)通過數(shù)值模擬分析和相似材料模擬實(shí)驗(yàn)開展了對(duì)特厚煤層開采過程中覆巖離層發(fā)育層位的判別以及豎向、橫向裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育特征的研究，研究結(jié)果表明，豎向裂隙的發(fā)育主要分為線性增長(zhǎng)和臺(tái)階式增長(zhǎng)兩個(gè)階段，橫向裂隙的發(fā)育自下而上呈現(xiàn)交替發(fā)育與閉合的特征，且其發(fā)育高度與工作面推進(jìn)距離呈正相關(guān)。朱衛(wèi)兵等(2009)通過開展相似材料模擬實(shí)驗(yàn)得出海孜煤礦巨厚火成巖下離層涌突水致災(zāi)的發(fā)生機(jī)理：關(guān)鍵層控制覆巖運(yùn)動(dòng)時(shí)，亞關(guān)鍵層的撓曲小于主關(guān)鍵層，使巨厚火成巖將部分載荷經(jīng)離層積水傳遞給下部巖體，增加了亞關(guān)鍵層所承擔(dān)的載荷，當(dāng)亞關(guān)鍵層基巖厚度較薄時(shí)易發(fā)生復(fù)合破斷，從而引起基巖的整體破斷和砌體梁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)滑落，導(dǎo)致離層積水沿突水通道涌突至下部采場(chǎng)； 孟召平(1999)、王經(jīng)明等(2010)、孫魁等(2018)認(rèn)為離層上位巖層破斷產(chǎn)生的沖擊傾向性與其力學(xué)特性有關(guān)，沖擊勢(shì)能的形成是由于高強(qiáng)度的上位巖層在斷裂前后的能量積聚和快速釋放所致，是離層水體發(fā)生涌突的主控因素之一。謝憲德(1992， 1997)、李吳波等(2009)對(duì)南桐煤礦和打通一礦離層突水機(jī)理的研究成果進(jìn)行分析后得出，在持續(xù)的采場(chǎng)擾動(dòng)作用下，導(dǎo)水裂隙帶高度不斷發(fā)育，帶內(nèi)的裂隙不斷延伸拓展，當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶中的縱向裂隙延伸至隔水層后，會(huì)將隔水層切穿，使其有效隔水性能喪失，離層空間內(nèi)的積水沿切穿裂隙涌入下部采場(chǎng)產(chǎn)生突水災(zāi)害； 趙德深等(2002)、李小琴(2011)、曹丁濤(2013)通過引入底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的經(jīng)驗(yàn)突水系數(shù)法確定了離層在積水靜水壓力作用下能破壞其下位完整巖層的極限厚度，得出離層空間內(nèi)積水的靜水壓力是離層發(fā)生涌突水的主要誘導(dǎo)因素之一。

表 1 煤礦典型離層水突水事故概況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of typical water inrush accidents from bed separation in coal mines

諸多專家學(xué)者已對(duì)離層水害的防治技術(shù)開展了研究，并結(jié)合工程實(shí)踐，檢驗(yàn)了相關(guān)防治技術(shù)的科學(xué)價(jià)值，形成了離層水害的防治技術(shù)體系。周玉華(2017)建立了離層水害隱患判別的“三步走”體系，提出了“邊探邊掘，物探先行，鉆探跟進(jìn)，高位探放水”的離層水害防治原則，并在現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)了其科學(xué)性和合理性； 李鳳榮等(2009)在淮北某煤礦運(yùn)用鉆孔注水井中測(cè)流、長(zhǎng)歷時(shí)井下鉆孔放水實(shí)驗(yàn)以及鉆孔電視成像等探測(cè)技術(shù)，獲取了該礦工作面覆巖中“積水離層帶”、“真空離層帶”的分布層位，同時(shí)創(chuàng)新了探放水鉆孔的布設(shè)方法，提高了鉆孔探放水預(yù)控離層水害的效果； 曹海東(2017)結(jié)合關(guān)鍵層理論提出了判別離層發(fā)育層位的計(jì)算公式，并通過數(shù)值模擬分析驗(yàn)證了該公式在離層水害預(yù)測(cè)方面的適用性； 喬偉等(2011a，2011b)提出當(dāng)采場(chǎng)傾斜方向?qū)挾容^窄時(shí)，采場(chǎng)覆巖內(nèi)部的破壞達(dá)不到充分采動(dòng)情況下的極限破壞程度，巖層運(yùn)移速度和變形量均存在局限性，致使導(dǎo)水裂隙帶高度得不到充分的發(fā)展，離層的發(fā)育程度達(dá)不到極限狀態(tài)而始終處于平緩發(fā)展階段，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定存在，并產(chǎn)生突水風(fēng)險(xiǎn)，不利于離層水害防治； 李宏杰等(2014)提出了頂板離層水害的全方位綜合防治技術(shù)，基于傳統(tǒng)打鉆開展超前疏放水的防治技術(shù)，在鉆孔內(nèi)下入透水套管，降低開采過程中因超前破壞而發(fā)生堵孔的概率，提高了鉆孔的疏放水持續(xù)時(shí)間和疏放水效果。

