本發(fā)明涉及礦業(yè)工程領(lǐng)域，尤其涉及一種水壓作用下厚松散含水層防砂安全煤巖柱的留設(shè)方法。

背景技術(shù)：

近年來，由于煤炭資源逐漸枯竭，華東、華北等地的許多礦區(qū)為提高開采上限，將厚松散含水層下淺部煤層開采作為礦井的重要任務(wù)，即，松散層厚度不小于100m，含水層原始水壓不于小1MPa。雖然我國在水體下開采方面進(jìn)行了大量的研究，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但不同地區(qū)水文地質(zhì)條件的差異、松散層的富水程度以及提高開采上限的程度等因素，使得我國在厚松散含水層、薄基巖等特殊地質(zhì)條件下開采仍然存在一系列問題，突水潰砂事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。厚松散含水層的安全開采也成為一個(gè)攻關(guān)難題。

現(xiàn)有的研究成果多集中在厚松散層底部含水層與基巖大面積接觸，以及淺埋深、孔隙水壓不大的情況下，文獻(xiàn)《松散承壓含水層下采煤突水機(jī)理與防治研究》(采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011，28(3)：333-339)和博士學(xué)位論文《高水壓松散含水層下采煤關(guān)鍵層復(fù)合破斷致災(zāi)機(jī)制研究》采用相似模擬的方法研究了厚松散砂層中等富水性下工作面突水的機(jī)理及對(duì)策，并提出頂板預(yù)裂爆破、水位降速預(yù)警、推進(jìn)速度調(diào)控等防治措施。但該防治措施并未對(duì)水壓作用下厚松散含水層防水安全煤巖柱的留設(shè)提出留設(shè)方法，并且并未涉及厚松散層砂層弱富水性下防砂安全煤巖柱的留設(shè)方法。

根據(jù)以往薄基巖的開采經(jīng)驗(yàn)，若含水砂層下面有較厚的粘土而形成底粘區(qū)，則厚粘土的阻隔水性能使工作面能夠?qū)崿F(xiàn)安全開采；若含水砂層在松散層的底部形成面積較大的砂礫賦存區(qū)，則鄰近工作面的開采會(huì)波及到含水砂層，使得含水砂層的水位降低而不會(huì)保持較高水壓，也能實(shí)現(xiàn)安全開采。其中，薄基巖是指基巖厚度大于垮落帶高度而小于導(dǎo)水裂縫帶高度。隨著山東巨野、河南趙固、安徽淮北、江蘇大屯等厚松散層底部含水層礦區(qū)的開發(fā)，按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(2000年版)弱富水性含水砂層留設(shè)防砂安全煤巖柱，部分礦區(qū)的采煤工作面仍然發(fā)生了潰砂事故，且此類問題不斷增多，說明規(guī)程中的留設(shè)方法在不利的條件下已經(jīng)不能完全適應(yīng)厚松散層防砂安全煤巖柱的留設(shè)要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種水壓作用下厚松散含水層防砂安全煤巖柱的留設(shè)方法，在水壓作用下增加防砂安全煤巖柱的留設(shè)厚度，可以減少煤礦潰砂災(zāi)害事故的發(fā)生機(jī)率，并且，本發(fā)明的方法補(bǔ)充和完善了我國防砂安全煤巖柱留設(shè)方法的理論，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供一種水壓作用下厚松散含水層防砂安全煤巖柱的留設(shè)方法，其包括：

針對(duì)待開采煤層上覆厚松散含水層的地質(zhì)條件，對(duì)位于含水層下面的粘土層進(jìn)行液、塑限試驗(yàn)，以便獲得粘土層的液、塑性指數(shù)；

對(duì)位于所述含水層側(cè)面的基巖風(fēng)化帶巖石進(jìn)行干燥飽和吸水率試驗(yàn)和崩解試驗(yàn)，以便獲得基巖風(fēng)化帶巖石的干燥飽和吸水率和崩解性能參量；

根據(jù)獲得的粘土層的液、塑性指數(shù)與基巖風(fēng)化帶巖石的干燥飽和吸水率、崩解性能參量，確定厚松散含水層是否位于密封保水壓結(jié)構(gòu)中；

若厚松散含水層位于密封保水壓結(jié)構(gòu)中，則確定與密封保水壓結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的水壓作用下防砂安全煤巖柱的厚度H_sp；

根據(jù)確定的水壓作用下防砂安全煤巖柱的厚度H_sp，對(duì)待開采煤層的防砂安全煤巖柱進(jìn)行留設(shè)。

其中，確定水壓作用下防砂安全煤巖柱的厚度H_sp之前，需確定水壓作用下的煤柱損傷厚度H_p。

其中，所述水壓作用下的煤巖柱損傷厚度H_p的確定是通過對(duì)基巖風(fēng)化帶巖石進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)的方法。

