酸刺沟煤矿3.0Mta新井设计
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神东矿区浅埋采场溃沙分析及控制机理研究摘要:西部浅埋煤层采场的涌水溃沙灾害成为影响安全生产和正常生产的关键问题之一。本文分析了神东矿区浅埋煤层在薄基岩厚松散层条件下的矿压显现规律;以泥沙运动力学中的泥沙起动理论为基础,通过建立溃沙颗粒伪结构力学模型,探讨溃沙发生时泥沙颗粒的受力情况,并建立了溃沙发生的临界条件,即含水层高度的判定依据;分析了关键块破断后回转和滑落两个过程中涌水溃沙发生的机理,并建立了溃沙通道形成的临界开采厚度和端角接触面高度;比较了含水层高度、裂缝宽度对溃沙量的影响程度,得出了含水层高度是涌水溃沙发生的主导因素;在确定了涌水溃沙发生控制因素的基础上,结合煤矿具体生产实践,分析提出了通过工作面直接排水和采空区排水的涌水溃沙灾害发生控制措施;结合神东矿区浅埋采场顶板破断特性,提出了控制顶板全厚切落时的基岩回转改变裂缝宽度来减少溃沙量的措施。关键词:浅埋,溃沙,控制机理1 绪论1.1问题的提出与研究意义我国以煤炭为主的能源结构在短期内难以得到根本改变,一次性能源消费结构中,煤炭仍然占70%左右。随着我国西部大开发国策的不断实施,我国煤炭资源的开发重点已经开始向西部转移,并形成以内蒙古为代表的西北和以贵州为代表的西南两大发展方向。西部煤田主要特点有:一是普遍赋存浅埋煤层(埋深小于200m);二是地形地貌多样,地表起伏大,西北内蒙古、陕西多为古冲沟发育区。以我国西北部浅埋煤田为例,主要有神府东胜大煤田(以下简称神东煤田)、陕北榆林煤田、宁夏的灵武煤田、新疆的吐哈煤田等,此外,彬长、黄陵、华亭等煤田中的相当一部分在开发初期也主要开采浅部煤层。其中神府东胜煤田地处内蒙古南部和陕西北部,已探明储量达2236亿t,约占全国已探明储量的1/3,属世界八大煤田之一,且因可采煤层多、煤层厚、煤质优良而为世人瞩目,不仅在我国能源发展战略中具有重要地位,而且已成为西部大开发乃至全国经济发展的能源基地。不同的矿区及煤层赋存条件和开采方式引发的矿区安全环境问题表现出不同的特征,尤其是由于东西部煤层赋存条件的差异,导致东西部矿井开采引发出不同的安全环境问题。神东煤田地处干旱、半干旱的毛乌素沙漠与黄土高原接壤地区,水资源贫乏,植被稀疏,生态环境脆弱,社会发展水平较低,自然状态下环境质量呈下降趋势。 该区地面组成物质比较复杂,结构疏松,极易风化,抗侵蚀性差。出露的主要地层包括基岩、沙、黄土、风成沙。基岩地层约占本区总面积的 18.45%,主要为一些砂页岩互层,结构疏松,且节理发育,是河流粗泥沙的主要来源。随着人类活动的进一步加剧(特别是采煤作业),人和地质环境的相互作用使得原有的平衡体系被打破,矿井涌水溃沙及煤田自燃、水资源破坏、水质污染、水土流失和沙漠化加剧。这里主要讨论由采煤引起的地表变形(地面沉降、地裂缝、地表塌陷)及矿井涌水溃沙问题。矿井涌水溃沙是指薄基岩厚松散含水层条件下采掘时含沙量较高的水沙混合流体溃入井下工作面并造成财产损失及人员伤亡的一种矿井地质灾害1。溃沙产生的机理与影响因素与一般意义上的矿井水害不同,应作为一种独立的矿井地质灾害种类来对待。瓷窑湾煤矿、大柳塔煤矿、哈拉沟煤矿等均发生了不同程度的涌水溃沙事故,造成地面沉降、地裂缝、地表塌陷等多种地质灾害。矿井涌水溃沙不仅仅是造成地面沉降、地裂缝、地表塌陷等地质灾害,还由于水沙俱下,大量地下水渗漏致使地下水水位大幅度下降,同时水沙一起涌入工作面、井巷也直接危及井下作业工人和设施的安全,再是由于工作面和巷道充满泥沙,工作人员无法操作,机器无法运转造成工作面停产,经济损失不可估量。