基巖風(fēng)化帶性質(zhì)對頂板突水潰砂的影響研究
——以趙固一礦為例

許延春 ，馬子民 ，李小二 ，苗 葳 ，張二蒙 ，姜文浩 ，卓運(yùn)亮 ，田雨果

（1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院, 北京 100083；2.焦作煤業(yè)集團(tuán)趙固(新鄉(xiāng))能源有限責(zé)任公司, 河南 焦作 454002）

0 引 言

趙固礦區(qū)礦井水害具有多樣化和復(fù)雜化的特點(diǎn)[1]，為回收更多優(yōu)質(zhì)煤炭資源，礦井開采上限逐漸提高，這同時(shí)導(dǎo)致煤層頂板含水層（組）對礦井安全生產(chǎn)的威脅越發(fā)明顯[2]，其中巨厚沖積層、多含水層（組）和薄基巖的存在則是導(dǎo)致礦井頂板潰水潰砂的主要原因[3-5]。在趙固礦區(qū)已經(jīng)發(fā)生多起頂板突水潰砂事故發(fā)生，因此為解放含水層（組）下壓煤，巨厚沖積層多含水層（組）薄基巖下的安全回采已經(jīng)成為迫切需要解決的問題。對于多含水層（組）薄基巖情況下安全回采，我國有學(xué)者對此做了大量的研究，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

朱偉等[6]通過現(xiàn)場觀測研究了潞安礦區(qū)不同回采工藝對裂縫帶發(fā)育高度的影響規(guī)律；戴華陽等[7]根據(jù)巖層理論計(jì)算出九龍礦的裂縫帶及防水安全煤巖柱的高度，分析了陷落柱對頂板裂隙導(dǎo)水性的影響；浦海等[8]運(yùn)用數(shù)值模擬揭示了在斷層影響下，煤層頂板突水通道的形成機(jī)制；張杰等[9-10]通過理論分析研究了頂板隔水粘土層在滲流場和周期性動載共同作用下的失穩(wěn)規(guī)律；曾一凡等[11]通過分析頂板基巖風(fēng)化帶的富水性并結(jié)合導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測評價(jià)頂板突水危險(xiǎn)性；呂廣羅等[12]通過開采實(shí)踐提出巨厚砂礫含水層（組）下保水開采有效方法是控制裂隙帶高度、適當(dāng)調(diào)整工作面布局以及推進(jìn)速度等；王海龍等[13-14]通過室內(nèi)突水潰砂災(zāi)害相似模擬試驗(yàn)得到頂板含水砂礫在導(dǎo)水裂縫中的移動和突涌的演化特征；許延春等[15]通過建立巨厚沖積層薄基巖突水潰砂模型，結(jié)合黏土液塑限試驗(yàn)得出高水壓下防水煤巖柱的失穩(wěn)致災(zāi)機(jī)理。

以趙固一礦為背景，結(jié)合礦井的水文地質(zhì)特征，對水文勘察孔的基巖風(fēng)化帶所取的巖樣進(jìn)行點(diǎn)荷載和干燥飽和吸水率試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對應(yīng)轉(zhuǎn)化，獲得巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度及干燥飽和吸水率隨距離沖積層底界面深度變化曲線，并通過室內(nèi)崩解試驗(yàn)對巖樣進(jìn)行定性描述，劃分基巖風(fēng)化帶的范圍并分析距離沖積層底界面不同位置巖石的性質(zhì)對頂板突水潰砂的影響。依據(jù)風(fēng)化帶的性質(zhì)對高水壓沖積含水層提出風(fēng)化帶防水、防砂煤柱保護(hù)層的留設(shè)方法。

1 地質(zhì)概況

趙固一礦位于焦作煤田東部，主采煤層平均厚度5.29 m，埋深410～860 m，自然垮落法管理頂板。上覆304.8～539.2 m 的巨厚沖積層，平均厚度459.8 m，沖積層內(nèi)部含有多個含水層（組），可劃分為“5 含Ⅴ隔”結(jié)構(gòu)（圖1），地表標(biāo)高+77 m 左右，含水層標(biāo)高大部分在?350 m 左右，水頭高度大于400 m，水壓高于4.0 MPa。

圖1 北翼沖積層?xùn)|西剖面圖Fig.1 East-west cross section of alluvial strata in the north wing

趙固一礦北翼基巖厚度范圍在2.82～248.09 m，厚度分布不均，具有明顯的自西向東逐漸變薄的特點(diǎn)，因此礦井北翼東側(cè)受頂板含水層的威脅更為嚴(yán)重。

