弱膠結(jié)巨厚砂礫巖含水層離層突水機(jī)制研究

李 江 華

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司, 北京 100013；2.煤礦災(zāi)害防控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心, 北京 100013；4.山西省礦井地球物理勘探技術(shù)創(chuàng)新中心, 山西 晉城 048006）

0 引 言

我國(guó)侏羅紀(jì)煤田地質(zhì)儲(chǔ)量約占總量的60%，主要集中分布于西北地區(qū)。在我國(guó)規(guī)劃的14 個(gè)大型煤炭基地中有4 個(gè)處于蒙、陜、甘、寧四省交界處，隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施及我國(guó)煤炭主要生產(chǎn)區(qū)逐步西移，鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤炭資源開(kāi)發(fā)已成為我國(guó)煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐[1]。其中安新煤田位于鄂爾多斯盆地西南緣，主要開(kāi)采侏羅紀(jì)煤層，受頂板白堊系志丹群巨厚弱膠結(jié)砂礫巖含水層的威脅。開(kāi)采范圍內(nèi)巨厚砂礫巖含水層均為弱富水區(qū)、膠結(jié)程度低，且煤層埋深大，由于主采煤層頂板砂礫巖含水層物理力學(xué)性質(zhì)的特殊性，曾引起多個(gè)工作面發(fā)生突水。

采動(dòng)覆巖破壞特征是礦井突水機(jī)制研究的基礎(chǔ)，煤層開(kāi)采后引起圍巖變形、移動(dòng)和破壞，采動(dòng)覆巖破壞具有分帶性。劉天泉院士[2]提出了覆巖破壞學(xué)說(shuō)，將覆巖破壞劃分為“三帶”；高延法[3]基于“三帶”模型，將彎曲帶下部單獨(dú)劃分出離層帶，提出了“四帶”模型的觀點(diǎn)，為離層注漿施工設(shè)計(jì)和離層水害防治提供了依據(jù)；張玉軍等[4]研究了鄂爾多斯盆地侏羅系煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律；許延春、李星亮等[5-6]統(tǒng)計(jì)了大采高及綜放開(kāi)采覆巖裂隙發(fā)育高度特征，建立了適用于綜放開(kāi)采工作面的“兩帶”高度經(jīng)驗(yàn)公式。近些年隨著煤炭資源開(kāi)發(fā)向西部轉(zhuǎn)移，煤層埋深增大，頂板水害事故顯現(xiàn)，尤其離層水害、弱膠結(jié)砂巖含水層突水增多[7-8]。董書(shū)寧等[9]研究了鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田4 類(lèi)典型頂板水害，針對(duì)厚基巖采場(chǎng)弱膠結(jié)巖層動(dòng)力潰砂災(zāi)害，提出了硬巖超前預(yù)裂和弱膠結(jié)地層注漿改性的防控思路；范立民等[10]針對(duì)鄂爾多斯盆地北部直羅組含水層賦存特征及突水特點(diǎn)，提出了水害防治與保水開(kāi)采建議；呂玉廣等[11]揭示了侏羅系軟巖頂板弱含水層高強(qiáng)度水-沙混合型突水機(jī)制。我國(guó)學(xué)者認(rèn)為離層水形成有3個(gè)基本條件：巖層物理力學(xué)性質(zhì)差異產(chǎn)生可積水的離層（地層條件）、離層周邊存在補(bǔ)給水源（物源條件）、離層空間持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)（采動(dòng)條件）。離層水在其上覆巖層載荷、內(nèi)部靜水壓和下部破斷巖層協(xié)同作用下，沿著導(dǎo)水裂隙通道涌入工作面，形成采動(dòng)覆巖離層涌水，離層積水水體和隔水層被導(dǎo)水裂隙貫通是離層突水發(fā)生的必要條件[12-14]。此外，張文忠[15]提出了離層動(dòng)水壓突水、靜水壓突水和重復(fù)擾動(dòng)突水3 種離層突水模式；喬偉等[16-17]基于頂板離層水突水實(shí)例，提出了采動(dòng)覆巖“動(dòng)力突水”和“突水離層帶”的概念，研究了不同頂板突水類(lèi)型的形成機(jī)制和力學(xué)條件；陳維池等[18]獲得了鄂爾多斯盆地采動(dòng)離層擴(kuò)容對(duì)白堊系含水層的擾動(dòng)規(guī)律，并將水壓變化劃分為4 個(gè)階段。

