我国西北地区的早中侏罗纪煤田煤层层数多、厚度大，资源十分丰富，是我国重要的战略性煤炭基地之一[1-2]。随着西部大开发步伐加快，一批整装煤田破土开发，矿井建设和生产过程中，也遇到一些新技术难题[3]。上海庙矿区位于内蒙古自治区鄂托克前旗境内，在我国六大水害类型分区中属于西北砂岩裂隙型水害区。矿区总面积约1 154 km2，煤炭资源量约143亿t，其中侏罗纪煤炭资源量占85%以上。上海庙矿业一号煤矿(简称上海庙一号煤矿)是该矿区最早建设的矿井之一，从井筒开挖到矿井投产期间，多次发生突水溃沙事件。该矿111084工作面开采延安组8煤层，推进141 m时顶板突水，水中携带大量泥沙，短时水量达到2 000 m3/h，总出水量约23.3万m3，泥沙量约3.58万m3。工作面及工作面回风巷约500 m、工作面运输巷约2 000 m均被泥沙淤塞掩埋[4]。突水后在停止开采情况下，后续133 d内又出现3次突水，呈现出间歇性突水模式。此类事故在地质条件相似的邻近矿区也时有发生，宁东煤田鸳鸯湖矿区尤为多发[5-6]，其共同特点是:顶板含水层富水性弱，瞬时水量大，水中含泥沙量大(8%～15%);泥沙来自基岩，间歇式突水，水害防治难度大。有学者初步分析认为顶板上存在古河床，但均无实际探查资料验证。目前离层突水机制主要有静水压涌(突)理论[6-7]和关键层破断理论两种[8-11]。静水压涌(突)理论将离层水体下有效隔水层视为岩梁，借用底板突水系数概念[12]，认为当隔水层厚度不足以抵抗上部静水压力时岩梁断裂突水，但隔水岩梁下方导水裂隙带为岩层实体而非虚空状态，对上覆岩层固支能力几乎不变，软岩条件下是否符合岩梁应用条件值得商榷。关键层周期性破断理论可以解释工作面回采过程中周期性突水，但无法解释工作面在停止推进情况下后续间歇性突水溃沙现象，也没有指明离层水害发生的时空条件。总之，弱富水软岩短时高强度携沙突水原因不明、机制不清;软岩劣化效应严重制约矿井高效生产[13-14]，需进一步研究突水机制和弱化软岩劣化效应的措施，以保障矿井安全、高效生产。
1 地质条件
上海庙一号煤矿井田南北长约12.5 km，东西宽2.0～3.5 km，面积26.6 km2，向东倾伏单斜构造。东西两侧均受落差大于150 m的逆断层控制，北以煤层隐伏露头为界，南与榆树井井田相邻，井田内部构造简单。侏罗系延安组为含煤地层，三叠系延长组为煤系地层基底。可采及局部可采煤层共10层，可采煤层总厚度21.60 m，可采含煤系数7.37%，主采8煤层及15煤层。
三叠系延长组(T3y)，揭露厚度为522.03 m，内陆湖泊相碎屑岩沉积建造，富水性弱，与上覆侏罗系地层假整合接触;侏罗系延安组(J2y)平均厚度293.09 m，煤层顶底板砂岩为含水层，但砂岩层赋存极不稳定，呈透镜体分布，总体富水性弱。8煤层顶板砂岩总厚度0～89.47 m，平均24.86 m，单位涌水量0.000 7～0.002 6 L/(s·m)，渗透系数0.003 0～0.186 5 m/d，富水性弱，与上覆直罗组地层低角度不整合接触。
侏罗系直罗组(J2z)平均厚度119.07 m，河湖相沉积，上部富水性弱;下部以灰白色、灰色的中粗粒砂岩为主，俗称“七里镇砂岩”。全层混合抽水试验，单位涌水量0.008 4～0.117 0 L/(s·m)，渗透系数0.023 3～0.281 2 m/d，富水性弱至中等，与上覆白垩系地层角度不整合接触。
白垩系志丹群(K1zd)平均厚度182.37 m，上部以粉砂岩、泥岩、中粗砂岩、细砂岩等为主，富水性中等;下部以灰白色的砂砾岩为主。全层混合抽水试验，单位涌水量0.006 5～0.057 8 L/(s·m)，渗透系数0.005 5～0.288 3 m/d，富水性弱，与上覆地层角度不整合接触。
古近系(E)平均厚度36.02 m，以砖红色的泥岩为主，局部夹灰白色的细砂岩、粉砂岩、中粗砂岩，成岩度低，半胶结。第四系(Q)为风积沙丘或冲积沙土，厚度1.00～29.40 m，平均5.72 m。