筆者從具有突水威脅性的離層水體的形成機(jī)制、離層涌突水致災(zāi)機(jī)理和離層水害預(yù)防預(yù)控技術(shù)3個(gè)方面對(duì)煤礦離層水害的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)概述和分析，指出了當(dāng)前離層水害防治領(lǐng)域亟待解決的難題，對(duì)離層水害預(yù)測(cè)預(yù)控技術(shù)進(jìn)行了展望，以便于相關(guān)專家學(xué)者對(duì)礦井離層水害的研究現(xiàn)況和前沿理論的發(fā)展有一個(gè)更加直觀系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

1 具備突水危險(xiǎn)性的離層發(fā)育機(jī)制

隨工作面的推進(jìn)，當(dāng)切眼一側(cè)煤(巖)壁至放頂線的距離達(dá)到直接頂初次垮落步距后，頂板來壓，直接頂垮落，基本頂開始出現(xiàn)裂隙，但此時(shí)基本頂(含)之上的巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)裂隙發(fā)育程度較低，巖層間沒有產(chǎn)生顯著的分離； 工作面繼續(xù)推進(jìn)，基本頂巖梁懸露面積和懸露跨度進(jìn)一步增大，當(dāng)巖梁懸露跨度達(dá)到極限斷裂步距后，基本頂巖梁斷裂，其上覆巖體結(jié)構(gòu)中的裂隙進(jìn)一步延伸拓展，開度增大，同時(shí)次生裂隙發(fā)育，導(dǎo)水裂隙帶初步形成； 在工作面推進(jìn)過程中的高強(qiáng)度連續(xù)擾動(dòng)影響下，導(dǎo)水裂隙帶高度沿垂向進(jìn)一步發(fā)育。當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶上部和彎曲沉降帶下部一定范圍內(nèi)的相鄰巖層巖性為軟硬互層、層面為滑動(dòng)接觸時(shí)(景繼東等， 2006)，層間黏聚力會(huì)使下位巖層在自重作用下對(duì)上位巖層產(chǎn)生拉力，當(dāng)該拉力達(dá)到層間極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，上下位巖層分離，發(fā)生不同程度的沉降，各自獨(dú)立彎曲變形(下位巖層撓度大于上位巖層)，該相鄰巖層交界面處形成一個(gè)密閉的負(fù)壓空間。隨上下位巖層層間法向位移差的不斷增大，交界面處的分離程度進(jìn)一步增大，離層空間逐步成型。在離層空間周圍補(bǔ)給水源水頭壓力和離層空間負(fù)壓的雙重作用下，補(bǔ)給水源通過劣化構(gòu)造(斷層、裂隙、裂隙網(wǎng)絡(luò)等)對(duì)離層空間進(jìn)行補(bǔ)水，具備突水危險(xiǎn)性的離層水體逐漸形成。

工作面推進(jìn)過程中，覆巖始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶逐漸向上發(fā)育，故而離層亦隨工作面的推進(jìn)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)發(fā)育的特征，縱向上由低層位向高層位發(fā)展，橫向上向工作面推進(jìn)的方向發(fā)展，整體發(fā)育跡線呈“梯形”狀(趙德深等， 1997； 吳侃等， 2000； 蔣金泉等， 2015)，如圖 1所示。

2 離層涌突水致災(zāi)機(jī)理

2.1 離層突水致災(zāi)條件

孕育離層水害的條件主要包括4個(gè)方面(黎靈等， 2018； 舒宗運(yùn)等， 2020； 吳祿源， 2020； 張培森等， 2020a； 張文泉等， 2021)：

(1)存在相對(duì)穩(wěn)定可持續(xù)的密閉空間，周圍補(bǔ)給水源對(duì)其進(jìn)行足量的補(bǔ)水，形成具有突水危險(xiǎn)性的離層水體。

(2)離層賦存環(huán)境周圍存在補(bǔ)水通道，可聯(lián)通補(bǔ)給水源和離層空間。

(3)離層賦存環(huán)境周圍存在補(bǔ)給水源，通過補(bǔ)水通道與離層空間產(chǎn)生水力聯(lián)系，對(duì)離層空間進(jìn)行補(bǔ)水。

(4)離層賦存環(huán)境中發(fā)育有突水通道，將離層水體與導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通，使離層積水通過突水通道下泄至采場(chǎng)。

當(dāng)且僅當(dāng)此4個(gè)條件同時(shí)成立，離層才存在發(fā)生涌突水致災(zāi)的可能。

2.2 離層涌突水致災(zāi)機(jī)理概述

對(duì)比較典型的煤礦離層水害事故發(fā)生概況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表 1所示，根據(jù)動(dòng)力來源將導(dǎo)致離層水體失穩(wěn)突水的直接誘因分為上位巖層破斷產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊、離層積水的靜水壓力、采場(chǎng)回采活動(dòng)的強(qiáng)擾動(dòng)3個(gè)方面，其中離層積水的靜水壓力致突屬于靜水壓突水(喬偉等， 2011b)，上位巖層破斷產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊和采場(chǎng)回采活動(dòng)的強(qiáng)擾動(dòng)致突屬于動(dòng)水壓突水(謝憲德， 1992)。

