含红土层薄基岩工作面突水溃砂机制与影响因素模拟研究

吴绪南，张文泉，王永洁，高 龙，张 剑，顾士超，李 壮

（1.天地（榆林）开采工程技术有限公司，陕西 榆林 719000；2.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590；3.陕西省榆林市大梁湾煤矿有限公司，陕西 榆林 719000；4.陕西益东矿业有限责任公司，陕西 神木 719300）

0 引言

煤炭资源在我国的能源生产和消费结构中占据主导地位，是我国国民经济发展的重要基础。近十年来，全国煤矿发生多起突水溃砂事故，东部地区普遍存在新近系松散含水覆盖层，在进行近松散层煤层开采时，面临突水溃砂灾害的威胁；而我国的西部地区煤炭储量丰富，埋藏较浅，煤层上覆基岩较薄，多为厚松散层覆盖，部分厚松散层含水量较大，因此在开采过程中存在上覆基岩被破坏形成通道贯通松散层从而引发突水溃砂灾害[1-2]。

针对薄基岩工作面开采突水溃砂问题，众多学者展开了深入的研究[3-8]。隋旺华等[9-11]通过采动裂缝水砂突涌试验得出上覆松散土层发生从上往下渗透变形破坏的临界水力坡度与土层粒度成分、物理力学性质和裂缝尺寸的关系。许延春等[12-13]从覆岩裂隙破坏发展规律及松散层砂土颗粒性质入手，研究了工作面突水溃砂机制并提出相应的预防措施。李锋等[14]利用自主研发的顶板动压与突水溃砂试验平台模拟突水溃砂和顶板大面积切落并发灾害的发生过程、发生条件、顶板破断特征、支架载荷特点、裂隙发育特征。张杰等[15-16]通过岩块端角接触面不同高度滤砂试验，获得了不发生溃砂的临界接触面高度。杜峰等[17-18]通过统计法对西部矿区突水溃沙类型进行了分类，利用自制装置分析了灾害中粒径、孔隙度等因素对压力梯度和突沙量的影响。肖成[19]通过格子方法和多相流理论对裂隙岩体水沙两相流动规律进行了理论分析。梁艳坤等[20-21]利用离散元方法建立了垮落带破碎岩体溃砂数值模型。浦海等[22-23]借助LBM-DEM 耦合模拟方法模拟砂粒在单裂隙开口通道流场中的流动情况，深入分析了水砂两相流动运移规律。

目前，对于近松散层薄基岩工作面开采突水溃砂问题的研究有了一定的理论基础，但很少有学者将受采动影响和水的渗透侵蚀作用条件下工作面顶板破断与突水溃砂并发灾害进行统一研究，并且关于黏土隔水层（本文以红土层为主）的研究以定性研究居多，定量分析还存在不足。在物理相似材料模拟实验中，由于一定的封闭性和不可观测性，裂隙中水沙流动、裂隙网络分布等因素难以观测。PFC 是基于颗粒流离散元原理的数值模拟方法，能够较好地处理非连续介质力学问题，有效地模拟介质的开裂、移动等非连续现象。因此，采用PFC 颗粒流模拟方法可以清晰地观察到水砂在裂隙通道中的突涌过程，对预防矿井突水溃砂灾害事故有重要意义。

1 工作面突水溃砂概况

1.1 工作面地质概况

陕西郝家梁煤矿位于榆神矿区一期规划区的东南部，井田范围内煤层赋存稳定，3 号主采煤层厚度最大，平均7.5 m，埋深一般为130～180 m，煤层平均倾角0.6°，具有较好的开采技术条件，应用大采高综采工艺回采。30108 工作面被第四系松散沉积物覆盖，堆积物主要有全新统风积沙冲洪积层、上更新统萨拉乌苏组、中更新统离石组、新近系上新统静乐组、侏罗系中统延安组、下统富县组等。第四系更新统黄土孔隙裂隙含水层是30108 工作面的直接充水水源，地表河流和第四系冲洪积层孔隙潜水、上更新统萨拉乌苏组含水层通过补给第四系黄土含水层对工作面产生充水影响，是工作面的间接充水水源，预计该工作面的正常涌水量为112 m3/h，事故区地层综合柱状图如图1 所示。

图1 事故区地层综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of the stratigraphy of the accident area

1.2 突水溃砂灾害分析

30108 工作面相邻的30105 工作面、30106 工作面、30107 工作面已完成7 m 大采高开采，30108 工作面为矿井第四个回采工作面，基本位置分布如图2所示。30108 工作面属于复杂条件下的厚煤层大采高综采，且工作面切眼位于河床正下方，相比于以往回采的工作面，单次开采设计高度增加至8.3 m，但初采期采煤高度未大于6.5 m，30108 工作面开采过程中自切眼推进20 m 左右后发生突水溃砂事故。

