薄基巖采動水砂突涌相似模型試驗(yàn)

沈丁一

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300143)

0 引言

一般認(rèn)為煤礦開采過程中對上覆原位巖體的擾動會產(chǎn)生裂隙。裂隙的發(fā)育形成了新的地下水滲流通道，導(dǎo)致礦井突水涌砂。特別是東部礦區(qū)淺部煤層頂部基巖厚度較小，距離第四系松散層近，水砂突涌問題更為嚴(yán)重。

采動裂隙發(fā)育規(guī)律的系統(tǒng)研究最早見于錢鳴高院士的報(bào)道，認(rèn)為覆巖采動裂隙分布存在的“O”形圈的特征[1]。先進(jìn)的測試儀器逐步助力于采動裂隙的研究，其中張玉軍利用鉆孔沖洗液漏失量觀測法和鉆孔彩色電視觀測法對高強(qiáng)度綜放開采采動覆巖破壞高度進(jìn)行了測量，結(jié)果表明裂隙角度、寬度和埋深都符合統(tǒng)計(jì)意義上的正態(tài)分布規(guī)律，而在剖面形態(tài)上如“馬鞍”型[2]。

此外，不同開采方式、不同地層條件下的覆巖采動裂隙分布規(guī)律研究日益增多。楊科對開采厚度對裂隙發(fā)育的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示開采厚度越大導(dǎo)致的裂隙發(fā)育高度越高[3]。林海飛利用模型試驗(yàn)進(jìn)行了覆巖采動裂隙帶動態(tài)演化的實(shí)驗(yàn)分析[4]。楊偉峰報(bào)道了厚松散層薄基巖條件下的采動裂隙試驗(yàn)[5]。

實(shí)際上，采動裂隙受到多重因素影響，既包括客觀層面的工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件，也包括主觀層面的采動方法。因此，難以概括出一套行之有效的辦法來描述不同條件下的裂隙發(fā)育規(guī)律，然而可以通過提取主要特征進(jìn)行針對性試驗(yàn)來研究不同特征情況的影響。本文選擇4組不同顆粒級配的試樣模擬不同地層，選擇不同裂隙角度和不同裂隙寬度來表征裂隙特征。采用自制的水砂突涌模擬裝置，進(jìn)行了薄基巖采動條件下的水砂突涌相似模型試驗(yàn)。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 模擬原型

太平煤礦位于山東省鄒城市太平鎮(zhèn)轄區(qū)內(nèi)，其淺部煤層上覆基巖厚度小，基巖上覆的松散層厚度大，含水層多，因此在開采淺部煤層時(shí)存在較高的突水涌砂風(fēng)險(xiǎn)。8309工作面區(qū)域內(nèi)上覆基巖承壓水頭為15～30 m，含水層厚度27.6～45.98 m，平均厚度36.47 m，底部含水層由中砂與少量砂礫組成，含水層滲透系數(shù)0.428 m/d。根據(jù)物探成果顯示水砂突涌過程中產(chǎn)生了長5～20 m、寬20～30 m的裂隙帶范圍。整個(gè)突涌水過程中產(chǎn)生了半徑約60 m的水位降落漏斗。

1.2 相似模型

根據(jù)1∶200的相似比例系數(shù)，模擬影響半徑為0.3 m，因此模型儲砂裝置采用直徑0.6 m的圓柱形容器，模擬滲流通道裂隙裝置采用直徑0.3 m、長1 m的圓柱體通道，模型試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 相似模型試驗(yàn)參數(shù)

隋旺華等較早開展了近松散層的水砂突涌室內(nèi)試驗(yàn)[6]。LEE等進(jìn)行了單裂隙試驗(yàn)[7]。楊偉峰設(shè)計(jì)并報(bào)道的水砂混合流運(yùn)移及突涌試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪潜驹囼?yàn)的設(shè)備[8]，設(shè)計(jì)如圖1所示，模型圖像如圖2所示。

模型裝置主要由以下6個(gè)部分組成：(1)加壓裝置(提供穩(wěn)定水頭壓力)；(2)水砂儲存裝置(設(shè)計(jì)容積為150 L，耐壓強(qiáng)度5 MPa)；(3)水砂混合物運(yùn)移通道；(4)壓力傳感系統(tǒng)(傳感器另一端與采集記錄儀相連)；(5)多種成分的水砂混合物、水砂突出口裝置；(6)保險(xiǎn)裝置(主要由電壓過載保護(hù)裝置和緊急制動開關(guān)組成)。其中，裂隙通道由薄層木板預(yù)制形成。首先，將兩塊薄層木板固定，預(yù)制得到設(shè)計(jì)的裂隙角度與寬度，然后將位置固定在模型箱中，裂隙后方用黏土進(jìn)行密封，確保突出水砂混合物只從所做裂隙中通過，以達(dá)到檢測效果。圓筒側(cè)面從上到下每隔50 cm設(shè)有一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(共3個(gè)，分別為M1，M2，M3)，用來測量突砂過程中水壓力在裂隙中的變化情況。底部設(shè)有突砂口，由閥門控制開關(guān)。上部儲砂圓桶側(cè)面設(shè)有三個(gè)水頭補(bǔ)給接口，以保證水頭穩(wěn)定，達(dá)到平穩(wěn)加壓效果。各裝置連接處均可用螺絲和橡皮圈進(jìn)行密封，模擬實(shí)際水壓力下的水砂突涌情況。該模型下部和支座由螺栓連接和固定，可以進(jìn)行角度調(diào)整，以得到不同的傾角模型。

