薄基岩采动水砂突涌相似模型试验

沈丁一

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300143)

0 引言

一般认为煤矿开采过程中对上覆原位岩体的扰动会产生裂隙。裂隙的发育形成了新的地下水渗流通道，导致矿井突水涌砂。特别是东部矿区浅部煤层顶部基岩厚度较小，距离第四系松散层近，水砂突涌问题更为严重。

采动裂隙发育规律的系统研究最早见于钱鸣高院士的报道，认为覆岩采动裂隙分布存在的“O”形圈的特征[1]。先进的测试仪器逐步助力于采动裂隙的研究，其中张玉军利用钻孔冲洗液漏失量观测法和钻孔彩色电视观测法对高强度综放开采采动覆岩破坏高度进行了测量，结果表明裂隙角度、宽度和埋深都符合统计意义上的正态分布规律，而在剖面形态上如“马鞍”型[2]。

此外，不同开采方式、不同地层条件下的覆岩采动裂隙分布规律研究日益增多。杨科对开采厚度对裂隙发育的影响进行了研究，结果显示开采厚度越大导致的裂隙发育高度越高[3]。林海飞利用模型试验进行了覆岩采动裂隙带动态演化的实验分析[4]。杨伟峰报道了厚松散层薄基岩条件下的采动裂隙试验[5]。

实际上，采动裂隙受到多重因素影响，既包括客观层面的工程地质水文地质条件，也包括主观层面的采动方法。因此，难以概括出一套行之有效的办法来描述不同条件下的裂隙发育规律，然而可以通过提取主要特征进行针对性试验来研究不同特征情况的影响。本文选择4组不同颗粒级配的试样模拟不同地层，选择不同裂隙角度和不同裂隙宽度来表征裂隙特征。采用自制的水砂突涌模拟装置，进行了薄基岩采动条件下的水砂突涌相似模型试验。

1 模型设计

1.1 模拟原型

太平煤矿位于山东省邹城市太平镇辖区内，其浅部煤层上覆基岩厚度小，基岩上覆的松散层厚度大，含水层多，因此在开采浅部煤层时存在较高的突水涌砂风险。8309工作面区域内上覆基岩承压水头为15～30 m，含水层厚度27.6～45.98 m，平均厚度36.47 m，底部含水层由中砂与少量砂砾组成，含水层渗透系数0.428 m/d。根据物探成果显示水砂突涌过程中产生了长5～20 m、宽20～30 m的裂隙带范围。整个突涌水过程中产生了半径约60 m的水位降落漏斗。

1.2 相似模型

根据1∶200的相似比例系数，模拟影响半径为0.3 m，因此模型储砂装置采用直径0.6 m的圆柱形容器，模拟渗流通道裂隙装置采用直径0.3 m、长1 m的圆柱体通道，模型试验参数见表1。

表1 相似模型试验参数

隋旺华等较早开展了近松散层的水砂突涌室内试验[6]。LEE等进行了单裂隙试验[7]。杨伟峰设计并报道的水砂混合流运移及突涌试验模型是本试验的设备[8]，设计如图1所示，模型图像如图2所示。

模型装置主要由以下6个部分组成：(1)加压装置(提供稳定水头压力)；(2)水砂储存装置(设计容积为150 L，耐压强度5 MPa)；(3)水砂混合物运移通道；(4)压力传感系统(传感器另一端与采集记录仪相连)；(5)多种成分的水砂混合物、水砂突出口装置；(6)保险装置(主要由电压过载保护装置和紧急制动开关组成)。其中，裂隙通道由薄层木板预制形成。首先，将两块薄层木板固定，预制得到设计的裂隙角度与宽度，然后将位置固定在模型箱中，裂隙后方用黏土进行密封，确保突出水砂混合物只从所做裂隙中通过，以达到检测效果。圆筒侧面从上到下每隔50 cm设有一个监测点(共3个，分别为M1，M2，M3)，用来测量突砂过程中水压力在裂隙中的变化情况。底部设有突砂口，由阀门控制开关。上部储砂圆桶侧面设有三个水头补给接口，以保证水头稳定，达到平稳加压效果。各装置连接处均可用螺丝和橡皮圈进行密封，模拟实际水压力下的水砂突涌情况。该模型下部和支座由螺栓连接和固定，可以进行角度调整，以得到不同的倾角模型。

