巨厚低滲含水層下頂板水害形成機(jī)理研究

巨厚低滲含水層下頂板水害形成機(jī)理研究

0礦井離層水害治理面臨的難點(diǎn)及解決路徑影響煤炭安全生產(chǎn)的五大因素之一的風(fēng)險(xiǎn)之一。隨著采礦深度的增加，煤礦的水保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越嚴(yán)重。針對(duì)防治水工作的日益復(fù)雜性,一些學(xué)者對(duì)煤礦突水機(jī)理與防治理論做了大量研究,取得了豐碩成果。目前,我國(guó)重大突水事故水害類(lèi)型主要為老窯水害、陷落柱水害和頂板水害等3種,如駱駝山煤礦隱伏導(dǎo)水陷落柱突水事故、王家?guī)X煤礦采空區(qū)透水事故。針對(duì)不同水害類(lèi)型事故的發(fā)生,在煤層開(kāi)采之前,需要對(duì)煤礦開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行水文地質(zhì)勘探,查明斷層、陷落柱等隱蔽災(zāi)害的導(dǎo)水和含水情況,以及煤層頂?shù)装鍘r層的富水情況,以便采取針對(duì)性的防治措施。目前,覆巖離層水害是一種新型的礦井水害,其致災(zāi)水源為頂板次生離層水,在我國(guó)的山東濟(jì)寧、安徽皖北、陜西黃隴等礦區(qū)時(shí)有發(fā)生,一些學(xué)者從離層水形成的地質(zhì)條件、采礦條件、突水機(jī)理、離層水防治方面進(jìn)行了研究,取得了一定的研究成果。覆巖離層水害具有瞬時(shí)水量大、持續(xù)時(shí)間較短、水量衰減快、具有封閉水體(采空區(qū)積水)突水特點(diǎn),因此,離層水害為當(dāng)前治理的難點(diǎn),尤其是對(duì)于巨厚低滲透弱富水含水層水害機(jī)理及防治是面臨的新問(wèn)題。筆者針對(duì)寧夏某煤礦首采工作面在推進(jìn)到46.5、56.0、112.5、186.0m發(fā)生的最大涌水量達(dá)3000m3/h的4次突水事故進(jìn)行了深入研究和分析,在頂板水害形成地質(zhì)條件研究的基礎(chǔ)之上,通過(guò)水害的綜合探查技術(shù)及數(shù)值模擬技術(shù)研究,形成了巨厚低滲含水層下厚煤層綜采頂板水害形成機(jī)理,在此基礎(chǔ)上形成和總結(jié)切實(shí)可行的頂板離層水害全方位綜合防治技術(shù),對(duì)于相同或類(lèi)似礦井水害防治具有重要的借鑒意義。1侏羅系的組成寧夏某煤礦井田內(nèi)大部分地區(qū)被第四系(Q)風(fēng)積砂所覆蓋,僅在井田西南部出露零星基巖。經(jīng)鉆孔揭露井田內(nèi)地層由老至新依次有:三疊系上統(tǒng)上田組(T3s),侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z),侏羅系上統(tǒng)安定組(J3a),古近系漸新統(tǒng)清水營(yíng)組(E3q)和第四系(Q)。開(kāi)采的侏羅系上統(tǒng)延安組2號(hào)煤層平均厚度5.3m,采高5.0m,平均傾角8.5°,2號(hào)煤層直接頂為厚度11.5m的粉砂巖和細(xì)砂巖,基本頂為厚度14.8m的直羅組底部粗砂巖,其上為15.5m厚的粉砂巖,粉砂巖上部為10.3m厚的泥巖隔水層,其上部為直羅組下段粗砂巖含水層,厚度41m。