许海涛，康庆涛

(华北科技学院 安全工程学院，河北 三河 065201)

厚松散层薄基岩煤层开采突水溃砂风险评价

许海涛，康庆涛

(华北科技学院 安全工程学院，河北 三河 065201)

通过对43下20工作面水文地质资料及钻探结果的分析，揭示了第四系厚松散层含、隔水层特征、底部黏土厚度及隔水性以及上覆薄基岩结构特征，建立了厚松散层、薄基岩工作面回采数值模型，计算得出冒落带发育高度为14m，导水裂缝带发育高度33m；确定工作面开采安全煤岩柱类型为“顶板防砂安全煤岩柱”，并计算得到防砂安全煤岩柱高度为24.3m。结果表明：导水裂缝带及理论计算煤岩柱高度均小于最薄基岩厚33m，工作面开采厚度为2.5m时不具有突水溃砂风险。

厚松散层；薄基岩；突水溃砂；风险评价；数值模拟

本文以43下20工作面为研究对象，采用钻探手段对3下煤顶板基岩特征、砂岩含水层富水性及第四系底部黏土层的厚度进行探查，结合钻探成果对第四系富水性及结构特征、第四系底部黏土层发育情况、基岩强度及风化带等水文地质特征进行分析，采用数值模拟及理论计算等方法分析43下20工作面上覆冒落带、导水裂缝带发育规律，对43下20工作面厚松散层薄基岩覆岩条件下突水溃砂风险性进行综合评价。

1 工作面概况

43下20工作面开采标高为-208.7～-330.4m，地面标高为+38.1～+39.3m。工作面开采煤层为山西组的3下煤层，煤层厚度2.5m，煤层倾角平均7°。工作面设计长1702m，宽63.8～248.2m。该区域水文地质条件中等，影响开采的含水层主要为3下煤层顶板砂岩含水层、第四系孔隙含水层及三灰含水层。该工作面地质构造较简单，仅揭露4条不含(导)水的正断层。上覆基岩最薄处仅33.05m，第四系松散层平均厚度为245.67m，工作面上覆岩层属典型的厚松散层薄基岩类型。

2 覆岩结构特征及含隔水性能分析

2.1覆岩结构特征探查分析

为查明43下20工作面3下煤顶板基岩特征、砂岩含水层富水性及第四系底部黏土层的厚度，在工作面运输平巷布置了T4321-1，T4321-2基岩探查钻孔，3上煤层3301工作面曾在该区域布置了T3301-2，T3301-3基岩探查钻孔。另在该区域1307工作面曾布置T1307-2基岩探查孔，工作面附近布置有17-12地质钻孔。在基岩探查孔钻探过程中，底部黏土层未完全揭露。根据6个钻孔成果分析(表1)，3下煤层上覆基岩厚度在33.05～43.34m之间，底部黏土层厚度在4.04～29.2m之间。

表1 钻孔参数统计

注：黏土层未穿透，厚度为换算后的真厚度。

2.2 第四系结构特征及其富水性分析

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第四系按其岩土性质、富水性等划分为上、中、下3组(表2)，呈“两含两隔”的结构特征。对43下20工作面开采有直接影响的首先是第四系下组上段含水层。根据对第四系结构特征的分析，第四系下组含水层具有“中间含水、上下隔水”的特点，即含水层主要是下组的上段含水砂层，其下部则为隔水性强的底粘，其上部为第四系中组隔水层。当工作面导水裂缝带波及到下组上段含水砂层，有可能发生工作面顶板透水，当工作面垮落带波及到下组上段含水砂层有可能发生顶板溃砂。

表2 第四系结构特征及富水性

2.3 第四系底部粘土层发育情况分析

根据43下20工作面钻探成果，底部黏土层的厚度从4.04～29.2m不等，且黏土层未完全揭露，黏土层及黏土石膏层厚度大且连续，黏土与砂质黏土的塑性指数为18.8～31.7，隔水能力强。诸多煤矿开采实践证明，底部黏土层不仅会抑制导水裂缝带向上扩展，而且还会阻止第四系含水层水下泄，对减小工作面充水十分有效。根据43下20工作面底部黏土层厚度分布特征以及其物理力学性质分析认为，底部黏土层具有良好的隔水性和抗采动影响能力。

2.4 风化带及基岩强度影响分析

国内水体下采煤实践表明，在基岩柱厚度较小条件下，基岩风化带厚及基岩泥岩类比重大对冒高、裂高的发育具有十分明显的抑制作用。根据钻探成果，43下20工作面风化带岩层占基岩柱厚度为18%左右，泥岩类占基岩比例为60%左右(表3)。所以43下20工作面上覆岩层强度低、泥岩类比例大、风化带厚度大等特点将会对两带的发育起到一定的抑制作用。

3 工作面采动覆岩破坏数值模拟计算

3.1 模型建立

表3 43下20工作面及附近3下煤顶板岩性构成统计

根据43下20工作面生产技术条件，结合综合柱状图，模型尺寸(宽×高)475m×70m，上边界载荷按采深250m计算，模型底边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定，原始数值计算模型如图1所示。数值模拟中各岩层、煤层的力学参数见表4所示。

图1 数值计算模型

层位抗压强度/MPa抗拉强度/MPa黏聚力/MPa摩擦角/(°)弹性模量/GPa泊松比黏土5.010.5200.8202.60.40风化砂岩(泥岩)5.860.4720.7403.20.35中粗砂岩10.101.9003.8425.10.25细砂岩18.443.7505.4458.50.25粉砂岩10.001.1003.6414.20.30煤层4.001.0001.0363.00.30泥岩6.601.5201.3313.50.25

