淺埋開(kāi)采工作面水沙潰涌災(zāi)害預(yù)測(cè)及防治對(duì)策

劉 洋

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司 水文地質(zhì)研究所，陜西 西安 710077；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

?

淺埋開(kāi)采工作面水沙潰涌災(zāi)害預(yù)測(cè)及防治對(duì)策

劉 洋1，2

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司 水文地質(zhì)研究所，陜西 西安 710077；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

將水沙潰涌作為滲透破壞的一種形式，將被導(dǎo)水裂縫貫穿的潛水含水層轉(zhuǎn)換成圓形截面，運(yùn)用完整井理論建立了覆巖破壞涌水裂隙通道的水力坡度表達(dá)式，并由Kusaki公式計(jì)算得出了影響半徑，利用Zamarin式求解求得水力坡度的臨界值，同時(shí)結(jié)合覆巖頂板實(shí)際破斷情況，將“懸臂”巖梁分為不回轉(zhuǎn)(θ=0°)和回轉(zhuǎn)(θ≠0°)2種情況分別給出了是否發(fā)生水沙潰涌的判別式，進(jìn)而為導(dǎo)水裂隙帶(網(wǎng)絡(luò)性)影響范圍內(nèi)的含水砂巖層疏干降排提供了科學(xué)的參考依據(jù)和理論基礎(chǔ)；另外，針對(duì)冒落性裂縫帶、網(wǎng)絡(luò)性裂縫帶所引發(fā)的水沙潰涌災(zāi)害的特征和類(lèi)型，提出了相應(yīng)的配套防治對(duì)策，確保了開(kāi)采工作面不發(fā)生災(zāi)難性水沙潰涌威脅。

富水沙層；水沙潰涌；水頭高度；水力坡度

0 引 言

神東煤炭集團(tuán)地處毛烏素沙漠與黃土高原的接壤地區(qū)，2015年實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)商品煤連續(xù)3 a超過(guò)2億t，是中國(guó)乃至全球最大的煤炭生產(chǎn)基地。目前主要集中開(kāi)采淺部煤層資源，該煤層突出賦存特點(diǎn)是埋藏淺(埋深<150 m)、上覆基巖薄(厚度<100 m)，煤層埋藏穩(wěn)定，賦存條件優(yōu)越。在礦井開(kāi)采初期，人們普遍認(rèn)為其地處毛烏素沙漠缺水地區(qū)，礦井水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)不會(huì)存在水害問(wèn)題，然而開(kāi)采實(shí)踐表明，由于開(kāi)采擾動(dòng)形成的導(dǎo)水沙裂隙通道直接溝通富含潛水的厚松散沙層，導(dǎo)致采掘工作面頻發(fā)潰水或水沙潰涌災(zāi)害，使該類(lèi)災(zāi)害成為影響礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1-2]；淺埋煤層水沙潰涌災(zāi)害主要案例有：大柳塔煤礦1203工作面在老頂初次垮落時(shí)，導(dǎo)水沙通道直接波及富水沙層，引發(fā)涌水潰沙事故，4天內(nèi)淹沒(méi)工作面，停產(chǎn)時(shí)間達(dá)10 d之久，嚴(yán)重影響了該礦井的安全生產(chǎn)，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失；在20601工作面開(kāi)采以前，為了防止薄基巖水沙潰涌災(zāi)害的發(fā)生，對(duì)薄基巖地段進(jìn)行了大量的“上吐下瀉”疏降水工程，耗資100多萬(wàn)元，并使切眼后退160 m避開(kāi)薄基巖區(qū)，造成大量資源嚴(yán)重浪費(fèi)；在瓷窯灣煤礦的建井掘進(jìn)中，由于局部冒頂形成“天窗”水沙涌入掘進(jìn)工作面，直到井底車(chē)場(chǎng)；上灣煤礦2-2煤在掘進(jìn)過(guò)程中也發(fā)生了類(lèi)似的水沙潰涌事故。

