水壓作用下厚鬆散含水層防砂安全煤巖柱的留設方法與流程

2023-12-09 15:57:31 2

本發明涉及礦業工程領域，尤其涉及一種水壓作用下厚鬆散含水層防砂安全煤巖柱的留設方法。

背景技術：

近年來，由於煤炭資源逐漸枯竭，華東、華北等地的許多礦區為提高開採上限，將厚鬆散含水層下淺部煤層開採作為礦井的重要任務，即，鬆散層厚度不小於100m，含水層原始水壓不於小1MPa。雖然我國在水體下開採方面進行了大量的研究，積累了豐富的實踐經驗，但不同地區水文地質條件的差異、鬆散層的富水程度以及提高開採上限的程度等因素，使得我國在厚鬆散含水層、薄基巖等特殊地質條件下開採仍然存在一系列問題，突水潰砂事故時有發生，嚴重威脅著煤礦的安全生產。厚鬆散含水層的安全開採也成為一個攻關難題。

現有的研究成果多集中在厚鬆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《鬆散承壓含水層下採煤突水機理與防治研究》(採礦與安全工程學報，2011，28(3)：333-339)和博士學位論文《高水壓鬆散含水層下採煤關鍵層複合破斷致災機制研究》採用相似模擬的方法研究了厚鬆散砂層中等富水性下工作面突水的機理及對策，並提出頂板預裂爆破、水位降速預警、推進速度調控等防治措施。但該防治措施並未對水壓作用下厚鬆散含水層防水安全煤巖柱的留設提出留設方法，並且並未涉及厚鬆散層砂層弱富水性下防砂安全煤巖柱的留設方法。

根據以往薄基巖的開採經驗，若含水砂層下面有較厚的粘土而形成底粘區，則厚粘土的阻隔水性能使工作面能夠實現安全開採；若含水砂層在鬆散層的底部形成面積較大的砂礫賦存區，則鄰近工作面的開採會波及到含水砂層，使得含水砂層的水位降低而不會保持較高水壓，也能實現安全開採。其中，薄基巖是指基巖厚度大於垮落帶高度而小於導水裂縫帶高度。隨著山東巨野、河南趙固、安徽淮北、江蘇大屯等厚鬆散層底部含水層礦區的開發，按照《建築物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開採規程》(2000年版)弱富水性含水砂層留設防砂安全煤巖柱，部分礦區的採煤工作面仍然發生了潰砂事故，且此類問題不斷增多，說明規程中的留設方法在不利的條件下已經不能完全適應厚鬆散層防砂安全煤巖柱的留設要求。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了解決上述問題，提供一種水壓作用下厚鬆散含水層防砂安全煤巖柱的留設方法，在水壓作用下增加防砂安全煤巖柱的留設厚度，可以減少煤礦潰砂災害事故的發生機率，並且，本發明的方法補充和完善了我國防砂安全煤巖柱留設方法的理論，具有很高的實用價值。

