淺埋薄基巖煤層上覆頂板突水機理研究

劉 濤

（山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦，山西 洪洞 041600）

1 淺埋煤層頂板突水機理分析

某礦井田內所采煤層埋深較淺，頂板上覆巖層基巖較薄而松散土層覆蓋厚度較大，從地表來看更是溝壑縱橫，屬于典型的厚表土薄基巖淺埋煤層，厚表土覆蓋層主要由黃土和紅色亞粘土所組成，黃土最厚處可達104.5m，均厚50m，紅色亞粘土最厚處可達59.55m，均厚6.9m。

由經典礦壓理論可知，煤層開采后，對覆巖結構穩定性起主要作用的巖層即為關鍵層，若關鍵層破斷，則可導致上覆基巖段同步發生垮落，進而繼續對上部隔水層產生影響。對于該礦而言，其主要隔水層為黃土和馬紅土所組成的粘土層，同時隔水層的穩定性及其變形破壞程度對頂板是否發生突水具有重要的影響。尤其對于基巖相對較薄、埋深相對較淺的煤層來說，將隔水土層保護好則可防止頂板突水事故的發生。大量研究表明，隔水土層下部的自由空間及其自身的力學性質對其穩定性有重要的影響。與隔水巖層相比，隔水土層抵抗拉伸變形的能力較強，其水平拉伸極限為1～2mm/m。

較巖層而言，土層的整體性更好，與下部關鍵層同步下沉過程中不會有離層現象出現。當隔水土層下部自由空間相對較小時，其下沉產生的撓度不會超過其極限值，因而整體完整性較好。若隔水土層下部自由空間較大時，隨著土層下沉高度的增加，其下沉產生的撓度超過其極限強度時，土層則會產生拉伸破壞。因此，在進行理論分析時，可通過對隔水土層的拉伸極限及撓度值進行計算，從而對土層破壞范圍進行判斷。隔水土層與關鍵層同步發生垮落，則發生破壞時，前者的極限跨距會小于后者，最終產生一個固支梁結構。因此可通過計算關鍵層的跨距來對隔水土層進行判斷。將隔水土層簡化為如圖1所示的固支梁結構，通過材料力學的方法進行計算，其任一截面的轉角和撓度方程為：式中：E為隔水土層的彈性模量，GPa；I為梁截面慣性矩，矩形截面梁按I=bh3/12來計算；b為隔水土層寬度，m；h為隔水土層厚度，m；q為土層所承受的上覆巖層載荷，MPa；l為隔水土層寬度，m。

當x=l/2時，即土層中部的撓度為最大值，即：

此時的水平變形極值為：

由上述分析可知，其水平拉伸臨界值為1.0mm/m，由上式計算當隔水土層達到水平拉伸極限時的極限跨距為：

綜上所述研究可知，當隔水土層的下沉量過大，超過其極限強度時，則發生破壞產生裂隙，造成突水事故的發生。

2 相似模擬實驗研究

根據礦井工程地質條件，結合相似條件和相似材料建立相似模擬模型，對覆巖的位移監測采用全站儀，對于巖層中水分的變化情況采用濕度檢測儀進行，同時采用紅外成像儀對巖體的裂隙發育情況和水的運移進行觀測。首先進行4m采高實驗，在模型兩個邊界留設邊界煤柱，開切眼后由左向右進行開挖。

當工作面向前推進距離達到25m時，頂板發生初次來壓，上覆巖層垮落高度可達到17m，上位巖層發生彎曲下沉，上覆關鍵層的懸臂結構長度可達到13m。當推進長度達到40m時，關鍵層懸露長度達到其極限破斷距離而發生垮落，巖層間離層現象逐漸明顯，當距離開切眼45m時發生第一次周期來壓，來壓期間礦壓顯現明顯，覆巖內產生的裂縫快速向上發展，直至發育到隔水土層時，從而導致突水通道的產生，最終發生突水現象，如圖1所示。在后續工作面推進過程中，老頂共計出現了5次周期來壓，來壓步距處于15～20m間，當工作面回采完成后，切眼處和工作面處的上覆巖層垮落角分別為73°和78°。