目前國(guó)內(nèi)外預(yù)測(cè)水沙潰涌災(zāi)害理論研究較少，現(xiàn)有的水沙潰涌災(zāi)害預(yù)測(cè)理論的物質(zhì)源是以具有一定膠結(jié)強(qiáng)度、遇水而弱化的沙巖為主體，而陜北淺埋煤層水沙潰涌災(zāi)害則是由水力攜帶的風(fēng)積沙所引發(fā)，由于2種災(zāi)害發(fā)生時(shí)的物質(zhì)源存在本質(zhì)差異，前者是塊體、后者是松散體，其發(fā)生機(jī)理也勢(shì)必不同，這樣就會(huì)導(dǎo)致2種災(zāi)害的預(yù)測(cè)方法、判別條件發(fā)生改變，現(xiàn)階段用于探究采掘面有無(wú)發(fā)生風(fēng)積沙引發(fā)的水沙潰涌災(zāi)害預(yù)測(cè)理論存在空白，急需建立位于潛水位含水層中是否發(fā)生水沙潰涌事故可能性的預(yù)測(cè)理論，從而能夠?qū)Σ擅汗ぷ髅娓矌r含水層位的高水頭作用下的疏干降排提供科學(xué)依據(jù)，這已成為淺埋煤層開(kāi)采擾動(dòng)條件下水沙潰涌災(zāi)害防治急需解決的技術(shù)難題[3-5]。

1 災(zāi)害預(yù)測(cè)基本思路及條件

1.1 災(zāi)害預(yù)測(cè)基本思路

預(yù)測(cè)水沙潰涌災(zāi)害理論國(guó)內(nèi)外研究的較少，僅張玉軍等[6]以鐵北煤礦為工程背景，開(kāi)展過(guò)采用以滲透方式發(fā)生破壞的臨界條件下水力坡度作用的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)潰沙災(zāi)害的邊界條件及其推導(dǎo)公式。該災(zāi)害預(yù)測(cè)理論與文中最大的區(qū)別是潰出源不同，上述文章潰出的物質(zhì)源主要以界面間的膠結(jié)物粘結(jié)能力較差且遇水而弱化的砂巖等巖層，但文中特點(diǎn)在于重點(diǎn)研究以風(fēng)化侵蝕、堆積、受水力作用攜水便可運(yùn)移的風(fēng)積沙；除此之外，文獻(xiàn)[7]中還提到，受到網(wǎng)絡(luò)性和冒落性?xún)尚杂绊懴铝严稁е械暮鶐r層，唯有采用采后充填或者覆巖層加大厚度且配合疏干降水施工方可以實(shí)現(xiàn)，但該方法無(wú)法對(duì)采煤工作面上覆基巖巖層的實(shí)際厚度給出明確的界限，以至于文中給出該方法的實(shí)際應(yīng)用能力和可實(shí)施性大大降低?；诖?，文中研究以文獻(xiàn)[7]中所涉及到的網(wǎng)絡(luò)性裂隙帶影響下的含水沙巖層為基礎(chǔ)，建立預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)性裂隙帶下的發(fā)生水沙潰涌事故災(zāi)害發(fā)生的可能性，并明確在潛水位含沙巖層在疏干降水作用的邊界水頭壓力[8-10]。

文中所采用的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水沙潰涌事故研究的大體思路為將沙粒體可發(fā)生運(yùn)移時(shí)所需的水頭壓力坡度臨界值作為判別依據(jù)，在厚度不大的含水層位(潛水)下，視水沙涌出裂隙通道看成完整井，建立完整井流作用的基礎(chǔ)理論表達(dá)式以此求得實(shí)際條件下的水頭壓力坡度關(guān)系式，并在此基礎(chǔ)上建立含水層位的水頭壓力和發(fā)生潰涌沙的安全水頭壓力相關(guān)公式。

1.2 水沙潰涌事故發(fā)生的邊界條件

當(dāng)采煤工作面開(kāi)采后，網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)水裂隙發(fā)育帶將波及覆巖含水基巖層位，其含水層中的水將沿裂隙帶所形成的導(dǎo)水沙裂隙涌入采煤面，形成含水覆巖層位的水力勢(shì)能陡然下降，構(gòu)成水力降低漏斗，當(dāng)其含水層中的移動(dòng)水足以運(yùn)移沙顆粒的邊界水頭降低坡度時(shí)，采煤面將受到水沙潰涌潰入采空區(qū)導(dǎo)致災(zāi)害事故發(fā)生嚴(yán)重威脅。故此，其水沙運(yùn)移致突水突沙的臨界條件為

Jr≥Jcr.