為實現本發明的上述目的，本發明提供一種水壓作用下厚鬆散含水層防砂安全煤巖柱的留設方法，其包括：

針對待開採煤層上覆厚鬆散含水層的地質條件，對位於含水層下面的粘土層進行液、塑限試驗，以便獲得粘土層的液、塑性指數；

對位於所述含水層側面的基巖風化帶巖石進行乾燥飽和吸水率試驗和崩解試驗，以便獲得基巖風化帶巖石的乾燥飽和吸水率和崩解性能參量；

根據獲得的粘土層的液、塑性指數與基巖風化帶巖石的乾燥飽和吸水率、崩解性能參量，確定厚鬆散含水層是否位於密封保水壓結構中；

若厚鬆散含水層位於密封保水壓結構中，則確定與密封保水壓結構相對應的水壓作用下防砂安全煤巖柱的厚度Hsp；

根據確定的水壓作用下防砂安全煤巖柱的厚度Hsp，對待開採煤層的防砂安全煤巖柱進行留設。

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

其中，所述水壓作用下的煤巖柱損傷厚度Hp的確定是通過對基巖風化帶巖石進行強度試驗的方法。

其中，通過對所述基巖風化帶巖石進行強度試驗、以便確定水壓作用下的煤柱損傷厚度Hp，包括如下步驟：

對不同深度的所述基巖風化帶巖石進行點荷載強度測試，以便獲得不同深度的基巖風化帶巖石的強度數據；

對獲得的強度數據進行處理，以便獲得不同深度的基巖風化帶巖石的標準點荷載強度數據；

根據獲得的標準點荷載強度數據，將與標準點荷載強度為零時所對應的所述基巖風化帶巖石的深度確定為煤柱損傷厚度Hp。

其中，確定水壓作用下的煤巖柱損傷厚度Hp前，還包括對基巖風化帶泥類巖進行水壓作用下採動裂隙擴展試驗，以便確定在水壓作用下風化帶泥類巖保護層的阻砂性能是否已經喪失。

其中，所述水壓作用下防砂安全煤巖柱的厚度Hsp等於垮落帶最大高度Hm、保護層厚度Hb和煤柱損傷厚度Hp之和。

其中，若所述厚鬆散含水層未位於密封保水壓結構中，則確定與非密封保水壓結構相對應的防砂安全煤巖柱的厚度Hs。

其中，所述與非密封保水壓結構相對應的防砂安全煤巖柱的厚度Hs等於垮落帶最大高度Hm和保護層厚度Hb之和。

優選的，所述待開採煤層上覆厚鬆散含水層為楔形結構。

其中，根據獲得的粘土層的液、塑性指數與基巖風化帶巖石的乾燥飽和吸水率、崩解性能參量，確定水壓作用下鬆散含水層是否位於密封保水壓結構中，包括：

若所述粘土層的塑性指數大於17、液性指數小於0.25，則確定所述粘土層具有良好的隔水性和差的可塑性；

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

若所述粘土層和所述基巖風化帶巖石具有良好的隔水性，則確定所述厚鬆散含水層位於密封保水壓結構中；反之，則確定所述厚鬆散含水層易疏水降壓。

與現有技術相比，本發明的水壓作用下厚鬆散含水層防砂安全煤巖柱的留設方法具有如下優點：

1、本發明的方法中，提出針對水壓作用下鬆散含水層位於密封保壓結構中時，需確定與水壓作用下厚鬆散含水層相對應的水壓作用下防砂安全煤巖柱的厚度Hsp，並依據該厚度進行工作面的開採，從而可以減少開採時發生潰砂事故的機率，利於安全生產；

2、本發明的方法中，利用點荷載強度試驗確定水壓下的煤柱損傷厚度Hp，並據此計算水壓作用下防砂安全煤巖柱的厚度Hsp，補充和完善了我國水體下採煤防砂安全煤巖柱留設方法的理論，具有很高的實用價值。

下面結合附圖對本發明進行詳細說明。

附圖說明

圖1是現有技術的鬆散含水層防砂安全煤巖柱的留設圖；

圖2是本發明的水壓作用下厚鬆散含水層防砂安全煤巖柱的留設圖；

圖3是適用本發明的方法的厚鬆散含水層的楔形密封保壓結構地質模型圖；

圖4是本發明的水壓作用下厚鬆散含水層防砂安全煤巖柱的留設方法的流程圖；

圖5是本發明採用的巖石裂隙湧水潰砂擴展試驗裝置的結構示意圖；

圖6是風化帶巖石乾燥飽和吸水率隨深度的變化規律圖；

圖7是巖石崩解時鋁質泥巖30分鐘後崩解狀態圖；

圖8是巖石崩解時砂質泥巖24小時後崩解狀態圖；

圖9是巖石崩解時砂巖24小時後崩解狀態圖；

圖10是風化帶巖石點荷載強度隨深度的變化規律圖；

圖11是風化帶巖石採動裂隙擴展試驗時水壓力隨時間的變化曲線圖；

圖12是風化帶巖石採動裂隙擴展試驗時試驗前、後的試件狀態圖；

具體實施方式

本發明的方法適用於如圖3所示的待開採煤層上覆呈楔形密封結構的厚鬆散含水層的地質條件。

其中，上覆呈楔形密封結構的厚鬆散含水層的地質條件，是指工作面上覆厚鬆散層底部含水層的上、下厚粘土層與基巖風化帶形成如圖3所示的楔形密封結構。若含水層上、下厚粘土層與基巖風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，且鄰近工作面的開採未能疏降該含水層的水位。

