侏羅紀(jì)巨厚基巖下采煤突水潰砂典型案例分析

呂玉廣，趙仁樂，彭 濤，趙寶相，管彥太，張 勇，魏永強(qiáng),喬 偉

(1.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299; 2.臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 臨沂 276000; 3.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

我國(guó)西北地區(qū)淺埋煤層薄基巖下采煤突水潰砂案例較多，華東、華北地區(qū)為了增加可采資源量、提高開采上限時(shí)此類地質(zhì)災(zāi)害也時(shí)有發(fā)生[1-2]。近年來，隨著西北地區(qū)侏羅紀(jì)煤田開發(fā)強(qiáng)度提高，巨厚基巖下水砂混合突涌地質(zhì)災(zāi)害日益突出[3-5]，如內(nèi)蒙古上海廟礦區(qū)、塔然高勒礦區(qū)、寧夏寧東礦區(qū)、陜西永隴礦區(qū)、黃隴煤田旬耀礦區(qū)等。楊鑫等[6]通過對(duì)西部風(fēng)積砂研究，發(fā)現(xiàn)砂粒起動(dòng)是水動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樯皠?dòng)能的過程。張玉軍等[7]以地下水動(dòng)力學(xué)為基本原理，研究了突水潰砂的臨界條件和預(yù)計(jì)公式。李江華等[8]通過相似材料模擬試驗(yàn)及理論分析，提出了臨界潰砂判據(jù)。張杰等[9]在分析榆神礦區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，指出富水砂層、靜水壓力、薄基巖、采場(chǎng)空間是潰砂的4個(gè)必要條件。隋旺華等[10-11]通過試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)抽冒或水砂突涌后含水層內(nèi)孔隙水壓力表現(xiàn)為劇烈下降并形成瞬時(shí)負(fù)壓，提出了“以顆粒物質(zhì)的流動(dòng)行為來認(rèn)識(shí)潰砂產(chǎn)生機(jī)理”的觀點(diǎn)。蔡光桃等[12]通過分析砂粒的受力情況，建立了以臨界水力坡度判別潰砂的方法。范立民等[13-14]以榆林神府礦區(qū)為例,提出了以多因素融合為基礎(chǔ)的突水潰砂評(píng)價(jià)技術(shù)。以上成果均以淺表松散含水砂層為研究對(duì)象，鮮有涉及基巖突水潰砂。

張敏江等[15]通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，對(duì)東北某礦區(qū)第三紀(jì)和晚侏羅紀(jì)厚覆基巖下采煤突水潰砂做了一定的研究，認(rèn)為水頭壓力、水力坡度、突水量均具有周期性、間歇式特點(diǎn)，是含水層內(nèi)部能量聚集、釋放循環(huán)往復(fù)的過程。呂玉廣等[16-17]在侏羅紀(jì)煤田水害治理技術(shù)研究中，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)軟巖條件下弱含水基巖可以引起短時(shí)高強(qiáng)度攜砂突水，“離層匯水作用強(qiáng)化了弱含水層短時(shí)突水強(qiáng)度，泥砂自封堵作用控制著突水過程為周期性間歇模式”，揭示了弱膠結(jié)砂巖裂隙水短時(shí)高強(qiáng)度水砂混合突涌機(jī)制，提出離層水害必須同時(shí)具備巖石力學(xué)、水源(富水性)、時(shí)間、空間、通道等5個(gè)基本條件。任勝文[18]通過砂巖崩解試驗(yàn)，提出突水潰砂必須具備水砂源、通道、動(dòng)力源、流動(dòng)空間4個(gè)基本條件，與筆者的研究成果有一定的共性。