(1)

式中Jcr為邊界水頭壓力坡度值；Jr為相距r位置含水層位的真實(shí)水頭壓力坡度值。

2 水沙潰涌災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)理論研究

工作面開(kāi)采后，當(dāng)覆巖層含水層因采動(dòng)影響裂隙帶導(dǎo)通采空區(qū)，可以通過(guò)實(shí)施疏干降水的方式防治水沙發(fā)生潰涌災(zāi)害，但其含水巖層水頭壓力究竟需要疏排降至多大方可消除對(duì)水沙可能發(fā)生潰涌災(zāi)害的危險(xiǎn)性，一直以來(lái)是困擾著現(xiàn)場(chǎng)施工人員的一大難題，因此，文中通過(guò)對(duì)水沙潰涌災(zāi)害事故開(kāi)展預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)理論研究，期望對(duì)淺埋深條件下的富水沙層區(qū)域受裂隙帶(網(wǎng)絡(luò)性)影響的區(qū)域具有一定的科學(xué)指導(dǎo)作用，并由此確定測(cè)底消除水沙可能發(fā)生潰涌危害的最低疏干降排水頭高度值。

2.1 確定水力坡度實(shí)際值

當(dāng)覆巖含水巖層中的水沙潰入采空區(qū)時(shí)，將導(dǎo)致含水巖層中的水位陡然下降，形成水位降低漏斗，其漏斗中心便為水沙潰涌裂隙裂隙通道，完整的井流示意圖如圖1所示，結(jié)合實(shí)際情況可采用完整井模型中的穩(wěn)定流的機(jī)理開(kāi)展理論推導(dǎo)，由Darcy’s law知

Qr=KAJr，

(2)

式中K為滲透系數(shù)；A=2πrhr；Qr為r處流量；r為該點(diǎn)與裂隙通道中心位置的間距。

圖1 完整井流示意圖Fig.1 Complete well flow diagram

其中以含水層與下覆巖層的交界面作為參考面，即H等于h，同時(shí)采用柱坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算，其方程經(jīng)簡(jiǎn)化后可得

(3)

邊界條件如下：①h=hw(r=rw)；②h=H0(r=R)。H0為抽水前含水層初始水頭；hw為抽水后抽水井中穩(wěn)定水位。

最終可得潛水完整井穩(wěn)定流量計(jì)算公式為

(4)

式中 rw為抽水井半徑，m；K為含水層滲透系數(shù)，m/d；R為影響的半徑，m.

由(2)式可得

(5)

將式(4)帶入式(5)可得

(6)

當(dāng)r→rw時(shí)，由式(9)可得水力坡度為

(7)

由此可知，要想得到圖1裂隙通道中最大的水力坡度值，必須要知道R和rw值。

2.2 R值的提出

當(dāng)下對(duì)確定R值的方法較多，比較常用的如抽水試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式2種方法，結(jié)合文中為地下含水層應(yīng)于潛水的特點(diǎn)，對(duì)其R值得確定可采用Kusaki公式表示

(8)

其中 K為滲透系數(shù)，m/d；S為含水層中的水位降低的深度值，m.

2.3 邊界水力坡度的取值

目前，對(duì)于邊界水力坡度值水沙潰涌臨界水力坡度值得較常用的3種方法[11-13]如下，即第一種是經(jīng)驗(yàn)公式法，該方法主要是在太沙基公式的基礎(chǔ)上，針對(duì)其存在的不足，通過(guò)實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了修正和發(fā)展；第二種是力學(xué)分析法，該方法首先對(duì)單個(gè)土顆粒在含水層中的受力情況進(jìn)行分析，確定驅(qū)動(dòng)水壓力和土顆粒的浮容重，然后在考慮土粒間的摩擦阻力與單位土體所受的凝聚力的基礎(chǔ)上，最終推導(dǎo)出臨界水力坡度的計(jì)算公式；第三種方法是實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)法，該方法首先通過(guò)試驗(yàn)研究確定臨界水力坡度與含水層滲透系數(shù)、細(xì)沙粒含量之間的關(guān)系，然后繪制臨界水力坡度與這些因素之間的曲線(xiàn)，最后根據(jù)含水層的具體特性再確定臨界水力坡度。