而現有技術中，在對具有如圖3所示的厚鬆散含水層的地質條件進行開採時，對防砂安全煤巖柱厚度的留設依然按照現有規程的方法進行留設(如圖1所示)，即防砂安全煤巖柱的厚度Hs等於垮落帶最大高度Hm和保護層厚度Hb之和。

在以現有技術留設的防砂安全煤巖柱的厚度Hs對煤層上覆厚鬆散含水層的地質條件進行開採時，仍然出現了煤礦潰砂災害事故。

而本發明的發明人就是考慮到厚鬆散含水層處於密封保水壓結構的狀態，因此，提出一種新的水壓作用下厚鬆散含水層防砂安全煤巖柱的留設方法。

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

S1、針對待開採煤層上覆厚鬆散含水層的地質條件，對位於含水層下面的粘土層進行液、塑限試驗，以便獲得該粘土層的液、塑性指數。

針對待開採煤層上覆呈楔形結構的厚鬆散含水層的地質條件，利用覆巖破壞高度觀測孔在位於含水層下面的粘土層的不同深度選取多份土樣，並對多份土樣進行液、塑限試驗，以便根據試驗結果獲得粘土層的液塑性指數。其中，待開採煤層上覆厚鬆散含水層的地質條件是指其鬆散層厚度不小於100m、含水層原始水壓不于于1MPa。

S2、針對待開採煤層上覆厚鬆散含水層的地質條件，對位於含水層側面的基巖風化帶巖石進行乾燥飽和吸水率試驗和崩解試驗，以便獲得基巖風化帶巖石的乾燥飽和吸水率和崩解性能參量。

針對待開採煤層上覆呈楔形結構的厚鬆散含水層的地質條件，利用覆巖破壞高度觀測孔對鬆散層底界面下不同深度的基巖風化帶巖石進行取樣，並對各巖樣進行乾燥飽和吸水率和崩解試驗，以便獲得基巖風化帶巖石的乾燥飽和吸水率和崩解性能參量。

其中，利用下列公式計算巖石乾燥飽和吸水率：

式中：s——巖石乾燥飽和吸水率，％；

ms——巖石強制飽和質量，g；

md——巖石烘乾後質量，g。

S3、根據獲得的粘土層的液、塑性指數與基巖風化帶巖石的乾燥飽和吸水率、崩解性能參量，確定厚鬆散含水層是否位於楔形密封保水壓結構中。

首先，根據獲得的粘土層的液、塑性指數與基巖風化帶巖石的乾燥飽和吸水率、崩解性能參量，確定粘土層與基巖風化帶巖石的隔水性。

在對位於含水層下面的粘土層進行液、塑限試驗後，若獲得的粘土層的多份土樣的塑性指數基本大於17、液性指數均小於0.25，則說明粘土層的粘土狀態為低液限半固結狀態，該粘土具有差的流動性，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均小於17、液性指數均大於0.25，則確定粘土層具有相對較差的隔水性和相對較高的可塑性(需要指出的是，相對較差的隔水性和相對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)。

對不同深度的基巖風化帶巖石進行乾燥飽和吸水率試驗和崩解試驗後，若獲得的基巖風化帶中存在乾燥飽和吸水率大於15％或者耐崩解性差的巖石，則說明基巖風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構；反之，則確定基巖風化帶巖石具有差的隔水性。

