突水潰沙通道分區及發育高度研究

劉 洋

(1.中國煤炭科工集團西安研究院有限公司 水文所，陜西 西安 710054;2.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054)

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突水潰沙通道分區及發育高度研究

劉 洋1，2

(1.中國煤炭科工集團西安研究院有限公司 水文所，陜西 西安 710054;2.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054)

根據淺埋煤層不同基巖厚度所面臨的突水潰沙災害威脅程度差異，須對不同潰沙通道類型進行科學劃分，并提出突水潰沙災害配套的專有名詞，為制定針對性的災害防治措施提供可靠的理論依據。鑒于導水裂縫帶是從頂板水害防治角度提出的概念，對于新時期條件下的水砂潰涌災害問題已經無法適用，因此必須尋求一種基于水砂潰涌災害防治要求的新概念，通過對其發育規律及高度的研究，為揭示頂板突水潰沙機理奠定基礎。據此，通過相似模擬分析了淺埋煤層覆巖破壞特征，將淺埋煤層開采后的覆巖發育形態自上而下劃分為網絡性裂縫帶和冒落性裂縫帶，自外向內劃分為貫通性裂縫區和方向性裂縫區，即豎“兩帶”、橫“兩區”，并從防治突水潰沙災害角度出發，提出了導水沙裂縫帶的概念；同時依據物理模擬實驗結果建立了“導水沙拱”力學模型，運用結構力學、巖體力學和散體力學對導水沙裂縫帶高度進行了理論推導，在得出4個解后，將涉及到的各參數取值區間代入到4個解中，最終確定導水沙裂縫帶高度計算公式并，該成果為突水潰沙災害防治體系提供了一定的理論依據，有效指導該類災害的防治工作。

突水潰沙；導水沙裂縫帶；豎兩帶；橫兩區；發育高度

0 引 言

目前，神東礦區面臨的最大問題是在淺埋深、薄基巖、富水沙層下開采過程中，上部覆蓋著的大面積松散富含層突發性的進入到采、掘工作面內，易造成突水或突水潰沙事故的發生[1-2]。目前，開采擾動通道導通高水頭壓力含水沙層所引發的突水潰沙災害主要案例有：大柳塔煤礦1203工作面在老頂初次垮落時，導水沙通道直接波及富水沙層，引發涌水潰沙事故，4天內淹沒工作面，停產時間達十天之久，嚴重影響了該礦井的安全生產，造成了巨大的經濟損失；12402工作面采取跳采搬家的辦法通過河溝薄基巖地段，搬家費用耗資200多萬元；在瓷窯灣煤礦的建井掘進中，由于局部冒頂形成“天窗”水沙涌入掘進工作面，直到井底車場。出現上述薄基巖這種類型的突水潰沙災害，不但影響著資源的回收率、產量和效益，而且給人民的生命與財產也帶來了極大的損害。當飽水沙層位于連續裂縫區范圍時，易對礦井構成突水威脅；當飽和含水沙層位于貫通、冒落和網絡裂隙區范圍內時，易對礦井構成突水潰沙的威脅[3]。因此，研究突水潰沙問題時，必須在確定導水沙通道類型的基礎上，方能制定出配套的防災措施，確保工作面的安全開采。

對此，國內外研究學者對淺埋煤層開采擾動條件下的突水潰沙通道形成規律進行了許多有益的探索[4-6]，上述研究存在的問題是淺埋煤層薄基巖、厚松散富水沙層下采煤屬于特殊水文地質條件下的采煤問題，由于富水沙層都是由顆粒較細的風積沙組成，在開采擾動條件下，這些風積沙在水流帶動下，就會發生不同規模的水砂潰涌災害。導水裂縫帶是從頂板水害防治角度提出的概念，對于新時期條件下的水砂潰涌災害問題已經無法適用，因此必須尋求一種基于突水潰沙災害防治要求的新概念，通過對其發育規律及高度的研究，能夠為揭示頂板突水潰沙機理奠定基礎，并作為判別水砂潰涌發生的理論依據，以有效的指導該類災害的預防與治理工作。