其中，通過對(duì)所述基巖風(fēng)化帶巖石進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)、以便確定水壓作用下的煤柱損傷厚度H_p，包括如下步驟：

對(duì)不同深度的所述基巖風(fēng)化帶巖石進(jìn)行點(diǎn)荷載強(qiáng)度測試，以便獲得不同深度的基巖風(fēng)化帶巖石的強(qiáng)度數(shù)據(jù)；

對(duì)獲得的強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便獲得不同深度的基巖風(fēng)化帶巖石的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度數(shù)據(jù)；

根據(jù)獲得的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度數(shù)據(jù)，將與標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的所述基巖風(fēng)化帶巖石的深度確定為煤柱損傷厚度H_p。

其中，確定水壓作用下的煤巖柱損傷厚度H_p前，還包括對(duì)基巖風(fēng)化帶泥類巖進(jìn)行水壓作用下采動(dòng)裂隙擴(kuò)展試驗(yàn)，以便確定在水壓作用下風(fēng)化帶泥類巖保護(hù)層的阻砂性能是否已經(jīng)喪失。

其中，所述水壓作用下防砂安全煤巖柱的厚度H_sp等于垮落帶最大高度H_m、保護(hù)層厚度H_b和煤柱損傷厚度H_p之和。

其中，若所述厚松散含水層未位于密封保水壓結(jié)構(gòu)中，則確定與非密封保水壓結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的防砂安全煤巖柱的厚度H_s。

其中，所述與非密封保水壓結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的防砂安全煤巖柱的厚度H_s等于垮落帶最大高度H_m和保護(hù)層厚度H_b之和。

優(yōu)選的，所述待開采煤層上覆厚松散含水層為楔形結(jié)構(gòu)。

其中，根據(jù)獲得的粘土層的液、塑性指數(shù)與基巖風(fēng)化帶巖石的干燥飽和吸水率、崩解性能參量，確定水壓作用下松散含水層是否位于密封保水壓結(jié)構(gòu)中，包括：

若所述粘土層的塑性指數(shù)大于17、液性指數(shù)小于0.25，則確定所述粘土層具有良好的隔水性和差的可塑性；

若所述基巖風(fēng)化帶巖石中存在干燥飽和吸水率大于15％或者耐崩解性差的巖石，則確定所述基巖風(fēng)化帶巖石具有良好的隔水性；

若所述粘土層和所述基巖風(fēng)化帶巖石具有良好的隔水性，則確定所述厚松散含水層位于密封保水壓結(jié)構(gòu)中；反之，則確定所述厚松散含水層易疏水降壓。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的水壓作用下厚松散含水層防砂安全煤巖柱的留設(shè)方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明的方法中，提出針對(duì)水壓作用下松散含水層位于密封保壓結(jié)構(gòu)中時(shí)，需確定與水壓作用下厚松散含水層相對(duì)應(yīng)的水壓作用下防砂安全煤巖柱的厚度H_sp，并依據(jù)該厚度進(jìn)行工作面的開采，從而可以減少開采時(shí)發(fā)生潰砂事故的機(jī)率，利于安全生產(chǎn)；

2、本發(fā)明的方法中，利用點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)確定水壓下的煤柱損傷厚度H_p，并據(jù)此計(jì)算水壓作用下防砂安全煤巖柱的厚度H_sp，補(bǔ)充和完善了我國水體下采煤防砂安全煤巖柱留設(shè)方法的理論，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的松散含水層防砂安全煤巖柱的留設(shè)圖；

圖2是本發(fā)明的水壓作用下厚松散含水層防砂安全煤巖柱的留設(shè)圖；

圖3是適用本發(fā)明的方法的厚松散含水層的楔形密封保壓結(jié)構(gòu)地質(zhì)模型圖；

圖4是本發(fā)明的水壓作用下厚松散含水層防砂安全煤巖柱的留設(shè)方法的流程圖；

圖5是本發(fā)明采用的巖石裂隙涌水潰砂擴(kuò)展試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是風(fēng)化帶巖石干燥飽和吸水率隨深度的變化規(guī)律圖；

圖7是巖石崩解時(shí)鋁質(zhì)泥巖30分鐘后崩解狀態(tài)圖；

圖8是巖石崩解時(shí)砂質(zhì)泥巖24小時(shí)后崩解狀態(tài)圖；

圖9是巖石崩解時(shí)砂巖24小時(shí)后崩解狀態(tài)圖；

圖10是風(fēng)化帶巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度隨深度的變化規(guī)律圖；

