鄭 綱

（1.中煤科工西安研究院（集團）有限公司， 陜西西安 710077； 2.煤礦災害防控全國重點實驗室， 陜西西安 710077； 3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室， 陜西西安 710077）

0 引言

2022 年6 月19 日，貴州大西南礦業(yè)有限公司金沙縣新化鄉(xiāng)國照騰龍煤礦（以下簡稱騰龍煤礦）10903綜采工作面頂板（潰水潰矸）事故，共造成2人死亡。此次事故由頂板離層水發(fā)育引起，由于工作面停產(chǎn)時間長，頂板支護缺陷導致局部空頂，頂板突然架前切冒，水、泥漿、矸石混合涌出，由高處到低處快速流動，迅速淤塞整個工作面，掩埋了采面設備及施工人員。

目前，離層水引起的潰水潰矸事故發(fā)生較少。相關的研究主要是兩帶發(fā)育高度及充水危險性的研究［1-2］、工作面突水潰沙及離層水突水災害的研究［3-6］。以往突水潰沙主要發(fā)生在西北地區(qū)淺埋工作面，其他地區(qū)煤層露頭區(qū)上覆第四系松散沙含水層的的工作面也經(jīng)常發(fā)生［7-10］。

因為10903工作面潰水潰矸災害的致災機制不明確，且缺乏成熟的防治技術，礦井對該類災害不重視，以致發(fā)生潰水潰矸的事故。本文通過現(xiàn)場調查突水情況、潰入物質、支護變化等確定工作面事故為潰水潰矸事故。在分析礦井水文地質條件及工作面地質結構的基礎上，進一步研究了煤礦頂板離層水形成條件、過程及其引起的潰水潰矸形成機制。

1 地質及水文地質

1.1 構造及地層

騰龍煤礦處于揚子陸塊黔北隆起遵義斷拱短軸式褶皺區(qū)，區(qū)內伴有東西向排列的穹窿和盆地，凹陷幅度不一的短軸向斜常連成一片。晚二疊世含煤地層埋藏于短軸向斜腹部，被大面積三疊系、侏羅系覆蓋，斷層稀少。

礦區(qū)位于鴨溪向斜南西轉折端，地層呈單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀較穩(wěn)定，傾向22°～49°，傾角5°～10°。礦區(qū)內未發(fā)現(xiàn)斷距大于30m 的斷層。礦井地質構造復雜程度屬“中等”類型。

礦區(qū)地層由老至新依次為中二疊統(tǒng)茅口組，上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M、長興組，下三疊統(tǒng)夜郎組及第四系。

1.2 含（隔）水層特征

1.2.1 含水層

礦區(qū)及附近出露地層中的含水層有第四系孔隙水、下三疊統(tǒng)夜郎組第二段、上二疊統(tǒng)長興組、龍?zhí)督M巖溶裂隙含水層。

1）第四系孔隙水。零星分布于礦區(qū)內的斜坡及沖溝的溝底地段，出露厚度極不均一，根據(jù)鉆孔資料，厚度為0～10m。該層具透水性，僅季節(jié)性含水，富水性弱。

2）下三疊統(tǒng)夜郎組第二段巖溶裂隙水。上部為灰色、淺灰色薄—中厚層灰?guī)r，下部為深灰色泥灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，厚130～180m，出露于礦區(qū)北西部，露頭灰?guī)r遭受風化作用和巖溶作用侵蝕，巖溶裂隙、節(jié)理較發(fā)育，富水性中等。

3）上二疊統(tǒng)長興組巖溶裂隙水。該巖溶含水層出露于礦區(qū)南西部，為灰、深灰色中厚至塊狀灰?guī)r，局部含燧石結核；厚37.38～41.23m，平均厚39.29m。地表處露泉水點1 個，流量為0.794L/s，出露標高為1228m。礦區(qū)內揭露的11 個鉆孔均見溶蝕現(xiàn)象，全層巖溶率為0.8%。為礦床充水間接頂板，富水性中等—強。地下水化學類型為SO42-、HCO3—Ca2＋，礦化度為1.28g/L，pH值7.60。

4）上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M巖溶裂隙水。在礦區(qū)的西部小面積出露，巖性主要由黏土巖、炭質黏土巖、粉砂質黏土巖、粉砂巖及灰?guī)r和煤層交互組成，厚度88.25～108.79m。含可采煤層3 層，由上至下為C5、C9、C15。地表調查中未見泉水點；鉆孔簡易水文地質未見明顯異常，含基巖裂隙水，為礦床直接充水頂板，富水性弱。據(jù)相鄰礦山中心煤礦的ZK304 鉆孔（距礦區(qū)西面約1km）抽水試驗成果，該層滲透系數(shù)K=0.001 9m/d，q=0.003L/（s·m）。