1 導水沙通道劃分及定義

1.1 存在問題分析

目前，中國從頂板水害防治角度出發，提出的導水裂縫帶概念能夠滿足判別不同水體是否為直接充水水源的要求[7]；但是從防治水沙潰涌角度出發，由于導水的裂縫不一定能透沙，因此導水裂縫帶概念顯然不能滿足水沙災害防治要求[8-9]?；诖耍胁糠謱W者認為：冒落帶波及至含水沙層才會引發工作面突水潰沙災害，而裂縫帶溝通含水沙層時有突水威脅，無潰沙之慮，這種觀點存在認識上的盲區，出現這種情況的主要原因是潰沙主體的改變。以往水沙潰涌的主體主要是指含在沙礫互層中或具有一定膠結強度的沙層，這些沙體屬于新近系和第四系組合體，均已固結成塊，流動性較差，只有通過冒落帶這種大裂縫才能潰入到工作面內，而風積沙非常細小，極小的裂縫也能順水而下，引發工作面水沙潰涌災害的發生[10-11]。因此，針對新時期條件下的水沙潰涌災害問題，須尋求一種基于水沙潰涌災害防治要求的新概念，通過對其發育規律及高度的研究，能夠為揭示頂板水沙潰涌機理奠定基礎，也可作為判別水沙潰涌發生的理論依據，以此有效地指導該類災害的防治工作。

1.2 導水沙通道的劃分

鑒于導水裂縫帶是從頂板水害防治角度提出的概念，結合現場實際開采情況并參照其他研究成果[12]，將淺埋煤層開采后的覆巖發育形態自上而下劃分為網絡性裂縫帶和冒落性裂縫帶，自外向內劃分為貫通性裂縫區和方向性裂縫區，即豎“兩帶”、橫“兩區”，覆巖破壞分帶如圖1所示。

圖1 淺煤層覆巖破壞劃分示意圖

1.2.1 冒落性裂縫帶

煤層開采后，受重力、擠壓力及撓曲張力的共同作用，采空區上覆巖層沿水平方向上的軟弱面將出現離層裂隙或層間滑動面，沿垂向上則形成較多的斷裂面，當水平與垂向裂隙相互交叉時，巖層斷裂成塊并產生冒落，以不規則碎塊狀充填于采空區。由于冒落的巖塊塊度較大，大小不均，堆積混亂，無一定規則，完全失去了原有的連續性和層狀結構，導致巖塊間空隙多，連通性極好，不但透水而且流沙也極易從中穿過。冒落性裂縫帶引發的突水潰沙災害最為嚴重。

1.2.2 網絡性裂縫帶

冒落性破壞帶上部老頂巖層受豎向荷載作用產生層向拉應力，導致巖層的層間結構破壞，但受到底部堆積巖塊的支撐作用，形成的連續性破壞巖層具有層間、垂向裂縫，并縱橫交錯而形成連通性好的裂縫網絡，一旦波及含水沙體，將成為水沙縱向運移的主要通道。由于裂縫間連通性極好，既透水又透沙，該區一旦波及水體易引起采面水沙潰涌事故的發生。但由于該帶內的裂縫呈網絡狀分布，沒有水流帶動的沙體在其內部流動性卻很差。因此，開采過程中雖會有少量沙體進入到工作面，但大規模的潰沙災害將不會發生。

1.2.3 貫通性裂縫區

在老頂進入到不同垮落階段時，由于薄基巖煤層特殊工程地質條件，上覆巖層在工作面后方、前上方易形成穿透基巖的貫通裂縫，造成頂板切落式垮落，上寬下窄的貫通裂縫直接將工作面與飽和含水層沙層連通，從而誘發頂板水沙潰涌事故的發生，這種災害發生在老頂初次來壓位置較多，在正常推進段由于巖梁之間的鉸接作用，發生這種災害的可能性較小。

1.2.4 方向性裂縫區

當老頂巖層懸空或支撐力不足時，在擠壓和拉扭應力綜合作用下，頂板巖層將產生下沉、張裂和破壞，在破壞巖層的內部將產生裂縫，這些裂縫的方向均朝向采空區方向，即方向性裂縫，這些裂縫自下而上逐漸變弱，在斜交或垂直于巖層的位置處又產生新的張裂隙，并隨采空區范圍增加而向上發展。由于同時受到張、拉雙重應力作用，采空區周邊破裂巖層形成以采空區為中心的方向性裂隙區。