圖1 模型示意圖

圖2 模型實(shí)驗(yàn)裝置

既往的研究成果表明，煤系地層在采動條件作用下的垮落形態(tài)在剖面上呈“馬鞍型”，巖體裂隙受到張拉破壞，單裂隙形態(tài)呈上窄下寬的“八字型”。因此，水砂突涌通道設(shè)計(jì)為理想的“八字型”單裂隙。試驗(yàn)共分為2組，第1組裂隙上部寬度為1 cm、下部寬度為3 cm，第2組裂隙上部寬度為2 cm、下部寬度為4 cm，施加的水壓力都為0.1 MPa。每組分別設(shè)三種不同傾角(30°、60°、90°)的裂隙進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

2 相似模型試驗(yàn)步驟及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及過程

制備了四組不同顆粒級配的砂樣用于模擬含水層，分別為1#試樣為細(xì)砂、2#試樣為中砂、3#試樣為粗砂、4#試樣為含細(xì)粒中砂，如圖3所示。模型制備過程：(1)采用薄模板法預(yù)制突涌通道；(2)安裝信號采集系統(tǒng)并進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定；(3)采用落砂法進(jìn)行地層制備，并分層壓實(shí)至設(shè)計(jì)密度。試驗(yàn)過程：(1)增加水頭壓力至設(shè)定值并保持穩(wěn)定；(2)打開突涌通道開關(guān)進(jìn)行突涌模擬試驗(yàn)；(3)同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；(4)待試驗(yàn)結(jié)束后，上部突水涌砂降落漏斗形成穩(wěn)定狀態(tài)后關(guān)閉突涌通道開關(guān)。

圖3 砂土試樣顆粒級配曲線

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過埋設(shè)的傳感器監(jiān)測水砂突涌過程中裂隙中不同部位的水壓力，以裂隙寬度1～3 cm、角度為90°的上窄下寬型裂隙為例，水壓力隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。從圖中可以看出，2個(gè)位置的水壓力隨時(shí)間變化趨勢基本一致，呈現(xiàn)出先上升后下降的變化規(guī)律。由此可以認(rèn)為，水壓力隨著裂隙發(fā)育程度呈現(xiàn)出正相關(guān)的變化規(guī)律。通常認(rèn)為煤層采動后隨著裂隙的發(fā)育程度提高，突水通道內(nèi)的水壓力不斷上升，導(dǎo)致發(fā)育程度提升，直到導(dǎo)水裂隙帶完全發(fā)育并達(dá)到含水層時(shí)，此時(shí)形成裂隙通道，水壓力達(dá)到最大值，同時(shí)開始突水涌砂現(xiàn)象，在該過程中水壓力將保持平衡。

由于在水砂突涌過程中各測點(diǎn)的發(fā)育程度不同，導(dǎo)致裂隙寬度不同?？拷严渡喜繙y點(diǎn)裂隙寬度較小，突砂口裂隙寬度較大，因此從圖中4可以看到測點(diǎn)3的水頭壓力較測點(diǎn)1高，然而兩者的變化規(guī)律基本相同。

圖4 裂隙中不同位置的水壓力隨時(shí)間變化曲線

(a) 監(jiān)測點(diǎn)1水頭高度隨時(shí)間變化曲線; (b) 監(jiān)測點(diǎn)3水頭高度隨時(shí)間變化曲線

進(jìn)行水砂突涌測試，發(fā)現(xiàn)2組模型裂隙中的水頭壓力變化趨勢的曲線形態(tài)一致，均呈現(xiàn)出隨時(shí)間先上升后下降的形態(tài)。考慮到第2組裂隙寬度較第1組裂隙寬度有30%的增大，試驗(yàn)中第2組裂隙單位時(shí)間的突砂量有所增加，因此達(dá)到突水涌砂量值相同時(shí)所需要的時(shí)間更短，如圖5所示。

圖5 不同角度條件下(2～4 cm)裂隙寬度水頭高度隨時(shí)間變化曲線

(a) 監(jiān)測點(diǎn)1水頭高度隨時(shí)間變化曲線; (b) 監(jiān)測點(diǎn)3水頭高度隨時(shí)間變化曲線

其次，在固定裂隙寬度后，將整個(gè)相似模型的傾角進(jìn)行改變，以得到不同的裂隙角度，設(shè)置為3個(gè)組別：(1)30°(2)60°(3)90°。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

可以認(rèn)為：整體變化規(guī)律符合先增大后減小的趨勢。其中，當(dāng)傾角為90°時(shí)，水頭高度平均值最大，60°次之，30°最小，如圖6所示。同樣，達(dá)到突水涌砂量相同值時(shí)所需要的時(shí)間90°更短，60°次之，30°最小，如圖7所示。

圖6 裂隙內(nèi)水頭高度隨傾角變化曲線

圖7 不同傾角條件下突水涌砂量值相同所用時(shí)間

3 結(jié)論

通過自制的水砂突涌相似模型進(jìn)行了不同裂隙寬度和不同裂隙角度的水砂突涌模擬試驗(yàn)，以探究薄基巖條件下水砂突涌的控制因素，試驗(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

(1)突水涌砂時(shí)間與裂隙寬度和裂隙角度呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)裂隙寬度增大時(shí)，突水涌砂達(dá)到相同值時(shí)所用時(shí)間較少。

(2)隨著裂隙傾角的增加，突水涌砂時(shí)間與傾角呈線性正相關(guān)；隨著傾角的增大突水涌砂達(dá)到相同值時(shí)所用時(shí)間越短；裂隙內(nèi)水頭高度隨著傾角的增加，平均水壓力不斷增大，且90°時(shí)達(dá)到最大。