李文平，朱廳恩，王啟慶，楊玉茹，楊 志

(中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

鄂爾多斯盆地是目前我國最大的產(chǎn)煤區(qū)，煤炭產(chǎn)量約占全國的50%；而且也是我國煤炭保有儲(chǔ)量最大的整裝煤盆地，埋深小于2 000 m的煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量約為20 000億t，占全國的40%以上，是保障我國煤炭能源持續(xù)供給的最主要區(qū)域。侏羅系煤層為鄂爾多斯盆地目前的主產(chǎn)煤層，早期建設(shè)的生產(chǎn)礦井，主要分布在盆地周邊淺埋煤層區(qū)(無白堊系覆蓋區(qū))。近年來已有一些在建和生產(chǎn)的大型礦井，開始延伸到盆地腹部白堊系覆蓋區(qū)，生產(chǎn)實(shí)踐表明，巨厚白堊系含水體下煤層開采，一些礦井涌水量大，而且不少礦井還發(fā)生嚴(yán)重的井下突泥潰砂事故(水砂混合涌突或稱井下泥石流)，如陜西永隴礦區(qū)的崔木煤礦、照金煤礦、西北部的內(nèi)蒙古上海廟煤礦等(部分突泥潰砂實(shí)例見表1)，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)，有的還造成了重大人員傷亡事故。

表1 部分煤礦突泥潰砂實(shí)例

關(guān)于風(fēng)化殼、特別是古風(fēng)化殼的工程地質(zhì)性質(zhì)和工程災(zāi)害研究，目前還不夠系統(tǒng)和深入。李術(shù)才等將交通隧道突水突泥構(gòu)造分成“巖溶類、斷層類、其他成因類”3種類別。20世紀(jì)60年代以來，我國即開始在東部厚松散層、河湖下采煤試驗(yàn)，開展煤炭開采突水、突泥潰砂機(jī)理及防治技術(shù)研究，編制了《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》。研究表明，采動(dòng)突泥潰砂應(yīng)具備3個(gè)基本條件：① 具有物源，即松散破碎的泥砂，如松散土層、基巖中的陷落柱充填物、斷層泥等；② 突泥潰砂通道，即采動(dòng)裂隙；③ 一定水壓作用，如承壓水和水頭較高的潛水。鄂爾多斯盆地巨厚白堊系覆蓋下的侏羅系煤層開采礦井，由于埋深大、基巖厚度大(300～600 m)、完整(大都為厚層狀、整體狀結(jié)構(gòu))且強(qiáng)度較高(白堊系巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度一般20～40 MPa，侏羅系巖石30～60 MPa)，目前發(fā)生突泥潰砂事故的礦井，其泥砂來源一般可以排除地表松散層和斷層破碎帶物質(zhì)。最近的一些研究認(rèn)為，泥砂來源主要有2種：一是侏羅系煤層頂板導(dǎo)高之內(nèi)存在遇水泥化的巖層(安定組泥巖)；二是認(rèn)為來源于白堊系采動(dòng)離層裂隙(離層裂隙發(fā)育時(shí)是否一定產(chǎn)生泥砂？還有待進(jìn)一步研究)。但筆者認(rèn)為，這2種情況是在白堊系下侏羅系煤層開采較為普遍存在的共同條件，很難解釋為何只在一些礦井或同一礦井的部分工作面發(fā)生采動(dòng)突泥潰砂。

筆者通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析等，認(rèn)為鄂爾多斯盆地巨厚白堊系覆蓋下煤層開采突泥潰砂還有新的物質(zhì)來源，即白堊系與侏羅系不整合接觸帶的古風(fēng)化殼(以下簡稱K/J古風(fēng)化殼)破碎巖體；試驗(yàn)測(cè)試了古風(fēng)化殼的物理力學(xué)性質(zhì)，分析了發(fā)生突泥潰砂的地質(zhì)工程條件，建立了K/J古風(fēng)化殼下采煤突泥潰砂的工程地質(zhì)模型。