图1为同一勘探线上相邻的5个钻孔柱状图(8煤层顶板上60 m)，可以看出砂岩层赋存极不稳定特点，增加了富水性评价难度。
矿井已动用8个采煤工作面，其中5煤层工作面2个(112051,112052工作面)，8煤层工作面4个(111082,111084,113082工作面，113081工作面正在回采)，15煤层工作面2个(114152,114151工作面)，111084工作面被泥沙掩埋至今未再采动(图2)。
图1 相邻钻孔煤岩顶板岩性对比
Fig.1 Comparison of overburden strata of adjacent borehole
图2 采掘工程平面
Fig.2 Plan of extractive coal mining
2 岩性特征
2.1 软岩特征测试
地面钻孔采取白垩系—延安组全套地层岩芯，制作代表性力学试件2 160个，经测试天然抗压强度两极值3.8～25.4 MPa，多小于6.0 MPa;软化系数两极值0～0.6，多小于0.3。分别在5煤层、8煤层以及15煤层准备巷道内实测围岩松动圈，两极值为0.94～2.96 m，多大于1.5 m。
对照软岩指标化定义[15-16]:抗压强度σc<20 MPa或软化系数≤0.75，围岩松动圈厚度大于1.5 m。上海庙矿区煤系地层以及上覆非煤系地层均为典型的软岩地层，但也有极少数岩芯样力学强度超出软岩指标，说明有相对较硬岩层，为采场覆岩内形成离层裂隙提供了基本条件。
2.2 砂岩薄片鉴定
井下选取8煤层顶板(60 m范围内)不同粒径的砂岩做薄片鉴定(图3)，可见其分选性和磨圆度总体较差，颗粒为次棱—次圆状，结构成熟度低，黏土质矿物胶结，在水的作用下颗粒边界处易产生矿物溶蚀，硬质颗粒间有效接触应力降低，胶结物的黏聚力和内摩擦角减小[17]，为砂岩遇水崩解提供了物质基础。
图3 砂岩薄片(正交偏光×10)
Fig.3 Sandstone sheet identification
2.3 岩石水理性测试
在井下石门巷道内取岩样做水理性能测试(砂岩取自8煤层顶板约38 m处，泥岩取自8煤层直接顶板)。将砂岩置入水中，3 min后完全崩解成散沙，扰动后成为固-液双相混合物。颗粒间泥质胶结物易溶于水，固态颗粒和液态泥水双相混合物具有流沙属性，为水-沙混合型突(涌)提供了物质基础[18-19](图4)。
图4 砂岩遇水崩解
Fig.4 Sandstones broken-down in water
泥岩在浸水状态下，由于泥质胶结物的溶解和黏土矿物的吸水膨胀，使得泥岩遭受结构性破坏，35 min后变成叶片状且体积膨胀增大，稍作扰动即成泥浆，是软岩劣化效应(巷道底臌变形、采掘设备陷底)根本原因[20]，制约矿井高效生产(图5)。
图5 泥岩遇水泥化
Fig.5 Mudstones muddification in water
3 覆岩内离层产生实据
3.1 含水层水位观测
8煤层和15煤层已经回采的5个采煤工作面，煤层上距白垩系底界184～284 m。其中111084工作面回采过程中突水溃沙，其他4个工作面回采过程中采空区涌水量为0(导冒高度内提前疏干)。工作面回采过程中白垩系含水层水位均发生规律性变化:先是快速下降然后再缓慢回升，最终趋于回采前的水位(图6)。
图6 白垩系含水层水位历时曲线
Fig.6 Duration curve of cretaceous aquifer
根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》提供的经验公式计算上述工作面导水裂隙发育高度，以判断导水裂隙是否波及到白垩系含水层。选择软弱岩层适用公式:
(1)
式中，∑M为累计采厚，m。
计算结果(表1)表明导水裂隙均未波及上覆白垩系含水层，水化学连通试验也证明了111084工作面突水与白垩系含水层之间无水力联系。可以推断在高位覆岩(白垩系地层)内出现了储水空间，即离层裂隙。砂岩裂隙水向离层空间渗透汇集引起了白垩系水位下降，但没有进入采场;随着离层空间受到覆岩压缩和远处裂隙水渗透补给，水位缓慢回升并趋于原始水位。
