張 坤，丁 湘，蒲治國(guó)，賀曉浪

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中煤沖擊地壓與水害防治研究中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200)

我國(guó)西部礦區(qū)主采煤層覆巖結(jié)構(gòu)總體呈現(xiàn)淺埋深、厚松散沙層、薄基巖的特點(diǎn)[1]，尤其神府東勝礦區(qū)，隨著該區(qū)煤礦開(kāi)采強(qiáng)度的加大，覆巖破壞范圍的增大，礦井水文地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，煤層頂板冒裂通道溝通上覆松散含水層而導(dǎo)致礦井發(fā)生潰水潰沙災(zāi)害的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重[2，3]?，F(xiàn)階段關(guān)于礦井潰水潰沙災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)警主要從傳統(tǒng)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)角度出發(fā)[4-7]，判斷標(biāo)準(zhǔn)主要參考實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在考慮一定保護(hù)層厚度的基礎(chǔ)上，將導(dǎo)水裂隙帶高度和有效隔水層厚度進(jìn)行比較，進(jìn)而預(yù)測(cè)礦井潰水潰沙危險(xiǎn)性，預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法較為單一，預(yù)測(cè)結(jié)果以宏觀定性為主，不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)潰水潰沙事故的發(fā)生；針對(duì)潰水潰沙防治目前主要采用疏放水、注漿加固、降低采高或充填開(kāi)采等手段，以上技術(shù)都是在既定的礦井采掘系統(tǒng)下開(kāi)展的，事故的預(yù)防和治理均處于相對(duì)被動(dòng)局面，在礦井采掘設(shè)計(jì)階段，超前開(kāi)展?jié)⑺疂⑸撤乐蔚南嚓P(guān)研究在國(guó)內(nèi)尚屬空白。

1 潰水潰沙致災(zāi)影響因素分析

煤礦潰水潰水災(zāi)害的發(fā)生條件復(fù)雜，影響因素較多，與煤層的賦存條件、開(kāi)采技術(shù)特征、覆巖失穩(wěn)破斷規(guī)律等眾多因素有關(guān)[8-10]。結(jié)合前人以往研究成果，綜合分析導(dǎo)致潰水潰沙主要影響因素，研究認(rèn)為形成潰水潰沙災(zāi)害必須具備4個(gè)條件，即“水沙源、通道、動(dòng)力源、采動(dòng)空間”，這四個(gè)要素的相互作用是導(dǎo)致潰水潰沙的內(nèi)在機(jī)理[11-13]，上述四個(gè)條件必須同時(shí)具備，方可導(dǎo)致礦井潰水潰沙事故的發(fā)生。

1)水沙源分析。水沙是潰水潰沙事故發(fā)生的物質(zhì)源，其與水沙的富水性以及水沙組合特征密切相關(guān)。含水層的富水性強(qiáng)弱、地下水側(cè)向補(bǔ)給量及大氣降水補(bǔ)給量決定靜水壓力的大小，對(duì)于中等強(qiáng)富水含水層，較大的靜水壓力賦存一定的水勢(shì)動(dòng)能，這為潰水潰沙災(zāi)害發(fā)生提供了動(dòng)力源，水沙含水層一旦轉(zhuǎn)化為直接充水水源，將造成巷道或工作面水沙潰涌的局面，而水沙潰入量的大小則取決于水沙含水層賦存條件以及空間組合特征。我國(guó)西部礦區(qū)基巖與水沙接觸類型主要為基土沙(基巖頂面為黃土層，上部為松散沙層含水層)、基沙型(基巖頂直接為松散沙層含水層)，其中，基沙型更易發(fā)生潰水潰沙事故。

2)水沙流動(dòng)通道分析。潰水潰沙通道的形成或存在是該類災(zāi)害發(fā)生不可或缺的條件之一，只有通過(guò)某種通道，水沙才能涌入到采空區(qū)或巷道空間。根據(jù)西部礦區(qū)淺埋煤層潰水潰沙事故分析，從潰水潰沙事故誘發(fā)通道不同，其主要類型可以分為沿煤壁側(cè)切落型通道、冒頂誘發(fā)型通道兩類。冒頂誘發(fā)型通道因人為影響因素較多，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)安全管理工作，完全可以避免事故發(fā)生。沿煤壁側(cè)切落型通道，除受地質(zhì)、水文地質(zhì)等客觀因素影響外，還受采掘活動(dòng)影響，該類通道誘發(fā)形成影響因素復(fù)雜，通道的預(yù)判、控制以及防范難度較大。