2 基巖風(fēng)化帶巖石飽和單軸抗壓分析

有大量試驗(yàn)結(jié)果表明巖石的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度Is（50）與單軸抗壓強(qiáng)度Rc具有明顯的對應(yīng)關(guān)系[16-17]，對巖樣數(shù)量較少且難以加工成標(biāo)準(zhǔn)試件的情況下通過點(diǎn)荷載試驗(yàn)獲得巖石的強(qiáng)度是一個較好的選擇，為獲取巖石強(qiáng)度與上覆水頭壓力的直觀對比關(guān)系，可采用實(shí)測的巖石標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)Is(50)的換算值，并按照下式進(jìn)行換算[18]：

式中：RC為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；Is(50)為巖石標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度，MPa

根據(jù)GB/T 50218—2014《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》和《煤礦防治水細(xì)則》中的要求對礦井北翼N1 和N2水文勘察孔的巖樣進(jìn)行點(diǎn)荷載和干燥飽和吸水率試驗(yàn)，通過現(xiàn)場取樣和測井信息可知，趙固一礦的泥類巖有泥巖、鋁質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖，砂巖多為粉砂巖，粗、中、細(xì)砂巖出現(xiàn)較少，砂巖膠結(jié)物多為硅質(zhì)膠結(jié)，完整性好，屬于硬巖。結(jié)合本團(tuán)隊(duì)以往在趙固一礦南翼的科研成果[19]，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 飽和單軸抗壓強(qiáng)度和干燥飽和吸水率試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Saturated uniaxial compressive strength and dry saturated water absorption test results

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度與距離沖積層底界面的距離關(guān)系曲線，如圖2 和圖3所示。

圖2 N1 孔和N2 孔飽和單軸抗壓強(qiáng)度與沖積層底界面距離關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve between saturated uniaxial compressive strength and depth of holes N1 and N2

圖3 巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度與沖積層底界面距離關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve between saturated uniaxial compressive strength and depth of rock

2.1 北翼風(fēng)化巖石強(qiáng)度特征

由圖2 可以看出，N1 孔附近的泥類巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度隨著距離沖積層底界面的距離增加而呈增大趨勢。在距離0～5 m 范圍內(nèi)緩慢增加，5～20 m范圍內(nèi)呈線性增加，表明隨深度增加風(fēng)化作用的影響逐漸減弱。

在距離沖積層底界面0～2 m 范圍內(nèi)，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度略大于4.0 MPa，屬于極軟巖，表明該階段巖石風(fēng)化較為徹底，顆粒間的粘結(jié)力破壞嚴(yán)重，不宜作為抵抗高水壓的有效巖層；從距離沖積層底界面5 m 處的砂質(zhì)泥巖開始，其飽和單軸抗壓強(qiáng)度為5.22 MPa，可以有效減小上覆高水壓含水層的威脅。

N2 孔附近的巖性為泥類巖和砂巖，在距離沖積層底界面1～2 m 范圍內(nèi)，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度急劇減小，表明巖性對巖石抗壓強(qiáng)度具有顯著影響。

自沖積層底界面2 m 開始（Rc=13.36 MPa），巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度逐漸增加，在距離沖積層底界面10～20 m 時(shí)趨于穩(wěn)定，和風(fēng)化規(guī)律較為一致。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可知，N2 孔附近的巖石自沖積層底界面開始，可以有效減小上覆高水壓含水層的威脅。

由于鉆孔施工進(jìn)入基巖20 m，結(jié)合現(xiàn)場所取巖芯皆呈風(fēng)化后的黃色或黃褐色，可以認(rèn)為礦井北翼N1 孔和N2 孔附近的巖層在距離沖積層底界面0～20 m 都在風(fēng)化影響范圍內(nèi)。

2.2 南翼風(fēng)化巖石強(qiáng)度特征

由圖3 可以看出，隨著距離沖積層底界面距離的增加砂巖和泥類巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度整體上呈增大趨勢，后續(xù)趨于穩(wěn)定，這種變化與風(fēng)化規(guī)律有較好的一致性。