根據(jù)突水動(dòng)力源可將突水模式分為動(dòng)突水、靜突水和動(dòng)+靜突水3類(閆奮前， 2020)。其中：?jiǎn)我坏膭?dòng)突水指離層空間內(nèi)的積水產(chǎn)生的靜水壓力對(duì)隔水帶連續(xù)性和完整性的影響較小，而隨工作面的推進(jìn)，離層空間逐漸擴(kuò)大，上位巖層達(dá)到極限破斷距后發(fā)生瞬時(shí)破斷，對(duì)離層積水產(chǎn)生巨大的沖擊作用，該沖擊通過積水向下傳遞并作用于隔水帶使其發(fā)生斷裂或破斷，進(jìn)而發(fā)生突水災(zāi)害； 單一的靜突水是指在工作面推進(jìn)過程中，含水層水不斷對(duì)離層空間進(jìn)行補(bǔ)水，隔水帶所承受的積水靜水壓持續(xù)增大，在上位巖層未達(dá)到極限破斷距發(fā)生破斷之前，積水靜水壓對(duì)隔水帶中的微裂隙產(chǎn)生擴(kuò)張作用，使之與導(dǎo)水裂隙帶中的裂隙貫通，從而離層積水下泄發(fā)生突水； 所述的動(dòng)+靜突水是指離層空間內(nèi)存在一定量的積水，產(chǎn)生的靜水壓力不足以使隔水帶發(fā)生破裂，但已使隔水帶巖體接近強(qiáng)度極限，處于一個(gè)微弱的平衡，此時(shí)，當(dāng)離層上位巖體巖性較差(厚度和硬度較小)且達(dá)到極限破斷距發(fā)生斷裂時(shí)，產(chǎn)生的沖擊作用將積水和隔水帶的弱平衡打破，沖擊作用和靜水壓力的耦合使隔水帶發(fā)生破斷，離層積水下泄產(chǎn)生突水災(zāi)害，突水示意圖如圖 2所示。

圖 2 動(dòng)+靜突水示意圖Fig. 2 Schematic diagram of dynamic and static water inrush

2.2.1 上位巖層破斷產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊

充水離層的上位巖層一般為強(qiáng)度較高的堅(jiān)硬巖體，可以有效承載其上覆巖體的自重，且在覆巖運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的撓曲較小，故該層位巖層上部巖體內(nèi)無明顯缺陷結(jié)構(gòu)(離層、裂隙、裂隙網(wǎng)絡(luò)、破碎帶等)，連續(xù)性較好，因此從傳遞巖梁理論(宋振騏， 1979)的角度可將離層上位巖層及其上覆巖體視為一個(gè)協(xié)同運(yùn)動(dòng)的整體。隨上下位巖層層間法向位移差的不斷增大，上位巖層的懸露跨度亦隨之增大，同時(shí)在采場(chǎng)重復(fù)擾動(dòng)、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖層原位應(yīng)力以及巖層自重等的耦合作用下，上位巖層持續(xù)蓄積能量，當(dāng)蓄積的彈性勢(shì)能達(dá)到峰值時(shí)會(huì)在巖體內(nèi)瞬時(shí)釋放，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊傾向性，對(duì)上位巖層造成破壞，使其發(fā)生斷裂垮落。

上位巖層破斷后產(chǎn)生的破碎巖體對(duì)離層空間內(nèi)的積水產(chǎn)生沖擊作用形成沖擊波，該沖擊波在離層積水中向下傳遞，直至到達(dá)下位巖層中，沖擊波轉(zhuǎn)化為具有一定穿透性的透射波(喬偉等， 2011b)，對(duì)下位巖層產(chǎn)生沖擊壓縮作用，使之聚集彈性勢(shì)能。當(dāng)彈性勢(shì)能達(dá)到巖體可承受的能量峰值后在巖體中瞬時(shí)釋放，產(chǎn)生強(qiáng)烈的破壞作用，使隔水帶連續(xù)性遭到破壞。而后，離層積水在水頭壓力和上位巖層破斷產(chǎn)生的沖擊作用下涌入隔水帶的裂隙中，水流和水壓對(duì)裂隙產(chǎn)生二次沖刷、擴(kuò)張作用，進(jìn)一步破壞了隔水帶的連續(xù)性，使其有效隔水厚度減小，直至隔水帶全厚度破斷，隔水帶內(nèi)發(fā)育的裂隙與導(dǎo)水裂隙帶中的裂隙網(wǎng)絡(luò)貫通形成突水通道，離層空間內(nèi)的積水經(jīng)此涌突至下部采場(chǎng)造成突水災(zāi)害。

