采动作用下离层水害发育规律及防治对策

采动作用下离层水害发育规律及防治对策

彭修1，张伟1，王新1

（1.中国石化长城能源化工（宁夏）有限公司，宁夏银川 750000）

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摘 要：离层水害是近年来中国西部矿井常见且危害较大的水害形式，回采采动受上覆岩层叠加导致液压支架工作阻力小于上覆岩层重量易造成压架事件发生，对综采工作面采场围岩控制提出新的挑战。某矿110304综采工作面共出现5次涌水，不同程度导致停产，影响采场生产安全，严重威胁矿工生命安全，通过采用对直罗组含水层疏放、提升支架工作阻力、采掘生产接续调整等措施强化采场围岩控制，最后按照生产计划节点完成了工作面的安全回采，为本矿井后续采区采煤生产安全管理具有借鉴意义。

关健词：离层水；含水层疏放；采场；围岩控制；

中图分类号：TP 028.8       文献标识码：A

煤层开采是较为剧烈的工程与环境效应，常引发地质与环境灾害问题。煤层开采过程中覆岩会发生变形、破断并形成大量裂隙，这些裂隙包括水平裂隙、近水平裂隙、顺层裂隙、垂直裂隙和斜交裂隙等，沿岩层间或层内顺层方向拉开的裂隙被称为离层裂隙(简称离层)。离层空间上下岩层若存在含水层，会导致离层空间充水，离层水体若涌入采掘空间即形成离层水害[1]。周期来压遇离层水储存量峰值时导致采场覆岩重量增大，液压支架负荷加重，超过了其工作阻力，致使架前顶板被剪切[2]，支架立柱行程变小，工作面停止推采。提出了更换安全阀等措施提高支架工作阻力、架前注浆加固顶板、提前对含水层疏放等解决方案，通过实施验证，实现安全推采[3]。

1 工作面情况

1.1 工作面基本情况

110304综采工作面（以下简称“工作面”）位于井筒北翼，工作面东侧北为金家渠子西侧断层。西侧为盐环定干渠保护煤柱线，南侧为110302综采工作面运输顺槽，北侧为3煤层未采区。工作面对应地表标高+1409～+1420m，工作面标高为+986.4～+1121.8m。

工作面走向长972m，倾向长224.3m。煤层厚度1.0～2.71m，设计采高2.2m，采用综合机械化一次采全高，走向长壁后退式采煤方法，全部垮落法管理煤层顶板。煤层倾角平均为15°～25°，伪顶为粉砂岩、泥岩，深灰色，薄层状，易脱落，平均厚0.3米；直接顶为粉砂岩、细砂，颜色呈灰色，质地坚硬，平均厚23.54米；基本顶为粗粒砂岩，灰白色，粗粒砂质结构，质地坚硬，平均厚42.98米。直接底为粉砂岩、细砂，颜色呈灰色，粉砂质结构，质地坚硬，平均厚5.09米。

表1   煤层顶、底板情况表

1.2 涌水和来压叠加下采场实况

工作面中下部矿压显现剧烈，液压支架被迅速压下，且伴有出水，34#至机头采煤机通过空间不足，其中3#-25#液压支架立柱行程剩余200-350mm，支架大脚被下压至底板，深度为200mm，工作面采高降低为1.8-2.0m，工作面停产。

2 工作面涌水

2.1 涌水情况

110304综采工作面先后共发生五次出水，分别于2022年11月24日至12月7日回采至135.8米和152.2米时出水量增大至145m³/h，随后水量逐渐减小恢复到出水之前正常状态20m³/h及以下。2022年12月15日至12月20日回采至219.0m时，涌水量合计增大至290m³/h。通过观测工作面总出水量达到约410m³/h。2023年1月3日至1月7日回采至257.7m时，出水量最大约260m³/h左右。51-54#支架立柱无行程，采煤机无法通过。2023年2月2日至2月10日回采至332.6m时，通过泄水孔观测工作面总出水量150m³/h，26#-34#出水量大矿压显现剧烈，支架立柱下缩量增加，采高1.8m左右，采煤机无法通过停机，处理机头淤泥及采煤机变频器，以及顶板注浆加固。2023年2月15日至2月28日，平均推进348.0m，地面总排水能力增加到约700m³/h。截止2月28日早8点，110304工作面总出水量约97000m³。

