董书宁，柳昭星,3，王 皓

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077；3.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

我国西部矿区由于煤炭资源储量丰富，现已成为国家煤炭资源的主要产地。而西部矿区主要富煤区的成煤时代以相对较晚的早—中侏罗世为主，致使煤系地层中侏罗系砂泥岩地层通常胶结程度不足，具有强度低、易崩解等典型力学特性。因此，西部矿区弱胶结岩层一直是煤炭企业工程技术人员和科研工作者关心的热点和应对的难点。在国家规划的14个大型煤炭基地中，黄陇、宁东煤炭基地多个煤矿出现采场顶板溃水溃砂与强矿压显现并发灾害。该类型灾害严重制约了煤炭资源的高效安全开发。而这种数百米至千米埋深采场的溃砂灾害，既不同于浅埋、近松散层采掘工作面出现的溃砂灾害，也不同于矿井顶板涌水灾害，其破坏力极强，是我国西部矿区一种新型的厚基岩采场顶板弱胶结岩层动力溃砂灾害。

目前，对于厚基岩采场下弱胶结顶板溃砂灾害的研究相对较少，已有的研究仅参考以往浅埋、近松散层采场溃砂灾害或顶板离层水害相关研究内容和思路，缺少关于矿山压力作用的分析和探讨；笔者曾就黄陇煤田某煤矿采场溃水溃砂和强矿压显现叠加灾害进行研究，分析了矿山压力的作用，但未形成动力溃砂的概念和认识。因此，该新型顶板水害发生的机制和规律尚未被充分认识，现有理论和技术遇到瓶颈，无法对灾害形成有效防控。而揭示灾害形成的内在机制是当前灾害有效防控首要解决的难题，相关研究有重要的理论意义和工程应用价值。笔者通过调研分析以往浅埋、近松散层采场顶板的非动力溃水溃砂及采场顶板弱胶结岩层动力溃砂相关研究现状，总结研究不足，研究得到关键科学问题，提出当前亟待解决和研究的主要问题和内容，以期对该类型灾害防控技术体系构建提供借鉴和参考。

1 与浅埋、近松散层采场溃砂的不同

以往发生的采掘溃砂是采掘活动导通近松散层或上覆新近系含水砂层而诱发的含砂量较高(一般50%以上)的水砂混合流体溃入井下采煤工作面或掘进工作面，并造成财产损失及人员伤亡的一种矿井地质灾害。例如，2018年山东某矿回风暗斜井掘进工作面导通新近系砂层形成的溃砂，2010年神东矿区哈拉沟煤矿采场顶板裂隙导通第四系松散沙层形成的溃砂等。该类型溃砂灾害的形成动力仅为自重和水压，缺少外在的矿山压力作为动力，属于非动力溃砂；而采场顶板弱胶结岩层溃砂是受回采扰动而劣化的顶板弱胶结岩层在其上方硬岩破断和下方基本顶失稳带来的矿压显现效应下而产生突涌的一种突发性强、破坏性大、冲击力大的矿井灾害，其实质是弱胶结地层劣化诱发硬岩破断失稳效应下的顶板动力溃砂。例如，2016年陕西黄陇煤田某煤矿采场顶板泥石流灾害等。

弱胶结岩层动力溃砂与以往非动力溃砂灾害在物源、表象和动力源上存在明显不同。以往浅埋或近松散层采场的非动力溃水溃砂灾害溃涌物来源为松散层或近松散层地层(图1)。但弱胶结岩层动力溃砂灾害中由于采场覆岩较厚(表1)，根据文献[23-25]关于黄陇、宁东矿区煤层采动导水裂隙带高度的实测、统计结果，煤层回采后所形成的导水裂隙带高度无法波及松散层或近松散层地层，因此，溃涌物源不可能来自松散层或近松散层地层(物源不同)；除浅埋或近松散层采场强矿压显现中顶板切落贯通松散层出现溃砂灾害外，覆岩较厚(大于导水裂隙带高度)的采场强矿压显现中鲜有顶板溃砂灾害出现(表象不同)；松散层或近松散层采场溃砂灾害的动力仅为水压和自重，不存在矿山压力作为动力的上覆岩层条件(动力源不同)，而弱胶结岩层动力溃砂灾害中顶板溃砂动力与砂源地层上覆岩层的强矿压显现存在明显联系和影响。