2.2.2 離層積水的靜水壓力

離層空間和補(bǔ)水通道形成后，賦存于離層周圍的水源(砂巖含水層水、地表水、斷層水、巖溶水、孔隙水等(凌志強(qiáng)， 2014))在其自身水頭壓力和離層空間負(fù)壓的雙重作用下會(huì)通過補(bǔ)水通道對(duì)離層空間進(jìn)行補(bǔ)水。離層接受補(bǔ)水的過程中，積水量持續(xù)增加，水頭升高，水頭壓力隨之增大。當(dāng)含水層總儲(chǔ)水量小于離層空間總?cè)莘e時(shí)，離層水體處于不飽和積水的狀態(tài)； 當(dāng)含水層總儲(chǔ)水量大于離層空間總?cè)莘e時(shí)，在離層空間骨架整體強(qiáng)度足以承受滿載積水時(shí)所產(chǎn)生的靜水壓力的前提下，離層空間最終會(huì)充滿水，積水量保持動(dòng)態(tài)平衡，真空負(fù)壓消失，此時(shí)，含水層水體、導(dǎo)水通道內(nèi)的水體與離層水體三者貫通，補(bǔ)水水源通過導(dǎo)水通道內(nèi)的水體與離層積水產(chǎn)生水力聯(lián)系，所共同形成的靜水壓作用于隔水層上，靜水壓作用前后離層空間的狀態(tài)如圖 3～圖4所示。在此情況下，隔水層同時(shí)受離層積水、導(dǎo)水通道內(nèi)的水體、含水層水體共同產(chǎn)生的水壓及巖體自重的耦合作用，同時(shí)，離層積水滲入隔水層內(nèi)的微裂隙中，水流和水壓力對(duì)裂隙進(jìn)行二次沖刷、擴(kuò)張作用，使隔水層連續(xù)性降低，有效隔水厚度減小，直至其有效隔水作用完全喪失時(shí)，離層水沿突水通道涌突至下部采場(chǎng)。

圖 3 離層空間接受補(bǔ)水前的狀態(tài)Fig. 3 State of the bed separation space before receiving water recharge

圖 4 離層空間開始接受補(bǔ)水后的狀態(tài)Fig. 4 State of the bed separation after receiving water recharge

2.2.3 采場(chǎng)持續(xù)性回采活動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)擾動(dòng)

隨工作面的推進(jìn)，覆巖懸露跨度逐漸增加，懸露部分的自重作用越趨顯著。此時(shí)覆巖仍處于假塑性狀態(tài)，且在工作面推進(jìn)方向上保持傳遞力的聯(lián)系，而后在采場(chǎng)擾動(dòng)的影響下發(fā)生運(yùn)移和沉降。將采場(chǎng)上覆巖層簡(jiǎn)化為兩端固支的巖梁，則巖梁受力狀態(tài)為頂界面受壓底界面受拉，當(dāng)某一層位及其下附巖層的有效累積層重達(dá)到該層位巖層與相鄰上覆巖層層間的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，層間開始出現(xiàn)微小分離面，相鄰上覆巖層底界面在張拉應(yīng)力的作用下開始發(fā)育縱向裂隙。隨采場(chǎng)擾動(dòng)的繼續(xù)，裂隙不斷延伸、拓寬，順垂向巖層逐層遞進(jìn)發(fā)育(王強(qiáng)等， 2001)。當(dāng)裂隙發(fā)育高度波及至隔水帶時(shí)，縱向裂隙對(duì)隔水帶進(jìn)行穿刺，使隔水帶具有有效隔水性能的厚度減?。?直至裂隙將隔水帶完全切穿，隔水性能完全喪失，離層積水沿縱向裂隙和下部導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)的裂隙網(wǎng)絡(luò)涌突至采場(chǎng)。

輔助回采工作開展的采場(chǎng)活動(dòng)如采空區(qū)疏放水等也會(huì)影響離層的發(fā)育。胡東祥(2010)通過開展相似材料模擬實(shí)驗(yàn)得出，對(duì)于采空區(qū)存在積水的采場(chǎng)，積水和垮落巖塊形成的堆積體對(duì)采場(chǎng)覆巖存在支撐作用，可減緩覆巖的運(yùn)移和沉降，對(duì)離層的發(fā)育有抑制作用。而對(duì)采空區(qū)積水的疏排工作使原有的堆積體對(duì)上覆巖層的支撐平衡被打破，上覆巖層沉降產(chǎn)生的撓曲有所增加，促進(jìn)了離層的發(fā)育，導(dǎo)水裂隙帶高度的發(fā)育亦在一定程度上加快，會(huì)降低隔水層的阻隔水能力，加大離層發(fā)生涌突水的風(fēng)險(xiǎn)。

3 離層水害預(yù)防預(yù)控關(guān)鍵技術(shù)

3.1 離層水害預(yù)防技術(shù)

對(duì)離層水害預(yù)防措施的制定，應(yīng)在工作面推進(jìn)前對(duì)煤層賦存的水文地質(zhì)條件進(jìn)行具體分析，在充分考慮保證工作面正常安全循環(huán)作業(yè)的前提下制定預(yù)防技術(shù)方案，目前可從理論預(yù)判和工程技術(shù)措施的調(diào)整兩個(gè)方面開展離層水害預(yù)防工作。

3.1.1 理論預(yù)判

離層賦存于采場(chǎng)覆巖中，且其骨架也主要由巖體構(gòu)成，故對(duì)離層發(fā)育層位預(yù)判理論的提出應(yīng)從采場(chǎng)覆巖物理力學(xué)性質(zhì)(如層厚、密度、碎脹性、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等)的角度進(jìn)行研究。

