伊犁四矿浅埋深弱胶结砂砾岩顶板水害防治技术研究

2021-07-24孙博

现代矿业 2021年6期

关键词：水沙水害砂砾

孙博

（新疆新投煤业有限责任公司）

目前对于水害的研究主要有水害机理、水害危险性评价、水害治理技术方法等［1-3］。在煤矿开采过程中，顶板水害十分普遍，常常会导致淹井事故。在一定的特殊地质条件下，还可能会发生突水、溃沙事故［4-7］。

伊犁四矿主采煤层顶板主要含水层为古近系弱胶结砂砾岩含水层，该含水层仅在采区东南角局部缺失，下距21-1主采煤层28~52 m。21-1煤层顶板基岩主要为泥岩、粉砂岩、细砂岩等软质岩类，工作面回采过程中存在突水、溃沙的水害隐患。

1 地质概况

伊犁四矿现主采浅部+625 m水平的21-1、23-2煤层，平均煤厚4.5 m和10.5 m，开采区域埋深为50~230 m。主采煤层顶板主要含水层为古近系弱胶结砂砾岩含水层，在采区内普遍发育，仅在采区东南角局部缺失，总体自东向西、由南向北逐渐增厚，砂砾岩层厚0~120 m，岩性以厚层砂岩、砂砾岩为主，夹有薄层砂质泥岩，胶结松散至半固结，属孔隙承压水，含水层水位标高为+790~+800 m，水头高度为0~100 m。该含水层被第四系黄土覆盖，以净储量为主，连通性较差，富水性不均一，具弱至中等富水性，开采区域最大水压为1.5 MPa，下距主采煤层20~52 m。

2 突水溃沙机理分析

通过研究，突水溃砂灾害的发生需具备以下4个条件：①存在溃涌的水砂来源；②存在水砂流动的通道；③存在较大的动水压力；④存在容纳水砂流入的空间（工作面、采空区或巷道）。突水溃砂的4个影响因素归纳起来包括水砂源、通道、动力源、流动空间，这4个要素的相互作用是导致突水溃砂的必要条件，井下开采时，动力源和流动空间自然具备，不作分析。

2.1 存在水沙溃涌的物质基础

根据伊犁矿区实际情况，主采煤层上方为煤系地层正常基岩。在浅部开采区域，伊犁四矿顶板基岩厚度为20~52 m、伊犁一矿为28~170 m，基岩上方为古近系弱胶结砂砾岩承压含水层或第四系弱胶结砂砾岩潜水层。开采煤层上覆基岩与水沙接触类型为直接接触型，且砂砾岩层胶结程度低，遇水易沙化，在一定程度上具备了突水、溃沙的水沙源。

溃水事故的出现与含水砂层水砂组合、富水性等紧密相关［8-9］。静水压力受含水层富水性、地下水侧向补给和大气降水等因素影响。当含水层富水性较强时，极易发生水砂溃涌。根据基岩与水砂接触情况，可将其分为以下3类。

（1）工作面发生溃沙事故的砂源主要为砾石层中的中细砂。当工作面顶板发生切落贯通时，中细砂直接进入工作面。随着时间的增加，砾石层变为滤砂层，阻止溃沙进一步发生。

（2）当基岩顶面为黄土层时，由于黄土层的隔水性能较好，工作面涌入水沙的通道受阻，此时，不易发生溃沙事故。

（3）当所采煤层为浅埋深，基岩顶为沙层含水层时，极易发生溃水溃沙事故。

2.2 存在水沙流动的通道

浅埋深薄基岩下煤层出现水沙溃涌通道主要分为3种类型［10］。第一类是先天性破碎通道，由断层、褶皱等地质结构组成。第二类是由于开采活动导致的覆岩破坏产生的裂隙通道。第三类是天然构造和开采活动共同作用的结果。

伊犁矿区煤层赋存稳定，工作面开采导致顶板岩层破坏形成水沙流动通道。浅埋深煤层开采时，顶板发生冒落，主要形态为以下3种类型。

（1）工作面支架前方切顶。在工作面回采过程中，当到达周期来压位置时，支架前方的煤壁受应力集中的影响发生切顶，形成连通面。因而在开采时及时移架，防止工作面发生溃水。如图1中的导水通道I。

（2）工作面支架后冒落。随着工作面的不断推采，采空区出现切落式冒落。由于重力、挤压力和挠曲张力等作用，直接顶在垂直方向出现大量断裂面，在水平方向出现层间滑动面。由于挠曲形变出现的拉张裂隙，裂隙呈现下窄上宽的特点。受重力作用影响，深度较大的裂隙面出现滑动和错断离层，因而使沙层含水层中的水沙沿裂隙区域进入工作面，工作面出现溃水溃沙事故。如图1中的断裂面Ⅱ。

（3）采空区冒落。随着工作面的不断推进，出现的新的冒落使溃沙裂隙面错断距逐渐减小，间隙呈现愈合。因而新裂隙出现后，前期的溃水溃沙通道基本减小，水沙会沿新裂隙中出现。如图1中的断裂面Ⅲ。

