摘要：针对威胁许多浅埋煤层开采过程中的突水溃砂灾害，分析原因发现富水砂层的水力梯度是突水溃砂的主要因素，经理论计算表明，当实际水力梯度达到临界水力梯度时，会发生涌水溃砂。根据涌水溃沙的四个必要条件进行测试，表明灌浆，挤压和渗透的三种迁移方法可有效提高砂层的物理力学性质。
关键词：浅埋薄基岩煤层；涌水溃砂；临界水力坡度；疏放水；注浆
1前言
近年来使用涌水溃砂防控技术来提高开采的上限，涌水溃砂是在综采工作面上覆基岩厚度较薄的情况下，在煤炭开采中煤层顶板跨落造成松散含水砂土在水的作用下通过采动形成的裂缝溃入井下采场而引起地质灾害。神府矿区经历了大量的涌水溃砂事故，造成了巨大的经济损失。
2涌水溃砂成因分析
2.1涌水溃砂基本条件
分析多起涌水溃砂的现象，涌水溃砂针对在特殊条件下的地层含水层中，砂子在水力作用下通过采后形成的采动裂缝溃入工作面，因此发生涌水溃砂的区域一般煤层埋深较浅且顶板基岩较薄，含有丰富的松散砂层。涌水溃砂灾害发生需要四个必要条件，分别是物源、动力源、通道和空间。
在灾害形成的四个条件下，物源、通道和空间都有富水的疏松砂层，而基岩较薄的浅层长壁工作面是一个必要条件，唯一的动力源是一个不确定因素。因此，主要由水动力条件决定涌水溃砂是否发生在涌水溃砂自然灾害事故的关健因素。
2.2涌水溃砂主控条件
根据对涌水溃沙事故发生的条件分析，当裂缝沟通空间和富水源导致水力坡度增大并且水力坡度达到砂层液化的临界水力坡度，则会发生事故。因此，获取精确的实际和临界水力梯度是评价灾害发生的关键。
溃砂通道形成后，随着水位的下降，可以形成以通道为中心的降落漏斗。涌水通道及其含水层通道的距离、某一时刻的实际水力梯度可以用来计算非稳定流的理论基础（图1）。公式如下：
式中：K为渗透系数，m/d；Q为涌水量，m3/d；H为潜水含水层的厚度，m；h为发生破坏时剩余含水层的厚度，m；R为降落漏斗半径，m；r为等效抽水钻孔半径，m。
经整理可得到潜水完整井出水量的公式：
井壁处的水力坡度的简化公式：
式中：J为含水层有水位降深时的实际水力坡度。
将式（2）代入式（3）可得：
当裂隙产生后，考虑最不利的状况，假设等效钻孔中未降深的水头高度h趋近于0，则可得：
据此可得，当实际水力坡度小于临界水力坡度时，将不会发生涌水溃砂，反之，将发生涌水溃砂，发生涌水溃砂的条件如下式：
式中：
为临界水力坡度。
采用太沙基公式确定的松散砂层破坏的临界水力坡度为：
式中：Gn为相对密度；；n为孔隙度；；e为孔隙比。
3涌水溃砂防控技术
3.1技术设计理念
涌水溃砂的发生必须有四个条件，至少有一个条件被消除以防止涌水溃砂发生。在四种条件下，采煤、通道和空间是长壁开采的必然结果，其物源和动力源可以根据现有技术进行改变。因此，预防涌水溃砂灾害事故可以从两个方面着手。根据式（6）可以看出，为了防止涌水溃砂事故的发生，可以减少实际的水力梯度J，增加临界水力梯度Jcx。
1）减少实际的水力坡度。通过公式（5），水流动断裂的等效半径通常属于变量，在相同的进水条件下，降低含水层厚度H的高度，降落漏斗半径R会增加，所以实际的水力梯度J会显著降低。为了达到降低H的目的，在项目中可以采用两种方法：一种是降低水头高度；第二种方法是将一些含水的沙子转变成不含水（或富水）的砂层。
2）增加临界水力坡度。根据式（7）可以看出，临界水力梯度可以通过两种方式增加，一种是增加砂粒的相对密度，另一种是减小砂层的孔隙度。砂粒的密度一般在2.6到2.7之间。从上述分析可以看出，提高临界水力梯度Jcx是最有效的方法，可以通过增加地层的密度来达到降低砂层孔隙率的目的。在土层中，根据公式（8），可以通过改善物理力学性能和降低水头高度来提高地层强度、内摩擦角a和土层厚度，其他参数变化不大，也可以使Jcx增加。这一原理相当于增加了土层厚度，减少了涌水冲砂发生的可能性。