1 K1/J2古風(fēng)化殼突泥潰砂物源的地質(zhì)成因

1.1 K1/J2古風(fēng)化殼地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)鄂爾多斯盆地區(qū)域地質(zhì)勘探資料，鄂爾多斯盆地腹部白堊系厚度0～1 200 m(圖1)。白堊系主體地層K(盆地北部命名為志丹群，南部細(xì)分為洛河組K和宜君組K)與下伏中侏羅系安定組J呈平行(或小角度)不整合接觸；上侏羅統(tǒng)沉積普遍缺失，僅在西緣卓子山東麓等地區(qū)存在(圖2)，沉積間斷1 850萬～2 000萬a，且由于鄂爾多斯盆地整體為克拉通盆地，白堊系底部應(yīng)該保存有K/J接觸帶古風(fēng)化殼(J頂部巖層古風(fēng)化層)的存在。

圖1 鄂爾多斯盆地白堊系覆蓋及主要礦井分布(據(jù)文獻(xiàn)[3]修改)Fig.1 Cretaceous coverage and distribution of main mines in Ordos Basin (modified according to Reference [3])

圖2 鄂爾多斯盆地K1/J2接觸帶地層結(jié)構(gòu)Fig.2 Stratigraphic structure of K1/J2 contact zone in Ordos Basin

1.2 K1/J2古風(fēng)化殼典型露頭巖性結(jié)構(gòu)特征

在區(qū)域地層地質(zhì)資料分析的基礎(chǔ)上，筆者團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了K/J古風(fēng)化殼露頭工程地質(zhì)調(diào)查。目前主要針對(duì)鄂爾多斯盆地K/J接觸帶露頭的東部區(qū)域，開展了為期近半年的野外露頭調(diào)查工作。在近南北約1 000 km的K/J接觸帶露頭地段(河流溝谷、線狀工程開挖處等)，已探明多個(gè)K/J古風(fēng)化殼露頭點(diǎn)，這里給出5個(gè)典型的古風(fēng)化殼露頭位置點(diǎn)(圖3)。

通過古風(fēng)化殼露頭調(diào)查，認(rèn)識(shí)到K/J古風(fēng)化殼巖體結(jié)構(gòu)有如下特征：① K/J古風(fēng)化殼巖體破碎，呈碎裂狀和散體狀結(jié)構(gòu)(與碎石土類似)，與上部的白堊系底部巖層厚層狀結(jié)構(gòu)差異明顯；② 古風(fēng)化殼因巖性不同，風(fēng)化破碎程度有差異，泥巖為主的古風(fēng)化殼(神木縣、靖邊縣)頂部有古土壤層，砂巖為主(甘泉縣、安塞區(qū))的則沒有古土壤層；③ 古風(fēng)化殼自上而下有較明顯的垂直分帶，依次為全風(fēng)化土壤層(泥巖為主的風(fēng)化殼)、強(qiáng)風(fēng)化的碎石層、中-弱風(fēng)化的裂隙塊石層，最下為未風(fēng)化的原巖；風(fēng)化殼厚度(包括全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化)厚20～30 m。K/J古風(fēng)化殼、特別是全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化古風(fēng)化殼的上述巖體結(jié)構(gòu)特征，與松散土層結(jié)構(gòu)類似，具備了突泥潰砂的巖體結(jié)構(gòu)特征。

圖3 鄂爾多斯盆地K1/J2古風(fēng)化殼典型露頭Fig.3 Typical outcrops of K1/J2 paleoweathered crust in Ordos Basin

