基于“雙行裂隙”模型的兩淮礦區(qū)高承壓厚松散層突水機(jī)理

劉啟蒙，劉 瑜，謝志鋼，白漢營(yíng)，付 翔，繆長(zhǎng)軍

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.礦井水害綜合防治工程研究中心，安徽淮南 232001；3.深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；4.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541006；5.皖北煤電集團(tuán)祁東煤礦，安徽 宿州 234000；6.淮南礦業(yè)集團(tuán)張集煤礦，安徽 淮南 232171)

我國(guó)華北型煤田多為隱伏型，含煤地層頂部普遍發(fā)育10～40 m的風(fēng)化殼，其上不整合覆蓋130～500 m的新生界松散層，底部發(fā)育砂礫含水層，且具有埋藏深、厚度大、水壓高的特點(diǎn)。淺部煤層開采時(shí)，通常留設(shè)80 m及以上垂高的安全煤(巖)柱，總滯壓煤量高達(dá)100億t以上。為解放煤柱資源，許多礦區(qū)開展了提高回采上限研究和試驗(yàn)開采工作，期間發(fā)生多起近高承壓松散層開采突水災(zāi)害事故，如淮南潘一、潘二、潘三和張集礦，淮北朱仙莊礦，皖北祁東、百善礦及晉城成莊礦，不但嚴(yán)重影響礦井安全高效生產(chǎn)，而且造成了重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于近松散層開采水害防治，主要圍繞煤層開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律[2-7]研究，最具代表性的是“上三帶”理論[8]，并列入《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(簡(jiǎn)稱《“三下”規(guī)范》)。許家林等[9]發(fā)現(xiàn)厚松散承壓含水層下采煤時(shí)，載荷傳遞作用與關(guān)鍵層復(fù)合破斷會(huì)使導(dǎo)水裂隙帶異常增大；侯忠杰[10]分析了近松散層煤層頂板組合巖柱的滑落失穩(wěn)過程，驗(yàn)證了關(guān)鍵層對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響；康永華等[11]采用實(shí)測(cè)資料分析了高水壓含水層對(duì)原生縱向裂隙發(fā)育條件下導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育特征；汪鋒等[12]提出松散層拱結(jié)構(gòu)模型，揭示松散層拱對(duì)載荷傳遞、巖層運(yùn)動(dòng)及地表沉陷、覆巖破斷失穩(wěn)的影響機(jī)理；郭文兵等[13]分析了厚松散層下充填開采覆巖導(dǎo)水裂隙高度變化規(guī)律。以上高承壓松散層下煤層開采覆巖破壞動(dòng)態(tài)過程、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度等方面的成果，對(duì)象主要是“上行裂隙”(由下往上發(fā)育)。白漢營(yíng)等[14-15]、楊本水等[16]提出在煤層開采前，承壓含水層水體在高水頭壓力作用下向含煤地層層面產(chǎn)生“下滲帶”；黃慶享等[17]通過對(duì)隔水層土樣實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隔水層土體的膨脹性將產(chǎn)生裂隙閉合現(xiàn)象，可減緩“下行裂隙”(由上往下擴(kuò)展)發(fā)展，并給出“下行裂隙”閉合判據(jù)；宋馬可[18]通過祁東煤礦近松散層煤層開采研究進(jìn)一步驗(yàn)證“下滲帶”在工程上的應(yīng)用。

綜上所示，目前針對(duì)近松散層開采水害的研究成果，多是單獨(dú)考慮上行或下行裂隙，綜合考慮“雙行裂隙”進(jìn)行松散層下煤層開采突水機(jī)理的研究成果較少。筆者以兩淮礦區(qū)為例，分析高承壓厚松散層強(qiáng)含水層水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件，研究高承壓水下“下行裂隙”和“上行裂隙”發(fā)育特征，建立“雙行裂隙”模型，揭示高承壓厚松散層下煤層開采突水機(jī)理，為近松散層煤層開采安全煤(巖)柱的合理留設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 兩淮礦區(qū)水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件

1.1 兩淮地區(qū)地質(zhì)條件概況

兩淮煤田位于我國(guó)東部黃淮沖積平原，新生界松散沖(坡)積物十分發(fā)育，厚度100～800 m，石炭–二疊紀(jì)煤系隱伏于新生界松散層下，含煤地層露頭直接與新生界底部接觸(圖1)。

