楊 濤 ，閆醫(yī)慧 ，張 杰 ，林海飛 ，何義峰 ，張一銘 ，高守世

（1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院, 陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 教育部西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054）

0 引 言

目前，煤炭資源的持續(xù)開(kāi)采已經(jīng)使各礦區(qū)逐步過(guò)渡到下煤層的開(kāi)采[1]。近年來(lái)在陜北淺埋煤層群開(kāi)采過(guò)程中頂板突水事故的發(fā)生對(duì)中國(guó)能源安全構(gòu)成了威脅[2-4]。由于榆神府礦區(qū)煤層頂板有天然保水屏障?隔水土層，所以目前對(duì)頂板突水的研究不再局限于采場(chǎng)附近小范圍基巖的破壞，而需要綜合考慮在基巖?土體?水體的協(xié)同作用下隔水層的穩(wěn)定性。對(duì)于存在上覆松散含水層的煤層開(kāi)采后，隔水土層的穩(wěn)定性與覆巖中導(dǎo)水通道的分布以及裂隙滲流規(guī)律有著密切的聯(lián)系[5]。開(kāi)采擾動(dòng)及水體滲透的作用使得隔水土層滲透性增強(qiáng)，將導(dǎo)致潛水層水流沿裂隙流向工作面，嚴(yán)重時(shí)將引發(fā)煤礦頂板突水事故[6-8]。神府礦區(qū)井田煤層埋藏較淺，各可采煤層導(dǎo)水裂隙帶高度在大部分地區(qū)大于相鄰兩煤層間的距離，導(dǎo)水裂隙帶互相疊加，大部分地區(qū)導(dǎo)水裂隙帶可直達(dá)地表，溝通第四系松散層潛水和地表水。然而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中頂板涌水機(jī)理相對(duì)復(fù)雜，從薄基巖淺埋煤層頂板突水因素考慮，隔水土層是一層特殊且關(guān)鍵的隔水地層，不能以普通隔水基巖或者地表松散土層一概而論[9-11]。筆者前期通過(guò)建立孔隙水壓解析力學(xué)模型分析了隔水土層孔隙水壓的波動(dòng)與頂板突水之間的規(guī)律。土層與基巖性質(zhì)差異較大，不同埋深的土層之間也有性質(zhì)差異，那么對(duì)于厚土層?基巖層之間協(xié)同隔水性能的判定，需要充分考慮上述差異性。范立民等[12-13]提出將含水層底部的土層與基巖風(fēng)化帶一起構(gòu)成隔水巖組來(lái)開(kāi)采煤層，許延春[14]根據(jù)黏土液塑限試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)識(shí)到深部飽和黏土處于半固態(tài)或硬塑狀態(tài)，建議允許將埋深大的厚層黏土作為防砂安全煤柱的保護(hù)層；崔廣心[15]指出深部土是典型的“土不土、巖不巖”的特殊類型土，是一種土向軟巖過(guò)渡的特殊性質(zhì)土，認(rèn)為深部土的研究與淺部土的不同在于：淺表土常規(guī)土力學(xué)以研究土的承載能力有關(guān)，而深部土研究以土對(duì)結(jié)構(gòu)的荷載為主。劉世奇[16]通過(guò)建立散體相似模型對(duì)底層中巖體、黏土層這兩種不同力學(xué)性質(zhì)的地層組合的采動(dòng)協(xié)同變形及其力學(xué)傳遞方式展開(kāi)了研究。目前，也有一些學(xué)者從微觀角度以及固液耦合作用角度來(lái)描述裂隙，黃慶享等[17]提出隔水土層“上行裂隙”與“下行裂隙”的發(fā)育及彌合，并提出以隔采比來(lái)判定隔水土層的穩(wěn)定性。張杰等[18-19]通過(guò)固?液耦合試驗(yàn)提出采用長(zhǎng)壁間隔式開(kāi)采來(lái)抑制采動(dòng)裂隙在隔水土層中的發(fā)展并提出土采比的不同將導(dǎo)致隔水土層發(fā)生不同的破壞形式并用試驗(yàn)驗(yàn)證，為淺埋煤層頂板突水提供參考依據(jù)。