图2 工作面位置示意图Fig.2 Location schematic diagram of working face

随着工作面不断开采，顶板岩层受到采动应力和自身及上覆岩层重力的影响，当采空区悬空面积增大到一定程度，超过岩层的极限破坏强度时，岩层发生断裂、垮落，形成的裂缝贯通至上覆松散层。采动裂缝成为涌水通道，水体流失会形成较大的水力坡度，在通道达到一定宽度，砂体颗粒所受到的外力超过颗粒运移的阻力时，涌水口的砂体会在自重应力、围岩压力及水压力的作用下发生运移，砂体会在通道中相互挤压、摩擦，当砂体颗粒所受到的外力大于砂体运动阻力，砂体便会穿过通道溃入采空区或工作面，从而形成矿井突水溃砂灾害。图3 为郝家梁煤矿30108 工作面突水溃砂示意图。

图3 工作面突水溃砂示意图Fig.3 Schematic diagram of water and sand inrush in the working face

2 数值模型构建

PFC 离散元模拟软件的计算原理是运用时步迭代的方式，使得颗粒与颗粒接触重复使用牛顿第二定律和广义胡克定律，离散元方法能够较好地处理非连续介质力学问题，有效地模拟介质的开裂、扩展、延伸、移动等非连续现象。

根据郝家梁煤矿30108 工作面附近的钻孔数据平均厚度构建颗粒流数值模型，模型长250 m，高140 m，左右两侧和底部为固定边界，模型上界面为自由界面。整个模型岩层结构按照实际覆岩地层层序和岩性设置，为保证计算的效率和精度，颗粒半径按照一定的比例进行放大，颗粒半径范围为0.4～0.6 m。

本文中岩层内部颗粒之间的接触模型均选取线性平行黏结模型（Linearpbond），平行键可以在颗粒之间传递力和力矩，此模型常被广泛用于模拟密实材料。模型中的红土、黄土两种材料选取的接触模型为线性接触黏结模型（Linearcbond），线性接触黏结强度的大小受抗拉强度和抗剪强度的影响。不同岩石之间或土层之间选取光滑接触模型（smooth-joint）。参考其他研究文献参数设置及现场取样所测得的岩石及土体的物理力学性质，对模型赋参见表1 和表2。PFC 模型中岩石的力学强度参数主要由平行黏结模型中因素（有效模量、刚度比、抗拉强度、内聚力、密度、摩擦因数等）决定；土体的力学强度参数主要由接触黏结模型中因素（有效模量、刚度比、抗拉强度、抗剪强度、密度、摩擦因数等）决定。当岩土体的各项宏观力学强度参数的模拟值与实际值的误差小于5%，此时该模型使用的强度参数科学合理，数值模拟模型如图4 所示。

表1 工作面上覆岩层力学参数Table 1 Mechanical parameters of rock layers overlying the working face

表2 工作面上覆土层力学参数Table 2 Mechanical parameters of the overburden layer of working surface

图4 数值模拟模型Fig.4 Numerical simulation model

3 结果分析

3.1 突水溃砂过程分析

30108 工作面自左向右推进，每次开挖5 m，推进至10 m 时，直接顶发育23 条微裂隙，最高发育高度距煤层顶板9 m，如图5（a）所示；推进至20 m 时，直接顶初次垮落，煤层顶板至亚沙土层底部均含有微裂隙，此时共发育有微裂隙260 条，如图5（b）所示；推进至25 m 时，由于基岩厚度薄、红土层强度低、自承载能力弱，难以形成稳定的承载结构，上覆岩层整体活动剧烈，顶板发生切落，裂隙直接发育至砂土层，直接形成工作面与含水砂层贯穿裂隙，但松散颗粒物未沿着贯穿裂隙运动，此时发育的微裂隙数激增，累计2 978 条，如图5（c）所示。

图5 初采期间覆岩裂隙发育特征Fig.5 Development characteristics of overlying rock fractures during initial mining

对模型进行简化，只考虑水压力沿着已产生的贯穿裂隙作用，为工作面突水溃砂提供动力源，在沿着贯穿裂隙施加0.1 MPa 水压力，并且不断清除工作面淤积的颗粒，提供可以储存的空间后，可见大量的松散颗粒受力后沿着贯穿裂隙向下运动，红土颗粒溃入工作面内，工作面发生突水溃砂灾害。图6（a）～图6（d）为砂砾沿着贯穿裂隙运动过程，前期受贯穿裂隙通道宽度影响，溃砂速率较低，在水压力的逐渐冲蚀下贯穿裂隙通道逐渐扩大，上覆颗粒物大量溃入工作面。

