導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)充水含水層對煤礦生產(chǎn)的影響研究

李新鳳 吳豪杰

（山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊，山東 濟(jì)南 250100）

裂隙水水害水源為砂巖、礫巖等裂隙含水層水。這種水害發(fā)生在開采北方二疊紀(jì)山西組煤層和侏羅紀(jì)煤層以及開采南方侏羅紀(jì)的煤層中，這些煤層頂部常有厚層砂巖和礫巖[1]。

煤炭科學(xué)研究院劉天泉院士等提出了覆巖破壞學(xué)說，將煤層開采后上覆巖層分為“三帶”， 由下至上依次為冒落帶、裂隙帶和彎曲沉降帶[2]。彎曲沉降帶是阻水帶，冒落帶和裂隙帶統(tǒng)稱導(dǎo)水裂隙帶，若這“兩帶”的高度之和大于等于開采煤層與其頂板含水層的距離，則頂板含水層中的水就會通過頂板裂隙涌入采掘工作面或巷道[3-5]。濟(jì)寧三號煤礦位于濟(jì)東煤田東南部。井田主要含煤地層為石炭—二疊系的太原組和山西組，平均總厚度274.17m。礦井主要開采煤層為3上、3下、16上及17煤層，目前濟(jì)寧三號煤礦正在開采的煤層為3上、3下煤層，其余煤層尚未開采。本文主要對這兩層煤開采時導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)充水含水層對煤礦生產(chǎn)的影響進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)特征

濟(jì)寧三號井田為華北型石炭-二疊系全隱蔽式井田，煤系地層以奧陶系為基底，沉積了本溪組、太原組、山西組及石盒子組，其上被侏羅系和第四系所覆蓋。井田內(nèi)主要含水層有第四系、上侏羅統(tǒng)砂礫巖、山西組3砂、太原組三灰、十下灰和奧灰。對3煤開采有影響的含水層為3煤頂?shù)撞可皫r裂隙含水層和上侏羅統(tǒng)砂礫巖孔隙裂隙含水層。一采區(qū)探放水孔揭露上侏羅統(tǒng)底界巖層時均出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，說明上侏羅統(tǒng)底部砂巖具有較好的富水性。單位涌水量0.0001～0.2145L/s·m，富水性弱～中等，基本為靜儲量水。3上煤層頂部砂巖為淺灰～灰綠色細(xì)—中粒砂巖以及粗砂巖，3上煤層以上50m范圍內(nèi)砂巖厚1.20～56.45m，平均15.44m，單位涌水量 0.0000178～0.1000L/s·m，富水性弱～中等。3下煤層頂板砂巖為灰白～灰綠色中-粗粒砂巖和細(xì)砂巖，厚0.55～56.66m，平均23.86m，單位涌水量0.000032～0.1000L/s·m，富水性總體上弱，但局部地段富水性相對較好。

2 3上、3下煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)的充水含水層

根據(jù)生產(chǎn)礦井采煤后頂板活動的觀測資料，煤層回采后頂板垮落形成的冒落帶，最大值是煤層采厚的3～5倍，冒落帶形成后，上部巖層繼續(xù)下沉、破裂，相繼形成導(dǎo)水裂隙帶。

2.1 3上、3下煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶

濟(jì)寧三號煤礦于2001年委托山東科技大學(xué)對1301工作面采用壓水試驗進(jìn)行采動裂隙發(fā)育規(guī)律的探測，得出的主要結(jié)論：采用綜采放頂煤開采，導(dǎo)水裂隙帶最大高度80.88m，裂高采高比10.9～12.4，總結(jié)出濟(jì)三礦井3煤層開采導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計公式為：

式中：

Hli—導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；

M—采厚，m。

濟(jì)寧三號煤礦于2013年委托山東科技大學(xué)對回采183上04工作面時導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行探測，實測導(dǎo)水裂隙帶高度41.57m，導(dǎo)高是采厚的13.9倍，即：

本次采用公式（2）對開采十八采區(qū)3上、3下煤層時導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了預(yù)計，采用公式（1）對開采剩余采區(qū)3上、3下煤層時導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行了預(yù)計。通過計算，3上煤層導(dǎo)水裂隙帶高度9.30～69.76m，平均21.62m，3下煤層導(dǎo)水裂隙帶高度8.68～93.96m，平均53.29m。

2.2 “兩帶”高度內(nèi)的充水含水層

3上煤層可采厚度0.70～5.80m，平均1.72m，導(dǎo)水裂隙帶高度平均21.62m。3下煤層可采厚度0.70～9.69m，平均4.93m，導(dǎo)水裂隙帶高度平均53.29m。