筆者圍繞安新煤田開(kāi)采區(qū)的工程與水文地質(zhì)特點(diǎn)，通過(guò)研究隔水保護(hù)層巖石物理力學(xué)性質(zhì)、阻隔水特性及巖層分布特征，結(jié)合弱膠結(jié)巨厚砂礫巖含水層采動(dòng)演變過(guò)程，建立了采動(dòng)弱膠結(jié)砂礫巖突水水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，揭示了弱膠結(jié)巨厚砂礫巖含水層突水機(jī)制，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)突水特點(diǎn)，提出了弱膠結(jié)砂礫巖含水層發(fā)生突水的工程判據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 安新煤田礦區(qū)概況

安新煤田位于鄂爾多斯盆地西南緣，甘肅省平?jīng)鍪腥A亭、崇信兩縣境內(nèi)，屬于國(guó)家規(guī)劃的14 個(gè)大型煤炭基地的黃隴基地。北以煤5 露頭線為界，西以煤2 尖滅線為界，南以陜西、甘肅省界為界，東以F8 斷層為界。南北長(zhǎng)約18 km，東西寬1～10 km，含煤面積64 km2。呈北西分布向南傾伏不對(duì)稱(chēng)的向斜構(gòu)造，煤層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，煤田內(nèi)共有3 個(gè)主采煤層，屬近距離煤層。其中主要可采煤層平均厚度8.8 m，遍布于整個(gè)煤田。目前安新煤田有6 座生產(chǎn)礦井，研究區(qū)涵蓋新柏、新窯和大柳煤礦（圖1）。

圖1 安新煤田礦井分布Fig.1 Distribution of mines in Anxin coal field

1.2 研究區(qū)水文地質(zhì)特征

20 世紀(jì)初，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鄂爾多斯盆地白堊系地層進(jìn)行了大量的野外調(diào)查和地質(zhì)勘探工作，將志丹群自下而上劃分為宜君組、洛河組、華池組、環(huán)河組、羅漢洞組、涇川組。鄂爾多斯盆地西南緣下白堊統(tǒng)志丹群主要分布在盆地的邊緣地帶，分布廣泛，被新生代地層所覆蓋。

研究區(qū)位于區(qū)域水文地質(zhì)單元的中南部，可劃分為5 個(gè)含水層和3 個(gè)隔水層（圖2），新柏和大柳煤礦白堊系志丹群上部隔水層厚度大，可阻隔上部含水層及地表水的補(bǔ)給，而新柏煤礦該層較薄，甚至北部缺失，直接受大氣降水的補(bǔ)給。侏羅系延安組中部含水層距開(kāi)采煤層近，是礦井開(kāi)采直接充水水源，但富水性弱，對(duì)礦井影響小。而白堊系志丹群砂礫巖含水層分布整個(gè)區(qū)域，巖性為紫紅色、黃綠色礫巖、砂礫巖，具有近源的山前沖洪積扇相的沉積特征。礫石成分以石英為主，粒徑一般在0.2～6.8 cm，大者達(dá)20 cm。砂礫巖含水層厚度65.24～327.0 m，平均160.48 m，本區(qū)北部厚度相對(duì)較大。該含水層單位涌水量為0.002～0.355 L/(s·m)，富水性弱～中等，僅在礦區(qū)東部邊界附近富水性中等，開(kāi)采區(qū)均為弱富水性，但該區(qū)砂礫巖含水層泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度弱，巖芯破碎，采取率僅30%左右，基本為礫石塊。由于其厚度大，地下水靜儲(chǔ)量豐富，是威脅礦區(qū)安全生產(chǎn)的主要含水層。砂礫巖含水層厚度及富水性分區(qū)特征如圖3 所示。

圖2 含（隔）水層綜合柱狀圖Fig.2 Composite histogram of aquifers (aquicludes)

