高承压松散含水体_下渗带_形成机理及应用验证
收稿日期：2010－05－24
基金项目：国家自然科学基金资助项目（40572160）
作者简介：白汉营（1978－），男，山东巨野人，工程师、博士，2006年毕业于中国矿业大学资源与地球科学院地质工
程专业，主要从事矿山工程地质、水文地质方面的研究工作。
高承压松散含水体“下渗带”
形成机理及应用验证
白汉营1，李文平1，李佩全2，孙如华
1
（1.中国矿业大学，江苏徐州221116；2.淮南矿业集团有限公司，安徽淮南232001）
摘
要：在调查分析潘集矿区按“规程”留设足够高防水煤岩柱和数个综采工作面出水实
际资料的基础上，首次提出高承压松散含水层水体下存在“下渗带”的概念，并分析了“下渗
带”的形成机理、影响因素；将“下渗带”与导水裂隙带结合，分析了高承压松散含水层下，按“规程”留设足够防水煤岩柱的综采工作面顶板充水的原因。
关键词：高承压松散含水体；下渗带；导水裂隙带；综采工作面
中图分类号：TD745文献标识码：A 文章编号：1671－0959（2010）12-
0057-03Mechanism and Applied Verification of “Low Penetration Zone ”
in High Pressure Bearing Loose Aquifer
BAI Han －ying 1，LI Wen －ping 1，LI Pei －quan 2，SUN Ru －hua 1
（1.China University of Mining and Technology ，Xuzhou 221116，China ； 2.Huainan Coal Mining Group Corporation Ltd．，Huainan 232001，China ）
Abstract ：Base on the investigation and analysis on the sufficient height water prevention coal and rock pillars left according to the “mine safety regulations ”and the actual water inrush information of the several fully mechanized coal faces in Panji Mining Area ，firstly the paper provided the “low penetration zone ”conception existed in the high pressurized bearing loose aquifer and analyzed the formation mechanism and influence factors of the “low penetration zone ”．In combination with the “low penetration zone ”and water conducted crack zone ，the paper analyzed the roof water filling cause of the fully mechanized coal mining face with sufficient water prevention coal and rock pillars left according to the “mine safety regulations ”under the high pressurized loose aquifer．
Keywords ：high pressure bearing loose aquifer ；low penetration zone ；water conducted crack zone ；fully mechanized coal mining face
淮南煤田潘集矿区煤系地层之上覆存有巨厚新生界松散层，其下部高承压含水层是矿井开采直接充水水源。根据淮河南岸老区急（缓）倾斜煤层开采经验，矿井设计时浅部开采留设80m 垂高防水安全煤岩柱，作为防下部含水层（下含）水害的主要技术措施。但近年来淮南矿业集团浅埋煤层开采的实践表明，留设80m 的防水煤柱在潘集矿区的一些工作面不能奏效，下含水仍可通过砂岩或断层带进入工作面，严重影响了综放开采［1，2］
。目前，国内众多学者关
注的重点主要集中于防水安全煤岩柱的留设［3－7］
、裂隙带范围内含水层的研究［8，9］