以薄基巖淺埋煤層群開(kāi)采時(shí)土?巖協(xié)同隔水穩(wěn)定性為研究目標(biāo)，擬通過(guò)原位鉆孔土力學(xué)試驗(yàn)來(lái)獲取隔水土層性質(zhì)，根據(jù)性質(zhì)的不同將隔水土層分層，再根據(jù)理論計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)對(duì)隔水土層在重復(fù)開(kāi)采擾動(dòng)以及上覆松散潛水含水層滲流作用下破壞形式進(jìn)行研究，為淺埋煤層群下行開(kāi)采頂板突水提供了一定的理論依據(jù)。

1 不同埋深土層性質(zhì)差異分析

1.1 狀態(tài)異性

神府礦區(qū)地處陜北黃土高原北部和毛烏素沙漠東南緣，地形西北高東南低，海拔一般+1 100～+1 350 m，地表大部分被第四系及新近系松散層覆蓋，基巖沿溝谷兩岸出露。韓家灣煤礦水文地質(zhì)類型屬中等，該區(qū)地貌單元大致為風(fēng)積沙地貌。該地松散含水層水儲(chǔ)量分布不均且變化較大，加之季節(jié)性降雨會(huì)使地表徑流水量不穩(wěn)定，進(jìn)一步增大了下行開(kāi)采水害預(yù)測(cè)難度。

韓家灣煤礦隔水土層全區(qū)分布，厚度一般10～55 m。經(jīng)過(guò)原位鉆孔試驗(yàn)、室內(nèi)液相指數(shù)測(cè)試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隔水土層天然可塑，形態(tài)從硬塑到堅(jiān)硬均有分布（圖1）。

圖1 液相指數(shù)與埋深之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between liquid index and buried depth

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得上圖，對(duì)數(shù)據(jù)擬合處理得出線性擬合方程，擬合方程為y（液相指數(shù)）= ?0.006 87x（埋深）+0.158 01，R2=0.931 67，擬合度較好。令上述擬合方程中y=0，則可求得韓家灣煤礦紅土的平均變性界限深度為23 m。以此為界限將韓家灣煤礦土層埋深小于變性界限深度的土層稱為上層位隔水土層，這層土呈現(xiàn)為塑性狀態(tài)，具有良好的延展性和可塑性；將韓家灣煤礦土層埋深大于變性界限深度的土層稱為下層位隔水土層，這層土呈現(xiàn)為固結(jié)狀態(tài)，具有良好的硬度及固結(jié)性，性質(zhì)類似于基巖。筆者為區(qū)分隔水土層與普通基巖在狀態(tài)上隨著埋深的變化特征，為此提出隔水土層隨埋深變化的狀態(tài)異性，示意如圖2 所示。

圖2 “煤?覆巖?土層”三位一體結(jié)構(gòu)模型Fig.2 “Coal-overburden-soil”trinity structure model

1.2 不同層位土層滲流特性試驗(yàn)

由于基巖較薄，煤層開(kāi)采初期會(huì)對(duì)隔水層產(chǎn)生弱的擾動(dòng)，產(chǎn)生細(xì)小的裂隙。可以將此階段描述為突水孕育的階段，即水在裂隙中的滲流階段。裂隙寬度小，水流過(guò)裂隙時(shí)所受到的阻力大，這里可將此階段的裂隙滲流等效為低速的多孔介質(zhì)滲流進(jìn)行描述，方程可表示為：

式中：v為流體流速；k為滲透系數(shù)；η為動(dòng)力黏度系數(shù)；p為含水層的壓力；?為梯度算子。

隔水土層在開(kāi)采擾動(dòng)作用下通常同時(shí)發(fā)生應(yīng)力變形和滲流作用，當(dāng)隔水土層厚度較大、開(kāi)采煤層厚度較小時(shí)，煤層開(kāi)采對(duì)隔水土層的擾動(dòng)較小，不會(huì)使隔水土層發(fā)生大的拉伸、剪切破壞，但土體的體積、孔隙、結(jié)構(gòu)等物理特性會(huì)發(fā)生變化從而導(dǎo)致隔水土層的滲透性發(fā)生變化，在自重應(yīng)力作用下，含水層的水向下運(yùn)動(dòng)形成滲透水壓差，從而引起水體通過(guò)隔水土層出現(xiàn)滲透現(xiàn)象。我們可以通過(guò)變水頭試驗(yàn)法得到不同層位隔水土層的滲透系數(shù)。

