突水溃沙通道分区及发育高度研究

刘 洋

(1.中国煤炭科工集团西安研究院有限公司 水文所，陕西 西安 710054;2.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)



突水溃沙通道分区及发育高度研究

刘 洋1，2

(1.中国煤炭科工集团西安研究院有限公司 水文所，陕西 西安 710054;2.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)

根据浅埋煤层不同基岩厚度所面临的突水溃沙灾害威胁程度差异，须对不同溃沙通道类型进行科学划分，并提出突水溃沙灾害配套的专有名词，为制定针对性的灾害防治措施提供可靠的理论依据。鉴于导水裂缝带是从顶板水害防治角度提出的概念，对于新时期条件下的水砂溃涌灾害问题已经无法适用，因此必须寻求一种基于水砂溃涌灾害防治要求的新概念，通过对其发育规律及高度的研究，为揭示顶板突水溃沙机理奠定基础。据此，通过相似模拟分析了浅埋煤层覆岩破坏特征，将浅埋煤层开采后的覆岩发育形态自上而下划分为网络性裂缝带和冒落性裂缝带，自外向内划分为贯通性裂缝区和方向性裂缝区，即竖“两带”、横“两区”，并从防治突水溃沙灾害角度出发，提出了导水沙裂缝带的概念；同时依据物理模拟实验结果建立了“导水沙拱”力学模型，运用结构力学、岩体力学和散体力学对导水沙裂缝带高度进行了理论推导，在得出4个解后，将涉及到的各参数取值区间代入到4个解中，最终确定导水沙裂缝带高度计算公式并，该成果为突水溃沙灾害防治体系提供了一定的理论依据，有效指导该类灾害的防治工作。

突水溃沙；导水沙裂缝带；竖两带；横两区；发育高度

0 引 言

目前，神东矿区面临的最大问题是在浅埋深、薄基岩、富水沙层下开采过程中，上部覆盖着的大面积松散富含层突发性的进入到采、掘工作面内，易造成突水或突水溃沙事故的发生[1-2]。目前，开采扰动通道导通高水头压力含水沙层所引发的突水溃沙灾害主要案例有：大柳塔煤矿1203工作面在老顶初次垮落时，导水沙通道直接波及富水沙层，引发涌水溃沙事故，4天内淹没工作面，停产时间达十天之久，严重影响了该矿井的安全生产，造成了巨大的经济损失；12402工作面采取跳采搬家的办法通过河沟薄基岩地段，搬家费用耗资200多万元；在瓷窑湾煤矿的建井掘进中，由于局部冒顶形成“天窗”水沙涌入掘进工作面，直到井底车场。出现上述薄基岩这种类型的突水溃沙灾害，不但影响着资源的回收率、产量和效益，而且给人民的生命与财产也带来了极大的损害。当饱水沙层位于连续裂缝区范围时，易对矿井构成突水威胁；当饱和含水沙层位于贯通、冒落和网络裂隙区范围内时，易对矿井构成突水溃沙的威胁[3]。因此，研究突水溃沙问题时，必须在确定导水沙通道类型的基础上，方能制定出配套的防灾措施，确保工作面的安全开采。

对此，国内外研究学者对浅埋煤层开采扰动条件下的突水溃沙通道形成规律进行了许多有益的探索[4-6]，上述研究存在的问题是浅埋煤层薄基岩、厚松散富水沙层下采煤属于特殊水文地质条件下的采煤问题，由于富水沙层都是由颗粒较细的风积沙组成，在开采扰动条件下，这些风积沙在水流带动下，就会发生不同规模的水砂溃涌灾害。导水裂缝带是从顶板水害防治角度提出的概念，对于新时期条件下的水砂溃涌灾害问题已经无法适用，因此必须寻求一种基于突水溃沙灾害防治要求的新概念，通过对其发育规律及高度的研究，能够为揭示顶板突水溃沙机理奠定基础，并作为判别水砂溃涌发生的理论依据，以有效的指导该类灾害的预防与治理工作。

1 导水沙通道划分及定义

1.1 存在问题分析

目前，中国从顶板水害防治角度出发，提出的导水裂缝带概念能够满足判别不同水体是否为直接充水水源的要求[7]；但是从防治水沙溃涌角度出发，由于导水的裂缝不一定能透沙，因此导水裂缝带概念显然不能满足水沙灾害防治要求[8-9]。基于此，有部分学者认为：冒落带波及至含水沙层才会引发工作面突水溃沙灾害，而裂缝带沟通含水沙层时有突水威胁，无溃沙之虑，这种观点存在认识上的盲区，出现这种情况的主要原因是溃沙主体的改变。以往水沙溃涌的主体主要是指含在沙砾互层中或具有一定胶结强度的沙层，这些沙体属于新近系和第四系组合体，均已固结成块，流动性较差，只有通过冒落带这种大裂缝才能溃入到工作面内，而风积沙非常细小，极小的裂缝也能顺水而下，引发工作面水沙溃涌灾害的发生[10-11]。因此，针对新时期条件下的水沙溃涌灾害问题，须寻求一种基于水沙溃涌灾害防治要求的新概念，通过对其发育规律及高度的研究，能够为揭示顶板水沙溃涌机理奠定基础，也可作为判别水沙溃涌发生的理论依据，以此有效地指导该类灾害的防治工作。