圖11是風(fēng)化帶巖石采動(dòng)裂隙擴(kuò)展試驗(yàn)時(shí)水壓力隨時(shí)間的變化曲線圖；

圖12是風(fēng)化帶巖石采動(dòng)裂隙擴(kuò)展試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)前、后的試件狀態(tài)圖；

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的方法適用于如圖3所示的待開采煤層上覆呈楔形密封結(jié)構(gòu)的厚松散含水層的地質(zhì)條件。

其中，上覆呈楔形密封結(jié)構(gòu)的厚松散含水層的地質(zhì)條件，是指工作面上覆厚松散層底部含水層的上、下厚粘土層與基巖風(fēng)化帶形成如圖3所示的楔形密封結(jié)構(gòu)。若含水層上、下厚粘土層與基巖風(fēng)化帶巖石的隔水性能好，則含水層在密封條件下可以保持較高水壓，且鄰近工作面的開采未能疏降該含水層的水位。

而現(xiàn)有技術(shù)中，在對(duì)具有如圖3所示的厚松散含水層的地質(zhì)條件進(jìn)行開采時(shí)，對(duì)防砂安全煤巖柱厚度的留設(shè)依然按照現(xiàn)有規(guī)程的方法進(jìn)行留設(shè)(如圖1所示)，即防砂安全煤巖柱的厚度H_s等于垮落帶最大高度H_m和保護(hù)層厚度H_b之和。

在以現(xiàn)有技術(shù)留設(shè)的防砂安全煤巖柱的厚度H_s對(duì)煤層上覆厚松散含水層的地質(zhì)條件進(jìn)行開采時(shí)，仍然出現(xiàn)了煤礦潰砂災(zāi)害事故。

而本發(fā)明的發(fā)明人就是考慮到厚松散含水層處于密封保水壓結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，因此，提出一種新的水壓作用下厚松散含水層防砂安全煤巖柱的留設(shè)方法。

如圖4所示，為本發(fā)明提供的水壓作用下厚松散含水層防砂安全煤巖柱的留設(shè)方法的流程圖，由圖4可知，本發(fā)明的方法包括：

S1、針對(duì)待開采煤層上覆厚松散含水層的地質(zhì)條件，對(duì)位于含水層下面的粘土層進(jìn)行液、塑限試驗(yàn)，以便獲得該粘土層的液、塑性指數(shù)。

針對(duì)待開采煤層上覆呈楔形結(jié)構(gòu)的厚松散含水層的地質(zhì)條件，利用覆巖破壞高度觀測孔在位于含水層下面的粘土層的不同深度選取多份土樣，并對(duì)多份土樣進(jìn)行液、塑限試驗(yàn)，以便根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果獲得粘土層的液塑性指數(shù)。其中，待開采煤層上覆厚松散含水層的地質(zhì)條件是指其松散層厚度不小于100m、含水層原始水壓不于于1MPa。

S2、針對(duì)待開采煤層上覆厚松散含水層的地質(zhì)條件，對(duì)位于含水層側(cè)面的基巖風(fēng)化帶巖石進(jìn)行干燥飽和吸水率試驗(yàn)和崩解試驗(yàn)，以便獲得基巖風(fēng)化帶巖石的干燥飽和吸水率和崩解性能參量。

針對(duì)待開采煤層上覆呈楔形結(jié)構(gòu)的厚松散含水層的地質(zhì)條件，利用覆巖破壞高度觀測孔對(duì)松散層底界面下不同深度的基巖風(fēng)化帶巖石進(jìn)行取樣，并對(duì)各巖樣進(jìn)行干燥飽和吸水率和崩解試驗(yàn)，以便獲得基巖風(fēng)化帶巖石的干燥飽和吸水率和崩解性能參量。

其中，利用下列公式計(jì)算巖石干燥飽和吸水率：

$s=\frac{m_s-m_d}{m_d}\×100\%---\left(1\right)$

式中：s——巖石干燥飽和吸水率，％；

m_s——巖石強(qiáng)制飽和質(zhì)量，g；

m_d——巖石烘干后質(zhì)量，g。

S3、根據(jù)獲得的粘土層的液、塑性指數(shù)與基巖風(fēng)化帶巖石的干燥飽和吸水率、崩解性能參量，確定厚松散含水層是否位于楔形密封保水壓結(jié)構(gòu)中。

首先，根據(jù)獲得的粘土層的液、塑性指數(shù)與基巖風(fēng)化帶巖石的干燥飽和吸水率、崩解性能參量，確定粘土層與基巖風(fēng)化帶巖石的隔水性。

