煤矿顶板离层水害形成机制、致灾机理及防治技术

煤矿顶板离层水害形成机制、致灾机理及防治技术

张亮亮

焦作煤业集团赵固（新乡）能源有限责任公司河南省新乡市

453000

摘要：离层水害是一种罕见且危害严重的灾害形式，基于此，本文重点论述了煤矿顶板离层水害形成机制、致灾机理及防治技术。

关键词：离层水害；致灾机理；防治方法

离层突水作为近年来煤矿的一种新型突水类型，打破了传统顶板水防治理念。我国对离层水研究相对较少，尤其是不同水文地质、开采条件下离层水产生机理、突水机理、突水方式、防治技术等相对薄弱。本文系统总结了国内外煤矿离层水害研究进展，从煤矿离层水形成机制、致灾机理、水害预测预警、防治技术方面阐述了煤层覆岩离层灾害问题。

一、覆岩离层水形成机制

1、可积水离层。发育在导水裂隙带上的离层才能满足积水条件。采场顶板离层按其持续稳定时间、最大离层量、富水性可分为裂隙型及空腔型，其中，“空腔型”离层具有离层空间大、稳定时间长、富水性和渗水性强特点，是造成离层水水害的主要离层类型。其主要形成于软硬互层结构地层中，集中发育于厚硬岩层底部；此外，煤层采厚越大，越易形成“空腔型”离层。

2、离层周围存在补给水源。离层达到“封闭”可积水条件后，只有在相邻含水层补给时，才能形成离层水体。天然含水层的富水性决定了采动离层空间中积水强度，进而影响离层涌、突水强度。

3、离层空间持续时间足够长。离层发育是一个动态过程，随着采煤工作面不断推进，采空区面积逐渐增大，离层空间逐渐扩大；当离层空间发育到极限时，即当离层空间上伏岩层达到极限破断距时，其上覆岩层发生断裂并整体下沉，离层空间会迅速缩小甚至闭合，上述过程所经历的时间即是离层空间持续时间，其持续时间越长，则充水时间越长、积水水量越大。

二、煤层覆岩离层水害致灾机理

1、多煤层叠加开采下离层水害形成机制。在近距离煤层叠加开采条件下，煤层后期开采会重复扰动煤层顶板覆岩，导致顶板覆岩破坏加剧，导水裂隙带抬高，最终在离层空间与下伏采场形成导水通道，引起离层水害。根据覆岩工程地质条件、导水通道形成原因、突水特征等，可将其分为两类。

①重复扰动突水。离层突水致灾机理为：煤层开采初期，离层空间位于导水裂隙带上方，处于稳定状态；在后期采煤重复扰动下，导水裂缝突破隔水层，形成导水通道，导致离层突水。这种离层水害的形成机制是重复扰动出水，即在相邻多煤层叠加开采的重复扰动下，先期采动时在覆岩中形成的“相对封闭”离层积水空间处于积水状态，随着煤层后期开采和采空区扩大，导水裂隙带进一步向上延伸；随着离层空间下伏亚关键层破断，导水断裂带的发育加速，沟通了离层区，形成导水通道，引发离层突水。

②动力突水。与重复扰动出水不同，这种离层突水通道是由于在叠加开采扰动下，覆盖在离层上的硬岩体会突然产生动力失稳，瞬间释放巨大动能，击拍离层水体，瞬间产生超高水压，突破隔水层，使离层下覆岩层破断产生导水通道，引起离层水害。这种离层水害的形成机制是动力突水，其特点是无明显的突水迹象，瞬时水量大，而且大量碎石随离层水体涌入。

2、单煤层开采下离层水害形成机制。虽然单煤层开采不受叠加开采影响，但开采的煤层属于厚、特厚煤层，开采强度大，覆岩破坏剧烈，易形成离层水害。

①静水压涌突水。随着工作面推进及采空区扩大，采场顶板覆岩离层逐渐发育，在周围含水层的持续补给下，离层积水量和覆岩变形逐渐增大，离层水头上升，产生一定的静水压力并逐渐增大，使离层水体对下位岩层施加一定的孔隙水压力和荷载作用,孔隙水压力破坏了离层下位完整岩层结构，使有效隔水层厚度逐渐减小；然而，在离层水载荷下，离层下部的裂隙带高度增大；最终使导水裂隙带导通积水的离层空间形成离层突水。