表1 导水裂缝带计算
Table 1 Computational table for the height of water flowing fractured zone
工作面名称煤层最大采厚/m煤层至白垩系距离/m导水裂隙/m差值/m1110828煤3.718426.5157.51110848煤3.419225.9166.11130828煤3.619626.3169.711415215煤3.827626.6249.411415115煤3.828426.6257.4
刘天泉等将采场上覆岩层分为“三带”[21]，高延法基于地面注浆减沉工程实践提出“四带”观点[22]。实际上由于顶板岩层力学性质存在差异性，导致岩层沉降运动不协调[23]，覆岩下沉是绝对的，下沉量是相对的，因此任何层段的基岩内都可能产生离层裂隙，低位离层裂隙较高位离层裂隙更加发育。地层浅部松散冲积层内不会产生离层，但会出现地面沉降。
3.2 地面岩移观测
上述5个采煤工作面回采前均在地面布设了岩移观测站，包括1条纵向测线3条横向测线。5个工作面非连续分布，宽深比D1/H0<1.2，为非充分采动状态;数据观测从回采前持续到回采后约180 d。测得各工作面最大下沉量和最大下沉速度。其中111084工作面停采前仅推进141 m(开采面积28 200 m2)，观测数据不参与计算，其余4个工作面平均采高3.45 m，平均最大下沉量2 602 mm，平均下沉系数0.754(表2)。
表2 地面岩移观测数据
Table 2 Observation data of surface movement
工作面名称平均采高/m最大下沉量/mm最大下沉速度/(mm·d-1)下沉系数1110823.42 57414.270.7571130823.32 48914.340.7541141523.62 71212.810.7531141513.52 63212.650.752平均3.452 60213.530.754
从理论上讲，地表下沉量应该符合空间守恒关系，即地表下沉量与采高相等[24]。室内试验表明西部弱胶结岩石残余碎胀系数为1.06～1.15[25]，采动状态下垮落带内岩体为非充分破碎[26]，本文取值1.10;岩体碎胀最终受限于采出空间大小，故以采出空间为碎胀前的体积，则地表稳沉后由于残余碎胀可以消化的采高为3 450×0.10=345.0 mm;地表下沉消化采高3 450×75.41%=2 602 mm，仍有503 mm的差值，这503 mm的高差则被离层裂隙和岩体应变膨胀共同消化。可见离层裂隙虽然会随时间推移而趋于闭合，但最终无法实现真正的闭合。
4 离层水害发生条件及其演化过程
4.1 离层水害发生条件
在顶板水害防治中，基岩离层带和导水裂缝带是考虑的重点，特别在软岩条件下，并非任何层段上的离层裂隙都可以形成离层水害，必须具备一定的条件，下面分别进行讨论。
(1)水源条件。水源(富水性)是突水的物质基础，岩层内必须有水才能向离层空间渗透汇水，若富水性极弱，则不能形成离层积水，这种离层称为无效离层或真空离层。
(2)时间条件。弱富水砂岩层本身不具备高强度突水条件，必须有一个较长的汇水时间过程。富水性越强，需要的汇水时间越短;富水性越弱，需要的汇水时间越长。
(3)空间条件。垮落带内裂隙连通性强、渗透性好，砂岩水即时涌入采场，无法形成离层水害。导水裂隙带内可暂时形成相对封闭的离层空间(图7(b)所示离层3)，但其封闭性很快被导水裂隙破坏，尤其是裂隙带下部不具备汇水时间条件，难以形成离层水害;理论上高位基岩内也可产生离层裂隙(图7(b)离层1)，具备离层汇水的时间条件，但缺少突水通道条件，不能发生离层突水。
(4)通道条件。离层空间内汇聚了离层水体后并不必然导致离层突水，必须具备通道条件。理论上导水裂隙带是导水裂隙发育的最大空间范围[27]，离层水害的突水通道仍是垂向导水裂隙，结合汇水时间条件可以得出结论:只有导水裂缝带上部的离层空间(图7(b)离层2)才同时具备汇水时间条件和突水通道条件，才能发生离层水害。