砂巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度全部遠(yuǎn)大于4.0 MPa，可以有效減小上覆高水壓含水層的影響；S2 頂3 孔附近的泥類巖在距離沖積層底界面0～11.4 m，飽和單軸抗壓強(qiáng)度全部小于4.0 MPa，從11.4 m 開始泥類巖的強(qiáng)度開始大于4.0 MPa，并且呈現(xiàn)快速增長的趨勢，S3 頂2 孔附近的泥類巖在距離沖積層底界面0～5.1 m，飽和單軸抗壓強(qiáng)度全部小于4.0 MPa，從5.1 m 開始泥類巖強(qiáng)度開始大于4.0 MPa，并且呈現(xiàn)快速增長的趨勢，表明距離沖積層底界面較近的泥類巖風(fēng)化作用完全，巖石顆粒間黏結(jié)力破壞嚴(yán)重，巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度較低，不能有效抵抗上覆高水壓含水層（組）的影響，防砂煤柱保護(hù)層不能全部由風(fēng)化泥巖構(gòu)成，保護(hù)層厚度應(yīng)大于11.4 m。

在沖積層底界面0～21.5 m 范圍內(nèi)，泥類巖和砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度快速增長，超過21.5 m 后其增長速度放緩逐漸趨于水平，部分鉆孔揭露的泥類巖甚至出現(xiàn)強(qiáng)度降低的情況，表明21.5 m 深度以下的巖石受風(fēng)化作用影響較弱，從巖石強(qiáng)度層面可以將21.5 m 初步定義為風(fēng)化帶底部邊界。

3 風(fēng)化帶巖石干燥飽和吸水能力分析

受風(fēng)化作用影響，巖石礦物成分發(fā)生變化，內(nèi)部裂隙數(shù)量增加且方向不規(guī)則，巖石內(nèi)部顆粒間的聯(lián)系被削弱，巖性減弱，土性增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致巖石的吸水率增加[20]。當(dāng)巖石干燥飽和吸水率大于15%時(shí)，巖石具有良好的隔水性能。因此巖石的干燥飽和吸水率一定程度上可以反映巖石的風(fēng)化程度[21]。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表1 繪制并分析巖石的干燥飽和吸水率與沖積層底界面距離的關(guān)系曲線，如圖4 和圖5 所示。

圖4 N1 和N2 孔巖石干燥飽和吸水率與沖積層底界面距離關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between dry saturated water absorption rate and depth of holes N1 and N2

圖5 巖石干燥飽和吸水率與沖積層底界面距離關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between dry saturated water absorption rate and depth of rock

3.1 北翼巖石干燥飽和吸水率特征

由圖4 可知，在距離沖積層底界面0～4.8 m 和7.3～12 m 范圍內(nèi)，N1 孔附近的巖層干燥飽和吸水率大于15%，表明該巖段具有良好的阻隔水能力；N2 孔在距離沖積層底界面17.8～20 m 的巖層干燥飽和吸水率大于15%，表明該巖段有較好的阻隔水能力。

在距離沖積層底界面0～10 m 范圍內(nèi)，N1 孔和N2 孔附近的巖層干燥飽和吸水率變化規(guī)律一致，呈現(xiàn)隨沖積層底界面距離增加而減小的趨勢，與風(fēng)化規(guī)律較為一致。從10 m 開始，N1 孔和N2 孔附近巖石的干燥飽和吸水率呈現(xiàn)相反的發(fā)展趨勢，N1 孔繼續(xù)減小，N2 孔則出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，結(jié)合現(xiàn)場取樣可知，在距離沖積層底界面20 m 處N1 孔和N2 孔附近全部都是砂質(zhì)泥巖，同一深度同一巖性的巖石因其本身組成結(jié)構(gòu)細(xì)微的差別導(dǎo)致其對風(fēng)化作用的反應(yīng)程度也不同。

在施工范圍內(nèi)，礦井北翼N1 孔和N2 孔附近巖層干燥飽和吸水率沒有趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象出現(xiàn)，可以印證礦井北翼的風(fēng)化帶深度超過20 m。

3.2 南翼巖石干燥飽和吸水率特征

由圖5 可知，泥類巖和砂巖干燥飽和吸水率隨著深度的增加逐漸減小，整體變化規(guī)律較為一致，可以反應(yīng)風(fēng)化作用隨深度增加逐漸減弱的特點(diǎn)。砂巖干燥飽和吸水率遠(yuǎn)小于15%，表明砂巖阻隔水性能較差；在距離沖積層底界面0～6.5 m 和0～8.7 m 范圍內(nèi)S2 頂3 和S3 頂2 附近的泥類巖干燥飽和吸水率大于15%，其中在0～5 m 范圍內(nèi)的鋁質(zhì)泥巖干燥飽和吸水率高達(dá)40%，表明該范圍內(nèi)泥類巖阻隔水性能良好。

