淺埋薄基巖煤層上覆頂板突水機(jī)理研究

劉 濤

（山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦，山西 洪洞 041600）

1 淺埋煤層頂板突水機(jī)理分析

某礦井田內(nèi)所采煤層埋深較淺，頂板上覆巖層基巖較薄而松散土層覆蓋厚度較大，從地表來看更是溝壑縱橫，屬于典型的厚表土薄基巖淺埋煤層，厚表土覆蓋層主要由黃土和紅色亞粘土所組成，黃土最厚處可達(dá)104.5m，均厚50m，紅色亞粘土最厚處可達(dá)59.55m，均厚6.9m。

由經(jīng)典礦壓理論可知，煤層開采后，對(duì)覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起主要作用的巖層即為關(guān)鍵層，若關(guān)鍵層破斷，則可導(dǎo)致上覆基巖段同步發(fā)生垮落，進(jìn)而繼續(xù)對(duì)上部隔水層產(chǎn)生影響。對(duì)于該礦而言，其主要隔水層為黃土和馬紅土所組成的粘土層，同時(shí)隔水層的穩(wěn)定性及其變形破壞程度對(duì)頂板是否發(fā)生突水具有重要的影響。尤其對(duì)于基巖相對(duì)較薄、埋深相對(duì)較淺的煤層來說，將隔水土層保護(hù)好則可防止頂板突水事故的發(fā)生。大量研究表明，隔水土層下部的自由空間及其自身的力學(xué)性質(zhì)對(duì)其穩(wěn)定性有重要的影響。與隔水巖層相比，隔水土層抵抗拉伸變形的能力較強(qiáng)，其水平拉伸極限為1～2mm/m。

較巖層而言，土層的整體性更好，與下部關(guān)鍵層同步下沉過程中不會(huì)有離層現(xiàn)象出現(xiàn)。當(dāng)隔水土層下部自由空間相對(duì)較小時(shí)，其下沉產(chǎn)生的撓度不會(huì)超過其極限值，因而整體完整性較好。若隔水土層下部自由空間較大時(shí)，隨著土層下沉高度的增加，其下沉產(chǎn)生的撓度超過其極限強(qiáng)度時(shí)，土層則會(huì)產(chǎn)生拉伸破壞。因此，在進(jìn)行理論分析時(shí)，可通過對(duì)隔水土層的拉伸極限及撓度值進(jìn)行計(jì)算，從而對(duì)土層破壞范圍進(jìn)行判斷。隔水土層與關(guān)鍵層同步發(fā)生垮落，則發(fā)生破壞時(shí)，前者的極限跨距會(huì)小于后者，最終產(chǎn)生一個(gè)固支梁結(jié)構(gòu)。因此可通過計(jì)算關(guān)鍵層的跨距來對(duì)隔水土層進(jìn)行判斷。將隔水土層簡(jiǎn)化為如圖1所示的固支梁結(jié)構(gòu)，通過材料力學(xué)的方法進(jìn)行計(jì)算，其任一截面的轉(zhuǎn)角和撓度方程為：式中：E為隔水土層的彈性模量，GPa；I為梁截面慣性矩，矩形截面梁按I=bh3/12來計(jì)算；b為隔水土層寬度，m；h為隔水土層厚度，m；q為土層所承受的上覆巖層載荷，MPa；l為隔水土層寬度，m。

當(dāng)x=l/2時(shí)，即土層中部的撓度為最大值，即：

此時(shí)的水平變形極值為：

由上述分析可知，其水平拉伸臨界值為1.0mm/m，由上式計(jì)算當(dāng)隔水土層達(dá)到水平拉伸極限時(shí)的極限跨距為：

綜上所述研究可知，當(dāng)隔水土層的下沉量過大，超過其極限強(qiáng)度時(shí)，則發(fā)生破壞產(chǎn)生裂隙，造成突水事故的發(fā)生。

