煤矿开采涌水溃砂灾害发生关键因素分析

 煤矿开采涌水溃砂灾害发生关键因素分析

毕昕悦  王海龙  刘晓宇  马钰清

（临沂大学土木工程与建筑学院  山东  临沂  276000）

摘要：为了降低涌水溃砂灾害对煤炭开采的影响，科学掌握涌水溃砂的发生条件是必不可少的。本文从物源、动力源、通道和容纳空间4个方面进行介绍，分析了煤矿开采涌水溃砂灾害发生条件，为涌水溃砂灾害防治提供了借鉴。

关键词：涌水溃砂；物源；动力源；通道；容纳空间

引言

厚松散层薄基岩下采煤属于特殊水文地质条件下的采煤问题。在中东部地区，涌水溃砂的主体主要是指含在砂砾互层中或具有一定弱胶结强度的砂层，流动性较差，这些砂体属于新近系和古近系组合体；在西部地区，涌水溃砂的主体主要是指颗粒非常细小的风积沙，流动性较好。无论是在中东部地区还是在西部地区，在开采扰动影响下，厚松散层在水流的带动下，都可能会发生不同规模的涌水溃砂灾害。煤矿涌水溃砂灾害发生的条件和机理复杂，与含水层特性（规模，水压力，有无水力补给、颗粒物组成等）、覆岩特征（岩性、厚度、强度、组合方式、破坏形式等）、煤层采高、开采面积、开采方法和顶板管理方法等因素有关。大量生产实践表明，涌水溃砂灾害的发生主要有由以下4个因素决定。（1）物源，上覆含水层中存在厚度大于0.25m的粉细砂层，砂层土的含水率大于3%或孔隙率大于43%；土的组成中粉砂含量大于75%；（2）动力源，覆岩含水层富水性强，向矿井涌水的水力坡度应达到或大于临界水力坡度；（3）通道，采矿破坏形成的垮落带和导水裂缝带贯通含水层；（4）容纳空间，采空区和巷道有足够大空间容纳溃入的水砂。

1涌水溃砂灾害的物源

砂、砾石和卵石类粗颗粒一旦沉积，实际上就不会再压密了。但细砂由于絮凝作用，在沉积时会连接成絮团，絮团和絮团会连接成集合体，几何体还会搭接形成网架[1, 2]。絮凝的新沉积物是一个高度蜂窝状的结构，含水量很高，密度很低，如图1(a)所示。此状态下的细砂体具有很低的抗剪强度和粘结力。在自重和覆盖层的重力作用下，最脆弱的集合体与集合体之间的连接将首先破裂，并改变沉积物结构达到较为密实的平衡状态，如图1(b)所示，此状态下的细砂体具有一定的粘结力。随着自重和覆盖层的重力作用时间的延长，絮团之间的连接破裂，絮团集合体的形式不复存在，很多絮团重叠排列成层，如图1(c)所示。如若时间足够长，絮团将发生变形，使絮团间孔隙消失，沉积物变成颗粒密集排列的均匀结构，如图1(d)所示。

图1  砂体在沉积过程中形成的不同结构

水砂通道一旦形成，在水压、自重及载荷的作用下，靠近水砂通道的水砂开始沿水砂通道流动；距水砂通道“较远”的，处于半固体状态的细砂沉积层受扰动后，产生结构失稳，往往会“液化”而变为溶胶或悬浮液，进而加剧水砂突涌。此时若将水砂通道关闭，细砂又会重新凝结，水砂这种一触即变的现象称作 “水砂触变”。

含水砂层的物理特性、分布特性及富水性是发生涌水溃砂灾害的先决条件。含水层含砂量的大小主要取决于含水层空间结构特征，即含水层水砂组合特征。涌水溃砂灾害的发生与砂的粒径密切相关，砂粒径较大，砂层孔隙度较高，颗粒间的通道排水较容易，可能仅仅发生突水，不容易形成溃砂。粒径较小且胶结性极差的细粉砂流动性好，在水流的作用下较容易形成溃砂。

2涌水溃砂灾害的动力源

涌水溃砂灾害的主要和直接动力源为松散层中的水体，由于采动形成的贯通裂隙波及到上覆松散含水砂层，改变了松散含水砂层中水体的运动状态，水体迅速通过贯通裂隙涌向采空区，局部水力梯度超过砂体液化的临界水力坡度，对贯通裂隙附近砂体产生较大的动水压力和渗透破坏力，引起较大范围内的砂体液化，水砂混合物便沿贯通裂隙涌向采空区形成涌水溃砂灾害。