1.3 導水沙裂縫帶概念的提出

上述豎“兩帶”、橫“兩區”中，冒落性裂縫帶與貫通性裂縫區內的地下水屬于管道流，一旦與含水沙層溝通，極易引發大規模水沙潰涌災害的發生，破壞性極大，因此必須采取注漿固沙、降低采高或充填開采等方式，方能保證工作面安全開采；網絡性裂縫帶內的地下水呈現紊流狀態，與含水沙層溝通時也易引發水沙潰涌災害的發生，但破壞性相對較小，可通過疏排水方式將沙體內部的水排完或疏降至一定的水頭高度以下，就能保證工作面安全開采。方向性裂縫區內部裂縫連通性較差，屬于透水不潰沙，只需加大排水能力和提前探放水就能保證工作面安全回采。根據豎“兩帶”導水沙特性，本項目將“冒落性裂縫帶”和“網絡性裂縫帶”合稱為“導水沙裂縫帶”。

2 導水沙裂縫帶高度理論推導

目前，國內外尚無人明確提出導水沙裂縫帶這個概念，因此國內外尚無相關研究成果專門針對導水沙裂縫帶高度提出相應的預計方法[13-15]，現主要集中而對導水裂縫帶高度的研究。鑒于此，以物理模擬實驗的方法進行導水沙裂縫帶模型的建立與求解。

2.1 模型建立

由物理模擬實驗可知，在工作面達到臨界寬度前，覆巖不能達到充分采動，其發育形態呈“拱形”分布，如圖2所示。

從圖2中可以看出，由于拱內巖層已被冒落性裂縫、網絡性裂縫所貫通，一旦波及到含水沙層，由于風積沙在水體帶到下流動性極強，在裂縫寬度較小的情況下，也會成為導水沙通道，引發工作面突水或水沙潰涌災害事故的發生，由于拱內裂縫具有導水沙功能，據此將該拱定義為“導水沙拱”。“導水沙拱”的大小是隨著工作面的推進而不斷變化的，最終形成的平衡結構可以簡化為一“拱墻”結構，如圖3所示，圖中H為開采煤層深度,h′為導水裂縫帶最高點距地表距離，h為導水裂縫帶高度。

圖2 基巖中的“拱狀”破壞

圖3 “導水沙拱”形成的拱墻結構

2.2 模型求解

任取x截面，這時截面上作用的彎矩和力可表示為[5-6]

(1)

當∑Y=0時，可得

(2)

當∑X=0時，可得

T=p2h-Rv,

(3)

將式(2)帶入式(3)，可得

T=p1(βK0h-μL/2),

(4)

由散體力學可知，在地表下任意深度z處取一微小單元體，則該處壓力強度可由式(5)計算

σ0=K0γz,

(5)

假設此拱墻兩側亦達到極限強度狀態，由極限強度理論可知拱墻側面壓力及其剪切力則滿足[12-14]

τ=c+σtanφ,

(6)

則由式(5)(6)可得

τ0=c+σ0tanφ=c+K0γz,

(7)

又由式(2)(7)以及邊界條件描述并取積分區域為地表到煤層埋深可知

(8)

求解可得工作面臨界采寬表達式為

(9)

假設在此極限狀態下拱形曲線為合理共軸線，即任意共軸截面處的彎矩為零，即∑M=0，得到拱軸曲線方程為

x2+K0y2-(2K0h-μL)y=0,

(10)

式(10)說明合理拱軸線為一段橢圓曲線。再由該式帶入拱趾坐標(L/2，h)還可以得到拱的高跨比表達式為

(11)

則導水沙裂縫帶高度為

(12)

將式(9)帶入式(12)中，可得到導水沙裂縫帶發育最大高度為

(13)

現將式(13)展開簡化后，有

ah4+bh3+fh2+dh+e=0,

(14)

式中a=2γ2K0,b=-6K0Hγ2,f=4(γ2H2K0+γμB),d=-4γμHB,e=-B2.