2.3 水害防治技术

针对弱胶结砂砾岩顶板水害，首先需要在井下开展放水试验。在查明含水层水文地质条件的同时，掌握顶板水疏放规律。然后在工作面回采前，实施全面顶板水疏放工程，将含水层的静态储存量进行彻底疏放，避免工作面回采过程中的集中涌水。同时加强排水系统，以抵御较大的工作面动态涌水量。

3 现场实况

3.1 工作面出水情况分析

伊犁四矿前期工作面开采过程中涌水增大的情况主要如下。

（1）21102工作面采用一次采全高开采工艺，平均采高4 m，工作面顶板基岩隔水层厚度为20~25 m。在砂砾岩含水层下推采至1 142.5 m，受设备影响短时间停产，导水裂隙得到充分发育，下端头附近涌水增大至37 m³/h，正常推采后减小至3 m³/h；工作面推至1 163 m时，上端头附近张性裂隙发育，上端头架后冒落区涌水为8 m³/h，之后逐渐增大至20.5 m³/h，最后稳定至12.4 m³/h；工作面支架自下端头往上撤至11#支架时下端头冒落，冒落区裂隙充分发育，涌水增大到33 m³/h，之后稳定至28 m³/h，工作面密闭后采空区涌水减小，稳定至18 m³/h。

（2）21105工作面采用一次采全高开采工艺，平均采高4 m，顶板基岩隔水层厚度为25~38 m。在砂砾岩含水层下推采至1 413 m处，工作面短时间停采后下端头涌水量增大至80 m³/h，14 h后减小至4 m³/h；工作面推进至1 624 m时，下端头架后冒落区涌水增加至19 m³/h，之后稳定至8 m³/h，工作面支架自下端头往上撤至4#支架时下端头冒落，冒落区涌水量增加至26 m³/h，工作面支架回撤至13#支架时，冒落区涌水量增加至30 m³/h，工作面密闭后涌水减小并稳定至24 m³/h。

正常生产期间，工作面涌水稳定，对工作面影响较小，分析原因如下。

（1）工作面连续匀速开采期间未发生涌水增大情况。根据覆岩破坏高度实测裂采比为5.6计算，21102、21105工作面开采过程中导水裂隙带高度为22.4 m，工作面顶板基岩隔水层厚度为20~38 m，防水安全煤岩柱留设高度处于临界状态。在工作面推采期间，导水裂隙带不断向上发育，直至上部砾岩含水层，但工作面用水量并未增加。这主要是由于采空区顶板为低强度软岩，导水裂隙随顶板的冒落而闭合，阻止了顶板含水层的渗透。

（2）工作面涌水增大主要发生在工作面生产不正常或密闭期间。这主要是由于工作面不正常生产时导水裂隙得到充分发育，使工作面涌水量增大。随着工作面的正常生产，导水裂隙趋于闭合，涌水量减小。

（3）尽管工作面涌水量增大，但并未发生溃水淹面事故，主要是由于工作面周期来压步距较短，仅为9~12 m，所波及到的含水层范围较小，且顶板砂砾岩富水性为弱至中等。

（4）目前矿井未发生溃沙事故，主要是由于工作面开采以后垮落带高度小于采空区顶板基岩厚度，冒落带发育高度未至顶板砂砾岩含水层。

3.2 动水压力和流动空间

煤层未采动之前，含水砂层有一定净水压力，该压力与含水层富水性呈正相关。随着工作面的推采，冒落裂隙与含水砂层沟通，含水层水流动，此时，势能转化为动能。含水砂层不断要受静水压力作用，且受地下水对砂层施加的动水压力，在静水、动水压力共同作用下，含水砂层中沙粒出现快速移动。

基于地表沉降区岩移观测数据，采煤塌陷区下沉系数为0.92。随着工作面的推采，采空区及时冒落，密实性强，因而采空区不存在汇水及容纳溃沙的空间。当工作面前方发生切落式冒落时，工作面和进回风巷道都可能进入水沙。因而工作面在推采时需要密切观察顶板，确保支架工作阻力。

3.3 注浆治理

现场施工过程中，下完注浆管后，管内流量约50 m3/h，环状空间流量约10 m3/h，大部分水已从注浆管内流出，达到疏水泄压作用。管外注双液浆，总注浆量为3.7 m3，注浆过程中锚索孔出水、顶板淋水不断减小，注完后锚索孔出水消失，顶板淋水小于1 m3/h，同时，现场观测顶板未继续下沉。待凝48 h后，钻场附近顶板淋水消失。进行孔内压水试验，压力达到6 MPa，钻孔周围及顶板无渗水，进行管内升压注浆，注浆量为4.2 m3，水灰比为1∶1，注浆压力为6 MPa。注浆结束后锚索孔及巷道顶板无淋水，同时未观测到巷道顶板继续下沉及新的变形破坏，注浆工艺、参数选择合理，注浆堵水效果100%。