在對(duì)位于含水層下面的粘土層進(jìn)行液、塑限試驗(yàn)后，若獲得的粘土層的多份土樣的塑性指數(shù)基本大于17、液性指數(shù)均小于0.25，則說明粘土層的粘土狀態(tài)為低液限半固結(jié)狀態(tài)，該粘土具有差的流動(dòng)性，因此，可以確定粘土層具有良好的隔水性和差的可塑性；反之，若獲得的粘土層的多份土樣的塑性指數(shù)均小于17、液性指數(shù)均大于0.25，則確定粘土層具有相對(duì)較差的隔水性和相對(duì)較高的可塑性(需要指出的是，相對(duì)較差的隔水性和相對(duì)較高的可塑性分別是和上述的良好的隔水性和差的可塑性相比較而言)。

對(duì)不同深度的基巖風(fēng)化帶巖石進(jìn)行干燥飽和吸水率試驗(yàn)和崩解試驗(yàn)后，若獲得的基巖風(fēng)化帶中存在干燥飽和吸水率大于15％或者耐崩解性差的巖石，則說明基巖風(fēng)化帶中存在隔水性良好的巖層，可與粘土層共同形成楔形保水壓結(jié)構(gòu)；反之，則確定基巖風(fēng)化帶巖石具有差的隔水性。

其次，根據(jù)已確定的粘土層與基巖風(fēng)化帶巖石的隔水性，確定松散含水層是否位于楔形密封保水壓結(jié)構(gòu)中。

若確定粘土層和基巖風(fēng)化帶巖石均具有良好的隔水性，則確定厚松散含水層位于楔形密封保水壓結(jié)構(gòu)中；反之，則確定松散含水層易疏水降壓。

S4、若松散含水層位于非密封保水壓結(jié)構(gòu)，則確定與非密封保水壓結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的防砂安全煤巖柱的厚度H_s。

其中，與非密封保水壓結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的防砂安全煤巖柱的厚度H_s等于垮落帶最大高度H_m和保護(hù)層厚度H_b之和，即H_s＝H_m+H_b。

其中，垮落帶高度系列計(jì)算公式，由《建(構(gòu))筑物、水體、鐵路及主要井巷壓煤與開采規(guī)程》和《煤礦防治水手冊》為依據(jù)，例如，中硬覆巖分層開采垮落帶最大高度H_m采用現(xiàn)有技術(shù)的如下公式確定：

$H_m=\frac{100\ΣM}{4.7\ΣM+19}\±2.2---\left(2\right)$

式中，M為采高，單位為m。

而保護(hù)層厚度H_b同樣可按照上述技術(shù)文件中確定的方式確定。例如中硬覆巖分層開采煤層可參見下表1取值，A為單層采厚，m。

表1防砂安全煤(巖)柱保護(hù)層厚度

S5、若松散含水層位于密封保水壓結(jié)構(gòu)，則確定與密封保水壓結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的水壓作用下防砂安全煤巖柱的厚度H_sp。

S51、若確定松散含水層為密封保水壓結(jié)構(gòu)，且鄰近工作面的開采未能使該含水層水位疏降，則對(duì)基巖風(fēng)化泥類巖進(jìn)行采動(dòng)裂隙擴(kuò)展試驗(yàn)，以便確定在水壓作用下風(fēng)化帶泥類巖保護(hù)層的阻砂性能是否已經(jīng)喪失。

其中，本發(fā)明對(duì)巖樣進(jìn)行采動(dòng)裂隙擴(kuò)展試驗(yàn)是采用如圖5所示的巖石裂隙涌水潰砂擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，該裝置包括：透明圓筒容器9，透明圓筒容器9的頂部設(shè)有頂蓋4、底部設(shè)有空心圓盤13，透明圓筒容器9通過頂蓋4上的開口與注水加壓裝置1連接，并在連接管道上設(shè)有流量計(jì)2，透明圓筒容器9的側(cè)壁連接有壓力表6和溢流閥7，透明圓筒容器9的下部設(shè)有集水箱14。在透明圓筒容器9的頂部和底部分別設(shè)有法蘭，頂蓋4和空心圓盤13分別通過螺釘連接在透明圓筒容器9頂部和底部的法蘭上(螺釘上套裝橡膠墊片5)，底部的法蘭和空心圓盤13固定在底座上。此外，還包括用于安置在巖樣11(該巖樣11用于安置在透明圓筒容器9內(nèi))上的鋼性墊片12及用于纏繞在巖樣外的防護(hù)層10。

試驗(yàn)時(shí)的巖樣取自松散層下泥類巖，巖樣的高徑尺寸為50*60mm，巖樣中部設(shè)置裂隙，裂隙的寬度采用墊片控制，如，制作裂隙墊片寬度為10mm，厚度為0.2mm。注水時(shí)壓力設(shè)置為0.1～0.15MPa，觀察試驗(yàn)過程中試樣的裂隙擴(kuò)展特征。