3.1.1.1 實(shí)用礦山壓力理論

由實(shí)用礦山壓力理論(宋振騏， 1979；宋振騏等，2017，2019)可知，工作面采動(dòng)過后，當(dāng)切眼至放頂線的距離達(dá)到頂板初次垮落步距時(shí)，頂板在來壓作用下發(fā)生破斷、垮落，垮落后的巖層呈現(xiàn)大小不一的碎塊狀，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填。采場(chǎng)覆巖中能夠發(fā)育離層的基本條件之一即為采空區(qū)中垮落帶破碎巖體堆積高度的頂端至導(dǎo)水裂隙帶底界面之間存在足夠的空間可使覆巖發(fā)生運(yùn)移，進(jìn)而存在發(fā)育離層的可能。若在離層發(fā)育前采空區(qū)中堆積的垮落帶破碎巖體已對(duì)覆巖運(yùn)移產(chǎn)生約束作用，則覆巖中幾無發(fā)育離層特別是具有突水危險(xiǎn)性的離層的可能。據(jù)此可得判別式(楊慶等， 2014)：

M-∑(Ki-1)hi>0

(1)

式中：M為所采煤層的厚度(m)；Ki為煤層采出后垮落帶范圍內(nèi)第i層巖層的碎脹系數(shù)；hi為煤層采出后垮落帶范圍內(nèi)第i層巖層的原始厚度(m)。

3.1.1.2 關(guān)鍵層理論

由關(guān)鍵層理論(錢鳴高等， 1996； 許家林等， 2004)“采場(chǎng)覆巖中存在控制覆巖整體運(yùn)動(dòng)的一組或幾組巖層即關(guān)鍵層，離層最大發(fā)育高度止于關(guān)鍵層”可知，在確定覆巖關(guān)鍵層(包括主關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵層)層位的前提下，對(duì)關(guān)鍵層所處層位及其下附巖層進(jìn)行力學(xué)特性分析可以得出離層發(fā)育層位的預(yù)判公式：

(2)

式中：Ei為第i層巖層的彈性模量；hi為第i層巖層的厚度(m)；ρi為第i層巖層的密度(kg·m-3)。

3.1.2 工程技術(shù)措施的調(diào)整3.1.2.1 調(diào)整工作面推進(jìn)速度

回采工作面的推進(jìn)速度會(huì)直接影響到覆巖運(yùn)移和沉降情況(樊銀輝， 2017)，而覆巖的運(yùn)移和沉降又是導(dǎo)致層間發(fā)育離層的關(guān)鍵影響因素。故可通過調(diào)整工作面的推進(jìn)速度來降低覆巖離層發(fā)育的概率。

(1)加快工作面推進(jìn)速度。隨工作面推進(jìn)速度的提升，懸露頂板跨度迅速增大，覆巖自重所產(chǎn)生的載荷使懸露部分的巖層變形加快，并由下至上逐層遞進(jìn)沉降，垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度的發(fā)育也更加迅速，可使覆巖更接近充分采動(dòng)的狀態(tài)，故而覆巖中發(fā)育離層的概率可大幅降低。

(2)保持工作面勻速推進(jìn)。非充分采動(dòng)情況下，地表下沉量達(dá)不到該礦所處水文地質(zhì)條件下的最大值，使得煤層開采厚度不能完全以下沉值的形式傳遞至地表，而是大量存在于覆巖中。避免工作面頻繁停采，可使覆巖盡可能達(dá)到充分采動(dòng)的狀態(tài)，減少離層發(fā)育的空間。

3.1.2.2 調(diào)整采高

(1)加大采高。采出后的縱向空間增大，相同推進(jìn)速度下，大采高工作面覆巖中的垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育更快，覆巖能夠更加接近充分采動(dòng)的狀態(tài)，從而使可發(fā)育離層的空間最小化，破壞離層發(fā)育的基本條件，達(dá)到預(yù)防離層發(fā)育的目的。

(2)減小采高。采出后的縱向空間減小，覆巖中可發(fā)育離層的空間隨之減小，同時(shí)采出空間縱向上的減小可使頂板破碎巖塊更快地對(duì)采空區(qū)進(jìn)行飽和程度更高的充填，進(jìn)一步減緩垮落帶以上巖層的運(yùn)移速率和沉降幅度，從而可以加大離層有效隔水層的厚度，對(duì)離層積水起到更為有效的阻隔作用。

3.1.2.3 應(yīng)用綠色開采技術(shù)

考慮采用充填開采、房柱式開采、條帶開采等綠色開采技術(shù)，減小覆巖中離層的發(fā)育空間。當(dāng)前，充填開采、房柱式開采、條帶開采等技術(shù)已有較為成熟的理論體系和工程應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)(孟達(dá)等， 2007； 解興智， 2012； 余偉健等， 2012； 謝生榮等， 2018； 何寧， 2020； 劉建功等， 2020)，故可直接在充分分析煤層賦存條件及綠色開采技術(shù)適用性的前提下，選擇一種最優(yōu)技術(shù)作為離層水害預(yù)防工作方案中的一個(gè)環(huán)節(jié)，直接應(yīng)用于防治水工程中。

3.2 離層水害預(yù)控技術(shù)

針對(duì)離層水害預(yù)控技術(shù)的探討研究，可以對(duì)離層水害孕育條件進(jìn)行反演推理。離層水害孕育條件包括密閉可持續(xù)的離層空間、發(fā)育有補(bǔ)水通道、存在穩(wěn)定的補(bǔ)給水源、發(fā)育有突水通道4個(gè)方面，只要破壞其中一個(gè)以上(含一個(gè))的條件，則發(fā)生離層涌突水事故的概率就會(huì)大幅降低。