1.2 导水沙通道的划分

鉴于导水裂缝带是从顶板水害防治角度提出的概念，结合现场实际开采情况并参照其他研究成果[12]，将浅埋煤层开采后的覆岩发育形态自上而下划分为网络性裂缝带和冒落性裂缝带，自外向内划分为贯通性裂缝区和方向性裂缝区，即竖“两带”、横“两区”，覆岩破坏分带如图1所示。

图1 浅煤层覆岩破坏划分示意图

1.2.1 冒落性裂缝带

煤层开采后，受重力、挤压力及挠曲张力的共同作用，采空区上覆岩层沿水平方向上的软弱面将出现离层裂隙或层间滑动面，沿垂向上则形成较多的断裂面，当水平与垂向裂隙相互交叉时，岩层断裂成块并产生冒落，以不规则碎块状充填于采空区。由于冒落的岩块块度较大，大小不均，堆积混乱，无一定规则，完全失去了原有的连续性和层状结构，导致岩块间空隙多，连通性极好，不但透水而且流沙也极易从中穿过。冒落性裂缝带引发的突水溃沙灾害最为严重。

1.2.2 网络性裂缝带

冒落性破坏带上部老顶岩层受竖向荷载作用产生层向拉应力，导致岩层的层间结构破坏，但受到底部堆积岩块的支撑作用，形成的连续性破坏岩层具有层间、垂向裂缝，并纵横交错而形成连通性好的裂缝网络，一旦波及含水沙体，将成为水沙纵向运移的主要通道。由于裂缝间连通性极好，既透水又透沙，该区一旦波及水体易引起采面水沙溃涌事故的发生。但由于该带内的裂缝呈网络状分布，没有水流带动的沙体在其内部流动性却很差。因此，开采过程中虽会有少量沙体进入到工作面，但大规模的溃沙灾害将不会发生。

1.2.3 贯通性裂缝区

在老顶进入到不同垮落阶段时，由于薄基岩煤层特殊工程地质条件，上覆岩层在工作面后方、前上方易形成穿透基岩的贯通裂缝，造成顶板切落式垮落，上宽下窄的贯通裂缝直接将工作面与饱和含水层沙层连通，从而诱发顶板水沙溃涌事故的发生，这种灾害发生在老顶初次来压位置较多，在正常推进段由于岩梁之间的铰接作用，发生这种灾害的可能性较小。

1.2.4 方向性裂缝区

当老顶岩层悬空或支撑力不足时，在挤压和拉扭应力综合作用下，顶板岩层将产生下沉、张裂和破坏，在破坏岩层的内部将产生裂缝，这些裂缝的方向均朝向采空区方向，即方向性裂缝，这些裂缝自下而上逐渐变弱，在斜交或垂直于岩层的位置处又产生新的张裂隙，并随采空区范围增加而向上发展。由于同时受到张、拉双重应力作用，采空区周边破裂岩层形成以采空区为中心的方向性裂隙区。

1.3 导水沙裂缝带概念的提出

上述竖“两带”、横“两区”中，冒落性裂缝带与贯通性裂缝区内的地下水属于管道流，一旦与含水沙层沟通，极易引发大规模水沙溃涌灾害的发生，破坏性极大，因此必须采取注浆固沙、降低采高或充填开采等方式，方能保证工作面安全开采；网络性裂缝带内的地下水呈现紊流状态，与含水沙层沟通时也易引发水沙溃涌灾害的发生，但破坏性相对较小，可通过疏排水方式将沙体内部的水排完或疏降至一定的水头高度以下，就能保证工作面安全开采。方向性裂缝区内部裂缝连通性较差，属于透水不溃沙，只需加大排水能力和提前探放水就能保证工作面安全回采。根据竖“两带”导水沙特性，本项目将“冒落性裂缝带”和“网络性裂缝带”合称为“导水沙裂缝带”。

2 导水沙裂缝带高度理论推导

目前，国内外尚无人明确提出导水沙裂缝带这个概念，因此国内外尚无相关研究成果专门针对导水沙裂缝带高度提出相应的预计方法[13-15]，现主要集中而对导水裂缝带高度的研究。鉴于此，以物理模拟实验的方法进行导水沙裂缝带模型的建立与求解。