圖3 砂礫巖厚度和富水性分區(qū)特征Fig.3 Thickness and water-rich characteristics of glutenite

2 頂板隔水層物理力學(xué)特性分析

2.1 頂板巖層礦物質(zhì)特征

通過(guò)X 衍射試驗(yàn)和掃描電鏡對(duì)頂板泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖的礦物質(zhì)組成成分和微觀組構(gòu)特征進(jìn)行測(cè)試[19-20]。X 衍射測(cè)試結(jié)果表明頂板隔水層礦物質(zhì)組成以石英、黏土礦物為主，根據(jù)X 射線衍射圖譜中特征峰強(qiáng)度與礦物含量的正相關(guān)性，得出黏土礦物中高嶺石和伊利石占比達(dá)80%以上，其中泥巖的黏土礦物含量達(dá)到59.6%，而砂質(zhì)泥巖和粉砂巖接近40%（表1），表明煤層頂板安定組和直羅組隔水層親水性較好，遇水后易膨脹泥化，有利于阻水。隔水層對(duì)上部巨厚砂礫巖含水層向工作面涌水起著關(guān)鍵阻隔作用。

表1 巖石礦物含量測(cè)試成果Table 1 Test results for rock mineral content

2.2 煤層頂板巖石力學(xué)測(cè)試

白堊系砂礫巖為弱膠結(jié)地層，其下部巖層由侏羅系安定組和直羅組泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及延安組砂巖組成，厚度平均110.09 m。通過(guò)巖石力學(xué)測(cè)試，單軸抗壓強(qiáng)度小于40 MPa，屬于中硬巖層[21]。

采用三軸聲發(fā)射測(cè)試對(duì)頂板隔水層泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖巖樣進(jìn)行力學(xué)特性分析，設(shè)置圍壓為2.0、5.0 和7.5 MPa，軸向連續(xù)加載至試樣完全破壞。采用聲發(fā)射能量E、累計(jì)能量∑E分析巖石變形破壞過(guò)程中的聲發(fā)射特征[20,22]，三軸聲發(fā)射結(jié)果如圖4 所示。初始加載階段隨著軸向應(yīng)力的增大，巖石裂隙逐漸閉合、壓密，發(fā)生一些聲發(fā)射事件，主要是由于較低應(yīng)力作用下巖樣內(nèi)部原始裂隙首先閉合，巖樣體積隨著載荷增加不斷減小，但閉合后裂隙之間發(fā)生滑移，粗糙面咬合啃齒會(huì)產(chǎn)生一定的聲發(fā)射事件[23]。隨著軸向應(yīng)力的持續(xù)增大，彈性至塑性階段聲發(fā)射能量呈增大趨勢(shì)，應(yīng)力峰值前后聲發(fā)射能量出現(xiàn)異常跳動(dòng)。同圍壓（2.0 MPa）條件下，泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖的抗壓強(qiáng)度與聲發(fā)射能量依次增大，粉砂巖的累計(jì)能量為泥巖的近5 倍。泥巖釋放能量主要集中在殘余變形階段，且?guī)r石破裂角較小，而粉砂巖在屈服階段釋放能量最大。表明泥巖在應(yīng)力作用下破壞之前巖體的裂隙發(fā)育較小，能有效起到隔水保護(hù)作用。

圖4 三軸聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results of triaxial acoustic emission

不同圍壓條件下（2.0、5.0 和7.5 MPa）砂質(zhì)泥巖聲發(fā)射結(jié)果表明，圍壓越大聲發(fā)射能量和巖石強(qiáng)度越大，并且隨著圍壓的增大，累計(jì)能量呈2 的幾何倍數(shù)增加，泥巖和粉砂巖具有同樣的規(guī)律[20]。煤層開(kāi)采時(shí)，采空區(qū)上方頂板巖體處于卸壓拉伸狀態(tài)，兩端巖體處于卸壓剪切狀態(tài)。隨著采礦范圍的增大，裂隙帶向上發(fā)育，采動(dòng)頂板處于應(yīng)力卸荷狀態(tài)，根據(jù)聲發(fā)射能量特征，該過(guò)程具有一定的時(shí)間累計(jì)過(guò)程，巖體破斷失穩(wěn)前發(fā)生損傷累計(jì)效應(yīng)。同時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶附近隔水層巖體卸壓后圍壓減小，使巖體抗壓強(qiáng)度將明顯降低，促進(jìn)巖體的破壞。但導(dǎo)水裂隙帶上部存在厚層巖體時(shí)，遠(yuǎn)離導(dǎo)水裂隙帶巖體卸壓相對(duì)較小，基本能保持巖體的原有特性。