3.2.1 超前疏放水

超前疏放水技術(shù)是先通過井下瞬變電磁法(林青等， 2016； 王冠等， 2018)、三維高密度電法(畢鵬程等， 2021)等探測(cè)技術(shù)對(duì)覆巖中的積水(包括離層補(bǔ)給水源和離層積水)層位等進(jìn)行探測(cè)，而后通過布設(shè)地質(zhì)鉆孔對(duì)積水進(jìn)行疏放。鉆孔布設(shè)方法可分為地面(直通式)鉆孔和井下鉆孔，兩種布設(shè)方式的主要不同之處在于終孔位置以及鉆孔的鉆進(jìn)深度不同，在離層水害防治工作實(shí)施時(shí)，綜合考慮目標(biāo)疏放水體賦存地質(zhì)條件的復(fù)雜程度，鉆孔要求長(zhǎng)度等因素，來選擇鉆孔布設(shè)位置(地下或井下)。對(duì)井下鉆孔而言，根據(jù)單一煤層開采或多煤層開采工藝的不同，疏放水導(dǎo)流孔的開孔位置又可分為指向采空區(qū)側(cè)和指向工作面?zhèn)葍深?喬偉等， 2021)，鉆孔布置方式如圖 5～圖6所示。

圖 5 導(dǎo)流孔指向采空區(qū)側(cè)分布Fig. 5 Distribution of diversion holes pointing to goaf side

圖 6 導(dǎo)流孔指向工作面?zhèn)确植糉ig. 6 Distribution of diversion holes pointing to working face side

對(duì)于超前疏放離層補(bǔ)給水源，完成疏放水工作后，沒有穩(wěn)定的補(bǔ)給水源可以對(duì)離層進(jìn)行足量的補(bǔ)水，致使離層始終處于真空負(fù)壓的“空腔體(雷利劍等， 2018)”狀態(tài)，不存在突水危險(xiǎn)性。對(duì)于超前疏放離層積水，完成疏放水工作后，具有突水危險(xiǎn)性的離層積水不復(fù)存在，極大程度上降低了發(fā)生涌突水的可能，且超前地質(zhì)鉆孔破壞了離層空間的封閉負(fù)壓狀態(tài)，使其不再具備積存大體量水體的能力，不能再發(fā)育具有突水危險(xiǎn)性的離層水體，同時(shí)也可以利用疏放水鉆孔查找補(bǔ)水通道、導(dǎo)水通道等劣化構(gòu)造(李沖等， 2018)，破壞其水循環(huán)。為保證疏放水工作的有效性，打鉆后的疏放水過程要持續(xù)一定的時(shí)間，一般情況下持續(xù)兩個(gè)月以上為宜(褚彥德， 2017)。導(dǎo)流孔布設(shè)圖如圖 7所示。

圖 7 導(dǎo)流孔布設(shè)剖面圖Fig. 7 Cross section of diversion hole layout

3.2.2 鉆孔截流

鉆孔截流是首先超前對(duì)連通離層空間和補(bǔ)給水源的補(bǔ)水通道位置進(jìn)行探測(cè)，而后在補(bǔ)給水源對(duì)離層進(jìn)行補(bǔ)水的過程中，布設(shè)地質(zhì)鉆孔穿過補(bǔ)水通道，對(duì)補(bǔ)水通道中的補(bǔ)給水流進(jìn)行分流，以減少離層空間所獲得的補(bǔ)水量，降低可積水離層發(fā)育的概率。鉆孔截流從其布設(shè)方法的角度也可分為地面鉆孔和井下鉆孔兩類，其終孔位于離層發(fā)育區(qū)外，井下鉆孔的開孔可分為指向工作面?zhèn)然虿煽諈^(qū)側(cè)(圖 5～圖6)。截流孔布設(shè)剖面圖如圖 8所示。

圖 8 截流孔布設(shè)剖面圖Fig. 8 Cross section of intercepting hole layout

3.2.3 地面抽排水

對(duì)離層積水的疏放、截流作業(yè)均為依靠水體自重作用通過施工的鉆孔將水體排出，存在其自身的技術(shù)局限性，具體表現(xiàn)為：

(1)鉆孔使用壽命受地質(zhì)環(huán)境影響程度大。用于疏放、截流的地面或井下鉆孔均易受地質(zhì)環(huán)境的影響，如離層積水中夾雜的泥沙石塊、鉆孔泥巖段受沖刷破碎的泥巖等隨積水下泄過程中在鉆孔中淤積，會(huì)對(duì)鉆孔造成阻塞，降低鉆孔疏放、截流的工作效率甚至直接將鉆孔淤塞住使鉆孔報(bào)廢。

(2)導(dǎo)流孔、截流孔的施工受采空區(qū)覆巖巖性的限制。施工地質(zhì)鉆孔對(duì)于施工區(qū)域的地質(zhì)條件有著具體的要求。當(dāng)離層發(fā)育層位較高、離層隔水帶厚度較大且?guī)r性以黏土巖為主時(shí)，無論是地面疏放水鉆孔還是井下導(dǎo)流孔、截流孔，其施工難度均較大。

