崔木煤礦頂板涌突水類型及其判別研究

周建軍

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054）

我國煤礦頂板水害類型復(fù)雜多樣，有頂板含水層涌突水、離層突水及突水潰砂等類型，如果根據(jù)水害類型采取針對性措施，將提高防治效率、降低盲目性、減少投入資金等。準(zhǔn)確判斷煤礦頂板發(fā)生水害的類型，對煤礦防治水工作具有重要意義。目前針對水害類型的研究多集中在全國水害類型分類[1-4]、某煤田或區(qū)域水害種類統(tǒng)計(jì)[5-9]及礦井存在的水害類型介紹[10]，對同一礦井內(nèi)某種水害的特征及分類進(jìn)行詳細(xì)研究的文獻(xiàn)較少。位于陜西省黃隴煤田永隴礦區(qū)東部的崔木煤礦，多年生產(chǎn)過程中主要受頂板涌突水威脅，出現(xiàn)過水量幾十方的頂板砂巖涌水，也發(fā)生過多次瞬時水量達(dá)幾百至上千方的頂板離層突水；由于水量變化較大，發(fā)生規(guī)律不明，造成工作面防治水措施針對性不強(qiáng)，對安全生產(chǎn)帶來極大危害。通過對礦井以往工作面頂板涌突水的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)涌突水特征，將頂板涌突水進(jìn)行系統(tǒng)的分類，并提出頂板涌突水類型判別指標(biāo)，為礦井進(jìn)行涌突水初步預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

崔木煤礦主采煤層為侏羅系延安組下段3號煤，厚度0.35～34.20 m，平均16.89 m，采用走向長壁采煤方法、綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝。礦井已基本完成東部一盤區(qū)工作面回采，目前正在進(jìn)行二盤區(qū)的回采。采掘工程情況如圖1。

依據(jù)礦井垮裂帶實(shí)測資料分析，井田內(nèi)主采3號煤回采擾動的頂板含水層包括白堊系下統(tǒng)洛河砂巖孔隙~裂隙含水層段、白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖裂隙含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙含水層及侏羅系中統(tǒng)延安組煤層及其頂板砂巖含水層。洛河組含水層以中～粗粒砂巖為主要含水層段，已采盤區(qū)揭露厚度為200.7~329.63 m；單位涌水量0.009 48～0.200 7 L/(s·m)，滲透系數(shù) 0.002 446~0.142 5 m/d，屬富水性弱~中等的含水層。宜君組含水層為紫雜色塊狀礫巖，厚度2.2~61.67 m，單位涌水量0.008 8 L/(s·m)，滲透系數(shù) 0.020 m/d，屬富水性不均一的弱含水層。直羅和延安組含水層為砂泥巖交互層組成，總厚度約30.73~91.65 m，單位涌水量0.004 578 L/(s·m)，滲透系數(shù) 0.003 348 m/d，屬富水性微弱的含水層。主要隔水層為上新近系黏土隔水層段和侏羅系中統(tǒng)安定組泥巖隔水層。上新系隔水層是基巖含水層與松散巖類之間的穩(wěn)定隔水層。侏羅系中統(tǒng)安定組泥巖隔水層處于煤層與白堊系含水層之間，具有重要的水文地質(zhì)意義，其厚度平均達(dá)到113.51 m，其中泥巖厚度達(dá)85.43 m，占76.28%，泥巖中以蒙脫石和伊利石為主，遇水時易發(fā)生膨脹和軟化，變形能力強(qiáng)，在形成裂隙后易于閉合，可產(chǎn)生再生的隔水能力。

圖1 崔木煤礦已采工作面分布圖

洛河組含水層是本區(qū)3號煤層頂板的主要充水含水層，厚度大且發(fā)育穩(wěn)定，局部富水；距離煤層平均190.25 m，處于垮裂帶上部或頂部（依據(jù)礦井實(shí)測資料）。安定組為主要隔水層，泥巖厚度大，且具備高變形能力和裂隙易于閉合特征；距離煤層62.44 m，處于垮裂帶中下部，對頂板變形發(fā)育具有一定的影響。在這種地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下，可形成頂板砂巖裂隙涌水，具備發(fā)育離層涌突水的條件。