圖1 兩淮煤田松散層賦存結(jié)構(gòu)特征Fig.1 Structural characteristics of alluvium in Huainan and Huaibei Coalfield

兩淮煤田二疊系含煤地層頂部不整合接觸于新生界松散層。含煤地層頂部遭受風(fēng)化，由于巖體風(fēng)化程度受出露地層巖性及當(dāng)時(shí)的地質(zhì)環(huán)境影響，風(fēng)化帶深度也有所不同。以淮北祁東煤礦為例，鉆孔所測(cè)得的基巖風(fēng)化帶底板埋深在215～340 m，厚度約20 m。

松散層底部與基巖接觸區(qū)所分布的風(fēng)化基巖帶對(duì)含煤地層水文地質(zhì)特征具有控制作用。風(fēng)化帶若是以泥巖、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖所構(gòu)成，其風(fēng)化特征為高嶺土狀，具有低滲透和高塑性，能抑制裂隙發(fā)育，增強(qiáng)隔水層的隔水能力。反之，當(dāng)風(fēng)化帶以砂質(zhì)巖層為主時(shí)，砂巖風(fēng)化后孔隙性增強(qiáng)，具有儲(chǔ)水和透水能力，會(huì)局部增強(qiáng)松散層第四含水層(簡(jiǎn)稱四含)的富水性。

1.2 祁東煤礦概況

祁東煤礦位于淮北煤田宿縣礦區(qū)，自2001 年以來，先后在3222、7114 等8 個(gè)工作面發(fā)生17 次高承壓松散層突水災(zāi)害(圖2、表1)，且突水位置的煤(巖)柱高度均大于根據(jù)《“三下”規(guī)范》計(jì)算的防水安全煤(巖)柱高度(表1)。如3222 工作面發(fā)生新生界松散層特大突水淹井事故，最大涌水量達(dá)1 670 m3/h。經(jīng)調(diào)查，3222 工作面上覆新生界松散層厚度為400 m，突水位置的煤(巖)柱高度為66 m，《“三下”規(guī)范》理論計(jì)算工作面安全煤(巖)柱高度為60.6 m，突水時(shí)松散含水層水壓為3.7 MPa，且為強(qiáng)富水性，屬于典型的高承壓厚松散層突水事故。突水原因：一是3222 工作面上方基巖風(fēng)化帶內(nèi)發(fā)育有原生裂隙(本文所指“下行裂隙”)，在高承壓水作用下使其與四含溝通形成統(tǒng)一含水體；二是3222 工作面的采動(dòng)導(dǎo)水裂隙(本文為“上行裂隙”)溝通了含水體。在按照《“三下”規(guī)范》要求，只考慮導(dǎo)水裂隙帶(“上行裂隙”)，留設(shè)安全煤巖柱情況下，礦井發(fā)生了突水。因此，在近高承壓厚松散層煤層開采，為防止松散層突水留設(shè)安全煤(巖)柱時(shí)，除應(yīng)考慮導(dǎo)水裂隙帶(“上行裂隙”)外，還須考慮基巖風(fēng)化帶內(nèi)原生裂隙(本文為“下行裂隙”)。

圖2 祁東煤礦歷次突水位置及四含厚度Fig.2 Locations of previous water inrush accidents and thickness of the fourth aquifer in Qidong Coal Mine

表1 祁東煤礦歷次突水情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of water inrush accidents in Qidong Coal Mine

據(jù)統(tǒng)計(jì)分析(表2)，兩淮礦區(qū)與國(guó)內(nèi)其他礦區(qū)相比，松散層具有厚度較大、底部含水層水壓較高的特點(diǎn)，這是兩淮礦區(qū)松散層突水事故頻發(fā)的地質(zhì)、水文地質(zhì)基礎(chǔ)。

表2 松散層厚度及底含水壓值對(duì)比Table 2 The thickness of alluvium and water pressure of the bottom aquifer

2 高承壓水作用下“上行裂隙”發(fā)育特征

以祁東煤礦為例，對(duì)高水壓作用下“上行裂隙”，即采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行深入分析。

2.1 煤層覆巖結(jié)構(gòu)特征

祁東煤礦近松散層基巖以泥巖和砂巖交互沉積為主，巖性差異較大，覆巖多為硅質(zhì)膠結(jié)，煤層頂板屬中硬類型。由于受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，頂板巖體中發(fā)育有高角度縱向裂隙，整體隔水性能較差。松散層厚度189.25～453.00 m。四含底部與基巖面直接接觸，且四含富水性強(qiáng)，最高水壓達(dá)3.9 MPa。

