华丰煤矿巨厚砾岩突水规律分析及防治对策

刘同彬

(山东新汶矿业集团公司，山东泰安271233)

   华丰煤矿前组煤开采受顶板砂岩和第三系砾岩水的严重影响，已发生大小突水事故30多起，单点突水量最大达12m³／min。尤其是主采的4煤层，由于浅部与第三系砾岩间距小，在开采中多次发生砾岩水涌入工作面事故。4煤层中西部的二采区西部、三采区和四采区在开采过程中几乎每个工作面都发生过透水现象，涌水量一般在30～180m³／h，最大涌水量达300 m³／h。一llOOm水平一采区1409综采放顶煤工作面，在推进180m时涌水量最高达720 m³／h。随着4煤层开采强度增大，砾岩涌水量持续上升，恶化了回采工作面的作业环境，随着综合机械化放顶煤开采力法的实施，砾岩水威胁加剧。

1  地质概况

    华丰井田主要含煤地层为山西组和太原组，总厚度为325．86m，共含煤24层，其中可采7层(第1、4、6、11、13、15、16层)，上组煤中4煤层为主采煤层，其次为6煤层。

    井田内4煤层开采直接充水含水层为第三系砾岩、山西组砂岩。主要隔水层为砾岩之下的第三系红褐色粘土质粉砂岩、石盒子组杂色粘土岩及煤系地层中各含水层之间的粉砂岩、泥质岩、粘土岩。

    第三纪砾岩含水层以角度不整合覆盖于煤系地层之上，在矿区东北部和西北部，砾岩直接覆盖于奥灰之上。砾岩层在东部、西部和南部边缘，厚度很小，尖灭线在后组煤露头北侧，走向基本与煤层露头平行。由西南向东北厚度逐渐增厚，最大厚度为：1008．86m。

    砾岩层在上部呈厚层状，问夹薄层粘土岩，向下部和深部，粘土岩层数增多，厚度也有增大趋势。砾石以灰岩为主，也有白云质灰岩、燧石、石英等砾石，还见有石英砂岩、花岗片麻岩、磁铁矿砾，上部砾石较大，直径一般O．02～0．2m，最大达1．Omc，砾石呈次园、次棱角状，多数具棱角，砾石与细砂及粘土类混杂堆积，呈基底式胶结，有的砾岩层中粘土质较多，反映当时的沉积速度较快，以山前冲积沉积为主，多为突发性洪水事件沉积，搬运距离较近，分选性极差。

2  华丰煤矿顶板突水规律

2．1  顶板突水水源划分

    4煤层开采时顶板的涌水水源大体可以划分为六个层段(参见图1)：

    第1层段，4煤层顶至1煤层底部。主要由厚层中砂岩和薄层粘土岩组层，其中中砂岩为。70％一95％。粘土岩将中砂岩分为上、下两部分。该层段中砂岩是含水性岩层。根据采前顶板岩层探测资料分析，中砂岩储水空间主要为裂隙，导水性较好。

    第2层段，1煤顶至二叠系和第三系分界线。该层段组成岩层比较复杂，主要为粉砂岩、细砂岩组成，其次粘土岩和中砂岩。该层段下部分大多数岩层是具有隔水性能，因此含水性不好，只有中砂岩含有一定的裂隙水。上部分岩层以中砂岩为主，含水性较好。

    第3层段，为第三系的下段。主要由粘土岩、粉砂岩与石灰质砾岩组成，以粘土岩为主。总体上来说是一个富水性和导水性较差的层段。但是生产实践证明，该层段的底部底砾岩是一个良好的含水层段。

    第4层段，为第三系的中段。主要由粘土岩和灰质砾岩互层组成。根据钻孔资料分析，该层段的发育有裂隙和岩溶，因此该层段含水性较好，但导水性不强。

    第5层段，为第三系的上段。主要由石灰质砾岩组成，含有少量的粘土岩，裂隙和岩溶十分发育，富水性和导水性均很好。

图l  4煤层顶板综合柱状图

2．2  矿山压力与顶板突水关系(表1)

    (1)矿山压力和顶板涌水量有着密切的关系，从初压到周期性来压一个循环内，顶板水量随来压的次数增加而增加，或者随工作面推进距离增加而增加。

    (2)由矿山压力和顶板涌水量之间的关系看出，4煤层顶板岩层的富水性自下而上呈现增加的特征。

    (3)顶板涌(突)水波动性变化特征可以看出，底砾岩及其以下各层的含水层，含水量以静储量为主，各含水层的侧向补给能力较差。

    (4)在矿山压力周期性作用下，导水裂隙带的高度有可能发育到侏罗系底砾岩。

表1  矿山压力和顶板涌水量之间关系

2．3  双层结构覆岩运动与突水关系

    “双层结构”是指4煤层顶板由下而上可以划分出两大组合地层：第一层为煤系地层；第二层为巨厚砾岩层。第一层岩层的组合为砂岩、粉砂岩及粘土岩；第二层的岩层组合为砾岩和粘土岩。双层结构的覆岩有一个重要特点：双层结构覆岩之间及其内部容易形成不同级别的离层，而离层造成砾岩层形成多层次的冲击地压，冲击地压则促进砾岩各含水层发生水力联系。

