煤矿顶板突水机理和防治技术的现代研究

煤矿顶板突水机理和防治技术的现代研究

摘要随着煤矿生产规模的不断扩大，煤矿水害已成为制约煤矿安全生产的重要问题。从突水水源分析，煤矿水害包括底板水害、顶板水害、老空区水害以及地表水水害。一般来讲，顶板水害是由于采矿活动产生的导水裂隙带沟通了煤层上覆含水层，含水层水涌入矿井而造成的灾害或恶化工作面工作条件。基于此，本文就针对煤矿顶板突水机理和防治技术进行分析探讨。

关键词煤矿；顶板突水；机理；防治

1 导言

由于煤矿顶板水害导致煤炭开采中的重大事故较少，因而对顶板水害预测的研究不如底板水害预测那样受到重视。但自20世纪70年代以来，随着煤矿综合机械化的普及，顶板水害对正常生产的影响日益突出。因此，分析煤矿开采时关键层的破断、顶板突水机理及突水预测，具有重要的学术价值和社会实践意义。本文以某煤矿工作面突水为例，探讨其煤层顶板突水机理。

2 水文地质条件分析

某煤矿井田为全隐蔽式华北型石炭-二疊系含煤建造，地层自上而下发育有：第四系、上二叠统上A组、下二叠统下A组和B组、上石炭统C组、中石炭统D组及奥陶系中、下统。

2.1 第四系含水层与隔水层

上组：厚59.60～93.90m，平均72.15m，主要以棕黄、褐黄色局部灰绿色的黏土、砂质黏土及中、细砂层组成。该含水层受大气降水补给，水位动态变化与降雨量基本一致。

中组：厚34.10～85.10m，平均58.53m，主要由灰绿色、黄褐色中、细砂夹黏土组成，局部含钙质结核。局部较松散，富水性强。底界发育有厚0～11.30m 平均厚4.28m的黏土层，第四系下组顶界为厚层钙质黏土层，故本组砂层孔隙含水层与下组含水层无水力联系。

下组：厚56.10～131.40m，平均96.5lm，主要由褐黄、灰绿色、灰白色含钙黏土、钙质黏土组成，局部钙质富集固结。底部钙质层及石灰岩角砾层已形成统一的坚硬地层，厚0.90～16.70m，平均厚8.81m，含裂隙一岩溶水。施工中所取岩芯溶洞直径30～80mm，溶洞中有大小不等的方解石晶体，岩溶率30%，角砾层孔洞达15%～20%。

2.2 叠系含水层与隔水层

（1）A组隔水层。本井田残留厚度0～218.15m，以泥岩为主，粗、中、细砂岩占地层厚度38%，从岩性上，基底式泥质胶结的沙砾本身失去了富水性机理，井田内该组地层基本上可视为隔水地层。井田浅部范围内残厚11.87～64.92m，风氧化深度24.0m，但风化裂隙会成为上、下地层水力联系的通道。

（2）B组3煤顶板砂岩含水层。对矿井充水有影响的含水层主要为3煤顶板砂岩含水层。3煤直接顶为深灰色粉砂岩或泥岩，厚2.5～3.0 m，抗压强度15～30 MPa。老顶为中砂岩，成分以石英、长石为主，中厚层状，泥质或钙质胶结。平均厚33.3lm。抽水试验钻孔单位涌水量0.00488～0.03418L/s.m，属弱富水含水层[1]。

3 井田充水条件

3.1 矿井主要充水水源

（1）第四系底界钙质层裂隙一岩溶水。第四系底界钙质层岩溶率高、裂隙发育，含裂隙一岩溶水，水位标高：+18.38～+32.47m，水质：以型水为主。

（2）二叠系B组3煤顶板砂岩裂隙水。3煤顶板砂岩含水层，平面上裂隙发育不均一，断层破碎带、节理发育带等地段富水性较强。水质：总硬度11.08～86.02 m/L，矿化度400～741 mg/L，属型水。

3.2 矿井充水通道

（1）面状裂隙网络（局部面状隔水层变薄区）。根据新河井田含煤岩系和矿床水文地质沉积环境分析，3煤顶板含水层主要以厚层状砂岩含水层为主，薄层灰岩沉积较少。在厚层砂岩含水层组之间沉积了以细砂岩、粉细砂岩和泥岩为主的隔水层组。在地质历史的多期构造应力作用下，脆性的隔水岩层受力后以破裂形式释放应力，致使隔水岩层产生了不同方向的较为密集的裂隙和节理[2]。

（2）顶板垮落裂隙带。采空区冒落后，采空区上方的岩层平衡遭到破坏而发生移动变形，形成岩层垮落带、断裂带和沉降弯曲带三个不同的岩石破坏带。垮落带和导水裂隙带是矿井充水的人为通道，当跨落裂隙带发育高度达到顶板充水岩层时，矿井涌水量将有显著增加。

4 突水机理分析

根据岩层垮落带高度计算公式：

式中：H为垮落带高度；k为顶板岩石碎胀系数，采用1.3；m为煤层采厚（m）；α为煤层倾角，3煤平均倾角23°。

井田3煤厚度4.15～10.00 m，平均7.3 m，采用轻型支架放顶煤一次采全高时，理论计算垮落带高度h=26.4 m。

根据导水裂隙带最大高度经验公式：

式中：Hf为导水裂隙带最大高度（m）；n为煤分层数；m为累计采厚（m）。

采用轻型支架放顶煤一次采全高时，理论计算跨落带和导水裂隙带“两带”最大高度为107.9 m。井田浅部3煤顶板上距第四系底界110～150 m左右。

采用综采放顶煤（一次采全高）采煤工艺，工作面周期来压老顶跨落后，顶板砂岩水直接进入工作面。随着采空区范围加大，导水裂隙带得到充分发育与风化裂隙接触，在A组与第四系底界之间出现过水“天窗”，第四系钙质层水通过风化裂隙、采动裂隙对3煤顶板砂水进行补给，导致工作面出现集中突水现象[3]。

5 防治技术分析

5.1 水文地质补充勘探

在工作面试采前，开展了井下水文地质补充勘探，先后施工3组井下水文勘探钻孔，安装了孔口安全闸阀，对主要含水层水进行了水质分析，开展了放水试验。进一步查明3煤顶板至第四系底界各含水层之间的水力联系、岩层厚度及3煤顶板砂岩岩石力学性质。通过对水压、涌水量、水温的观测和水质分析，进一步掌握了3煤顶板砂岩水和第四系底界钙质层裂隙-岩溶水的水文参数。