3)動(dòng)力源分析。含水沙層在采動(dòng)之前存在一定的靜水壓力，該壓力與松散含水層的厚度成正比關(guān)系，相對(duì)開(kāi)采煤層頂板而言，含水層的靜水壓力賦存一定的水勢(shì)動(dòng)能，在含水沙層被水沙流動(dòng)通道導(dǎo)通時(shí)，勢(shì)能瞬間轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，此時(shí)靜水壓力將對(duì)沙層產(chǎn)生劈裂作用，同時(shí)為克服阻力，地下水會(huì)對(duì)沙層施加動(dòng)水壓力，在靜、動(dòng)水壓力相互作用下，水沙混合物將發(fā)生大范圍移動(dòng)，最終通過(guò)誘發(fā)通道涌入采空區(qū)或巷道空間，造成潰水潰沙災(zāi)害的發(fā)生。由于動(dòng)水壓力是發(fā)生潰水潰沙后，在地下水水頭差的作用下水的勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能而產(chǎn)生的一種力，而潰水潰沙災(zāi)害預(yù)測(cè)屬于預(yù)先評(píng)價(jià)，因此在考慮動(dòng)力源因素時(shí)僅考慮靜水壓力對(duì)其影響。

4)流動(dòng)空間分析。當(dāng)含水沙層被誘發(fā)通道導(dǎo)通時(shí)，在靜、動(dòng)水壓共同驅(qū)動(dòng)下，水沙混合物沿著水流方向向出水口流動(dòng)，如果出水口下側(cè)存在充裕的空間，那么流動(dòng)的水沙混合物將在一定大的水流驅(qū)動(dòng)下向巷道、工作面和采空區(qū)匯集，短時(shí)間內(nèi)將以上空間充填、覆沒(méi)。如果被充填空間較小，即使有較強(qiáng)的水流作用，潰決的水沙混合物也只得堆積在潰決口的下方，進(jìn)而阻止?jié)⑸尺\(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，流動(dòng)空間的大小將決定潰水潰沙發(fā)展程度以及危險(xiǎn)性大小。

2 潰水潰沙危險(xiǎn)性多源信息分區(qū)評(píng)價(jià)方法

由于引起潰水潰沙災(zāi)害發(fā)生的影響因素較多，如煤層賦存條件、開(kāi)采技術(shù)特征、覆巖失穩(wěn)破斷規(guī)律等，目前通過(guò)少量的地質(zhì)信息建立的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型研究方法較為單一，不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)潰沙事故的發(fā)生。

2.1 應(yīng)用主要數(shù)學(xué)方法與基本理論

由前述可知，“水沙源、通道、動(dòng)力源、采動(dòng)空間”四要素的相互作用是導(dǎo)致潰水潰沙的內(nèi)在機(jī)理，本次潰水潰沙危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)，將以上作為研究潰水潰沙的關(guān)鍵因素，運(yùn)用GIS的空間分析功能將各主控因素?cái)?shù)據(jù)歸一化，并在建立消除量綱的各因素屬性數(shù)據(jù)庫(kù)后，按照AHP法標(biāo)度原則構(gòu)建判斷矩陣確定各因素指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)確定的權(quán)重進(jìn)行主控因素疊加得出潰水潰沙危險(xiǎn)性性分區(qū)?；贕IS的AHP型潰水潰沙多源信息融合評(píng)價(jià)方法的基本計(jì)算流程是：利用GIS的空間信息處理能力對(duì)各種圖形信息進(jìn)行量化，建立GIS的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)和空間數(shù)據(jù)庫(kù)；建立層次結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)模型，確定決策層指標(biāo)因素，按AHP法標(biāo)度原則構(gòu)造判斷矩陣，通過(guò)一致性檢驗(yàn)，分層計(jì)算決策層指標(biāo)因素的權(quán)重；最終再應(yīng)用GIS的空間復(fù)合疊加功能對(duì)AHP的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，處理結(jié)果以GIS的圖形功能表達(dá)，并可實(shí)現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。運(yùn)用AHP法標(biāo)度原則進(jìn)行決策時(shí)，遞階層次結(jié)構(gòu)計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 AHP法標(biāo)度原則遞階層次結(jié)構(gòu)計(jì)算流程