圖3 中，Q 為出水量；A 為土樣橫斷面積；r 為土樣厚度。設(shè)試驗(yàn)過(guò)程中任意時(shí)刻t作用于土樣兩端的水頭差為Δh，經(jīng)過(guò)dt微時(shí)段后，管中水位下降dh，則dt時(shí)段內(nèi)流入試樣的水量微增量為：

圖3 變水頭試驗(yàn)裝置示意Fig.3 Schematic of variable head experimental device

式中：s為玻璃管橫截面積；右端的負(fù)號(hào)表示流入水量隨Δh的減少而增加。

根據(jù)達(dá)西定律，dt時(shí)段內(nèi)流入土樣的滲流量為

式中：A為土樣的橫斷面積；i為水力梯度；r為土樣長(zhǎng)度根據(jù)水流連續(xù)原理，應(yīng)有dVe=dV0，即：

從而得土樣的滲透系數(shù)：

通過(guò)選定幾組不同的Δh1、Δh2值，分別測(cè)出他們所需的時(shí)間Δt，利用上式計(jì)算土體的滲透系數(shù)k，然后取平均值，作為該土樣的滲透系數(shù)。可以在現(xiàn)場(chǎng)選3 組土樣，分別試驗(yàn)求出其滲透系數(shù)，然后取平均值，作為該礦區(qū)的滲透系數(shù)。此試驗(yàn)適用于測(cè)定透水性較小的粘性土的滲透系數(shù)。

通過(guò)試驗(yàn)研究表明，黏土的平均孔隙直徑在0.14～0.19 μm，黏土的滲透系數(shù)k在10?6～10?5cm/s。當(dāng)滲透系數(shù)降低一個(gè)或數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，可判斷黏土隔水穩(wěn)定性完好。對(duì)韓家灣煤礦選取土樣進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)埋深在20 m 時(shí)隔水土層滲透系數(shù)降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，之后隨著隔水土層深度的增加滲透系數(shù)保持不變，表明埋深在20 m 以下的隔水土層隔水性能良好。試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 滲透系數(shù)與上層位隔水土層頂界面以下深度關(guān)系Fig.4 Relationship between permeability coefficient and depth below the top interface of upper aquifuge soil layer

2 上層位土裂隙發(fā)育機(jī)理

煤層頂板上覆巖層的垮落是導(dǎo)致裂隙發(fā)育的根本原因，而隔水土層上部潛水重力是工作面頂板突水的動(dòng)力。一方面，水會(huì)對(duì)隔水土層起到軟化作用，另一方面，水在重力作用下會(huì)對(duì)隔水土層產(chǎn)生擠入破壞作用。在這兩方面的作用下，裂隙不斷延伸拓展。

前人通過(guò)大量的試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，隔水土層裂隙在潛水的軟化作用以及采動(dòng)應(yīng)力恢復(fù)作用下[20-21]，土層裂隙會(huì)出現(xiàn)彌合現(xiàn)象，將會(huì)進(jìn)一步增加隔水保護(hù)層厚度。這是由于采空區(qū)內(nèi)應(yīng)力恢復(fù)是由上覆巖體垮落堆積、下沉壓縮而形成的，而上覆巖體及隔水土層在垮落及斷裂破壞過(guò)程中形成的大量裂隙、孔隙等空間也將在采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)的過(guò)程中被壓縮。

當(dāng)上煤層開(kāi)采對(duì)隔水土層產(chǎn)生的影響較弱時(shí)，下煤層開(kāi)采在采動(dòng)應(yīng)力恢復(fù)以及潛水的軟化作用下使得隔水土層中的大量裂隙閉合，形成孔隙系統(tǒng)，但因此形成滲流優(yōu)勢(shì)面，在下煤層重復(fù)開(kāi)采擾動(dòng)應(yīng)力以及水壓力作用下，新的裂隙在原裂隙面基礎(chǔ)上再次發(fā)生擴(kuò)展。

潛水在重力作用下使得裂隙結(jié)構(gòu)面發(fā)生拉?張型擴(kuò)展位移，增大裂隙結(jié)構(gòu)面的張開(kāi)度。自然條件下，地下水順著巖體裂隙向下滲流，并對(duì)其中的裂隙進(jìn)行沖刷侵蝕破壞使之?dāng)U展。

