伊犁四礦淺埋深弱膠結(jié)砂礫巖頂板水害防治技術(shù)研究

孫 博

（新疆新投煤業(yè)有限責(zé)任公司）

目前對(duì)于水害的研究主要有水害機(jī)理、水害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、水害治理技術(shù)方法等［1-3］。在煤礦開采過程中，頂板水害十分普遍，常常會(huì)導(dǎo)致淹井事故。在一定的特殊地質(zhì)條件下，還可能會(huì)發(fā)生突水、潰沙事故［4-7］。

伊犁四礦主采煤層頂板主要含水層為古近系弱膠結(jié)砂礫巖含水層，該含水層僅在采區(qū)東南角局部缺失，下距21-1主采煤層28~52 m。21-1煤層頂板基巖主要為泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖等軟質(zhì)巖類，工作面回采過程中存在突水、潰沙的水害隱患。

1 地質(zhì)概況

伊犁四礦現(xiàn)主采淺部+625 m水平的21-1、23-2煤層，平均煤厚4.5 m和10.5 m，開采區(qū)域埋深為50~230 m。主采煤層頂板主要含水層為古近系弱膠結(jié)砂礫巖含水層，在采區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育，僅在采區(qū)東南角局部缺失，總體自東向西、由南向北逐漸增厚，砂礫巖層厚0~120 m，巖性以厚層砂巖、砂礫巖為主，夾有薄層砂質(zhì)泥巖，膠結(jié)松散至半固結(jié)，屬孔隙承壓水，含水層水位標(biāo)高為+790~+800 m，水頭高度為0~100 m。該含水層被第四系黃土覆蓋，以凈儲(chǔ)量為主，連通性較差，富水性不均一，具弱至中等富水性，開采區(qū)域最大水壓為1.5 MPa，下距主采煤層20~52 m。

2 突水潰沙機(jī)理分析

通過研究，突水潰砂災(zāi)害的發(fā)生需具備以下4個(gè)條件：①存在潰涌的水砂來源；②存在水砂流動(dòng)的通道；③存在較大的動(dòng)水壓力；④存在容納水砂流入的空間（工作面、采空區(qū)或巷道）。突水潰砂的4個(gè)影響因素歸納起來包括水砂源、通道、動(dòng)力源、流動(dòng)空間，這4個(gè)要素的相互作用是導(dǎo)致突水潰砂的必要條件，井下開采時(shí)，動(dòng)力源和流動(dòng)空間自然具備，不作分析。

2.1 存在水沙潰涌的物質(zhì)基礎(chǔ)

根據(jù)伊犁礦區(qū)實(shí)際情況，主采煤層上方為煤系地層正常基巖。在淺部開采區(qū)域，伊犁四礦頂板基巖厚度為20~52 m、伊犁一礦為28~170 m，基巖上方為古近系弱膠結(jié)砂礫巖承壓含水層或第四系弱膠結(jié)砂礫巖潛水層。開采煤層上覆基巖與水沙接觸類型為直接接觸型，且砂礫巖層膠結(jié)程度低，遇水易沙化，在一定程度上具備了突水、潰沙的水沙源。

潰水事故的出現(xiàn)與含水砂層水砂組合、富水性等緊密相關(guān)［8-9］。靜水壓力受含水層富水性、地下水側(cè)向補(bǔ)給和大氣降水等因素影響。當(dāng)含水層富水性較強(qiáng)時(shí)，極易發(fā)生水砂潰涌。根據(jù)基巖與水砂接觸情況，可將其分為以下3類。

（1）工作面發(fā)生潰沙事故的砂源主要為礫石層中的中細(xì)砂。當(dāng)工作面頂板發(fā)生切落貫通時(shí)，中細(xì)砂直接進(jìn)入工作面。隨著時(shí)間的增加，礫石層變?yōu)闉V砂層，阻止?jié)⑸尺M(jìn)一步發(fā)生。

（2）當(dāng)基巖頂面為黃土層時(shí)，由于黃土層的隔水性能較好，工作面涌入水沙的通道受阻，此時(shí)，不易發(fā)生潰沙事故。

（3）當(dāng)所采煤層為淺埋深，基巖頂為沙層含水層時(shí)，極易發(fā)生潰水潰沙事故。

2.2 存在水沙流動(dòng)的通道

淺埋深薄基巖下煤層出現(xiàn)水沙潰涌通道主要分為3種類型［10］。第一類是先天性破碎通道，由斷層、褶皺等地質(zhì)結(jié)構(gòu)組成。第二類是由于開采活動(dòng)導(dǎo)致的覆巖破壞產(chǎn)生的裂隙通道。第三類是天然構(gòu)造和開采活動(dòng)共同作用的結(jié)果。