2 相似模擬實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)礦井工程地質(zhì)條件，結(jié)合相似條件和相似材料建立相似模擬模型，對(duì)覆巖的位移監(jiān)測(cè)采用全站儀，對(duì)于巖層中水分的變化情況采用濕度檢測(cè)儀進(jìn)行，同時(shí)采用紅外成像儀對(duì)巖體的裂隙發(fā)育情況和水的運(yùn)移進(jìn)行觀測(cè)。首先進(jìn)行4m采高實(shí)驗(yàn)，在模型兩個(gè)邊界留設(shè)邊界煤柱，開切眼后由左向右進(jìn)行開挖。

當(dāng)工作面向前推進(jìn)距離達(dá)到25m時(shí)，頂板發(fā)生初次來壓，上覆巖層垮落高度可達(dá)到17m，上位巖層發(fā)生彎曲下沉，上覆關(guān)鍵層的懸臂結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度可達(dá)到13m。當(dāng)推進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)到40m時(shí)，關(guān)鍵層懸露長(zhǎng)度達(dá)到其極限破斷距離而發(fā)生垮落，巖層間離層現(xiàn)象逐漸明顯，當(dāng)距離開切眼45m時(shí)發(fā)生第一次周期來壓，來壓期間礦壓顯現(xiàn)明顯，覆巖內(nèi)產(chǎn)生的裂縫快速向上發(fā)展，直至發(fā)育到隔水土層時(shí)，從而導(dǎo)致突水通道的產(chǎn)生，最終發(fā)生突水現(xiàn)象，如圖1所示。在后續(xù)工作面推進(jìn)過程中，老頂共計(jì)出現(xiàn)了5次周期來壓，來壓步距處于15～20m間，當(dāng)工作面回采完成后，切眼處和工作面處的上覆巖層垮落角分別為73°和78°。

對(duì)工作面推進(jìn)過程中，上覆巖層的裂縫演化規(guī)律進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，隨著回采的不斷向前推進(jìn)，采空區(qū)范圍不斷增加，上覆直接頂和老頂順次發(fā)生垮落下沉，開采導(dǎo)致的覆巖裂隙不斷向上位巖層發(fā)展，巖層間的離層現(xiàn)象加劇。工作面初次來壓發(fā)生在距離切眼25m處，在切眼和工作面處裂隙發(fā)育最為明顯，開切眼處產(chǎn)生的裂縫高度可達(dá)到17m，采空區(qū)內(nèi)巖層垮落明顯，各層間的離層并不是很明顯。在動(dòng)壓影響下，垮落帶內(nèi)巖層裂隙發(fā)育到關(guān)鍵層附近時(shí)便不再向上發(fā)育，然而隨著發(fā)生垮落巖層的不斷增加，下部垮落巖層逐漸被壓實(shí)，同時(shí)關(guān)鍵層下沉量也呈增大趨勢(shì)，發(fā)生彎曲下沉。當(dāng)距離切眼38m時(shí)，上覆關(guān)鍵層發(fā)生破斷，從而造成其上位基巖發(fā)生同期破斷變形，進(jìn)而導(dǎo)致切眼處的覆巖裂隙快速向上發(fā)展。當(dāng)距離切眼45m時(shí)，切眼處的覆巖裂隙發(fā)育高度可達(dá)到70m，導(dǎo)致上部基巖和隔水土層發(fā)生貫通。此時(shí)隔水土層會(huì)隨著下位關(guān)鍵層發(fā)生同期垮落下沉，當(dāng)超過抗拉極限強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)發(fā)生破斷，產(chǎn)生裂縫，當(dāng)裂縫與隔水土層相互貫通時(shí)，便形成了導(dǎo)水通道，工作面推進(jìn)過程中開切眼側(cè)裂縫發(fā)育高度變化規(guī)律如圖2所示。

圖1 距離開切眼45m時(shí)裂縫首次發(fā)生貫通

圖2 工作面推進(jìn)過程中開切眼側(cè)裂縫發(fā)育高度變化規(guī)律

從整體來看，模型中覆巖垮落及裂隙發(fā)育呈對(duì)稱分布，但開切眼側(cè)的裂隙發(fā)育程度較工作面?zhèn)雀鼮槊黠@。而采空區(qū)中部覆巖裂隙隨著垮落巖層間的相互擠壓而逐漸被壓實(shí)。對(duì)于隔水土層而言，其在發(fā)生彎曲下沉的同時(shí)，土梁的兩端同時(shí)會(huì)受到水平方向的擠壓作用，在該水平擠壓力作用下，土層內(nèi)部裂隙會(huì)發(fā)生愈合，同時(shí)黏土層遇水使裂縫愈合程度更好，然而切眼上部土梁端部的鉸接處無法完全發(fā)生閉合，如圖3所示。