图7 离层水害时空条件
Fig.7 Space-time condition of bed separation water disasters
(5)水压条件。离层空间形成自由水体后，只有当水压力达到或超过下层含垂向导水裂隙的松散弱胶结岩层所能承受的压力时，第1次突水才会发生，水压得到释放，之后水压降低，原来的突水通道被泥沙封堵，突水停止，离层空间继续汇水。又当离层水水压达到导水裂隙承受的极限压力时，突水再次发生。如此循环往复，形成多次间歇式突水，意即离层突水必须具备一定的水压条件。
上述5个离层水害发生条件是相辅相成的，水源条件、通道条件和水压条件是必要条件，时间条件和空间条件是过程条件，任何条件缺一不可。
4.2 离层水害动态演化过程
以上海庙一号煤矿111084工作面突水事故为例，分析离层水害动态演化过程。
2014-07-27工作面推进141 m时第88号综采支架上方出现淋水，28日5:00水量增大到2 000 m3/h，此后水量快速衰减，1周后水量稳定在50 m3/h;2014-08-30 T 10:10水量由此前的50 m3/h猛增到1 500 m3/h，5 d后水量稳定在15 m3/h;2014-10-18 T 3:00水量由此前的15 m3/h增加到300 m3/h，3 d后水量稳定在10 m3/h左右;2014-12-08 T 15:00水量由此前的10 m3/h增大至100 m3/h，1周后水量稳定在5 m3/h，此后水量稳定。整个突水过程历时133 d，第1次突水后工作面再未采动。
根据8煤层上方直罗组含水层(Z1孔)水位观测数据，绘制突水过程中水位历时曲线(图8)，总体上是先快速下降，然后缓慢回升，值得注意的是水位几次异常跃降与水量几次跃升在时间上相吻合。白垩系含水层水位(G1孔)虽然也是快速下降，然后缓慢回升，但水量变化在该历时曲线上没有反映，与其他工作面回采期间水位变化规律相同。
图8 111084工作面突水过程中含水层水位变化曲线
Fig.8 Water level variation curves during water inrush of 111084 working face
根据图8的水位变化曲线可对突水过程的几个关键问题作如下探讨:
(1)离层蓄水。根据前文，岩石抗压强度3.8～25.4 MPa，差异性较大，具备了离层产生的关键条件。在离层裂隙形成过程及形成后，砂岩裂隙水持续向离层空间汇集，在相对封闭的离层空间内形成“自由”水体，这个过程称为离层汇水过程，为携沙突水提供了动力源。
(2)离层水突出。岩层具有一定挠度，垂向上位移产生离层裂隙;导水裂隙则需要克服岩层的抗拉性，先弯曲再张裂，从下而上非匀速扩展，在导水裂隙尚未达到的层段已经形成离层水体，导水裂隙继续向上发展并“刺穿”离层水体时，即会引发短时高强度突水(图9)。
(3)砂岩崩解。离层水突出时初始水量大、流速快，水动力强，泥质胶结砂岩在水动力作用下迅速崩解，形成水-沙双相混合物突(涌)出。
(4)泥沙自封堵。突水溃沙是个十分复杂的过程[28]，离层积水总量是有限的，随着水量释放水流速度衰减，当水动力不足以携带颗粒物时，大量泥沙自然淤塞突(涌)水通道，突水暂时中止，此过程称为泥沙自封堵作用(图10)。
图9 离层突水
Fig.9 Bed separation water inrush
图10 突水休止期
Fig.10 Resting period of water inrush
(5)周期性突水。突水通道被泥沙淤塞后，裂隙水继续向离层空间汇集，当水量和水压增加到一定程度时会突破泥沙阻力，突水再次发生。两次突水的间隔时间称为“休止期”，突水休止期同时是离层汇水期。突水期与休止期交替进行，表现为间歇性突水。休止期越长，说明岩层富水性越弱。
(6)梯次变化。在覆岩重力作用下离层空间受到压缩，蓄水能力逐渐变小，表现为突水强度、频度和水量梯次递减;随着附近砂岩层裂隙水的汇集和释放，需要从更远处补给水源，表现为突水休止期梯次延长。
5 离层水害防治技术与应用