综上分析，煤层开挖过程中，伴随着上覆岩层的应力释放与传递，覆岩中微裂隙不断发育，由于基岩厚度薄，难以形成承载能力较强的铰接结构，覆岩呈现整体的切落式破坏，此时上覆岩层无“三带”结构特征，只有垮落带和导水裂隙带，切落破坏产生的贯穿裂隙为矿井发生突水溃砂提供通道，在水压力的作用下最终导致灾害事故。

3.2 突水溃砂机制分析

根据现场实测资料，30108 工作面的导水裂缝带高度可按裂采比7.78、垮采比3.31 计算，正常情况下工作面上覆地层裂隙发育特征如图7（b）所示，事故发生时裂隙特征如图7（e）所示。考虑红土层强度（以抗剪强度为主）变化影响，当红土层强度为23 kN 时，由于抗剪强度较大，红土层对裂隙发育的抑制作用十分明显，工作面推进至150 m 后，基岩全部垮落，裂隙发育至红土层与基岩的交界面处不再向上发育，红土层弯曲下沉但相对完整（图7（a））；当红土层强度为17 kN，工作面推进至150 m 后，裂隙带发育高度升高，裂隙受红土层抑制作用发育至红土层内部但未穿过红土层（图7（b））；当红土层强度为15 kN，工作面推进至150 m 后，上覆岩层从两侧煤壁破断，裂隙贯通至松散含水层，由于基岩较薄、红土层强度弱，煤层开采后覆岩难以形成稳定的铰接结构，顶板切落，故此时上覆岩层无完整的“三带”特征，仅有垮落带和导水裂隙带（图7（c））；图7（d）为红土层强度为12 kN 时，导水裂隙带贯通松散层；当红土层强度继续降低为9 kN 时，工作面推进25 m 裂隙就已经贯通松散含水层，此时红土层强度相较于正常红土强度降低了约47%。

红土层强度降低对覆岩导水裂隙带的发育影响十分明显，随红土层强度降低覆岩导水裂隙带发育高度逐渐升高，到完全贯通松散层后引发突水溃砂，如图8 所示。第一阶段，随着红土层强度的降低，覆岩导水裂隙带的发育高度逐渐升高；第二阶段，当红土层强度降低到完全贯通松散层后，随着红土层强度的降低，贯通松散层时，工作面的推进距离逐渐缩短。红土层强度对导水裂隙带发育影响可近似拟合为两个方程，其中，未贯通松散层时导水裂隙带发育高度h随红土层强度的关系见式（1）；贯通松散层时工作面推进距离d与红土层强度的关系见式（2）。

图8 不同红土层强度下导水裂隙带发育趋势Fig.8 Development trend of water conducting fracture zone under different laterite layer strengths

3.3 突水溃砂影响因素分析

在30108 工作面开采过程中，红土层受到采动影响产生裂隙，在水的渗透侵蚀作用下红土层强度会逐渐降低，导致条件类似的工作面中，先采的工作面可以安全开采，后采的工作面发生突水溃砂灾害。通过进一步模拟分别研究了基岩厚度、红土层厚度和开采高度三个因素对覆岩破坏裂隙发育规律的影响，设计的模拟方案见表3。

表3 数值模型设计方案Table 3 Design scheme of numerical model单位：m

图9 为不同工况下覆岩破坏裂隙发育情况。由图9（a）～图9（c）可知，保持红土层厚度和开采高度不变，当基岩厚度为20 m 时，工作面推进至150 m 后，上覆岩层由两侧煤壁和采空区中部破断贯通至地表，呈现台阶下沉，由于基岩较薄，覆岩难以形成稳定铰接承载结构，顶板切落，故上覆岩层无完整的“三带”特征，仅有垮落带和导水裂隙带。当基岩厚度增加至40 m 时，顶板破断后有一定的自承能力，上覆岩层活动能力减弱，覆岩呈现完整的“三带”特征，导水裂隙带发育至黏土层与砂土层的交界面处停止，发育高度降低，地表台阶下沉现象消失，分布形态与前者相比发生明显变化。当基岩厚度继续增加至60 m 时，上覆岩层的稳定性进一步增强，地表下沉也明显减少，裂隙发育特征与基岩厚度40 m 时类似，导水裂隙带发育至红土层内，但受到黏土层的抑制作用，而未能穿过黏土层。

图9 不同工况下覆岩破坏裂隙发育特征Fig.9 Development characteristics of overlying rock fracture cracks under different working conditions

