薄基岩煤层顶板突水影响因素分析

武宗刚　丁先飞

摘要：为研究厚松散层薄基岩煤炭资源开采中容易出现的突水或溃砂事故，本文基于赵固二矿11151工作面，对其采场顶板上覆各含水层以及它们之间的水力联系做了具体分析，通过计算上覆岩层的“两带”高度，在探讨岩层中的粘土隔水层的工程特性、破坏规律以及裂隙静水状态下的渗透性等因素的基础上，得出底部粘土层的阻水机理不是单一因素可以解释的，是有多种因素的叠加作用。

关键词：薄基岩；顶板突水；粘土隔水层；覆岩破坏

一、工程概况

赵固二矿11151工作面位于一盘区东部，水平标高-525m工作面走向长度760m，切眼长度230m。主采煤层为二1煤，厚度5.93～6.42m，平均6.14m，煤层倾角沿工作面方向1-2°。基岩厚度13.87～68.41m，厚度薄，基岩厚与煤厚之比为2.21～10.67，属典型的薄基岩。该类型基岩由于受风化带的影响大，可能难以形成组成结构的关键层，具有原生节理、裂隙十分发育等特点。

根据含、隔水层结构以及对开采的影响，将松散层划分：埋深215.8m以浅的第一含水层段或上组含水层第一含水层为第四系砂砾含水层，富水性强；埋深215.8～419.8m有6层单层粘土层厚度大于10m并砂砾含水层均小于5m的为第一隔水层或中隔；埋深419.8～437.3m由2层厚砂砾层组成的为第二含水层或下组含水层，第二含水层为新近系砂砾含水层富水性弱——中等；埋深437.3～518.8m由2层厚层粘土和1层中厚砂砾层组成的为第二隔水层，为“粘—砂—粘”结构，这其中的夹砂层为突水的关键因素。

二、覆岩破坏高度的确定

覆岩破坏高度是水体下采煤的一项重要内容。其破坏导致的垮落带、裂隙带是联系新近系含水层的重要通道。对顶板跨落带和导水裂缝带发育高度的预计，可以确定采煤活动导致上覆顶板含水层发生水力联系的范围，为评价煤层顶板突水威胁提供判断依据。

（一）经验公式法[1]

（二）现场钻孔注水测定

现场观测覆岩破坏高度的方法主要有地面钻孔观测法和井下仰上孔观测法。鉴于赵固井田具有松散层厚度大、基岩柱薄和地面具有钻孔施工条件的特点，决定采用地面钻孔的方法观测覆岩破坏高度。根据已有资料和现场条件，在11151工作面布置2个“两带”观测钻孔，编号SD-01和SD-02，钻孔施工见图1，工程量见表1，钻孔结构如下。

当SD-02孔钻进至547m时，钻孔出现冲洗液漏失量突然增大、不反浆，并伴有卡钻、掉钻等现象，岩芯为较为破碎的砂岩。提钻后在孔口用打火机试验有向孔内吸风现象，据此判定孔深547m处为垮落带顶点位置。

二1煤层上覆基岩厚度平均不超过50m，按照经验公式计算和现场实测其上覆两带高度之和达到了58.4-72.2m。理论上已经穿透松散层中第二隔水层下部的厚层粘土层，贯通到第二隔水层的夹砂含水层，此含水层不但自身具有大量水而且还有来自第二含水层的补给水源。一旦由采动裂隙贯通到工作面，就可能发生突水事故。

三、粘土层阻水机理分析

（一）粘土层工程特性分析

利用覆岩破坏高度观测孔（SD-01）取底部粘土样，进行土工试验，结果见表2。

由表2可知，土样的塑性指数基本都大于17，液性指数都小于0.25，该粘土的状态分类为低液限半固结状态。具有良好的隔水性和差的流动性。对防止上面砂、砾层含水层的溃水、溃砂十分有利。许延春[2]认为当粘土有一定厚度并为半固态和硬塑状态时，基岩面出现台阶状错动、开裂，但可保持层位的连续性，由于粘土是十分致密的并且有一定的塑性，因此难以在粘土层内形成导水裂缝。从粘土的工程特性解释了虽然预计的导水裂隙带高度达到其上部的含水砂层，但工作面开采过程中没有出现松散层水的下泄。

（二）粘土层破坏变形规律

底部粘土层在采后应力、应变产生了复杂的变化。粘土层厚度越薄，垂直集中应力越大，采厚越大，垂直集中应力越大。水平拉应力的变化则因条件而异，而水平拉应变最终导致粘土层的开裂。粘土层的拉伸破坏和裂纹主要出现在工作面上部，随动态推进，采空区上部底粘裂缝逐渐闭合，裂纹随开采呈现张开—闭合的动态变化特征。

（三）裂隙粘土样的渗透性[3]

开采过程中，裂隙处于张开—闭合的动态变化，这里对裂隙张开时渗透性展开试验。实验中人为切割张开1mm的粘土裂隙，按不同时间进行浸泡饱和，得到不同饱和时间-渗透系数关系曲线。如图2所示，裂隙粘土层在静水作用下时间越长，其闭合效果越好。试验条件下饱和7小时即可获得稳定低渗透性。

四、结论

通过研究可知松散层底部夹砂含水层是顶板突水溃砂的重要因素；通过经验公式和现场钻孔实测计算“两带”破坏高度，得知基岩基本上处于裂隙带范围内，不具备阻水功能；底部粘土层的阻水机理不是单一因素主导的，是由多种因素叠加作用而导致的，包括粘土层的工程特性、采动下的破坏规律、以及裂隙静水状态下的渗透性等，这些因素相互作用、相互影响才得以形成粘土层隔水保护的作用。

参考文献：

[1]許延春，李振华，贾安立.深厚松散层薄基岩条件下覆岩破坏高度实测分析[J].煤炭科学技术，2010（7）：21-23

作者简介：武宗刚（1986-），男，河南封丘人，助理工程师，学士学位，2010年毕业于河南理工大学，河南能源和化工集团赵固二矿技术主管。