松散承壓含水層下采煤突水機理和防治探究

馮祥森

摘 要：本文通過分析采煤中發生突水現象的機理，并結合工作中的經驗在突水的防治措施方面做了一些探討。

關鍵詞：松散承壓；采煤突水機理；含水層

前言：在我國，華北、華東等許多煤礦上表土層的底部均有一層松散的承壓含水層，賦存到煤系基巖的頂部，從而對正常開采造成一定的影響。從近些年采煤事故分析來看，因松散承壓的含水層，導致采煤中多次發生突水災害，帶來了巨大的經濟損失，威脅到了煤礦的安全生產。因此，探究松散承壓含水層的突水機理與防治具有實用價值。

一、采煤的突水機理

（一）實例概況。下面以年產量達到150萬噸的某礦井為例進行機理分析，該礦中煤系的地層均被巨厚的松散層所覆蓋，而且煤系地層都屬于石炭二疊系。該松散層的平均厚度為375m，煤系上還直接覆蓋著第四含水層，厚度大約為0—60m，而所謂四含即為礫石，砂礫，黏土礫石，砂，黏土質砂等所組成，其中夾有多層的砂質黏土或者薄層黏土，是松散承壓的含水層，尤其是四含對采礦的安全造成了直接威脅。

（二）突水機理分析。如果不是斷層構造所影響，采煤面的突水就是因為采動巖層發生破斷裂隙而出現四含，也就是頂板上導水裂隙中的發育高度延伸到基巖頂部含水層，影響到了裂隙上不會溝通四含并且沒有足夠安全系統，這樣就引發了四含突水，也就是從采煤面入手切開了一段距離而出現壓架突水事故，表明覆巖出現了破斷運動，影響到了導水裂隙的發育規律。

從各種研究可以發現，因松散承壓的含水層載荷上具有傳遞作用，在一定的覆巖條件下極易造成關鍵層發生復合破斷，造成含水層發生大范圍乃至全部巖層發生整體破斷，如果非通常情況所出現分層破斷，從而可知含水層環境下采煤覆巖具有破斷特征，就會造成覆巖上的關鍵層的位置下移，乃至形成了復合單一的關鍵層破斷，也就是覆巖發生整體破斷，如果頂板上導水裂隙的發育達到基巖頂部，從而溝通四含。也就是在各種情況影響下，覆巖上把那個沒有產生出關鍵層的破斷，按照文獻研究結果，一旦覆巖上關鍵層的位置因為關鍵層發生復合破斷，從而產生下移，一旦距離采煤層間距低于了采高的7—10倍時，頂板上導水裂隙就會伴隨著發育到了基巖頂部，從而溝通四含。

一旦在松散承壓的含水層上具有載荷傳遞作用，關鍵層發生復合破斷，當兩個關鍵層發生了同步復合破斷，導水裂隙就出現上下貫通；如果不存在無松散承壓含水層，兩個關鍵層發生破斷不同步，某一個層先破斷另一個層后破斷，兩個關鍵層就不可能產生復合破斷，必然造成導水裂隙出現不貫通。這樣逐漸就會產生出采煤的突水現象，對正常采煤造成巨大影響，甚至還會威脅到人們的生命安全。

二、松散承壓含水層下采煤突水的防治

從采煤突水機理來看，對于這種災害重要手段就是要形成有效防治措施，只有這樣才能夠真正預防突水災害一次又一次的發生。制定防范措施不能夠憑空想象，必須要預測采煤范圍中具有突水災害的危險區。對于危險區盡可能不形成工作面，初期設計礦井之時就要避開危險區域，也可以先將沒有危險地方開采出來，直到采動降低后含水層的水壓降低再對危險區域進行開采。在現實中，對突水防治的有效措施就是預測，預警以及實時調控幾個途徑。

（一）對突水危險區域進行預測。在采煤之前就應該預測突水危險區域，便于后期開拓設計礦井以及布置工作面。一旦預測到了危險區，就要盡可能避開危險區域，或者采煤之時有針對性采取防治措施。但是在實際操作中，因為鉆孔的疏密存在差異，所以判斷區域中是不是存在突水危險之時，就應該將某一個鉆孔作為中心，朝著相應的范圍逐漸擴展。但是忽略地質構造所造成的影響，鉆孔周圍相應范圍中巖層的柱狀相同的，從而就能夠劃分出危險區域。依據發生突水災害條件，預測突水危險區域的方法如下：