2.2 潰水潰沙多源信息主控因素確定

根據(jù)開(kāi)采潰水潰沙致災(zāi)影響因素分析，通過(guò)3個(gè)層次對(duì)目標(biāo)對(duì)象展開(kāi)研究。將建立煤礦潰水潰沙危險(xiǎn)性多源信息分區(qū)評(píng)價(jià)方法作為模型的目標(biāo)層(A層次)；“水沙源、通道、動(dòng)力源、采動(dòng)空間”四要素的相互作用是導(dǎo)致潰水潰沙的內(nèi)在機(jī)理，四要素的影響方式需通過(guò)與其相關(guān)的具體指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)，將這一中間環(huán)節(jié)定義為模型的準(zhǔn)則層(B層次)；準(zhǔn)則層(B層次)四個(gè)要素的具體體現(xiàn)指標(biāo)構(gòu)成了本模型的決策層(C層次)，通過(guò)對(duì)決策層(C層次)問(wèn)題的決策，最終達(dá)到所要求解的目標(biāo)。因此，從影響潰水潰沙的四個(gè)關(guān)鍵要素出發(fā)，最終確定決策層(C層次)采用沙層厚度、基采比、潰沙裂縫帶發(fā)育高度、基巖風(fēng)化指數(shù)、單位涌水量、飽水沙層厚度、滲透系數(shù)、采動(dòng)影響指數(shù)作為影響潰水潰沙的評(píng)價(jià)指標(biāo)。潰水潰沙危險(xiǎn)性多源信息分區(qū)評(píng)價(jià)體系層次分析結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 潰水潰沙危險(xiǎn)性多源信息分區(qū)評(píng)價(jià)體系層次分析結(jié)構(gòu)

2.2.1 沙層厚度

潰水潰沙事故發(fā)生的物源基礎(chǔ)是“沙”，根據(jù)研究在相同的誘發(fā)通道條件下，沙層顆粒粒徑越小、厚度越大，災(zāi)害發(fā)生時(shí)的潰沙量越大。沙層厚度取值應(yīng)綜合考慮鉆探、物探等成果。

2.2.2 基采比

神東礦區(qū)部分淺埋工作面礦壓顯現(xiàn)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，由表1可知，在相同采高情況下，基采比(基巖厚度與采高之比)越小，越易發(fā)生整體切落式的臺(tái)階下沉，這種臺(tái)階下沉，很容易誘發(fā)潰水潰沙災(zāi)害。因此，將基采比做為研究分析礦壓顯現(xiàn)特征的重要影響因素，其取值方式為：基巖與荷載層厚度之比。

表1 神東礦區(qū)部分淺埋工作面礦壓顯現(xiàn)統(tǒng)計(jì)

2.2.3 潰沙裂縫帶

以往傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，只有冒落帶波及含水沙層才會(huì)引發(fā)潰水潰沙災(zāi)害，導(dǎo)水裂隙帶溝通含水沙層時(shí)僅存在突水危險(xiǎn)，無(wú)潰沙之慮，這一觀點(diǎn)存在誤區(qū)[14，15]。由于作為潰沙主體的風(fēng)積沙非常細(xì)小，極小的裂縫也能順?biāo)?，?dǎo)水裂縫帶垂向位置下部也會(huì)成為潰沙通道，僅用傳統(tǒng)“兩帶”概念已不能滿足潰水潰沙災(zāi)害防治要求[16，17]。本次研究提出“潰沙裂縫帶”概念，指開(kāi)采煤層上方一定范圍內(nèi)的巖層發(fā)生垮落和斷裂，產(chǎn)生裂縫且具有導(dǎo)水沙性的巖層范圍。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)采情況并參照其他研究成果，將“冒落帶”和“網(wǎng)絡(luò)性裂縫帶”合稱為“導(dǎo)水沙裂縫帶”。從冒裂高度(冒落帶、潰水潰沙帶、導(dǎo)水裂隙帶)角度得出潰水潰沙危險(xiǎn)性分區(qū)判據(jù)如圖3所示。