目前，煤礦防治水推薦使用Zamarin公式，文中對(duì)邊界的水力坡度值得取值便可采用經(jīng)驗(yàn)公式法，計(jì)算表達(dá)式為

(9)

式中 n為孔隙率；r為容重(水)，kN/m3；rs為容重(土粒)，kN/m3；Jcr為臨界時(shí)的水力坡度。

2.4 提出合理的水沙潰涌裂隙寬度值

在采煤面采后覆巖層頂板真實(shí)涌水過(guò)程時(shí)，處于導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)部的過(guò)水通道截面呈不規(guī)則形狀，因此須將其轉(zhuǎn)換成圓形的橫截面。

故此，設(shè)導(dǎo)水裂隙通道的形狀為寬度B，長(zhǎng)度L的矩形，有

(10)

當(dāng)采煤工作面回采后，覆巖層頂板將呈現(xiàn)出周期性折斷現(xiàn)象，特別是對(duì)于淺埋煤層而言，結(jié)合地表破壞情況，大多數(shù)覆巖頂板將呈現(xiàn)出切落式的周期性破壞情況，而在其未破壞的“懸臂”巖梁(Ⅰ)與已破壞的巖塊(Ⅱ)之間將出現(xiàn)如圖2所示的導(dǎo)水沙的裂隙通道。圖2中頂板的下沉量為CA段，頂板來(lái)壓步距(垮落)設(shè)為Ⅰ1和Ⅰ2，即DA段和PC段，巖層的垮落后的角度(α)為∠DAB，∠D′A′B′，∠CDQ，回轉(zhuǎn)的角度(θ)為∠DOD′.由圖2中可知，受采動(dòng)影響的“懸臂”巖梁(Ⅰ)在采煤工作面頂板將出現(xiàn)拉應(yīng)力裂隙區(qū)。故此，在覆巖層中，直接頂板的全部厚度(∑h)、巖塊(Ⅱ)頂板下沉量(W)、采煤厚度(m)及其巖塊的碎脹系數(shù)(Kp)均有一定的關(guān)聯(lián)性，如下

W=m-(Kp-1)∑h.

(11)

圖2 淺埋煤層頂板垮落結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of roof caving in shallowly buried coal seam

由圖2可知，以下為求解導(dǎo)水沙通道的裂隙帶寬度(B)

2.4.1 當(dāng)“懸臂”巖梁保持不變(θ=0°)時(shí)

可把“懸臂”巖梁(Ⅰ)跟四周未破壞的原巖應(yīng)力狀態(tài)下的巖體視為一體，線(xiàn)段MC表示為裂隙帶寬度(B1)。因∠BAD+∠CAM=∠CAM+∠MAC=90°，得到∠BAD=∠MCA=α，故此B1可得

B1=[m-(Kp-1)∑h]·cosα.

(12)

由公式(12)可以看出，裂隙帶寬度(B)在θ=0°情況時(shí)與工作面煤層厚度呈正比例關(guān)系，與∑h，α呈反比例關(guān)系。故此，從災(zāi)害防治角度而言，可采用減少煤層開(kāi)采厚度、分層開(kāi)采、采后充填等手段來(lái)有效地控制導(dǎo)水沙所形成的裂隙帶寬度，從而實(shí)現(xiàn)從根本上防治的目的。

2.4.2 當(dāng)“懸臂”巖梁出現(xiàn)回轉(zhuǎn)(θ≠0°)時(shí)

“懸臂”巖梁(Ⅰ)與跟四周未破壞的巖體中破斷，線(xiàn)段NC表示為裂隙帶寬度(B2)，∠A′OC用δ表示，∠A′FC用ψ表示，下面針對(duì)B2進(jìn)行求解