2 以往工作面涌突水現(xiàn)狀

崔木煤礦生產(chǎn)過程中的涌水以頂板水為主，部分工作面涌水次數(shù)較多，最多次數(shù)達(dá)14次(21303工作面)，21301、21302、21305 這 3 個工作面的突水次數(shù)分別為11、8、12次，其它工作面突水次數(shù)相對較少，一般在4次以下。頂板涌突水的水量大小跨度較大，為20~1 100 m3/h，突水特征分析以離層突水為主，但對具體涌突水規(guī)律不明確。因此，造成頂板水防治工作不具有針對性，可能會造成防治工程的大量浪費(fèi)，延誤礦井生產(chǎn)。

3 頂板涌突水特征及判別指標(biāo)分析

3.1 頂板涌突水類型研究

系統(tǒng)總結(jié)礦井以往涌突水?dāng)?shù)據(jù)可知，崔木煤礦頂板涌突水具有如下3種特征：

1）瞬時水量較小，總水量偏小。洛河組含水層水位下降的響應(yīng)時間短，呈單一下降趨勢；水質(zhì)顯示礦化度較大；與切眼距離較近，一般在見方位置或以內(nèi)；如21301工作面前3次出水、21302工作面第1次出水以及21303工作面前3次出水等。根據(jù)出水情況，推斷上述出水是含水層靜儲量釋放，尤其是下伏含水層的靜儲量釋放，洛河組有所參與但不占主要組成。

2）瞬時水量大，總水量劇增。出水過程中水量增長迅速，伴隨頂板來壓及煤壁片幫等，周邊水文鉆孔顯示洛河組含水層水位提前多天開始下降；一旦出水水位劇降；出水結(jié)束后水位出現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)期或緩慢回升期；水質(zhì)資料顯示此類出水礦化度隨涌水逐漸降低，主要出水階段以洛河組含水層水為主，出水位置一般在幾次見方或見方之間；如21301工作面推采至495 m和841 m的出水、21302工作面推采至219 m的出水等。由出水特征可以看出此類出水為典型的離層突水，水位下降顯示為離層空間積水過程；補(bǔ)給水源為垮裂帶上部或頂部的洛河組砂巖含水層水。

3）距離前次離層突水發(fā)生時間較短。一般發(fā)生在壓架處理過程中或推采小距離后，伴隨頂板來壓，洛河組水位出現(xiàn)較小的起伏，一般表現(xiàn)為洛河組水位呈小幅度上升后出現(xiàn)突降，水質(zhì)顯示為混合水。根據(jù)出水時間和位置等特征，推測此類出水為離層閉合后充水再突水，如21301工作面推采至495 m和841 m均發(fā)生2次突水，21302工作面在間距非常近的范圍內(nèi)突水次數(shù)達(dá)到4次，21303工作面也同樣出現(xiàn)近距離多次突水的情況。

由此，將崔木煤礦工作面頂板涌水分為如下2種類型：一是上覆含水層靜儲量釋放，二是離層涌突水。上覆含水層靜儲量釋放，即工作面回采期間，由于煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶向上發(fā)育波及上覆含水層，使其靜儲量通過頂板導(dǎo)水?dāng)嗔褞нM(jìn)入工作面。離層涌突水，包括離層突水和充水再突水2種形式。工作面回采期間，煤層頂板巖層中形成離層積水；受多重因素影響積水涌入工作面。當(dāng)離層突水后，離層下側(cè)安定組軟巖遇水膨脹變形，原泄水裂隙閉合，離層空間再次封閉充水，隨著頂板來壓，可能發(fā)生再次突水。崔木煤礦頂板經(jīng)常出現(xiàn)壓架、死架現(xiàn)象，處理周期長，因此離層水可能出現(xiàn)“充水→透水→再充水→再透水”的循環(huán)現(xiàn)象。總體來說，崔木煤礦已采工作面的頂板涌突水，有時以上覆含水層靜儲量釋放為主，有時以離層涌突水（包括再突水）為主，有時兩者兼有。