2.1 静水压力

静水压力的大小主要是由松散含水砂层的富水性和临近含水层的补给特性决定的。静水压力大说明松散含水砂层内潜伏着较高的原始水势能，为涌水溃砂提供强大的动力支持。与此同时，在较大静水压作用下，松散含水砂层底界面下部岩层易因水压致裂和扩展作用而导致破坏带深度逐渐增加，增加了松散含水砂层与工作面建立水力联系的可能性。静水压力的力学作用主要表现为2个方面：（1）使裂隙结构面发生拉张型扩展作用，增大裂隙结构面的隙宽（张开度）；（2）使裂隙结构面发生剪切型延伸作用，增大裂隙结构面的延伸长度。

2.2 动水压力

在动水压力的作用下，裂隙结构面及充填物在渗流方向上发生变形和位移，导致裂隙结构面再扩展，并不断增加其孔隙度、渗流速度和透水性能，当渗流速度增加到细小砂粒的液化临界速度时，便开始发生涌水溃砂。对于有涌水溃砂灾害的采场，水力梯度可用于评价含水层透水性强弱。当含水层局部发生相变而产生粒径增大时，颗粒间的空隙也会随之增大，进而导致该部位透水性增强，水力梯度变小。相反，当含水层局部发生相变而产生粒径变小，该部位透水性变差，水力梯度相应增大。

3 涌水溃砂灾害的通道

涌水溃砂灾害发生与否，上覆松散砂层在有水体作为载体和动力的同时，只有通过水砂通道才能进入井下巷道或采空区内，所以，涌水溃砂通道的存在或生成是涌水溃砂发生不可缺少的必要条件。在开采扰动之前，天然地层中也常常存在原始通道，也会产生水的渗流作用，但天然形成的通道中的动水压力不足以引起含水砂层中砂体的液化，因而不会发生涌水溃砂；开采扰动之后，形成人为临空面，在临空面附近形成较大的动水压力，进而诱发涌水溃砂灾害。在松散含水砂层赋存状态一定的情况下，水砂通道的大小决定了井下涌水溃砂灾害的规模。煤层采动后，其覆岩按照破坏形式，通常可划分为垮落带、裂缝带和弯曲带三个不同的开采影响带

[3-5].

4涌水溃砂灾害的容纳空间

当采动引起的覆岩贯穿裂缝波及到上覆松散含水砂层，且水力梯度超过砂体液化的临界水力坡度，涌水溃砂便会发生。如果井下存在较大的空间，那么细砂在足够大的水流的作用下沿巷道或采空区流动，从而充填、埋没工作面和巷道。如果井下临空面的空间较小，没有足够的水砂容纳空间，即使有较大的水流作用，溃砂也只能堆积在溃砂口的下方，涌水溃砂没有进一步发展的空间。因而，临空面空间的大小决定着涌水溃砂灾害的危害程度。

5结语

覆岩涌水溃砂灾害发生4个关键因素分别是物源、动力源、通道和容纳空间。含水砂层的物理特性、分布特性及富水性是发生涌水溃砂灾害的先决条件，涌水溃砂灾害的主要和直接动力源为松散层中的水体，涌水溃砂通道的存在或生成是涌水溃砂发生不可缺少的必要条件，临空面空间的大小决定着涌水溃砂灾害的危害程度。

参考文献

[1]钱宁, 万兆惠. 泥沙运动力学[M]. 北京: 科学出版社, 1983.

[2]张书农, 华国祥. 河流动力学[M]. 北京: 水利电力出版社, 1988.

[3]Palchik V. Formation of fractured zones in overburden due to longwall mining[J]. Environmental Geology, 2003, 44(1): 28-38.

[4]Wang S F, Li X B, Wang D M. Void fraction distribution in overburden disturbed by longwall mining of coal[J]. Environmental Earth Sciences, 2016, 75(2): 1-17.

[5]郭惟嘉, 陈绍杰, 王海龙, 等. 矿井特殊开采方法, 北京: 科学出版社, 2016.

资助项目：山东省大学生创新创业训练计划项目（S202310452180），临沂大学研究生教育教学改革研究项目（JGB2023006）,临沂大学课程思政“教学示范”课程项目（K2021SZ163）