在沖積層底界面0～21.5 m 范圍內(nèi)，泥類巖和砂巖的干燥飽和吸水率急劇減小，從距離沖積層底界面21.5 m 開始，巖石的干燥飽和吸水率變化趨于平緩，表明從21.5 m 開始，由強(qiáng)風(fēng)化區(qū)向微風(fēng)化區(qū)過度，結(jié)合從巖石強(qiáng)度層面的判定結(jié)果，通過巖石的干燥飽和吸水率可進(jìn)一步驗(yàn)證21.5 m 是南翼巖石的風(fēng)化帶底部邊界。

綜合上述分析，礦井南翼距離沖積層底界面21.5 m 處可以作為風(fēng)化帶底部邊界，防水煤柱保護(hù)層不能全部由風(fēng)化砂巖構(gòu)成，防砂煤柱保護(hù)層含部分風(fēng)化砂巖可以增強(qiáng)抗水壓能力。

4 基巖遇水崩解狀況分析

煤層賦存環(huán)境多為沉積巖，遇水崩解是沉積巖的顯著特征之一，沉積巖崩解后導(dǎo)致巖石的土性增強(qiáng)，強(qiáng)度降低，破碎膨脹，易引起煤層頂板突水潰砂事故[22]。同樣巖石崩解破碎后對采動裂縫也有一定的彌合效果，有助于增加巖層的阻隔水性能。因此在煤層頂板上覆高水壓含水層（組）時(shí)，掌握覆巖的耐崩解性便顯得極為重要。巖石的耐崩解性與其內(nèi)部裂隙數(shù)量呈正相關(guān)[23]，由于風(fēng)化作用導(dǎo)致巖石內(nèi)部裂隙增加，巖石的耐崩解性也隨之變差，因此通過巖石的耐崩解性可以一定程度反映風(fēng)化程度。

按照巖石崩解形態(tài)分類表[24]（表2）對巖樣崩解狀態(tài)進(jìn)行分類，分類結(jié)果見表3。

肉眼觀察到的淋巴管瘤以分葉狀、圓形或海綿狀為主，質(zhì)地較軟，波動感較強(qiáng)，透光試驗(yàn)城西南陽性，病變邊界不模糊，包膜完整，也存在分界不清的情況。多方囊間表現(xiàn)出相互連通的情況，囊壁比較薄，其內(nèi)部含有黃色或無色透明液體，如果出血時(shí)以血性漿液為主。鏡下囊壁主要為薄層纖維結(jié)締組織，另外也存在神經(jīng)、平滑肌、脂肪、血管、淋巴細(xì)胞等，壁內(nèi)襯主要為扁平內(nèi)皮細(xì)胞，囊內(nèi)有清亮淋巴液存在。

表2 巖石崩解形態(tài)分類Table 2 Rock disintegration morphology

表3 巖樣崩解狀態(tài)Table 3 Rock sample disintegration state

由表3 可見，砂巖受風(fēng)化作用影響較弱，耐崩解性強(qiáng)，崩解狀態(tài)多為Ⅳ型整體巖塊；而泥類巖則受風(fēng)化作用影響較為明顯，隨著距離沖積層底界面距離的增加，崩解狀態(tài)由Ⅰ泥狀向Ⅳ型整體巖塊轉(zhuǎn)變。砂質(zhì)泥巖和鋁質(zhì)泥巖在入水后24 h 和30 min 崩解差異如圖6 所示，鋁質(zhì)泥巖呈現(xiàn)碎塊泥，砂質(zhì)泥巖崩解為碎巖塊。

圖6 砂質(zhì)泥巖24 h、鋁質(zhì)泥巖30 min 后崩解狀態(tài)Fig.6 Sandy mudstone and aluminum mudstone disintegration state within 24 h and 30 min respectively

5 風(fēng)化基巖對頂板突水潰砂的影響分析

相鄰工作面提前開采和本工作面開采前通過頂板仰上孔可對基巖風(fēng)化帶含水層內(nèi)水體進(jìn)行疏放，因此風(fēng)化帶含水層對開采不利影響較低。

風(fēng)化砂巖層以及部分砂質(zhì)泥巖遇水后仍然為整體巖塊耐崩解性強(qiáng)，不具備再生隔水性；風(fēng)化后強(qiáng)度較高，沖積層底界面下部的風(fēng)化砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度全部大于4.0 MPa，可以有效抵御上覆水頭壓力；干燥飽和吸水率遠(yuǎn)小于風(fēng)化泥類巖，幾乎不具有彌合采動裂隙的效果。在礦井的薄基巖區(qū)，導(dǎo)水裂縫帶高度極容易透過風(fēng)化基巖波及煤層頂板含水層（組），含水砂體通過導(dǎo)水裂隙滲入工作面，隨著水砂流量增加，出水裂縫進(jìn)而發(fā)展為突水管道，導(dǎo)致工作面發(fā)生突水潰砂的安全事故，因此防水煤巖柱不應(yīng)全由風(fēng)化砂巖構(gòu)成，應(yīng)包含風(fēng)化砂巖上部的部分風(fēng)化泥類巖，一定厚度的風(fēng)化砂巖層可以作用安全煤柱保護(hù)層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定層，結(jié)合風(fēng)化泥類巖對采動裂隙的彌合效果，才能夠?qū)崿F(xiàn)防止在水壓作用下導(dǎo)水通道從裂隙、裂縫擴(kuò)展為管道，從而發(fā)生潰砂事故。

