弱胶结煤系地层在全球主要煤炭产区广泛分布，包括我国西北、东北等主要产煤区，陕北、神东、宁东、黄陇、蒙东和新疆等国家级大型煤炭基地。敏东一矿、鲁新煤矿、老虎台煤矿、照金煤矿、伊犁一矿、哈密大南湖七矿等多座矿井多次发生架前突泥溃砂事故，灾害隐蔽性强、爆发突然，多次造成设备掩埋、长时间停产，甚至人员伤亡，经济与安全损失巨大。随着西部矿区煤炭产能和开采深度持续增大，此类顶板泥砂涌突及链生灾害（井下泥石流）风险持续升高，亟需开展致灾机理研究。传统煤矿顶板突泥溃砂涌水研究多聚焦于垮落带、导水裂隙带沟通地表松散层、构造破碎带引发的水砂涌突灾害，相关理论与防控体系已较为完善，但针对工作面控顶区前后（架前、架后）弱胶结顶板泥砂水混合体涌突形成灾害（有的形成链生井下泥石流灾害），现有研究存在明显空白。该类灾害物源、水源、运移通道与常规“三带”突水溃砂存在本质区别。

图1  中国不同区域弱胶结地层煤炭资源分布.

图2  弱胶结地层采煤工作面架前、架后泥砂溃涌典型事故.

近日，我院李文平教授团队在国际工程地质领域权威期刊《Engineering Geology》发表研究论文，以新疆哈密大南湖七矿典型工程为例，通过理论分析、原位监测、室内试验、损伤-渗流-蠕变多场耦合三维数值模拟等，研究了弱胶结顶板采煤工作面架前泥砂突涌全过程特征，揭示其演化灾变规律和机理。该项研究得到了国家自然科学基金面上和重点项目（42372316、41931284）以及中煤集团“揭榜挂帅”项目（2022JB01）的资助。

研究表明，弱胶结地层采动工作面架前顶板突泥溃砂灾害本质上是一个多场耦合、时空演化的复杂过程。工作面、特别是端头附近控顶区架前弱胶结顶板岩层，在支撑力超前影响和围岩应力作用下，顶板产生持续扩容变形，促使弱结合水释放形成重力水，进而促使重力水迁移并加强水岩作用，最终导致弱胶结岩体泥化崩解，形成泥砂水混合物并发生突涌。团队进一步揭示了“应力变化—变形扩容—吸附水释放—重力水迁移—水岩作用—泥砂涌突”的灾变路径，破解了弱胶结顶板岩层采煤工作面为何在采前全部疏放重力水后，还形成架前泥砂水涌突灾害的科学技术难题。研究成果为弱胶结岩层煤矿突泥溃砂灾害的监测预警与防治提供了新的理论依据，也为类似地质条件下矿井的安全高效开采提供了重要支撑。

图3  弱胶结地层工作面顶板架前水-泥-砂突涌成灾模型

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013795226003820