图1 浅埋或近松散层采场顶板的非动力溃砂示意Fig.1 Non-dynamic sand burst of shallow buried or near loose stope roof

表1 黄陇、宁东煤炭基地溃水溃砂和强矿压显现并发灾害案例(不完全统计)[12-14]

2 浅埋、近松散层采场溃砂形成机制与防治

2.1 形成机制

目前，采场顶板溃水溃砂主要集中在我国西部浅埋采场及华东、华北等矿区的近松散层采场，该类型溃砂灾害发生的工程地质模式可分为垮落带直接揭露含水砂层、导水裂隙带渗透破坏含水砂层和地面砂体、井下钻孔等人为通道导通含水砂层等3种类型。灾害的发生需要同时具备以下4个条件：① 水砂源。提供水砂溃涌的富水砂层；② 溃涌通道。采掘扰动形成的溃水溃砂通道；③ 流动空间。容纳水砂混合物的采掘空间；④ 动力源。较大的动水压力。

(1)水砂来源。水砂是采场溃水溃砂灾害形成的基础条件，西部浅埋采场及华东、华北等矿区的近松散层采场水砂来源主要为第四系松散层或近松散层的弱胶结地层。如榆神府矿区溃砂来源主要为萨拉乌苏组及风积沙砂层，风积沙在榆神府矿区厚度0～30 m,一般5 m左右,以粉细沙为主,粒径介于0.25～0.50 mm的颗粒占95%以上。萨拉乌苏组厚度0～175.75 m，一般10～30 m，粒径与风积沙相近,易于发生溃砂。水源主要为萨拉乌苏组含水层，萨拉乌苏组地下水在风沙滩区普遍分布，厚度变化大；新疆某矿工作面开采过程中水砂来源为上覆弱胶结的古近系砂砾岩含水层；华东、华北等矿区的许多大煤田多为隐伏型，煤层上覆有巨厚松散层沉积，松散层底部常存在弱至中等富水的砾石含水层，是该地区溃水溃砂灾害的水砂来源。

(2)通道特征。裂隙通道是产生溃砂的必要条件，溃砂及危害程度主要与裂隙发育结构和砂的颗粒大小有关，通道的宽度、倾角和结构特征对颗粒速度分布和受力能够产生重要影响，通道宽度控制了溃砂量，在相同初始水头条件下，随着突砂口尺寸的加大，突砂量基本呈线性增加。溃砂通道发育过程可划分为裂隙渐次发育阶段、裂隙贯通阶段和突水溃砂通道形成3个阶段。在裂隙发育未完全时，砂粒溃入在一定程度上能够抑制裂隙的发育，但持续的水压作用增大了裂隙内的孔隙压力，促使裂隙进一步发育，到达一定程度后，就会造成水砂突涌，并沿着各新生裂隙流入，进而加速裂隙发育过程，甚至造成煤层顶板的垮落，加剧溃水溃砂灾害。另外，水砂能够降低岩块间摩擦因数，致使水砂涌入工作面开采时易发生滑落失稳、来压剧烈和台阶下沉现象。因此，在浅埋采场中，溃砂通道往往是由于基本顶岩块回转或回转触矸后由于支架阻力不够滑落失稳形成的，而岩块端角接触面高度越高、采场支架工作阻力越大越不容易发生溃砂。

(3)流动空间。非动力溃水溃砂是水砂混合物在自重和水压作用下在井下不同空间内快速转移流动而对井下设施、空间和人员等造成损伤的过程，因此，采空区、巷道等均可成为水砂溃涌的流动空间。而涌入空间的大小将决定溃砂危害性的大小及发展程度。原因在于：当饱和含水砂层被采动裂隙导通时，溃涌口下方存在较大空间将有利于水砂混合物的快速流动，致使灾害溃砂形成，而对于较小的流动空间，即使有较大的水流作用，也容易导致砂体堆积在溃涌口，阻止溃砂的进一步发展。