風(fēng)化泥巖以及部分風(fēng)化砂質(zhì)泥巖遇水后破碎或者泥化耐崩解性差，具備隔水性，風(fēng)化后強(qiáng)度較低，靠近沖積層底界面附近的泥類巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度不一定大于4.0 MPa。在礦井薄基巖區(qū)域，風(fēng)化泥巖受到上覆高水壓含水層（組）的影響，當(dāng)臨界水頭壓力超過風(fēng)化泥巖裂隙擴(kuò)展極限時(shí)，此時(shí)風(fēng)化泥巖中的采動裂隙即可發(fā)展為突水管道，且裂隙擴(kuò)展速率與含水層（組）水壓和水量呈正相關(guān)，導(dǎo)致防砂煤巖柱失穩(wěn)損傷失去阻砂性能，因此在留設(shè)防砂煤巖柱時(shí)應(yīng)考慮風(fēng)化泥巖的損傷厚度，即從沖積層底界面開始到強(qiáng)度大于上覆水頭壓力的風(fēng)化泥巖或者風(fēng)化砂巖之間的風(fēng)化巖層全部可以定義為防砂煤巖柱的損傷厚度。就試驗(yàn)礦區(qū)而言，損傷厚度應(yīng)選最大值，即趙固一礦應(yīng)選擇11.4 m 作為損傷厚度；但為了提高資源回收率，損傷厚度可以根據(jù)不同鉆場的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行取值，如N1 孔附近可將沖積層下部5 m 范圍作為防砂煤巖柱損傷厚度?？芍诳紤]防砂煤巖柱損傷厚度之后，一定厚度的風(fēng)化泥巖可以作為安全煤柱保護(hù)層的隔水層，但是在水壓作用下可能會出現(xiàn)導(dǎo)水通道從裂隙、裂縫擴(kuò)展為管道的情況。因此防砂煤柱保護(hù)層不能全部由風(fēng)化泥巖和風(fēng)化砂質(zhì)泥巖構(gòu)成，應(yīng)該包含部分風(fēng)化砂巖作為防砂煤巖柱的穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)，保證防砂煤巖柱的強(qiáng)度。

6 結(jié) 論

1）基巖風(fēng)化深度超過20 m，風(fēng)化砂巖和距離沖積層底界面較遠(yuǎn)的泥類巖干燥飽和吸水率較低，飽和單軸抗壓強(qiáng)度較高，隔水性和再生隔水性較差，可以有效抵抗上覆含水層（組）的威脅；距離沖擊層底界面較近的泥類巖干燥飽和吸水率大于15%，其中鋁質(zhì)泥巖干燥飽和吸水率高達(dá)40%，隔水性和再生隔水性良好，有利于采動裂縫彌合，可以有效抑制裂縫帶發(fā)育高度。

2）遇水崩解后風(fēng)化砂巖多為Ⅳ型整體巖塊，耐崩解性強(qiáng)；風(fēng)化泥類巖耐崩解性差，整體呈現(xiàn)隨著距離沖積層底界面距離增加，耐崩解性逐漸增強(qiáng)的特點(diǎn)。砂巖無法有效彌合采動裂縫，因此不建議巷道和回采工作面布置在風(fēng)化帶內(nèi)，以防止高水壓對圍巖穩(wěn)定性的不利影響。

3）防砂煤柱保護(hù)層不能全部由風(fēng)化泥巖構(gòu)成，應(yīng)在原始計(jì)算的防砂煤巖柱厚度基礎(chǔ)上增加高水壓下的風(fēng)化泥巖損傷厚度，同時(shí)需要部分砂巖作為防砂煤巖柱的穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)，保證防砂煤巖柱抗水壓能力；防水煤柱保護(hù)層不能全部由風(fēng)化砂巖構(gòu)成，應(yīng)包含部分風(fēng)化泥巖增加其裂隙彌合效果與阻止水砂下泄的性能。