圖3 潰水潰沙判據(jù)危險(xiǎn)性分區(qū)判據(jù)

其取值應(yīng)綜合考慮以下方式：

1)經(jīng)驗(yàn)修正公式。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》可知，“防沙安全煤(巖)柱保護(hù)層厚度取值應(yīng)為3M(M為采高)”；結(jié)合神東礦區(qū)以往開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)[18-20]，為有效阻止松散層沙大量潰入回采工作面，冒落帶上覆基巖保護(hù)層安全厚度應(yīng)在20 m以上。基于以上考慮，通過(guò)修正冒落帶高度計(jì)算公式(根據(jù)神東礦區(qū)開(kāi)采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn))、傳統(tǒng)防沙安全煤(巖)柱保護(hù)層厚度經(jīng)驗(yàn)公式，最終得出適合的“潰沙裂縫帶”高度經(jīng)驗(yàn)修正計(jì)算公式為：

式中，Hs為潰沙裂縫帶高度，m；M為采高，m。

2)基于彈性薄板撓度理論模型的“潰沙裂縫帶”計(jì)算公式。煤層開(kāi)采后，隨著支架的移動(dòng)，首先將引起直接頂?shù)目迓?，直接頂破碎后體積將產(chǎn)生膨脹，若直接頂巖層垮落厚度為∑h，考慮其影響碎脹系數(shù)Kp后，則垮落后堆砌的高度為Kp∑h，它與老頂之間可能留下的空隙為：

Δ=∑h+M-Kp∑h=M-∑h(Kp-1)

(2)

式中，∑h為直接頂厚度，m；Kp為巖石碎脹系數(shù)，可取1.1～1.4。

直接頂初次垮落后采空區(qū)圍巖情況如圖4所示，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，由于老頂強(qiáng)度較大，繼而呈懸露狀態(tài)，此時(shí)可將老頂視為一懸露的薄板，薄板在上覆荷載作用下將會(huì)產(chǎn)生一定的變形，當(dāng)該薄板的最大撓度小于Δ時(shí)，薄板發(fā)生斷裂，形成潰水潰沙貫通性通道，考慮碎脹系數(shù)后冒落的直接頂板高度和老頂斷裂高度之和即為潰沙裂縫帶高度。假定斷裂老頂厚度為h，則此時(shí)潰沙裂縫帶高度為：

圖4 直接頂初次垮落后采空區(qū)圍巖情況

Hs=Kp∑h+Kph

(3)

式中，h為斷裂老頂厚度，m。

根據(jù)以上研究成果，按照采空區(qū)上覆頂板邊界條件的多樣性，分別選取四邊固支(老頂初次來(lái)壓)、三邊固支一邊簡(jiǎn)支(老頂周期來(lái)壓)作為邊界條件，將老頂分成幾個(gè)同步變形的組合梁。假定從老頂巖層自下而上分別為組合梁1，組合梁2，組合梁3，……，組合梁n，其厚度分別為h1，h2，h3，…，hn，各巖層所受荷載分別為q1，q2，q3，…，qn，各斷裂巖層上覆空隙高度分別為Δ1，Δ2，Δ3，…，Δn，各組合梁的碎脹系數(shù)分別Kp1，Kp2，Kp3，…，Kpn，則：

當(dāng)組合梁1最大撓度小于Δ時(shí)，組合梁1發(fā)生斷裂，此時(shí)：Δ1=Δ-h1(KP1-1)。

當(dāng)組合梁2最大撓度小于Δ1時(shí)，組合梁2發(fā)生斷裂，此時(shí)：Δ2=Δ-h1(Kp1-1)-h2(Kp2-1)。

當(dāng)組合梁3最大撓度小于Δ2時(shí)，組合梁3發(fā)生斷裂，此時(shí)：Δ3=Δ-h1(Kp1-1)-h2(Kp2-1)-h3(Kp3-1)。

