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

张昚 普安县工业和科学技术局 贵州普安 561500

摘要：我国是多煤少油的国家，煤炭在我国能源体系中一直占据主导地位。社会经济的日益迅猛发展增大了对煤炭资源的需求，未来相当长的一段时间之内其地位仍然不会发生变化。随浅部煤炭资源逐渐枯竭，矿井开采深度日益增大，生产安全问题一直制约煤矿发展，深部岩体的理论与现场预警技术是未来领域内的重要研究对象。进入本世纪以来，随着新理论和新技术的应用，煤矿生产过程中的安全事故已经显著下降，伤亡人数也极大降低。这些数据显现出科技发展在矿山安全生产具备广泛的应用前景。但当前所面临的煤矿安全问题仍然严峻，为实现矿山事故未来“零伤亡”和“零事故”，需要不断更新设备、技术以期更好的服务于矿井生产。

关键字：离层水；矿井水害；形成条件；突水机理；防治方法

引言

水害是矿井五大灾害之一，我国矿井的安全生产一直受到水害的威胁，矿井水源补给包含地下水和地表水，充水通道多，水源补给复杂，给煤矿的水害治理带来了一定的困难。以往对于水害的治理，各部门之间信息交流程度低，数据共享不及时，严重时延误水害治理时机，造成涌水事故，可见，有必须要构建可实现数据及时共享的煤矿井下综合防治水体系，避免水害的发生。

1煤矿顶板离层水害形成机制

研究区矿井涌(突)水水源可以分为2类：一类主要以萨拉乌苏组、烧变岩等强富水性含水层为涌(突)水源；另一类以顶板砂岩弱富水性含水层为涌(突)水水源。浅埋煤层开采区，如大柳塔、瓷窑湾、上河等煤矿，主采煤层埋深小于100m，煤层开采厚度3~6m，煤层开采形成的垮落带、导水裂隙带直接导通萨拉乌苏组、烧变岩等富水含水层，造成涌(突)水。可采煤层相对较深区，如锦界、柠条塔、红柳林等煤矿，由于顶板“隔水层”厚度较大，煤层开采形成的导水裂隙带发育顶界仍然处在侏罗系岩层中，虽然侏罗系砂岩富水性相对较弱，但含水层补给范围较大，在风化基岩分布区仍然造成矿井的较大涌水量，形成大水矿井，甚至造成突水事件。

2煤层覆岩离层水害致灾机理

在离层水形成与发育的基础上，如果积水离层下部产生导水的通道，致使―相对封闭‖的离层空间与下部的开采空间连通，则离层空间中的积水会沿着导水通道进入采空区或工作面，进而形成离层突水。所以离层积水的形成是离层涌突水的先决条件，而导水通道的形成是离层涌突水的诱发因素。

3煤矿顶板离层水害防治技术

3.1采动条件下岩层渗透性问题

矿井涌水量与涌水水源含水层的渗透系数存在正比例关系，渗透系数是矿井涌水量预测时的重要水文地质参数。一般渗透系数通过地面抽水试验或井下放水试验获取，但地面抽水试验得到的数据一般偏小，而井下放水试验获得的数据普遍偏大，且在原始状态与采动条件下的渗透系数也存在明显差异。在新疆大南湖煤矿开展了采动条件下水文地质参数变化规律的观测、研究，结果表明，煤矿开采过程中，顶板砂岩、泥岩发生开裂、变形，其渗透系数会增大，从原始状态的2.8m/d增大到4.1m/d。这一结果从一定角度上解释了矿井涌水量预测不准的问题，地质勘探报告预测矿井涌水量采用的渗透系数是原始地应力条件下抽水试验获取的，煤矿开采后，原始岩层受到采掘扰动，裂隙发育，渗透系数增大，而矿井涌水量也随之增大。因此，在进行矿井涌水量预测时，直接采用地面或井下抽水试验获取的渗透系数K进行计算，必然与实际开采后存在误差。为了能够得到较为准确的K值，应该以实际回采过的工作面实测涌水量进行Ｋ值反算，同时结合地面和井下抽水试验进行综合计算。

3.2水文地质勘探

综采工作面防治水的关键在于搞清楚工作面突水的主要来源，从而采取一系列的防治措施。在防治水时，要特别明确含水层与工作面的距离、含水层的水压等情况。若回采工作面的采动影响范围波及含水层，则需要采取相应的堵水措施。很多情况下，工作面突水与底板中的承压水、断层地质构造及陷落柱有关，需要对这些地质构造区域或水压异常区域加强勘探。由于地下水是流动的，其压力可能会随时间变化，需对岩层中的水压进行动态监测。此外，还需要注意对矿区周边废弃采空区的含水量进行勘探。过去，矿区周边可能存在一些小煤窑，且没有对这些小煤窑在地图上进行标注。小煤窑开采后会形成采空区，这些采空区在长时间废弃情况下会含有大量积水。若没有探明采空区积水情况，则在开采时很可能引发煤矿透水事故。

3.3预测预警平台构架

现场微震监测和水文监测是预警平台的核心组成部分，其中微震监测系统主要功能是实现微震数据现场24小时连续采集（即：对开采过程中采场围岩受应力扰动损伤、底板破坏、导水构造活化等过程中能量、时空位置信息的定位）。而水文监测系统主要功能是实现工作面底板水文数据实时监测（即：对开采过程中底板含水层的水压、水质、水温等信息的监测，水文监测系统每分钟刷新一次监测结果记录）。大数据智能分析计算中心是通过前期搜集的大量全国各地煤矿的工作面开采的历史涌水资料数据，对已经搭建好的煤矿工作面底板突水灾害大数据智能预测预警系统进行机器学习训练，同时实现与微震数据的互馈分析，最终实现对工作面底板突水危险区域的初步标定，以及对底板发生突水的几率和涌水量进行预测预警。

3.4综合防治水体系构建

煤矿综合防治水体系框架如图5所示。综合防治水体系包含三个层面：①由数据和部门构成的协同元素；②由共享机制、约束机制等构成的协同机制；③由组织机构、岗位责任制等构成的协同实现。煤矿综合防治水体系的三个层面，可实现数据的共享和多部门联合的综合防治水，在综合防治水体系中也可实现对数据的分析和处理，若发现数据异常或可能出现水害，则发出预警信息。

3.5科学地防治水

在明确水害的情况下，需要根据实际情况采取合理的防治水施工方案。防治水施工要符合《煤矿安全规程》中关于煤矿防治水的作业规定，做到有疑必探，避免煤矿突水事故的发生。在陷落柱或断层附近进行回采时，先采用探水钻孔探明陷落柱或断层内部的水情，然后决定是采用疏水方案还是堵水方案。工作面底板含有承压水时，通常采用注浆方式对底板进行加固，从而避免发生突水事故。注浆控制的关键点是对含水层进行注浆作业时，考虑到含水层存在上下隔水层边界，整个注浆过程在有限空间内的作业，若在构造发育区注浆时未有效控制注浆量，会造成成本浪费。

结束语

1）明确了煤矿井下综合防治水的内涵，对综合防治水的对象进行了分类，概括了综合防治水的特点包括：高度集成、综合交叉、复杂性和服务性。2）概述了综合防治水工作流程，对综合防治水数据进行了分类，并建立了综合防治水数据集成模型，由数据集成模型为基础，构建了煤矿井下综合防治水体系。

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【作者简介】张昚，1992.4--，男，汉族，贵州省毕节市威宁县人；2016年毕业于贵州工程应用技术学院，采矿工程专业，助理工程师职称；现在普安县工业和科学技术局，从事煤矿安全生产监督管理工作。