(4)动力特征。临界水力坡度是浅埋、近松散层采场顶板溃砂发生的关键，该结论已得到理论分析、室内试验的证实。当缺少水动力条件时，根据普氏平衡拱理论，砂体颗粒在重力作用下能够相互挤压，形成相对稳定的结构；当发生涌水时，水流会对砂颗粒产生浮力、拖曳力、渗透压力等力的作用，造成颗粒结构的失稳和运移。当砂颗粒达到临界流速时便会产生溃砂，并且涌水的速度决定了单位时间的溃砂量，在相同突砂口张开的情况下，涌砂量随着初始水头增大而增大。砂体颗粒在运动过程中颗粒之间及与通道内壁间产生碰撞、摩擦，造成颗粒速度分布呈现连续增大、快速见效和缓慢波动等3个阶段。另外，对于厚层基岩采场，采掘扰动波及上覆松散层或新近系弱胶结地层能够产生高势能溃砂灾害，其中砂体自重在溃砂启动过程中起到重要作用。

2.2 防治措施

根据浅埋、近松散层采场溃砂特点和机制，对其防治形成了危险性评价、预警监测和主动治理等技术。采场顶板的临界水平变形、裂粒比(裂隙宽度与松散层粒径之比)、变粒比(临界拉伸水平变形与颗粒有效直径之比)、含水层水压均是溃砂危险性的评价指标。根据大量的勘探数据，选取溃砂影响关键因素为影响因子，在GIS平台下构建基于多因素融合技术的溃砂评价模型，并以此进行综合分区，可形成溃砂灾害实时或面向生产计划的预警方法。另外，基岩上覆黏土层、承压含水层以及水砂突涌前后含水砂层中孔隙水压力可以作为近松散含水层开采溃砂灾害预警和监测的重要前兆信息源。溃砂灾害的主动治理可采用地面或井下注浆、含水层疏放水、提高采场支架阻力、建造挡水墙、铺设双抗网和金属网等手段。

3 厚基岩采场顶板弱胶结岩层动力溃砂形成机制

笔者前期对黄陇煤田某煤矿采场顶板溃水溃砂与强矿压显现(切顶压架)并发灾害的动力源、物源进行研究(图2)，得到溃砂物源为侏罗系直罗组泥岩类地层，动力源除溃涌物自重和含水层水压外，还包括侏罗系弱胶结地层上部洛河组砂岩破断产生的矿山压力，而且试验证明弱胶结地层遇水易崩解、劣化。上述表明弱胶结地层遇水劣化诱发上部硬岩破断，为溃砂提供了动力，而且岩层破断的传递载荷和弱胶结地层吸水增量载荷造成基本顶失稳，进而切顶形成溃砂通道。

图2 黄陇煤田某煤矿切顶压架和溃水溃砂并发事故示意[16]Fig.2 Schematic diagram of concurrent accident of roof cutting,frame pressing and water and sand breaking in a coal mine of Huanglong coalfield[16]

3.1 覆岩结构特征

图3 事故煤矿覆岩共性结构特征示意Fig.3 General structural characteristics of overlying rock in the accident coal mine

