煤矿顶板突水因素分析

【摘 要】过去较长时期中，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。但自二十世纪 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，研究分析煤矿开采时的充水条件，总结突水规律，预测顶板水害和超前制订防治措施，对确保矿井安全生产和提高生产效率具有十分重要的意义[1]。

【关键词】顶板水害预测；突水规律；防治措施

1.煤层顶板突水预测理论方法

顶板突水机理研究主要有“上三带”[2]理论、岩移“四带”理论等学说。煤炭科技研究院刘天泉院士按照长壁开采后，覆岩变形特征及其导水性能，将上覆岩层分为“三带” [3]，即冒落带、裂缝带和整体弯曲下沉带，该理论目前为国内研究顶板突水的主要理论基础。“两带高度”即冒落带和裂缝带，对矿井顶板突水研究有重要意义，经大量实践研究，总结了两带高度公式，拓展了“上三带”理论的实用性。此后，山东科技大学高延法教授突破了传统的三带观念，提出岩移“四带”模型 [4]，对第四纪岩层的作用、特征及对岩移的影响作了对比计算分析，得出了四带划分的必要性，认为岩层结构力学模型应划分为破裂带、离层带、弯曲带和松散冲击层带，进一步拓宽了对顶板突水机理的认识。其他相关专家学者对在此基础上对不同区域的突水机理进行了分析与总结。

2.影响顶板充水含水层富水性的主要因素分析[5]

影响顶板充水含水层富水性的因素是多方面的，并且各方面之间的关系比较复杂"根据我国多年来大量煤层顶板突水案例的系统分析与研究，影响煤层顶板充水含水层富水性的主要控制因素主要包括：

1）顶板充水含水层的岩性特征：主要包括含水层厚度、有效含水层厚度与隔水岩段厚度比（脆、塑性岩厚度比）等；

2）顶板充水含水层的渗流特征：主要包括单位涌水量、渗透系数、冲洗液消耗量、井下突水情况、近期水位变化等；

3）水化学特征：主要包括地下水中主要离子毫克当量百分比；

4）地质构造特征：主要包括断层、裂隙、褶皱及岩溶陷落柱等。

3.顶板突水地层岩性的特征[6]

3.1浅埋深、薄基岩、厚松散层突水

突水条件：1）工作面上方或附近存在现代或古河床洼地，厚层第四系冲积砂层和底部砂砾石层饱和富水；2）煤层埋藏较浅；3）顶板煤层弱～半坚硬，基岩结构强度和稳定性较差；4）导水裂隙带高度大于薄基岩厚度.

突水特点：1）主要发生在顶板初次来压时的切眼附近；2）突水伴有少量泥砂；3）一般突水量60～150 m3/h，最大突水量200～400 m3/h；4）当松散层部黄土隔水层较厚且连续分布时，突水危险性降低.该类突水属于导水裂隙诱发的孔隙水突水。

3.2浅埋深、薄基岩、厚砂层溃砂

溃砂原理：1）工作面上方或附近存在现代或古河床洼地，第四系厚层松散砂层以中、细砂为主，饱和，松散～中等密实；2）采动动载作用使砂层孔隙水压力增大，导水裂隙带淋水使饱和砂层水力坡度达临界溃砂水力坡度；3）砂层底部缺失砾石层作阻砂层；4）煤层埋藏浅，基岩薄，冒落带向上发育突破基岩面。

溃砂特点：溃砂量大，可达4 000～7 000 m3；饱和砂层渗透系数较小，溃砂过程中涌水量较小，一般在30～80 m3/h.

3.3薄松散层、厚基岩、白垩系突水

突水条件：1）第四系松散层较薄，白垩系（K，zh）与直罗组（J：z）构成煤层顶板厚层基岩；2）白垩系洛河组为主要富水含水层；3）由于直罗组顶部风化或延安组上部冲刷等原因，煤层与白垩系含水层间距减小；4）煤层顶板导水裂隙达白垩系含水层底板；5）断层等因素增加厚基岩突水危险性.

