一种采煤工作面溃水溃砂灾害的判断方法与流程

本发明涉及煤矿灾害防治的技术领域，尤其涉及一种薄基岩厚松散含水层采煤工作面溃水溃砂灾害判断方法。

背景技术：

我国西部煤炭资源储量丰富，煤炭赋存条件简单，极其适合大规模机械化开采。浅层煤开采过程中普遍会遇到基岩厚度薄、松散层厚度大且松散层内水头高度较大的工况条件。由于基岩厚度小，采动影响下整个基岩层完全垮落，岩体裂隙贯穿整个基岩层，形成了连接松散含水层和采空区的裂隙通道，导致水砂沿基岩裂隙溃涌至采煤工作面，堆积的砂体将液压支架和采掘设备掩埋，导致液压支架无法随工作面推进向前移动，溃涌水砂混合物导致井下涌水量突增且夹带泥砂的水无法使用水泵直接外排，严重影响正常采掘工作进度并对井下工人生命安全构成严重威胁。

近年来，西部矿区已发生多次溃水溃砂事故，矿山生产单位针对溃水溃砂做了大量的灾害防治工作，主要工作包括：采前疏放水、基岩顶部松散层灌注水泥浆，在取得一定防灾减灾效果的同时也花费了巨大的人力、物力和财力。

目前，矿山生产单位在工作面溃水溃砂灾害防治方面存在的核心问题为：满足什么条件才会使薄基岩厚松散含水层工作面发生溃水溃砂灾害。

薄基岩厚松散含水层工作面溃水溃砂事故的控制因素很多，涉及地质地层条件、开采厚度、顶板基岩破坏形式、松散层砂土体物理力学属性、松散含水层水头高度，大量专家学者开展了广泛而深入的研究，但目前仍然无法对薄基岩厚松散含水层工作面溃水溃砂灾害形成定量评价。

有鉴于此，提供一种薄基岩厚松散含水层采煤工作面溃水溃砂灾害判断方法成为必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种薄基岩厚松散含水层采煤工作面溃水溃砂灾害判断方法，能够为煤炭开采过程中的溃水溃砂灾害防治提供有力依据。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

本发明技术方案提供一种采煤工作面溃水溃砂灾害的判断方法，包括以下步骤：

s1：测量待评价区域水位以上的松散层厚度h1和松散层下部的含水层厚度d；

s2：测试松散层砂土体及基岩物理力学属性，具体测试指标包括：

松散层砂土体的重度γ、松散层砂土体的干重度γt、松散层砂土体的饱和重度γsat、松散层砂土体的抗剪强度τf、松散层砂土体的粘聚力c、松散层砂土体的内摩擦角水对松散层砂土体的强度弱化作用形成的弱化系数λ、岩体内摩擦角α和水的重度γw；

s3：监测井下疏水孔的水流速度v；

s4：计算出基岩裂隙的开裂宽度ψ；

s5：计算发生破坏时在基岩裂隙中形成的土柱的高度△h；

s6：计算土柱剩余下滑力f胜；

s7：计算土柱剩余抵抗力i；

s8：设定溃水溃砂灾害启动的判断依据g；

s9：计算出安全水头的最大高度hcr。

进一步地，所述步骤s4中的开裂宽度ψ通过如下公式计算得出：

式中：m为煤层开采厚度，k1为岩体竖直方向碎胀系数，k2为岩体水平方向碎胀系数。

进一步地，所述步骤s5中的土柱高度△h通过如下公式计算得出：

式中：g为重力加速度。

进一步地，所述步骤s6中的土柱剩余下滑力f剩通过如下公式计算得出：

式中：i为水力梯度。

进一步地，所述步骤s7中的土柱剩余抵抗力i通过如下公式计算得出：

ι＝(f+λc)·δh-(γt+γwi)ψδh＝(f+λc-γtψ-γwψi)·δh

式中：f为松散层砂土体的摩擦阻力，i为水力梯度。

进一步地，所述步骤s8中的溃水溃砂灾害启动的判断依据g＝i-f剩；

若g＞0，则判定为稳定状态；

若g＝0，则判定为临界状态；

若g＜0，则判定为破坏状态。

进一步地，所述步骤s9中的最大高度hcr通过如下公式计算得出：

进一步地，还包括步骤s10：通过延长疏放水时间以降低松散层砂土体的水头高度。

进一步地，所述步骤2中的弱化系数λ通过土三轴试验测得。

采用上述技术方案，具有如下有益效果：

本发明提供的采煤工作面溃水溃砂灾害的判断方法，可以针对西部矿区矿区的特殊地质采矿环境，全面分析了灾害形成的“物源”属性和通道属性，利用采矿专业知识、土力学、流体力学、岩石力学理论建立了综合因素影响下薄基岩厚松散含水层工作面溃水溃砂理论模型，推导了基岩裂隙形成后水砂启动判据，为煤炭开采过程中的溃水溃砂灾害防治提供有力依据。

本发明提供的采煤工作面溃水溃砂灾害的判断方法，通过计算能够在工作面回采之前实现溃水溃砂危险性的科学评估，同时为采前疏放水提供合理的依据，从而降低工作面通过薄基岩厚松散含水层区域溃水溃砂灾害发生的风险。