2015-04-25陜西省銅川市某煤礦綜放工作面發(fā)生一起頂板突水潰砂事故，人員傷亡重大，國(guó)家安全監(jiān)管部門組織專家對(duì)事故原因作了初步分析并通報(bào)[19];2017年該礦開展了水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探工作;在補(bǔ)充勘探成果的基礎(chǔ)上，彭濤等[20]對(duì)該起事故發(fā)生的原因與致災(zāi)機(jī)理進(jìn)一步分析與探討;柳昭星等[21]側(cè)重于巖層破斷力學(xué)分析，提出切頂壓架誘發(fā)泥石流的觀點(diǎn)。由于該起事故是西北侏羅紀(jì)煤炭資源開采較為典型的一種地質(zhì)災(zāi)害，致災(zāi)機(jī)理復(fù)雜，筆者在全面收集相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，通過巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試、砂巖遇水崩解性試驗(yàn)、目標(biāo)層段富水性評(píng)價(jià)、離層水害條件分析等，結(jié)合以往研究成果對(duì)事故原因和致災(zāi)機(jī)理進(jìn)一步分析研究，制定了防范措施。

1 概 況

1.1 地質(zhì)條件

陜西省銅川市某煤礦屬于黃隴煤田旬耀礦區(qū)，井田總體為軸向近東西的向斜構(gòu)造，北翼地層傾角2°～5°，南翼地層傾角8°～12°，面積10.775 km2。礦井核定生產(chǎn)能力180萬t/a，主采侏羅紀(jì)延安組4-2煤層，厚度0～14.80 m，平均8.62 m;底板埋藏深度275.2～593.5 m，平均486.5 m。

頂板含水層:第四系(Q)松散層孔隙含水層、白堊系洛河組(K1l)砂巖裂隙含水層、侏羅系直羅組(J2z)砂巖裂隙含水層、延安組(J2y)砂巖裂隙含水層等，前期地質(zhì)勘探及后期補(bǔ)充勘探成果表明，各含水層富水性極弱～弱，見地層綜合柱狀圖(圖1)。

圖1 地層綜合柱狀Fig.1 Comprehensive column map of strata

1.2 突水潰砂過程

202工作面位于井田西翼，是二采區(qū)第2個(gè)采煤工作面，開采延安組4-2煤層，底板埋深540～661 m，厚度7～11 m，傾角5°～8°。工作面走向長(zhǎng)1 475 m，傾斜寬150 m，采用綜放工藝，設(shè)計(jì)割煤高度3.2 m，放頂煤高度3.8 m。設(shè)計(jì)在上、下槽內(nèi)每隔100 m向煤層頂板打1個(gè)探水孔，仰角70°，終孔于煤層頂板上法線距離約60 m處。實(shí)際僅施工2個(gè)探水孔，仰角分別為15°，36°，孔深分別為35和43 m，無水，設(shè)計(jì)的其他探水孔未再施工。

2015-04-24工作面推采至1 153 m以前，采空區(qū)涌水量30～50 m3/h，24日22時(shí)8號(hào)支架頂板出現(xiàn)淋水，20號(hào)支架頂板破碎;25日8時(shí)許，7～9號(hào)架頂板淋水增大，水色發(fā)渾，人員在緊急撤離過程中，聽到巨大的聲響，并伴有強(qiáng)大氣流，短時(shí)間內(nèi)工作面被泥砂掩埋，約450 m巷道有泥砂淤積。經(jīng)估算，瞬時(shí)最大涌水量1 299 m3/h，總出水量32 267 m3，泥砂1 680.45 m3。

中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司于2017年11月至2018年4月完成水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探任務(wù):地質(zhì)填圖16 km2，采集地面水樣8件，地面施工鉆孔11個(gè)(其中TC-1為“兩帶”高度探查孔)，采集各類樣品63件。2018年提交了水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探成果報(bào)告(以下簡(jiǎn)稱《補(bǔ)勘報(bào)告》)。

2 事故分析與技術(shù)探討

2.1 事故原因分析

事發(fā)后，安全監(jiān)管部門組織專家進(jìn)行事故原因分析，根據(jù)礦方提供的資料和現(xiàn)場(chǎng)察看情況，專家組給出的初步結(jié)論是:受采動(dòng)影響，宜君組堅(jiān)硬礫巖層下方形成離層空間;導(dǎo)水裂隙發(fā)育到上部洛河組砂巖，將洛河組砂巖裂隙水導(dǎo)入下部的離層空間并積聚;架前貫通裂隙將離層水體導(dǎo)入采場(chǎng);在導(dǎo)水通道上恰好遇到古河床(地質(zhì)松散體)，以水砂混合形式涌出，如圖2所示(摘自國(guó)家安全監(jiān)管總局、國(guó)家煤礦安監(jiān)局[2016]6號(hào)電文)。文獻(xiàn)[20]對(duì)該起事故原因的認(rèn)定如圖3所示。