②携泥砂型离层水害机理。近年来，鄂尔多斯盆地煤矿离层水害出现离层突水携带大量泥沙现象。鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田高强度开采覆岩携泥砂突水的孕灾机理不同于以往矿井溃水溃砂灾害。从灾害水源、物源、通道、强度分析，具有以下特征：a.携泥砂突水“水源”为地下天然含水层，或导水裂隙带上部采动高位离层裂隙(空间)积水体,补给水源为白垩纪巨厚含水层，而非传统溃水溃砂水源为水砂混合层；b.携泥砂突水的固体“物源”不是地表风积沙或新生代松散覆盖层底部砂粒(水砂混合层)，而是侏罗纪覆岩隔水层中风化-软-弱岩层遇水分解、崩解、泥化形成的；c.携泥砂突水“通道”并非完全受采动影响演化，但“通道”本身也提供固体“物源”，泥砂冲出及堆积会影响“通道”扩展、封堵；d.携泥砂涌水突水“强度”(涌突水量、泥砂石量)具有瞬时量大、伴随强烈矿压、然后逐步减弱的特点，并且固体“物源”与“水源”分离。泥砂石量强度取决于覆岩岩层的沉积相、胶结物、粒度、碎屑含量、粘土矿物成分等工程地质特性，还受水压力、涌水强度的影响。

三、离层水害防治方法

为最大限度地发挥离层水防治效果，要设计合理可行的离层水防治方案。对于不同工程，由于地质、工程条件不同，离层水防治方案也不同。近年来，由于离层水害频发，对其防治研究逐渐增多，当前离层水害防治方案步骤基本一致。先确定可积水离层可能发育位置和周围含水层富水性，判断工作面上覆离层水形成条件；然后采前有效疏放周围补给含水层，回采期间探放离层水；最后增加工作面和矿井排水能力，建立矿井水情动态监测和水害预警体系。

根据离层水害基本条件：①可积水离层-离层空间具有“封闭性”；②离层周围有补给水源；③一定长的离层空间充水时间；④配有导水通道。离层水害防治措施从这四个条件出发。

钻孔疏放是当前防治离层水害的主要方法：了解离层水发育位置后，对其疏放。疏放钻孔能预疏放离层水补给水源，破坏离层空间积水能力，疏放离层空间积水，从而破坏形成离层水害的基本条件，达到防治目的。采场顶板离层水疏放孔可分为井下导流孔、截流孔、地面直接泄水孔。当积水离层位置接近下伏工作面时，可采用井下疏放孔治理；针对煤矿积水离层发育位置高，井下上仰施工困难现象，可采用地面直通式泄水孔疏放离层水。

1、井下离层水导流孔。旨在覆岩离层水影响工作面前提前疏放，以减少回采时覆岩离层积水对工作面的影响。井下离层水导流孔应指向离层空间，终孔位于离层积水区。

2、井下离层水截流孔(超前疏放孔)。旨在疏放离层补给含水层并阻截其补给离层空间，减少离层空间获得的补给量，以及离层积水对工作面的影响。截流孔终孔位于离层补给含水层，并指向工作面外。回采工作面前，离层水截流孔必须施工并疏放水。

3、直通式泄水孔。针对煤矿高离层水害，由于大部分离层和下部工作面为泥岩层，难以进行下井施工，可采用地面直通式泄水孔疏放采场顶板离层水。直通式泄水孔与离层水导流孔作用相同，是将离层空间内积水提前疏放，以减少回采时对下部工作面的影响。对于直通式泄水孔，应指向离层空间，终孔应位于冒落带顶部。

除钻孔疏放方法外，通过控制采高及推进速度，能破坏形成积水离层的必要条件，阻止离层水的形成。采场顶板离层空间的持续时间与采煤推进速度成反比，所以加快工作面推进速度能缩短离层的持续时间，减少顶板离层水积水对下部采场的影响。此外，由于采场顶板离层空间中积水量取决于离层空间体积与其动态补给量，并且离层空间体积发育与工作面推进距离有关，所以控制推进速度能控制离层空间积水量。

许多学者也对离层突水预警进行了研究，通过采场附近水文长观孔，动态监测离层补给含水层的水，观测顶板含水层水位、水压等水情动态，并详细记录,能起到突水预警作用。离层突水时通常伴随矿压增大和瓦斯含量增加现象，所以对工作面矿压和瓦斯含量的检测能辅助水动态监测，共同发挥突水预警作用。

参考文献：

[1]曹海东.煤层开采覆岩离层水体致灾机理与防控技术研究[D].北京:煤炭科学研究总院,2018.