根据上述离层水害形成的5个条件，可通过改变其中一个或多个条件防止水害发生，是此类型突水防治的关键要务。据此，生产实践中主要采取疏干开采和预置导流管两种措施。疏干开采可改变含水层富水性条件;预置导流管可破坏离层空间的封闭性，从而改变离层汇水的空间条件和水压条件。
5.1 防治技术
(1)疏干开采。
软岩条件下制约安全高效生产的两大瓶径：一是水-沙混合突涌；二是软岩劣化效应。砂岩遇水崩解成流沙，泥岩遇水泥化、膨胀，疏干开采既能防止突水溃沙，同时削弱水对软岩的影响。
在疏干开采过程中，需进行定性和定量分析，应用“双图”评价技术[29]进行顶板水害的分区评价和预测;结合地球物探等手段对疏放水效果进行评价和验证。疏干开采技术路径如图11所示。
图11 疏干开采技术路径
Fig.11 Technological path of water drainage
疏干高度以《三下开采规范》提供的软岩条件下导水裂隙带经验公式为基础，通常取导水裂隙带+4倍采高为疏干范围(图12)，也可通过工程探测、数值模拟等方法综合确定。
图12 疏放水高度
Fig.12 Sketch map for drainage height
在工作面回风巷和运输巷内每隔100 m布置一个钻机峒室，采用“双层双向扇形布孔”法，疏干孔在平面上、空间上有一定的交叉，上层孔与下层孔仰角相差10°～15°(图13)。
图13 疏干空间范围(剖面图)
Fig.13 Cross-section of drainage area (sectional view)
根据富水性等值线图(富水性强弱)，同层钻孔平面夹角30°～45°，开孔直径φ120 mm，下入φ108 mm×5 mm×1 500 mm孔口管(仅用于连接导水软管，防止水落地)，φ75 mm钻头裸孔钻至终孔。
(2)预置导流管。
疏干开采可大大减少离层水害风险，但目前尚没有精确的科学判据来确定危险是否彻底消除，采用预置导流管方法，通过破坏(可能产生的)离层空间封闭性，使其无法形成离层积水，从而进一步消除隐患。
在工作面运输巷内循环见方位置，向煤层顶板施工一个钻孔，终孔于导水裂缝带顶界，钻孔与巷道平面夹角呈35°～45°，反向于工作面推进方向。孔内下入φ50 mm无缝钢管，壁厚5 mm，前部约60 m做成滤水花管。
5.2 工程应用
2015年以前未采用上述措施共回采了12个工作面，平均推进速度90.7 m/月，平均单产8.0万t/月，最困难时工作面月推进距离仅6.5 m，很难形成正规循环作业。主要原因有顶板突水溃沙;顶板淋水造成底板泥化、底臌变形量大，综采设备推移困难;采空区有涌水，迫使工作面采取上行拉煤方式，生产能力受到限制，不能放大面。
近年来在114152等4个工作面应用了上述防治水技术，共施工放水孔2 363个，总进尺约240.66万m，放水总量约81万m3，合吨煤放水0.133 5 m3/t;共下入导水管76孔。未再发生过水-沙混合突(涌)现象，实现了安全生产目标;顶板无淋水，采空区无涌水，底板无泥化现象，作业环境得到改善，促进了高效回采。
4个工作面平均月推进288.8 m，推进速度提高了248%;平均月产原煤29.9万t，生产效率提高了274%，创下一井一面千人达产、单面日产过万吨历史最好记录。
6 结 论
(1)内蒙古上海庙矿区弱胶结砂岩遇水易崩解，在水动力下具有流沙属性;弯曲下沉带内离层裂隙发育，离层汇水作用可以强化弱含水层短时突水强度。
(2)离层水体的反复释放和汇集使水动力发生强弱变化，水动力强时泥-沙混合突(涌)，水动力弱时泥沙产生自封堵效应，决定了间歇式突水模式。
(3)离层水害发生需要5个条件，强调离层水害的时空条件，只有导水裂隙带顶部附近的离层空间才可以形成离层水害;据此采取的疏干开采和预置导流管措施可有效防止此类事故发生。
(4)通过预疏干可实现工作面无顶板淋水、采空区无涌水状态下开采，有效弱化软岩效应，促进矿井高效生产。
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