巨厚覆巖下離層與涌水通道相似模擬研究

高　琳，蔣力帥，張培鵬，許　斌，孔　朋，柳研青

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

巨厚覆巖下離層與涌水通道相似模擬研究

高琳1，蔣力帥2，張培鵬1，許斌1，孔朋1，柳研青1

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

[摘要]采用相似材料模擬方法，建立巨厚巖漿巖下煤層開采模型，研究了巨厚覆巖下離層空間和涌水通道的形成過程及發(fā)育規(guī)律。研究表明：高位巨厚覆巖底部離層空間位于彎曲帶、離層空間附近巖層富水性強(qiáng)、充足離層發(fā)育時(shí)間是形成離層水的條件；巨厚覆巖底部離層水形成后，下方豎向未貫通裂隙在巨厚覆巖破斷運(yùn)移沖擊作用下擴(kuò)展為層間貫通裂隙，并在離層空間四周形成涌水通道，由此產(chǎn)生高位巨厚覆巖離層水突涌隱患。可采用充填開采、條帶開采、離層注漿等方式消減離層空間，采用超前鉆孔疏水切斷補(bǔ)給水源及疏放離層水等措施。

[關(guān)鍵詞]巨厚覆巖；離層水；涌水通道；相似材料模擬

目前我國煤炭開采中對(duì)巨厚覆巖尚無明確的定量標(biāo)準(zhǔn)，通常將覆蓋于煤層上方厚度在幾十至幾百米、強(qiáng)度較高的巖層稱為巨厚覆巖。由于巨厚覆巖強(qiáng)度高、完整性好、破斷運(yùn)移步距大，煤炭開采時(shí)往往會(huì)在其下方形成較大的離層空間。若存在補(bǔ)給水源，就可能形成隱蔽性、突發(fā)性和危害性極大的離層水害。針對(duì)巨厚頂板下離層水害，部分學(xué)者通過理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬等方法做了相關(guān)研究。景繼東[1]針對(duì)華豐煤礦第三系巨厚礫巖含水組進(jìn)行研究，揭示了其富水特征及斑裂紋的演化過程。喬偉、黃陽等[2]以催木煤礦為實(shí)例，采用數(shù)值模擬方法研究了離層發(fā)育及積水，提出地面直通式疏水措施。任春輝、王經(jīng)明等[3-4]研究了海孜煤礦745工作面“5·21”特大突水事故，指出事故原因是由于多煤層采動(dòng)后引起的上部巨厚巖層不均勻沉降。綜上所述，現(xiàn)有研究成果在離層水的形成及突水原因等方面取得了眾多有益的研究成果，但在涌水通道方面的研究還不夠深入，有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。目前直接模擬離層水突涌過程較為困難，而覆巖下離層裂隙及其涌水通道是離層水害的發(fā)生關(guān)鍵環(huán)節(jié)和必要條件。因此，本文以楊柳煤礦104采區(qū)煤系地層覆巖賦存特征及其巖石力學(xué)參數(shù)為參考，建立相似材料模型，針對(duì)巨厚覆巖下離層形成及涌水通道進(jìn)行研究分析。

1相似材料模擬實(shí)驗(yàn)方案

為研究巨厚巖漿巖下離層水涌水通道，參考104采區(qū)覆巖主要巖性及其巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過制作不同配比的小試件進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，選取與現(xiàn)場(chǎng)巖石強(qiáng)度相匹配的相似材料配比，依照相似模擬定律，制作模擬材料模型[5-6]，如表1所示。

表1　相似材料模擬巖層參數(shù)

模擬試驗(yàn)臺(tái)框架尺寸為3m×0.4m×2.1m，有效高度為1.8m。根據(jù)相似準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)幾何相似比1∶200，容重相似系數(shù)1∶1.5，強(qiáng)度相似系數(shù)1∶300。使用河砂作為骨料，石膏、碳酸鈣作為膠結(jié)物，各分層撒云母粉進(jìn)行分層。

模型鋪設(shè)高度1.6m，實(shí)際模擬巖層厚度320m，模型頂部施加均布載荷。實(shí)際模擬煤層厚度8m，巖漿巖厚度60m，與開采煤層間距80m，所建相似材料模型如圖1所示。

圖1　未開挖模型

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1覆巖低位貫通離層的形成

煤層開采后，采空區(qū)上覆巖層因懸露失去下部支撐，在自身重力作用下發(fā)生彎曲變形。當(dāng)相鄰上位巖層的彎曲剛度大于下位巖層時(shí)，擾度較小的上位巖層垮斷前，下方巖層便有足夠的時(shí)間產(chǎn)生彎曲沉降，兩巖層之間便會(huì)形成離層裂隙[7-8]。如圖2所示，工作面開挖過程中先后形成覆巖低位離層空間1與離層空間2，可以清晰看到，由于低位覆巖的顯著破斷運(yùn)動(dòng)，低位離層下方存在著貫通至工作面及采空區(qū)的導(dǎo)水裂隙。

