澠池煤田頂板水害研究

林劉軍 許江濤

（1.河南工程技術學校，河南 焦作 454000；2.河南工業和信息化職業學院，河南 焦作 454000）

隨著我國經濟發展的速度加快，國家經濟對煤炭量的需求日益增大，許多煤礦被迫向更深部的煤層加速開采。頂板防治水日益凸顯出來，本文研究的主要目的是探討煤礦頂板突水的機理及規律，這對指導澠池煤田煤礦開采具有十分重要的意義。

1 澠池煤田的頂板來水水源

1.1 大氣降水與地表水

大氣降水的下滲是地下水最重要的補給水源，也是礦井充水的主要因素之一。澠池煤田處于豫西地區，四季降水量差異較大，而降水量多少，持續時間長短，直接控制著地下水的補給量，也影響著礦井涌水量的動態變化。

1.2 老窯水

研究區內，礦區淺部都有許多廢棄的老窯，由于老窯數量多，開采年代久遠，沒有較詳細的資料記錄，其位置、深度不易準確確定，有的老窯積水補給缺乏，是一坑死水。

1.3 澠池煤田二組煤頂板砂巖裂隙水

1.3.1 大占砂巖

二1煤層頂板的大占砂巖裂隙比較發育，含有裂隙水，是煤層頂板直接含水層，采掘活動使媒層頂板巖層變形，破壞，形成冒落帶，裂隙帶和彎曲變形帶，煤層頂板的山西組砂巖裂隙水甚至石河子組砂巖裂隙水以頂板水的形式進入礦井，就澠池煤田來講，頂板砂巖裂隙雖然比較發育，但多為方解石脈充填，且砂巖含水層均被泥巖河砂質泥巖所分隔，補給河儲存條件差，富水性弱，因此，煤層頂板砂巖水常常表現為頂板滴水，淋水，很少形成突水，通常，只有在斷層帶附近或裂隙密集帶，頂板砂巖水會形成突水，但突水量一般不會很大[1]。

1.3.2 砂鍋窯砂巖

澠池煤田的砂鍋窯砂巖存在于大占砂巖之上，一般為灰色、灰綠色，為細-中粗粒長石石英砂巖，泥質膠結，含少量的暗色礦物及鐵質結核，有時相變為砂質泥巖，厚度0—43.55M，平均9M。

2 導水帶

2.1 裂隙與采動裂隙導水通道

山西組大占砂巖和香炭砂巖裂隙含水層是二1煤層頂板直接充水層，裂隙發育，含有裂隙水，富水性不均勻，裂隙發育地段富水性強，裂隙水可沿裂隙流入礦井。各數情況下，頂板砂巖裂隙水主要以頂板淋水，滴水形式進入礦井，偶爾會形成突水。

采煤活動使煤層頂板產生冒落斷裂，將上覆巖層破壞，形成冒落帶，裂隙帶和彎曲帶，不僅為煤層直接頂板山西組砂巖裂隙水進入礦井提供了通道，同時，也為二疊系石盒子組砂巖裂隙水進入礦井提供了通道，若采煤引起的導水裂隙發展到地面地表水體時，必然會引起礦井涌水量增加。

2.2 人為通道

鉆孔除了溝通直接含水層與其它含水層的聯系之外,也可能造成有關含水層通過鉆孔直接向礦井充水的作用,封閉不良的鉆孔還可能溝通老窯形成老空水。實際上煤礦開采以后,自然流場一般情況下必然會發生變化,如果能在封孔時充分的考慮到礦床開采以后自然流場的變化情況,則封孔將可能使礦井充水條件向有利的方面轉化。豫西礦區的鉆孔打的大都比較早，質量不夠合格，有的可以定為次鉆孔，充填的時候填料和施工不符合要求。在觀音堂礦封閉鉆孔記錄中就存在著大量封閉不良鉆孔。

3 澠池煤田頂板突水機理研究

沈繼方等提出的“三帶”機理,對煤礦研究頂板突水較為適用。既開采礦體在地下形成采空區，采空區上方頂板巖層失去支撐和平衡后，會產生變形，以致破壞，形成“三帶”,這就會給上部含水層或地表水體等提供人為充水途徑，因此，對埋藏在強含水層或地表水體之下的礦藏，要評價頂板的穩定性，預測它可能破壞的最大高度。