從物理力學(xué)性質(zhì)角度表明砂礫巖含水層下安定組和直羅組泥巖、砂質(zhì)泥巖具有良好隔水性的屬性，但隔水層厚度較薄時(shí)難以支承上部巖層載荷和砂礫巖含水層靜水壓力，在采動(dòng)應(yīng)力-滲流作用下將發(fā)生破壞，成為良好的導(dǎo)水通道。因此隔水層厚度是砂礫巖含水層突水的主要影響因素之一。

3 采動(dòng)巨厚弱膠結(jié)砂礫巖突水機(jī)制

3.1 煤層頂板厚度分布特征

通過(guò)本區(qū)鉆孔揭露地層結(jié)構(gòu)特征，繪制砂礫巖層上部基巖厚度等值線圖（圖5），礦區(qū)東北部砂礫巖上部基巖厚度薄，局部甚至缺失，上部直接覆蓋松散層，而礦區(qū)中南部厚度逐漸增大。

圖5 砂礫巖含水層上下基巖厚度分布特征Fig.5 Thickness characteristics of bedrock upper and lower the glutenite aquifer

通過(guò)鉆孔電視和沖洗液漏失量法對(duì)綜放開(kāi)采工作面砂礫巖含水層下煤層頂板破壞兩帶高度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)（圖6），LD-1 與LD-2 鉆孔在穩(wěn)定基巖段320.4 m 和362.1 m 時(shí)完全不返水，沖洗液全部漏失，循環(huán)終止，結(jié)合鉆孔巖心和鉆孔電視判斷進(jìn)入裂隙帶。經(jīng)計(jì)算，觀測(cè)位置煤層采厚10 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為128.4～132.6 m，裂采比為12.84～13.26。根據(jù)開(kāi)采區(qū)鉆孔煤層厚度統(tǒng)計(jì)，采用裂采比13.26 對(duì)各鉆孔導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行預(yù)計(jì)，并與砂礫巖含水層下基巖厚度進(jìn)行對(duì)比，繪制等值線圖，得出礦區(qū)新窯井田東北部、新柏井田西部及大柳井田中部區(qū)域砂礫巖含水層下基巖厚度小于導(dǎo)水裂隙帶高度。

圖6 覆巖破壞現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)成果Fig.6 Field observation results for overburden failure

3.2 弱膠結(jié)砂礫巖離層力學(xué)分析

本區(qū)東北部與中南部地層結(jié)構(gòu)差異較大，選取位于東北部的X1302 鉆孔和中部618 鉆孔，基于地層結(jié)構(gòu)對(duì)離層發(fā)育位置進(jìn)行力學(xué)分析。根據(jù)關(guān)鍵層理論[24]，組合梁中n層巖層對(duì)第k層所傳遞的載荷為：