對工作面推進過程中，上覆巖層的裂縫演化規律進行持續觀測，隨著回采的不斷向前推進，采空區范圍不斷增加，上覆直接頂和老頂順次發生垮落下沉，開采導致的覆巖裂隙不斷向上位巖層發展，巖層間的離層現象加劇。工作面初次來壓發生在距離切眼25m處，在切眼和工作面處裂隙發育最為明顯，開切眼處產生的裂縫高度可達到17m，采空區內巖層垮落明顯，各層間的離層并不是很明顯。在動壓影響下，垮落帶內巖層裂隙發育到關鍵層附近時便不再向上發育，然而隨著發生垮落巖層的不斷增加，下部垮落巖層逐漸被壓實，同時關鍵層下沉量也呈增大趨勢，發生彎曲下沉。當距離切眼38m時，上覆關鍵層發生破斷，從而造成其上位基巖發生同期破斷變形，進而導致切眼處的覆巖裂隙快速向上發展。當距離切眼45m時，切眼處的覆巖裂隙發育高度可達到70m，導致上部基巖和隔水土層發生貫通。此時隔水土層會隨著下位關鍵層發生同期垮落下沉，當超過抗拉極限強度時，便會發生破斷，產生裂縫，當裂縫與隔水土層相互貫通時，便形成了導水通道，工作面推進過程中開切眼側裂縫發育高度變化規律如圖2所示。

圖1 距離開切眼45m時裂縫首次發生貫通

圖2 工作面推進過程中開切眼側裂縫發育高度變化規律

從整體來看，模型中覆巖垮落及裂隙發育呈對稱分布，但開切眼側的裂隙發育程度較工作面側更為明顯。而采空區中部覆巖裂隙隨著垮落巖層間的相互擠壓而逐漸被壓實。對于隔水土層而言，其在發生彎曲下沉的同時，土梁的兩端同時會受到水平方向的擠壓作用，在該水平擠壓力作用下，土層內部裂隙會發生愈合，同時黏土層遇水使裂縫愈合程度更好，然而切眼上部土梁端部的鉸接處無法完全發生閉合，如圖3所示。

在實驗過程中增加濕度檢測儀，對工作面回采過程中的濕度變化進行全程監測，巖層濕度變化與涌水量變化具有直接聯系，上覆巖層斷裂形成裂隙導致涌水量增加，從而使基巖的含水量增加，濕度檢測儀顯示的度數也較高。模型中的含水層水通過自來水來模擬，由于水直接取自自來水管，因此其溫度與試驗臺中的基巖和隔水土層相比較低，借助紅外熱成像儀可以很直觀地對突水全過程進行觀測。工作面向前回采過程中上覆巖層的破斷變形規律、巖體能量釋放、裂隙的產生及向上發展過程可以進行準確的描述。如圖4（a）所示，位于采空區上方的裂隙帶內的垮落基巖及隔水土層斷裂后能量發生釋放，同時受到水流侵蝕作用的影響，該區域的溫度較未發生破壞區域相比較低。同時結合圖4（b）可知，當上覆巖層內導水裂隙產生后，水的移動不僅僅是沿著裂隙由上部巖層向下部層流動，同時也會存在水平方向的流動。

圖4 紅外線成像與原始圖像對照圖

同時做了采高分別為3m和2m的覆巖運動破壞變形分析，得出導水裂隙發育高度與工作面推進距離的關系如表1所示。由表1可知，土采比越大，關鍵層厚度越大，則突水事故發生概率也越低，反之則易發突水事故。

表1 工作面上方裂隙發育高度與工作面推進距離的關系

3 工程實踐

由現場開采過程實測資料可知，在該煤層巷道掘進和工作面回采過程中均發生過突水現象，以20202工作面和20203工作面為例進行分析：

1）20202工作面在向前回采過程中出現過嚴重的突水現象，分析該工作面綜合地質資料可知，該工作面上覆巖層主要以基巖為主，基本無馬紅土組成的隔水層，隔水土層主要以黃土為主，紅色亞粘土的隔水性能比黃土隔水性能要好，由于紅土的缺失，使土層的隔水性大大減弱，使突水事故發生的概率大大增加。

2）20203工作面切眼位置處于溝谷位置，該處土層厚度不足10m，基巖厚度不足20m，工作面煤層采高為2m，土采比不足5：1，由上節的相似模擬實驗可知，在該土采比條件下，若地表水水量較大，則工作面在開采過程中，上覆巖破斷形成的導水裂隙會導致工作面發生突水事故，兩條順槽同樣在掘進過程中易發突水現象。

4 結 論

總體來說，突水事故易發點多為溝谷附近，這些區域不但基巖厚度較小，同時地表紅土層覆蓋厚度很薄甚至沒有，因此在工作面開采過程中產生的導水裂縫多易直接發育至地表，造成突水事故。對于紅色粘土層覆蓋較厚區域，由于其優異的隔水性能，突水事故發生的概率大大降低。