表2   出水累计统计表

2 涌水影响下矿压活动规律分析

2.1 涌水原因分析

2.1.1 随着工作面推进与采空区的扩大，采场顶板覆岩离层逐渐发育，在离层周边含水层对其的不断补给下，离层积水量与覆岩变形逐渐增大，若泥岩隔水层遇水膨胀、松散，逐渐填堵导水裂隙，类似于“再造隔水层”，使得离层水储存起来，在一定时间内，形成相对稳定的“储水体”[4]。

随着离层水头逐渐升高，产生一定的静水压力并逐渐增大，使得离层水体对其下位岩层施加一定的孔隙水压力与荷载作用，其中孔隙水压力对离层下位完整岩层结构造成破坏，使得有效隔水层厚度逐渐减小；而离层水的荷载作用，则使得离层下部的裂隙带高度增大，随着工作面的推进，采空区扩大，伴随着周期来压，老顶大面积垮落，顶板裂隙向上部延伸，与采空区离层水或顶板富水异常区导通，造成顶板淋水或采空区突水。工作面继续推进，淋水地点移至采空区，造成采空区后方涌水。工作面再向前推进，上覆顶板趋于稳定，淋水或涌水减小。进入下一个周期循环，随工作面推进呈周期性涌水现象[5]。

本次工作面发生的集中出水，距离上次工作面出水平均15.4m，由于本次出水为工作面架后采空区向前涌水，所以导水通道大概率为上一次出水的导水裂隙带还未完全弥合，加之本次出水之前110306回顺的离层水探放孔，钻探到上次出水的28#架上方的离层空间钻孔，最大出水15m³/h，说明上次出水的离层空间二次蓄水，而上次出水的离层空间结合上次出水量及相同的导水裂隙带，不容易出现700m³/h以上的集中涌水。所以，结合以上原因，初步分析本次工作面的出水的离层为高位离层水，离层层位越高，越接近富水相对较强的直罗组砂岩含水层，最终造成高位离层的弯曲下沉带断裂后，水经过上次出水的下层离层空间，从原导水裂隙带溃入工作面，造成此次的集中涌水，此期间对出水原因也仅为推断，有待进一步探究[6]。

2.1.2 出水时间持续长，小时涌水量大。五次出水时间累计316小时，出水总量达到97000m³，平均涌水量达到307m³/h，持续时间、出水量均为历次出水最大。

2.2 矿压活动规律分析

2.2.1 工作面自2022年9月16日开始试生产，采空区顶板先从采场中部70#-90#支架处开始垮落，逐渐蔓延到机头位置，工作面上端头顶板最后垮落，推采至46.8米出现第一次周期来压，之后来压步距平均为22米，来压比较规律，回采至136米时出现第一次出水，1#-50#、95#-128#支架处应力集中，最大应力42Mpa（安全阀开启值39.8Mpa），同时伴有周期来压；工作面推采至219米1#-97#架时，顶板由淋水到滴水成线，最大工作阻力达到40.3Mpa，上部应力最小为32.8Mpa，矿压应力显现；推采至257.7米25#-72#支架处架前淋水，其中57#支架处架后从底板涌水，51#-54#支架立柱无行程，采煤机无法通过，最大压力39.8Mpa，停产5天；推采至332.6米26#-34#支架出水量增大，其中34#支架顶板破碎冒漏，最大压力32Mpa，支架立柱下缩量增加，采高1.8m左右，采煤机无法通过，停产7天；推采至349.6米1#-50#支架矿压显现剧烈，最大压力达到41.1Mpa，安全阀全部开启，采煤机司机将煤机牵至机尾后，停止割煤，其中41～50#支架采空区出水，45～50#支架前淋水，40～1#支架顶梁滴水，矿压在线监测设备受淋水影响数据中断，停产10天[7]。

2.2.2自10月15日工作面进入正式回采后，工作面矿压显现正常，两巷超前段无矿压显现；10月28日中班工作面70#支架至110#支架范围内压力明显，大部分支架工作阻力接近或超过40Mpa，此时运输顺槽推进49.8m，回风顺槽推进43.8m，工作面压力集中在中、上部压力，工作面83#-95#片帮严重，部分安全阀开启，（43.8+49.8）/2=46.8m，即初次来压步距为46.8m。接下来每月周期来压3-5次，来压步距18-26米，持续时间最长达10天，在五次出水期间矿压显现明显，压力超过40Mpa值的数较多，其中第五次出水时尤洛卡数据监测设备未有效上传，但现场支架工作阻力普遍偏大[8]。