圖2　貫通離層發(fā)育

由于導(dǎo)水裂隙的存在，低位離層空間不存在真空負(fù)壓吸力，離層周邊巖層水的匯集較慢，且匯流至離層中的水也會(huì)通過貫通裂隙流入工作面及采空區(qū)，因此不易形成大量的離層水。即當(dāng)離層裂隙位于裂縫帶內(nèi)，離層下方存在與工作面導(dǎo)通的豎向裂隙，不會(huì)匯積大量離層水，也不會(huì)造成突發(fā)性的涌水災(zāi)害。

2.2覆巖高位非貫通離層的形成

如圖3所示，隨著工作面的進(jìn)一步開挖，出現(xiàn)新的覆巖高位離層空間3與離層空間4。

圖3　非貫通離層發(fā)育

如圖3(a)所示，當(dāng)推進(jìn)150m后，覆巖低位離層空間2已被壓實(shí)閉合，上方巖層彎曲沉降形成新的離層空間3。離層的下方雖然存在豎向裂隙，但裂隙尚未貫通，為離層水的形成創(chuàng)造了條件。但由于巖層厚度相對(duì)較薄，垮斷步距相對(duì)較小，相應(yīng)的離層空間會(huì)在短時(shí)間內(nèi)閉合，故不會(huì)匯積大量離層水，對(duì)工作面開采影響較小，后續(xù)開挖也驗(yàn)證這一現(xiàn)象。

如圖3(b)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至160m時(shí)，上一亞關(guān)鍵層下方的離層空間3已經(jīng)閉合，巨厚巖漿巖下方出現(xiàn)新的離層4，該離層下方豎向裂隙未貫通，形成密閉離層空間，存在真空負(fù)壓吸力[7]，為離層水匯積創(chuàng)造了條件。因巨厚巖漿巖為主關(guān)鍵層，其厚度大、強(qiáng)度高、運(yùn)移步距大，致使離層空間發(fā)育時(shí)間長、離層范圍大。當(dāng)存在巨厚巖漿巖下部附近巖層富含水時(shí)，便在離層空間負(fù)壓和巖層水壓的作用下形成離層水，可能威脅礦井安全生產(chǎn)。

2.3離層水涌水通道的形成

如圖4所示，當(dāng)工作面推進(jìn)310m時(shí)，巨厚巖漿巖底部離層裂隙走向長度達(dá)到200m，此時(shí)懸露巖漿巖兩端部和中部下表面因受拉開始出現(xiàn)縱向裂紋。將巨厚覆巖底部離層空間的下方巖層分為A、B，C，D共4個(gè)區(qū)域，其中，C區(qū)域在推進(jìn)過程中雖存在過裂隙，但已被壓實(shí)閉合，故不會(huì)形成涌水通道；D區(qū)域位于開切眼初采階段的采空區(qū)上方附近，即使下部層間裂隙貫通，發(fā)生涌水對(duì)礦井安全生產(chǎn)的影響也較小；而區(qū)域B位于工作面后方附近，一旦發(fā)生離層水突涌后果嚴(yán)重。

圖4　巖漿巖下離層發(fā)育

區(qū)域B與區(qū)域A交接處因破裂回轉(zhuǎn)出現(xiàn)“V”形層間裂隙，與區(qū)域C交接處因破裂回轉(zhuǎn)出現(xiàn)“倒V”形層間裂隙，如圖5所示。且B區(qū)域各巖層因力學(xué)性質(zhì)和厚度大小不同，分別運(yùn)動(dòng)的巖層組之間也存在未完全壓實(shí)閉合的離層。當(dāng)巨厚巖漿巖突然破斷運(yùn)移時(shí)，“V”形和“倒V”形裂隙在沖擊動(dòng)壓和水壓作用下擴(kuò)展，使非貫通裂隙轉(zhuǎn)化為層間貫通裂隙。離層水可能通過貫通裂隙突涌至工作面后方，造成嚴(yán)重突涌水事故，涌水通道形成區(qū)域如圖6所示，該理論分析位置與海孜煤礦745工作面突水位置一致[4]。

圖5　擴(kuò)展裂隙示意

圖6　巖漿巖破斷后離層水涌水通道

2.4離層水的形成條件

通過相關(guān)研究成果和相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，巨厚覆巖離層水形成的條件如下：

(1)存在補(bǔ)給水源[9]離層空間周邊巖層存在能為離層補(bǔ)給的含水層，這是形成離層水的首要條件。否則，即使離層與下方工作面存在隔水層，也只會(huì)形成“真空離層空間”。

(2)離層裂隙位于彎曲帶當(dāng)?shù)臀浑x層位于導(dǎo)水裂縫帶時(shí)，由于豎向貫通裂隙的存在，一方面離層內(nèi)不會(huì)存在真空負(fù)壓，離層水匯集速度和體積有限；另一方面匯積的離層水通過貫通裂隙直接進(jìn)入工作面及采空區(qū)，不會(huì)在離層內(nèi)匯積大量離層水，若巖層富水性較弱，此時(shí)往往以工作面淋水和滲流為主。

