巨厚覆岩下离层与涌水通道相似模拟研究

高　琳，蒋力帅，张培鹏，许　斌，孔　朋，柳研青

(1.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590;2.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

巨厚覆岩下离层与涌水通道相似模拟研究

高琳1，蒋力帅2，张培鹏1，许斌1，孔朋1，柳研青1

(1.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590;2.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

[摘要]采用相似材料模拟方法，建立巨厚岩浆岩下煤层开采模型，研究了巨厚覆岩下离层空间和涌水通道的形成过程及发育规律。研究表明：高位巨厚覆岩底部离层空间位于弯曲带、离层空间附近岩层富水性强、充足离层发育时间是形成离层水的条件；巨厚覆岩底部离层水形成后，下方竖向未贯通裂隙在巨厚覆岩破断运移冲击作用下扩展为层间贯通裂隙，并在离层空间四周形成涌水通道，由此产生高位巨厚覆岩离层水突涌隐患。可采用充填开采、条带开采、离层注浆等方式消减离层空间，采用超前钻孔疏水切断补给水源及疏放离层水等措施。

[关键词]巨厚覆岩；离层水；涌水通道；相似材料模拟

目前我国煤炭开采中对巨厚覆岩尚无明确的定量标准，通常将覆盖于煤层上方厚度在几十至几百米、强度较高的岩层称为巨厚覆岩。由于巨厚覆岩强度高、完整性好、破断运移步距大，煤炭开采时往往会在其下方形成较大的离层空间。若存在补给水源，就可能形成隐蔽性、突发性和危害性极大的离层水害。针对巨厚顶板下离层水害，部分学者通过理论分析、现场实测、数值模拟等方法做了相关研究。景继东[1]针对华丰煤矿第三系巨厚砾岩含水组进行研究，揭示了其富水特征及斑裂纹的演化过程。乔伟、黄阳等[2]以催木煤矿为实例，采用数值模拟方法研究了离层发育及积水，提出地面直通式疏水措施。任春辉、王经明等[3-4]研究了海孜煤矿745工作面“5·21”特大突水事故，指出事故原因是由于多煤层采动后引起的上部巨厚岩层不均匀沉降。综上所述，现有研究成果在离层水的形成及突水原因等方面取得了众多有益的研究成果，但在涌水通道方面的研究还不够深入，有待进一步研究验证。目前直接模拟离层水突涌过程较为困难，而覆岩下离层裂隙及其涌水通道是离层水害的发生关键环节和必要条件。因此，本文以杨柳煤矿104采区煤系地层覆岩赋存特征及其岩石力学参数为参考，建立相似材料模型，针对巨厚覆岩下离层形成及涌水通道进行研究分析。

1相似材料模拟实验方案

为研究巨厚岩浆岩下离层水涌水通道，参考104采区覆岩主要岩性及其岩石力学参数试验数据，通过制作不同配比的小试件进行单轴抗压强度实验，选取与现场岩石强度相匹配的相似材料配比，依照相似模拟定律，制作模拟材料模型[5-6]，如表1所示。

表1　相似材料模拟岩层参数

模拟试验台框架尺寸为3m×0.4m×2.1m，有效高度为1.8m。根据相似准则，设计几何相似比1∶200，容重相似系数1∶1.5，强度相似系数1∶300。使用河砂作为骨料，石膏、碳酸钙作为胶结物，各分层撒云母粉进行分层。

模型铺设高度1.6m，实际模拟岩层厚度320m，模型顶部施加均布载荷。实际模拟煤层厚度8m，岩浆岩厚度60m，与开采煤层间距80m，所建相似材料模型如图1所示。

图1　未开挖模型

2实验结果分析

2.1覆岩低位贯通离层的形成

煤层开采后，采空区上覆岩层因悬露失去下部支撑，在自身重力作用下发生弯曲变形。当相邻上位岩层的弯曲刚度大于下位岩层时，扰度较小的上位岩层垮断前，下方岩层便有足够的时间产生弯曲沉降，两岩层之间便会形成离层裂隙[7-8]。如图2所示，工作面开挖过程中先后形成覆岩低位离层空间1与离层空间2，可以清晰看到，由于低位覆岩的显著破断运动，低位离层下方存在着贯通至工作面及采空区的导水裂隙。

图2　贯通离层发育

由于导水裂隙的存在，低位离层空间不存在真空负压吸力，离层周边岩层水的汇集较慢，且汇流至离层中的水也会通过贯通裂隙流入工作面及采空区，因此不易形成大量的离层水。即当离层裂隙位于裂缝带内，离层下方存在与工作面导通的竖向裂隙，不会汇积大量离层水，也不会造成突发性的涌水灾害。