2綜合屋頂檢測(cè)技術(shù)2.1工作面終采線(xiàn)探測(cè)為了查明突水水源,探尋厚煤層一次采全高工作面覆巖破壞規(guī)律及水害形成機(jī)理,寧夏某礦在1121工作面終采線(xiàn)以里30m、運(yùn)輸巷以里50m的采空區(qū)范圍內(nèi)布置1個(gè)鉆孔進(jìn)行沖洗液漏失量觀(guān)測(cè)和鉆孔電視觀(guān)測(cè),井下采用全空間瞬變電磁法探測(cè)等3種技術(shù)手段進(jìn)行探查。通過(guò)以上探測(cè)研究,形成鉆探、鉆孔沖洗液漏失量觀(guān)測(cè)、鉆孔電視觀(guān)測(cè)及物探探測(cè)一體化水害探查技術(shù),鉆孔電視觀(guān)測(cè)典型圖片如圖1所示。2.2孔深1263715鉆孔位于1121工作面東北部,開(kāi)孔孔徑為153mm,終孔孔徑為98mm,鉆孔深度為338.35m。在216.08m開(kāi)始進(jìn)行沖洗液漏失量觀(guān)測(cè),在孔深216.08~261.04m,水位降深幅度在1.4~8.0m。在孔深261.04m時(shí)10min內(nèi)水位下降60m,在該處因沖洗液循環(huán)中斷停止觀(guān)測(cè)?？咨?69.96m處時(shí)向孔內(nèi)注入清水約360L(10min)未見(jiàn)返水,孔深261.04~269.96m未能取出巖心,且在鉆探過(guò)程中無(wú)掉鉆現(xiàn)象,推斷無(wú)覆巖離層現(xiàn)象。在孔深275.81m時(shí)孔內(nèi)底部有水位存在,孔深281.53m時(shí)孔內(nèi)開(kāi)始無(wú)水,因此,判斷孔深275.81m以上沖洗液大量漏失是由巖體原生裂隙所致(圖1b)。2.3裂隙帶以巖石和泥巖互層結(jié)構(gòu)鉆孔電視探測(cè)自孔深208.68m開(kāi)始,至308.97m結(jié)束,實(shí)際探測(cè)深度為100.29m。從套管底部至279.07m段巖石相對(duì)比較完整(圖1a),巖性為砂巖和泥巖互層,局部有水平方向原生裂隙發(fā)育,導(dǎo)致鉆孔漏失液大量漏失(圖1b);孔深279.07~279.50m段有一高角度近垂向的裂隙,裂隙發(fā)育明顯(圖1c),孔深286.3~294.68m段多處有離層。根據(jù)以上裂隙的發(fā)育情況,將孔深279.07m確定為該位置裂隙帶頂點(diǎn);從孔深298.9m開(kāi)始,巖體破壞非常嚴(yán)重,巖體出現(xiàn)較大的位移,并且出現(xiàn)極大的空區(qū),掉鉆嚴(yán)重,為明顯的采動(dòng)垮落特征,將298.9m確定為該位置垮落帶頂點(diǎn)(圖1d)。2.4礦井相互影響位置礦井瞬變電磁法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的在煤礦井下巷道內(nèi)探測(cè)其周?chē)臻g不同位置、不同形態(tài)含水體的礦井物探方法之一,在煤礦水害防治中取得了很好的應(yīng)用效果。本次在開(kāi)切眼內(nèi)布置2個(gè)物探測(cè)點(diǎn),探測(cè)方向?yàn)榕c運(yùn)輸巷夾角45°、與回風(fēng)巷夾角45°,偏向工作面內(nèi)部,每個(gè)測(cè)點(diǎn)共6個(gè)探測(cè)方向(圖2)。礦井瞬變電磁法視電阻率剖面如圖3所示,從圖3a所反映的電性特征來(lái)看,該位置超前向上部探測(cè)90m,向正前方探測(cè)100m,結(jié)合該工作面的地質(zhì)和開(kāi)采資料,推斷該位置斜前方90m以后為正常地層的電性反映,結(jié)合視電阻率等值線(xiàn)梯度變化特征,在該剖面前方30~70m、上方30~70m位置存在低阻閉合圈異常,該位置富水性相對(duì)較強(qiáng)。