如果當(dāng)組合梁n最大撓度≥Δn-1時(shí)，組合梁n不會(huì)發(fā)生斷裂，則此時(shí)潰沙裂縫帶高度為：

Hs=KP∑h+KP1h1+KP2h2+KP3h3+KP(n-1)hn-1

(4)

式中，h1、h2、…、hn-1為各組合梁厚度，m；Kp1、Kp2、…、Kp(n-1)為各組合梁巖石碎脹系數(shù)，可取1.1～1.4。

2.2.4 基巖風(fēng)化影響指數(shù)

基巖風(fēng)化影響指數(shù)是以定量的方式反映地層巖體破碎程度和巖體裂隙交切程度。根據(jù)物探、鉆探成果中的巖性描述，對(duì)弱風(fēng)化、中等風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化帶進(jìn)行專家打分，分別取值為1、2、3，取值按照式(5)確定。

式中，S0為基巖風(fēng)化影響指數(shù)；D1為弱風(fēng)沙厚度專家打分值；D2為中等風(fēng)沙厚度專家打分值；D3為強(qiáng)風(fēng)化厚度專家打分值。

2.2.5 單位涌水量

以往研究表明，較高的含水層初始水頭是潰水潰沙的必要條件之一，含水層水力坡度越大，富水性越強(qiáng)，越易造成水沙潰涌[1]。鉆孔單位涌水量q值是評(píng)價(jià)含水層富水性最直接的評(píng)判依據(jù)。鉆孔單位涌水量越大，含水層的富水性越強(qiáng)，補(bǔ)給條件越好，出水能力越大，導(dǎo)致水沙潰涌的動(dòng)力則越強(qiáng)。

2.2.6 飽水沙層厚度

潰水潰沙的主要?jiǎng)恿υ礊樯细菜缮铀?，由于采?dòng)誘發(fā)通道貫穿波及至上覆松散含水沙層，改變了水沙混合物的流動(dòng)狀態(tài)，混合物中的水流迅速流向出水口下側(cè)，對(duì)誘發(fā)通道附近沙層產(chǎn)生較大的動(dòng)水壓力和滲透劈裂作用力，使其在較大范圍內(nèi)形成液化狀態(tài)，最終通過(guò)誘發(fā)通道涌入采空區(qū)或巷道空間，造成潰水潰沙事故的發(fā)生。

飽水沙層厚度取值按照：松散層靜止水位高度減去松散層底界面高度。

2.2.7 滲透系數(shù)

滲透系數(shù)是綜合反映地層滲透能力的一個(gè)指標(biāo)，地層的滲透系數(shù)愈大，透水性越強(qiáng)，礦井充水強(qiáng)度就越強(qiáng)，反之越弱?？蓞⒄諏?shí)測(cè)數(shù)據(jù)取值。

2.2.8 采動(dòng)影響指數(shù)

導(dǎo)水沙通道發(fā)育到松散層含水層后，水沙混合物隨著水流方向向出水口移動(dòng)，流動(dòng)(采動(dòng))空間的大小將決定潰水潰沙發(fā)展程度以及危險(xiǎn)性大小。影響采動(dòng)空間的大小的因素很多，在此基礎(chǔ)上提出“采動(dòng)影響指數(shù)”的概念，即以定量的方式刻畫(huà)采動(dòng)強(qiáng)度以及采動(dòng)空間對(duì)潰水潰沙危害程度的影響，具體以采煤方法、開(kāi)采強(qiáng)度、采煤工藝、空區(qū)處理方法這些主因素為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步劃分出影響各主因素的子因素，最終實(shí)現(xiàn)“采動(dòng)影響指數(shù)”量化。按照影響采動(dòng)空間大小的各主控因素對(duì)其所起作用不同進(jìn)行相對(duì)重要性評(píng)價(jià)，采取專家打分的形式，給出各主控因素所占比例值；同時(shí)針對(duì)主控因素下屬的各個(gè)因素取值按照1，2，3，4，…標(biāo)度方法量化分值，采動(dòng)影響指數(shù)中主控因素比值數(shù)見(jiàn)表2。

表2 采動(dòng)影響指數(shù)中各主因素的比值數(shù)