2.2覆岩高位非贯通离层的形成

如图3所示，随着工作面的进一步开挖，出现新的覆岩高位离层空间3与离层空间4。

图3　非贯通离层发育

如图3(a)所示，当推进150m后，覆岩低位离层空间2已被压实闭合，上方岩层弯曲沉降形成新的离层空间3。离层的下方虽然存在竖向裂隙，但裂隙尚未贯通，为离层水的形成创造了条件。但由于岩层厚度相对较薄，垮断步距相对较小，相应的离层空间会在短时间内闭合，故不会汇积大量离层水，对工作面开采影响较小，后续开挖也验证这一现象。

如图3(b)所示，当工作面推进至160m时，上一亚关键层下方的离层空间3已经闭合，巨厚岩浆岩下方出现新的离层4，该离层下方竖向裂隙未贯通，形成密闭离层空间，存在真空负压吸力[7]，为离层水汇积创造了条件。因巨厚岩浆岩为主关键层，其厚度大、强度高、运移步距大，致使离层空间发育时间长、离层范围大。当存在巨厚岩浆岩下部附近岩层富含水时，便在离层空间负压和岩层水压的作用下形成离层水，可能威胁矿井安全生产。

2.3离层水涌水通道的形成

如图4所示，当工作面推进310m时，巨厚岩浆岩底部离层裂隙走向长度达到200m，此时悬露岩浆岩两端部和中部下表面因受拉开始出现纵向裂纹。将巨厚覆岩底部离层空间的下方岩层分为A、B，C，D共4个区域，其中，C区域在推进过程中虽存在过裂隙，但已被压实闭合，故不会形成涌水通道；D区域位于开切眼初采阶段的采空区上方附近，即使下部层间裂隙贯通，发生涌水对矿井安全生产的影响也较小；而区域B位于工作面后方附近，一旦发生离层水突涌后果严重。

图4　岩浆岩下离层发育

区域B与区域A交接处因破裂回转出现“V”形层间裂隙，与区域C交接处因破裂回转出现“倒V”形层间裂隙，如图5所示。且B区域各岩层因力学性质和厚度大小不同，分别运动的岩层组之间也存在未完全压实闭合的离层。当巨厚岩浆岩突然破断运移时，“V”形和“倒V”形裂隙在冲击动压和水压作用下扩展，使非贯通裂隙转化为层间贯通裂隙。离层水可能通过贯通裂隙突涌至工作面后方，造成严重突涌水事故，涌水通道形成区域如图6所示，该理论分析位置与海孜煤矿745工作面突水位置一致[4]。

图5　扩展裂隙示意

图6　岩浆岩破断后离层水涌水通道

2.4离层水的形成条件

通过相关研究成果和相似材料模拟实验结果分析，巨厚覆岩离层水形成的条件如下：

(1)存在补给水源[9]离层空间周边岩层存在能为离层补给的含水层，这是形成离层水的首要条件。否则，即使离层与下方工作面存在隔水层，也只会形成“真空离层空间”。

(2)离层裂隙位于弯曲带当低位离层位于导水裂缝带时，由于竖向贯通裂隙的存在，一方面离层内不会存在真空负压，离层水汇集速度和体积有限；另一方面汇积的离层水通过贯通裂隙直接进入工作面及采空区，不会在离层内汇积大量离层水，若岩层富水性较弱，此时往往以工作面淋水和渗流为主。

(3)充足的离层发育时间高位巨厚坚硬覆岩主关键层悬空面积大，底部离层空间在工作面推进过程中从开始发育至闭合的时间长，形成离层空间的体积大，离层水的汇积量较大，可能形成工作面开采的突涌水隐患。

3防治措施

针对高位巨厚覆岩底部形成离层水的条件，既要提前采取措施避免形成离层水，也要在离层水形成后及时疏放离层水。

(1)避免较大离层的出现针对巨厚岩层下较大离层的存在，可采用充填开采和条带开采，减小覆岩弯曲下沉的空间；采用离层注浆，消除岩层水汇集的空间；适当加快推进速度，减小离层发育时间。

(2)切断补给水源若巨厚覆岩离层空间周边岩层的富水性强，可先相隔一定距离在工作面两侧巷道打超前钻孔疏水[11-12]，切断离层水的补水通道，见图7。为防止超前钻孔因工作面的推进坍塌堵孔，需要放入透水套管。

图7　离层疏放水示意

(3)疏放离层水超前钻孔虽然能提前疏放一定水量，但在推进过程中仍不可避免形成离层水，需要及时将离层水疏放[12-15]。为此，迎着工作面推进方向，在工作面前方、巷道内向离层空间施工疏水钻孔，如图7所示。选择施工位置需注意两个问题：一是钻场超前工作面距离，钻窝打孔位置应避免在应力集中区；二是钻场与钻场之间的距离，因离层水大量涌入工作面是伴随巨厚岩浆岩破断而发生，故钻窝与钻窝的距离应考虑岩浆岩垮断步距。

