煤系地层中沉凝灰岩对离层水形成的影响与防治措施

煤系地层中沉凝灰岩对离层水形成的影响与防治措施

田耀杰

开滦集团东欢坨矿业分公司，河北 唐山 063000

摘 要：某井田8煤层顶板存在沉凝灰岩，厚度在1～4m，为凝灰质基底式胶结，强度低，并且有崩解性、触变性，遇水易风化膨胀。8煤层上方存在5煤层顶板含水层，且5煤层顶板0～100m为强含水层段，5～8煤层间距约40m，8煤层回采将导通5煤层顶板含水层，造成含水层水进入工作面，为老空水的形成提供补给水源，而且由于沉凝灰岩的存在，使得9煤层回采时水文地质条件更为复杂。通过分析8煤层顶板沉凝灰岩对水文地质情况的影响，为消除水害威胁提供技术支撑，从而保证矿井安全生产。本文通过研究8煤层回采冒落后，形成再生假顶，阻隔上部涌水，形成离层空腔积水的过程，提出防治措施。

关键词：沉凝灰岩、离层水、防治

1顶板离层水的形成条件

离层水是指煤层开采后，由于顶板覆岩不均匀变形及破坏而形成的离层空腔积水。可将离层水形成的条件分为以下三个方面。

1.1可积水离层

软硬互层结构的地层中,煤层开采后，顶板覆岩发生不均匀变形，在厚层坚硬岩层底部与其下方软岩之间形成离层空腔，而离层空腔只有在相对密闭的情况下才可形成离层水。因此通常情况下发育于导水裂隙带之上的离层,才可满足积水条件。

1.2离层周边存在补给水源及导水通道

井田的导水裂缝带高度约为11.57倍的采高，可达到47m～65m，而5～8煤层间距约40m，因此导水裂缝带可导通5煤层顶板含水层，为离层空腔提供导水通道及稳定持续的补给水源[1]。

1.3离层空间持续时间足够长。离层发育是一个动态的过程,随着采煤工作面的继续推进与采空区面积逐渐增大,离层空间持续时间越长,则其充水时间越长,积水水量越大[2]。

2 8煤层顶板沉凝灰岩在形成离层水过程中起到的作用

井田8煤层顶板存在软硬互层结构的地层，如图1所示，沉凝灰岩存在于回采冒落带内，冒落后因见风遇水膨胀、软化塑形，形成人工假顶，导水裂隙带内的软硬互层地层出现不均匀变形，形成离层空腔，在不存在沉凝灰岩的情况下，此时形成的是不封闭的离层空间，5煤层顶板含水层水会经导水裂缝进入采空区内，并从采空区密闭泄水口流出，只会在采空区低洼处形成积水，不会形成离层水。因沉凝灰岩冒落后在水份及覆岩压力作用下会二次胶结，从而阻隔水的流动，为离层水的形成提供相对封闭的空腔，在有水源补给的情况下，形成离层水[3]。如图2所示。

 图1 地层综合柱状图

图2 离层水形成示意图

3 案例分析

以井田某8煤层回采工作面为例，工作面在2018年1月～2019年3月回采，采前在风、运道均对上方5煤层顶板含水层进行了疏水，通过资料分析，工作面切眼向外500m范围上方5煤层顶板含水层富水性较强[4]。回采后采空区形成三段积水空间，在下方9煤层运道掘进期间对8煤层采空区积水进行了循环探放[5]。

表1 9煤层运道探放8煤层采空区积水预计与实际放积水量对比（钻孔施工之前）

表2 9煤层运道探放8煤层采空区积水预计与实际放积水量对比（随工程施工矫正后）

表3 8煤层采空区内三段积水空间动水量

第1～4次、第5、7次、第6次分别对应探测1、2、3段积水空间，从表1表2中可以看出，即使在矫正之后第7次探放期间预计积水量与实际放积水量之间仍存在巨大差距。而且第7次探测与第5次探测探放的同为第2段积水空间，但第5次并无放水量异常，分析在第5次与第7次探测范围之间存在由冒落岩石形成的阻水带，造成此段积水空间分成了两个各自独立的积水空间；第6次探测范围位于8煤层工作面切眼附近的第三段积水空间，根据探测结果，此段并未形成积水，且不存在动水，第6次与第7次探测范围之间也存在阻水带，因此沉凝灰岩是8煤层导水裂缝带范围内形成封闭的离层空腔的关键因素；通过查资料，8煤层工作面采后采空区存在0.1m³/min的动水，而从表3统计看，实际采空区内存在0.3m³/min的动水，说明在采空区内确有相对封闭的空间，只部分动水由密闭泄水口流出；结合放水量分析，在第7次探测范围内形成了离层水。其余六次探测，预计积水量与实际放水量虽存在差距，并未形成离层水。分析原因为采空区内冒落的不均一性以及含水层富水性的不均一性在8煤层导水裂隙带没有形成密闭的离层空腔。

4防治措施

4.1采取循环探查的方法，而不只在8煤层采空区积水空间最低点进行探放，保证超前距，同时增加钻孔密度。

4.2增加钻孔穿过采空区的铅垂深，穿过原始状态下沉凝灰岩所在层位，这样既可以保证采空区积水放净，也可以查验是否形成了离层水，消除水害隐患。

4.3探放采空区积水钻孔测斜难度大，为保证钻孔质量可采用定向钻机，保证透点在设计位置，便于分析探测范围内水文地质情况。

4.4施工探放水钻孔前采用物探手段对采空区富水情况进行探测，分析物探异常区与采空区空间位置关系，从而初步判断积水的位置，分析是否形成了离层水，在此基础上采用定向钻机施工放水钻孔，确保解除水害隐患。

参考文献

[1]靳德武.我国煤矿水害防治技术新进展及其方法论思考[J].煤炭科学技术,2022,45(5):141-147.

[2]尹尚先,王屹,尹慧超,等.深部底板奥灰薄灰突水机理及全时空防治技术[J].煤炭学报,2020,45(5):1855-1864.

[3]金明方,张高青,徐锟,等.基于地震槽波的致灾地质因素探测技术[J].煤矿安全,2021,52(1):103-106.

[4]朱卫兵,王晓振,孔翔,等. 覆岩离层区积水引发的采场突水机制研究[J].岩石力学与工程学报,2019,28(2):306-311.

[5]金明方,王伊飞, 张钰煜.走向回采工作面排水系统改造及综合利用[J].中州煤炭,2021,228(12):14-16，19.