當(dāng)采用本發(fā)明的巖石裂隙涌水潰砂擴(kuò)展試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)采動(dòng)巖石裂隙擴(kuò)展試驗(yàn)時(shí)，首先，將巖樣放入透明圓筒容器內(nèi)，巖樣上方留有用于注水的空間。由于巖樣為圓柱狀結(jié)構(gòu)，因此將巖樣放入透明圓筒容器前，將圓柱狀結(jié)構(gòu)的巖樣沿縱向軸線切開作為初始裂隙，在切開面的靠近兩側(cè)的部位設(shè)置鋼性墊片，并通過鋼性墊片的厚度控制初始裂隙的寬度，之后用防護(hù)層纏緊，使纏緊后的巖樣的外徑與透明圓筒容器的內(nèi)徑相當(dāng)。然后，通過注水加壓裝置控制水壓，模擬含水層的補(bǔ)給水源向透明圓筒容器內(nèi)注水。之后，通過施加不同的水壓來觀測裂隙擴(kuò)展變化情況量，同時(shí)記錄水壓力的變化，并通過集水箱收集試驗(yàn)過程中漏失的泥水。

通過本發(fā)明的巖石裂隙涌水潰砂擴(kuò)展試驗(yàn)裝置對(duì)泥類巖進(jìn)行采動(dòng)裂隙擴(kuò)展試驗(yàn)，可以通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)采動(dòng)巖石的裂隙擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行初步探測，以便確定風(fēng)化帶泥類巖保護(hù)層的阻砂性能是否已經(jīng)喪失。

本發(fā)明的試驗(yàn)表明水壓作用下風(fēng)化帶泥類巖保護(hù)層的阻砂性能已經(jīng)喪失，此時(shí)，若防砂安全煤巖柱的厚度依然按照上面確定的與非密封保水壓結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的防砂安全煤巖柱的厚度H_s進(jìn)行留設(shè)，則會(huì)發(fā)生潰砂災(zāi)害，因此，必須重新對(duì)水壓作用下的防砂安全煤巖柱厚度進(jìn)行合理確定。

S52、在確定密封保水壓結(jié)構(gòu)下的防砂安全煤巖柱厚度不能按照與非密封保水壓結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的防砂安全煤巖柱的厚度H_s進(jìn)行留設(shè)后，合理確定水壓作用下的煤柱損傷厚度H_p。

水壓作用下的煤柱損傷厚度H_p的確定是通過對(duì)基巖風(fēng)化帶巖石進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)的方法。

試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)位于含水層側(cè)面的不同深度的基巖風(fēng)化帶巖石進(jìn)行鉆芯取樣，然后利用巖石點(diǎn)荷載儀對(duì)多份試件進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)，獲得各試件的點(diǎn)荷載強(qiáng)度值。

其中，點(diǎn)荷載試驗(yàn)強(qiáng)度的計(jì)算公式采用《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50266—99)》建議的點(diǎn)荷載強(qiáng)度計(jì)算公式：

$I_s=\frac{P}{D_e^2}---\left(3\right)$

$D_e^2=\frac{4\·D\·W_f}{\mathrm{\π}}---\left(4\right)$

式中：I_s——未修正的點(diǎn)荷載強(qiáng)度，MPa；

P——試件在點(diǎn)荷載作用下破壞時(shí)總荷載，N；

D_e——等效巖芯直徑，mm；

D——在試件破壞面上測量的兩加荷點(diǎn)之間的距離，mm；

W_f——試件破壞面上垂直于加荷點(diǎn)連續(xù)的平均寬度，mm。

獲得各試件的點(diǎn)荷載強(qiáng)度值后，須將各點(diǎn)荷載強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度值，轉(zhuǎn)化時(shí)利用如下公式：

標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

I_s(50)＝F·I_s (5)

式中：F─修正系數(shù)，當(dāng)D<55mm時(shí)，修正系數(shù)F＝0.2717+0.01457D，當(dāng)D≥55mm時(shí)，修正系數(shù)F＝0.754+0.0058D。

利用獲得的各試件的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度值，得出基巖風(fēng)化帶巖石的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度隨距離松散層底界面不同深度的變化規(guī)律，并根據(jù)變化規(guī)律，確定出基巖風(fēng)化帶巖石中標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的深度范圍。

通常，在距離厚松散層一定深度范圍內(nèi)的基巖風(fēng)化帶巖石(該段基巖風(fēng)化帶巖石為泥類巖)的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度為零，說明該段巖石風(fēng)化嚴(yán)重，顆粒間黏聚作用遭到破壞，因此，將泥類巖的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度為零時(shí)對(duì)應(yīng)的最大深度確定為煤柱損傷厚度。