針對(duì)所述問題，可考慮在地面施工鉆孔(終孔位于離層空間)(張培森等， 2019b，2020b，2020c)，包括一級(jí)鉆孔和二級(jí)鉆孔，一級(jí)鉆孔直徑大于二級(jí)鉆孔，一級(jí)鉆孔內(nèi)嵌厚壁套管，為防止松散層段對(duì)厚壁套管的影響，在厚壁套管外采用水泥漿全套管進(jìn)行隔離封閉； 二級(jí)鉆孔擴(kuò)至可能發(fā)育離層的地層底部，并下入厚壁花管，防止地層中泥巖層遇水軟化崩解，使鉆孔穿越泥巖段時(shí)孔身結(jié)構(gòu)受到破壞，通過厚壁花管吸收含水層及離層空間中的水，設(shè)置礦用深井潛水泵對(duì)其進(jìn)行抽排。地面鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖及其布設(shè)剖面圖如圖 9和圖 10所示。

圖 9 地面鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 9 Structure diagram of surface variable diameter drilling

圖 10 地面鉆孔布設(shè)剖面圖Fig. 10 Layout profile of surface variable diameter boreholes

4 展 望

針對(duì)當(dāng)前在離層水害預(yù)測(cè)預(yù)控治理理論和技術(shù)層面的不足之處，結(jié)合當(dāng)下離層水害防治工作的實(shí)際，有針對(duì)性地從預(yù)防和預(yù)控兩個(gè)角度提出了若干構(gòu)想和理論研究方法：從預(yù)防的角度提出將光纖探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于煤礦防治水領(lǐng)域的構(gòu)想，從預(yù)控的角度提出“地面+井下”抽疏(截)聯(lián)動(dòng)預(yù)控方法和一種無損采礦方法。

4.1 光纖探測(cè)技術(shù)

當(dāng)前，對(duì)煤礦水害的探查方法均基于傳統(tǒng)的物理探測(cè)技術(shù)(如高密度直流電法、瞬變電磁法、地震槽波等)和鉆探技術(shù)，均存在探測(cè)精準(zhǔn)率不高、探測(cè)布置施工工程量大、可探測(cè)范圍有限等技術(shù)局限性，不利于對(duì)離層水害開展精準(zhǔn)防控?，F(xiàn)今光纖傳感技術(shù)和光纖探測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，其在信息傳輸速度、傳輸量、傳輸精準(zhǔn)度等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于諸多行業(yè)。王正帥等(2017)、柴敬等(2018)、雷武林等(2019)已將光纖技術(shù)應(yīng)用于煤礦開采過程中的監(jiān)測(cè)工作，并取得了較為理想的探測(cè)效果，基于此，未來可以考慮開展光纖探測(cè)技術(shù)在煤礦水害防治方面的應(yīng)用，特別是用于探測(cè)離層發(fā)育層位、離層積水量、煤層覆巖運(yùn)移變化規(guī)律及其應(yīng)力分布狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)離層水害的精準(zhǔn)識(shí)別防控。

4.2 “地面+井下”抽疏(截)聯(lián)動(dòng)預(yù)控方法

當(dāng)前，對(duì)離層積水的疏放、截流等僅限于采用在井下或地面施工鉆孔的單一抽疏(截)方式，對(duì)不同情況(離層發(fā)育層位、離層賦存環(huán)境、離層隔水層巖性等)下離層積水的預(yù)處理措施存在局限性：?jiǎn)我坏你@孔布置方式難以實(shí)現(xiàn)對(duì)離層積水的充分抽疏(截)，不能保證抽疏(截)過后離層積水水位在安全范圍內(nèi)； 地面鉆孔和井下鉆孔均存在被地層中遇水軟化崩解的泥巖堵塞、使鉆孔穿越泥巖段時(shí)孔身結(jié)構(gòu)受到破壞的可能，會(huì)大幅降低鉆孔抽疏(截)水的效率，減少鉆孔的使用年限。

基于單一鉆孔布設(shè)方法在疏放、截流離層水技術(shù)方面的不足之處，提出了一種“地面+井下”抽疏(截)聯(lián)動(dòng)預(yù)控方法，具體描述為：同時(shí)在地面和井下施工鉆孔，井下鉆孔進(jìn)行疏、截作業(yè)，地面鉆孔進(jìn)行抽排水作業(yè)，地面鉆孔和井下鉆孔之間可實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的互補(bǔ)性抽疏(截)作業(yè)。采用所提“地面+井下”抽疏(截)聯(lián)動(dòng)預(yù)控方法對(duì)離層積水進(jìn)行預(yù)處理，可有效提高鉆孔疏排水效率、鉆孔利用率和使用壽命，能對(duì)離層積水進(jìn)行相對(duì)更加充分的抽疏(截)作業(yè)，盡可能使最終的積水水位位于安全范圍內(nèi)?！暗孛?井下”抽疏(截)聯(lián)動(dòng)預(yù)控方法鉆孔布設(shè)剖面圖如圖 11所示。

圖 11 “地面+井下”抽排(截)聯(lián)動(dòng)預(yù)控方法布置示意圖Fig. 11 Layout diagram of “surface+underground” pumping (plugging) linkage pre-control method