2 K1/J2古風(fēng)化殼的物理力學(xué)性質(zhì)

2.1 粒度組成和礦物成分

從典型露頭點(diǎn)取回全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化的K/J古風(fēng)化破碎巖塊，顆粒篩分結(jié)果見表2，并繪制了粒徑級(jí)配累計(jì)曲線(圖4)。由表2可以看出，天然狀態(tài)下K/J古風(fēng)化破碎巖塊粒度組成差別不大，整體以不規(guī)則的角礫(>2 mm)為主，占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的72.51%～92.2%，平均為78.34%；砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比7.26%～26.85%，平均為20.75%；粉、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1%，占比極少；按粒徑組成可以將其命名為碎石土的“含砂角礫土”。均勻系數(shù)和分選系數(shù)可以用來描述粒度組成均勻性和分選性的好壞，計(jì)算公式為=，=； 其中，，，可以由圖4取值。計(jì)算出天然狀態(tài)下K/J古風(fēng)化破碎巖塊均勻系數(shù)在6.00～47.14，平均為22，說明粒度組成很不均勻；分選系數(shù)在2.03～3.37，平均為2.82，說明分選性好。

采用X射線衍射儀(型號(hào)X-Ray Diffraction，D8 Advance)對(duì)露頭點(diǎn)K/J古風(fēng)化殼的礦物成分及含量進(jìn)行了測(cè)試分析。首先將K/J古風(fēng)化殼樣品制成粒度為細(xì)粉狀態(tài)，過325目(48 μm)篩分，每份樣品質(zhì)量不少于0.5 g；然后將樣品放入X射線衍射儀進(jìn)行分析得到衍射數(shù)據(jù)；再采用MDI-Jade6衍射分析軟件對(duì)衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行定性和半定量礦物學(xué)分析。K/J古風(fēng)化殼的礦物成分及含量的測(cè)試結(jié)果見表3。

表2 K1/J2古風(fēng)化殼粒度組成

圖4 K1/J2古風(fēng)化殼粒徑級(jí)配累計(jì)曲線Fig.4 Grain size gradation cumulative curves of K1/J2 paleoweathered crust

表3 K1/J2古風(fēng)化殼礦物成分及黏土礦物成分相對(duì)定量分析結(jié)果

由表3可明顯看出所有露頭點(diǎn)的古風(fēng)化殼均含有石英，這是因?yàn)樵跈z測(cè)到的礦物類型中石英是最穩(wěn)定的礦物，同時(shí)石英也是地球表面上最穩(wěn)定的礦物之一。檢測(cè)到的其余礦物(方解石、白云石、鈉長石、白云母、高嶺石、伊利石、蒙脫石和綠泥石)隨取樣地點(diǎn)不同而產(chǎn)生變化性分布。比如神木和安塞區(qū)露頭點(diǎn)K/J古風(fēng)化殼未檢測(cè)到方解石，可能已經(jīng)全部風(fēng)化分解為其他次生礦物。從黏土礦物成分相對(duì)含量分析可知，靖邊縣露頭點(diǎn)K/J古風(fēng)化殼黏土礦物以伊利石為主，而調(diào)查的其他4處露頭點(diǎn)K/J古風(fēng)化殼黏土礦物以蒙脫石為主。采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)K/J古風(fēng)化殼黏土礦物的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了圖像采集(圖5)，圖5(a)為以蒙脫石礦物為主的微觀結(jié)構(gòu)，整體主要呈片狀結(jié)構(gòu)，部分片狀凝聚在一起呈相對(duì)較大的塊狀體；圖5(b)為以伊利石礦物為主的微觀結(jié)構(gòu)，整體為較大的彎曲薄片和絲狀單晶，聚合后呈蜂窩狀和絮團(tuán)狀。

圖5 K1/J2古風(fēng)化殼黏土礦物掃描電鏡圖像Fig.5 Scanning electron microscope image of K1/J2paleoweathered crust clay minerals

2.2 水理性質(zhì)