S53、在合理確定了水壓作用下的煤柱損傷厚度H_p后，確定與厚松散含水層相對(duì)應(yīng)的水壓作用下防砂安全煤巖柱的厚度H_sp。其中，水壓作用下防砂安全煤巖柱的厚度H_s等于垮落帶最大高度H_m、保護(hù)層厚度H_b和煤柱損傷厚度H_p之和，即H_sp＝H_m+H_b+H_p。

其中，垮落帶最大高度H_m和保護(hù)層厚度H_b采用與非密封保水壓結(jié)構(gòu)松散含水層相對(duì)應(yīng)的防砂安全煤巖柱的厚度H_s中的垮落帶最大高度H_m和保護(hù)層厚度H_b的數(shù)值。

S6、根據(jù)上述確定的防砂安全煤巖柱留設(shè)厚度，對(duì)待開采松散含水層的防砂安全煤巖柱進(jìn)行留設(shè)。

其中，若確定松散含水層為密封保水壓結(jié)構(gòu)，則根據(jù)上述的密封保水壓結(jié)構(gòu)下防砂安全煤巖柱厚度H_sp計(jì)算公式計(jì)算出的厚度進(jìn)行留設(shè)；若確定松散含水層為非密封保水壓結(jié)構(gòu)，則根據(jù)上述的與非密封保水壓結(jié)構(gòu)下防砂安全煤巖柱厚度H_s的計(jì)算公式計(jì)算出的厚度進(jìn)行留設(shè)。

由上述分析可知，當(dāng)松散含水層為密封保水壓結(jié)構(gòu)時(shí)，采用本發(fā)明的防砂安全煤巖柱厚度計(jì)算公式，比現(xiàn)有技術(shù)的防砂安全煤巖柱厚度計(jì)算公式增加一個(gè)煤柱損傷厚度H_p，從而確保在類似地質(zhì)條件水體下進(jìn)行開采時(shí)，不會(huì)發(fā)生潰砂事故。

下面，以趙固一礦11071和11191工作面為例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方法進(jìn)行說明。其中，趙固一礦11071工作面為厚松散含水層楔形密封的地質(zhì)條件，松散層厚度380～520m，松散層底部含水層水壓可達(dá)4MPa。按照原防砂安全煤巖柱的規(guī)定留設(shè)(即，防砂安全煤巖柱的厚度計(jì)算公式為H_s＝H_m+H_b)，發(fā)生了潰砂災(zāi)害；而11191工作面與11071工作面的地質(zhì)條件相似，按照本發(fā)明的方法對(duì)11191工作面進(jìn)行開采，實(shí)現(xiàn)了安全開采。

下面，對(duì)將本發(fā)明的方法應(yīng)用于趙固一礦11191工作面進(jìn)行具體說明。

(1)含水層底部粘土層性質(zhì)。利用覆巖破壞高度觀測孔在埋深460～520m范圍不同深度取5份土樣，并對(duì)土樣進(jìn)行液、塑限試驗(yàn)，測試結(jié)果如表2所示。

表2土樣的液、塑限試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，土樣的塑性指數(shù)基本都大于17，平均17.64，一般認(rèn)為塑性指數(shù)大于10有隔水性，大于17有良好的隔水性；液性指數(shù)均小于0.25，該粘土的狀態(tài)為低液限半固結(jié)狀態(tài)，表明該粘土具有差的流動(dòng)性、差的可塑性，可使其他相鄰工作面開采對(duì)夾砂層水無疏降作用，保持夾砂層的高水壓。

(2)干燥飽和吸水率試驗(yàn)。測定巖石的干燥飽和吸水率時(shí)，一般需要煮沸法或真空抽氣法對(duì)巖樣進(jìn)行強(qiáng)制飽和。本試驗(yàn)采用GZX-9076MBE數(shù)碼電熱鼓風(fēng)干燥箱對(duì)采取的巖樣進(jìn)行干燥，在煮沸條件下進(jìn)行巖樣強(qiáng)制飽和，求得巖石干燥飽和吸水率，主要試驗(yàn)過程為：干燥、強(qiáng)制飽和、過濾稱重，試驗(yàn)過程與現(xiàn)有技術(shù)相同，在此不對(duì)其過程進(jìn)行描述。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理可見，巖石中的泥類巖、砂巖的干燥飽和吸水率隨距離松散層底界面深度的增加整體上呈先降低后趨于平穩(wěn)的規(guī)律。具體如圖6所示：泥類巖的干燥飽和吸水率較大，距松散層0～8m范圍內(nèi)達(dá)到30％以上，說明風(fēng)化泥類巖具有良好的阻隔水性能；而砂巖的干燥飽和吸水率在0.5～2.5％范圍內(nèi)波動(dòng)，說明砂巖的阻隔水性能差。