2.2 “上行裂隙”發(fā)育模擬研究

選取祁東煤礦7131 工作面進(jìn)行數(shù)值模擬分析。圖3 為工作面剖面及巖性柱狀，含煤地層傾角為15°，工作面布置在–410～–450 m 水平。模型尺寸為550 m×250 m×200 m，煤厚為3 m，模型如圖4 所示。

圖3 7131 工作面剖面圖及巖性柱狀圖Fig.3 Profile and lithology histogram of working face 7131

圖4 FLAC3D 數(shù)值模擬模型Fig.4 Numerical simulation model of FLAC3D

設(shè)計(jì)6 組不同水壓的數(shù)值模型，分別為：0、1、2、3、4、5 MPa，模擬高承壓水作用下7131 工作面“上行裂隙”發(fā)育高度(圖5、表3)。

表3 不同水壓條件下7131 工作面導(dǎo)水裂隙帶高度Table 3 Height of water conducting fractured zone in working face 7131 under different water pressures

模擬結(jié)果顯示：隨著水壓的增大，覆巖破壞的范圍增大，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度也增大。

圖6 為根據(jù)模擬結(jié)果獲得的裂采比與四含水壓關(guān)系曲線，由圖6 可知，模型中四含水壓與裂采比呈線性關(guān)系，其擬合公式為：

圖6 裂采比與四含水壓關(guān)系曲線Fig.6 Relation of the ratio of the height of water conducting fractured zone to mining height and water pressure of the fourth aquifer

式中：y為裂采比；x為四含水壓。

7131 工作面實(shí)際水壓為3.6 MPa，代入式(1)算得的裂采比為17.62，大于《“三下”規(guī)范》計(jì)算的最大裂采比13.79，表明在水壓作用下，覆巖“上行裂隙”發(fā)育高度增大。因此，根據(jù)“上行裂隙”高度計(jì)算安全煤(巖)柱高度時(shí)，要針對(duì)不同含水層水壓進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)增加安全閾值。

3 高承壓水作用下“下行裂隙”發(fā)育特征

當(dāng)埋藏較深且富含水的四含直接接觸于含煤地層時(shí)，高承壓水會(huì)對(duì)基巖風(fēng)化帶的原生裂隙產(chǎn)生擴(kuò)孔效應(yīng)，形成原生裂隙擴(kuò)展?jié)B透帶，致使煤層頂板有效隔水層厚度減小。因此，本文的“下行裂隙”包括基巖風(fēng)化帶中的原生裂隙和高承壓水作用下原生裂隙擴(kuò)展?jié)B透帶。

3.1 基巖風(fēng)化帶原生裂隙擴(kuò)展?jié)B透性試驗(yàn)

通過地面鉆孔取得基巖風(fēng)化帶原位樣品，在實(shí)驗(yàn)室模擬工作面條件(圍壓7 MPa，水壓分別為1、2、3、4、5 MPa)，進(jìn)行不同巖性風(fēng)化基巖在高壓水滲流條件下裂隙滲透性變化規(guī)律研究。測(cè)試結(jié)果顯示：隨著水壓的增大(1 MPa 增大到5 MPa)，風(fēng)化細(xì)砂巖試件的滲透系數(shù)增加幅度最大，從2.88×10–5cm/s增至4.33×10–4cm/s，增大約14 倍；風(fēng)化粉砂巖的滲透系數(shù)從1.721×10–5cm/s 增至2.081×10–4cm/s，增大約11 倍；風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的滲透系數(shù)從1.091×10–5cm/s 增加至8.807×10–4cm/s，增大約7 倍，如圖7 所示。測(cè)試結(jié)果說明：在承壓水作用下，原生裂隙會(huì)發(fā)生不同程度的擴(kuò)展。

圖7 高承壓水作用下風(fēng)化巖石滲透性測(cè)試結(jié)果Fig.7 Permeability test results of weathered rock under high water pressure

3.2 基巖風(fēng)化帶原生裂隙發(fā)育及擴(kuò)展規(guī)律探測(cè)