经统计，发生弱胶结地层动力溃砂灾害的煤矿采场覆岩广泛存在“下基本顶-中弱胶结地层-上硬岩层”的类似“夹心饼干”特征的地层结构(图3)，其中弱胶结地层既是上硬岩层的基础，也是下基本顶的载荷。如黄陇煤田煤层上覆白垩系洛河、宜君组孔隙-裂隙含水层厚度大(100～350 m)、富水性中等，地层呈明显整体性巨厚层状特征，多为砂、砾岩互层结构，泥钙质胶结，强度较高，其破断失稳易造成强烈的矿压显现(上硬岩层)；煤层与白垩系洛河组含水层之间主要为砂岩和泥岩，并呈现交互结构(部分地层泥岩占比高达88%)，由于沉积时间短、成岩环境为内陆河湖相，岩石胶结物多为泥质，具有强度低、孔隙度高、胶结性差、黏土矿物含量高等特征，受水浸泡后易产生崩解、泥化等岩体劣化现象(弱胶结地层)。同样，宁东煤炭基地煤层上覆广泛发育有厚层侏罗系富水砂岩(俗称七里镇砂岩)，其与煤层间主要发育侏罗系弱胶结泥岩类地层。因此，“中弱胶结地层”为侏罗系弱胶结砂泥岩地层、“上硬岩层”为白垩系厚层富水砂岩(黄陇煤田)或侏罗系厚层富水砂岩(宁东煤田)，而且2者均在采动破坏范围内，表明溃水溃砂和强矿压显现并发灾害中溃砂的物源和动力源分别来自于侏罗系弱胶结砂泥岩地层和上部砂岩破断产生的矿山压力。

3.2 弱胶结岩层遇水劣化特征及影响因素

弱胶结地层及其遇水劣化性质与胶结成分、黏土矿物含量和空隙特征等密不可分。国外学者对弱胶结沉积地层性质的研究相对较少，有研究表明塑性变形对胶结物的破坏是弱胶结砂岩力学性能退化的主要机制。与之相近的是对沉积岩性质的研究，如研究得到砂岩性质的演化与基质中所识别的黏土相密切相关，黏土矿物在水分含量较低时就能够影响岩石的性能；沉积砂岩随着饱和水平的增加，力学和断裂韧性普遍下降；另外，石灰石的吸附行为主要受比表面积较大的蒙脱石层的数量决定，力学强度损失率与吸附能力成线性关系。

国内关于弱胶结地层的研究相对较多，试验研究表明西部矿区的弱胶结地层岩性主要为砂岩、砂质泥岩及泥岩，胶结物大多为泥质，具有孔隙度大、胶结性差、黏土矿物含量高等特征，岩石强度普遍偏低，遇水后易崩解、泥化。而这与岩石的矿物组成和结构特征密切相关。软弱泥岩单轴抗压强度和弹性模量随黏土矿物含量增加而减小，泥岩遇水弱化指数随着黏土矿物含量增加而增大；侏罗系弱胶结砂岩、泥岩骨架颗粒自身吸水膨胀软化，骨架颗粒之间的黏连性变差，胶结程度降低；侏罗系弱胶结砂岩属高孔隙度岩石，具有大孔孔喉及中孔孔喉分布频率高的结构特征。大量的实验室测试表明侏罗系弱胶结煤系地层的完整砂岩和泥岩中的矿物组成与物理力学参数之间存在定量关系。

3.3 弱胶结岩层溃涌的动力特征

岩层破断失稳是煤层采场各种灾害形成的动力来源，弱胶结岩层动力溃砂的动力源主要来自岩层破断产生的矿山压力，而且弱胶结岩层劣化对岩层矿压显现特征具有重要影响。原因在于岩层下方支承条件和上覆载荷分布特征对采场上覆岩层破断失稳规律具有显著影响。因此，劣化的弱胶结地层能够对其上、下岩层的矿压显现和结构失稳产生重要影响。

(1)劣化弱胶结岩层对上方硬岩和下方基本顶的影响。基于有限元计算的研究表明采动后关键层上部岩层的作用是非均布的，工作面周围垂直应力呈现隆起分布形态，且分布规律与软弱夹层的厚度和硬度有关，软弱层越厚或越软，关键层上方载荷和支承压力的峰值就越低，且峰值位置越远离煤壁。其中，岩层的性质、回采的深度和采空区悬顶长度决定了工作面前方支承压力峰值大小和位置，而影响基本顶断裂位置的因素为基本顶的抗拉极限、承受载荷、厚度及垫层的弹性模量等。因此，基础类型对岩梁的运动规律、支承压力随采场推进的变化发展规律及基本顶岩梁的内力分布具有较为重要影响，相关研究可分为损伤基础梁模型和软化基础梁模型。而如何描述基础特征对岩梁的弯矩、剪力及支承压力的高峰位置和大小均具有显著影响。Weibull分布函数与隆起的增量载荷具有较好的一致性，可利用该函数模拟隆起增量载荷研究硬岩破断规律，得到软化地基支承的顶板弯矩峰值和弯矩峰超前煤壁的距离均有较大增加、煤壁前方应变能储存区域和储存量也大幅增加及顶板挠度比全为弹性地基支承的顶板挠度大幅增加。