采煤方法(橫向尺度)：壁式體系采煤法取3；房柱式采煤法取1。

開(kāi)采強(qiáng)度(縱向尺度)：普通采高(1.3～3.5 m)取1；次大采高(3.5～5 m)取2；大采高(5～6.5 m)取3；特大采高(>6.5 m)取4。

采煤工藝(擾動(dòng)及支護(hù)角度)：爆破采煤工藝取3；普通機(jī)械化采煤工藝取2；綜合機(jī)械化采煤工藝取1。采空區(qū)處理方法：自然垮落法取3、充填法取1。

2.3 建立數(shù)學(xué)分析模型

礦井潰水潰沙分區(qū)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是運(yùn)用層次分析法合理確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)以往潰水潰沙事故中各評(píng)價(jià)指標(biāo)所起作用的大小，請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)所起作用的大小進(jìn)行相對(duì)重要性評(píng)價(jià)，形成對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的專家評(píng)判集，由此構(gòu)建淺埋煤層潰水潰沙危險(xiǎn)性多源信息分區(qū)評(píng)價(jià)AHP評(píng)價(jià)的判斷矩陣，根據(jù)判斷矩陣，應(yīng)用最大特征向量法計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重，通過(guò)判斷矩陣對(duì)計(jì)算的權(quán)重進(jìn)行一致性檢驗(yàn)后，最終得到潰水潰沙評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表3。

表3 潰水潰沙分析中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

2.4 主控因素專題圖的建立以及疊加

在建立沙層厚度、基采比、潰沙裂縫帶發(fā)育高度、基巖風(fēng)化指數(shù)、單位涌水量、飽水沙層厚度等8個(gè)地學(xué)信息專題庫(kù)與圖的基礎(chǔ)上，先利用GIS量化處理各圖形信息，再通過(guò)GIS空間復(fù)合疊加功能對(duì)AHP計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，最終以直觀的圖形形式給出潰水潰沙危險(xiǎn)性空間分布結(jié)果，通過(guò)自然分級(jí)法對(duì)研究區(qū)潰水潰沙危險(xiǎn)性進(jìn)行處理(各級(jí)閾值分別為0.43、0.54、0.64、0.79)，最終得到潰水潰沙危險(xiǎn)性四級(jí)分級(jí)結(jié)果。

根據(jù)各級(jí)分級(jí)閾值可將目標(biāo)對(duì)象劃分為四個(gè)區(qū)域：Ⅵ>0.79，潰水潰沙危險(xiǎn)區(qū)；0.64<Ⅵ≤0.79，潰水潰沙較危險(xiǎn)區(qū)；0.54<Ⅵ≤0.64，潰水潰沙中等區(qū)；0.43<Ⅵ≤0.54，安全區(qū)。

3 基于潰水潰沙多源信息評(píng)價(jià)的超前生產(chǎn)布局優(yōu)化技術(shù)

通過(guò)疏放水和注漿加固防治潰水潰沙是工程實(shí)踐中最常見(jiàn)的手段，但以上技術(shù)都是在既定的礦井采掘系統(tǒng)下開(kāi)展的，事故的預(yù)防和治理均處于相對(duì)被動(dòng)局面，而生產(chǎn)布局優(yōu)化作為一種主動(dòng)超前防治手段，可在礦井采掘設(shè)計(jì)階段提前切入。從預(yù)防潰水潰沙事故角度出發(fā)，基于潰水潰沙危險(xiǎn)性多源信息分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果，首次研究提出“區(qū)域轉(zhuǎn)局部、高位截流接續(xù)”的超前生產(chǎn)布局優(yōu)化理念?！皡^(qū)域轉(zhuǎn)局部、危險(xiǎn)轉(zhuǎn)安全”模式如圖5所示，“區(qū)域轉(zhuǎn)局部”即通過(guò)合理的生產(chǎn)布局將大區(qū)域的潰水潰沙問(wèn)題轉(zhuǎn)化為局部潰水潰沙，再通過(guò)局部措施轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)潰水潰沙，從而實(shí)現(xiàn)礦井的安全生產(chǎn)。“高位截流接續(xù)”即從水沙動(dòng)力角度，接續(xù)工作面布置按照來(lái)水方向由高及低的原則，通過(guò)疏放上一個(gè)高位工作面的涌水，減輕其對(duì)相鄰低位工作面在掘進(jìn)、回采過(guò)程中的側(cè)向動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量，有助于降低相鄰低位工作面受水沙動(dòng)力的影響，“高位截流”接續(xù)模式如圖6所示。