1)線(xiàn)段OA′確定。延長(zhǎng)OB，AC相交于J點(diǎn)，在△BAJ中，∠ABJ=α，AJ=h，可得AB=h/sinα=A′B′；在△OA′B′中，A′B′，OB′，∠OB′A′均為已知，由余弦定理可求得線(xiàn)段OA′長(zhǎng)度

OA′=

(13)

為后續(xù)計(jì)算方便，OA′用l3表示。

2)∠OA′B′確定。在△OA′B′中，OA′已求，OB′=l1，∠OB′A′=180°-α，由正弦定理可求得∠OA′B′角度

為方便計(jì)算，∠OA′B′用β表示。

3)線(xiàn)段OC、∠AOC確定。在△AOC中，AO，AC已求，∠OAC=90°-(α-β)，由余弦定理可求得線(xiàn)段OC長(zhǎng)度和∠AOC角度

(14)

(15)

4)∠A′OC確定。∠A′OC=∠AOC-∠AOA′，其中∠AOA′為回轉(zhuǎn)角，∠AOC已求，則

(16)

為后續(xù)計(jì)算方便，∠A′OC用δ表示。

5)線(xiàn)段OF確定。在△OFA′中，A′O，∠A′OF=∠A′OC、∠OA′F=∠OA′B′均已求，由正弦定理可求得線(xiàn)段OF長(zhǎng)度

(17)

6)線(xiàn)段CF確定。由CF=OC-OF，可求得線(xiàn)段CF長(zhǎng)度

(18)

7)∠A′FC確定。在△OFB′中，OF已求、∠OB′F=180°-α，OB′已知，由正弦定理可求得∠OFB′角度

∠OFB′=φ，

(19)

由于∠OFB′=∠A′FC，則

(20)

為后續(xù)計(jì)算方便，∠A′FC用ψ表示。

8)線(xiàn)段CN確定。在△FCN中，CF，∠NFC=∠A′FC已求、∠CNF=90°由此可求得線(xiàn)段CN長(zhǎng)度

(21)

最終確定導(dǎo)水沙裂隙裂隙通道B2的寬度為

(22)

2.5 預(yù)測(cè)公式確定

由式(9)式(10)代入式(1)，可得

(23)

結(jié)合Ellenbigger研究成果可知，在抽排水的鉆孔井壁位置，最大的水頭降低深度應(yīng)視為初始水頭高度的1/2，故

(24)

因此，臨界狀態(tài)下的水頭高度值H0表示為

(25)

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)裂縫帶波及的含水沙層下采煤而言，當(dāng)覆巖層存在有承壓水的含水沙巖層、且水頭壓力滿(mǎn)足式(25)時(shí)，含水沙巖層便存在可能發(fā)生突水涌水的危險(xiǎn)性，反之則無(wú)危險(xiǎn)性存在。

3 防控對(duì)策

根據(jù)豎兩帶、橫兩區(qū)理論，人為開(kāi)采擾動(dòng)條件下，引發(fā)水沙潰涌裂隙裂隙通道主要為冒落性裂縫帶、網(wǎng)絡(luò)性裂縫帶、貫通性裂縫區(qū)，根據(jù)這些裂縫的特征和形態(tài)，須采取不同的防治對(duì)策，方能防治水沙潰涌災(zāi)害的發(fā)生，據(jù)此文中提出“四項(xiàng)控制法”對(duì)該類(lèi)災(zāi)害進(jìn)行防控。

3.1 網(wǎng)絡(luò)性、冒落性裂縫帶災(zāi)害防控

網(wǎng)絡(luò)性、冒落性裂縫帶溝通含水層時(shí)的水沙潰涌防治思路可按下列步驟進(jìn)行

3.1.1 條件探查

物探結(jié)合鉆探，探查開(kāi)采煤頂板地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，主要包括內(nèi)容為：富水異常區(qū)的圈定，含水層厚度、滲透系數(shù)、給水度、補(bǔ)徑排條件，基巖厚度、物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，地表溝谷明流量、洪水量等。