(2)上方硬岩破断的动力特征和传递效应。高位硬岩破断失稳时能够释放动能并产生向低位岩层传递的载荷，造成下位岩层失稳或动力突水灾害。当弹性基础的坚硬顶板悬露到极限距离后，将在煤壁前方最大弯矩处断裂，在断裂两侧发生反弹、压缩现象，对应区域是产生冲击的震源区域。而厚硬岩石在弯曲和压缩中积累了大量弹性能，其破断失稳对下方煤岩体产生的能量和作用力明显高于普通岩层破断，因此，高位硬厚岩层破断及运移过程中产生强微震活动，能够释放大量弹性能，造成矿压显现强烈。

另外，深埋煤层采场上方存在着一倾斜块体承载区，在承担上覆岩层载荷的同时向低位岩层传递压力，因此，上位岩层破断的弹性能能够向低位岩层传递。利用相似模拟试验已得到厚砂土层下浅埋煤层顶板关键块上的动态载荷传递规律。而这种传递载荷能够造成采场支架阻力突然增大。例如，浅埋、近松散层或特大采高采场压架切顶就是由于覆岩关键层破断结构上覆载荷过大而滑落失稳。而且坚硬岩层失稳破断释放大量动能可致使岩层附近含水层中产生超高水压，并在含水层与采掘临空面之间产生瞬间冲破的导水通道，形成动力突水现象。且高位硬厚岩层与下方岩层间易形成高负压离层空间，若高位硬岩层为含水层时，在离层空间负压和岩层水压的作用下，岩层水迅速汇集到离层空间内，易诱发离层水灾害。

3.4 存在的问题

(1)前文所述相关研究采用扫描电镜、X射线衍射、X射线荧光、常规力学试验等手段取得了丰富成果，为深入研究弱胶结遇水劣化性质奠定了基础。但目前相关研究着重采用室内细观试验和微观观察等方式，若结合地球物理测井等宏观结果分析，引进显微CT、三维重构技术和GCTS岩石力学综合试验系统等先进手段加强细观试验研究，将进一步完善弱胶结地层遇水劣化性质对影响因素变化的反馈特征及响应关系。

(2)已有研究为硬岩下方支承压力和基本顶载荷分布随地层劣化的响应规律的深入分析奠定了良好基础，但对于软化基础下的硬岩破断失稳着重利用有限元计算和概率分布函数替代等方式研究支承压力和载荷分布形态，若对软化地基的支承作用和岩层上覆隆起增量载荷分布规律进行深入研究，并实现软化地基性质和岩层赋存特征的表征，将阐明弱胶结地层遇水劣化对上硬岩层下方支承压力和基本顶上方载荷分布的影响。

(3)已有研究关于岩层破断失稳规律着重分析了固支、简支或弹性基础条件，表明岩层破断存在对下方地层或水体的动力传递作用；目前关于浅埋、近松散层采场溃砂灾害和部分关于厚基岩顶板溃砂灾害的研究侧重分析水压、自重和通道对灾害的影响，尚未从矿山压力作用角度进行分析探讨。相关成果为顶板动力溃砂灾害研究提供了良好借鉴，侧面表明弱胶结地层遇水劣化诱发上部硬岩破断失稳效应是顶板动力溃砂形成的关键，而下部基本顶失稳形成的溃砂通道决定了溃砂危害程度和溃砂方量。因此，对于硬岩失稳作用下劣化弱胶结地层溃涌动力和基本顶破断产生的溃砂通道演化规律需深入分析和研究。