    离层一般首先发生在砾岩层与煤系地层之间的分解面，其次出现在砾岩层的底砾岩和红层之间，再次出现在砾岩层和粘土层互层的部位。因此，自煤系地层和砾岩层分界线向上一直到地表，砾岩层会出现多层次的离层现象。这种多层次的离层空间范围的三大特点：(1)多次离层自下而上发展；(2)离层空间自下而上逐渐减少；(3)离层空问为真空状态。

    砾岩中离层空问可看作为“煤层的采空区”。在离层空间的四周将形成应力集中区。由于离层所形成的“采空区”为真空状态，在类似条件下因离层形成的矿山压力应力集中系数将高于实际煤层开采形成的应力集中系数。真空离层形成的应力集中系数局．为：

  位：毕：(1+等)粕

式中：翰一应力集中系数‰；

    日一离层深度为H(m)；

    r岩层的平均容重，(kN／m。：)；

    卜大气压强P=1MPa=t0001d~／m"’。

    从上式可以看出，真空离层形成的应力集中系数K1．同离层深度H呈负相关。因此如果深部离层空间和浅部的离层空间一样大，则浅部离层形成的应力集中系数要大于深部的应力集中系数。而实际情况是离层空间自下而上是减少的，因此KM自下而上是减少的。对于一定深度的离层所形成的应力集中系数应该为真空形成的应力集中系数和矿压集中系数之和，即：

    Y．K=KI．+KM

    综合以上两种因素，可以认为不同深度的真空离层对岩层的破坏效力是一样的。

    冲击地压形成的重要因素之一是离层砾岩岩梁的断裂。由于砾岩层中的每个真空离层都能造成砾岩岩梁的断裂，所以冲击地压发生的次数同离层的层数呈正相关关系。而离层的形成具有连续性和多层次性，所以冲击地压的发生具有集中性和多幅度性。例如华丰煤矿2407工作面推进520m处开始，大约120m范围内集中出现冲击，均发生在工作面的推进过程中，且整个工作面的宽度范围内发生冲击地压，共发生28次。该区域大面积冲击地压的发生主要由于2407工作面处于砾岩厚度最薄的区域，砾岩在真空离层形成的矿山压力作用下容易断裂，其范围相当于离层空间由下而上逐渐减少的范围。图2是在工作面开采以后，上覆岩层运动尚未进入充分状态时的结构图，具体地说，在覆岩运动完成第一个周期性循环时上覆岩层破坏状态图。第一个周期性循环推采距离为工作面斜长。从该图上可以看出，进人工作面的顶板水主要为导水裂隙带影响范围内的含水层中的水，即裂隙拱影响范围内的含水层。具体到华丰矿而言，4煤层至侏罗系底砾岩之问岩层中的水。

图2  离层形成矿山压力多层次集中

图3  覆岩周期性运动

    覆岩进人周期性运动阶段后，上覆岩层破坏的横向范围随推采的长度增加而增加，而破坏的高度，即导水裂隙带的高度在一个相当的时间内则没有向上发育(图3)。但是这并不意味着垂向的覆岩运动就绝对停止了。事实上，此阶段覆岩在垂向上仍然处于运动状态，只是不明显，处于一个能量积蓄过程。经过一个较长时间以后，即当能量到足以使覆岩破坏进一步向上明显发展，就造成地表沉降，导致斑裂线明显形成。一旦斑裂线形成，上覆岩层会整体向下运动，此时离层空间缩小。当达到充分运动后，离层被压实，离层形成的集中应力消失，岩层中裂隙普遍发育，此时在斑裂线包络的范围内的含水层中的水都有可能进入采场(图

4)。这就是华丰4煤层开采，一旦斑裂线形成，采场涌(突)水量增大的机制。从图3和图4可以看出，如果工作面进行小面开采，就不会发生上覆岩层的充分运动，同时斑裂线也不会形成，这时造成顶板涌突水的通道主要为导水裂隙带。由于导水裂隙带影响的范围有限，因此不会形成长时问、大水量的顶板涌突水，具体到华丰井田至多涉及到底砾岩，甚至根本达不到第三系砾岩层。但是进行大面开采情况就不同了。大面开采不仅造成导水裂隙带高度显著增加，而且容易形成斑裂纹。在经过上覆岩层充分运动后，地表开始沉降，而地表沉降造成斑裂纹进一步发展成斑裂线。斑裂线又促进地表沉降区域的扩展，导致顶板水不仅在横向上大面积进入工作面，而且在垂向上也形成良好的水力联系，其中斑裂线是最主要的导水通道。