裂隙受水壓力作用擴(kuò)展過(guò)程中，裂隙應(yīng)在長(zhǎng)寬深3 個(gè)方向破裂及延伸。相應(yīng)有3 個(gè)流動(dòng)方向，但具體條件下將裂隙受裂隙水壓擴(kuò)展問(wèn)題簡(jiǎn)化成在裂隙長(zhǎng)、寬的二維破裂。設(shè)L為裂隙的發(fā)展方向，裂隙面上任一點(diǎn)L處的壓力為P，由于裂隙表面是粗糙的，則裂隙面上的阻力與該點(diǎn)的壓力成正比，其比例系數(shù)為裂隙面的粗糙系數(shù)K。裂隙承受的壓力包括潛水含水層水壓和部分上覆載荷。

如圖5 所示沿裂隙的發(fā)展方向取一微元，長(zhǎng)度為dL，寬度為dB，其(承受的水)壓力為P+，裂隙面產(chǎn)生的阻力為KP+。根據(jù)水流運(yùn)動(dòng)定律，L方向上有：

圖5 上層位隔水土層裂隙擴(kuò)展力學(xué)模型Fig.5 Mechanical model of crack propagation in upper aquifuge soil layer

式中：v為流體流速；ρ為水的密度。

因?yàn)榈叵滤魉俣入S時(shí)間變化很小，所以可以忽略所有二階微量，得：

解得：

式中：p0為潛水層含水層水壓及部分上覆荷載總壓力。

飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應(yīng)力可分為由土骨架承受的有效應(yīng)力和由孔隙水承受的孔隙水壓力兩部分，二者之間關(guān)系總是滿足下式：

式中：σ為作用在飽和土體中任意面上的總應(yīng)力；σ′為有效應(yīng)力，作用于同一平面的土骨架上；u為孔隙水壓力，作用于同一平面的孔隙水上。

引起土的體積壓縮和抗剪強(qiáng)度變化的原因，并不取決于作用在土體上的總應(yīng)力，而是取決于總應(yīng)力與孔隙水壓力之間的差值，即有效應(yīng)力。

由于含水層骨架具有一定的支撐載荷能力，所以上覆載荷只有部分傳遞至隔水土層。則作用在隔水土層上的全部總載荷為

則裂隙巖體中潛水的水頭壓力表達(dá)式為

在穩(wěn)定的滲流場(chǎng)中孔隙水壓力的大小不隨時(shí)間而變化，則

代入上式得

式中：h為松散含水層的水位高度；γw為水的容重；H為表土層的厚度；γb為表土層平均容重；l為載荷傳遞系數(shù)，取0.75；H′為含水層的厚度；γsat為含水層平均容重

載荷傳遞系數(shù)l的大小與含水層骨架顆粒的粒徑大小、骨架巖性等有關(guān)[22]。當(dāng)含水層以大粒徑礫石、砂礫為主時(shí)，顆粒相對(duì)松散，含水層滲透性能相對(duì)較好，有效應(yīng)力相對(duì)較低，即作為骨架的承載性能相對(duì)較弱，載荷傳遞系數(shù)較大，更多的將載荷傳遞到基巖頂界面。而當(dāng)含水層以細(xì)砂、黏土等小粒徑骨架為主時(shí)，骨架顆粒緊密，有一定的承載性能，載荷傳遞系數(shù)較小。

由上式裂隙水滲入巖體內(nèi)部時(shí)的壓力與裂隙參數(shù)的關(guān)系可知，水壓力隨著裂隙的深度及裂隙的粗糙度的增大而衰減?？梢缘贸隽严端疂B入裂隙的深度：

由上式可知，原始水壓越大，則滲入的裂隙深度越大，并且裂隙寬度越大時(shí)裂隙的深度也越大。當(dāng)總載荷p0小于或等于上層位隔水土層抗拉強(qiáng)度σT時(shí)，則認(rèn)為裂隙不再繼續(xù)擴(kuò)展，則裂隙的發(fā)育深度為

在實(shí)際計(jì)算中對(duì)隔水土層裂隙進(jìn)行概化，認(rèn)為在單位面積內(nèi)隔水土層裂隙為一條，其寬度之和作為單裂隙計(jì)算的寬度，使計(jì)算模型簡(jiǎn)化為單裂隙模型。

榆神府礦區(qū)隔水土層裂隙分為永久裂隙和臨時(shí)裂隙兩種類型，永久裂隙一般位于采空區(qū)外圍，開(kāi)采結(jié)束后，裂隙發(fā)育穩(wěn)定，臨時(shí)裂隙位于工作面前方，當(dāng)臨時(shí)裂隙寬度發(fā)育最大時(shí)，其裂隙總寬度B計(jì)算公式為：