，对采场压架事故的相关矿压现象
过程的描述
［10，11］
，松散承压含水层的载荷传递作用机制及
其对采场覆岩关键层复合破断的影响
［12，13］
，而对于松散高
承压水体对下伏煤系地层下渗破坏作用及其与砂岩中的水
体产生的直接水力联系并没有进行过深入的研究。
为了很好的解释浅部综采工作面出现下含水害的现象，对潘集矿区几个出水工作面调查分析，在总结其规律的基础上，首次提出：在煤层开采前，承压含水层水体在高水头压力作用下向煤系地层层面产生“下渗带”的机理。
1“下渗带”形成的水文工程地质结构特征
对所收集到的潘一矿1111（3）、1421（3）、1402（3），
潘三矿17110（3）、1221（3）等与下含水有关的出水工作面的地质资料进行初步分析后，发现这些工作面具有以下三个特点：
1）工作面位于新生界下含沉积时期古河床中心地区，该地区下含砂砾层、砂层发育，沉积厚，富水性强。
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52010年第12期煤炭工程研究探讨
2）第四系下部砂砾承压含水层均直接覆盖在煤系地层之上，构成直接补给（天窗）区，该含水层与煤系地层有一定的水力联系。
3）煤层顶板均以砂岩为主，且裂隙发育。
由此，可以断定在煤层开采前，承压含水层水体向煤系砂岩层面产生渗透补给需要有一定的水文工程地质条件作前提，即：首先需要有很高渗透潜能（水头高、渗透强）的承压含水层存在，在此特指松散层的下部含水层（下含）；其次煤系地层上部的砂岩层需与松散层底部直接接触，其间不存在粘性土等隔水层。
2“下渗带”形成机理及其影响因素2.1
“下渗带”形成机理分析
水压力对采场围岩具体的破坏作用主要体现在两方面：
一是隐含有势能的静水压力；二是在岩石空隙及突水通道中运动和突水时由势能转变为动能（使运动的水获得加速度）的动水压力，两者对采场围岩有着不同的破坏作用。
松散高承压含水层下伏隔水层内有许多天然软弱结构
面，在承压水静水压力作用下，水不仅进入裂隙内，而且还使隔水层内的裂隙产生扩大、延长现象，并沿着这些天然裂缝，在隔水层内下渗至某一深度，称之为“下渗带”深度。显然，在断层附近，因围岩破坏厉害，其“下渗带”深度较正常区大；其次由于岩石性质、结构和受力的差异，隔水层内天然结构面的大小、多少各异，因而“下渗带”深度必然不同。
在此“下渗带”深度下的煤系砂岩层中没有流出口的情况下（如煤层开采前的天然状态），便形成了一个无通畅渗流出口的封闭系统，这便是提出的煤系地层采前形成“下渗带”的机理（见图1（a ））。
在煤层开采之后，煤系上覆岩层遭到破坏，形成以冒落带、导水裂隙带为主的覆岩破坏带，当导水裂隙带的高度没有波及“下渗带”的情况下，煤系地层上覆含水层的水体还是不能流向采场工作面中（见图1（b ））；当导水裂隙带的高度波及“下渗带”的情况下，此封闭系统遭到破坏，煤系地层上覆含水层的水体便通过“下渗带”和以导水裂隙带、冒落带为主的覆岩破坏带流向采场工作面中（见图1（c ））
。
图1下渗带形成示意图
2.2“下渗带”影响因素分析
由“下渗带”的形成机理可知：高承压松散含水层水体
向下部煤系砂岩渗透补给到“下渗带”深度时，承压含水层的测压水头快速而完全的传递到该深度处，因此，高承压松散含水层水体的测压水头是形成“下渗带”的关键因素。
煤系地层在形成过程中所呈现的层状特性决定了其最主要的软弱面就是层面，对于煤层开采这样一个地下工程，获得层面的指标非常的困难；但层面产状一般与岩层一致，而岩层产状尤其是岩层倾角的获得，相对来说比较容易，因此，选择岩层倾角来描述层面这个软弱结构面的特性。
煤系地层中原岩地应力是影响煤矿采场工程稳定性的重要影响因素。煤层开采前，煤系地层中的层面在原岩地应力的作用下处于稳定状态，且该层面中任一小单元体的地应力状态，一般都可简化为三个方向大致相互垂直的主应力。因此，选择原岩地应力作为描述层面这个软弱结构面的力学性质方面的指标。
3“下渗带”形成机理工程应用及其合理性验证3.1综采工作面出水概况
潘一矿1402（3）工作面初始设计为综采，该工作面因支架受压而停采，于1990年7月1日在工作面上部90号、92号支架处顶板开始有少量淋水，之后淋水区不断扩大，
水量逐渐增大；10月6日涌水量增至35m 3
/h ，水量稳定一段时间；11月15日涌水量降至20.5m 3
/h 。
1990年8月15日以后，随着工作面出水量的增大，西
二采区矿井涌水量由64m 3/h 增至93m 3
/h ，下含水位由
－5.08m 降至－6.51m ，下降幅度较大，水中SO 2－