3上煤層頂部砂巖為淺灰～灰綠色細(xì)—中粒砂巖以及粗砂巖，煤層以上50m范圍內(nèi)砂巖 厚 1.20～56.45m，平均 15.44m。3下煤 層 頂板砂巖為灰白～灰綠色中—粗粒砂巖和細(xì)砂巖，厚0.55～56.66m，平均23.86m。礦井開采時，導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)的頂板砂巖水將會全部進(jìn)入礦井。3上煤距上侏羅統(tǒng)底界18.45～252.57m，平均121.29m，3上煤頂板導(dǎo)水裂隙帶頂距上侏羅統(tǒng)底界-4.94～241.66m，平均99.63m。礦井東南部一、三采區(qū)以及東北部十二采區(qū)（圖1），由于3煤與上侏羅統(tǒng)底界距離多小于或接近采后導(dǎo)水裂隙帶高度，上侏羅統(tǒng)下含水段水沿導(dǎo)水裂隙進(jìn)入礦井。3下煤距上侏羅統(tǒng)底界22.76～313.81m，平均150.45m，3下煤頂板導(dǎo)水裂隙帶頂距上侏羅統(tǒng)底界-50.35～292.73m，平均96.99m。在一、三、十二采區(qū)以及二采區(qū)東部、五采區(qū)南部接近煤層露頭處（圖2），剩余煤柱不足20m，特別是一、三采區(qū)的大部，導(dǎo)水裂隙帶波及上侏羅統(tǒng)，這些采區(qū)開采將受上侏羅統(tǒng)水的威脅。所以開采3煤層時“兩帶”高度內(nèi)的充水含水層包括3煤層頂板砂巖和上侏羅統(tǒng)砂礫巖。另外，3下煤距離3上煤層平均34.86m，西區(qū)為下行開采，即先開采3上煤，后開采3下煤。3上煤層老空水在3下煤層導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)，3下煤開采時將受3上煤頂板老空水影響，因此西區(qū)開采3下煤時應(yīng)將3上煤采空區(qū)積水疏干。

3 “兩帶”高度內(nèi)充水含水層對生產(chǎn)的影響

（1）3煤頂部砂巖局部突水量大，影響安全生產(chǎn)

3煤頂部砂巖為開采上組煤直接充水含水層之一，通常以淋水的形式通過采動裂隙直接涌入采掘工作面及回采工作面的采空區(qū)，為礦井正常涌水的來源。但3煤頂部砂巖富水性不均一，在斷裂破碎帶、構(gòu)造裂隙發(fā)育區(qū)等部位富水性較好，巷道掘進(jìn)揭露以及回采工作面老頂大面積突然垮落時，在這些部位容易發(fā)生較大水量的涌水甚至突水。由于老頂垮落具有周期性，因此，伴隨老頂垮落發(fā)生的突水也具有周期性的特征，即涌水峰值呈現(xiàn)出隨工作面推進(jìn)重復(fù)出現(xiàn)，給安全生產(chǎn)造成一定的影響。如六采區(qū)6301回采工作面生產(chǎn)中發(fā)生了6次較大的突水，最大涌水量527.13m3/h（2001年11月30日），水從采空區(qū)涌出，同時伴有工作面大面積淋水，涌水歷時41d，對生產(chǎn)影響較大。

（2）上侏羅統(tǒng)砂礫巖涌水量大，疏干困難

礦井東部、東南部，由于3煤與上侏羅統(tǒng)底界距離多小于采后導(dǎo)水裂隙帶高度，上侏羅統(tǒng)下含水段水沿導(dǎo)水裂隙進(jìn)入礦井，增加了礦井涌水量，甚至發(fā)生多次較大涌水量的突水。其突水特點是：涌水持續(xù)時間長，峰值高，衰減慢，給開采造成嚴(yán)重的影響。如一采區(qū)均位于井田東南部，開采的3下煤層距離上侏羅統(tǒng)底界23.77～68.64m，平均53.96m。3下煤層厚3.17～7.42m，平均5.80m。采用綜采放頂煤開采，導(dǎo)水裂隙帶最大高度80.88m。而3下煤層與侏羅統(tǒng)底界的距離最大68.64m，因此，上侏羅統(tǒng)下部砂礫巖含水段便成為礦井直接充水含水層，造成回采工作面多次大量突水。一采區(qū)工作面生產(chǎn)中共發(fā)生涌水量65m3/h以上的突水18次，單個工作面最多突水6次（1301工作面），最大突水量533.84m3/h（1301工作面，2000年11月14日），最長突水期50d（1306工作面），嚴(yán)重地影響了工作面的安全生產(chǎn)。

圖1 3上煤頂板導(dǎo)水裂隙帶波及紅層范圍

4 水害防治措施

（1）對水文地質(zhì)條件不清或預(yù)計涌水較大地點，提前進(jìn)行井下物探，視探測結(jié)果超前進(jìn)行探放水。

（2）在充分分析研究開采地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，合理確定開采順序與時間，提前開展井下疏放水工作，避免突水事故發(fā)生。

5 結(jié)論

（1）采用現(xiàn)場實測得出的公式計算了3上煤和3下煤的頂板導(dǎo)水裂隙帶高度。3上煤層導(dǎo)水裂隙帶高度9.30～69.76m，平均21.62m，3下煤層導(dǎo)水裂隙帶高度8.68～93.96m，平均53.29m。

（2）開采3煤層時“兩帶”高度內(nèi)的充水含水層包括3煤層頂板砂巖含水層和上侏羅統(tǒng)砂礫巖含水層。另外，西區(qū)為下行開采，3上煤層老空水在3下煤層導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)，3下煤開采時將受3上煤頂板老空水影響。

（3）3煤頂板砂巖以靜儲量為主，易于疏干，但其富水性不均一，在斷裂破碎帶、構(gòu)造裂隙發(fā)育區(qū)等部位富水性較好，容易造成突水事故。礦井東部、東南部，由于3煤與上侏羅統(tǒng)底界距離多小于采后導(dǎo)水裂隙帶高度，上侏羅統(tǒng)下含水段水沿導(dǎo)水裂隙進(jìn)入礦井，且礦井涌水量大，涌水持續(xù)時間長，嚴(yán)重影響礦井開采。

圖2 3下煤頂板導(dǎo)水裂隙帶波及紅層范圍