式中：g為單個(gè)裂隙寬度；e為水平移動(dòng)系數(shù)；ω為采場(chǎng)上覆下層位土層撓度；R為主要影響半徑

3 下層位土?巖協(xié)同承載作用

張永雙等[23]基于對(duì)新近系硬黏土工程特性的全面分析，認(rèn)為深部硬黏土應(yīng)分類為“硬土/軟巖”類，即屬于巖、土之間的過(guò)渡類型。崔廣心[24]在進(jìn)行深厚表土層中地下結(jié)構(gòu)物的物理模擬試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，深部土的密度可達(dá)2.3×103～2.7×103kg/m3（與巖石近似）。由于隔水層往往在導(dǎo)水裂隙帶或彎曲下沉帶出現(xiàn)，則煤層開(kāi)采后，下層位隔水土層由于與基巖性質(zhì)相似，因此與巖層將發(fā)生同步的移動(dòng)變形，將隔水土層部分固結(jié)的、與基巖性質(zhì)相似的高強(qiáng)度土層（下層位土層）視為橫跨采空區(qū)上端的具有一定承載能力的梁，采用彈性力學(xué)的方法分析煤層上覆固結(jié)土層受力情況。

實(shí)際開(kāi)采中，直接頂和老頂破斷垮落后，其上薄基巖一般由破碎巖體支撐著，碎石對(duì)上部基巖作用一定的分布反力，若假設(shè)薄基巖下的支撐介質(zhì)具有彈性抗力，即假設(shè)符合彈性地基條件，則可將薄基巖簡(jiǎn)化為下圖6 所示的復(fù)合隔水層彈性地基基礎(chǔ)板。

圖6 復(fù)合隔水層彈性地基模型Fig.6 Elastic foundation model of composite aquifuge

將壓實(shí)后的破碎巖石視為彈性地基，進(jìn)而獲得支撐載荷f(x,y)的表達(dá)式為：

式中：ki為彈性地基系數(shù)；ω為采場(chǎng)上覆下層位土層撓度。

彈性地基系數(shù)與煤巖層厚度之間的關(guān)系[25]：

煤層及其上方i-1 層基巖組成的“組合體”的彈性地基系數(shù)ki：

式中：km為煤體的彈性地基系數(shù)；k1，···，ki?1為各巖層的彈性地基系數(shù)；Em為煤體的彈性模量；Ei為任一巖層的彈性模量；hi為煤層上方各巖層厚度；hc為綜合采高。

煤層開(kāi)采后，采掘空間內(nèi)原來(lái)承受上部載荷的煤炭被開(kāi)采，在頂板初次來(lái)壓斷裂前，上部巖層處于一種四邊固支的情況。將下層位隔水土層視為由上覆松散層、上層位隔水土層以及垮落帶矸石共同支撐的四邊固支的彈性地基矩形薄板（厚度遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度和寬度，并且作用于板的載荷垂直于板的平面），構(gòu)建頂板復(fù)合隔水層力學(xué)模型（圖7）。取隔水層的中性面為x-y平面，垂直于中性面的方向?yàn)閦軸，其中工作面推進(jìn)方向?yàn)閥軸方向，長(zhǎng)度為a；工作面傾向方向?yàn)閤軸方向，長(zhǎng)度為b。

圖7 土?巖復(fù)合隔水層力學(xué)模型Fig.7 Mechanical model of soil-rock composite aquiclude

為便于分析計(jì)算，假設(shè)下層位隔水土層之上巖土層包括上層位隔水土層以及上覆松散含水層的有效應(yīng)力視為均布載荷，此外還有含水層的孔隙水壓力；根據(jù)隔水層賦存特征及實(shí)際的開(kāi)采條件，周圍巖體對(duì)其支承視為固支邊界，其中固支邊為x=0，x=b，y=0，y=a。邊界條件滿足：