式中：Ei為第i（i=k，k+1，···，n）層巖層彈性模量，GPa；hi為第i層巖層厚度，m；γi為第i層巖層體積力，kN/m3。

當(dāng)頂板組合梁巖層中(qn+1)k<(qn)k，且Ln+1>Lk，第k層硬巖與第n+1 層巖層均為關(guān)鍵層，而Ln+1

表2 關(guān)鍵層層位統(tǒng)計(jì)分析Table 2 Statistical analysis of key layers

3.3 巨厚弱膠結(jié)砂礫巖突水機(jī)制

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)條件及兩帶高度觀測(cè)鉆孔數(shù)據(jù)建立相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚20]，相似材料模擬試驗(yàn)平臺(tái)尺寸為3 000 mm×300 mm×1 250 mm（長(zhǎng)×寬×高）。模擬地層厚度500 m，其中煤層厚度為10 m，模擬比為1∶400。模型從左往右逐步開(kāi)挖，步距為40 m，相似模擬試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。隨著煤層的開(kāi)挖，采空區(qū)頂板發(fā)生拉伸和剪切破壞，并伴隨離層的發(fā)生，離層發(fā)育高度隨開(kāi)挖長(zhǎng)度增大而增大。受采動(dòng)影響導(dǎo)水裂隙帶與砂礫巖含水層間的隔水保護(hù)層處于卸壓狀態(tài)，根據(jù)上述三軸應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，卸壓后降低了其抗壓強(qiáng)度，有助于采動(dòng)裂隙的發(fā)育。開(kāi)挖至440 m 時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)最大128 m，離層發(fā)育高度為218 m；開(kāi)挖至520 m 時(shí)，離層發(fā)育達(dá)到最大高度258 m。當(dāng)砂礫巖含水層上方存在主關(guān)鍵層時(shí)，可支撐上部巖層的載荷，其下方的砂礫巖含水層發(fā)生拉伸變形，孔隙裂隙增大。隨著繼續(xù)開(kāi)挖至640 m 時(shí)，上覆巖層發(fā)生破斷，引起下部離層閉合。

圖7 相似模擬試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test result of similar simulation experiment

本區(qū)開(kāi)采范圍內(nèi)砂礫巖含水層均為弱富水區(qū)，但多個(gè)工作面發(fā)生突水，甚至在導(dǎo)水裂隙帶與砂礫含水層之間有隔水保護(hù)層仍然發(fā)生突水。根據(jù)新柏煤礦砂礫巖含水層水文長(zhǎng)觀孔的水位觀測(cè)，回采工作面離長(zhǎng)觀孔較近時(shí)，受工作面采動(dòng)作用影響，砂礫含水層水位降低，初始降低幅度較大，而隨著工作面回采遠(yuǎn)離長(zhǎng)觀孔后，受采動(dòng)影響逐漸減小，水位降低幅度逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，水位最大降幅達(dá)到22 m。通過(guò)相似模擬分析，主要是由于巨厚弱膠結(jié)砂礫巖含水層采動(dòng)后發(fā)生拉伸膨脹，孔隙裂隙發(fā)育，并產(chǎn)生離層空腔，提供了良好的儲(chǔ)水空間，改變了含水層的富水性，成為富水異常區(qū)。采動(dòng)卸壓后隔水保護(hù)層抗壓強(qiáng)度降低，并且在上覆巖層破斷后，上覆巖層沖擊壓力和靜水壓力的雙重作用，導(dǎo)致隔水保護(hù)層破壞失穩(wěn)，從而發(fā)生突水。因此砂礫巖含水層上方巖層特征及其下方隔水保護(hù)層性質(zhì)與厚度對(duì)突水起著關(guān)鍵作用，并且產(chǎn)生不同的突水機(jī)制[20,25]。巨厚砂礫巖采動(dòng)富水異常演變示意如圖8 所示。

圖8 巨厚砂礫巖富水演變示意Fig.8 Schematic of water-rich evolution for giant thick glutenite

根據(jù)研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)、厚度分布特征及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與巨厚砂礫巖的層位關(guān)系，構(gòu)建4 種不同條件下采動(dòng)砂礫巖含水層富水異常區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型（圖9）。I 型：砂礫巖含水層上部賦存厚層基巖，導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通砂礫巖含水層，主要位于研究區(qū)中部大柳井田；II 型：砂礫巖含水層上部賦存厚層基巖，導(dǎo)水裂隙帶與砂礫巖含水層間有隔水層，位于新柏和大柳井田；III 型：砂礫巖含水層上部賦存薄層基巖或松散層，導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通砂礫巖含水層，位于研究區(qū)東北部新窯井田；IV 型：砂礫巖含水層上部賦存薄層基巖或松散層，導(dǎo)水裂隙帶與砂礫巖含水層間有隔水層，位于新窯井田。弱膠結(jié)砂礫巖含水層發(fā)生突水的強(qiáng)度與上部基巖結(jié)構(gòu)、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度、隔水保護(hù)層厚度等因素相關(guān)。

圖9 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型Fig.9 Hydrogeological structure models