圖5 “區(qū)域轉(zhuǎn)局部、危險(xiǎn)轉(zhuǎn)安全”模式

圖6 “高位截流”接續(xù)模式

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 礦井賦存特征

隆德煤礦地處神東礦區(qū)西南部，研究區(qū)主要含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組第五段(J2y5)，其中主采2-2煤層厚5.01～6.59 m，平均5.70 m，埋深46.64～152.66 m，平均86.90 m，采煤方法采用大采高一次采全高采煤方法，綜合機(jī)械化采煤工藝，采用全部垮落法管理頂板。

研究區(qū)含水層劃分為新生界松散層孔隙潛水和中生界基巖裂隙承壓水兩大類，自上而下各含水層情況為：第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組及全新統(tǒng)沙層含水層(Q3s+Q4eol)，厚5.97～101.62 m，平均42.32 m，構(gòu)成同一含水層，易接受大氣降水補(bǔ)給；第四系中更新統(tǒng)離石黃土透水弱含水層屬透水弱含水層，僅在研究區(qū)個(gè)別鉆孔中見(jiàn)黃土層分布，厚為5.28～6.00 m；侏羅系碎屑巖類風(fēng)化帶孔隙裂隙潛水-承壓水含水層(J2z)，厚3.32～67.10 m，平均24.36 m，單位涌水量0.00035～0.2458 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.00315～2.2657 m/d，富水性弱至中等；侏羅系中統(tǒng)直羅組基巖裂隙承壓水含水層，厚0～154.50 m，平均82.40 m，單位涌水量0.014789～0.02408 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.01919～0.03689 m/d，富水性弱；侏羅系中統(tǒng)延安組五段基巖裂隙承壓含水層，厚12.30 m，單位涌水量0.002931 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.03481 m/d，富水性弱。

4.2 礦井突水潰沙可能性分析

該礦井研究區(qū)上覆風(fēng)積沙直接沿基巖頂界面分布，該區(qū)存在水沙潰涌的物質(zhì)基礎(chǔ)；東部區(qū)2-2煤開(kāi)采時(shí)整個(gè)區(qū)域?qū)严稁堪l(fā)育至松散層，部分區(qū)域冒落帶發(fā)育至松散層，存在水砂流動(dòng)的通道；研究區(qū)未進(jìn)行井下探放水工程，地下水含水層存在一定的靜儲(chǔ)量和動(dòng)水壓力作用，同時(shí)現(xiàn)有采煤工藝和方法存在容納水砂流入的空間。從潰水潰沙條件可以看出，研究區(qū)整個(gè)區(qū)域存在突水可能性，部分薄基巖富水區(qū)域存在突水潰沙的可能性。

4.3 煤層頂板潰水潰沙危險(xiǎn)性分區(qū)預(yù)測(cè)

根據(jù)前述的潰水潰沙危險(xiǎn)性多源信息分區(qū)評(píng)價(jià)方法，分別建立沙層厚度、基采比、潰沙裂縫帶發(fā)育高度、基巖風(fēng)化指數(shù)、單位涌水量、飽水沙層厚度等8個(gè)地學(xué)信息專題庫(kù)。各主控因素專題圖如圖7所示。

利用GIS最終形成潰水潰沙危險(xiǎn)性分區(qū)如圖8所示。由圖8可知，該煤礦研究區(qū)沿河溝區(qū)域潰水潰沙危險(xiǎn)性強(qiáng)，潰水潰沙危險(xiǎn)性較弱區(qū)分布于研究區(qū)北部區(qū)域，潰水潰沙危險(xiǎn)區(qū)(紅色區(qū)域)和較危險(xiǎn)區(qū)(橙色區(qū)域)主要集中在研究區(qū)的河流溝谷地帶和薄基巖區(qū)域，中等危險(xiǎn)區(qū)(淺綠色區(qū)域)和安全區(qū)(綠色區(qū)域)主要集中在研究區(qū)的北部和南部區(qū)域。

