0 引 言
突水溃砂(沙)常是我国西部矿区近松散层煤层或浅埋薄基岩含水层下煤层开采时较为常见和典型的水害事故，前人对该类型突水溃砂灾害机理和防治技术的研究都取得了颇为丰硕的成果：李东等[1]分析指出鄂尔多斯盆地最具典型的水害类型分别为离层水害、薄基岩突水溃沙灾害和巨厚砂砾岩含水层顶板水害；范立民等[2]从突水溃沙的机理、预测和防治等多方面对浅埋煤层矿井突水溃沙灾害进行了综合研究；文献[3-4]采用相关设备进行突水溃沙试验，得到了影响突水溃沙的临界速度条件和裂缝通道涌水量的变化规律；隋旺华等[5-6]分析了矿山水文地质结构及其采动响应，并指出上覆松散含水层的水头压力与溃砂通道宽度是建立描述突水溃砂机理的关键；文献[7-8]通过相似模拟实验开展了突水溃砂研究，揭示了突水溃砂导水通道分布特征和渗流作用下隔水土层的破坏失稳规律；李江华等[9]利用数值模拟得出了薄基岩工作面开采覆岩的载荷传递参数和覆岩破坏特征；文献[10-12]依据冒落带、导水裂缝带发育高度确定了工作面开采防砂安全煤岩柱高度；杜锋等[13]根据两相流相关理论，提出了破碎岩体水沙两相渗流主要渗透特性参量；文献[14-15]从注浆材料方面分析了井壁和工作面突水溃砂的防治技术。然而，同为覆岩采动的响应，对于较厚上覆基岩煤层开采顶板突水溃砂的研究报道相对较少[16]，有待于进一步深入分析和探讨。
2016年4月25日，陕西省铜川市耀州区照金矿业有限公司(以下简称照金煤矿)发生造成人员死亡的重大突水溃砂事故。突水溃砂在照金煤矿所属的旬耀矿区极为罕见，一般认为，在松散含水砂层较厚、土层薄、基岩薄的区域易于形成天然溃砂通道[18]，但是该区主采的4-2号煤层上覆基岩平均厚度在300 m以上，因此该次事故发生的突发性、地质与水文地质条件的隐蔽性都很强，而厚覆基岩煤层开采顶板突水溃砂灾害的形成机理尚缺乏深入地研究。笔者以事故现场资料为基础，结合最新补勘地质资料，从突水溃砂的通道、水源、物源、储水空间、动力源和构造等多方面对灾害机制进行综合分析，研究成果可为该类型突水溃砂防治技术提供参考依据。
1 矿井概况
照金煤矿位于黄陇煤田旬耀矿区的南缘，井田面积为10.775 1 km2，生产规模为90万t/a，开采4-2号煤层。全井田划分为2个采区，东部的一采区已基本回采完毕，未来主要开采区段为西部的二采区。突水溃砂事故点为二采区202工作面回采至1 145 m处，事故发生后井田矿权范围进行了更变，取消了原设计的203工作面；并对二采区开展了地质补充勘探工作，累计施工地面钻孔11个，其中地质孔4个、水文孔6个、“两带”探测孔1个(图1)。
图1 照金煤矿采掘分布及补勘工程布置
Fig.1 Mining distribution and reconstruction project layout of Zhaojin Coal Mine
井田煤系地层内主要含水层包括：第四系(Q)松散层孔隙裂隙含水层、下白垩统洛河组(K1l)砂岩裂隙含水层、中侏罗统直罗组(J2z)砂岩裂隙含水层、中侏罗统延安组(J2y)砂岩及4-2煤层裂隙含水层、上三叠统胡家村组(T3h)砂岩裂隙含水层。地面水文孔资料显示煤层顶板各主要充水含水层整体富水性均为简单，洛河组含水层局部为中等(图2)。
图2 井田含/隔水层空间组合关系
Fig.2 Aquifer & aquifuge space combination relationship of mine field
2 突水溃砂形成条件
2.1 通道