從圖3b所反映的電性特征來(lái)看,該位置超前向上部探測(cè)90m,向正前方探測(cè)90m,結(jié)合該工作面的地質(zhì)和開(kāi)采資料,推斷該位置前方60m以后為正常的電性反映,結(jié)合視電阻率等值線(xiàn)梯度變化特征,在該剖面前方10~60m、上方50~90m位置存在低阻閉合圈異常。結(jié)合鉆孔資料,距離煤層頂板40m左右為泥巖,厚度約10m,其上部為厚度約41m的粗砂巖,在厚煤層開(kāi)采條件下,砂泥巖互層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生離層,推斷低阻閉合圈異常為離層水包的電性反映。2.5巖體原生裂隙發(fā)育規(guī)律根據(jù)鉆孔漏失液觀(guān)測(cè),在孔深261.04m時(shí)漏失液大量漏失,但在孔深275.81m時(shí)孔內(nèi)底部有水位存在,通過(guò)鉆孔電視觀(guān)測(cè)(圖1),在孔深260.0~261.0m巖段原生裂隙較為發(fā)育,因此,判斷孔深275.81m以上沖洗液大量漏失均由巖體原生裂隙發(fā)育所致?？咨?81.53m時(shí)孔內(nèi)開(kāi)始無(wú)水,由此說(shuō)明導(dǎo)水裂隙帶頂點(diǎn)位置在275.81~281.53m。根據(jù)鉆孔電視觀(guān)測(cè)結(jié)果,將孔深279.07m確定為該位置裂隙帶頂點(diǎn),1121工作面覆巖垮落帶高42.73m,其垮采比為8.55;導(dǎo)水裂隙帶高62.53m,裂采比為12.51。因此,根據(jù)綜合探測(cè)技術(shù)研究,確定該礦緩傾斜、厚煤層、一次采全高條件下,垮落帶高度是采高的8~9倍,導(dǎo)水裂隙帶高度是采高的12~13倍。3屋頂水災(zāi)機(jī)分析3.1回采過(guò)程中覆巖離層離層模擬以1121工作面為研究對(duì)象,通過(guò)UDEC數(shù)值模擬進(jìn)一步研究水害形成機(jī)理,模型走向長(zhǎng)度200m,垂直高度108m。模型計(jì)算邊界條件:模型底部邊界固定,左右邊界水平方向固定,上部邊界載荷按深250m巖石自重施加,以自然垮落的頂板管理方法模擬開(kāi)采。模型塊體的本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫(kù)侖模型進(jìn)行計(jì)算,模型計(jì)算力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1。考慮到消除邊界效應(yīng),在左邊留設(shè)60m的保護(hù)煤柱,回采過(guò)程中覆巖離層離散元模擬結(jié)果如圖4所示。數(shù)值模擬表明,工作面推進(jìn)50m時(shí),基本頂發(fā)生初次垮落,上覆泥巖發(fā)生彎曲、下沉,與主關(guān)鍵層巨厚粗砂巖之間形成明顯的離層。隨著工作面的推進(jìn),離層空間越來(lái)越大(圖4),離層儲(chǔ)水空間為水害形成提供了有利的條件。3.2工作面離層開(kāi)采的原理1121工作面回采工藝為綜采一次采全高,平均采高為5m,通過(guò)鉆孔漏失液觀(guān)測(cè)和鉆孔電視觀(guān)測(cè),導(dǎo)水裂隙帶高度平均達(dá)到采高的12.51倍,裂隙帶頂點(diǎn)達(dá)到直羅組下段粗砂巖含水層中,含水層水涌入井下,回采初期涌水量為15m3/h。