選取不同露頭點(diǎn)的K/J古風(fēng)化殼樣品，采用清水浸泡，觀察浸水過程中巖樣的水穩(wěn)性。對(duì)比分析5個(gè)露頭點(diǎn)不同巖性K/J古風(fēng)化殼巖樣浸水試驗(yàn)結(jié)果，有如下特征規(guī)律：第1種，巖性以泥巖為主：巖樣浸水后表面迅速產(chǎn)生氣泡，表層顆粒自動(dòng)脫落，邊角部分隨即軟化，在幾分鐘到半小時(shí)內(nèi)巖塊逐漸泥化，塊體結(jié)構(gòu)分解為土狀的泥砂顆粒(圖6(a))；泥巖浸水泥化后的粉、黏粒含量占比超過一半(表2)。第2種，巖性以砂質(zhì)泥巖為主：巖樣浸水后表面持續(xù)有氣泡產(chǎn)生，在浸水幾分鐘后巖塊開始出現(xiàn)裂縫，但其巖塊結(jié)構(gòu)保持相對(duì)完整；在浸水半小時(shí)以后，巖塊出現(xiàn)縱橫交錯(cuò)的裂縫，表層顆粒開始在浸水的作用下脫落，邊角部分有軟化現(xiàn)象；在浸水幾小時(shí)以后，巖塊表層顆粒脫落數(shù)量明顯增加，塊體結(jié)構(gòu)崩解為小碎塊狀和部分泥砂顆粒(圖6(b))；砂質(zhì)泥巖浸水崩解后的粉、黏粒含量遠(yuǎn)高于天然狀態(tài)下的含量(表2)。第3種，巖性以泥質(zhì)砂巖和泥灰?guī)r為主：巖樣浸水后表面緩慢間斷性出現(xiàn)氣泡，在浸水幾十分鐘后才出現(xiàn)裂紋，巖塊結(jié)構(gòu)保持完整，隨著浸水時(shí)間增加，氣泡逐漸消失；在浸水十幾個(gè)小時(shí)后，巖塊表面的裂紋逐漸擴(kuò)張為貫穿巖塊的裂縫，幾乎看不到砂泥質(zhì)顆粒脫落(圖6(c))。第4種，巖性以砂巖為主：巖樣浸水后偶爾出現(xiàn)小氣泡，巖塊幾乎不發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，在浸水1 d后仍然保持穩(wěn)定的原狀結(jié)構(gòu)(圖6(d))。

2.3 力學(xué)性質(zhì)

..點(diǎn)荷載試驗(yàn)

圖6 不同巖性K1/J2古風(fēng)化殼巖樣浸水24 h水穩(wěn)性狀態(tài)Fig.6 Water stability of K1/J2 paleoweathered crust samples with different lithology for 24 hours

圖7 巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)儀Fig.7 Rock point load tester

圖8 JB-1組巖樣關(guān)系曲線 relationship curve of JB-1 group rock samples

根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》可知，實(shí)測(cè)的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)與巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度之間的換算公式為

(1)

按照式(1)可以換算出每組巖樣的飽和單軸抗壓強(qiáng)度。然后運(yùn)用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則將巖塊飽和單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行折減修正來估算巖體強(qiáng)度指標(biāo)，以滿足工程需要。露頭點(diǎn)處K/J古風(fēng)化殼力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 K1/J2古風(fēng)化殼力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

..原位剪切試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)地點(diǎn)及試體布置。根據(jù)K/J古風(fēng)化殼露頭點(diǎn)調(diào)查情況，按巖性分布和場地合適性，確定泥灰?guī)r、砂巖和砂質(zhì)泥巖巖組原位剪切試驗(yàn)在榆林市靖邊縣典型露頭點(diǎn)開展；泥巖巖組原位剪切試驗(yàn)在榆林市神木縣典型露頭點(diǎn)進(jìn)行。每種巖性巖組原位剪切試驗(yàn)布置4個(gè)試體，每個(gè)試體間距不小于50 cm，試體尺寸為50 cm×50 cm×30 cm；試體開挖采用人工方式，盡量減少對(duì)試體產(chǎn)生擾動(dòng)和破壞。