圖3 文獻(xiàn)[20]認(rèn)定事故原因Fig.3 Causes of accidents identified in References[20]

仍以該起事故為研究對(duì)象，文獻(xiàn)[21]提出綜采支架工作阻力過小，無法承擔(dān)直接頂全部載荷和基本頂給定載荷，破斷巖塊滑落失穩(wěn)，誘發(fā)泥石流潰出的觀點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 壓架切頂誘發(fā)泥石流Fig.4 Debris flow induced by top cutting of press frame

對(duì)比圖2，3，文獻(xiàn)[20]與事故調(diào)查組專家分析結(jié)果基本一致，可以歸納出5個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié):① 宜君組巖層相對(duì)堅(jiān)硬(單軸抗壓強(qiáng)度23.60～59.48 MPa)，直羅組巖層相對(duì)軟弱(單軸抗壓強(qiáng)度2.1～31.1 MPa)，在較堅(jiān)硬的宜君組下方形成離層空間;② 洛河組砂巖裂隙含水層富水性較好;③ 導(dǎo)水裂隙發(fā)育到上部洛河組，將洛河組裂隙水導(dǎo)入宜君組下方離層空間并積聚;④ 離層水體通過架前貫通性裂隙潰入采場(chǎng);⑤ 在導(dǎo)水通道上恰好遇到古河床(潰砂體)，形成水砂混合流潰出。

圖4所表達(dá)的基本觀點(diǎn)是:采動(dòng)裂隙波及到上部洛河組含水層，將洛河組砂巖裂隙水導(dǎo)入下方直羅組;直羅組軟弱巖層遇水崩解、泥化，形成泥石流體;高位上關(guān)鍵巖層破斷，破斷巖塊在回轉(zhuǎn)過程中向下產(chǎn)生動(dòng)載荷，傳遞至工作面和泥石流體;綜采支架工作阻力過小，在架前形成豎向貫通裂縫;泥石流體在沖擊下產(chǎn)生向下的動(dòng)能，沿著貫通裂縫潰入采場(chǎng)。

2.2 技術(shù)商榷

(1)根據(jù)《補(bǔ)勘報(bào)告》，宜君組地層在井田內(nèi)賦存并不穩(wěn)定，地層厚度0～24.36 m，平均厚度10.9 m，根據(jù)鉆孔資料繪制宜君組地層等厚線圖(圖5)。從圖5可以看出，在ZD6-1鉆孔和ZK11鉆孔附近宜君組地層缺失，而事故發(fā)生地點(diǎn)就位于ZD6-1鉆孔附近的地層缺失區(qū)內(nèi)，由此可見，宜君組礫巖下方出現(xiàn)離層空腔的判斷值得商榷。

圖5 宜君組地層等厚線Fig.5 Isopach map of Yijun Strata

(2)圖2，3中，導(dǎo)水裂隙已經(jīng)發(fā)育到上部洛河組，可以推斷離層空間的下方導(dǎo)水裂隙更加發(fā)育，則離層空間的封閉性遭受破壞，裂隙水無法在離層空間內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間積聚并達(dá)到一定的量，應(yīng)該是以“溫和”的形式涌入采場(chǎng)，是否具備攜帶泥砂的水動(dòng)力值得商榷。

(3)根據(jù)《補(bǔ)勘報(bào)告》，井田內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)古河床(圖2中“地質(zhì)松散體”或圖3中“潰砂體”)，以古河床(地質(zhì)松散體、潰砂體)來解釋砂源值得商榷。

(4)TC-1“兩帶”高度探測(cè)孔設(shè)計(jì)在201采空區(qū)上方(圖5)，201工作面于2015年1月回采結(jié)束，2018年4月在其上方探測(cè)“兩帶”發(fā)育高度是否可行值得商榷。