4.3 一種無損采礦方法

由式(1)可知，煤層上覆巖層發(fā)育離層的條件之一即為具有足夠的采出空間。由此可以考慮使用充填開采技術(shù)對(duì)離層水害進(jìn)行預(yù)控。雖然當(dāng)前充填開采技術(shù)發(fā)展成效顯著、應(yīng)用效果較好，但是，其仍存在諸多技術(shù)方面的不足，如采充并行作業(yè)困難、所用充填材料充填率低、充填成本高等?；诖?，提出了一種采充獨(dú)立復(fù)合型液壓支架(張培森等， 2017)和一種無損采礦方法及其快速充填方法(張培森等， 2017，2019a)。采充獨(dú)立復(fù)合型液壓支架可同時(shí)掩護(hù)支撐覆巖形成兩個(gè)工作面，即采煤工作面和充填工作面，兩工作面一前一后，可實(shí)現(xiàn)隨采隨充，提高充填效率和充填效果，從根本上解決采充之間的作業(yè)矛盾，液壓支架結(jié)構(gòu)如圖 12～圖13所示。所述的無損采礦方法選用與煤體強(qiáng)度相當(dāng)?shù)奈锪献鳛槌涮畈牧希瑫r(shí)為方便運(yùn)輸、提高充填效率和充填效果，可將充填物料制作成規(guī)則塊體。改進(jìn)巷道布置方式(圖 14)，從而在提高采空區(qū)充填率的同時(shí)也可進(jìn)一步降低巷道開掘成本和運(yùn)輸成本，提高煤礦的綜合效益。作為煤礦綠色開采技術(shù)領(lǐng)域的前沿課題，采充獨(dú)立復(fù)合型液壓支架和無損采礦法當(dāng)前尚處于理論研究階段，仍需開展進(jìn)一步的深入研究，完善相關(guān)理論體系、建立工程應(yīng)用預(yù)案，為實(shí)際應(yīng)用的開展奠定基礎(chǔ)。

圖 12 采充獨(dú)立復(fù)合液壓支架正視圖(最大控頂距時(shí))Fig. 12 Front view of mining and filling independent composite hydraulic support(maximum control distance)

圖 13 采充獨(dú)立復(fù)合液壓支架側(cè)視圖(最小控頂距時(shí))Fig. 13 Side view of mining and filling independent composite hydraulic support(minimum control distance)

圖 14 無損采礦法巷道布置圖Fig. 14 Roadway layout of non-destructive mining method

5 結(jié) 論

通過對(duì)離層水害研究現(xiàn)狀的總結(jié)概述，在離層發(fā)育機(jī)制、離層涌突水致災(zāi)機(jī)理和離層水害的預(yù)防預(yù)控方面進(jìn)行了分析，介紹了離層水害相關(guān)的一些前沿理論預(yù)判方法和工程預(yù)防預(yù)控技術(shù)，得出如下結(jié)論及研究前景展望：

(1)具備突水危險(xiǎn)性的離層水體的形成機(jī)制：覆巖中軟硬互層的巖層間的極限抗拉強(qiáng)度小于下位巖層傳遞至上位巖層處的載荷作用，層間發(fā)生分離形成離層空間，經(jīng)周圍補(bǔ)給水源的補(bǔ)水作用后形成離層水體。

(2)產(chǎn)生離層水害的4個(gè)基本條件：存在密閉可持續(xù)的離層空間；發(fā)育有補(bǔ)水通道；存在穩(wěn)定的補(bǔ)給水源；發(fā)育有突水通道。離層涌突水致災(zāi)的3個(gè)動(dòng)力源：動(dòng)水壓(上位高強(qiáng)度巖層破斷產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊、采場(chǎng)持續(xù)性回采活動(dòng)的強(qiáng)擾動(dòng))、靜水壓(離層積水的靜水壓力)； 突水模式包括動(dòng)突水、靜突水和動(dòng)+靜突水3類。

(3)從實(shí)用礦山壓力理論、關(guān)鍵層理論的角度構(gòu)建離層發(fā)育層位預(yù)判模型，歸納總結(jié)出通過調(diào)整工作面的推進(jìn)速度、調(diào)整采高等來控制離層的發(fā)育，或采用充填開采、房柱式開采等綠色開采技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)離層水害的綠色高效治理。

(4)結(jié)合地質(zhì)勘探技術(shù)，運(yùn)用超前疏放補(bǔ)水水源、超前疏放離層積水、鉆孔截流等工程技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)破壞離層水體發(fā)育條件的目的。

(5)光纖傳感技術(shù)和光纖探測(cè)技術(shù)在信息傳輸速度、傳輸量、傳輸精準(zhǔn)度等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，可以考慮展開光纖探測(cè)技術(shù)在煤礦防治水方面的應(yīng)用，特別是用于探測(cè)離層發(fā)育層位、離層積水量等，實(shí)現(xiàn)對(duì)離層水害的精準(zhǔn)識(shí)別防控。

(6)提出一種“地面+井下”抽疏(截)聯(lián)動(dòng)預(yù)控方法，對(duì)離層積水進(jìn)行地面和井下的抽疏(截)聯(lián)動(dòng)作業(yè)，可有效提高防治水效果和作業(yè)效率。

(7)在理論上提出了一種采充獨(dú)立復(fù)合型液壓支架和一種無損采礦方法及其快速充填方法，可解決采充作業(yè)存在的矛盾，實(shí)現(xiàn)隨采隨充，大幅提高充填率，提高礦井的綜合效益，但無損采礦法目前僅處于理論研究的起步階段，下一步仍需開展更加深入的系統(tǒng)化研究。