图4  斑裂纹形成后覆岩显著运动范围

2．4  斑裂线与顶板突水关系

    华丰煤矿4煤层开采顶板涌(突)水有两大特点：(1)主要沿工作面下平巷涌出；(2)涌水持续不断。

    如图5所示，在工作面倾斜方向发育的斑裂线就如平行排列的断层组。两条斑裂线之间的距离便是工作面斜长。由于采空区顶板下降的速度和时间不一致，就造成上覆砾岩层和薄层泥岩发生离层，形成开口向工作面后方的“楔形”裂隙，裂隙的下边是泥岩顶面，上边是砾岩底面，因此裂隙的下边具有隔水能力。

图5  下平巷突水机理

    1409工作面采厚6．5m，工作面斜长150m，则因采动形成的平行层面的裂隙张开角e为：

  日=arctg圭=口rcfg篙=2．5。

  ∥。  T。。rcfg面。2·y

式中：^一采高；

    ￡一工作面斜长。

    由于岩层的倾角大，沿层面发育的裂隙仍然向工作面下平巷方向倾斜。不同含水层位通过斑裂线形成纵向水力联系，然后又通过采动引起的沿层裂隙，将不同含水层的水引向沿工作面下平巷发育的斑裂线。因此，造成顶板出水沿下平巷涌出。由于上覆巨厚砾岩层实际上是有薄层泥岩和厚层砾岩交互形成的，所以在采动后沿泥岩和砾岩层面发育的裂隙数量同泥岩和砾岩交互的频率成正比，即泥岩薄层数量越多的部位，沿层裂隙越发育。斑裂线导致4煤顶板含水层垂向联系密切的事实也被物探成果所证明。

2．5  断裂构造与顶板突水关系

    断裂构造本身往往就是导水通道。即使在煤层开采前原始状态为非导水构造，在煤层开采后因矿L_压力作用，也有可能会发生活化而成为顶板水的导水通道。例如华丰矿3405面顶板涌水量就与断裂构造有密切关系。

3  顶板突水综合防治措施

3．1  顶板水威胁分区

    华丰煤矿4煤层开采顶板水害主要影响因素是斑裂线。首先根据物、钻探成果查明含水层的富水性，研究斑裂线对上覆岩层影响区域，划分顶板水威胁程度。

3．2  工作面斜长设计

    通过工作面斜长可以控制斑裂线发育。在理论上控制斑裂线的发育的工作面斜长如下表。

表2在理论上控制斑裂线的发育的工作面斜长

3．3  超前探放水

    根据物探成果资料，在4煤层顶板富水区域，特别是底砾岩富水区域，在井下要做好超前探放水工作。超前探放水孔主要沿下平巷布置为优。钻孔密度根据物探结果有选择、有重点地布置。

3．4  离层带充填

    离层带是形成冲击地压、斑裂线的重要原因之一。而冲击地压和斑裂线和顶板突水有着密切的关系。对离层带实施注浆充填，不仅能够起到减少地表沉陷的作用，而且也能起到控制砾岩水进入工作面的作用。

3．5  优化巷道布置

    巨厚砾岩条件下华丰井田4煤层开采过程中，容易沿工作面的下平巷形成斑裂线，而斑裂线是导致砾岩水进人工作面的主要通道。因此下平巷掘进时按上坡掘进，使水能形成自流，避免低洼积水地段。

3．6  完善疏排水系统

    在查明水文地质条件的前提下，顶板水害防治主要以探、放、排为主。

3．7  工作面安装引水设施

    工作面下出口安装引水管，工作面内的水由引水管引入下平巷水沟，防止水进入前后溜子。

3．8  合理调整开采工艺

    工作面保持匀速推进，保证压力均衡。工作面出现淋水时采取调面伪倾斜开采或工作面托顶煤开采，只采不放，留设护条带煤柱，加快推采速度，减小出水对工作面的威胁。

3．9  完善水文观测系统

    为了对深部砾岩水情变化做到实时了解，应当建立体系比较完善的水文自动观测系统。观测孑L的孔位可以根据物探成果和井下实际揭露的资料分析后确定。

作者简介：刘同彬(1961一)，山东莒县人，山东新汶矿业集团公司地质测量处，处长，高级工程师，从事地质及水文地质管理工作。