就全国范围而言,西部地区矿业所造成的安全和环境问题明显高于我国东部地区,其中涌水溃沙问题是环境破坏和安全生产急待解决的主要问题之一。神东矿区由于开采深度大都在距地表 100m 以内,开采煤层上方的基岩较薄,煤层厚,地表为厚松散沙层覆盖,沙漠覆盖层下的亚粘土隔水层上蕴藏着丰富的地表潜水,煤层的开采势必会直接影响到地表,引起地表沙漠覆盖层的大范围塌陷运动和干旱的陕北北部水资源流失,也往往会使上覆潜水携带泥沙溃入工作面造成灾害。初期开采的实践也证明,顶板破断后的涌水溃沙灾害成为影响安全生产和正常生产的关键问题之一,也从根本上影响着资源的回收率、产量和效益,并且地表塌陷形成地堑和裂缝,造成水土流失,加剧了地表荒漠化。1.2国内外研究现状及存在问题1.2.1国内对于浅埋煤层开采的研究国内方面,20世纪90年代初,各个高校及研究院所的科研工作者和工程技术人员开始了对浅埋煤层长壁开采顶板控制的研究工作,并取得了较为丰富的研究成果。主要体现在以下两个方面:一是浅埋煤层长壁开采矿压显现规律的观测及顶板破断运动机理的定性分析。1995年,西安科技大学侯忠杰教授通过对石屹台煤矿两个高产长壁工作面的二维一相固态相似材料模拟实验和矿压观测,得出了浅埋煤层矿压显现的基本规律,认为防止工作面架前切落应具备两个条件,其一是基岩厚度应大到在工作面上方形成某种结构,并且能够承担松散层自重载荷;其二是工作面支架应有足够大的支护阻力(包括初撑力)。在采高一定的条件下,工作面基岩厚度,松散层厚度以及工作面支架额定工作阻力是决定浅埋深、厚松散层下开采覆岩运动破坏特点及矿压显现特点最主要的三个因素。石平五教授、侯忠杰教授等通过对大柳塔煤矿1203工作面的观测,得出薄基岩在厚沙覆盖层作用下的整体切落是顶板破断运动的主要方式,并根据相似材料模拟实验将基岩厚度与采高的比值作为顶板破断形式及其形成结构的判断依据。1999年,侯忠杰教授在“关键层”理论的基础上,根据工作面矿压观测结果与浅埋煤层的特点又提出了“组合关键层”理论,认为对于一般浅埋煤层,煤层顶板某一岩层成为关键层不仅应满足刚度条件,还要满足来压强度条件;地面松散层厚度对浅埋煤层关键层的层位有很大的影响,在上覆基岩相同条件下,地面松散层厚度不同,则其关键层的层位也不同;一般浅埋煤层,最下一层坚硬岩层可能是主关键层,也可能是亚关键层;但地表厚松散层浅埋煤层,两层坚硬岩层都是主关键层,这是地表厚松散层浅埋煤层的独有特点;地表厚松散层浅埋煤层的两层关键层必然发生组合效应,形成组合关键层。赵宏珠教授对印度辛格南尼煤炭公司浅埋煤层长壁开采矿压规律进行的研究表明:基本顶沿工作面倾向分段断裂垮落,来压时煤壁前方顶底板移近速度增大,地表缓慢下沉并周期性的产生裂缝,地表裂缝间距与周期来压步距一致。并根据支架与围岩相互作用原理和印度辛格南尼PV矿具体条件,初步建立了液压支架受载力学模型,指出随着支架额定工作阻力的提高,工作面矿压显现的程度逐渐减弱。煤炭科学研究总院唐山分院的张世凯等以大柳塔首采面矿压实测为基础,对厚松散层薄基岩近水平煤层顶板来压机理、形式和上覆基岩垮落规律进行了分析,提出了顶板“全厚切落式”来压的概念。2000 年 9 月以黄庆享教授所著 浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究 为标志,建立了以顶板结构及其稳定性为核心的浅埋煤层顶板控制理论框架。该书包括了近十年来的现场实测资料和大量的物理相似模拟实验及数值分析计算,分析了浅埋煤层矿压特征,对浅埋煤层定义作了阐述,系统地介绍了浅埋煤层顶板破断机理和规律,确定了岩块结构定量分析参数,提出了初次来压和周期来压的顶板结构理论,建立了浅埋煤层顶板控制和定量分析的基本框架,形成了一套比较完善的浅埋煤层顶板控制分析理论和顶板支护对策计算方法。