3.1.2 基本因素確定

計(jì)算冒落性裂縫帶、導(dǎo)水沙裂縫帶的高度，與開(kāi)采煤層上覆正?；鶐r厚度進(jìn)行比較，分析含水沙層與豎“兩帶”垂向關(guān)系，確定基巖類(lèi)型和工作面不同推進(jìn)地段的充水水源。

3.1.3 潰水防控

淺埋煤層工作面主要充水水源是大氣降水、地表溝谷段明流、雨季洪流、地下水等多種水源，首先采用文中提出的涌水量預(yù)測(cè)方法，根據(jù)工作面不同推進(jìn)地段的充水水源情況，分段預(yù)計(jì)工作面涌水量；然后在工作面及其兩側(cè)順槽分別布置1.5倍預(yù)測(cè)水量的排水系統(tǒng)，并在薄基巖潰水段工作面兩端各布置1倍預(yù)測(cè)水量的臨排系統(tǒng)，增強(qiáng)工作面抗災(zāi)變能力；若涌水量超出礦井排水系統(tǒng)承受能力，在預(yù)計(jì)水量較大地段開(kāi)展井下疏降水工程(下泄)，若井下疏降水效果不好，可在地面施工抽水井(上吐)，通過(guò)“上吐下泄”的方式降低富水區(qū)地段的工作面涌水強(qiáng)度。

3.1.4 潰沙防控

1)冒落性裂縫帶潰沙防控。首先根據(jù)冒落性裂縫帶高度預(yù)計(jì)結(jié)果，注漿加厚基巖厚度至網(wǎng)絡(luò)性裂縫帶范圍內(nèi)；然后采用水沙潰涌災(zāi)害預(yù)計(jì)公式，判斷含水沙層是否具有水沙潰涌威脅；再根據(jù)需要疏降的安全水頭高度要求，開(kāi)展井下疏降水工程(下泄)，同步進(jìn)行地下水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若井下疏降水效果差，可在地面施工抽水井(上吐)，通過(guò)“上吐下泄”的方式降低水沙潰涌地段的含水層水頭高度，并進(jìn)行地面塌陷區(qū)治理工程；最后制定水沙潰涌應(yīng)急預(yù)案，在工作面開(kāi)采前進(jìn)行水沙潰涌災(zāi)變演練。

2)網(wǎng)絡(luò)性裂縫帶潰沙防控。首先采用水沙潰涌災(zāi)害預(yù)計(jì)公式，判斷含水沙層是否具有水沙潰涌的威脅；然后根據(jù)需要疏降的安全水頭高度要求，可單獨(dú)或共同開(kāi)展井上下疏放水工程，并觀測(cè)松散層水位，適時(shí)掌握水沙潰涌地段的含水層水頭高度，待水頭高度降至安全水位后方能進(jìn)行開(kāi)采，回采后對(duì)地面塌陷區(qū)進(jìn)行治理。

淺埋煤層水沙潰涌災(zāi)害防控體系如圖3所示。

圖3 淺埋煤層水沙潰涌防治體系Fig.3 Prevention system of water-sand inrush disaster in shallowly buried coal seam

3.2 貫通性裂縫區(qū)災(zāi)害防控

貫穿性裂縫帶產(chǎn)生的主要原因是支架在移架過(guò)程中，支護(hù)阻力不夠，導(dǎo)致不能形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)的松散層直接作用在產(chǎn)生裂縫的基巖上，由于破裂基巖底部處于臨空狀態(tài)，自身承載能力較低，與支架一起共同承受礦壓、自重及上覆松散層施加的載荷，若支架初撐力或工作阻力不足，這一平衡體系將被打破，從而造成頂板基巖產(chǎn)生切落，并形成貫通性的裂縫區(qū)，對(duì)于該災(zāi)害的防治，只需加強(qiáng)支架支護(hù)阻力，防止架前切頂就能實(shí)現(xiàn)災(zāi)害的防治。