(5)根據(jù)《補(bǔ)勘報(bào)告》描述:TC-1孔進(jìn)入基巖后沖洗液大量消耗(孔內(nèi)仍有穩(wěn)定液面)，未取得“兩帶”高度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[20]“實(shí)測(cè)冒裂比為15.9，以此計(jì)算導(dǎo)水裂隙高度達(dá)到230 m”，以此推斷導(dǎo)水裂隙深入到高位上的洛河組地層，值得商榷。

(6)根據(jù)《補(bǔ)勘報(bào)告》:洛河組砂巖單位涌水量0.001 425～0.007 25 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.000 51～0.003 30 m/d;直羅組砂巖單位涌水量0.000 166 0～0.000 389 1 L/(s·m)，滲透系數(shù) 0.000 110 45～0.000 520 00 m/d;延安組砂巖單位涌水量為0.000 356 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.000 149 m/d。各含水層富水性均為極弱～弱，對(duì)洛河組砂巖裂隙水為突水水源的認(rèn)定值得商榷。

(7)文獻(xiàn)[21]認(rèn)為:支架工作阻力過小造成壓架切頂并形成架前貫通裂縫，但沒有給出支架實(shí)際工作阻力和適宜工作阻力，事故發(fā)生前已經(jīng)回采了1 153 m，并沒有出現(xiàn)過切頂壓架現(xiàn)象，對(duì)支架工作阻力過小和潰涌通道的認(rèn)定值得商榷。

(8)垮落帶內(nèi)巖層以破斷、垮落運(yùn)動(dòng)為主，彎曲下沉帶內(nèi)巖層則以整體彎曲下沉為主，圖4關(guān)鍵層破斷失穩(wěn)巖體卻出現(xiàn)在導(dǎo)水裂隙帶上方彎曲下沉帶內(nèi)，值得商榷。

基于以上原因，本文對(duì)水砂混合突涌機(jī)理進(jìn)一步研究。

3 事故原因再分析

根據(jù)抽水試驗(yàn)成果，4-2煤上部各含水層均為弱～極弱含水層，本身難以發(fā)生災(zāi)害性突水，而該起事故瞬時(shí)水量達(dá)到1 299 m3/h，總水量?jī)H3萬余m3，突水持續(xù)時(shí)間短，則符合離層水害特征。根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]，離層匯水作用將圍巖中的裂隙水轉(zhuǎn)化為“自由”水體，具備導(dǎo)水通道時(shí)，離層水瞬時(shí)潰入采場(chǎng)，短時(shí)水量大。下文對(duì)離層水害發(fā)生的基本條件進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 離層水害發(fā)生條件

繼劉天泉、李白英等提出采后覆巖“上三帶”理論后，高延法等[22]基于離層注漿減沉工程實(shí)踐提出“上四帶”理論，將彎曲下沉帶下部劃分出離層帶。筆者在多年工程實(shí)踐基礎(chǔ)上提出:煤層上覆基巖內(nèi)任何層段均可能產(chǎn)生離層裂隙，砂巖裂隙水長(zhǎng)時(shí)間向離層裂隙(達(dá)到一定規(guī)模稱為離層空間)內(nèi)滲透補(bǔ)給，在離層空間內(nèi)形成自由水體，當(dāng)具備導(dǎo)水通道時(shí)會(huì)引發(fā)短時(shí)高強(qiáng)度突水。離層水害發(fā)生需要同時(shí)具備5個(gè)基本條件:

(1)物理力學(xué)條件。地層的非均質(zhì)性(力學(xué)強(qiáng)度差異大)，決定著覆巖內(nèi)各巖層下沉運(yùn)動(dòng)是非協(xié)調(diào)性的，上硬下軟的巖層結(jié)構(gòu)容易在堅(jiān)硬的巖層下方產(chǎn)生離層。

(2)時(shí)間條件。離層空間內(nèi)積聚的水體來自于砂巖裂隙水，裂隙水向離層空間內(nèi)滲透補(bǔ)給需要經(jīng)歷一定時(shí)間才能達(dá)到一定的體量，含水層富水性越弱則需要的匯水時(shí)間越長(zhǎng)。