式中：Pw为水的密度，t/m3；p为土层密度，t/m3；p’为土层有效密度，t/m3；z为土层的厚度，m；Kα为静止土压力系数；dα为导水砂裂缝宽度，m；c为黏聚力，kPa； 为砂层内摩擦角，（°）。
从理论上讲，减少涌水溃沙的动力条件和物理力学性能可以达到预防涌水的目的。该技术将用于初步的疏放水，以降低水力梯度。注浆重建可以改变土层和砂层的物理力学性能，在前疏水和注浆作业的有机结合的过程中，改变了砂和水环境的性质。
降低水位的方法通常是在采用地下潜水电泵排水。改进砂层特征的方法是注浆，可以采用地面和井下两种注浆工艺，但地面操作涉及到各种技术问题，因此在本研究中选择了井下注浆。技术原理如图2所示。
3.2技术工艺试验
3.2.1试验装置
在实验中，设计了一套粉砂注浆装置。该装置内的砂筒容器形状是圆形的，由透明树脂玻璃制成，可以观察到注浆过程中的流体流动规律和细砂的变化。为了方便装配，将圆筒分为两部分，上部为压力板，管与密封圈相连。注浆管从砂筒缸壁延伸至砂管中心2/3高度。同时，通过进水调整砂层的水头高度，并通过压力改变砂层的密度。
3.2.2试验方案
根据注浆堵水工程经验，结合水泥浆液和砂层特性，共设计进行了4组试验：第1、第2组，水灰比为1：1，注浆压力2MPa和5MPa；第3、第4组，水灰比为2：1，注浆压力2MPa和5MPa。注浆材料选用P.0.42.5水泥，比表面积>430m3/kg，平均颗粒粒径<19.4
。为了对比注浆材料颗粒粒径对注浆效果的影响，同时选用10
超细水泥，比表面积>900m2/kg，平均颗粒粒径约3.2一3.6
。
试验中选用的受注介质材料是神府矿区的粉细砂，颗粒粒径<240
的占质量比的75%以上，颗粒粒径<190
的质量占质量比的50%以上，细度模数0.88，属于特细砂，不均匀系数Cu=2-5，属于均粒土，级配不良；Cc=0.95-1，级配不连续。
3.2.3试验结果
通过对注浆混凝土体形状的观察，有三种类型，但三种类型并不是完全独立的，以其中一种形式为主，如分型压实效应，同时也有压实渗透。
1）劈裂型。当注浆压力为5MPa时，粉砂层中存在着超细水泥浆的分裂形式。灌浆时，水从气缸壁的壁排排出，灌浆泵速度慢、速度快。灌浆后，15 ~ 18厘米长的水泥灌浆体在管内可见不同厚度的水泥石体，靠近墙体较厚，里面是水泥，仅在边缘与少量沙子混合。
2）紧凑型。当使用普通水泥灌浆材料、灌浆压力、水灰比、密集程度进行砂桶灌浆后，找不到水泥砂浆粉砂岩，只在垂直管灌浆孔附近有几个小石头，大约3 - 5厘米直径，里面是净水泥。在注浆过程中，注浆压力迅速上升。
3）渗透率。当注浆压力为2MPa，水灰比为1：1时，超细水泥浆由渗透作用形成，形成一个直径约5cm的不规则球形石体。当压力为5MPa时，球直径略大于7厘米。在注浆过程中，注浆泵吸力均匀，在灌浆后得到一些不规则的球形石材，可以在水泥和砂的混合物中找到。
4结束语
水力坡度是涌水溃砂灾害的主要因素。当实际的水力坡度超过富水松散砂层液化的临界水力坡度时，就会发生涌水溃砂灾害。涌水溃砂灾害是复杂矿山地质灾害的一个常见灾害，在机理上需要更具有代表性的模拟分析灾害的过程，并根据防治技术进行研究。
参考文献：
[1]隋旺华，董青红，蔡光桃，等采掘溃砂机理与预防区[M].北京：地质工程出版社，zoos
[2]张玉军，康永华，刘秀娥松散砂岩含水层下煤矿开采溃砂预测日[J].煤炭学报，2006，31（4）：429一432
论文作者:雷俊华
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/24
标签：水力论文; 坡度论文; 注浆论文; 梯度论文; 临界论文; 含水层论文; 发生论文; 《基层建设》2018年第6期论文;