煤礦頂板離層水害形成機(jī)制、致災(zāi)機(jī)理及防治技術(shù)

煤礦頂板離層水害形成機(jī)制、致災(zāi)機(jī)理及防治技術(shù)

453000Summary：離層水害是一種罕見且危害嚴(yán)重的災(zāi)害形式，基于此，本文重點(diǎn)論述了煤礦頂板離層水害形成機(jī)制、致災(zāi)機(jī)理及防治技術(shù)。Keys：離層水害；致災(zāi)機(jī)理；防治方法離層突水作為近年來煤礦的一種新型突水類型，打破了傳統(tǒng)頂板水防治理念。我國對離層水研究相對較少，尤其是不同水文地質(zhì)、開采條件下離層水產(chǎn)生機(jī)理、突水機(jī)理、突水方式、防治技術(shù)等相對薄弱。本文系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外煤礦離層水害研究進(jìn)展，從煤礦離層水形成機(jī)制、致災(zāi)機(jī)理、水害預(yù)測預(yù)警、防治技術(shù)方面闡述了煤層覆巖離層災(zāi)害問題。一、覆巖離層水形成機(jī)制1、可積水離層。發(fā)育在導(dǎo)水裂隙帶上的離層才能滿足積水條件。采場頂板離層按其持續(xù)穩(wěn)定時(shí)間、最大離層量、富水性可分為裂隙型及空腔型，其中，“空腔型”離層具有離層空間大、穩(wěn)定時(shí)間長、富水性和滲水性強(qiáng)特點(diǎn)，是造成離層水水害的主要離層類型。其主要形成于軟硬互層結(jié)構(gòu)地層中，集中發(fā)育于厚硬巖層底部；此外，煤層采厚越大，越易形成“空腔型”離層。2、離層周圍存在補(bǔ)給水源。離層達(dá)到“封閉”可積水條件后，只有在相鄰含水層補(bǔ)給時(shí)，才能形成離層水體。天然含水層的富水性決定了采動(dòng)離層空間中積水強(qiáng)度，進(jìn)而影響離層涌、突水強(qiáng)度。3、離層空間持續(xù)時(shí)間足夠長。離層發(fā)育是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，隨著采煤工作面不斷推進(jìn)，采空區(qū)面積逐漸增大，離層空間逐漸擴(kuò)大；當(dāng)離層空間發(fā)育到極限時(shí)，即當(dāng)離層空間上伏巖層達(dá)到極限破斷距時(shí)，其上覆巖層發(fā)生斷裂并整體下沉，離層空間會(huì)迅速縮小甚至閉合，上述過程所經(jīng)歷的時(shí)間即是離層空間持續(xù)時(shí)間，其持續(xù)時(shí)間越長，則充水時(shí)間越長、積水水量越大。二、煤層覆巖離層水害致災(zāi)機(jī)理1、多煤層疊加開采下離層水害形成機(jī)制。在近距離煤層疊加開采條件下，煤層后期開采會(huì)重復(fù)擾動(dòng)煤層頂板覆巖，導(dǎo)致頂板覆巖破壞加劇，導(dǎo)水裂隙帶抬高，最終在離層空間與下伏采場形成導(dǎo)水通道，引起離層水害。根據(jù)覆巖工程地質(zhì)條件、導(dǎo)水通道形成原因、突水特征等，可將其分為兩類。①重復(fù)擾動(dòng)突水。離層突水致災(zāi)機(jī)理為：煤層開采初期，離層空間位于導(dǎo)水裂隙帶上方，處于穩(wěn)定狀態(tài)；在后期采煤重復(fù)擾動(dòng)下，導(dǎo)水裂縫突破隔水層，形成導(dǎo)水通道，導(dǎo)致離層突水。這種離層水害的形成機(jī)制是重復(fù)擾動(dòng)出水，即在相鄰多煤層疊加開采的重復(fù)擾動(dòng)下，先期采動(dòng)時(shí)在覆巖中形成的“相對封閉”離層積水空間處于積水狀態(tài)，隨著煤層后期開采和采空區(qū)擴(kuò)大，導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)一步向上延伸；隨著離層空間下伏亞關(guān)鍵層破斷，導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育加速，溝通了離層區(qū)，形成導(dǎo)水通道，引發(fā)離層突水。②動(dòng)力突水。與重復(fù)擾動(dòng)出水不同，這種離層突水通道是由于在疊加開采擾動(dòng)下，覆蓋在離層上的硬巖體會(huì)突然產(chǎn)生動(dòng)力失穩(wěn)，瞬間釋放巨大動(dòng)能，擊拍離層水體，瞬間產(chǎn)生超高水壓，突破隔水層，使離層下覆巖層破斷產(chǎn)生導(dǎo)水通道，引起離層水害。這種離層水害的形成機(jī)制是動(dòng)力突水，其特點(diǎn)是無明顯的突水跡象，瞬時(shí)水量大，而且大量碎石隨離層水體涌入。2、單煤層開采下離層水害形成機(jī)制。雖然單煤層開采不受疊加開采影響，但開采的煤層屬于厚、特厚煤層，開采強(qiáng)度大，覆巖破壞劇烈，易形成離層水害。①靜水壓涌突水。