3.2.1 原生裂隙發(fā)育深度探查

風(fēng)化帶原生裂隙深度可通過鉆孔編錄和鉆探取心確定。收集祁東煤礦7131 工作面“三帶”中的巖石樣品，進(jìn)行面裂隙率和線裂隙率的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，4 個(gè)鉆孔風(fēng)化帶原生裂隙深度分別為9.06、11.40、11.61、8.90 m，平均10.24 m，以砂巖、泥巖為主。四含直接與風(fēng)化帶接觸，有直接水力聯(lián)系，在松散層高承壓水頭作用下，四含水下滲到基巖風(fēng)化帶原生裂隙中，造成原生裂隙中含水；根據(jù)祁東煤礦三采區(qū)采前2 號(hào)孔四含底與基巖風(fēng)化帶交界處的三側(cè)向電阻率測(cè)井曲線(圖8)，基巖風(fēng)化帶與四含分界處高程為–354.00 m；–354.00～–367.75 m的基巖風(fēng)化帶與四含段曲線特征沒有變化，視電阻率場(chǎng)位低；在–367.75 m 以下，視電阻率值變大，說明–354.00～–367.75 m 段與四含的含水特性相似，為基巖風(fēng)化帶裂隙含水提供佐證。

圖8 視電阻率測(cè)井曲線Fig.8 Apparent resistivity log

3.2.2 原生裂隙擴(kuò)展的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試在淮南礦業(yè)集團(tuán)張集礦11418(W)工作面開展，利用壓水試驗(yàn)探測(cè)原生裂隙在高承壓水作用下擴(kuò)展?jié)B透帶下限。

測(cè)試原理：根據(jù)每個(gè)壓水鉆孔壓水段(終孔位置)坐標(biāo)及每級(jí)水壓p下距離壓水鉆孔第一個(gè)未出水錨索的位置坐標(biāo)，算得原生裂隙在高承壓水作用下擴(kuò)展?jié)B透距離L，進(jìn)而對(duì)所得到的3 個(gè)不同地點(diǎn)L、p數(shù)據(jù)進(jìn)行L–p關(guān)系回歸分析，得到擴(kuò)展?jié)B透距離L與水壓p的定量關(guān)系式。

由于本次測(cè)試沒有將基巖風(fēng)化帶厚度獨(dú)立分析，計(jì)算出的擴(kuò)展?jié)B透距離L包括基巖風(fēng)化帶厚度。因此，L為原生裂隙和高承壓水作用下原生裂隙擴(kuò)展?jié)B透帶深度之和，為“下行裂隙”深度。

測(cè)試過程：取水壓1、2、3、4 MPa 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)，在每級(jí)水壓p下穩(wěn)定20 min，記錄p和壓水孔穩(wěn)定壓水量Q。在此期間，按照距離壓水鉆孔由近及遠(yuǎn)的方式觀測(cè)壓水鉆孔附近兩側(cè)鉆孔出水情況，記錄第一個(gè)未出水錨索孔距壓水孔口的距離。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

在2 MPa 水壓下L為6.5～7.5 m，平均7 m；在3 MPa 水壓下L為9.8～10.5 m，平均10.1 m。通過收集、分析出水相關(guān)工作面的實(shí)際資料可形成原生裂隙擴(kuò)展距離與壓水鉆孔水壓值的關(guān)系，如下式所示：

式中：α為“下行裂隙”發(fā)育系數(shù)，m/MPa。

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入式(2)，利用最小二乘法可求出系數(shù)α為3.41 m/MPa，由此，可得式(2)的形式如下：

從上述試驗(yàn)過程可以看出：在砂質(zhì)泥巖中，“下行裂隙”發(fā)育深度與水壓值大致成線性正比關(guān)系遞增。

3.3 基巖風(fēng)化帶原生裂隙擴(kuò)展理論研究

原生裂隙擴(kuò)展?jié)B透帶受承壓含水層地質(zhì)條件和基巖風(fēng)化帶兩方面因素影響，四含水壓對(duì)巖體的原生裂隙面產(chǎn)生劈裂破壞作用，其水壓大小直接影響原生裂隙擴(kuò)展?jié)B透帶的作用深度；而風(fēng)化帶的地質(zhì)條件(包括原生裂隙的產(chǎn)狀角度及原巖性質(zhì))、力學(xué)特性都對(duì)“下行裂隙”的含導(dǎo)水能力有著重要的影響。原生裂隙擴(kuò)展?jié)B透帶的下限即為“下行裂隙”的下限，因此，獲得原生裂隙擴(kuò)展?jié)B透帶的下限即可獲得“下行裂隙”下限。