其次，根據已確定的粘土層與基巖風化帶巖石的隔水性，確定鬆散含水層是否位於楔形密封保水壓結構中。

若確定粘土層和基巖風化帶巖石均具有良好的隔水性，則確定厚鬆散含水層位於楔形密封保水壓結構中；反之，則確定鬆散含水層易疏水降壓。

S4、若鬆散含水層位於非密封保水壓結構，則確定與非密封保水壓結構相對應的防砂安全煤巖柱的厚度Hs。

其中，與非密封保水壓結構相對應的防砂安全煤巖柱的厚度Hs等於垮落帶最大高度Hm和保護層厚度Hb之和，即Hs＝Hm+Hb。

其中，垮落帶高度系列計算公式，由《建(構)築物、水體、鐵路及主要井巷壓煤與開採規程》和《煤礦防治水手冊》為依據，例如，中硬覆巖分層開採垮落帶最大高度Hm採用現有技術的如下公式確定：

<![CDATA[ H m = 100 Σ M 4.7 Σ M + 19 2.2 - - - ( 2 ) ]]>

式中，M為採高，單位為m。

而保護層厚度Hb同樣可按照上述技術文件中確定的方式確定。例如中硬覆巖分層開採煤層可參見下表1取值，A為單層採厚，m。

表1防砂安全煤(巖)柱保護層厚度

S5、若鬆散含水層位於密封保水壓結構，則確定與密封保水壓結構相對應的水壓作用下防砂安全煤巖柱的厚度Hsp。

S51、若確定鬆散含水層為密封保水壓結構，且鄰近工作面的開採未能使該含水層水位疏降，則對基巖風化泥類巖進行採動裂隙擴展試驗，以便確定在水壓作用下風化帶泥類巖保護層的阻砂性能是否已經喪失。

其中，本發明對巖樣進行採動裂隙擴展試驗是採用如圖5所示的巖石裂隙湧水潰砂擴展試驗裝置，該裝置包括：透明圓筒容器9，透明圓筒容器9的頂部設有頂蓋4、底部設有空心圓盤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，並在連接管道上設有流量計2，透明圓筒容器9的側壁連接有壓力表6和溢流閥7，透明圓筒容器9的下部設有集水箱14。在透明圓筒容器9的頂部和底部分別設有法蘭，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，還包括用於安置在巖樣11(該巖樣11用於安置在透明圓筒容器9內)上的鋼性墊片12及用於纏繞在巖樣外的防護層10。

試驗時的巖樣取自鬆散層下泥類巖，巖樣的高徑尺寸為50*60mm，巖樣中部設置裂隙，裂隙的寬度採用墊片控制，如，製作裂隙墊片寬度為10mm，厚度為0.2mm。注水時壓力設置為0.1～0.15MPa，觀察試驗過程中試樣的裂隙擴展特徵。

當採用本發明的巖石裂隙湧水潰砂擴展試驗裝置實現採動巖石裂隙擴展試驗時，首先，將巖樣放入透明圓筒容器內，巖樣上方留有用於注水的空間。由於巖樣為圓柱狀結構，因此將巖樣放入透明圓筒容器前，將圓柱狀結構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的部位設置鋼性墊片，並通過鋼性墊片的厚度控制初始裂隙的寬度，之後用防護層纏緊，使纏緊後的巖樣的外徑與透明圓筒容器的內徑相當。然後，通過注水加壓裝置控制水壓，模擬含水層的補給水源向透明圓筒容器內注水。之後，通過施加不同的水壓來觀測裂隙擴展變化情況量，同時記錄水壓力的變化，並通過集水箱收集試驗過程中漏失的泥水。

通過本發明的巖石裂隙湧水潰砂擴展試驗裝置對泥類巖進行採動裂隙擴展試驗，可以通過室內試驗對採動巖石的裂隙擴展規律進行初步探測，以便確定風化帶泥類巖保護層的阻砂性能是否已經喪失。

本發明的試驗表明水壓作用下風化帶泥類巖保護層的阻砂性能已經喪失，此時，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構相對應的防砂安全煤巖柱的厚度Hs進行留設，則會發生潰砂災害，因此，必須重新對水壓作用下的防砂安全煤巖柱厚度進行合理確定。