（1）對含水層的賦存情況進行分析；如果設計區域中沒有含水層，一般就不會發生突水災害危險；如果存在含水層就要依據含水層的特征，分析傳遞荷載作用大小確定出傳遞系數。一旦荷載的傳遞系數超過了0.8時，增加了覆巖關鍵層發生破斷的可能性，也增大了發生突水災害的可能性。一旦降低了傳遞系數，發生突水危險性隨之降低。（2）分析關鍵層的結構類型；這種方法就是采用判別關鍵層的軟件，對基巖的厚度低于

125m的鉆孔所處關鍵層結構和位置進行判別。一旦煤層上方第一層的厚度比較大，極易在上面形成單位的關鍵層結構，造成關鍵層發生復合破斷，從而發生突水事故。（3）對危險區域進行劃分；分析統計了鉆孔柱狀及關鍵層的結構類型之后，就要依據發生復合破斷的條件，對采煤區域平面圖進行布置，依照鉆孔的附近所有巖性大致相同原則，對可能發生突水災害危險區域進行劃分。將鉆孔設為中心，把周圍一百米的范圍巖層柱狀都視為鉆孔相同，判別危險性的結果自然也相同。其精確程度是由分布鉆孔的密度與編錄鉆孔柱狀的準確程度所確定。在此基礎上要提升預測精確程度，就能夠采取補孔方式提升分布鉆孔的密度。

（二）留設采煤的安全煤巖柱。留設方法；從發生突水機理可知，發生突水災害不但和含水層自身載荷的傳遞性質相關，還由覆巖的關鍵層結構類型所確定。如果含水層的顆粒粒徑比較大，那么含水層的流動補給性就比較好，也就具有較好的傳遞荷載性能，極易發生關鍵層整體破斷，發生采煤突水幾率也就越大。當含水層的載荷作用不變，硬巖層與基巖厚度組合就會影響到工作面而確定是發生突水災害；基巖的厚度越小，硬巖的層數就比較少，那么極易出現復合單一的關鍵層結構，也就很容易出現突水事故。

所以針對含水層的采煤工作面，就要留設出安全煤巖柱。其一要依據含水層中賦存情況及覆巖結構條件，從而判斷出是不是存在突水危險性，如果沒有存在突水危險，就應該按照傳統計算公式，計算出導水裂隙區域上最大的高度，并設置一定的保護厚度當成安全煤巖柱；如果通過分析發現存在突水危險，表明這個區域中煤巖柱的厚度是不夠的，盡可能不要布置采煤。所以如果沒有設計任何的防治措施，就一定要對煤巖柱的厚度進行增加。采用這種方法不但能夠全面考慮到覆巖的結構特殊性影響工作面，還能夠防止因為留設煤柱而發生資源浪費，所以采用這種方法比較適合現場實況，比過去所用方法更加合理與科學。

（三）預裂爆破關鍵層位置頂板。從發生采煤突水機理可以看出來，當含水層的載荷傳遞情況下也不是所有的區域都發生突水災害，是不是發生突水災難不但和含水層賦存特征有關，還和覆巖結構存在一定關系。如果覆巖和煤層距離在采高范圍的7—10倍，在該范圍中出現了厚硬巖層，該巖層大多屬于工作面的老頂，也就是關鍵層，如果發生塌落就可能造成一些范圍覆巖發生整體垮落，導致關鍵層發生復合破斷，對工作面產生巨大壓力可能發生突水災害。，隨著采煤而垮落，并且及時對采空區進行充填，防止懸露的面積過大，降低頂板發生整體破斷所產生危險性。

其實對硬巖層采取爆破弱化，讓該巖石不再成為硬巖，將關鍵層的位置上移到超出采高10倍，對發生復合破斷的條件進行破壞。事實上，采用預裂爆破就能夠降低主關鍵層發生破斷前懸空高度，降低因為破斷而影響工作面。采用這種方式就能夠有效預防破斷，有效預防采煤突水。

結束語：通過以上分析可以告訴我們，在采煤工作中必須對突水災害的預防予以高度重視，因為這種災害一旦發生不但會影響到正常采煤作業，還可能威脅到井下作業人員的生命財產安全，所以在實際工作中我們要不斷的探究松散承壓含水層下采煤突水的防治措施，只有這樣才能實現預防為主、防治結合的目的，才能夠真正預防突水災害的發生，從而，也才能夠確保煤礦生產作業的安全運行。

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