井下事故现场观察发现，202工作面煤壁与支架之间顶板为空洞，部分被泥沙充填，溃砂通道位于煤壁与支架之间。显然，本次事故是在矿压、水压、泥砂体重力的共同作用下，煤层顶板上覆岩层沿煤壁发生切落形成集中突水溃砂通道，而其最根本和最原始的通道就是煤层开采形成的覆岩采动裂隙。
2.2 水源
顶板水是本次突水溃砂的主要水源，事故总突水量达21 000 m3。为了具体确定水源含水层，笔者依据事故点附近的老钻孔(X23)和最新补勘钻孔(ZD6-1)煤厚数据，利用相关规程中的计算公式[17]得出导水裂隙带最大高度为143.9 m。而补勘工程在201工作面上方布设了TC-1“两带”探查钻孔，实测结果裂采比约为15.9，按照该比例进行计算得出导水裂隙带发育最大高度为230 m。显然，依据煤层顶板各含水层的厚度(图2)，202工作面煤层开采时顶板破坏带应波及至洛河组含水层。导水裂隙带高度未沟通潜在含水层，因为事故发生后20 d，202工作面已基本无淋水，说明本次事故突水量有限；且在202工作面地面沟谷现场勘察，没有发现地表裂缝、塌陷等迹象，沟谷小溪中仍有小股流水。鉴于事故点附近无采空区积水，因此，突水水源只可能来源于洛河组及以下含水层，且主要来源于直罗组和宜君组之间的离层水。
井下事故发生后，2016年4月26日进风口水样分析结果显示总矿化度为3 749.51 mg/L，水化学类型Cl--Na+；回风口水样分析结果显示总矿化度为1 935.38 mg/L，水化学类型
月29日突水水样分析结果显示总矿化度为10 307.40 mg/L，水化学类型Cl--Na+。对比井田各含水层水质特征，从本次事故水质演变过程来看，水源更接近于洛河组、延安组和直罗组的混合水，而非单一水源(图3)。
图3 两阶段水质Piper三线图
Fig.3 Piper three-line diagram of two-stage water quality
2.3 物源
井下观察显示，事故点淤积物中有混杂堆积的泥、沙及岩块、煤块，块体大小不一，颜色以灰白色、深褐色为主；块状物质主要为次棱角状，且含有大量磨圆度较好的球状、似球状砾石，成分以泥岩和砂质泥岩为主，胶结松散，分选差，轻碰易碎，其中泥沙含量约占溃出物50%～60%(图4)。
图4 井下溃出物
Fig.4 Underground intrusion matter
4-2煤层直接顶为平均厚度7.7 m的花斑泥岩、泥质胶结的粉砂岩，在无水状态下质脆、较硬，而遇水后就会松软泥化。此外，补勘结果显示二采区延安组上部地层缺失，无煤层基本顶(俗称“小街砂岩”)；特别是二采区直罗组下部普遍发育有1层破碎泥岩段，该段平均厚度17.13 m，岩石质量指标(RQD)为0，遇水后很快崩解，极不稳定。因此，4-2煤层直接顶和直罗组下部的破碎泥岩是本次突水溃沙的主要物源之一。
区域地质资料显示，本区直罗组与宜君组之间存在平行不整合界面，由于两者之间的沉积间断，直罗组顶部经历了长时间风化，形成厚度较大的风化带，风化带物质为砂岩、泥岩、粉砂岩、页岩等河湖相沙泥混合物，这也对应了事故点淤积物岩块的特征。根据以上分析结果，导水裂隙带高度发育至洛河组，因此直罗组顶部岩性松散、风化破碎、以砂岩和泥岩为主的、具有一定厚度的地质松散体也为本次事故提供了物源。本次事故溃出物绝大部分为煤层顶板侏罗系延安组和直罗组岩石遇水形成的似泥石流体。
2.4 储水空间