3.2 判別指標(biāo)分析

依據(jù)崔木煤礦頂板涌水特征分析，不同涌水類型在洛河組含水層水位響應(yīng)、涌突水位置、瞬時水量大小、水量變化速度、涌水水質(zhì)等方面具有明顯的差異，利用上述參數(shù)，以洛河組含水層水位響應(yīng)這一特征為中心，建立崔木煤礦頂板涌水類型的判別指標(biāo)體系。

1）頂板涌水為靜儲量釋放時，洛河組含水層水位一般較工作面涌水提前數(shù)小時或1~2 d，水位響應(yīng)較快；涌水位置基本在距離切眼較近的范圍，瞬時水量在100 m3/h以下，水質(zhì)以下伏直羅組和延安組水為主。

2）頂板涌水為離層突水時，洛河組含水層水通過滲流作用向下部離層空間充水，水位出現(xiàn)下降趨勢的時間更早，一般提前6~32 d出現(xiàn)下降，如21302工作面5月18日、5月25日、5月31日連續(xù)發(fā)生突水時洛河組的水位變化曲線（圖2）。在向離層空間充水時，若工作面尚未出現(xiàn)涌水且洛河組水位持續(xù)下降，表明離層空間尚未充滿水；若洛河組水位由持續(xù)下降轉(zhuǎn)為上升趨勢，表明離層空間已積滿水。離層涌突水一段時間后，瞬時水量急劇增大，最大水量超過200 m3/h，最大達(dá)1 000 m3/h以上，瞬時水量較大的時期水質(zhì)大多以洛河組水為主，礦化度相對較小；突水位置規(guī)律性不明顯，但一般在充分采動之后出現(xiàn)。在離層涌突水發(fā)生后期，下泄水流壓力減小，離層下側(cè)安定組軟巖裂縫遇水閉合使離層涌突水停止，轉(zhuǎn)為離層空間再充水。此時洛河組水位可能持續(xù)下降，也可能緩慢上升。在離層再次涌突水時，洛河組水位幾乎同時（同1 d）產(chǎn)生急劇下降的趨勢（圖3）。

4 已采工作面涌突水模式判斷

圖2 離層突水前后洛河組含水層水位變化曲線（2013年）

圖3 離層充水再突水洛河組含水層水位變化曲線

根據(jù)前文中提出的出水模式特征指標(biāo)，以6個已采工作面的數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行工作面頂板涌突水類型判斷，不同出水模式發(fā)生次數(shù)及所占比例見表1。由此推斷，崔木煤礦工作面在生產(chǎn)過程中以頂板離層突水或充水再突水的出水模式為主，因此也造成頂板涌水對礦井生產(chǎn)威脅較大，防治難度高；離層突水是礦井多年來主要的防治水對象。

表1 典型已采工作面煤層頂板不同模式涌突水規(guī)律統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

1）崔木煤礦頂板涌水次數(shù)多，通過資料系統(tǒng)總結(jié)分析將其分為靜儲量釋放和離層突水及充水再突水2種類型。

2）建立以洛河組含水層水位響應(yīng)為中心，結(jié)合突水位置、瞬時水量大小、水量變化速率、水質(zhì)特征等參數(shù)的判別指標(biāo)體系。

3）利用指標(biāo)體系進(jìn)行判別發(fā)現(xiàn)崔木煤礦頂板涌突水以離層突水為主，為工作面頂板水害預(yù)測及防治措施選擇提供科學(xué)依據(jù)。