二是基于浅埋长壁工作面矿压显现规律的顶板破断运动机理及控制的定量化研究和工程实践。2000年以来,西安科技大学黄庆享教授在浅埋煤层工作面实测和模拟的基础上,提出了初次来压基本顶关键层的非对称三铰拱结构,认为基本顶初次来压时关键层破断一般表现为非对称破断,推进侧岩块长,开切侧岩块短,两岩块的长度比约为1.5,并提出了周期来压的“短砌体梁”和“台阶岩梁”结构,提出这两种结构的水平力都随块度的增大而下降,顶板结构都易出现滑落失稳,这是浅埋煤层工作面周期来压强烈和出现台阶下沉的根本原因之一。并以浅埋煤层顶板结构及其稳定性控制为核心,确定了岩块结构定量分析参数,提出了初次来压和周期来压顶板结构理论,考虑载荷传递效应,建立了浅埋煤层顶板控制的基本框架,为浅埋煤层的顶板支护奠定了基础。此外,中国矿业大学马立强博士从保水开采的角度出发,采用弹性板理论(变分法)建立了浅埋煤层坚硬岩层与上覆软弱岩层之间的变形协调关系,分析了各岩层的应力和弯矩分布情况。1.2.2国外对于浅埋煤层开采的研究大型浅埋煤田在世界上不多,国外较为典型的是莫斯科近郊煤田和美国阿巴拉契亚煤田,印度和澳大利亚也在进行浅埋煤层开采(埋深在 100m 以内)。国外在浅埋深煤层开采矿压显现规律的观测方面做了大量工作,但对顶板控制理论的研究还主要集中在简单的支架受载力学模型分析和经验公式的应用方面。前苏联学者M.秦巴列维奇根据对莫斯科近郊浅埋煤层开采实践的观测,提出了台阶下沉学说,认为当煤层埋藏较浅时随工作面推进,顶板将呈斜方六面体沿着向煤壁的斜面而垮落直至地表,支架上的力应考虑整个上覆岩层的作用。此外,前苏联 B.B.布德雷克1981年对莫斯科近郊煤田矿山压力研究后指出:在埋深100m且存在厚黏土层条件下,放顶时支架出现动载现象,说明浅埋煤层顶板来压迅猛,与普通采场顶板逐次垮落失稳形成的缓和来压有明显的区别。80年代初,澳大利亚B.霍勃尔依特博士等对新南威尔士安古斯珀莱斯煤矿浅埋长壁开采的一些矿压现象进行实测,发现:初次垮落步距 10m,随工作面的推进,沿工作面和采空区边缘的顶板岩层几乎是垂直断裂,岩层断裂角为 7690,地表最大下沉量为采高的60%,最大下沉量的85%发生于距工作面40m的范围内。说明采区迅速压实,煤壁附近顶板岩层迅速发生整体移动。支架后柱载荷一般大于前柱,在非生产期间前后柱载荷趋于相等。根据印度综采长壁浅埋煤层开采实践,如印度江基拉矿R-VII煤层综采工作面平均开采深度为7.4m,最小开采深度为36m,覆盖层厚度平均为35.87m,基岩厚度平均为10.57m,冲积层厚度平均为16.93m。江基拉矿浅埋综采工作面上覆岩层断裂垮落过程和一般深部开采条件不太一样,浅埋开采工作面上覆岩层垮落带与裂隙带交叉,裂隙带本身比较厚,但裂隙发育,形成周期性断裂,步距较短,具有裂隙较密集的特点。HalliburtonAbass,HH利用模拟试验研究了浅埋煤层水压裂现象,并利用非线性压力模数对裂缝宽度变形进行计算,其计算结果成功的应用于指导现场实践。英、美利用房柱式开采控制浅部开采地表塌陷,并进行了地表岩层移动和采前地层地震波探测与工程地质评价等研究工作。以往国内外浅埋煤层开采的研究重点在于基岩结构、顶板破坏、载荷传递等,很少涉及顶板破坏后工作面或巷道涌水溃沙的问题。但是上述浅埋煤层开采灾害事故的发生说明在这种特殊的水文地质条件下,覆岩运动与上覆水沙体形成动态联系,给开采带来很大的潜在影响,有时会发生威胁安全生产的涌水溃沙灾害。在国外虽有浅埋煤层的存在,但是覆岩中的积沙厚度仅为 36m 左右,煤层厚度约 3m 左右,且沙层底部的潜水也少得多,其灾害程度不大,国外并没有进行大量的研究,所以其开采经验和研究成果不足我们所借鉴。