4 結(jié) 論

1)文中結(jié)合滲透壓力影響下的破壞形式之一涌水潰沙特征，提出了一種解決此種災(zāi)害防治的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法，即將沙粒體可發(fā)生運(yùn)移時(shí)所需的水頭壓力坡度臨界值作為判別依據(jù)，在厚度較小的含水巖層中，將水沙涌出裂隙通道視為完整井，基于完整井流理論，求得了實(shí)際情況的水頭壓力坡度表達(dá)式，并由此建立了含水層位的水頭壓力和發(fā)生潰涌沙的安全水頭壓力表達(dá)式；

2)根據(jù)煤層開(kāi)采后的突水涌沙所發(fā)生的真實(shí)的水頭壓力坡度與邊界水水頭壓力坡度的判別公式，推導(dǎo)得出了涌水通道內(nèi)實(shí)際情況下的水頭壓力坡度計(jì)算表達(dá)式，并對(duì)其涉及到的影響半徑、導(dǎo)水沙通道寬度等參數(shù)給出了相應(yīng)的計(jì)算方法，并在確定臨界水力坡度計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)得出導(dǎo)水沙潰涌災(zāi)難可能發(fā)生情況時(shí)的邊界水頭壓力判別式，為網(wǎng)絡(luò)性導(dǎo)水裂縫帶區(qū)域內(nèi)的含水沙巖層的水頭疏干降水提供了科學(xué)地理論依據(jù)，由此dehumidifier水沙潰涌災(zāi)害發(fā)生時(shí)判斷公式為

3)根據(jù)豎兩帶、橫兩區(qū)理論，針對(duì)冒落性裂縫帶、網(wǎng)絡(luò)性裂縫帶所引發(fā)的水沙潰涌災(zāi)害的特征和類(lèi)型，提出“條件探查、基本因素確定、潰水防控、潰沙防控”四項(xiàng)控制法災(zāi)害防控體系；針對(duì)貫通性裂縫區(qū)形成的水沙潰涌災(zāi)害，提出采用增強(qiáng)支架支護(hù)阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害的防控。

References

[1] 王貴虎，何廷峻．高承壓水體上開(kāi)采底板巖層變形特征研究[J]．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(3)：359-363.

WANG Gui-hu，HE Ting-jun．Coal floor movement dam age character for mining on the top of water-pressured[J]．Journal of Xi’an University of Science and Technology，2007，27(3)：359-363.

[2]王 英，樊永賢，羅一夫．崔家溝煤礦礦井充水因素分析[J]．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(6)：722-725．

WANG Ying，F(xiàn)AN Yong-xian，LUO Yi-fu．Water filling factors analysis of Cuijiagou coal mine[J]．Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012，32(6)：722-725.

[3]余學(xué)義，邱有鑫．溝壑切割淺埋區(qū)塌陷災(zāi)害形成機(jī)理分析[J]．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(3)：269-274.

YU Xue-yi，QIU You-xin．Analysis of subsidence status formation mechanisms in shallow mining seam of ravine cutting area[J]．Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012，32(3)：269-274.

[4]韓江水，趙 婷，武謀達(dá)．綜采放頂煤工作面頂板涌水機(jī)理分析[J]．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(2)：144-148.

HAN Jiang-hui，ZHAO Ting，WU Mou-da．Analysis of water-inrush mechanism of apical plate for fully mechanized caving face[J]．Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012，32(2)：144-148.

[5]劉 洋．礦山壓力對(duì)煤層底板破壞深度的數(shù)值分析[J]．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(1)：11-14.

LIU Yang．Numerical analysis of breaking depth of coal floor caused by mining pressure[J]．Journal of Xi’an University of Science and Technology，2008，28(1)：11-14.

[6]張金虎，吳士良，周 茂．不同覆巖結(jié)構(gòu)短壁開(kāi)采上覆巖層運(yùn)動(dòng)的數(shù)值分析[J]．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(3)：263-266．

ZHANG Jin-hu，WU Shi-liang，ZHOU Mao．Numerical simulation of overburden movement of short wall mining with different overlying rocks[J]．Journal of Xi’an University of Science and Technology，2011，31(3)：263-266.

[7]楊天鴻，唐春安，譚志宏．巖體破壞突水模型研究現(xiàn)狀及突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究發(fā)展趨[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(2)：268-277.