3.2 数值模拟结果

(1)当43下20工作面开采后，在43下20工作面边界处顶板上方14m内为拉伸破坏区(冒落带)，该区域内易导水、溃砂。

(2)顶板之上的14～33m为主要导水裂缝带(图2)，43下20工作面中部上方导水裂缝带发育高度为25m，工作面边界的导水裂缝带发育高度33m，导水裂缝带呈两边高、中间略低 “马鞍型”分布(图3)。

(3)在裂缝带之上的弯曲下沉带，之内有微裂隙存在，但之内的裂隙不导通，仍具有隔水效果。

(4)根据钻探成果，3下煤层上覆基岩厚度在33.05～43.34m之间，且基岩顶部发育厚度在4.04～29.2m之间黏土层。因此，从数值模拟结果看，43下20工作面冒落带及导水裂缝带均未波及到第四系含水层。

图2 43下20胶带巷裂隙发育局部放大

图3 采场围岩裂隙发育

4 突水溃砂风险评价

4.1 采动等级及允许采动程度界定

43下20工作面主要影响含水层第四系下组上段，富水性中等，且具有“中间含水、上下隔水”的特点。其下部发育底黏的厚度从4.04～29.2m不等(为未完全揭露厚度)，无天窗、无缺少层位现象，隔水能力强。另外43下20工作面上覆岩层具有强度低、泥岩类比例大、风化带厚度大等特点。综合分析，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[9]43下20工作面允许采动等级属于Ⅱ级，水体类型属于“底界面下为稳定的厚粘性土隔水层或松散弱含水层的松散层中、上部孔隙强、中含水层水体”，允许采动程度为“允许导水断裂带波及松散孔隙弱含水层水体，但不允许垮落带波及该水体”，安全煤岩柱类型为“防砂安全煤岩柱”。

4.2 溃砂风险性评价

(1)根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，留设防砂安全煤岩柱的目的，是允许导水裂缝带波及松散弱含水层或已疏降的松散强含水层，但不允许垮落带接近松散层底部。其垂高(Hs)应大于或等于冒落带的最大高(Hm)加上保护层厚度(Hb)，即

Hs≥Hm+Hb

(1)

式中，Hs为防砂安全煤岩柱，m；Hm为冒落带高度，m；Hb为保护层厚度，m。

(2)冒落带高度计算。由于43下20工作面上部3上煤层已经开采，为3301，3302工作面的采空区，且3上，3下间距为6.5m，属于近距离煤层，所以应分别对2个煤层冒落带高度进行计算，取其中大者为防砂煤岩柱冒落带高度。

根据规程，按软弱型岩层计算冒落带高度：

3上煤层厚度为1.9m：

(2)

3下煤层厚度为2.5m：

(3)

根据规程，按中硬型岩层计算冒落带高度：

3上煤层厚度为1.9m：

(4)

3下煤层厚度为2.5m：

(5)

从计算结果看， 3下煤层冒落带高度大于上下煤层间距，所以3下煤层冒落带高度应按3上煤层冒落带高度计算，此处按中硬岩层计算，3上煤层冒落带高度为9.0m，加上上下2层煤相对高差6.5m，得3下煤层冒落带高度为15.5m。

(3)保护层厚度计算。根据规程，防砂安全煤岩柱保护层厚度，松散层全厚大于累计采厚，则保护层厚度为累计采厚的2倍，即8.8m。

(4)将3下煤层冒落带高度15.5m、保护层厚度8.8m代入式(1)，得43下20工作面外部局部提高开采上限区防砂安全煤岩柱高度Hs≥24.3m，小于该区域最薄基岩厚33m，43下20工作面开采厚度为2.5m是安全可行的。

5 结 论

(1)数值模拟计算得到，43下20工作面开采后，冒落带发育高度为14m，导水裂缝带最大发育高度33m，上覆基岩厚度在33.05～43.34m之间，均未波及到第四系含水层。

(2)确定工作面开采安全煤岩柱类型为“顶板防砂安全煤岩柱”， 防砂安全煤岩柱高度为24.3m，小于该区域最薄基岩厚33m，满足留设防砂煤岩柱的要求。

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[责任编辑：张玉军]

Risk Assessment of Water and Sands Burst of Coal Seam Mining with Thick Loose Layer and Thin Bedrock

XU Hai-tao，KANG Qing-tao

(Safety Engineering School，Huabei Science and Technology University，Sanhe 065201，China)

According analysis of hydrologic and geological data and drilling results of 43 downward 20 working face，then the characters of aquifer and aquifuge of the Quaternary loose layers，thickness and water resistant of clay at the bottom and overlying thin bedrock structures were revealed，and mining numerical simulation model of thick loose layers and thin bed rock working face was built，collapse zone height was 14m，water flowing fractured zone height was 33m，the type of working face mining safety coal and rock pillar was ‘roof sands resistant safety coal and rock pillar’，the height of sands resistant coal and rock pillar was 24.3m after calculated.The results showed that water flow fractured zone and coal and rock pillar height by theory all smaller than the thin bedrock thickness 33m，water and sands burst risk was nonexistence when working face mining height was 2.5m.

thick loose layer；thin bedrock；water and sands burst；risk assessment；numerical simulation

2016-10-25

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.023

国家自然科学基金资助项目(51674119)；河北省自然科学基金资助项目( E2013508123)；河北省科技计划项目(16275515)

许海涛(1979-)，男，山东菏泽人，讲师，硕士，主要从事特殊开采、矿井水害防治相关领域教学与科研工作。

许海涛，康庆涛.厚松散层薄基岩煤层开采突水溃砂风险评价[J].煤矿开采，2017，22(3)：78-81.

TD745

A

1006-6225(2017)03-0078-04