1.2.2 隔水層

工作面及附近出露地層中的主要相對隔水層有下三疊統(tǒng)夜郎組第一段、夜郎組九級灘段。

1）上二疊統(tǒng)夜郎組第一段。巖性為黃綠色、灰綠色頁巖夾薄層泥質灰?guī)r，厚8～13m，為夜郎組第二段與長興組之間的相對隔水層。

2）上二疊統(tǒng)夜郎組九級灘段。為紫紅色頁巖夾褐黃色、褐灰色鈣質頁巖，中上部見1 層厚約20m淺灰色中厚層生物碎屑灰?guī)r，厚80～140m，為夜郎組第二段與長興組之間的相對隔水層。

2 10903工作面地質結構

10903 工作面主采C9 煤層。C9 煤層賦存于二疊系龍譚組中部，上距長興組灰?guī)r平均46.8m；下距底板承壓含水層茅口灰?guī)r平均50m。煤層厚度1.8～2.6m、平均2.5m，傾角5°～9°、平均7°。煤與含水層關系見圖1。

圖1 煤與含水層關系Figure 1 Relationship between coal and aquifer

3 事故分析

經(jīng)10903 底抽巷工作面26 架煤機處涌水量觀測點實測，事故前涌水量59.6m3/h（工作面出水量32m3/h，含老空水27.6m3/h）；事故中總水量迅速上升約200 m3/h，然后迅速回落，事故1 天后總水量60.8m3/h（工作面出水量33.2m3/h，老空水27.6m3/h，老空水水量穩(wěn)定，無較大變化）。事故后在工作面下出口觀測，3～7 號支架淋水較大，水沿支架結合部和煤壁流出，運輸巷排水溝總涌水量32m3/h左右。

經(jīng)事故現(xiàn)場勘查，此次事故冒頂區(qū)位于10903工作面15～25 號支架之間，25 號支架至溜頭被冒落矸石填充，無法通行，1 號支架壓死；在冒落矸石區(qū)未發(fā)現(xiàn)泥沙存在，矸石上部為多為5cm左右碎石。

通過事故現(xiàn)場勘查、幸存人員調查，存在頂板冒落、水石潰入的事實；經(jīng)災害機理分析，認定事故為離層水引起的潰水潰矸事故.特點是事故水源由頂板離層水引起；潰入物為矸石與水的混合物；觸發(fā)因素為長時間停產(chǎn)，支護變動；動力源為高位離層頂板巖層切冒破斷作用和離層水水壓力作用。該事故突發(fā)性強，來勢兇猛，混合物中矸石多水少，石、水分離快，遷移距離較短，危害性大，可以迅速淤塞整個工作面，掩埋采面設備及施工人員。

4 事故形成機制分析

4.1 控制離層水的關鍵層

C9煤層上覆巖層可以分為三層，第一層是泥質粉砂巖，厚度較大，為5.34～14.46；第二層為5.94m左右的粉砂巖巖層；第三層長興組灰?guī)r（39.2～51.12m）。由于礦物成分及成巖時間不同，煤系構成厚度不等、強度不同的多層巖層。采場覆巖的力學模型如圖2所示。

圖2 工作面頂板力學模型Figure 2 Mechanical model of working face roof

工作面一層或數(shù)層厚硬巖層在巖層移動中起主要的控制作用。頂板關鍵層離層控制作用的模擬試驗參圖3。

圖3 頂板關鍵層離層控制作用模擬試驗Figure 3 Simulation test on the control effect of key layer abscission layer the Roof

長興組灰?guī)r位于煤層上方46.8m，厚度為39.48m，厚度和強度都比下部細砂、粉砂質巖層大，總體呈中等堅硬，控制著工作面礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律。

10903 綜采工作面走向長度890m（走向可采長度840m），斜長160m，采煤方法為走向長壁后退式，采煤工藝為綜合機械化采煤，參照公式（1），導水裂隙帶高度最大約39.61m，長興灰?guī)r位于導水裂隙帶上方的彎曲帶范圍內［11-13］。

式中：M為煤層厚度，m；Hli導水裂隙帶高度，m。

由于上覆灰?guī)r與下部粉砂巖、粉砂質泥巖的力學性質不同，頂板冒落后，頂板彎曲程度不同，長興灰?guī)r下方、導水裂隙帶上部形成離層空間且逐漸增大，長興灰?guī)r水逐漸滲入，形成離層水。下部泥巖、砂質泥巖與砂巖遇水易軟化，煤層采動形成的導水裂隙容易閉合，重新充填膠結恢復隔水性能，阻隔上覆含水層水及離層水向采空區(qū)下滲流，成為充水空間的弱滲透底板，為離層水集聚提供了條件［14-16］。