(2)試驗(yàn)儀器及設(shè)備。剪切框1個(gè)：尺寸為50 cm×50 cm×25 cm(內(nèi)凈距)，采用12 mm厚的鋼板加工制作。鋼板4塊：滾排上鋼板和垂向千斤頂上鋼板各1塊，尺寸為50 cm×50 cm×2 cm；水平千斤頂上鋼板2塊，尺寸為50 cm×30 cm×2 cm，均采用20 mm厚的鋼板加工制作。加載千斤頂2套：最大量程分別為50 t和10 t，配有壓力表。變形觀測(cè)百分表2個(gè)：百分表量程50 mm，精度0.01 mm。其他工具：電鎬、切割機(jī)、發(fā)電機(jī)、鋼梁、鐵鍬、編織袋、水平尺等。

(3)試驗(yàn)步驟及結(jié)果。K/J古風(fēng)化殼原位剪切試驗(yàn)過程中試驗(yàn)場地清理，試坑開挖和試體修整，以及剪切框、千斤頂、百分表、鋼梁和堆載裝置等安裝，垂直荷載和剪切荷載施加等步驟參考《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)條件，法向載荷設(shè)置為4個(gè)等級(jí)，分別為20.8，41.7，62.5和83.3 kPa。K/J古風(fēng)化殼原位剪切試驗(yàn)裝置如圖9所示。

圖9 K1/J2古風(fēng)化殼原位剪切試驗(yàn)裝置Fig.9 In situ shear test device for K1/J2 paleoweathered crust

根據(jù)不同法向應(yīng)力條件下的原位剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制了每組試體剪切應(yīng)力-剪切位移曲線(圖10)。由圖10可以看出,在較低的正應(yīng)力條件下，加載初期曲線呈線性趨勢(shì)，隨著剪應(yīng)力增大有短暫的屈服軟化階段，過了剪應(yīng)力峰值后，剪應(yīng)力迅速降低；而在較高的正應(yīng)力條件下，過了初期線性加載階段后，隨著剪應(yīng)力增大，持續(xù)長時(shí)間非線性屈服軟化階段，過了剪應(yīng)力峰值后，剪應(yīng)力降低不是很明顯，沒有明顯的屈服強(qiáng)度。

圖10 K1/J2古風(fēng)化殼剪切應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.10 Shear stress-shear displacement curves of K1/J2 paleoweathered crust

根據(jù)庫侖定理：=tan+c，圖11繪制了每組試體的剪切應(yīng)力-法向應(yīng)力曲線，采用最小二乘法進(jìn)行線性回歸擬合,求出抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；K/J古風(fēng)化殼黏聚力和內(nèi)摩擦角原位測(cè)試結(jié)果見表5。

圖11 K1/J2古風(fēng)化殼剪切應(yīng)力-法向應(yīng)力擬合曲線Fig.11 Shear stress-normal stress fitting curves of K1/J2 paleoweathered crust

通過分析K/J古風(fēng)化殼的物理力學(xué)性質(zhì)，認(rèn)識(shí)到古風(fēng)化殼巖性以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，巖體結(jié)構(gòu)在垂向上總體分為全風(fēng)化土壤層、強(qiáng)風(fēng)化碎石層和中-弱風(fēng)化裂隙塊石層，巖石浸水呈現(xiàn)泥化、崩解、碎裂和穩(wěn)定4種狀態(tài)，巖體強(qiáng)度低，總體屬于軟弱破碎巖

表5 K1/J2古風(fēng)化殼黏聚力和內(nèi)摩擦角測(cè)試結(jié)果

體。認(rèn)為全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化的古風(fēng)化巖，以及中等風(fēng)化的泥巖，浸水呈現(xiàn)泥化和崩解狀態(tài)的古風(fēng)化巖，容易成為突泥潰砂的物源。