YANG Tian-hong，TANG Chun-an，TAN Zhi-hong．State of the art of inrush models in rock mass failure and developing trend for prediction and forecast of groundwater inrush[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(2)：268-277.

[8]劉英鋒，巨天乙．深埋特厚煤層綜放條件下頂板導(dǎo)水裂縫帶探查技術(shù)[J]．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(5)：571-575.

LIU Ying-feng，JU Tian-yi．Exploration technology for water flowing fractured zone of deeply-buried thick coal bed in fully mechanized sublevel condition[J]．Journal of Xi’an University of Science and Technology，2013，33(5)：571-575.

[9]劉 洋．淺埋煤層開(kāi)采礦井涌水量計(jì)算方法研究[J]．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(5)：565-570.

LIU Yang．Calculation method for water inflow from exploited mine in shallowly-buried coal seam[J]．Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012，32(5)：565-570.

[10]楊偉峰，隋旺華，吉育兵，等．薄基巖采動(dòng)裂縫水砂流運(yùn)移過(guò)程的模擬試驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(1)：141-146.

YANG Wei-feng，SUI Wang-hua，JI Yu-bing，et al．Experimental research on the movement process of mixed water and sand flow across overburden fissures in thin bedrock induced by mining[J]．Journal of China Coal Society，2012，37(1)：141-146.

[11]張玉軍，康永華，劉秀娥．松軟砂巖含水層下煤礦開(kāi)采潰砂預(yù)測(cè)[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2006，31(4)：429-432．

ZHANG Yu-jun，KANG Yong-hua，LIU Xiu-e．Predicting on inrush of sand of mining under loosening sandstone aquifer[J]．Journal of China Coal Society，2006，31(4)：429-432．

[12]劉丹珠，張家發(fā)．基于土拱理論的土體坍塌機(jī)理研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2011，28(5)：35-41，45.

LIU Dan-zhu，ZHANG Jia-fa．Mechanism of soil collapse based on soil arching theory[J]．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2011，28(5)：35-41，45.

[13]熊正明．防止塊礦組拱的有效途徑[J]．黃金，1995，16(11)：19-20.

XIONG Zheng-ming．The effective way to prevent lump ore from arching[J]．Gold，1995，16(11)：19-20.

Disaster prediction and prevention countermeasures of water-sand inrush in shallow mining face

LIU Yang1，2

(1.HydrogeologyResearchInstitute,Xi’anResearchInstituteofChinaCoalTechnology&EngineeringGroupCrop，Xi’an710077，China；2.CollegeofGeologyandEnvironment，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China)

As a form of infiltration failure,the water-sand inrush would be transferred into circular cross section by the unconfined aquifer that is run through by water flowing fracture.The author established the water hydraulic gradient expression of overburden failure water fissure channel by using the theory of complete well,and calculated the influence radius by the Kusaki formula,and determined the critical value of hydraulic gradient using the Zamarin formula.Combined the practical breakage situation of overburden roof at the same time,"cantilever" rock beam was divided into two situations of no-rotation (θ= 0 °) and rotation (θ≠ 0 °),and the discriminant was given for whether occurring of the water-sand inrush hazards.Then the author provided a scientific basis and theoretical basis for drainage of the watery sandstones within the scope of water flowing fractured zone (Networking).Moreover,aimed at the characteristics and type of water-sand inrush disaster induced by the caving fractured zone and the network of fractured zone,corresponding prevention and control countermeasures have been put forward to ensure that the mining working face was not subject to water-sand inrush threat.

9:57 2016/12/229:57 2016/12/229:57 2016/12/229:57 2016/12/22s：water-rich layer of sand；water-sand inrush；head height；hydraulic gradient

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0603

1672-9315(2016)06-0775-07

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41402265)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014JM2-5064)；中煤科工集團(tuán)西安研究院創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2013XAYCX008)

劉 洋(1978-)，男，江蘇鹽城人，博士，副研究員，E-mail：liuyang@cctegxian.com

2016-03-10 責(zé)任編輯：高 佳

TD

A