再由一元四次方程的經典解法—費拉里解法可知，式(14)方程存在4個解，即

h1,2=

h3,4=

為了能得到滿足實際需求的唯一解，文中將各參數的取值區間代入式(14)中所包含的4個解(h1,h2,h3,h4)，可以得到滿足要求的解只有1個，即

h導水沙=

(15)

從現場實際情況來看，由于冒落巖層具有碎脹性特征，當工作面達到臨界采寬時，導水裂縫帶將不受式(15)中任何參數的影響，始終保持在一個較為穩定的范圍內，因此在進行導水沙裂縫帶高度計算時，首先必須確定在具體采礦、地質條件下的工作面臨界采寬值，然后再將工作面臨界采寬值作為已知參數代入到導水沙裂縫帶高度計算公式中，再結合其它相關參數，最終得出導水沙裂縫帶高度計算值。鑒于采寬參數不能采用工作面實際寬度，可采用1.2～1.4倍的基巖厚度代入計算。

3 結 論

1)從防治水沙潰涌角度出發，導水的裂縫不一定能透沙，致使現有導水裂縫帶概念很難滿足水沙災害防治要求，為解決淺埋深、薄基巖、富水沙層下開采條件下的水沙潰涌災害問題，文中給出一種基于水沙潰涌災害防治要求的新概念。

2)在分析淺埋煤層覆巖破壞特征的基礎上，將導水裂縫帶從豎向上分為冒落性裂縫帶、網絡性裂縫帶，橫向上分為貫穿性裂縫區和方向性裂縫區，即豎“兩帶”、橫“兩區”，并根據“兩帶”導水沙特性及防水沙災害的需要，將其定義為“導水沙裂縫帶”。并以此作為判別水沙潰涌發生的理論依據，更有效地指導該類災害的防治工作。

3)根據物理模擬實驗結果建立了“導水沙拱”力學模型，并綜合運用結構力學、巖體力學和散體力學對導水沙裂縫帶高度進行了求解，并將涉及到的各參數取值區間代入到4個解中，最終確定導水沙裂縫帶高度計算公式。

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Study on development height and the partition of water and sand inrush channel

LIU Yang1,2

(1.HydrogeologyResearchInstitute,Xi’anResearchInstituteofChinaCoalTechnology&EngineeringGroupCrop，Xi’an710054，China;2.SchoolofArchitectureandCivilEngineering,Xi’anUniversityofScience&Technology,Xi’an710054，China)

According to the difference extent of the threat from water and sand inrush hazard facing the shallow coal seam of different thickness rock,must divide the sand inrush channel types scientifically, put forward the proper nouns related to water and sand inrush disaster,and then provide reliable theoretical basis for disaster prevention measures.In view of the water flowing fractured zone is the concept put forward from the roof water inrush prevention angle,it can not suit the prevention for the water and sand inrush in the new period,so we must seek a new concept based on the requirement of preventing water and sand inrush,and lay the foundation for revealing the mechanism of the roof water and sand inrush through the research for the development and height.Therefore,through the simulation theory to analyze the failure characteristics of overburden rock in shallow buried coal seam,the morphological development of the overlying rock extracted mining of shallow seam is divided network cracks region and caving crack region as top-down,and from the outside to the inside is divided into the penetrating crack zone and directional crack zone,namely “two regions” in the vertical and “two zone” in the horizontal,and starting from the prevention of water and sand inrush,put forward the concept of water-sand guiding crack region; at the same time,based on the results of physical simulation experiment established the mechanical model which named “water-sand guiding arch”,deduced the height of the water-sand guiding crack region by the structural mechanics,rock mechanics and the mechanics of granular media,then put the values,intervals of the parameters involved into the four solution,determine the height of the water-sand guiding crack region ultimately,the results provide a theoretical basis for the prevention and control system for the water and sand inrush hazard,and guide the prevention and control work for this kind disasters effectively.

water inrush and sand inrush；water and sand flowing fractured zone；vertical two-zone；transverse two-area；development height

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0112

1672-9315(2015)01-0072-06

2014-06-30責任編輯:高 佳

國家自然科學基金青年科學

基金項目(41402265);中煤科工集團西安研究院創新

基金項目(2013XAYCX08)；中國煤炭科工集團有限公司科技創新面上項目(214MS02)作者簡介:劉 洋(1978-),男,江蘇鹽城人,博士,副研究員,E-mail:liuyang@cctegxian.com

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