(3)水源(富水性)條件。離層空間所處的圍巖必須有一定的富水性，砂泥質(zhì)沉積建造的富水性具有各向異性、各層異性特點(diǎn)，相對(duì)富水區(qū)更容易形成離層水體，富水性越好所需要的匯水時(shí)間越短。

(4)導(dǎo)水通道條件。在沒有特殊構(gòu)造的情況下，導(dǎo)水裂隙是常見的導(dǎo)水通道，即導(dǎo)水裂隙必須波及到離層水體才會(huì)發(fā)生離層水害。

(5)空間條件。如圖6所示，離層1位于導(dǎo)水裂隙帶之上，缺少通道條件;離層3位于導(dǎo)水裂隙帶或垮落帶之內(nèi)，過早被導(dǎo)水裂隙刺穿，不具備匯水時(shí)間條件;離層2位于導(dǎo)水裂隙頂部附近，在導(dǎo)水裂隙刺穿以前匯水時(shí)間相對(duì)充足，且最終被導(dǎo)水裂隙刺穿。因此，只有位于導(dǎo)水裂隙帶頂部附近的離層空間才可以形成離層水害。

圖6 離層裂隙空間位置示意Fig.6 Sketch map of off-layer fracture space position

3.2 離層裂隙產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)

事故礦井有大量的巖石力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(表1)，總體上單軸抗壓強(qiáng)度較低，成巖性差，符合西北地區(qū)弱膠結(jié)軟巖地層共性特征。但單軸抗壓強(qiáng)度兩極值區(qū)間較大，極軟弱、軟弱、中硬、堅(jiān)硬等巖層交替沉積，相對(duì)堅(jiān)硬巖層是一定范圍內(nèi)的關(guān)鍵層，為離層裂隙的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。雖然事故地點(diǎn)堅(jiān)硬的宜君組地層缺失，現(xiàn)有的地層條件足以形成離層裂隙。

3.3 離層空間位置

由于地層沉積結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性，工程探測(cè)或數(shù)值模擬等方法獲得的導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度未必精準(zhǔn)，可以提供參考數(shù)據(jù)?！督ㄖ?、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》經(jīng)驗(yàn)公式雖然強(qiáng)調(diào)東部礦區(qū)厚煤層分層開采適用條件，本文可以借用經(jīng)驗(yàn)公式判斷引起本起事故的離層空間所處的空間范圍，從而確定研究富水性的地層范圍，并不強(qiáng)調(diào)導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)度。有研究結(jié)果表明[23]，在相同采高情況下，中東部地區(qū)導(dǎo)裂高度大于西部地區(qū)導(dǎo)裂高度?？梢姡疚慕栌媒?jīng)驗(yàn)公式判斷離層空間位置是可行的。

表1 巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Test data of rock uniaxial compressive strength MPa

該礦巖層條件從軟弱～堅(jiān)硬均有分布，選擇軟巖和堅(jiān)硬巖石適用公式分別估算導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度(M為分層采高)。

(1)

這里選擇+4 m。

(2)

這里選擇+8.9 m。

設(shè)計(jì)總采高7.0 m(割煤高度3.8 m，放頂煤高度3.2 m)，實(shí)際放煤高度可能略大于3.2 m，總采高按7.5 m計(jì)算，得導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度兩極值為30.54～77.1 m。

ZD6-1,X23鉆孔距離突水潰砂點(diǎn)最近，4-2煤上距洛河組距離分別為59.29，63.44 m，可見，導(dǎo)水裂隙并不必然發(fā)育到洛河組地層。

煤層頂板上方30.54 m層段內(nèi)采動(dòng)裂隙發(fā)育，不滿足離層匯水時(shí)間條件;煤層頂板上方77.10 m以上的地層中即使形成離層水體，因缺少導(dǎo)水通道條件而與本起事故無關(guān)。據(jù)此推斷引起本起事故的離層空間應(yīng)該位于煤層頂板上方30.54～77.10 m內(nèi)。