根據(jù)彈性薄板理論，采用瑞利-里茨法取滿足四邊固支的頂板下層位隔水土層一階撓度表達(dá)式[26]：

式中，A為撓度函數(shù)的系數(shù)。

依據(jù)最小勢(shì)能原理，可以求得頂板復(fù)合關(guān)鍵層撓度函數(shù)系數(shù)A為：

式中：γs為上層位土層的容重；hs為上層位土層的厚度；γ1為隔水土層上覆巖層的平均容重；h1為隔水土層上覆巖層的厚度；γx為下層位土層的容重；hx為下層位土層的厚度；ps為潛水水頭壓力；f為支撐載荷；D為下層位土層的抗彎剛度，

式中：Ex為下層位土層的彈性模量；μx為下層位土層的泊松比。

則：

將主要應(yīng)變分量εx，εy，γxy用ω表示，就得到

將主要應(yīng)力分量σx，σy和τxy用ω表示，就得到

根據(jù)彈性地基板撓度與應(yīng)力之間的關(guān)系，由撓曲方程可分別求出隔水層中σx，σy和τxy的應(yīng)力表達(dá)式：

根據(jù)諸多文獻(xiàn)的研究成果，以及調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析可知，當(dāng)采場(chǎng)覆巖達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài)后，采場(chǎng)覆巖沉降變形將達(dá)到最大值；此后，盡管長(zhǎng)壁綜采工作面繼續(xù)推進(jìn)，采場(chǎng)覆巖的沉降變形值仍維持最大值不再繼續(xù)增加，即采場(chǎng)覆巖沉降變形屬于“給定變形”。考慮到這一特點(diǎn)，對(duì)上述力學(xué)方程做進(jìn)一步求解，設(shè)采場(chǎng)覆巖板結(jié)構(gòu)“給定變形”條件下下層位土層最有可能率先在長(zhǎng)邊中部位置出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，坐標(biāo)為（y=a/2，x=0,b），此時(shí)最大拉應(yīng)力σt為：

因此，下層位隔水土層不產(chǎn)生拉伸破壞，而處于整體穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)必須滿足：σt<[σt]。上式為采動(dòng)影響下下層位隔水土層穩(wěn)定性的力學(xué)判據(jù)。當(dāng)下層位隔水土層長(zhǎng)邊中部位置處產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于或等于拉伸強(qiáng)度閾值時(shí)，下層位隔水土層整體結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生拉伸破壞；當(dāng)長(zhǎng)邊中部位置處產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于其拉伸強(qiáng)度閾值時(shí)，采場(chǎng)覆巖下層位隔水土層產(chǎn)生拉伸破壞，覆巖下層位隔水土層發(fā)生破斷。

4 工程實(shí)踐

韓家灣主采煤層2?2、3?1和4?2，研究區(qū)2?2煤層平均采高為4.3 m，3?1煤平均采高為2.7 m，4?2煤平均采高為1.9 m，目前該礦2?2煤已經(jīng)開(kāi)采完畢，3?1煤層進(jìn)入末采期，正在回采4?2煤214201 工作面，對(duì)其回采有影響的含水層是井田沉積的大面積位于隔水土層上方的薩拉烏蘇孔隙潛水層，煤巖層綜合柱狀圖如圖8 所示。

圖8 煤巖層綜合柱狀圖Fig.8 Coal rock comprehensive histogram

目前，韓家灣煤礦4?2煤214201 工作面推進(jìn)長(zhǎng)度a為2 000 m，傾向長(zhǎng)度b為240 m，潛水水頭壓力ps為1.57 MPa，通過(guò)計(jì)算可得下層位隔水土層最大撓曲度ω為1.21 m，彈性地基系數(shù)ki為0.643，代入式（28）計(jì)算得出σt為0.18 MPa，而根據(jù)試驗(yàn)所知下層位隔水土層的抗拉強(qiáng)度闕值為1.13 MPa，不滿足下層位處于整體穩(wěn)定狀態(tài)的條件，因此韓家灣煤礦214201 工作面推進(jìn)過(guò)程中下層位隔水土層隨基巖層的破斷而發(fā)生拉伸破壞。

