武宗剛　丁先飛

摘要：為研究厚松散層薄基巖煤炭資源開(kāi)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(chǎng)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(guò)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(pán)區(qū)東部，水平標(biāo)高-525m工作面走向長(zhǎng)度760m，切眼長(zhǎng)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°?；鶐r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(lèi)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(kāi)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(chǎng)鉆孔注水測(cè)定

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)覆巖破壞高度的方法主要有地面鉆孔觀測(cè)法和井下仰上孔觀測(cè)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(cè)覆巖破壞高度。根據(jù)已有資料和現(xiàn)場(chǎng)條件，在11151工作面布置2個(gè)“兩帶”觀測(cè)鉆孔，編號(hào)SD-01和SD-02，鉆孔施工見(jiàn)圖1，工程量見(jiàn)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(guò)50m，按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(lái)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(cè)孔（SD-01）取底部粘土樣，進(jìn)行土工試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)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(lèi)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(kāi)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(kāi)采過(guò)程中沒(méi)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(kāi)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(kāi)采呈現(xiàn)張開(kāi)—閉合的動(dòng)態(tài)變化特征。

（三）裂隙粘土樣的滲透性[3]

開(kāi)采過(guò)程中，裂隙處于張開(kāi)—閉合的動(dòng)態(tài)變化，這里對(duì)裂隙張開(kāi)時(shí)滲透性展開(kāi)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中人為切割張開(kāi)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(zhǎng)，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(guò)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(guò)經(jīng)驗(yàn)公式和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔實(shí)測(cè)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(cè)分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010（7）：21-23

作者簡(jiǎn)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。