S52、在確定密封保水壓結構下的防砂安全煤巖柱厚度不能按照與非密封保水壓結構相對應的防砂安全煤巖柱的厚度Hs進行留設後，合理確定水壓作用下的煤柱損傷厚度Hp。

水壓作用下的煤柱損傷厚度Hp的確定是通過對基巖風化帶巖石進行強度試驗的方法。

試驗時，首先對位於含水層側面的不同深度的基巖風化帶巖石進行鑽芯取樣，然後利用巖石點荷載儀對多份試件進行點荷載試驗，獲得各試件的點荷載強度值。

其中，點荷載試驗強度的計算公式採用《工程巖體試驗方法標準(GB/T 50266—99)》建議的點荷載強度計算公式：

<![CDATA[ D e 2 = 4 D W f π - - - ( 4 ) ]]>

式中：Is——未修正的點荷載強度，MPa；

P——試件在點荷載作用下破壞時總荷載，N；

De——等效巖芯直徑，mm；

D——在試件破壞面上測量的兩加荷點之間的距離，mm；

Wf——試件破壞面上垂直於加荷點連續的平均寬度，mm。

獲得各試件的點荷載強度值後，須將各點荷載強度值轉化為標準點荷載強度值，轉化時利用如下公式：

標準點荷載強度的計算公式為：

Is(50)＝F·Is (5)

式中：F─修正係數，當D<55mm時，修正係數F＝0.2717+0.01457D，當D≥55mm時，修正係數F＝0.754+0.0058D。

利用獲得的各試件的標準點荷載強度值，得出基巖風化帶巖石的標準點荷載強度隨距離鬆散層底界面不同深度的變化規律，並根據變化規律，確定出基巖風化帶巖石中標準點荷載強度為零時所對應的深度範圍。

通常，在距離厚鬆散層一定深度範圍內的基巖風化帶巖石(該段基巖風化帶巖石為泥類巖)的標準點荷載強度為零，說明該段巖石風化嚴重，顆粒間黏聚作用遭到破壞，因此，將泥類巖的標準點荷載強度為零時對應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Hp後，確定與厚鬆散含水層相對應的水壓作用下防砂安全煤巖柱的厚度Hsp。其中，水壓作用下防砂安全煤巖柱的厚度Hs等於垮落帶最大高度Hm、保護層厚度Hb和煤柱損傷厚度Hp之和，即Hsp＝Hm+Hb+Hp。

其中，垮落帶最大高度Hm和保護層厚度Hb採用與非密封保水壓結構鬆散含水層相對應的防砂安全煤巖柱的厚度Hs中的垮落帶最大高度Hm和保護層厚度Hb的數值。

S6、根據上述確定的防砂安全煤巖柱留設厚度，對待開採鬆散含水層的防砂安全煤巖柱進行留設。

其中，若確定鬆散含水層為密封保水壓結構，則根據上述的密封保水壓結構下防砂安全煤巖柱厚度Hsp計算公式計算出的厚度進行留設；若確定鬆散含水層為非密封保水壓結構，則根據上述的與非密封保水壓結構下防砂安全煤巖柱厚度Hs的計算公式計算出的厚度進行留設。

由上述分析可知，當鬆散含水層為密封保水壓結構時，採用本發明的防砂安全煤巖柱厚度計算公式，比現有技術的防砂安全煤巖柱厚度計算公式增加一個煤柱損傷厚度Hp，從而確保在類似地質條件水體下進行開採時，不會發生潰砂事故。

下面，以趙固一礦11071和11191工作面為例，對本發明的具體實施方法進行說明。其中，趙固一礦11071工作面為厚鬆散含水層楔形密封的地質條件，鬆散層厚度380～520m，鬆散層底部含水層水壓可達4MPa。按照原防砂安全煤巖柱的規定留設(即，防砂安全煤巖柱的厚度計算公式為Hs＝Hm+Hb)，發生了潰砂災害；而11191工作面與11071工作面的地質條件相似，按照本發明的方法對11191工作面進行開採，實現了安全開採。

下面，對將本發明的方法應用於趙固一礦11191工作面進行具體說明。

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

表2土樣的液、塑限試驗結果

由表2可知，土樣的塑性指數基本都大於17，平均17.64，一般認為塑性指數大於10有隔水性，大於17有良好的隔水性；液性指數均小於0.25，該粘土的狀態為低液限半固結狀態，表明該粘土具有差的流動性、差的可塑性，可使其他相鄰工作面開採對夾砂層水無疏降作用，保持夾砂層的高水壓。