I 型水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)突水機(jī)制：采動(dòng)砂礫巖孔隙裂隙發(fā)育，并與上覆巖層產(chǎn)生離層，富水強(qiáng)度發(fā)生變化，導(dǎo)水裂隙帶直接波及到采動(dòng)富水異常區(qū)，易發(fā)生突水事故，并且在上覆巖層尤其是關(guān)鍵層破斷后，在高應(yīng)力沖擊作用下增大突水量，為典型的拉伸富水?dāng)D壓突水特征。該類(lèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生突水的主要影響因素為砂礫巖拉伸擴(kuò)容富水程度、上覆巖層破斷載荷傳遞效應(yīng)。

II 型水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)突水機(jī)制：采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶未波及到采動(dòng)富水異常區(qū)，與導(dǎo)水裂隙帶間存在隔水保護(hù)層，但厚度較薄或缺失時(shí)將轉(zhuǎn)變?yōu)镮 型。該類(lèi)結(jié)構(gòu)中隔水保護(hù)層對(duì)突水的發(fā)生起關(guān)鍵作用，當(dāng)隔水層較薄時(shí)，在上覆巖層載荷及離層積水靜水壓力作用下易發(fā)生突水，發(fā)生突水的主要影響因素為砂礫巖拉伸擴(kuò)容程度、上覆巖層破斷載荷傳遞效應(yīng)及隔水保護(hù)層厚度。

III 型水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)突水機(jī)制：砂礫巖含水層上方為薄層基巖或松散層，采動(dòng)引起砂礫巖含水層富水性發(fā)生變化，導(dǎo)水裂隙帶波及到富水異常區(qū)易發(fā)生突水，當(dāng)松散含水層富水性較強(qiáng)時(shí)，受其補(bǔ)給作用，突水量將增大。該類(lèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生突水的主要影響因素為砂礫巖拉伸擴(kuò)容程度、松散含水層富水程度。

IV 型水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)突水機(jī)制：砂礫巖含水層上方為薄層基巖或松散層，采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶未波及到富水異常區(qū)，與導(dǎo)水裂隙帶間存在隔水保護(hù)層，隔水保護(hù)層對(duì)突水的發(fā)生起關(guān)鍵作用，但隔水層較薄或缺少時(shí)將轉(zhuǎn)變?yōu)镮II 型。該類(lèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生突水的主要影響因素為砂礫巖拉伸擴(kuò)容程度、松散含水層富水程度及隔水保護(hù)層厚度。

4 突水案例分析

4.1 突水點(diǎn)分布特征

自本礦區(qū)生產(chǎn)以來(lái)，共發(fā)生12 次突水（表3），其中最大突水量為420 m3/h，位于本區(qū)的中部。新柏煤礦2 次突水均位于工作面初次見(jiàn)方范圍內(nèi)，新窯煤礦的8 次突水均位于背斜軸部附近（圖10）。除新窯煤礦4503-2、4504-1、4504-2 和4505 工作面突水位置砂礫巖下基巖厚度大于導(dǎo)水裂隙帶高度外，其余突水點(diǎn)均位于導(dǎo)水裂隙帶波及砂礫巖含水層范圍內(nèi)。新柏和大柳煤礦的砂礫巖含水層突水機(jī)制均為I 型，突水量均較大，最大突水量達(dá)到420 m3/h；新窯煤礦北部4 次突水為III 型，突水量相對(duì)較小，一般不大于35 m3/h；南部4 次突水為IV 型，4505 突水點(diǎn)砂礫含水層厚度相對(duì)較大，采動(dòng)砂礫巖含水層富水性變化大，導(dǎo)致最大突水量為110 m3/h。

表3 突水點(diǎn)統(tǒng)計(jì)情況Table 3 Water inrush points statistic

圖10 突水點(diǎn)位置及隔水保護(hù)層厚度Fig.10 Location of water inrush points and thickness of water proof protective layer

4.2 砂礫巖含水層突水工程判據(jù)