隨著工作面推進(jìn)及采空區(qū)擴(kuò)大，采場頂板覆巖離層逐漸發(fā)育，在周圍含水層的持續(xù)補(bǔ)給下，離層積水量和覆巖變形逐漸增大，離層水頭上升，產(chǎn)生一定的靜水壓力并逐漸增大，使離層水體對下位巖層施加一定的孔隙水壓力和荷載作用,孔隙水壓力破壞了離層下位完整巖層結(jié)構(gòu)，使有效隔水層厚度逐漸減??；然而，在離層水載荷下，離層下部的裂隙帶高度增大；最終使導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通積水的離層空間形成離層突水。②攜泥砂型離層水害機(jī)理。近年來，鄂爾多斯盆地煤礦離層水害出現(xiàn)離層突水?dāng)y帶大量泥沙現(xiàn)象。鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田高強(qiáng)度開采覆巖攜泥砂突水的孕災(zāi)機(jī)理不同于以往礦井潰水潰砂災(zāi)害。從災(zāi)害水源、物源、通道、強(qiáng)度分析，具有以下特征：a.攜泥砂突水“水源”為地下天然含水層，或?qū)严稁喜坎蓜?dòng)高位離層裂隙(空間)積水體,補(bǔ)給水源為白堊紀(jì)巨厚含水層，而非傳統(tǒng)潰水潰砂水源為水砂混合層；b.攜泥砂突水的固體“物源”不是地表風(fēng)積沙或新生代松散覆蓋層底部砂粒(水砂混合層)，而是侏羅紀(jì)覆巖隔水層中風(fēng)化-軟-弱巖層遇水分解、崩解、泥化形成的；c.攜泥砂突水“通道”并非完全受采動(dòng)影響演化，但“通道”本身也提供固體“物源”，泥砂沖出及堆積會(huì)影響“通道”擴(kuò)展、封堵；d.攜泥砂涌水突水“強(qiáng)度”(涌突水量、泥砂石量)具有瞬時(shí)量大、伴隨強(qiáng)烈礦壓、然后逐步減弱的特點(diǎn)，并且固體“物源”與“水源”分離。泥砂石量強(qiáng)度取決于覆巖巖層的沉積相、膠結(jié)物、粒度、碎屑含量、粘土礦物成分等工程地質(zhì)特性，還受水壓力、涌水強(qiáng)度的影響。三、離層水害防治方法為最大限度地發(fā)揮離層水防治效果，要設(shè)計(jì)合理可行的離層水防治方案。對于不同工程，由于地質(zhì)、工程條件不同，離層水防治方案也不同。近年來，由于離層水害頻發(fā)，對其防治研究逐漸增多，當(dāng)前離層水害防治方案步驟基本一致。先確定可積水離層可能發(fā)育位置和周圍含水層富水性，判斷工作面上覆離層水形成條件；然后采前有效疏放周圍補(bǔ)給含水層，回采期間探放離層水；最后增加工作面和礦井排水能力，建立礦井水情動(dòng)態(tài)監(jiān)測和水害預(yù)警體系。根據(jù)離層水害基本條件：①可積水離層-離層空間具有“封閉性”；②離層周圍有補(bǔ)給水源；③一定長的離層空間充水時(shí)間；④配有導(dǎo)水通道。離層水害防治措施從這四個(gè)條件出發(fā)。鉆孔疏放是當(dāng)前防治離層水害的主要方法：了解離層水發(fā)育位置后，對其疏放。疏放鉆孔能預(yù)疏放離層水補(bǔ)給水源，破壞離層空間積水能力，疏放離層空間積水，從而破壞形成離層水害的基本條件，達(dá)到防治目的。采場頂板離層水疏放孔可分為井下導(dǎo)流孔、截流孔、地面直接泄水孔。當(dāng)積水離層位置接近下伏工作面時(shí)，可采用井下疏放孔治理；針對煤礦積水離層發(fā)育位置高，井下上仰施工困難現(xiàn)象，可采用地面直通式泄水孔疏放離層水。1、井下離層水導(dǎo)流孔。旨在覆巖離層水影響工作面前提前疏放，以減少回采時(shí)覆巖離層積水對工作面的影響。井下離層水導(dǎo)流孔應(yīng)指向離層空間，終孔位于離層積水區(qū)。2、井下離層水截流孔(超前疏放孔)。旨在疏放離層補(bǔ)給含水層并阻截其補(bǔ)給離層空間，減少離層空間獲得的補(bǔ)給量，以及離層積水對工作面的影響。截流孔終孔位于離層補(bǔ)給含水層，并指向工作面外?；夭晒ぷ髅媲?，離層水截流孔必須施工并疏放水。3、直通式泄水孔。針對煤礦高離層水害，由于大部分離層和下部工作面為泥巖層，難以進(jìn)行下井施工，可采用地面直通式泄水孔疏放采場頂板離層水。直通式泄水孔與離層水導(dǎo)流孔作用相同，是將離層空間內(nèi)積水提前疏放，以減少回采時(shí)對下部工作面的影響。對于直通式泄水孔，應(yīng)指向離層空間，終孔應(yīng)位于冒落帶頂部。除鉆孔疏放方法外，通過控制采高及推進(jìn)速度，能破壞形成積水離層的必要條件，阻止離層水的形成。采場頂板離層空間的持續(xù)時(shí)間與采煤推進(jìn)速度成反比，所以加快工作面推進(jìn)速度能縮短離層的持續(xù)時(shí)間，減少頂板離層水積水對下部采場的影響。此外，由于采場頂板離層空間中積水量取決于離層空間體積與其動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量，并且離層空間體積發(fā)育與工作面推進(jìn)距離有關(guān)，所以控制推進(jìn)速度能控制離層空間積水量。許多學(xué)者也對離層突水預(yù)警進(jìn)行了研究，通過采場附近水文長觀孔，動(dòng)態(tài)監(jiān)測離層補(bǔ)給含水層的水，觀測頂