3.4 水源(富水性)條件

離層空間能否在有限的時(shí)間內(nèi)積聚一定水量，取決于圍巖的富水性，因此，以煤層頂板上方30.54～77.10 m層段(厚度46.56 m)作為富水性研究目標(biāo)層段，從而縮小了富水性研究范圍。延安組、直羅組、宜君組以及洛河組均為砂泥質(zhì)互層型沉積建造，富水性弱且相近，根據(jù)文獻(xiàn)[24]評(píng)價(jià)類型劃分標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)屬于B型:視為同一套地層去評(píng)價(jià)，不再按地層名稱劃分。

本文沒有巖芯采取率、孔隙(裂隙)率等地質(zhì)參數(shù);各含水層分別有0～2個(gè)鉆孔做過抽水試驗(yàn)，單位涌水量和滲透系數(shù)數(shù)據(jù)太少，且抽水試驗(yàn)層段與目標(biāo)層段(30.54～77.10 m)空間上不對(duì)應(yīng)，不足以刻畫目標(biāo)層的富水性規(guī)律。通過鉆孔資料，目標(biāo)層段內(nèi)砂巖層厚度可知，脆塑性比值可計(jì)算得到;根據(jù)構(gòu)造綱要圖可計(jì)算得到構(gòu)造分維值，故選擇砂巖層厚度、脆塑性比值、構(gòu)造分維值3種參數(shù)評(píng)價(jià)目標(biāo)層段的富水性。

3.4.1富水性指數(shù)專題圖

文獻(xiàn)[24-25]提供的富水性指數(shù)計(jì)算公式包含了砂巖厚度和脆塑性比值2種地學(xué)信息，其基本公式為

(3)

式中,Fi為富水性指數(shù);Mc為目標(biāo)層段內(nèi)脆性巖層累加厚度，m;Hy為研究層段厚度，本例為46.56 m(30.54～77.10 m)。

根據(jù)鉆孔柱狀圖地層信息，統(tǒng)計(jì)、計(jì)算得到4-2煤頂板上30.54～77.10 m層段內(nèi)富水性指數(shù)列表，導(dǎo)入Surfer繪圖軟件得到富水性指數(shù)等值線圖(圖7)。從圖7可以看出井田西翼局部區(qū)域富水性好。

3.4.2構(gòu)造分維專題圖

依據(jù)構(gòu)造分形理論，構(gòu)造分維值作為評(píng)價(jià)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度的指標(biāo)具有明顯的優(yōu)越性，構(gòu)造在一定程度上控制著富水性。事故礦井構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷層不發(fā)育，一條軸向近東西的向斜貫穿整個(gè)井田，是井田主體構(gòu)造，生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)向斜軸部附近高角度張裂隙發(fā)育，淋水點(diǎn)較多，工作面涌水量較大，因此，該向斜在很大程度上控制著井田富水特征。

筆者采用相似維來描述構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度。設(shè)F(r)為Rn上任意非空有界子集，N(r)為覆蓋F(r)所需的分形基元B的相似集rB的最小個(gè)數(shù)集合，如果r→0時(shí)，N(r)→∞，則定義集合F(r)的相似維Ds為

圖7 富水性指數(shù)等值線Fig.7 Equivalent chart of water rich index

(4)

在構(gòu)造綱要圖上將井田按邊長(zhǎng)400 m劃分為若干個(gè)正方形塊段，每個(gè)塊段的中心點(diǎn)為數(shù)據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)。將每個(gè)方塊以邊長(zhǎng)200，100，50 m進(jìn)行再分割，記錄有構(gòu)造跡線穿過的網(wǎng)格的數(shù)目N(r)，得到r0=200，r0=100,r0=50 m時(shí)N(r)，投放到lgN(r)-lgr坐標(biāo)系中，所得擬合直線的斜率的絕對(duì)值即為該塊段的相似維Ds。通過上述過程得到相似維Ds數(shù)據(jù)列表，據(jù)此繪制構(gòu)造分形專題圖(圖8)。

3.4.3歸一化處理

圖8 構(gòu)造綱要及構(gòu)造分維等值線Fig.8 Outline of structure and the contour map of fractal dimension value

為了將量級(jí)和量綱不相同的2種數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)合疊加，需要進(jìn)行歸一化處理，使數(shù)據(jù)限定在0～1。歸一化公式為