1.2.3国内外对于涌水溃沙问题的研究国内外对于涌水溃沙的研究主要是从地质条件及顶板管理角度出发对溃沙过程作了大量的研究,如范立民、魏秉亮等认为解决这一地质灾害目前最为有效的措施是采前疏排基岩顶部含水层中的潜水,使沙失去水载体而无法进入矿井2;王经明对毛乌素沙漠东缘沙土下采煤的环境地质效应进行分析,认为采矿造成的地下水位下降是使该地区沙漠化的根本原因,指出了改革采煤方案,改变水文地质边界条件,控制降落漏斗扩展,排灌结合的环保采煤方案3;段中会总结了防治水害的一般技术原则4;杨鹏找出了涌水溃沙灾害产生的机理,并对灾害做出了综合评价5。他们提出了相关的想法,做了初步的工作,甚至应用于实践。但是涌水溃沙的发生过程是一个十分复杂的过程,涉及到涌水溃沙发生临界条件、含水层高度对溃沙发生以及溃沙量的影响、溃沙通道的演变过程、裂缝对涌水溃沙形态的影响等,其中的不确定因素比较多,这些研究还不够全面和深入,并且过去的实践过程中也出现了由于考虑不够全面而未能避免事故发生的例子。1.2.4存在问题国内外对于涌水溃沙的研究主要是从地质条件及顶板管理角度出发对溃沙过程作了大量的研究,如范立民、魏秉亮等认为解决这一地质灾害目前最为有效的措施是采前疏排基岩顶部含水层中的潜水,使沙失去水载体而无法进入矿井;王经明对毛乌素沙漠东缘沙土下采煤的环境地质效应进行分析,认为采矿造成的地下水位下降是使该地区沙漠化的根本原因,指出了改革采煤方案,改变水文地质边界条件,控制降落漏斗扩展,排灌结合的环保采煤方案;段中会总结了防治水害的一般技术原则;杨鹏找出了涌水溃沙灾害产生的机理,并对灾害做出了综合评价。他们提出了相关的想法,做了初步的工作,甚至应用于实践。但是涌水溃沙的发生过程是一个十分复杂的过程,涉及到涌水溃沙发生临界条件、含水层高度对溃沙发生以及溃沙量的影响、溃沙通道的演变过程、裂缝对涌水溃沙形态的影响等,其中的不确定因素比较多,这些研究还不够全面和深入,并且过去的实践过程中也出现了由于考虑不够全面而未能避免事故发生的例子。1.3论文主要研究内容根据解决涌水溃沙灾害问题的需要,本文主要研究内容是: 对浅埋煤层开采的矿压特征进行了解说明; 对溃沙发生条件进行分析,确定溃沙发生的主导动力因素; 根据泥沙运动力学中的泥沙起动原理,推导含水层高度与溃沙量之间的函数关系; 分析研究裂缝宽度对溃沙发生及溃沙量的影响以及关键块破断后回转和滑落两个过程中涌水溃沙的机理; 根据涌水溃沙发生机理初步提出溃沙发生的控制措施及减少溃沙量的措施。2 浅埋煤层开采特征与涌水溃沙2. 1浅埋煤层开采一般特征厚松散层下浅埋煤层为典型的浅埋煤层,简称浅埋煤层。从岩层控制意义上给浅埋煤层下定义,可以简单概括为:埋藏浅、基载比小、老顶为单一关键层结构的煤层。浅埋煤层长壁工作面的主要矿压特征是老顶破断运动直接波及地表,顶板不易形成自身稳定的砌体梁结构,支架必须提供必要的支护阻力维持顶板结构的稳定性。浅埋煤层的识别可以参照以下基本指标:埋深不超过150m,基载比JZ小于1.0。顶板体现单一主关键层结构特征,来压具有明显动载现象。根据实测,浅埋煤层可分为 2 种类型: 基岩比较薄、松散载荷层厚度比较大的浅埋煤层,其顶板破断为整体切落形式,易于出现顶板台阶下沉,此类厚松散层浅埋煤层称为典型的浅埋煤层。可以概括为:埋藏浅,基载比小,老顶为单一关键层结构的煤层6。 基岩厚度比较大、松散载荷层厚度比较小的浅埋煤层,其矿压显现规律介于普通工作面与浅埋煤层工作面之间,表现为两组关键层,存在轻微的台阶下沉现象,可称为近浅埋煤层6。