伊犁礦區(qū)煤層賦存穩(wěn)定，工作面開采導(dǎo)致頂板巖層破壞形成水沙流動(dòng)通道。淺埋深煤層開采時(shí)，頂板發(fā)生冒落，主要形態(tài)為以下3種類型。

（1）工作面支架前方切頂。在工作面回采過程中，當(dāng)?shù)竭_(dá)周期來壓位置時(shí)，支架前方的煤壁受應(yīng)力集中的影響發(fā)生切頂，形成連通面。因而在開采時(shí)及時(shí)移架，防止工作面發(fā)生潰水。如圖1中的導(dǎo)水通道I。

（2）工作面支架后冒落。隨著工作面的不斷推采，采空區(qū)出現(xiàn)切落式冒落。由于重力、擠壓力和撓曲張力等作用，直接頂在垂直方向出現(xiàn)大量斷裂面，在水平方向出現(xiàn)層間滑動(dòng)面。由于撓曲形變出現(xiàn)的拉張裂隙，裂隙呈現(xiàn)下窄上寬的特點(diǎn)。受重力作用影響，深度較大的裂隙面出現(xiàn)滑動(dòng)和錯(cuò)斷離層，因而使沙層含水層中的水沙沿裂隙區(qū)域進(jìn)入工作面，工作面出現(xiàn)潰水潰沙事故。如圖1中的斷裂面Ⅱ。

（3）采空區(qū)冒落。隨著工作面的不斷推進(jìn)，出現(xiàn)的新的冒落使?jié)⑸沉严睹驽e(cuò)斷距逐漸減小，間隙呈現(xiàn)愈合。因而新裂隙出現(xiàn)后，前期的潰水潰沙通道基本減小，水沙會(huì)沿新裂隙中出現(xiàn)。如圖1中的斷裂面Ⅲ。

2.3 水害防治技術(shù)

針對(duì)弱膠結(jié)砂礫巖頂板水害，首先需要在井下開展放水試驗(yàn)。在查明含水層水文地質(zhì)條件的同時(shí)，掌握頂板水疏放規(guī)律。然后在工作面回采前，實(shí)施全面頂板水疏放工程，將含水層的靜態(tài)儲(chǔ)存量進(jìn)行徹底疏放，避免工作面回采過程中的集中涌水。同時(shí)加強(qiáng)排水系統(tǒng)，以抵御較大的工作面動(dòng)態(tài)涌水量。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況

3.1 工作面出水情況分析

伊犁四礦前期工作面開采過程中涌水增大的情況主要如下。

（1）21102工作面采用一次采全高開采工藝，平均采高4 m，工作面頂板基巖隔水層厚度為20~25 m。在砂礫巖含水層下推采至1 142.5 m，受設(shè)備影響短時(shí)間停產(chǎn)，導(dǎo)水裂隙得到充分發(fā)育，下端頭附近涌水增大至37 m3/h，正常推采后減小至3 m3/h；工作面推至1 163 m時(shí)，上端頭附近張性裂隙發(fā)育，上端頭架后冒落區(qū)涌水為8 m3/h，之后逐漸增大至20.5 m3/h，最后穩(wěn)定至12.4 m3/h；工作面支架自下端頭往上撤至11#支架時(shí)下端頭冒落，冒落區(qū)裂隙充分發(fā)育，涌水增大到33 m3/h，之后穩(wěn)定至28 m3/h，工作面密閉后采空區(qū)涌水減小，穩(wěn)定至18 m3/h。

（2）21105工作面采用一次采全高開采工藝，平均采高4 m，頂板基巖隔水層厚度為25~38 m。在砂礫巖含水層下推采至1 413 m處，工作面短時(shí)間停采后下端頭涌水量增大至80 m3/h，14 h后減小至4 m3/h；工作面推進(jìn)至1 624 m時(shí)，下端頭架后冒落區(qū)涌水增加至19 m3/h，之后穩(wěn)定至8 m3/h，工作面支架自下端頭往上撤至4#支架時(shí)下端頭冒落，冒落區(qū)涌水量增加至26 m3/h，工作面支架回撤至13#支架時(shí)，冒落區(qū)涌水量增加至30 m3/h，工作面密閉后涌水減小并穩(wěn)定至24 m3/h。