由图9（d）～图9（f）可知，保持基岩厚度和开采高度不变，当红土层厚度发生改变时，覆岩破断后，覆岩下部垮落带发育情况基本不受影响，上部导水裂隙带的发育高度和分布形态随红土层厚度改变而变化。当红土层厚度为30 m 时，导水裂隙带突破黏土层与上部砂土层界面，向上发育进入上部砂土层内，最终裂隙带发育高度达90 m；随着红土层的厚度增加至45 m 时，导水裂隙带突破基岩面，发育至黏土层与上部砂土层交界面处，最终裂隙带发育高度82 m；当红土层厚度再增加至60 m 时，裂隙带突破基岩界面，进入黏土层范围内，受到黏土层的抑制作用，阻止了导水裂缝继续向上发展，终止于黏土层内，最终发育高度可达81 m。

由图9（g）～图9（i）可知，保持基岩厚度和红土层厚度不变，随着开采高度的增加，受采动影响上覆岩层裂隙带的高度不断增加，当开采高度为2.0 m 时，裂隙带发育到基岩与黏土层交界面处，未发育到黏土层内，裂隙带发育高度为38 m；开采高度增加至4.0 m 时，裂隙带发育突破基岩面，发育到黏土层内部，裂隙带发育高度为68 m；当开采高度增加到6.5 m 时，裂隙带发育至黏土层与上部砂土层交界面处停止，未发育到上部砂土层内部，裂隙带发育高度为82 m。

图10 展示了不同因素影响下覆岩微裂隙发育数量情况。随着基岩厚度增加，覆岩容易形成稳定铰接承载结构，上覆岩层活动减弱，微裂隙数量逐渐降低；随着红土层厚度增加，覆岩下部垮落带位于岩层内部，发育基本不受红土层影响，裂隙带高度相差不到10 m，三种工况微裂隙发育数量相差不大；随着开采高度增加，覆岩破坏高度增加，微裂隙数逐渐增多。

图10 不同因素影响下覆岩微裂隙发育数量Fig.10 Number of microcracks developed in overlying rocks under different factors

由图10 可知，覆岩微裂隙的总体变化趋势为覆岩发生第一次周期来压后微裂隙数开始激增。在控制其他因素不变的情况下，随着基岩厚度的增加，覆岩容易形成稳定的铰接结构，上覆岩层活动减弱，微裂隙的数量逐渐降低；随着红土层厚度增加，覆岩下部垮落带位于岩层内部，发育基本不受红土层影响，裂隙带的高度相差不到10 m，所以此种条件下的三种工况微裂隙发育数量相差不大；控制其他条件不变，随着开采高度的增加，覆岩破坏的高度增加，微裂隙数逐渐增多。

结合图11 分析可知，基岩厚度、红土层厚度和开采高度等因素都影响着工作面上覆地层受采动影响裂隙发育特征，对预测和防治工作面突水溃砂灾害有着十分重要的作用。研究发现随着基岩厚度的增加，覆岩在不发生切落时，导水裂隙带较覆岩切落时有明显的下降趋势，覆岩在不发生切落后裂隙带发育高度随基岩厚度的增加而逐渐增大，但当基岩厚度增加到一定程度时，裂隙带完全处于基岩范围内，此时裂隙带发育高度不再随基岩厚度的增加而变化；随着红土层厚度的增大，导水裂隙带由于红土层的抑制作用发育不完整、不充分，裂隙带发育高度有减小的趋势，在裂隙带发育到红土层内不再往上发育时，裂隙带发育高度不再随红土层厚度增加而变化；随着开采高度的增加导水裂隙带的高度随之增加，但裂采比逐渐降低。

4 结论

1）通过离散元模拟方法再现灾害发生过程，裂隙带贯通松散含水层是引发突水溃砂灾害的直接原因，砂砾初始沿着贯通裂隙运动，受裂隙通道宽度影响，溃砂速率较低，直至在水压力的冲蚀下裂隙通道逐渐扩大，上覆颗粒物大量溃入工作面。

2）红土层对裂隙发育起着很好的抑制作用，但受到前面工作面的采动影响和地下水的渗透侵蚀作用，红土层强度逐渐降低导致导水裂隙带发育升高，红土层强度降低约47%时，导水裂隙带贯通至含水层，导致工作面发生突水溃砂。

3）基岩厚度增加，覆岩形成稳定承载结构，导水裂隙带明显下降直至完全分布于基岩内部；红土层厚度增大，导水裂隙带发育高度减小到红土层内而稳定不再增长；开采高度增加使工作面导水裂隙带高度升高，增加突水溃砂灾害风险，故在适宜条件下限制开采高度，可降低灾害发生几率。