事故点附近无采空区，因此不存在采空区积水空间。钻孔资料显示，宜君组砾岩层平均厚度为22.5 m，岩性为灰紫色，砾石成份由灰岩、石英岩、燧石和砂岩块等组成，基底式钙质胶结，致密、坚硬，该层段为区内相对隔水层；其下部为直罗组上部较软的砂岩、泥岩等互层，这种“上硬下软”的结构是形成离层储水空腔的基本条件；加之直罗组顶部存在古河床松散体，受采动裂隙的影响，该地段离层空腔增大，可形成良好的储水空间。
垮落带破碎岩体在一定程度上可以抑制上部水体、溃砂体的运移[18]，但是在综放条件下，照金煤矿开采4-2煤产生的垮落带已发育至直罗组底部，且直罗组底部为破碎泥岩，垮落带内部会发育优势溃砂通道，也为上覆水体和泥砂体提供了良好空间。
2.5 动力源
井田4-2煤层平均厚度7.2 m，采用放顶煤开采工艺。因此，在综放条件下开采4-2煤产生的导水裂隙带沟通了洛河组砂岩下段含水层地下水，由于洛河组含水层厚度大，水势能较高，携砂(泥)能力较强的流动水体进入宜君组与直罗组之间的离层空腔，与直罗组和延安组等承压含水层水共同为突水溃砂提供了水动力条件。现场资料还显示，202工作面因周期来压，推进迟缓，顶板压力增大，顶板沿工作面煤壁发生切落形成集中通道，水及似泥石流体瞬间溃入工作面。因此，除了水压以外，矿山压力和泥石体自重应力也是造成突水溃砂的主要动力条件。
2.6 构造
照金煤矿总体为宽缓的轴向近东西的向斜构造，本次事故恰好就处于向斜构造带上(图1)。由于向斜转折端附近，应力作用导致节理裂隙发育，具有更多的储水空间，煤层开采时引起的采动破坏效应可能会增加，生产中在201和202工作面均揭露了较多的节理或小规模断层。且处于向斜构造带上的201工作面和118工作面此前均发生过突水事故。因此，向斜构造也对突水溃砂事故起到了一定的影响作用。
3 突水溃砂机理分析
综合以上多种突水溃砂形成条件的分析，对事故机理进行了综合判定(图5)。
图5 事故直接原因剖面示意
Fig.5 Generalized section of accident direct cause
1)在综放条件下，开采4-2煤产生的垮落带已发育至直罗组底部，而导水裂隙带也沟通至洛河组砂岩下段含水层，因此延安组、直罗组和洛河组含水层均是矿井的直接充水水源。且由于洛河组含水层富水性不均一，局部存在异常富水区段，当水量较大的洛河组含水层水在进入宜君组与直罗组之间的离层空腔后，与直罗组和延安组含水层水共同为突水溃砂提供了水动力条件。
2)202工作面上方直罗组上部存在古河床相松散体，下部存在破碎泥岩，加之工作面位于向斜构造轴部，应力集中，顶板岩层破碎，这些松散、破碎物质受水侵蚀后，经过一段时间的软化和泥化作用，形成似泥石流体。
3)202工作面因周期来压，推进迟缓，顶板压力增大，顶板沿工作面煤壁发生切落形成集中通道，导致水及似泥石流体瞬间溃入工作面。
4 结 论
1)在采动条件影响下，富水性弱～中等的洛河组含水层也可能发生破坏极大的水害事故。
2)厚覆基岩煤层开采顶板突水溃砂的产生并非单一因素造成，而是受导水通道、充水水源、物源、储水空间、矿山动力和地质构造等多方面的相互影响，最终造成水、砂混合流运移和突溃的现象。
3)照金矿202工作面综放开采产生的导水裂隙带导通洛河组含水层水进入宜君组与直罗组之间的离层空腔，随着积水量增加，渗入煤系含水层和古河床相松散体中形成似泥石流体，沿工作面切落形成的集中通道瞬间溃入工作面，导致煤层顶板上覆较厚基岩发生突水溃砂。
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