2.1.1浅埋采场的地质特征 矿区地质条件特征上覆基岩厚度较薄,正常基岩厚度一般在 1220m,部分地带由于古冲蚀,没有正常基岩,最薄的仅有 1.4m。煤层顶板处于“风氧化带”中,一般情况下煤系顶部有1020m的弱风化岩段,510m的强风化带,表面上属中硬,但由于上覆潜水的长期渗透、软化,强度大大地降低。上覆松散层厚度较大,为多年风积而成,分布广泛,以中细沙为主,是地表沙漠的组成物质,一般厚 3060m。地层结构复杂,属于河流相沉积,在几十米内岩相变化很大,加之后期构造运动的改造,结构面相当发育。由于古冲沟和现代冲沟的存在,松散层结构复杂,呈透镜状分布,从而使部分地带的水文地质条件变得复杂。其中神东煤田的伊泰矿区对井下开采有影响的冲沟坡体下浅埋煤层的赋存条件有如下特征: 煤层厚度26m左右,平均4m,倾角13,赋存条件简单; 基岩厚度较小,一般在50m以下; 基岩中只赋存一层对覆岩运动起控制作用的厚硬岩层,且位于断裂带下部或垮落带内; 冲沟切割深度较大; 埋深一般在100m以内。2.1.2矿区岩体结构分类矿区岩体结构可分为四大类型,分别为7: 散体结构岩土类指沙土质岩类,原生和次生结构面均呈无序状,沙土体呈松散或半固结状,岩土体无强度或强度极弱,是工程地质特征最差的岩体结构,近似松散介质,容易发生较多的工程地质问题。 碎裂结构岩类由烧变岩和风化岩组成。此类岩体结构面间距一般小于0.5m,且互相切割。结构体为大小不等、形态各异的岩块,且呈不规则状,或岩块的孔隙度增大并隐藏微小风化裂隙网络。据大保当精查勘探试验数据:风化岩层抗压强度为18.5MPa,烧变岩组为24.6MPa,反映出组成岩体的岩块内部物质结构和机械力学性质不同。作为开采煤层覆岩的一部分,易造成顶板压力增大和基本顶初次来压及周期来压的步距缩短,特别是在松散含水层下近风化带采煤时,井巷围岩容易失稳破坏,工作面采空区顶板易大面积切顶垮落,较难形成冒落岩体充填采空区的情况。 层状结构岩类具粉砂岩、砂质泥岩岩组的典型结构,为薄中厚层结构,夹一些软弱夹层,如泥岩、煤、灰质泥岩等,局部夹有中厚层砂岩。此种岩体的结构特点是岩体分层多,受沉积因素影响,剖面上的厚度和平面上的分布变化也大。受各种结构面相互影响,结构体形态以长方体、板状体为主,抗压强度平均94.16MPa,饱水后40.44MPa,为相对隔水层,但失去原岩应力平衡状态后,以离层或沿滑动面滑脱失稳为主要表现形式。 块状结构岩类主要指砂岩岩组的岩体结构,包括厚度较大、层理不甚发育的粉砂岩。岩体分层厚度一般大于0.15m,大部分为中厚厚层状。结构面较层状结构岩体少,其中层面为槽状,层理特征为不连续的交错层理或波状层理、平行层理。岩石较层状结构岩体受地下水的影响小,为孔隙裂隙含水层,稳定性较好,是各种结构中岩体完整性和稳定性最好的。 矿区水文地质特征矿区与涌水溃沙相联系的含水层自上而下依次为:全新统冲积层潜水,含水层以中细沙及砾石层为主,水位埋深 14m, q = 0.0370.361L/s.m,富水性不均一;上更新统冲积、湖积层潜水,分布于风沙滩地和河沟低洼处,呈盆状或条带状展布,厚 58m,岩性为细-中沙,富水性不均一,在支沟槽区往往形成富水地段,q = 0.12.11L/s.m;下更新统砂砾层潜水,上部为黄土,下部与基岩直接接触,q=0.007792.05L/s.m,富水差异性较大。2.1.3浅埋煤层开采矿压显现规律实践表明,煤层埋藏浅并不一定表示矿压小,长壁工作面普遍出现有台阶下沉现象,矿压显现剧烈,浅埋煤层工作面顶板破断运动具有特殊性。如何从岩层控制意义上判断浅埋煤层,是岩层控制必须解决的问题。根据前人学者对神东大柳塔等煤矿的观测认识,得出了浅埋煤层顶板矿压显现规律如下: 顶板基岩沿全厚切落,基岩破断角较大,破断直接波及地表。