(5)

式中，Ai為歸一化處理后的數(shù)據(jù);a,b為歸一化區(qū)間的兩極值，a為下限，取0;b為上限，取1;Xi為歸一化前的原始數(shù)據(jù);minxi為最小值;maxxi為最大值。

上述2種專題圖繪制前已經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

3.4.4數(shù)據(jù)疊加

富水性指數(shù)共有25個(gè)數(shù)據(jù)(25個(gè)鉆孔資料);構(gòu)造分維共有162個(gè)數(shù)據(jù)(162個(gè)正方形塊段)，兩種數(shù)據(jù)的坐標(biāo)點(diǎn)沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系、數(shù)據(jù)量不等，通常采用ArcGIS繪圖軟件進(jìn)行矢量疊加[26]，本文采用以下步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加:

(1)將前文162個(gè)塊段中心點(diǎn)坐標(biāo)投繪到富水性指數(shù)專題圖上，根據(jù)富水性指數(shù)等值線讀取各中心點(diǎn)上富水性指數(shù)，記入構(gòu)造分維值列表，則富水性指數(shù)由原來25個(gè)數(shù)據(jù)變成162個(gè)數(shù)據(jù)。

(2)本例僅有2種數(shù)據(jù)，層序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無須采用AHP層次分析法或其他方法確定各項(xiàng)數(shù)據(jù)的權(quán)重值，權(quán)重值均設(shè)為0.5。

(3)同一坐標(biāo)點(diǎn)上構(gòu)造分維值與富水性指數(shù)分別乘以權(quán)重值0.5后再相加，得到富水性綜合評(píng)價(jià)指數(shù)列表。

(4)將最終得到的數(shù)據(jù)列表導(dǎo)入Surfer繪圖軟件，得到富水性綜合指數(shù)等值線圖，與采掘工程平面圖疊合后得到圖9。從圖9可以看出，井田西部、東部富水性較強(qiáng)，中部富水性較弱，所以二采區(qū)的201工作面涌水量較大，202工作面突水潰砂;一采區(qū)的118,119等工作面涌水量較大，均與富水性評(píng)價(jià)結(jié)果吻合。突水潰砂點(diǎn)恰好位于二采區(qū)的相對(duì)富水區(qū)(綜合評(píng)價(jià)指數(shù)0.6～1.0)，為離層水害的發(fā)生提供了水源(富水性)條件。

圖9 富水性綜合指數(shù)等值線Fig.9 Isogram of water-rich comprehensive index

3.5 泥砂來源

淺埋煤層薄基巖下采煤突水潰砂的泥砂一般來源于上部松散含水砂層，深埋煤層厚覆基巖下突水潰砂容易使人聯(lián)想到古河床，事實(shí)上弱膠結(jié)巖石在水中也可變成流態(tài)泥砂。

從事故礦井采集16組砂巖(直羅組、延安組)做崩解試驗(yàn)，其中8組遇水即崩解，7組6 h后完全崩解，1組飽和吸水后單軸抗壓強(qiáng)度仍高達(dá)36 MPa。如圖10(a)所示，采集一塊中粒砂巖，準(zhǔn)備一杯清水，做試驗(yàn)前準(zhǔn)備;如圖10(b)所示，將砂巖放置于清水中;如圖10(c)所示，入水48 s后完全崩解成散砂;圖10(d):倒于另一廣口瓶?jī)?nèi)。實(shí)驗(yàn)證明，侏羅紀(jì)弱膠結(jié)砂巖遇水有極強(qiáng)的崩解性，在水動(dòng)力下具有顯著的流砂屬性，可以形成水砂混合流體。

圖10 弱膠結(jié)砂巖崩解性實(shí)驗(yàn)Fig.10 Disintegrating experiment of weak cemented sandstone

事故礦井歷次勘探均沒有發(fā)現(xiàn)古河床或地質(zhì)松散體，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)論:突水潰砂的泥砂來源于弱膠結(jié)砂巖含水層而非類似于古河床的潰砂體(或稱地質(zhì)異常體)。