4 弱胶结岩层动力溃砂研究的关键科学问题及思路

针对采场顶板溃水溃砂与强矿压显现并发灾害，从灾害形成的覆岩结构特征和地层条件出发，分析灾害形成的动力源、表象和物源，提炼科学问题，调研分析以往研究不足，总结得到研究和解决的主要内容和问题(图4)。

4.1 关键科学问题

(1)硬岩下方支承压力和基本顶载荷分布对弱胶结地层劣化的响应规律。弱胶结地层遇水劣化导致其上部硬岩基础软化、下部基本顶载荷增大，而岩层支承条件和载荷分布是分析岩层内力、弯矩、挠度、应变能及结构失稳特征的重要条件，决定了岩层破断的动力显现规律，是揭示顶板动力溃砂机制的前提。

(2)硬岩破断作用下劣化弱胶结地层溃涌的动力形成机制和通道演化规律。硬岩破断产生的动能是劣化弱胶结地层溃涌、传递增量载荷和通道演化特征的主控因素，是揭示顶板动力溃砂形成机制的关键；通道是溃砂的必要条件，基本顶失稳产生的通道的演化规律是动力溃砂机制的重要组成部分。

图4 研究思路Fig.4 Research roadmap

4.2 研究思路

针对西部矿区黄陇、宁东2个大型煤炭基地采场顶板溃水溃砂和强矿压显现并发灾害频发难题，聚焦灾害背后的基础问题：采场顶板弱胶结岩层的动力溃砂机制，分析采场顶板特征，挖掘灾害发生的普遍客观条件，研究灾害形成的动力源、通道、物源等必要条件的特征规律。因此，为深入理解采场顶板弱胶结岩层的动力溃砂机制，需研究解决以下主要问题：① 弱胶结地层遇水劣化的物理力学性质随自身黏土矿物含量、空隙率、承受载荷等影响因素变化而呈现的特征及响应关系。② 上硬岩层和基本顶受力条件随弱胶结地层遇水劣化的变化规律及表征。③ 硬岩失稳作用下劣化弱胶结地层溃涌动力的形成机制和增量载荷作用下基本顶破断产生的溃砂通道的演化规律。

5 结论与展望

5.1 结 论

(1)采场顶板弱胶结岩层动力溃砂是受回采扰动而劣化的顶板弱胶结岩层在其上方硬岩破断和下方基本顶失稳带来的矿压显现效应下而产生突涌的一种突发性强、破坏性大、冲击力大的矿井灾害，其实质是弱胶结顶板劣化诱发硬岩破断失稳效应下的顶板动力溃砂。该类型灾害在动力源、溃涌物源、表象上均与以往浅埋、近松散层采场溃水溃砂或压架切顶灾害不同，是亟待防控的一种新型顶板灾害。

(2)研究得到硬岩下方支承压力和基本顶载荷分布对弱胶结地层劣化的响应规律、硬岩破断作用下劣化弱胶结地层溃涌的动力形成机制和通道演化规律等2个关键科学问题，形成了以解决弱胶结地层遇水劣化对影响因素的反馈特征及响应关系、上硬岩层和基本顶受力条件随弱胶结地层劣化的变化规律、劣化弱胶结地层溃涌动力机制和增量载荷作用下通道演化规律等3个主要问题的研究思路。

5.2 展 望

采场弱胶结顶部动力溃砂灾害具有溃水溃砂和强矿压显现叠加效应，相比以往采掘溃砂灾害危害性更大，因此，应在探明灾害形成机制基础上采取针对性防控措施，避免灾害再次发生。

笔者在分析黄陇煤田某煤矿顶板动力溃砂灾害形成机理时提出灾害防控可采用“查清客观必要条件、避免和控制诱发因素”的技术路线，客观必要条件包括物源(弱胶结地层)和动力源(上方硬岩)，诱发因素包括上方富水含水层、较小支架工作面阻力、临近工作面支承压力叠加等。近几年，随着水平定向钻在煤矿顶板硬岩强矿压显现防治和水害超前治理方面应用的日益成熟，弱胶结顶板动力溃砂可采用硬岩超前预裂和弱胶结地层注浆改性的综合主动防控技术，从根本上改变灾害发生的客观条件。

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