結(jié)合鉆孔資料，距離松散層0～10m范圍的基巖段，泥類巖占較大比例，且泥類巖中，距離松散層0～5m以鋁質(zhì)泥巖為主，距離松散層5～10m以砂質(zhì)泥巖為主，因此該段泥類巖與粘土層可共同形成楔形保水壓結(jié)構(gòu)。

(3)崩解試驗(yàn)。試驗(yàn)采用室內(nèi)巖石崩解試驗(yàn)，將所取巖樣放入燒杯中，注清水至淹沒試件，每隔一段時(shí)間觀察記錄試件崩解狀態(tài)，觀察時(shí)間為1min、5min、10min、20min、30min、1h、2h、4h、8h、16h、24h，并按照巖石崩解形態(tài)分類表將試件最終崩解形態(tài)進(jìn)行分類記錄，圖7與圖8分別為距離松散層底界面2.5m和10.3m的鋁質(zhì)泥巖與砂質(zhì)泥巖的崩解狀態(tài)，圖9為砂巖崩解狀態(tài)。

從崩解試驗(yàn)中可以看出，砂巖是不易崩解的，全部巖樣崩解試驗(yàn)過程中均無明顯變化，耐崩解性較強(qiáng)；泥類巖崩解特征明顯，特別是距離松散層底界0～5m范圍的鋁質(zhì)泥巖，入水即刻開始崩解，30分鐘左右基本崩解完全(見圖7)，最終崩解形態(tài)為Ⅰ型、Ⅱ型；砂質(zhì)泥巖崩解較鋁質(zhì)泥巖緩慢，24小時(shí)后崩解成為碎巖片(見圖8)。其中，Ⅰ型是指崩解物形態(tài)呈泥狀，其崩解特征是浸入水中即刻“土崩瓦解”呈泥狀；Ⅱ型是指崩解物形態(tài)呈碎屑泥、碎片泥碎塊泥，其崩解特征是樣品浸入水中呈絮狀、粉末狀崩落，短則幾分鐘，長則20～30min，樣品即崩解完畢，崩解物為粒狀、片狀碎屑或碎塊，但用手搓仍為泥。

試驗(yàn)表明，泥類巖受風(fēng)化作用影響較大，尤其是鋁質(zhì)泥巖，風(fēng)化作用使其趨于粘土化，阻隔水性能顯著提高，有利于抑制導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育，阻隔松散含水層水體下泄；而砂巖不易崩解，因而導(dǎo)水裂縫在砂巖段不易彌合，容易接受上覆含水層補(bǔ)給形成含水裂隙。

通過巖石干燥飽和吸水率和崩解試驗(yàn)說明，含水層下厚粘土層與風(fēng)化帶泥類巖具有良好的隔水性，可形成楔形保水壓結(jié)構(gòu)，11191工作面與11071工作面地質(zhì)條件相似，從而確定11071和11191工作面符合松散含水層位于密封保水壓結(jié)構(gòu)的要求。

(4)水壓作用下風(fēng)化帶泥類巖采動(dòng)裂隙擴(kuò)展試驗(yàn)。試驗(yàn)巖樣取自松散層底界面0～10m范圍內(nèi)風(fēng)化帶泥類巖，高徑尺寸為50mm*60mm，巖樣中部設(shè)置裂隙(采用墊片控制)。制作裂隙墊片寬度為10mm，厚度為0.2mm，注水壓力設(shè)置為0.1～0.15MPa，觀察試驗(yàn)過程中試件的裂隙擴(kuò)展特征，試驗(yàn)采用如圖5所示的結(jié)構(gòu)。

試驗(yàn)時(shí)，注水壓力初始設(shè)置為0.1MPa，試件裂隙在貫通含水層的瞬間，觀察到有分叉的細(xì)小水流流出，水壓力變小，隨后水流逐漸變成水滴滴出，最終無滴水，裂隙彌合，壓力逐漸恢復(fù)至0.1MPa，趨于穩(wěn)定。說明裂隙貫通含水層后，風(fēng)化泥類巖裂隙切面中的礦物成分遇水發(fā)生膨脹，使裂隙逐漸彌合，最終完全彌合。22min后將注水壓力突然增加到0.15MPa，隨后試驗(yàn)裝置底部開始滴水，逐漸在試件弱面形成裂隙、管狀通道，水壓力明顯減小，最后趨于穩(wěn)定。說明在高水壓作用下，巖樣弱面發(fā)生了滲流，在水流沖刷的作用下，試件裂隙沖刷擴(kuò)徑，最終擴(kuò)展形成一直徑為14mm的管道。水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖11所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該條件下風(fēng)化泥類巖裂縫擴(kuò)展的臨界水壓力為0.15MPa，水壓超過裂隙擴(kuò)展的臨界水壓力后，裂隙擴(kuò)展為管道，阻砂性喪失。試驗(yàn)前后的試件形態(tài)如圖12所示。