3 突泥潰砂物源的識(shí)別

上述理論和試驗(yàn)測(cè)試研究表明，K/J古風(fēng)化殼的存在，是鄂爾多斯盆地白堊系覆蓋下侏羅系煤層開采突泥潰砂的主要物質(zhì)來源。由于古風(fēng)化殼受后期構(gòu)造抬升剝蝕的影響，K/J不整合接觸在空間分布上，并不一定普遍存在。對(duì)于鄂爾多斯盆地白堊系覆蓋的目前開采礦井區(qū)(圖1)，由于以往的礦井地質(zhì)勘探工作，沒有關(guān)注K/J古風(fēng)化殼的存在，加之勘探鉆孔難以取到埋深數(shù)百米的古風(fēng)化殼軟弱破碎巖心；因此，如何判別埋深數(shù)百米K/J古風(fēng)化殼的存在？即K/J古風(fēng)化殼識(shí)別評(píng)價(jià)方法，是必須首先要解決的問題。

對(duì)于鄂爾多斯盆地白堊系覆蓋區(qū)目前開采礦井，前期各類勘探鉆孔都有一定數(shù)量的鉆孔測(cè)井資料，可以利用鉆孔波速測(cè)井曲線，結(jié)合鉆孔地層巖性分界位置，在K/J地層界面下部，是否存在低波速帶及其段長，來確定K/J古風(fēng)化殼的存在及其厚度。圖12為某礦鉆孔在K/J接觸帶處的測(cè)井曲線變化情況。可以看出從白堊系底界面進(jìn)入侏羅系安定組上部后，出現(xiàn)雙收時(shí)差曲線呈增大突變趨勢(shì)，表明此段巖層孔隙、裂隙相對(duì)發(fā)育；密度曲線呈減小突變趨勢(shì)，也證明了此段巖層相對(duì)較高的孔隙率。自然伽瑪對(duì)沉積巖中的泥質(zhì)含量十分敏感，K/J界面處自然伽瑪曲線也呈增大突變趨勢(shì)，表明此段巖層泥質(zhì)含量相對(duì)較高。長期的風(fēng)化作用會(huì)導(dǎo)致巖石中的原生礦物向次生礦物轉(zhuǎn)變，內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸松散化；從而出現(xiàn)低波速、低密度和高泥質(zhì)含量的現(xiàn)象。分析測(cè)井曲線證明了鉆孔處K/J接觸帶存在古風(fēng)化殼。

圖12 據(jù)鉆孔測(cè)井曲線劃分K1/J2接觸帶古風(fēng)化殼Fig.12 Divide the paleoweathering crust of the K1/J2 contact zone according to the borehole logging curve

巖石的風(fēng)化程度可以根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》巖石風(fēng)化程度分類表中的波速比來判斷。前文總結(jié)出全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化K/J古風(fēng)化殼具備突泥潰砂結(jié)構(gòu)組成條件，那么滿足的波速比條件為：=<06(為古風(fēng)化殼巖層波速；為古風(fēng)化殼下新鮮基巖層波速)；則在雙收時(shí)差曲線上滿足的條件為：1>1(06)。按照此方法即可求出全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化K/J古風(fēng)化殼的厚度。分析鄂爾多斯盆地某礦的鉆孔測(cè)井曲線資料，繪制出了K/J古風(fēng)化殼中全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化厚度等值線圖(圖13)。

圖13 某礦K1/J2古風(fēng)化殼全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化厚度等值線Fig.13 Thickness contour map of the K1/J2 paleoweathered crust in a mine with full weathering and strong weathering

4 K1/J2古風(fēng)化殼下采動(dòng)突泥潰砂工程地質(zhì)模型

K/J古風(fēng)化殼的存在，為侏羅系煤炭開采突泥潰砂提供了主要物源組成。但是否一定發(fā)生突泥潰砂，還受到煤層開采厚度、煤層與古風(fēng)化殼間距及其間的巖層巖性組成、古風(fēng)化殼上覆白堊系含水層水壓大小等關(guān)鍵條件因素影響。基于松散含水層覆蓋下煤層開采突泥潰砂的已有研究，可以建立K/J古風(fēng)化殼下煤層開采突泥潰砂的工程地質(zhì)模型(圖14)。