3采场围岩控制技术

3.1 松顶松底法改善支架工作环境，工作面14#-34#液压支架立柱行程约为200mm，支架被下压至底板约200mm，采煤机无法通过，需对支架大脚前部至煤壁处整体卧底，将运输机下放，卧底量约为600mm。首先清理支架大脚前，清理完毕后将运输机拉回，在进行里侧清理，直至将整体运输机下放，保证采煤机通过空间，将采煤机牵引至采高安全段，保证人员作业空间及采煤机安全。其次采煤机上方淋水减少后采用人工遮挡防水布，对采煤机电气系统检修，采煤机电气系统确认完好后开机，将采煤机牵引至采高大及支护完好段[9]。

3.2 强化矿压监测有效指导采煤生产技术管理，增加尤洛卡传输设备检修频次，保证正常运转，防止矿压数据上传不及时，不能有效分析。回采过程中派专人观察分析提前告知采煤人员，防止周期来压伴随顶板离层水形成后造成涌水事件发生

[10]。工作面要备好排水设备及排水管路，做好交接班及联合排水试验，利用班前、后会对职工教育宣传贯彻学习[11]。

3.3 提高支架工作阻力增强围岩支护强度， 工作阻力由6400Mpa增加至6800Mpa，修复使用现有大流量高精度反冲洗水处理装置系统，使水中杂质的含量降低，提高水质的纯度，反渗透膜应定时进行清洗，保证系统的清洁，减少安全阀反复动作损坏的几率，使安全阀保持完好状态。对操纵阀、千斤顶、安全阀、双向销等液压元件不要在并下检修，应整体更换；同时定期清洗、更换支架反冲洗过滤器，对在外立柱的活柱及其他千斤顶的活塞杆要及时擦拭干净，减少杂质物进入液压系统，避免反复摩擦冲击寻坏液压构件，减少液压元件漏液的几率，减少压力损失[12]。

3.4 加强防治水管理，完善排水系统并达到最大排水能力，地面排水系统已具备700m³/h实际排水能力，为适应工作面排水能力的需求，地面需在此基础上再提高300m³/h的排水能力，总排水能力与工作面排水能力均达到1000m³/h。加强工作面排水系统及排水设备日常的维护及检修，在第三巷施工泄水孔集中抽排，保证泄水能力。定期收集水文动态观测系统数据，加强分析判断、预测预报等，发现出水或水量增大时，及时汇报调度室，立即停止生产，撤出受水害威胁的所有人员。施工离层水验证孔，验证出水层位。

3.5调整采掘工作面接续，缓解矿井蓄水压力。原本计划110306工作面接替110303工作面，由于06工作面地处11采区3#煤层最后一个工作面，地势处于最低洼，加上之前采煤工作面受离层水等涌水量增大后导致压架影响正常推采。经研究决定，对直罗组含水层进行疏放后矿井涌水量骤增，受水动力系统径流预计06工作面上覆岩层蓄水量会严重影响采煤生产，故调整采掘接续计划，提前布局4#煤层开采，采煤后水头压力降低到一定的安全程度，而缓解06工作面采煤生产安全压力。

3.6加固矿井蓄水池一期二期坝体，增加矿井水排放路径。采用高压旋喷桩，孔径600mm，间距400mm，平均桩长10m ，1：1水泥浆液加固坝体提升矿井蓄水池蓄水能力，增加一趟应急排放管路加强矿井水外排能力，杜绝水患影响采煤工作面正常生产。

4 结 论

（1）通过更换安全阀等措施提高安全阀开启值，增大支架工作阻力，由6400Mpa增加至6800Mpa有效增加了采场支撑强度，对离层水与厚覆岩层叠加时起到了较好支撑作用。

（2）超前对顶板含水层进行疏放，避免周期来压峰值遇含水层水压峰值叠加，较好的发挥了“消峰平谷”的作用，根据对上一个工作面集中涌水的特征分析，不排除存在离层水害的可能性，在周期来压之前完成离层钻孔施工。

（3）受覆岩离层水及周期来压影响后部分支

架无行程后采取起底松动支架法，通过实践支架恢复行程，初撑力达到要求。

（4）调整采掘接续计划和提升矿井蓄水池蓄水能力建设，提前进入4#煤层开采开拓及采取下行开采将含水层压力峰值降低到安全状态。有效避免了透水事件发生。

（5）经过五次涌水，煤矿完善排水系统增强排水能力，总排水能力与工作面排水能力均达到1000m³/h，有效缓解排水压力，截止投稿前本工作面再未发生过压架和涌水事件发生，确保了采煤生产安全。为后期采煤技术管理具有可借鉴意义。

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