4.2 離層水的補給水源

長興組灰?guī)r下距C9 煤層46.8m，不但是控制頂板覆巖離層的關鍵層，而且是離層水的主要補給水源。

4.3 工作面離層水發(fā)育

隨著工作面推進，離層在平面上向前移動；垂向上逐漸抬高，下部的離層逐漸被壓實閉合、上部的離層逐漸形成，大致發(fā)育形態(tài)呈“梯形”。 10903工作面沒有嚴格落實瓦斯綜合治理措施，上覆5煤、4 煤瓦斯治理不充分，工作面瓦斯頻繁超限，導致停產(chǎn)時間過長。頂板冒落后，不同巖層彎曲變形程度不同，長興灰?guī)r下方、導水裂隙帶上部形成離層空間，長興灰?guī)r含水層水逐漸滲入，形成離層水［17-18］。采空區(qū)上方離層水形成后、逐漸發(fā)展并沿裂隙滲漏，正常推采情況下離層水發(fā)育見圖4。

圖4 正常推采情況下離層水發(fā)育示意Figure 4 Schematic diagram of abscission layer water development under normal push mining conditions

騰龍煤礦開采過程中相繼發(fā)生過多起離層水突水事故，其中2020 年11 月11 日10901 工作面出水，最大涌水量達800m3/h；10903 工作面5 月21 日23點工作面22～27號支架頂板出水，涌水量50m3/h；2022年5月27日在1～34號支架頂板出水，涌水量最大180m3/h。5月27日涌水量最大209m3/h。

4.4 斷層破壞致巖體碎裂

2022 年5 月4 日10903 工作面回采至運輸巷560m，回風巷568m時，工作面揭露斷層5條，均為正斷層，5 組斷層發(fā)育走向與工作面推采夾角小，且位于1～40號支架區(qū)域，造成煤層頂板破碎［13］。

4.5 工作面支護變動引發(fā)潰水潰矸

由于斷層的破壞及采動裂隙的影響，承壓離層水沿裂隙流出，當離層水水力坡度超過和達到沙或細小矸石的臨界水力坡度，滲透力或動水壓力足以使崩解堆積的砂土顆粒流動，發(fā)生類似管涌現(xiàn)象，使頂板巖體強度逐漸弱化?，F(xiàn)場工人急于復產(chǎn)，有推溜、拉架，護幫板收回、打出等動作，拆除了單體柱和煤壁上的貼幫柱，部分伸縮梁沒有打到位，導致局部空頂。以上動作使支架泄壓，巖體進一步離層碎裂，同時煤機強烈震動，局部巖體架前切冒。頂板切冒后，碎裂巖體的導水通道變大，導致后方離層水突出。頂板離層水與破碎矸石一并冒落，工作面迎頭形成潰水潰矸（圖5）。大小矸石與地下水混合，形成水石兩相流，在重力、地下水動水壓力作用下，水石、泥混合物沿工作面傾向迅速向下流動，淤塞了一段工作面。

圖5 潰水潰矸示意Figure 5 Schematic diagram of water and gangue collapse

5 結論

1）10903 工作面事故是由上覆離層水引起的潰水潰矸事故。該災害突發(fā)性強，危害大，能迅速吞沒、淤塞一段工作面。

2）工作面覆巖軟硬相間的地質結構、主采煤層與長興灰?guī)r的間距及采厚是離層空間形成的客觀因素。10903 工作面煤層上部的長興組灰?guī)r是控制覆巖形成離層空間關鍵層，長興灰?guī)r水是離層水的主要補給水源。

3）工作面隱伏小斷層發(fā)育和工作面長時間停止推進導致頂板離層、碎裂、充水，巖體強度弱化；頂板冒落后，采空區(qū)上方離層水形成并沿裂隙滲漏。長時間停產(chǎn)是離層水逐漸發(fā)育的原因。工作面離層水發(fā)育、斷層破壞是工作面潰水潰矸的客觀因素。支護缺陷、采煤機振動導致頂板碎裂、架前切冒，是潰水潰矸的觸發(fā)因素。離層水既是充水水源，又是潰矸快速流動的動力因素。

4）保證工作面正常推進，降低離層空間的發(fā)育，減小離層水的發(fā)育規(guī)模。離層水形成后，應采取探放措施，疏降離層水，降低離層水壓。工作面上覆5煤、4煤瓦斯治理不充分，瓦斯頻繁超限，是停產(chǎn)時間過長的原因.應加強瓦斯治理，減少停產(chǎn)時間。瓦斯、水、頂板等災害并存的工作面，應綜合分析，制定綜合性的防治技術措施。