圖8 研究區(qū)開(kāi)采潰水潰沙危險(xiǎn)性分區(qū)

4.4 超前生產(chǎn)布局優(yōu)化

研究區(qū)原設(shè)計(jì)方案大巷垂直于溝谷布置，回采工作面與溝谷呈平行狀，煤柱損失較大，由于未將危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行分割，部分工作面受潰水潰沙威脅較大，同時(shí)工作面采用仰斜開(kāi)采不利于安全回采。由于研究區(qū)南部區(qū)域?qū)僦械任ｋU(xiǎn)區(qū)，危險(xiǎn)性相對(duì)較小，而且鉆孔地質(zhì)資料顯示，靠近井田南部邊界的區(qū)域，2-2煤層賦存較為穩(wěn)定，并且上覆基巖厚度較厚，回采工作面推進(jìn)距離較長(zhǎng)。

按照“區(qū)域轉(zhuǎn)局部”的生產(chǎn)布局模式，優(yōu)化方案通過(guò)將大巷沿潰水潰沙危險(xiǎn)區(qū)布置，使?jié)⑺疂⑸澄ｋU(xiǎn)區(qū)分割為若干安全性小區(qū)域，將區(qū)域問(wèn)題轉(zhuǎn)化為局部問(wèn)題，為安全開(kāi)采創(chuàng)造條件，同時(shí)危險(xiǎn)區(qū)為河流溝谷地段，該布局方式還可減少煤柱損失，有利于提高資源回收率；同時(shí)考慮22201工作面處于來(lái)水側(cè)方向上游，按照“高位截流”的生產(chǎn)布局模式，對(duì)頂板水單側(cè)來(lái)水的采區(qū)，優(yōu)化調(diào)整工作面接續(xù)順序，優(yōu)先布置來(lái)水方向工作面作為采區(qū)首采工作面，利用首采工作面采空區(qū)作為疏水廊道，從水沙動(dòng)力角度，從而大幅度減少接續(xù)工作面受潰水潰沙的威脅程度。因此設(shè)計(jì)將研究區(qū)大巷沿突出潰沙危險(xiǎn)區(qū)布置，回采工作面位于大巷兩側(cè)，將靠近南部邊界的22201工作面作為研究區(qū)首采工作面，參照生產(chǎn)布局布置優(yōu)化原則，按照22201，22202，22203，……，22209依次順序回采。

5 結(jié) 論

1)潰水潰沙災(zāi)害發(fā)生必須同時(shí)具備“水沙源、通道、動(dòng)力源、采動(dòng)空間”4個(gè)條件，其中，沙基型物源條件、沿煤壁側(cè)切落型通道，靜水壓力、采動(dòng)空間大小是誘發(fā)潰水潰沙災(zāi)害的關(guān)鍵。

2)從防治水沙潰涌角度出發(fā)，首次提出“潰沙裂縫帶”概念；建立了基于彈性薄板撓度理論的潰沙裂縫帶計(jì)算模型，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式修正和彈性薄板撓度理論模型計(jì)算，導(dǎo)出潰沙裂縫隙帶高度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式和理論公式。

3)通過(guò)將沙層厚度、基采比、潰沙裂縫帶發(fā)育高度、基巖風(fēng)化指數(shù)、單位涌水量、飽水沙層厚度、滲透系數(shù)、采動(dòng)影響指數(shù)作為潰水潰沙危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，創(chuàng)造性提出了潰水潰沙危險(xiǎn)性多源信息分區(qū)方法，提高了潰水潰沙預(yù)警評(píng)價(jià)的精準(zhǔn)度，為類似條件礦井安全開(kāi)采提供了技術(shù)支撐。

4)從潰水潰沙事故防治角度出發(fā)，基于潰水潰沙危險(xiǎn)性多源信息分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果，在礦井采掘布局階段提前切入，首次研究提出“區(qū)域轉(zhuǎn)局部、高位截流接續(xù)”的超前生產(chǎn)布局優(yōu)化模式，為事先解決潰水潰沙問(wèn)題提供了新理念。