在原巖裂隙中，水頭壓力會(huì)沿裂隙面展開，考慮在一個(gè)穩(wěn)定而封閉的系統(tǒng)內(nèi)部，水壓不釋放，水體不流出，即滲壓不滲流，當(dāng)?shù)貞?yīng)力與水壓應(yīng)力平衡時(shí)，可建立一個(gè)原生裂隙擴(kuò)展?jié)B透帶力學(xué)模型，取一微小單元體進(jìn)行受力情況分析(圖9)。

圖9 原生裂隙擴(kuò)展?jié)B透帶受力分析Fig.9 Force analysis of primary fracture expansion zone

假設(shè)單元體內(nèi)部存在裂隙面，裂隙腔體內(nèi)部所受的各項(xiàng)應(yīng)力相等，當(dāng)微小單元體受力平衡時(shí)，根據(jù)彈性力學(xué)原理，則σ可以寫作[19]：

微小單元體層面裂隙內(nèi)部的水壓力為：

式中：H為微小單元體的埋深；h為承壓水位埋深；γw為水的容重。

根據(jù)水力劈裂準(zhǔn)則：

式中：σT為巖體層面的拉應(yīng)力。

當(dāng)σT>0 時(shí)，微小單元體中的層面裂隙發(fā)生拉張變形，形成巖石水力劈裂通道。

將式(4)、式(5)代入式(6)，則松散承壓水原生裂隙擴(kuò)展?jié)B透帶發(fā)育深度hs為：

參考白漢營(yíng)[19]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)淮南潘謝礦區(qū)而言，σ1、σ3表示為：

式中：σv為垂向應(yīng)力；σh為水平應(yīng)力；H為埋深。

將式(7)、式(8)代入式(6)，γw=0.01 MN/m3；結(jié)合現(xiàn)有實(shí)測(cè)資料h≈10 m，σT=0.4 MPa，可將松散承壓水原生裂隙擴(kuò)展?jié)B透帶發(fā)育深度Had表示為：

式中：Had為原生裂隙擴(kuò)展?jié)B透帶發(fā)育深度；Hs為松散層厚度。

統(tǒng)計(jì)淮南煤田潘一礦1402(3)和潘三礦1711(3)等下含 (淮北煤田稱為四含)突水工作面的調(diào)查資料，并采用式(10)計(jì)算這些工作面的原生裂隙擴(kuò)展?jié)B透帶深度，見表5。

表5 突水工作面條件對(duì)比分析Table 5 Comparison of water inrush working face conditions

其中，淮南煤田潘一礦1402(3)工作面原生裂隙擴(kuò)展?jié)B透帶(“下行裂隙”下限)深度為25.04 m，原設(shè)計(jì)防水煤柱高度為64.64 m，實(shí)際防水煤柱高度為39.00 m。通過物探手段探測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度為45.1 m，超出實(shí)際防水煤柱高度6.1 m，說明含水的“下行裂隙”與導(dǎo)水裂隙帶(“上行裂隙”)已經(jīng)溝通。

另外，選取淮北煤田祁東煤礦7114 工作面數(shù)據(jù)來驗(yàn)證公式的準(zhǔn)確性。7114 工作面的基巖風(fēng)化帶厚度約為9.2 m；根據(jù)鉆孔電視觀測(cè)，基巖風(fēng)化帶裂隙為高角度縱向分布，β取30°；松散層水壓pw為2.7 MPa，松散層的平均厚度Hs為358.89 m，則原巖裂隙擴(kuò)展深度根據(jù)式(7)計(jì)算為5.76 m。加上探測(cè)所得到的基巖風(fēng)化帶厚度9.2 m，則計(jì)算的7114 工作面頂板基巖的“下行裂隙”深度為14.96 m，鉆孔電視觀測(cè)結(jié)果為13.75，兩者基本一致。由此說明，“下行裂隙”下限計(jì)算公式在礦井防治水工程中具有較好的指導(dǎo)作用。

4 近高承壓厚松散層“雙行裂隙”突水機(jī)理

4.1 突水機(jī)理

兩淮礦區(qū)松散層厚度大，底部含水層富水性強(qiáng)，且水壓大，向含煤地層滲流，在此過程中會(huì)出現(xiàn)滲壓不滲流的現(xiàn)象，深埋砂土砂巖界面下伏煤系砂巖層內(nèi)賦存有原生裂隙，以巖層層面和高角度裂隙為主，底部含水層水體在高水壓作用下，沿原生裂隙在下滲作用機(jī)制基礎(chǔ)上下滲至一定深度。由于“下行裂隙”的存在，底部含水層水體與煤系砂巖水產(chǎn)生一定的水力聯(lián)系，在煤層開采后，系統(tǒng)封閉性被破壞，頂板導(dǎo)水裂隙帶(“上行裂隙”)會(huì)直接或間接溝通水體。