綜合韓家灣礦水文孔測(cè)得韓家灣隔水土層厚度為45.57 m，上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組（Q3s）孔隙潛水含水層水位高度13.87 m，含水砂層厚度4.55 m，代入式（13）得p0=0.785 MPa，又有4?2煤埋深193.11 m，主要影響角正切值1.85，由此計(jì)算可得影響半徑為104.38 m，神府礦區(qū)韓家灣煤礦淺埋煤層群開(kāi)采時(shí)的綜合采高為7.06 m，進(jìn)而計(jì)算可得土層最大下沉量為5.3 m，開(kāi)采移動(dòng)系數(shù)e=0.305，代入式（16）得裂隙總寬度B=1.47 m，與文獻(xiàn)[27]描述的榆神府礦區(qū)地裂隙寬度在0.01～2.21 m 相符，將p0=0.785 MPa，B=1.47 m，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取K=0.3，上層位隔水土層的抗拉強(qiáng)度取0.02 MPa，代入式（15）計(jì)算可得裂隙的發(fā)育深度L=17.98 m，我們定義韓家灣埋深小于23 m的隔水土層稱為上層位隔水土層，通過(guò)計(jì)算可得上層位隔水土層仍具備隔水能力。此外，隔水土層裂隙在潛水的軟化作用下以及采動(dòng)應(yīng)力恢復(fù)作用下，土層裂隙會(huì)出現(xiàn)彌合現(xiàn)象，將會(huì)進(jìn)一步增加隔水保護(hù)層厚度。根據(jù)韓家灣的隔水土層的賦存特點(diǎn)，選取埋深在10～55 m 的土層層位，水頭壓力選取0.6～1.2 MPa 的水壓值，縱向裂隙侵入角受基巖破斷的影響，一般較小，這里選取0°的角度進(jìn)行單裂隙模擬方案設(shè)計(jì)。分別施加對(duì)應(yīng)應(yīng)力函數(shù)分布，來(lái)模擬不同埋深層位，其中水壓使用Fish 語(yǔ)言植入動(dòng)態(tài)水壓梯度。將模型通過(guò)COMSOL 構(gòu)建后，進(jìn)行賦值有限元計(jì)算。模擬結(jié)果如圖9 所示。

圖9 裂隙模型構(gòu)建Fig.9 Construction of fracture model

由圖10 可知，隨著下行開(kāi)采的重復(fù)擾動(dòng)，上層位隔水土層的非貫穿裂隙會(huì)出現(xiàn)彌合，從土體裂隙介質(zhì)大變形角度來(lái)看，隨著水頭壓力的增大，裂隙彌合度分別增大至0.12、0.37、0.73、0.98，裂隙彌合由尖端開(kāi)始，結(jié)束于裂隙尾端。模擬結(jié)果與“上層位隔水土層仍具備隔水能力”的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)果相吻合。目前韓家灣井田內(nèi)第四系松散層潛水隨著礦井煤炭資源的高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)，除水庫(kù)附近地段尚存部分松散層潛水外，其余地段第四系松散層潛水儲(chǔ)量隨著補(bǔ)給量變動(dòng)，所以仍要做好雨季相關(guān)的礦井防治水工作。

圖10 上層位隔水土層裂隙應(yīng)力恢復(fù)過(guò)程Fig.10 The fracture stress recovery process of upper aquifuge soil layer

5 結(jié) 論

1）通過(guò)對(duì)韓家灣不同深度的土取樣、測(cè)樣得出韓家灣煤礦紅土的平均變性界限深度為23 m，筆者將隔水土層隨埋深變化的特性定義為狀態(tài)異性。并以此為界限將韓家灣煤礦土層埋深小于變性界限深度的土層稱為上層位隔水土層，反之為下層位隔水土層。

2）在厚松散層富含潛水淺埋煤層條件下，揭示了韓家灣煤礦下行開(kāi)采過(guò)程中上層位隔水土層裂隙發(fā)育機(jī)理，并建立了潛水滲入上層位隔水土層裂隙力學(xué)模型得到了在采動(dòng)及滲流作用下裂隙發(fā)育形態(tài)；通過(guò)采用彈性薄板理論，在“給定變形”條件下得出了下位隔水土層處于整體穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的力學(xué)判據(jù)。

3）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，通過(guò)理論計(jì)算得出韓家灣煤礦214 201 工作面推進(jìn)過(guò)程中下層位隔水土層隨基巖層的破斷而發(fā)生拉伸破壞，上層位隔水土層裂隙發(fā)育深度為17.98 m，上層位隔水土層仍具備隔水能力，并通過(guò)COMSOL 數(shù)值模擬軟件模擬了上層位隔水土層應(yīng)力恢復(fù)過(guò)程，表明了韓家灣煤礦下煤層在開(kāi)采過(guò)程中幾乎不會(huì)發(fā)生突水事故，但仍要加強(qiáng)雨季礦井防水工作。