4结论

(1)离层水形成的3个条件：离层空间附近岩层富水性强；离层裂隙位于弯曲下沉带，存在一定厚度的隔水层；充足的离层发育时间。

(2)巨厚覆岩下离层水形成后，因巨厚岩层发生破断运移，在岩层冲击动压的作用下离层下方未贯通裂隙转化为贯通裂隙，离层空间下方已破断运动的岩体四周形成涌水通道，离层水通过涌水通道进入工作面形成突涌水事故。

(3)防治突涌水的主要措施有采用充填开采、条带开采、离层注浆等方式消减离层空间；使用透水套管超前钻孔疏水切断补给水源；离层水形成后，施工钻窝疏放离层水。

[参考文献]

[1]景继东.巨厚砾岩顶板突水机理及防治技术研究[D].泰安：山东科技大学，2007.

[2]乔伟，黄阳，袁中帮，等.巨厚煤层综放开采顶板离层水形成机制及防治方法研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33(10)：2076-2084.

[3]任春辉，李文平，李忠凯，等.巨厚岩层下煤层顶板水突水机理及防治技术[J].煤炭科学技术，2008，36 (5)：46-48.

[4]王经明，喻道慧.煤层顶板次生离层水害成因的模拟研究[J].岩土工程学报，2011，32(2)：232-235.

[5]蒋金泉，武泉森，张培鹏，等.上覆巨厚坚硬岩浆岩破断运移规律的实验分析[J].煤矿开采，2015，20(1)：8-11.

[6]武泉森，蒋金泉，张培鹏，等.巨厚坚硬岩浆岩不同配比的模型试验研究[J].煤矿开采，2015，20(3)：3-6.

[7]蒋金泉，张培鹏，聂礼生，等.高位硬厚岩层破断规律及其动力响应分析[J].岩石力学与工程学报，2015，33(7)：1366-1374.

[8]蒋金泉，武泉森，张培鹏，等.巨厚岩浆岩下充填开采的动力灾害控制[J].金属矿山，2015(7)：139-142.

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[10]李凤荣，陈真富，王和志.煤层顶板离层水体分布规律及防治技术探讨[J].采矿与安全工程学报，2009，26(2)：239-243.

[11]王利，张修峰.巨厚覆岩下开采地表沉陷特征及其与采矿灾害的相关性[J].煤炭学报，2009，34(8)：1048-1051.

[12]胡东祥.济宁煤田巨厚覆岩离层突水机理初探[J].能源技术与管理，2010，35(1)：94-96.

[13]王亮.巨厚火成岩下远程卸压煤岩体裂隙演化与渗流特征及在瓦斯抽采中的应用[D].徐州：中国矿业大学，2009.

[14]王启庆，李文平，李小琴，等.坚硬覆岩下采动离层水涌突规律及防治技术[J].煤矿安全，2014，45(7)：59-62，66.

[15]田文华.综采面顶板离层水害“四位一体”防治措施的形成与应用[J].神华科技，2013，11(5)：27-31.

[责任编辑：李宏艳]

Similar Simulation of Separation and Water Inrush Pathway under Giant Thickness Overlying Strata

GAO Lin1，JIANG Li-shuai2，ZHANG Pei-peng1，XU Bin1，KONG Peng1，LIU Yan-qing1

(1.Mining & Safety Engineering College，Shandong University of Science & Technology，Qingdao 266590，China；2.Resource & Safety Engineering College，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract：the Coal seam mining model under giant thickness magmatic rock was built by similar material simulation method，formation process and development rules of roof separation space and water inrush pathway under giant thickness overlying strata was studied.The results showed that separation space at the bottom of high level and giant thickness overlying strata，rock stratum was water abundance around separation space，enough separation development time was key point to formed separation water，when separation water at the bottom of giant thickness overlying strata formed，the vertical unthrough fractures below developed into inter layers through fractures under giant thickness overlying strata movement，and water inrush pathway formed around separation space，separation water inrush dangerous appeared in high level and giant thickness overlying strata.Then separation space could be decreased by backfill mining，strip mining and separation grouting and so on，and some measurements such as water supplies could be cut by advanced bore and separation water drainage were also applied.

Key words：giant thickness overlying strata；separation water；water inrush pathway；similar material simulation

[收稿日期]2015-11-05[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.006

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(51374139)；山东省自然科学基金项目(ZR2013EEM018)

[作者简介]高琳(1990-)，男，山东泰安人，硕士研究生，主要从事矿山压力与岩层控制方向的研究。

[中图分类号]TD745

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)03-0024-04

[引用格式]高琳，蒋力帅，张培鹏，等.巨厚覆岩下离层与涌水通道相似模拟研究[J].煤矿开采，2016，21(3)：24-27.