3.6 偶發(fā)性特點(diǎn)

覆巖內(nèi)任何層段上均可能產(chǎn)生離層裂隙，但只有位于導(dǎo)水裂隙頂端附近的離層裂隙(離層空間)才可以發(fā)生離層水害。我們不可能對(duì)任意空間上的巖石做物理力學(xué)測(cè)試，因此，精準(zhǔn)判斷離層位置是不現(xiàn)實(shí)的。

由于地層厚度的變化、導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的差異性以及富水特征的各向異性，離層水害的5個(gè)條件同時(shí)滿足的機(jī)率較小，決定了此類事故發(fā)生具有一定的偶然性。如，本例中ZD6-1,X23鉆孔相距僅60 m，地層厚度變化卻很大(表2);相鄰的201工作面以及一采區(qū)117,118,119,120等工作面均位于相對(duì)富水區(qū)內(nèi)，只是表現(xiàn)為采空區(qū)涌水量偏大，但沒有突水潰砂，正是此類事故偶發(fā)性的體現(xiàn)。

表2 地層厚度統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical table of strata thickness m

4 防治措施

此類地質(zhì)災(zāi)害需要同時(shí)具備物理力學(xué)條件、匯水時(shí)間條件、水源條件、導(dǎo)水通道條件、離層空間條件等，巖層的物理力學(xué)條件不容改變，其他條件者是可以人為控制的，只要改變其中一個(gè)或多個(gè)條件則可以避免事故的發(fā)生。實(shí)踐中常采取以下2種措施:

(1)疏干開采。工作面回采以前，在工作面2條巷道內(nèi)每隔100 m施工1組疏放水鉆孔，鉆孔平面夾角15°～30°，360°全方位覆蓋;每一方位角上施工2個(gè)鉆孔，一個(gè)大角度另一個(gè)小角度，空間上構(gòu)成雙層結(jié)構(gòu);疏放水高度以導(dǎo)水裂隙帶+4倍采高為限，鉆孔深度由鉆孔仰角、疏放水高度以及工作面寬度共同確定。通過預(yù)先疏放改變地層富水性條件。

(2)預(yù)置導(dǎo)流管。在工作面下平巷內(nèi)，每隔100 m預(yù)埋1根鋼質(zhì)導(dǎo)水濾管，導(dǎo)水管與巷道平面夾角30°～45°，終孔于導(dǎo)水裂隙帶頂部附近，一旦形成離層空間并蓄水，可以通過導(dǎo)流管及時(shí)泄出，無法形成離層水體，從而無法提供攜帶泥砂的水動(dòng)力。

內(nèi)蒙古上海廟礦區(qū)在開發(fā)初期也曾發(fā)生過類似地質(zhì)災(zāi)害，采取上述2項(xiàng)措施后，多年來再未發(fā)生類似的事故(參見文獻(xiàn)[16-17])。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)弱含水層短時(shí)高強(qiáng)度突水特征，判斷為一起離層次生水害事故;對(duì)巖石物理力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，4-2煤上覆巖層為軟、硬巖層交互型沉積結(jié)構(gòu)，具備產(chǎn)生離層裂隙(空間)的物質(zhì)條件;借助“兩帶”高度經(jīng)驗(yàn)公式，確定了引起本起事故的離層空間位于4-2煤上方30.54～77.10 m層段內(nèi)。

(2)選用砂巖層厚度、脆塑性比值、構(gòu)造分維值3種地學(xué)參數(shù)，研究了4-2煤頂板30.54～77.10 m層段內(nèi)地層的富水性規(guī)律，突水潰砂點(diǎn)位于相對(duì)富水區(qū)內(nèi)，為離層水體的形成提供了水源(富水性)條件。

(3)通過砂巖浸水崩解性試驗(yàn)，證明延安組、直羅組砂巖遇水極易崩解，在水動(dòng)力作用下具有流砂屬性，可以形成水-砂混合流。

(4)此類事故具有偶發(fā)性特點(diǎn)，根據(jù)離層水害發(fā)生的5個(gè)基本條件，制定了疏干開采或預(yù)置導(dǎo)流管等防治技術(shù)措施。