薄基巖煤層頂板突水影響因素分析

武宗剛　丁先飛

摘要：為研究厚松散層薄基巖煤炭資源開采中容易出現(xiàn)的突水或潰砂事故，本文基于趙固二礦11151工作面，對(duì)其采場頂板上覆各含水層以及它們之間的水力聯(lián)系做了具體分析，通過計(jì)算上覆巖層的“兩帶”高度，在探討巖層中的粘土隔水層的工程特性、破壞規(guī)律以及裂隙靜水狀態(tài)下的滲透性等因素的基礎(chǔ)上，得出底部粘土層的阻水機(jī)理不是單一因素可以解釋的，是有多種因素的疊加作用。

關(guān)鍵詞：薄基巖；頂板突水；粘土隔水層；覆巖破壞

一、工程概況

趙固二礦11151工作面位于一盤區(qū)東部，水平標(biāo)高-525m工作面走向長度760m，切眼長度230m。主采煤層為二1煤，厚度5.93～6.42m，平均6.14m，煤層傾角沿工作面方向1-2°。基巖厚度13.87～68.41m，厚度薄，基巖厚與煤厚之比為2.21～10.67，屬典型的薄基巖。該類型基巖由于受風(fēng)化帶的影響大，可能難以形成組成結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵層，具有原生節(jié)理、裂隙十分發(fā)育等特點(diǎn)。

根據(jù)含、隔水層結(jié)構(gòu)以及對(duì)開采的影響，將松散層劃分：埋深215.8m以淺的第一含水層段或上組含水層第一含水層為第四系砂礫含水層，富水性強(qiáng)；埋深215.8～419.8m有6層單層粘土層厚度大于10m并砂礫含水層均小于5m的為第一隔水層或中隔；埋深419.8～437.3m由2層厚砂礫層組成的為第二含水層或下組含水層，第二含水層為新近系砂礫含水層富水性弱——中等；埋深437.3～518.8m由2層厚層粘土和1層中厚砂礫層組成的為第二隔水層，為“粘—砂—粘”結(jié)構(gòu)，這其中的夾砂層為突水的關(guān)鍵因素。

二、覆巖破壞高度的確定

覆巖破壞高度是水體下采煤的一項(xiàng)重要內(nèi)容。其破壞導(dǎo)致的垮落帶、裂隙帶是聯(lián)系新近系含水層的重要通道。對(duì)頂板跨落帶和導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的預(yù)計(jì)，可以確定采煤活動(dòng)導(dǎo)致上覆頂板含水層發(fā)生水力聯(lián)系的范圍，為評(píng)價(jià)煤層頂板突水威脅提供判斷依據(jù)。

（一）經(jīng)驗(yàn)公式法[1]

（二）現(xiàn)場鉆孔注水測定

現(xiàn)場觀測覆巖破壞高度的方法主要有地面鉆孔觀測法和井下仰上孔觀測法。鑒于趙固井田具有松散層厚度大、基巖柱薄和地面具有鉆孔施工條件的特點(diǎn)，決定采用地面鉆孔的方法觀測覆巖破壞高度。根據(jù)已有資料和現(xiàn)場條件，在11151工作面布置2個(gè)“兩帶”觀測鉆孔，編號(hào)SD-01和SD-02，鉆孔施工見圖1，工程量見表1，鉆孔結(jié)構(gòu)如下。

當(dāng)SD-02孔鉆進(jìn)至547m時(shí)，鉆孔出現(xiàn)沖洗液漏失量突然增大、不反漿，并伴有卡鉆、掉鉆等現(xiàn)象，巖芯為較為破碎的砂巖。提鉆后在孔口用打火機(jī)試驗(yàn)有向孔內(nèi)吸風(fēng)現(xiàn)象，據(jù)此判定孔深547m處為垮落帶頂點(diǎn)位置。

二1煤層上覆基巖厚度平均不超過50m，按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測其上覆兩帶高度之和達(dá)到了58.4-72.2m。理論上已經(jīng)穿透松散層中第二隔水層下部的厚層粘土層，貫通到第二隔水層的夾砂含水層，此含水層不但自身具有大量水而且還有來自第二含水層的補(bǔ)給水源。一旦由采動(dòng)裂隙貫通到工作面，就可能發(fā)生突水事故。

三、粘土層阻水機(jī)理分析

（一）粘土層工程特性分析

利用覆巖破壞高度觀測孔（SD-01）取底部粘土樣，進(jìn)行土工試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

由表2可知，土樣的塑性指數(shù)基本都大于17，液性指數(shù)都小于0.25，該粘土的狀態(tài)分類為低液限半固結(jié)狀態(tài)。具有良好的隔水性和差的流動(dòng)性。對(duì)防止上面砂、礫層含水層的潰水、潰砂十分有利。許延春[2]認(rèn)為當(dāng)粘土有一定厚度并為半固態(tài)和硬塑狀態(tài)時(shí)，基巖面出現(xiàn)臺(tái)階狀錯(cuò)動(dòng)、開裂，但可保持層位的連續(xù)性，由于粘土是十分致密的并且有一定的塑性，因此難以在粘土層內(nèi)形成導(dǎo)水裂縫。從粘土的工程特性解釋了雖然預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到其上部的含水砂層，但工作面開采過程中沒有出現(xiàn)松散層水的下泄。

（二）粘土層破壞變形規(guī)律

底部粘土層在采后應(yīng)力、應(yīng)變產(chǎn)生了復(fù)雜的變化。粘土層厚度越薄，垂直集中應(yīng)力越大，采厚越大，垂直集中應(yīng)力越大。水平拉應(yīng)力的變化則因條件而異，而水平拉應(yīng)變最終導(dǎo)致粘土層的開裂。粘土層的拉伸破壞和裂紋主要出現(xiàn)在工作面上部，隨動(dòng)態(tài)推進(jìn)，采空區(qū)上部底粘裂縫逐漸閉合，裂紋隨開采呈現(xiàn)張開—閉合的動(dòng)態(tài)變化特征。

（三）裂隙粘土樣的滲透性[3]

開采過程中，裂隙處于張開—閉合的動(dòng)態(tài)變化，這里對(duì)裂隙張開時(shí)滲透性展開試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中人為切割張開1mm的粘土裂隙，按不同時(shí)間進(jìn)行浸泡飽和，得到不同飽和時(shí)間-滲透系數(shù)關(guān)系曲線。如圖2所示，裂隙粘土層在靜水作用下時(shí)間越長，其閉合效果越好。試驗(yàn)條件下飽和7小時(shí)即可獲得穩(wěn)定低滲透性。

四、結(jié)論

通過研究可知松散層底部夾砂含水層是頂板突水潰砂的重要因素；通過經(jīng)驗(yàn)公式和現(xiàn)場鉆孔實(shí)測計(jì)算“兩帶”破壞高度，得知基巖基本上處于裂隙帶范圍內(nèi)，不具備阻水功能；底部粘土層的阻水機(jī)理不是單一因素主導(dǎo)的，是由多種因素疊加作用而導(dǎo)致的，包括粘土層的工程特性、采動(dòng)下的破壞規(guī)律、以及裂隙靜水狀態(tài)下的滲透性等，這些因素相互作用、相互影響才得以形成粘土層隔水保護(hù)的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]許延春，李振華，賈安立.深厚松散層薄基巖條件下覆巖破壞高度實(shí)測分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010（7）：21-23

作者簡介：武宗剛（1986-），男，河南封丘人，助理工程師，學(xué)士學(xué)位，2010年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，河南能源和化工集團(tuán)趙固二礦技術(shù)主管。