突水特点：突水量可达50～400 m3/h；当裂隙连通地表水体时突水量增大.该类型突水属于导水裂隙引起的孔隙水裂隙水突水。

4.地质构造与顶板突水关系[7]

4.1断裂构造与顶板突水关系

断裂构造本身往往就是导水通道，即使在煤层开采前原始状态为非导水构造，在煤层开采后因矿山压力作用，也有可能会发生活化而成为顶板水的导水通道.例如华丰矿3405面顶板涌水量就与断裂构造有密切关系.该面下平巷西端揭露的F52断层，落差达5 m.向西部尚有地震勘探控制的F51断层（H=0～20 m），因此，该面西段构造较为复杂.另外，工作面西部处于井田向斜西部转弯处，煤岩原始应力集中，裂隙发育，断裂构造成为勾通砾岩与顶板砂岩水力联系的通道.该面西部及井下钻孔出水，说明在此带砾岩水与砂岩水具有较好的水力联系.3405上面推采已经揭露工作面上平巷落差2.5 m的逆断层，且顶板压力大，煤壁片帮严重，说明采动影响下上覆砾岩层已经活动断裂，导水裂隙带进一步发育，从而造成顶板淋水及老空侧出水。

4.2.斑裂线与顶板突水关系

华丰煤矿4煤层开采顶板涌（突）水有2大特点：一是主要沿工作面下平巷涌出；二是涌水持续不断.这种突水特点是华丰煤矿山西组煤层开采过程中的普遍规律.形成这种规律的主要原因有3点：一是顶板突水主要通道为斑裂线，二是顶板覆岩的厚层砾岩和黏土岩岩层界面之间容易形成离层裂隙，三是上覆岩层的倾角较大.在工作面倾斜方向发育的斑裂线就如平行排列的断层组，如图1所示.2条斑裂线之间的距离便是工作面斜长。

5. 滑动构造顶板裂隙致突模式[8]

滑动构造造成地层缺失，隔水层厚度变薄，从而成为构造薄弱带，因此此类突水模式的导水通道为构造薄弱带，具有突水水量大，水源补给范围广（包括地表水的水层补给），突水前期以顶板淋水为前兆，而且水质混杂，突水趋势增大的特点。

滑动构造顶板裂隙突水模式是针对郑州矿区特殊的矿井地质和水文地质情况，提出的一种基于滑动断裂面（带）的一种模式。这种模式在重力下滑（挤压滑移）过程中，受到强烈的挤压作用力和剪切作用力，岩石破碎、镜面、擦痕、裂隙比较发育，形成滑动裂隙破碎带。当煤层顶板砂岩中具有这种滑动裂隙破碎带时，富水性增大，可引起煤矿突水（图2）。

图 2 滑动构造致突型示意图

6. 结论

引起煤矿顶板突水的因素有很多种，分析各种不同因素采用相应的方法进行防治，贯彻以“预防为主，防治结合”为基本方针，以“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”为基本原则，并根据矿井水害实际情况制定相应的“防、堵、疏、排、截”综合防治措施 [9]。

参考文献：

[1] 宁喜文.GIS复合分析在煤矿顶板水害预测中的应用.高新技术.2011.

[2] 赵春虎1，刘其声1，田干1，李贤志2.平朔井工三矿首采区特厚煤层综采顶板水综合防治技术实践.地质与测量.

[3] 王新.煤矿顶板突水机理探讨.煤矿开采.2007（10）.

[4] 高延法.岩移“四带”模型与动态位移分析[J]，煤炭学报，1996，21（1）.

[5] 李云龙.基于多源信息融合的姚桥矿水害防治方法与应用研究.博士论文.2010.5

[6] 缪协兴1，王长申2，白海波1.神东矿区煤矿水害类型及水文地质特征分析.采矿与安全工程学报.2010，27（3）.289～290.

[7] 景继东，施龙青，李子林等.华丰煤矿顶板突水机理研究[Jl.中国矿业大学学报，2006，35（5）.

[8]董东林，孙录科，马靖华，刘争伟，李健.郑州矿区突水模式及防治对策研究.采矿与安全工程学报.2010（9）.

[9]徐连利.平朔一号井工矿顶板水害评价方法与应用研究博士论文.2010.