附图说明

图1为基岩垮落区域中基岩裂隙形成的概况示意图；

图2为溃水溃砂临界水力坡度计算模型的示意图；

图3为图1中a区域基岩裂隙宽度计算的示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1-2所示，本发明一实施例提供的一种采煤工作面溃水溃砂灾害的判断方法，包括以下步骤：

s1：测量待评价区域水位以上的松散层厚度h1和松散层下部的含水层厚度d。

s2：测试松散层砂土体及基岩物理力学属性，具体测试指标包括：

松散层砂土体的重度γ、松散层砂土体的干重度γt、松散层砂土体的饱和重度γsat、松散层砂土体的抗剪强度τf、松散层砂土体的粘聚力c、松散层砂土体的内摩擦角水对松散层砂土体的强度弱化作用形成的弱化系数λ、岩体内摩擦角α和水的重度γw。

s3：监测井下疏水孔的水流速度v。

s4：计算出基岩裂隙4的开裂宽度ψ。

s5：计算发生破坏时在基岩裂隙4中形成的土柱5的高度△h。

s6：计算土柱剩余下滑力f胜。

s7：计算土柱剩余抵抗力i。

s8：设定溃水溃砂灾害启动的判断依据g。

s9：计算出安全水头的最大高度hcr。

本发明提供的采煤工作面溃水溃砂灾害的判断方法，主要用于对薄基岩厚松散含水层采煤工作面溃水溃砂灾害进行判断。

煤层1的上方覆盖有基岩2，基岩2的上方覆盖有松散层砂土体。煤层1的后方为采空区，其内部填充碎胀基岩。在采空区中的基岩还未破碎时，其边界为破碎前边界31′；在采空区中的基岩破碎后，其发生膨胀，碎胀基岩的实际边界为破碎后边界31。并在破碎后边界31与煤层1上方基岩2之间形成了基岩裂隙4。井下疏水孔位于井下，用于将井下的水排出。

如图2所示，松散层砂土体中存在有水，在形成基岩裂隙4后，水会汇集泥砂从基岩裂隙4下涌，但由于泥砂存在一定粘度，会在煤层1的顶板的上方形成土柱5。

土柱5的高度△h等于h-h。

土柱剩余下滑力f剩为在首次发生破坏时土柱中还剩余的能够向下滑动的力，例如剪切力。

土柱剩余抵抗力i为在首次发生破坏时土柱中还剩余的能够抵抗其向下滑动的力，例如粘结力。

判断依据g为溃水溃砂灾害启动的判据，其根据土柱剩余抵抗力i和土柱剩余下滑力f胜的差值得出：

如g＞0，判定土柱5为稳定状态，不会溃水溃砂；如g＝0，则判定土柱5为临界状态；如g＜0，则判定土柱5为破坏状态，会发生溃水溃砂，泥砂水会经基岩裂隙4溃入工作面，影响正常采掘工作进度。

最后根据上述各数据计算出安全水头的最大高度hcr，表示松散层或薄基岩厚松散含水层中的水头只要低于hcr或者水头距离煤层1的高度小于hcr就不会发生溃水溃砂。

由此，本发明提供的采煤工作面溃水溃砂灾害的判断方法，通过计算能够在工作面回采之前实现溃水溃砂危险性的科学评估，同时为采前疏放水提供合理的依据，从而降低工作面通过薄基岩厚松散含水层区域溃水溃砂灾害发生的风险。

较佳地，如图3所示，所述步骤s4中的开裂宽度ψ通过如下公式计算得出：

式中：m为煤层开采厚度，k1为岩体竖直方向碎胀系数，k2为岩体水平方向碎胀系数。

较佳地，所述步骤s5中的土柱高度△h通过如下公式计算得出：

式中：g为重力加速度。

通过监测井下疏水孔的水流速度v，井下疏水孔可以竖直设置，从而可以监测出水流及水泥砂的下落速度。

根据公式：mg△h＝1/2×mv²，推出

较佳地，所述步骤s6中的土柱剩余下滑力f剩通过如下公式计算得出：

式中：i为水力梯度。

较佳地，所述步骤s7中的土柱剩余抵抗力i通过如下公式计算得出：

ι＝(f+λc)·δh-(γt+γwi)ψδh＝(f+λc-γtψ-γwψi)·δh

式中：f为松散层砂土体的摩擦阻力，i为水力梯度。

较佳地，所述步骤s8中的溃水溃砂灾害启动的判断依据g＝i-f剩；

若g＞0，则判定土柱5为稳定状态；

若g＝0，则判定土柱5为临界状态；

若g＜0，则判定土柱5为破坏状态。

较佳地，所述步骤s9中的最大高度hcr通过如下公式计算得出：

较佳地，该判断方法还包括步骤s10：通过延长疏放水时间以降低松散层砂土体的水头高度，使得水头低于hcr，以避免溃水溃砂。

较佳地，所述步骤2中的弱化系数λ通过土三轴试验测得。

本发明中涉及的回采时允许最大水头高度的计算是为了有利于生产单位生产实践中便于开展分析，也可以根据实际需要将允许最大水头高度的计算式简单变形即可计算水头高度一定的情况下允许开采的最大煤层厚度。

本发明可以为薄基岩厚松散含水层工作面溃水溃砂灾害的防治提供定量评价依据，从而指导危险型工作面开展局部区域的疏放水和松散层底部灌注水泥浆加固治理，在确保煤矿安全生产的前提下最大程度的减少注浆工程的人力、物力和财力的浪费。

根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。