通過(guò)以上煤層頂板巖石力學(xué)特性、礦物質(zhì)組成及物理性質(zhì)測(cè)試，表明頂板隔水層具有良好的阻水作用，一定程度上可有效作為采動(dòng)富水異常區(qū)的隔水保護(hù)層。根據(jù)隔水保護(hù)層厚度等值線圖（圖10）可以看出，本區(qū)新柏和新窯煤礦北部及大柳煤礦中部較薄，南部最大可達(dá)到300 m?；诟羲Ｗo(hù)層厚度、砂礫巖含水層分布特征及煤層開(kāi)采厚度等因素，結(jié)合突水點(diǎn)分布特征，針對(duì)采動(dòng)弱膠結(jié)砂礫巖含水層突水提出以下工程判據(jù)。

1）I 型突水區(qū)：位于礦區(qū)西北部新柏煤礦的2 處突水點(diǎn)隔水保護(hù)層厚度為0，沿工作面回采方向逐漸增大，之后未發(fā)生突水，結(jié)合礦區(qū)中部大柳煤礦同樣的突水特點(diǎn)，在保護(hù)層厚度大于30 m 時(shí)均未發(fā)生突水，提出I 型突水的工程判據(jù)為隔水保護(hù)層厚度小于30 m。

2）III 型和IV 型突水區(qū)：由于受背斜構(gòu)造的影響，煤層頂板裂隙發(fā)育，且III 型突水區(qū)煤層開(kāi)采厚度大，導(dǎo)水裂隙帶直接波及到砂礫巖含水層，但突水量相對(duì)較小。IV 型突水區(qū)導(dǎo)水裂隙帶上部均有隔水保護(hù)層，但厚度相對(duì)較薄，受背斜構(gòu)造裂隙的影響，有效隔水保護(hù)層厚度變薄，在上部巖層載荷和上部富水異常區(qū)水壓作用下，難以起到良好的阻水作用。根據(jù)隔水保護(hù)層厚度分布特征，受背斜構(gòu)造影響時(shí)，砂礫巖含水層突水的工程判據(jù)為隔水保護(hù)層厚度小于60 m。

砂礫巖含水層突水工程判據(jù)的提出可為礦區(qū)其他工作面的安全開(kāi)采提供指導(dǎo)，并可作為砂礫巖含水層發(fā)生突水的預(yù)警指標(biāo)之一。

5 結(jié) 論

1）通過(guò)巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，砂礫巖含水層下基巖強(qiáng)度屬于中硬類(lèi)型。頂板泥巖中黏土礦物含量達(dá)到59.6%，親水性較好，遇水后易膨脹泥化，阻隔水性好。但采動(dòng)作用下頂板巖層卸壓，隔水層卸壓后圍壓減小，巖體強(qiáng)度明顯降低，促進(jìn)巖體的破壞，隔水層厚度較薄時(shí)難以支承上部巖層載荷和采動(dòng)富水區(qū)靜水壓力，在應(yīng)力-滲流作用下將成為良好導(dǎo)水通道。

2）研究區(qū)頂板砂礫巖含水層為弱富水性，但多個(gè)工作面發(fā)生突水?；陉P(guān)鍵層理論和相似模擬試驗(yàn)結(jié)果，分析主要是由于砂礫巖含水層厚度大，物理力學(xué)性質(zhì)特殊，采動(dòng)后發(fā)生拉伸變形，孔隙裂隙發(fā)育，并產(chǎn)生離層，提供了良好的儲(chǔ)水空間，改變了含水層的富水性，成為富水異常區(qū)，與采動(dòng)強(qiáng)度、含水層厚度、砂礫巖膠結(jié)程度等因素相關(guān)。

3）結(jié)合研究區(qū)突水特點(diǎn)和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，建立了4 種條件下采動(dòng)富水異常區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，揭示了巨厚弱膠結(jié)砂礫巖含水層突水機(jī)制。巨厚砂礫巖采動(dòng)富水異常區(qū)發(fā)生突水的強(qiáng)度與上部基巖特征、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度、隔水保護(hù)層厚度等因素相關(guān)。通過(guò)突水案例分析，提出了不同地質(zhì)條件下弱膠結(jié)砂礫巖含水層發(fā)生突水的隔水保護(hù)層厚度工程判據(jù)。

致謝：論文寫(xiě)作過(guò)程中得到了煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院防治水團(tuán)隊(duì)李文博士、黎靈博士、杜明澤博士等提供的幫助，在此表示感謝！