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含量增
高，摩尔百分比与下含水质相似；1980年11月10日，工作面出水量减小，相应的西二采区涌水量也减小，下含水位逐渐回升。
1402（3）工作面出水历时5个月，共出水约为78000m 3，通过对出水点水质指标和下含水位变化情况的分析，认为本次出水与第四系下含水有联系。出水前期，水源主要为煤层顶板砂岩裂隙水；中期为砂岩裂隙水与下含水的混和水；出水后期，水源主要来自下含水。
该工作面在第一次压架经处理后改为炮采，当回风巷推进195m ，机巷推进175m 后，又改为综采，为此留设煤柱42 60m ，并重作综采工作面切眼。1991年12月12日
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5研究探讨煤炭工程2010年第12期
工作面走向推进28m，工作面来压，支架再次被压死，工作面再次充水［2］。
3.2综采工作面出水原因分析
潘一矿1402（3）工作面基岩之上覆存有很高渗透潜能（水头高、渗透强）的承压含水层，其水头高度达310m；其上覆煤系地层中的砂岩层与松散层底部直接接触，且其间不存在粘性土等隔水层，这些水文工程地质环境已经具备了形成“下渗带”的前提条件。
该工作面两次采用综采工艺进行回采，第1次综采从开采到压架共计用时36d，工作面仅推进29m；第2次综采从开采到压架共计用时49d，工作面仅推进28m，其推进速度缓慢。在两次综采压架的时候，由于工作面推进受阻，工作面煤壁片帮掉顶严重，冒高较大；在煤系岩层的物理力学性质、地质构造和顶板管理方法、煤层倾角等工程地质因素一定的前提下，由于工作面推进速度缓慢，采高过大，造成导水裂隙带的高度异常发育。根据在该工作面附近所施工的冒落孔观测资料可知：在采高3.4m时，导水裂隙带高度最大可达45.10m，见表1。
表1冒落带和导水裂隙带高度
孔号采厚/m导高/m冒高/m
14－7# 3.445.1016.24
14－8# 2.235.407.28
14－9# 2.235.207.34
当煤层在开采之后，煤系上覆岩层遭到破坏，导水裂隙带高度已经波及到了“下渗带”深度内的砂岩层；无通畅渗流出口的封闭系统遭到破坏，这也就意味着沟通了松散含水层。此时，下含水在相互沟通的裂隙中运动，具有势能含义的静水压力转变成动能，使在裂隙内运动的水获得加速度。获得加速度的水，在裂隙中运动时，起到了冲刷扩大裂隙、并搬运裂隙中充填物或破碎物的作用，并形成巨大动水压力和静水压力。巨大的下含水压是整套液压支架迅速被压死、零部件大量损坏的主要原因之一。
3.3“下渗带”形成机理合理性验证
1402（3）该综采工作面在不同出水时期具有不同水源的特点，验证了利用“下渗带”形成机理分析出水原因的合理性。在出水前期，水源主要为煤层顶板砂岩裂隙水，水主要来自上覆砂岩层中的下部砂岩裂隙含水层，由于下部砂岩裂隙水向工作面的排泄，裂隙导水通道的存在，破坏了原先的水动力平衡状态，上部“下渗带”深度内砂岩层中的下含水开始通过导水裂隙向下部砂岩层补给；中期为砂岩裂隙水与下含水的混和水，这个时期由于下部砂岩裂隙含水层中的水体为接受上部砂岩层补给的下含水和本身裂隙水，随时间的推移向工作面排泄。后期水源主要来自下含水，这个时期由于砂岩裂隙水随着时间的推移逐步排完，仅剩下含水向工作面排泄；随着时间的推移，煤层上覆花斑状泥岩和泥岩经水浸泡和并在上覆岩体的压力作用下，导水裂隙被逐步压实封闭，出水通道被堵，出水量大幅度减小直至消失。
4结论
1）淮南煤田潘集矿区浅部煤层开采工作面，在开采过程中产生了与下含水相关联的顶板涌水，并使多套综采支架压埋，在总结这些工作面出水规律的基础上提出：在煤层开采前，承压含水层水体已经在高水头压力作用下沿煤系地层层面“下渗”到一定深度，从而降低了松散含水层的底界面。
2）在具备一定的水文工程地质条件的基础上，煤系砂岩层在上覆高静水压作用下将形成“下渗带”。其影响因素主要为承压含水层水体所承受的水压值、原岩地应力值和岩层的倾角三个指标。
3）利用“下渗带”理论，对潘一矿1402（3）工作面的出水原因做了分析，对其“下渗带”形成的合理性在该综采工作面不同出水时期具有不同水源的现象得到了验证。
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1243．（责任编辑郭继圣）
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2010年第12期煤炭工程研究探讨