由于煤層頂板存在泥巖和粗砂組合結(jié)構(gòu),離散元數(shù)值模擬可知,隨著工作面的逐步推進(jìn),砂巖和泥巖產(chǎn)生離層。一般情況下,離層水產(chǎn)生的重要條件是形成離層水的離層空間不能發(fā)育于采場(chǎng)冒落帶中,而應(yīng)分布于整體移動(dòng)帶中,且不能與下部的裂隙帶相導(dǎo)通,即在離層空間下部分布有一定厚度、較為完整的相對(duì)隔水層。雖然1121工作面導(dǎo)水裂隙帶已經(jīng)波及到離層帶,但泥巖在礦壓擾動(dòng)遇水膨脹后會(huì)產(chǎn)生“再生隔水能力”,使得離層再次成為儲(chǔ)水空間。在工作面巷道進(jìn)行的礦井瞬變電磁探測(cè)結(jié)果表明:覆巖內(nèi)部存在的低阻閉合圈異常均為離層水包的電性反映。當(dāng)工作面推進(jìn)到46.5m時(shí),離層水包逐步破裂,最大涌水量增加到212m3/h;當(dāng)工作面推進(jìn)到56m時(shí),基本頂發(fā)生初次來(lái)壓,伴隨著基本頂?shù)拇竺娣e垮落,離層水包破裂,封閉的離層水瞬間潰入礦井,造成突水,最大涌水量增加到1817m3/h;當(dāng)工作面推進(jìn)到112.5、186m時(shí),離層水包破裂導(dǎo)致最大涌水量分別達(dá)到793、3000m3/h。由此可見(jiàn),隨著工作面的推進(jìn),離層儲(chǔ)水空間越來(lái)越大,離層積水量也越來(lái)越大,當(dāng)離層積水量達(dá)到一定程度后,在周期來(lái)壓和離層水壓力的共同作用下,產(chǎn)生離層突水,造成水害事故。4工作面離層水疏放針對(duì)離層水害,一般防治措施是在工作面的上下巷道迎著推進(jìn)方向斜向工作面內(nèi)一定的間距施工疏干鉆孔,使離層空腔的次生水及時(shí)排除。為了保證在開(kāi)采過(guò)程中鉆孔不會(huì)因?yàn)槌捌茐亩驴?在鉆孔內(nèi)下入透水套管。從寧夏某礦突水實(shí)際情況來(lái)看,基本頂砂巖含水層總厚度在70m左右,砂巖水靜儲(chǔ)量較大,因此,首先需要對(duì)砂巖富水區(qū)域進(jìn)行超前疏放,減少后期回采過(guò)程中對(duì)離層空間的補(bǔ)給量;其次,在回采后對(duì)頂板離層水再次疏放。從4次突水規(guī)律來(lái)看,突水周期與開(kāi)采距離有直接關(guān)系,平均推進(jìn)62m左右產(chǎn)生一次突水事故,因此,把握回采步距對(duì)離層水疏放至關(guān)重要。如果工作面推進(jìn)距離與疏放距離太接近,可能會(huì)出現(xiàn)離層水未來(lái)得及疏放而發(fā)生事故;如果相距太遠(yuǎn),則會(huì)降低工作面回采效率。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步實(shí)踐,將1121工作面的回采步距設(shè)計(jì)為50m,即每回采50m進(jìn)行一次離層水疏放。通過(guò)超前和回采期間的疏放,達(dá)到了預(yù)期效果,保證了1121工作面的安全回采。5含水層儲(chǔ)水空間1)覆巖存在巨厚砂巖和泥巖組合結(jié)構(gòu),具備了覆巖離層的地質(zhì)條件。運(yùn)用鉆孔沖洗液漏失量觀(guān)測(cè)和鉆孔電視觀(guān)測(cè)確定了覆巖“兩帶”高度,為采厚的12.51倍,波及到該巨厚低滲粗砂巖含水層。2)隨著工作面的推進(jìn),厚層粗砂巖