3.1 太原組灰巖突水機理研究

以石豪礦井為例，頂板突水共有11次，從記錄的情況看，太原組灰巖涌水量一般很小，這與太原組灰巖巖溶發育向深部減弱有關。突水時多為斷層切割太原組灰巖，造成底板裂隙水突出。二1煤到太原組灰巖之間大部分都為泥巖，在石壕泥巖的厚度為14米，在觀音堂為20.29M。太原組灰巖的厚度為8M左右，就厚度來說有可能發生直接突水，但是要太原組的含水性不豐富，且很不均一，這樣就造成了突水的可能性不同。即在薄弱帶可能發生突水[2-3]。

3.2 頂板砂巖突水機理的研究

在研究的區域，頂板砂巖裂隙較多，但多為方解石脈充填，且砂巖含水層均被泥巖河砂質泥巖所分隔，補給和儲存條件差，富水性弱，因此，煤層頂板砂巖水常常表現為頂板滴水，淋水，另外山西組大占砂巖為二1煤層直接頂板，是礦井直接充水含水層，突水時多為小斷層和大斷裂切割，但因其含水性較弱，一般只會造成滴水，淋水現象，發生突水的可能性不大。但如有斷層存在時，可使頂板砂巖和強的含水層對接，如太原組灰巖，奧陶系灰巖，頂板砂巖作為間接通道也可能發生大的突水。

4 突水的預測

4.1 煤層頂板突水危險性預測

開采空間的存在及松散冒落巖塊的被壓縮，是產生導水裂隙帶的根本原因，開采空間越高，冒落帶也越高，冒落巖塊的壓縮量也就越多，其上面所產生的導水裂隙帶也就隨之越高。導水裂隙帶的高度也和冒落一樣與頂板巖性密切相關。脆性頂板中的導水裂隙帶高度要大于塑性頂板中的高度。根據煤炭科學院北京開采研究所的研究，導水裂隙帶的最大高度可用下式計算[4]：

H裂=M/CM+m2+d

式中c,d為與頂板巖性有關的系數。

對于堅硬頂板：H 裂=100ΣM/（1.2ΣM+2.0）+-8.9

對于中硬頂板：H 裂=100ΣM/（1.6ΣM+3.6）+-5.6

對于軟弱頂板：H 裂=100ΣM/（3.1ΣM+5.0）+-4.0

對于風化頂板：H 裂=100ΣM/（5.0ΣM+8.0）+-3.0

根據研究區的實際情況，用下列公式：

H 裂=100ΣM/（3.1ΣM+5.0）+4.0M

開采煤層的厚度一般為4M。可算H裂為26.99

但是對于豫西煤田應該用下列公式計算導水裂隙帶的最大高度

H 裂=100ΣM/（3.3n+3.8）+5.1

式中：n為煤分層層數。五號井取1，八號井取2，可計算如下結果

五號井：H 裂＝46.37

八號井：H裂=50.9

4.2 頂板水害的預防

凡是位于冒落帶及導水裂隙帶最大高度以內的含水層或地表水體以及導水裂隙帶最大高度能達到其底板的含水層或地表水體,都必須通過導水裂隙帶及冒落垂直帶直接向礦井充水；反之,當含水層或地表的底板至被開采的頂板的最短距離大于導水裂隙帶的最大高度,而又無導水裂隙或導水陷落柱等導水通道存在時,則該含水層或地表的水體中的水將不會直接進入礦井。因此,在預測在某一含水層或地表水體采煤是否安全時,可用下式來判別：

H安≥H裂+H保

式中：H安——安全采煤所需的頂板隔水層厚度（m）

H裂——導水裂隙帶的最大厚度（m）

H保——導水裂隙帶以上的隔水保護層厚度（m）

H保的具體數值應視隔水層的性質而定，對于堅硬的或半堅硬的基巖隔水層一般為10-20M；對于塑性粘土層則只須5-10M，因為豫西地區開采的都是大煤，上面為比較堅硬的大占砂巖，再考慮的安全因素，在次取20米，根據前面的計算結果H安大約47米。

5 結論

影響突水的條件是復雜多樣的，在具體的生產中，要綜合考慮斷層、構造、煤厚等別的因素，如果條件發生變化，那么這個數值也應該隨著變化，要以安全為前提，適當增加防水煤住的厚度。在豫西澠池煤田生產時，頂板保護煤柱應大于47米。

［1］吳新民,彭應熙,主編.觀音堂煤礦礦井地質報告[Z].1989.

［2］義馬礦務局工程勘察公司.甘豪煤礦:水平采區補勘地質報告[Z].1995,12.

［3］王恩營,潘國營.小浪底水庫蓄水后新安礦區充水條件演變及預測[R].2001,8.

［4］王長文,慕松利.焦作礦區突水特點及礦井綜合防治[J].焦作工學院報,1999(7).