(3)充足的離層發(fā)育時(shí)間高位巨厚堅(jiān)硬覆巖主關(guān)鍵層懸空面積大，底部離層空間在工作面推進(jìn)過程中從開始發(fā)育至閉合的時(shí)間長，形成離層空間的體積大，離層水的匯積量較大，可能形成工作面開采的突涌水隱患。

3防治措施

針對(duì)高位巨厚覆巖底部形成離層水的條件，既要提前采取措施避免形成離層水，也要在離層水形成后及時(shí)疏放離層水。

(1)避免較大離層的出現(xiàn)針對(duì)巨厚巖層下較大離層的存在，可采用充填開采和條帶開采，減小覆巖彎曲下沉的空間；采用離層注漿，消除巖層水匯集的空間；適當(dāng)加快推進(jìn)速度，減小離層發(fā)育時(shí)間。

(2)切斷補(bǔ)給水源若巨厚覆巖離層空間周邊巖層的富水性強(qiáng)，可先相隔一定距離在工作面兩側(cè)巷道打超前鉆孔疏水[11-12]，切斷離層水的補(bǔ)水通道，見圖7。為防止超前鉆孔因工作面的推進(jìn)坍塌堵孔，需要放入透水套管。

圖7　離層疏放水示意

(3)疏放離層水超前鉆孔雖然能提前疏放一定水量，但在推進(jìn)過程中仍不可避免形成離層水，需要及時(shí)將離層水疏放[12-15]。為此，迎著工作面推進(jìn)方向，在工作面前方、巷道內(nèi)向離層空間施工疏水鉆孔，如圖7所示。選擇施工位置需注意兩個(gè)問題：一是鉆場(chǎng)超前工作面距離，鉆窩打孔位置應(yīng)避免在應(yīng)力集中區(qū)；二是鉆場(chǎng)與鉆場(chǎng)之間的距離，因離層水大量涌入工作面是伴隨巨厚巖漿巖破斷而發(fā)生，故鉆窩與鉆窩的距離應(yīng)考慮巖漿巖垮斷步距。

4結(jié)論

(1)離層水形成的3個(gè)條件：離層空間附近巖層富水性強(qiáng)；離層裂隙位于彎曲下沉帶，存在一定厚度的隔水層；充足的離層發(fā)育時(shí)間。

(2)巨厚覆巖下離層水形成后，因巨厚巖層發(fā)生破斷運(yùn)移，在巖層沖擊動(dòng)壓的作用下離層下方未貫通裂隙轉(zhuǎn)化為貫通裂隙，離層空間下方已破斷運(yùn)動(dòng)的巖體四周形成涌水通道，離層水通過涌水通道進(jìn)入工作面形成突涌水事故。

(3)防治突涌水的主要措施有采用充填開采、條帶開采、離層注漿等方式消減離層空間；使用透水套管超前鉆孔疏水切斷補(bǔ)給水源；離層水形成后，施工鉆窩疏放離層水。

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[責(zé)任編輯：李宏艷]

Similar Simulation of Separation and Water Inrush Pathway under Giant Thickness Overlying Strata

GAO Lin1，JIANG Li-shuai2，ZHANG Pei-peng1，XU Bin1，KONG Peng1，LIU Yan-qing1

(1.Mining & Safety Engineering College，Shandong University of Science & Technology，Qingdao 266590，China；2.Resource & Safety Engineering College，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract：the Coal seam mining model under giant thickness magmatic rock was built by similar material simulation method，formation process and development rules of roof separation space and water inrush pathway under giant thickness overlying strata was studied.The results showed that separation space at the bottom of high level and giant thickness overlying strata，rock stratum was water abundance around separation space，enough separation development time was key point to formed separation water，when separation water at the bottom of giant thickness overlying strata formed，the vertical unthrough fractures below developed into inter layers through fractures under giant thickness overlying strata movement，and water inrush pathway formed around separation space，separation water inrush dangerous appeared in high level and giant thickness overlying strata.Then separation space could be decreased by backfill mining，strip mining and separation grouting and so on，and some measurements such as water supplies could be cut by advanced bore and separation water drainage were also applied.

Key words：giant thickness overlying strata；separation water；water inrush pathway；similar material simulation

[收稿日期]2015-11-05[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.006

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374139)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2013EEM018)

[作者簡(jiǎn)介]高琳(1990-)，男，山東泰安人，碩士研究生，主要從事礦山壓力與巖層控制方向的研究。

[中圖分類號(hào)]TD745

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)03-0024-04

[引用格式]高琳，蔣力帥，張培鵬，等.巨厚覆巖下離層與涌水通道相似模擬研究[J].煤礦開采，2016，21(3)：24-27.