(2)乾燥飽和吸水率試驗。測定巖石的乾燥飽和吸水率時，一般需要煮沸法或真空抽氣法對巖樣進行強制飽和。本試驗採用GZX-9076MBE數碼電熱鼓風乾燥箱對採取的巖樣進行乾燥，在煮沸條件下進行巖樣強制飽和，求得巖石乾燥飽和吸水率，主要試驗過程為：乾燥、強制飽和、過濾稱重，試驗過程與現有技術相同，在此不對其過程進行描述。

對試驗結果進行處理可見，巖石中的泥類巖、砂巖的乾燥飽和吸水率隨距離鬆散層底界面深度的增加整體上呈先降低後趨於平穩的規律。具體如圖6所示：泥類巖的乾燥飽和吸水率較大，距鬆散層0～8m範圍內達到30％以上，說明風化泥類巖具有良好的阻隔水性能；而砂巖的乾燥飽和吸水率在0.5～2.5％範圍內波動，說明砂巖的阻隔水性能差。

結合鑽孔資料，距離鬆散層0～10m範圍的基巖段，泥類巖佔較大比例，且泥類巖中，距離鬆散層0～5m以鋁質泥巖為主，距離鬆散層5～10m以砂質泥巖為主，因此該段泥類巖與粘土層可共同形成楔形保水壓結構。

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

從崩解試驗中可以看出，砂巖是不易崩解的，全部巖樣崩解試驗過程中均無明顯變化，耐崩解性較強；泥類巖崩解特徵明顯，特別是距離鬆散層底界0～5m範圍的鋁質泥巖，入水即刻開始崩解，30分鐘左右基本崩解完全(見圖7)，最終崩解形態為Ⅰ型、Ⅱ型；砂質泥巖崩解較鋁質泥巖緩慢，24小時後崩解成為碎巖片(見圖8)。其中，Ⅰ型是指崩解物形態呈泥狀，其崩解特徵是浸入水中即刻「土崩瓦解」呈泥狀；Ⅱ型是指崩解物形態呈碎屑泥、碎片泥碎塊泥，其崩解特徵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。

試驗表明，泥類巖受風化作用影響較大，尤其是鋁質泥巖，風化作用使其趨於粘土化，阻隔水性能顯著提高，有利於抑制導水裂縫帶發育，阻隔鬆散含水層水體下洩；而砂巖不易崩解，因而導水裂縫在砂巖段不易彌合，容易接受上覆含水層補給形成含水裂隙。

通過巖石乾燥飽和吸水率和崩解試驗說明，含水層下厚粘土層與風化帶泥類巖具有良好的隔水性，可形成楔形保水壓結構，11191工作面與11071工作面地質條件相似，從而確定11071和11191工作面符合鬆散含水層位於密封保水壓結構的要求。

(4)水壓作用下風化帶泥類巖採動裂隙擴展試驗。試驗巖樣取自鬆散層底界面0～10m範圍內風化帶泥類巖，高徑尺寸為50mm*60mm，巖樣中部設置裂隙(採用墊片控制)。製作裂隙墊片寬度為10mm，厚度為0.2mm，注水壓力設置為0.1～0.15MPa，觀察試驗過程中試件的裂隙擴展特徵，試驗採用如圖5所示的結構。

試驗時，注水壓力初始設置為0.1MPa，試件裂隙在貫通含水層的瞬間，觀察到有分叉的細小水流流出，水壓力變小，隨後水流逐漸變成水滴滴出，最終無滴水，裂隙彌合，壓力逐漸恢復至0.1MPa，趨於穩定。說明裂隙貫通含水層後，風化泥類巖裂隙切面中的礦物成分遇水發生膨脹，使裂隙逐漸彌合，最終完全彌合。22min後將注水壓力突然增加到0.15MPa，隨後試驗裝置底部開始滴水，逐漸在試件弱面形成裂隙、管狀通道，水壓力明顯減小，最後趨於穩定。說明在高水壓作用下，巖樣弱面發生了滲流，在水流衝刷的作用下，試件裂隙衝刷擴徑，最終擴展形成一直徑為14mm的管道。水壓力隨時間的變化規律如圖11所示。