圖14 K1/J2古風(fēng)化殼下煤層開采突泥潰砂工程地質(zhì)模型Fig.14 Engineering geological model of mud-sand inrush in coal seam mining under K1/J2 paleoweathered crust

判斷古風(fēng)化殼下采動(dòng)能否發(fā)生突泥潰砂，關(guān)鍵在于煤層頂板距古風(fēng)化殼底界的間距是否小于采動(dòng)垮落帶高度和臨界保護(hù)厚度之和(圖14，式(2))。臨界保護(hù)層厚度值與白堊系水柱高度、K/J古風(fēng)化殼厚度以及保護(hù)層(垮落帶之上的侏羅系煤層頂板采動(dòng)裂隙)的臨界水力梯度值有關(guān)(式(2))。目前，在沒有侏羅系煤層頂板垮落帶之上采動(dòng)裂隙層臨界水力梯度實(shí)測(cè)值時(shí)，可以參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》松散含水砂層(全厚大于采厚)下中硬頂板(侏羅系煤層頂板大多屬于此類)保護(hù)層厚度2(為采厚)來確定，若侏羅系煤層開采垮落帶厚度按4倍采厚計(jì)算，則可大致得到判斷突泥潰砂的判據(jù)為≤6。

(2)

式中，為煤層頂板距古風(fēng)化殼底界距離，m；為垮落帶高度，m；為臨界保護(hù)層厚度，m；為古風(fēng)化殼厚度，m；為白堊系含水層水柱高度，m；為保護(hù)層臨界水力梯度。

圖15 某礦工作面突泥潰砂處覆巖地質(zhì)條件Fig.15 Geological conditions of the overlying rock where the mud-sand inrush in a mining face

以黃隴煤田某礦突水潰砂事故為例，開采工作面發(fā)生突水潰砂處的覆巖地質(zhì)條件如圖15所示。按照式(2)分析，綜放開采煤層厚度9.7 m，即=9.7 m，保護(hù)層厚度取2=19.4 m，垮落帶厚度取4=38.8 m。則突泥潰砂的判據(jù)為：=54.1 m≤6=58.2 m，滿足突泥潰砂的判據(jù)條件；故工作面回采推進(jìn)到此處時(shí)，發(fā)生突泥潰砂事故。

5 結(jié) 論

(1)區(qū)域野外地質(zhì)露頭調(diào)查，認(rèn)識(shí)到鄂爾多斯盆地侏羅—白堊系不整合接觸帶(K/J)存在古風(fēng)化殼，發(fā)育在中侏羅系頂部，巖性以泥質(zhì)砂巖、泥巖為主。

(2)K/J古風(fēng)化殼與上部白堊系和下部未風(fēng)化的中侏羅系厚層狀和整體狀結(jié)構(gòu)存在明顯差異，垂向上總體分為全風(fēng)化土壤層、強(qiáng)風(fēng)化碎石層和中-弱風(fēng)化裂隙塊石層，厚度20～30 m。

(3)K/J古風(fēng)化殼全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化層粒度組成很不均勻，主要以角礫為主，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均約21%,粉、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1%；黏土礦物主要以蒙脫石和伊利石為主，巖石浸水以泥化、崩解和碎裂為主；巖體強(qiáng)度低，總體屬軟弱破碎巖體；是巨厚白堊系覆蓋下侏羅系煤層開采頂板突泥潰砂的主要物質(zhì)來源。

(4)利用各類鉆孔波速測(cè)井曲線，結(jié)合鉆探巖芯、巖性變化等特征，識(shí)別確定K/J古風(fēng)化殼的位置和厚度；提出了K/J古風(fēng)化殼下侏羅系煤層開采突泥潰砂的工程地質(zhì)模型，并給出了古風(fēng)化殼下采動(dòng)突泥潰砂的初步判據(jù)。

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