2.1 模型建立

由物理模拟实验可知，在工作面达到临界宽度前，覆岩不能达到充分采动，其发育形态呈“拱形”分布，如图2所示。

从图2中可以看出，由于拱内岩层已被冒落性裂缝、网络性裂缝所贯通，一旦波及到含水沙层，由于风积沙在水体带到下流动性极强，在裂缝宽度较小的情况下，也会成为导水沙通道，引发工作面突水或水沙溃涌灾害事故的发生，由于拱内裂缝具有导水沙功能，据此将该拱定义为“导水沙拱”。“导水沙拱”的大小是随着工作面的推进而不断变化的，最终形成的平衡结构可以简化为一“拱墙”结构，如图3所示，图中H为开采煤层深度,h′为导水裂缝带最高点距地表距离，h为导水裂缝带高度。

图2 基岩中的“拱状”破坏

图3 “导水沙拱”形成的拱墙结构

2.2 模型求解

任取x截面，这时截面上作用的弯矩和力可表示为[5-6]

(1)

当∑Y=0时，可得

(2)

当∑X=0时，可得

T=p2h-Rv,

(3)

将式(2)带入式(3)，可得

T=p1(βK0h-μL/2),

(4)

由散体力学可知，在地表下任意深度z处取一微小单元体，则该处压力强度可由式(5)计算

σ0=K0γz,

(5)

假设此拱墙两侧亦达到极限强度状态，由极限强度理论可知拱墙侧面压力及其剪切力则满足[12-14]

τ=c+σtanφ,

(6)

则由式(5)(6)可得

τ0=c+σ0tanφ=c+K0γz,

(7)

又由式(2)(7)以及边界条件描述并取积分区域为地表到煤层埋深可知

(8)

求解可得工作面临界采宽表达式为

(9)

假设在此极限状态下拱形曲线为合理共轴线，即任意共轴截面处的弯矩为零，即∑M=0，得到拱轴曲线方程为

x2+K0y2-(2K0h-μL)y=0,

(10)

式(10)说明合理拱轴线为一段椭圆曲线。再由该式带入拱趾坐标(L/2，h)还可以得到拱的高跨比表达式为

(11)

则导水沙裂缝带高度为

(12)

将式(9)带入式(12)中，可得到导水沙裂缝带发育最大高度为

(13)

现将式(13)展开简化后，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经典解法—费拉里解法可知，式(14)方程存在4个解，即

h1,2=

h3,4=

为了能得到满足实际需求的唯一解，文中将各参数的取值区间代入式(14)中所包含的4个解(h1,h2,h3,h4)，可以得到满足要求的解只有1个，即

h导水沙=

(15)

从现场实际情况来看，由于冒落岩层具有碎胀性特征，当工作面达到临界采宽时，导水裂缝带将不受式(15)中任何参数的影响，始终保持在一个较为稳定的范围内，因此在进行导水沙裂缝带高度计算时，首先必须确定在具体采矿、地质条件下的工作面临界采宽值，然后再将工作面临界采宽值作为已知参数代入到导水沙裂缝带高度计算公式中，再结合其它相关参数，最终得出导水沙裂缝带高度计算值。鉴于采宽参数不能采用工作面实际宽度，可采用1.2～1.4倍的基岩厚度代入计算。

3 结 论

1)从防治水沙溃涌角度出发，导水的裂缝不一定能透沙，致使现有导水裂缝带概念很难满足水沙灾害防治要求，为解决浅埋深、薄基岩、富水沙层下开采条件下的水沙溃涌灾害问题，文中给出一种基于水沙溃涌灾害防治要求的新概念。

2)在分析浅埋煤层覆岩破坏特征的基础上，将导水裂缝带从竖向上分为冒落性裂缝带、网络性裂缝带，横向上分为贯穿性裂缝区和方向性裂缝区，即竖“两带”、横“两区”，并根据“两带”导水沙特性及防水沙灾害的需要，将其定义为“导水沙裂缝带”。并以此作为判别水沙溃涌发生的理论依据，更有效地指导该类灾害的防治工作。

3)根据物理模拟实验结果建立了“导水沙拱”力学模型，并综合运用结构力学、岩体力学和散体力学对导水沙裂缝带高度进行了求解，并将涉及到的各参数取值区间代入到4个解中，最终确定导水沙裂缝带高度计算公式。

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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责任编辑:高 佳

国家自然科学基金青年科学

基金项目(41402265);中煤科工集团西安研究院创新

基金项目(2013XAYCX08)；中国煤炭科工集团有限公司科技创新面上项目(214MS02)作者简介:刘 洋(1978-),男,江苏盐城人,博士,副研究员,E-mail:liuyang@cctegxian.com

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