祁南煤矿83采区近松散含水层下开采的突水溃砂防控研究

李业

摘要：突水溃砂事故是仅松散含水层下开采的主要威胁。祁南煤矿83采区四含临界水力梯度值Jcr范围1.08~2.71，回采后实际水力梯度值J为29.7。通过疏水降压等措施使顶板含水层实际水头高度小于临界水头高度时，可保证矿井的安全有效开采。研究成果可为其它相似条件下的近松散层下开采的突水溃砂防控提供借鉴。

关键词：突水溃砂；水力梯度；近松散层下开采；泰斯井流

1 研究区概况

祁南煤矿位于宿南向斜西南部，为一走向近南北转至东西，向西南凸出，倾向东转至倾向北的弧形单斜构造，中部及东部发育有褶曲，轴向基本与地层走向一致。矿井内地层倾角北部陡，一般为20～30°；中部及东部较缓，一般为7～15°。83采区内煤系地层为北西西、倾向北北东的单斜构造，北部地层倾角相对较平缓，采区内地层倾角在4～17°之间，一般8～12°。

祁南矿第四松散含水层（四含）是矿井的主要突水水源。矿井范围内四含厚度变化较大，富水性强弱差异较大，四含大部分区域为弱富水性，局部区域为中等富水性，强富水性区域很小且仅分布于厚砾岩分布区。从整个矿井总体来看，四含上部与巨厚的第三隔水层直接接触，三隔抑制了四含与地表水和上层含水层的水力联系，使整个矿井大部分区域四含属于弱富水性。

2 研究区突水溃砂临界水力梯度计算

对于临界水力梯度的确定，一般通过试验建立临界水力梯度与某些因素的关系，绘制拟合曲线并得到相应的拟合公式，或是分析土粒的受力、运动过程提出临界水力梯度的理论计算公式。现有的临界水力梯度计算公式包括太沙基公式、扎马林公式、南京水利科学研究院公式等。各方法的具体计算公式如表1所示。

表1 突水溃砂临界水力梯度计算方法

注：表中，为土粒容重；为水容重；n为孔隙率；ζ为侧压系数；φ为内摩擦角；d为与砂岩性质相关的参数，当土体为弱胶结粉细砂岩时取2，粘粒含量大于10%时取3，为中砂时取5；c为粘聚力。

3 研究区突水溃砂的实际水力梯度确定

3.1 实际水力梯度计算方法

随着工作面推进，导水裂隙带与松散承压含水层沟通之后，通常导水通道上方的含水层水头会迅速降低。此时含水层水体向工作面的充水过程可以视为含水层的抽水过程。当含水层厚度足够薄且含水层边界足够远时，水流近似于层压含水层非稳定流。因此，含水层水体经由导水通道进入采空区的过程可用承压水完整井定流量非稳定流模型描述，数学模型可表示如下：

                   (1)

求解后得到泰斯公式表达式：

               (2)

式中，s(r,t)为降深函数；；；；K为渗透系数；M为含水层厚度；T为含水层导水系数；Q为含水层的涌水量；μ为含水层贮水系数；t为某一计算时刻；为涌水开始时刻。

对式（2）作导数变换可以得到距涌水通道r处的含水层实际水力梯度J为：

                      (3)

通常情况下，导水通道上方的含水层水位会迅速下降至含水层底板。因此，式（3）中的含水层涌水量可通过承压转无压情况下的涌水量计算公式得到：

    (4)

式中，R为含水层发生涌水时的影响半径，可由计算得到；rw为导水通道的等效半径。

根据孟召平等人的研究，导水通道的等效半径可根据裂隙宽度进行计算[18]。而裂隙宽度可由根据工程地质类比法确定。祁南矿邻近矿井祁东矿曾利用彩色钻孔电视对两带发育特征的进行了观测，结果显示，在冒落带范围内，岩块间的裂隙宽度一般在100 mm左右，而断裂带范围内裂隙宽度一般在20 mm左右。可作为相邻的祁南矿导水裂隙通道半径rw的参考依据，裂隙长度为基岩顶界面处倾向长度，可依据下式确定：

                      (5)

式中，b为基岩顶界面处环形体倾向长度；b0为工作面倾向宽度；h为工作面至基岩界面距离；α为岩层破裂角。

3.2 研究区实际水力梯度确定

首先确定研究区导水通道等效半径rw。以83采区首采工作面开采为例，其工作面倾向长度为210m，断层倾角去60°，结合首采工作面与基岩顶面距离取70m计算，由此得到了基岩顶界面处环形体的倾向长度约为129m。故导水通道的等效半径范围为：

          (6)

取最大值2.03 m作为导水通道的等效半径以进行后续计算。根据研究区内四含抽水资料，该含水层渗透系数K为0.00837 m/d，含水层水位降深S为295 m，含水层厚度M取10 m。基于以上数据计算得到研究区实际水力梯度J为29.7。

4 突水溃砂发生临界条件

对于水体下采煤而言，当采动破坏裂隙波及到上覆含水层时，特别是冒落带沟通含水层时，且含水层具有足够高的水头压力的情况下，水体易沿着裂隙进入采空区，此时导水通道附近水位急剧下降，水力梯度陡增，一旦达到或超过松散含水层中砂粒移动的临界水力梯度，含水层的砂粒将随着涌水溃入采空区。溃砂发生的临界条件可表示为：

                         (4)

即

                                      (5)

整理得到溃砂发生的临界水头高度Hcr的表达式为：

                   (6)

依据前面分析可知，83采区四含发生突水溃砂的临界水力梯度为1.67，实际水力梯度范围为29.7，大于临界水力梯度值，故当覆岩裂隙沟通含水层时易发生突水溃砂事故，其临界水头高度约为26.87 m。

根据83采区地质资料，首采工作面覆岩厚度最薄处为50 m左右。同时根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，导水裂隙带高度Hli计算公式如下：

                     (7)

式中，M为煤层采厚。

由于首采工作面最大采厚为4.0 m，计算得到的导水裂隙带高度为45.6m。表明其回采后导水裂隙带并未直接沟通四含，即回采72煤层时发生突水溃砂概率较小。但是，基于谨慎考虑，为防止开采冒落带延伸至四含，杜绝突水溃砂事故的发生，应确保含水层水头高度低于临界水头高度。此外，开采中应持续关注83采区四含水位值变化，并对72煤层回采后的两带高度进行实测，确保冒落带不与四含直接沟通。

结论

本论文基于地下水动力学理论，引用多种经验公式及理论方法确定了研究区四含发生突水溃砂的临界水力梯度。 并建立了祁南矿83采区发生突水溃砂的临界条件。得到的主要结论如下：

（1）基于多种方法得到的83采区四含临界水力梯度值Jcr范围1.08~2.71，回采后实际水力梯度值为29.7，存在突水溃砂威胁。

（2）当顶板含水层实际水头高度小于临界水头高度（约为26.87 m）时，可保证矿井的安全有效开采。

参考文献

[1]彭涛, 冯西会, 龙良良. 厚覆基岩下煤层开采突水溃砂机理研究 [J]. 煤炭科学技术, 2019, 47(07): 260-4.

[2]隋旺华, 梁艳坤, 张改玲. 采掘中突水溃砂机理研究现状及展望 [J]. 煤炭科学技术, 2011, 39(11): 5-9.

作者简介：李业 (1977-)，男，安徽省萧县人，工程师，主要从事地测防治水技术管理工作。