采動(dòng)裂隙擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果說明，風(fēng)化帶泥類巖雖然具有良好的隔水性能，但在動(dòng)態(tài)的高水壓水流作用下結(jié)構(gòu)易失穩(wěn)軟化。受采動(dòng)損傷的影響風(fēng)化泥巖產(chǎn)生裂隙，在高水壓的作用下，風(fēng)化帶泥類巖采動(dòng)裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展為管道，因此，若使用現(xiàn)有技術(shù)的防砂安全煤巖柱的留設(shè)公式進(jìn)行煤巖柱厚度的留設(shè)，則會(huì)使防砂安全煤巖柱風(fēng)化帶保護(hù)層的阻砂性能失效，防砂安全煤巖柱失穩(wěn)，造成潰砂事故，必須對(duì)密封保水壓結(jié)構(gòu)下的煤巖柱厚度進(jìn)行合理留設(shè)。

而實(shí)際上，工作面11071的防砂安全煤巖柱厚度的留設(shè)即采用上述的H_s公式計(jì)算所得，在開采時(shí)，工作面11071發(fā)生了潰砂事故，因此，必須對(duì)密封保水壓結(jié)構(gòu)下的煤巖柱厚度進(jìn)行合理留設(shè)。

(5)巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)可采用SD-1型巖石點(diǎn)荷載儀，該儀器能采集記錄瞬間壓力、測試巖石的各項(xiàng)異性指數(shù)，數(shù)碼顯示巖石的瞬間點(diǎn)荷載強(qiáng)度，誤差較小。

在11191工作面下順槽1^#鉆場1頂2及相鄰工作面11171聯(lián)絡(luò)巷2^#鉆場2頂3和11171工作面下順槽西3^#鉆場3頂2孔3個(gè)二₁煤層頂板探查鉆孔進(jìn)行鉆芯取樣，并進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)。然后，將試驗(yàn)所得巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度數(shù)據(jù)繪出風(fēng)化帶巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度隨深度的變化規(guī)律(如圖10中a、b所示)。則由圖10可知，泥類巖和砂巖的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)荷載強(qiáng)度隨距離松散層底界面深度的增加整體上呈先增大后趨于平穩(wěn)的規(guī)律。距離松散層底界面0～5m范圍內(nèi)，泥類巖的強(qiáng)度基本為零，說明該階段巖石風(fēng)化嚴(yán)重，顆粒間黏聚作用遭到破壞，5～21.5m范圍均隨試驗(yàn)深度的增大而增加。砂巖的最低強(qiáng)度為2MPa，整體上隨試驗(yàn)深度的增大而增加，說明風(fēng)化作用隨試驗(yàn)深度逐漸減弱。

(6)考慮水壓對(duì)采動(dòng)裂隙泥類巖保護(hù)層隔砂性能的不利影響，本發(fā)明人指出，在原防砂安全煤巖柱留設(shè)厚度的基礎(chǔ)上，應(yīng)增加水壓作用下的煤柱損傷厚度H_p，并利用公式H_sp＝H_m+H_b+H_p計(jì)算出水壓作用下防砂安全煤巖柱的留設(shè)厚度H_sp。

其中，根據(jù)上述的風(fēng)化帶泥類巖的點(diǎn)載荷試驗(yàn)可知，松散層下0～5m泥類巖風(fēng)化嚴(yán)重，強(qiáng)度為零，易崩解失穩(wěn)，在水壓的作用下形成管狀通道，阻砂性能易喪失。因此，可將松散層下5m的泥類巖確定為煤柱損傷厚度，即H_p＝5m。

由于該礦11191工作面與11071工作面條件相近，因此，本發(fā)明人將根據(jù)本發(fā)明的H_sp＝H_m+H_b+H_p公式計(jì)算出的防砂安全煤巖柱的留設(shè)厚度H_sp應(yīng)用于11191工作面，并按該留設(shè)厚度H_sp進(jìn)行開采，實(shí)現(xiàn)了安全開采。

結(jié)果表明，按照本發(fā)明的水壓作用下防砂安全煤巖柱的留設(shè)方法留設(shè)的厚度進(jìn)行開采是可行的，并且，本發(fā)明的方法補(bǔ)充和完善了我國水體下采煤防砂安全煤巖柱留設(shè)方法的理論，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

盡管上文對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)說明，但本發(fā)明不限于此，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明的原理進(jìn)行修改，因此，凡按照本發(fā)明的原理進(jìn)行的各種修改都應(yīng)當(dāng)理解為落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。