正常生產(chǎn)期間，工作面涌水穩(wěn)定，對(duì)工作面影響較小，分析原因如下。

（1）工作面連續(xù)勻速開采期間未發(fā)生涌水增大情況。根據(jù)覆巖破壞高度實(shí)測(cè)裂采比為5.6計(jì)算，21102、21105工作面開采過程中導(dǎo)水裂隙帶高度為22.4 m，工作面頂板基巖隔水層厚度為20~38 m，防水安全煤巖柱留設(shè)高度處于臨界狀態(tài)。在工作面推采期間，導(dǎo)水裂隙帶不斷向上發(fā)育，直至上部礫巖含水層，但工作面用水量并未增加。這主要是由于采空區(qū)頂板為低強(qiáng)度軟巖，導(dǎo)水裂隙隨頂板的冒落而閉合，阻止了頂板含水層的滲透。

（2）工作面涌水增大主要發(fā)生在工作面生產(chǎn)不正常或密閉期間。這主要是由于工作面不正常生產(chǎn)時(shí)導(dǎo)水裂隙得到充分發(fā)育，使工作面涌水量增大。隨著工作面的正常生產(chǎn)，導(dǎo)水裂隙趨于閉合，涌水量減小。

（3）盡管工作面涌水量增大，但并未發(fā)生潰水淹面事故，主要是由于工作面周期來壓步距較短，僅為9~12 m，所波及到的含水層范圍較小，且頂板砂礫巖富水性為弱至中等。

（4）目前礦井未發(fā)生潰沙事故，主要是由于工作面開采以后垮落帶高度小于采空區(qū)頂板基巖厚度，冒落帶發(fā)育高度未至頂板砂礫巖含水層。

3.2 動(dòng)水壓力和流動(dòng)空間

煤層未采動(dòng)之前，含水砂層有一定凈水壓力，該壓力與含水層富水性呈正相關(guān)。隨著工作面的推采，冒落裂隙與含水砂層溝通，含水層水流動(dòng)，此時(shí)，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。含水砂層不斷要受靜水壓力作用，且受地下水對(duì)砂層施加的動(dòng)水壓力，在靜水、動(dòng)水壓力共同作用下，含水砂層中沙粒出現(xiàn)快速移動(dòng)。

基于地表沉降區(qū)巖移觀測(cè)數(shù)據(jù)，采煤塌陷區(qū)下沉系數(shù)為0.92。隨著工作面的推采，采空區(qū)及時(shí)冒落，密實(shí)性強(qiáng)，因而采空區(qū)不存在匯水及容納潰沙的空間。當(dāng)工作面前方發(fā)生切落式冒落時(shí)，工作面和進(jìn)回風(fēng)巷道都可能進(jìn)入水沙。因而工作面在推采時(shí)需要密切觀察頂板，確保支架工作阻力。

3.3 注漿治理

現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，下完注漿管后，管內(nèi)流量約50 m3/h，環(huán)狀空間流量約10 m3/h，大部分水已從注漿管內(nèi)流出，達(dá)到疏水泄壓作用。管外注雙液漿，總注漿量為3.7 m3，注漿過程中錨索孔出水、頂板淋水不斷減小，注完后錨索孔出水消失，頂板淋水小于1 m3/h，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)頂板未繼續(xù)下沉。待凝48 h后，鉆場(chǎng)附近頂板淋水消失。進(jìn)行孔內(nèi)壓水試驗(yàn)，壓力達(dá)到6 MPa，鉆孔周圍及頂板無滲水，進(jìn)行管內(nèi)升壓注漿，注漿量為4.2 m3，水灰比為1∶1，注漿壓力為6 MPa。注漿結(jié)束后錨索孔及巷道頂板無淋水，同時(shí)未觀測(cè)到巷道頂板繼續(xù)下沉及新的變形破壞，注漿工藝、參數(shù)選擇合理，注漿堵水效果100%。

4 結(jié) 論

（1）只有同時(shí)滿足水沙潰涌的物質(zhì)基礎(chǔ)和存在水沙潰涌通道，工作面才會(huì)發(fā)生突水潰沙。

（2）通過對(duì)工作面潰水潰砂風(fēng)險(xiǎn)和排水系統(tǒng)等進(jìn)行評(píng)價(jià)，針對(duì)工作面局部潰水潰砂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，需加強(qiáng)排水系統(tǒng)建設(shè)。

（3）基于地表沉降區(qū)巖移觀測(cè)數(shù)據(jù)，伊犁礦區(qū)采煤塌陷區(qū)下沉系數(shù)較大。隨著工作面的推采，采空區(qū)及時(shí)冒落，密實(shí)性強(qiáng)，因而采空區(qū)不存在匯水及容納潰沙的空間。當(dāng)工作面前方發(fā)生切落式冒落時(shí)，工作面和進(jìn)回風(fēng)巷道都可能進(jìn)入水沙。因而工作面在推采時(shí)需要密切觀察頂板，確保支架工作阻力。