試驗結果表明，該條件下風化泥類巖裂縫擴展的臨界水壓力為0.15MPa，水壓超過裂隙擴展的臨界水壓力後，裂隙擴展為管道，阻砂性喪失。試驗前後的試件形態如圖12所示。

採動裂隙擴展試驗結果說明，風化帶泥類巖雖然具有良好的隔水性能，但在動態的高水壓水流作用下結構易失穩軟化。受採動損傷的影響風化泥巖產生裂隙，在高水壓的作用下，風化帶泥類巖採動裂隙進一步擴展為管道，因此，若使用現有技術的防砂安全煤巖柱的留設公式進行煤巖柱厚度的留設，則會使防砂安全煤巖柱風化帶保護層的阻砂性能失效，防砂安全煤巖柱失穩，造成潰砂事故，必須對密封保水壓結構下的煤巖柱厚度進行合理留設。

而實際上，工作面11071的防砂安全煤巖柱厚度的留設即採用上述的Hs公式計算所得，在開採時，工作面11071發生了潰砂事故，因此，必須對密封保水壓結構下的煤巖柱厚度進行合理留設。

(5)巖石點荷載強度試驗。試驗可採用SD-1型巖石點荷載儀，該儀器能採集記錄瞬間壓力、測試巖石的各項異性指數，數碼顯示巖石的瞬間點荷載強度，誤差較小。

在11191工作面下順槽1#鑽場1頂2及相鄰工作面11171聯絡巷2#鑽場2頂3和11171工作面下順槽西3#鑽場3頂2孔3個二1煤層頂板探查鑽孔進行鑽芯取樣，並進行點荷載試驗。然後，將試驗所得巖石點荷載強度轉化為標準點荷載強度進行數據分析。

根據標準點荷載強度數據繪出風化帶巖石點荷載強度隨深度的變化規律(如圖10中a、b所示)。則由圖10可知，泥類巖和砂巖的標準點荷載強度隨距離鬆散層底界面深度的增加整體上呈先增大後趨於平穩的規律。距離鬆散層底界面0～5m範圍內，泥類巖的強度基本為零，說明該階段巖石風化嚴重，顆粒間黏聚作用遭到破壞，5～21.5m範圍均隨試驗深度的增大而增加。砂巖的最低強度為2MPa，整體上隨試驗深度的增大而增加，說明風化作用隨試驗深度逐漸減弱。

(6)考慮水壓對採動裂隙泥類巖保護層隔砂性能的不利影響，本發明人指出，在原防砂安全煤巖柱留設厚度的基礎上，應增加水壓作用下的煤柱損傷厚度Hp，並利用公式Hsp＝Hm+Hb+Hp計算出水壓作用下防砂安全煤巖柱的留設厚度Hsp。

其中，根據上述的風化帶泥類巖的點載荷試驗可知，鬆散層下0～5m泥類巖風化嚴重，強度為零，易崩解失穩，在水壓的作用下形成管狀通道，阻砂性能易喪失。因此，可將鬆散層下5m的泥類巖確定為煤柱損傷厚度，即Hp＝5m。

由於該礦11191工作面與11071工作麵條件相近，因此，本發明人將根據本發明的Hsp＝Hm+Hb+Hp公式計算出的防砂安全煤巖柱的留設厚度Hsp應用於11191工作面，並按該留設厚度Hsp進行開採，實現了安全開採。

結果表明，按照本發明的水壓作用下防砂安全煤巖柱的留設方法留設的厚度進行開採是可行的，並且，本發明的方法補充和完善了我國水體下採煤防砂安全煤巖柱留設方法的理論，具有很高的實用價值。

儘管上文對本發明作了詳細說明，但本發明不限於此，本技術領域的技術人員可以根據本發明的原理進行修改，因此，凡按照本發明的原理進行的各種修改都應當理解為落入本發明的保護範圍。