在實(shí)驗(yàn)過程中增加濕度檢測(cè)儀，對(duì)工作面回采過程中的濕度變化進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，巖層濕度變化與涌水量變化具有直接聯(lián)系，上覆巖層斷裂形成裂隙導(dǎo)致涌水量增加，從而使基巖的含水量增加，濕度檢測(cè)儀顯示的度數(shù)也較高。模型中的含水層水通過自來水來模擬，由于水直接取自自來水管，因此其溫度與試驗(yàn)臺(tái)中的基巖和隔水土層相比較低，借助紅外熱成像儀可以很直觀地對(duì)突水全過程進(jìn)行觀測(cè)。工作面向前回采過程中上覆巖層的破斷變形規(guī)律、巖體能量釋放、裂隙的產(chǎn)生及向上發(fā)展過程可以進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。如圖4（a）所示，位于采空區(qū)上方的裂隙帶內(nèi)的垮落基巖及隔水土層斷裂后能量發(fā)生釋放，同時(shí)受到水流侵蝕作用的影響，該區(qū)域的溫度較未發(fā)生破壞區(qū)域相比較低。同時(shí)結(jié)合圖4（b）可知，當(dāng)上覆巖層內(nèi)導(dǎo)水裂隙產(chǎn)生后，水的移動(dòng)不僅僅是沿著裂隙由上部巖層向下部層流動(dòng)，同時(shí)也會(huì)存在水平方向的流動(dòng)。

圖4 紅外線成像與原始圖像對(duì)照?qǐng)D

同時(shí)做了采高分別為3m和2m的覆巖運(yùn)動(dòng)破壞變形分析，得出導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系如表1所示。由表1可知，土采比越大，關(guān)鍵層厚度越大，則突水事故發(fā)生概率也越低，反之則易發(fā)突水事故。

表1 工作面上方裂隙發(fā)育高度與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系

3 工程實(shí)踐

由現(xiàn)場(chǎng)開采過程實(shí)測(cè)資料可知，在該煤層巷道掘進(jìn)和工作面回采過程中均發(fā)生過突水現(xiàn)象，以20202工作面和20203工作面為例進(jìn)行分析：

1）20202工作面在向前回采過程中出現(xiàn)過嚴(yán)重的突水現(xiàn)象，分析該工作面綜合地質(zhì)資料可知，該工作面上覆巖層主要以基巖為主，基本無馬紅土組成的隔水層，隔水土層主要以黃土為主，紅色亞粘土的隔水性能比黃土隔水性能要好，由于紅土的缺失，使土層的隔水性大大減弱，使突水事故發(fā)生的概率大大增加。

2）20203工作面切眼位置處于溝谷位置，該處土層厚度不足10m，基巖厚度不足20m，工作面煤層采高為2m，土采比不足5：1，由上節(jié)的相似模擬實(shí)驗(yàn)可知，在該土采比條件下，若地表水水量較大，則工作面在開采過程中，上覆巖破斷形成的導(dǎo)水裂隙會(huì)導(dǎo)致工作面發(fā)生突水事故，兩條順槽同樣在掘進(jìn)過程中易發(fā)突水現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

總體來說，突水事故易發(fā)點(diǎn)多為溝谷附近，這些區(qū)域不但基巖厚度較小，同時(shí)地表紅土層覆蓋厚度很薄甚至沒有，因此在工作面開采過程中產(chǎn)生的導(dǎo)水裂縫多易直接發(fā)育至地表，造成突水事故。對(duì)于紅色粘土層覆蓋較厚區(qū)域，由于其優(yōu)異的隔水性能，突水事故發(fā)生的概率大大降低。