在兩淮礦區(qū)松散層厚度大、底部含水層富水性強(qiáng)、水壓高且直接覆蓋在煤系之上的條件下，高承壓水體不僅導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶(“上行裂隙”)高度異常增大，且高壓水勢(shì)還會(huì)對(duì)基巖風(fēng)化裂隙產(chǎn)生劈裂作用，產(chǎn)生“下行裂隙”，從而減小隔水層有效厚度。煤礦開采過程中，導(dǎo)水裂隙帶(“上行裂隙”)在沒有波及“下行裂隙”的情況下，煤層頂板仍具有阻隔水性能，工作面不會(huì)發(fā)生大規(guī)模突水事故(圖10a)；若導(dǎo)水裂隙帶(“上行裂隙”)與“下行裂隙”溝通，含水層水就會(huì)沿著裂隙通道涌入回采工作面(圖10b)。

圖10 “雙行裂隙”突水機(jī)理Fig.10 Schematic diagram of the water inrush mechanism of bidirectional fractures

4.2 實(shí)例分析

以祁東煤礦7114 工作面實(shí)采數(shù)據(jù)為例，依照《“三下”規(guī)范》中的防治水要求，計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度與防水煤(巖)柱厚度之和為62.6 m，工作面最小基巖厚度70.7 m，符合規(guī)范的安全回采要求；但在實(shí)際采掘過程中發(fā)生四含水的周期性涌入，說明留設(shè)的煤巖柱未能阻隔松散層水。

在四含高水壓作用下，7114 工作面回采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶(“上行裂隙”)高度異常增大。由原生裂隙擴(kuò)展?jié)B透帶發(fā)育深度理論公式計(jì)算可知：7114 工作面“下行裂隙”下限深度為14.96 m，按照《“三下”規(guī)范》需留設(shè)77.56 m 防水煤柱，大于最小基巖厚度。煤層開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶(“上行裂隙”)高度最大可達(dá)60 m 以上。此時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度已波及到下滲帶內(nèi)的砂巖層，意味著溝通了四含水體，在這種情況下，煤系上覆四含水體便通過“雙行裂隙”流向工作面。水體在裂隙中流動(dòng)時(shí)起沖刷擴(kuò)大裂隙、搬運(yùn)裂隙中充填物或破碎物的作用，形成一定動(dòng)水壓力，致使工作面發(fā)生涌突水事故。

綜上，在兩淮礦區(qū)松散層厚度大、底部含水層富水性強(qiáng)、水壓高且直接覆蓋在煤系之上的條件下，不充分考慮“雙行裂隙”的前提所留設(shè)的安全煤(巖)柱往往不能起到有效防隔水的目的。

5 結(jié)論

a.兩淮礦區(qū)松散層突水事故頻發(fā)，其突水具有以下規(guī)律：突水工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度異常增大；安全煤(巖)柱的留設(shè)不能滿足安全回采要求。

b.祁東煤礦7131 工作面數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在四含水壓增大過程中，工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶高度隨之增大，即“上行裂隙”隨著四含水壓上升而增大。

c.利用風(fēng)化基巖進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)和鉆探研究發(fā)現(xiàn)，原生裂隙在水壓作用下滲透性增強(qiáng)，具有富水特性。根據(jù)原生裂隙擴(kuò)展受力分析，推導(dǎo)出基巖風(fēng)化帶原生裂隙在水壓作用下裂隙擴(kuò)展深度(“下行裂隙”下限)公式，進(jìn)一步證明水巖作用會(huì)弱化煤層頂板阻隔水性能。

d.以祁東煤礦7114 工作面為例，高水壓不僅導(dǎo)致“上行裂隙”異常增大，且高壓水勢(shì)還會(huì)對(duì)基巖風(fēng)化裂隙產(chǎn)生劈裂作用，產(chǎn)生“下行裂隙”，從而減小隔水層有效厚度，在沒有充分考慮“雙行裂隙”的前提下所留設(shè)的安全煤(巖)柱往往不能起到有效防隔水目的。