图1 模型示意图

图2 模型实验装置

既往的研究成果表明，煤系地层在采动条件作用下的垮落形态在剖面上呈“马鞍型”，岩体裂隙受到张拉破坏，单裂隙形态呈上窄下宽的“八字型”。因此，水砂突涌通道设计为理想的“八字型”单裂隙。试验共分为2组，第1组裂隙上部宽度为1 cm、下部宽度为3 cm，第2组裂隙上部宽度为2 cm、下部宽度为4 cm，施加的水压力都为0.1 MPa。每组分别设三种不同倾角(30°、60°、90°)的裂隙进行试验，试验设计见表2。

表2 实验设计表

2 相似模型试验步骤及结果

2.1 试验准备及过程

制备了四组不同颗粒级配的砂样用于模拟含水层，分别为1#试样为细砂、2#试样为中砂、3#试样为粗砂、4#试样为含细粒中砂，如图3所示。模型制备过程：(1)采用薄模板法预制突涌通道；(2)安装信号采集系统并进行数据标定；(3)采用落砂法进行地层制备，并分层压实至设计密度。试验过程：(1)增加水头压力至设定值并保持稳定；(2)打开突涌通道开关进行突涌模拟试验；(3)同步进行数据采集；(4)待试验结束后，上部突水涌砂降落漏斗形成稳定状态后关闭突涌通道开关。

图3 砂土试样颗粒级配曲线

2.2 试验结果

通过埋设的传感器监测水砂突涌过程中裂隙中不同部位的水压力，以裂隙宽度1～3 cm、角度为90°的上窄下宽型裂隙为例，水压力随时间变化曲线如图4所示。从图中可以看出，2个位置的水压力随时间变化趋势基本一致，呈现出先上升后下降的变化规律。由此可以认为，水压力随着裂隙发育程度呈现出正相关的变化规律。通常认为煤层采动后随着裂隙的发育程度提高，突水通道内的水压力不断上升，导致发育程度提升，直到导水裂隙带完全发育并达到含水层时，此时形成裂隙通道，水压力达到最大值，同时开始突水涌砂现象，在该过程中水压力将保持平衡。

由于在水砂突涌过程中各测点的发育程度不同，导致裂隙宽度不同。靠近裂隙上部测点裂隙宽度较小，突砂口裂隙宽度较大，因此从图中4可以看到测点3的水头压力较测点1高，然而两者的变化规律基本相同。

图4 裂隙中不同位置的水压力随时间变化曲线

(a) 监测点1水头高度随时间变化曲线; (b) 监测点3水头高度随时间变化曲线

进行水砂突涌测试，发现2组模型裂隙中的水头压力变化趋势的曲线形态一致，均呈现出随时间先上升后下降的形态。考虑到第2组裂隙宽度较第1组裂隙宽度有30%的增大，试验中第2组裂隙单位时间的突砂量有所增加，因此达到突水涌砂量值相同时所需要的时间更短，如图5所示。

图5 不同角度条件下(2～4 cm)裂隙宽度水头高度随时间变化曲线

(a) 监测点1水头高度随时间变化曲线; (b) 监测点3水头高度随时间变化曲线

其次，在固定裂隙宽度后，将整个相似模型的倾角进行改变，以得到不同的裂隙角度，设置为3个组别：(1)30°(2)60°(3)90°。试验结果如图5所示。

可以认为：整体变化规律符合先增大后减小的趋势。其中，当倾角为90°时，水头高度平均值最大，60°次之，30°最小，如图6所示。同样，达到突水涌砂量相同值时所需要的时间90°更短，60°次之，30°最小，如图7所示。

图6 裂隙内水头高度随倾角变化曲线

图7 不同倾角条件下突水涌砂量值相同所用时间

3 结论

通过自制的水砂突涌相似模型进行了不同裂隙宽度和不同裂隙角度的水砂突涌模拟试验，以探究薄基岩条件下水砂突涌的控制因素，试验结果可以得出如下结论：

(1)突水涌砂时间与裂隙宽度和裂隙角度呈正相关关系，当裂隙宽度增大时，突水涌砂达到相同值时所用时间较少。

(2)随着裂隙倾角的增加，突水涌砂时间与倾角呈线性正相关；随着倾角的增大突水涌砂达到相同值时所用时间越短；裂隙内水头高度随着倾角的增加，平均水压力不断增大，且90°时达到最大。