来压期间有明显的顶板台阶下沉和动载现象。工作面覆岩不存在“三带”,基本上为冒落带和裂隙带“两带”8。 工作面来压分布为中部大两端小,符合板破断特征。 合理提高支架阻力可以有效控制顶板台阶下沉。 基岩与载荷层厚度之比JZ (简称基载比),对来压显现有重要影响。当JZ0.8 时,工作面都出现顶板沿煤壁台阶下沉,而当 JZ0.8 时,则没有出现顶板台阶下沉。 加快推进速度,来压步距增大,减小了老顶台阶岩梁的块度,减缓了顶板载荷传递,从而提高了结构的稳定性和自承能力,有利于实现矿井高产高效。下表是根据大柳塔煤矿工作面观测得到的具体数据。表1 大柳塔工作面地层组成与矿压显现一览表工作面顶板组成/m来压步距/m支架阻力/KN架-1台阶下沉/mm基岩层载荷层JZ初次周期DZ初撑力工作阻 力初次周期C20217.348.30.3624.07.563.21801408/458120318.032.00.5627.012.01.26201228001000架后120923.231.50.73/20122800/10002060145.042.51.0635.411.11.1647285283很小很小2060442.661.40.6954.214.61.5836665063200100注: 基载比JZ =基岩厚度/载荷层厚度,DZ 为动载系数,1203工作面周期来压JZ =11.52.1.4 浅埋煤层开采顶板破断规律与结构特征浅埋采场顶板结构特征:基岩上覆盖层下部的基岩风化层及上部的粘土层、沙砾层在一定采高范围内可能形成上部大结构,对基岩小结构的载荷层形成影响。在浅埋条件下,上部临时性大结构与下部基岩小结构的不同周期性,可能会引起工作面来压的不等距和来压强度的不等性,也可能会引起周期来压大于初次来压的现象。浅埋煤层顶板破断规律:主要特征是顶板切落式破断和台阶下沉,顶板垮落一般形成冒落带和裂隙带。 顶板基岩沿全厚切落,基岩破断角较大,破断直接波及地表。工作面覆岩不存在“三带”,基本上为冒落带和裂隙带“两带”。顶板破断裂隙通常在煤壁前方老顶的上部产生,随工作面推进逐渐向下扩展,在工作面煤壁形成贯通裂缝。贯通裂缝一般为上开下闭型是工作面的涌水通道,但是只有裂缝张开才会形成涌水溃沙通道。 过程迅速,冒落无明显碎胀现象。当覆岩大面积临空,回采面中部应力集中,矿压最大,顶板首次先沿煤壁剪切断裂,继而弯曲,产生层间离析和断层,连续下落或整体下塌。 工作面初次全厚切落步距与上覆基岩厚度、松散层厚度、含水层高度成正比,与煤层顶板岩石力学强度成正比。2.1.5 浅埋煤层开采顶板破断形式在采矿过程中,直接顶受到开挖卸荷的直接影响,卸荷变形是引起直接顶起始离层的主要因素。分步开挖卸荷引起的损伤和起始离层是直接顶初次垮落步距小的原因之一。直接顶的破坏形式是拉破坏。老顶的破坏主要受随分步开挖而增大的拉应力及其损伤积累的影响,老顶初次破断机理是拉断破坏失稳。通过以上对矿区水文地质特征、工程特征和顶板的破断、来压规律等的总结可以发现:正是由于这种特殊的水文地质条件为涌水溃沙的发生提供了物质基础和动力基础,特殊的工程地质特征促使着顶板破断、来压出现特殊的规律,切落式破断和台阶下沉以及破断后的顶板回转,为涌水溃沙的发生提供了通道。2.2 涌水溃沙机理及其分析简化2.2.1 浅埋煤层开采实践及涌水溃沙灾害问题的实例哈拉沟煤矿 22402 工作面22402综采工作面为四盘区首采面,工作面长度为300m,推进长度2144.5m,煤厚平均5.54m,设计采高5.2m,工作面预计正常涌水量为90m3/h,最大涌水量为267m3/h。工作面地表起伏较大,大部分被风积沙所覆盖。上覆基岩厚29.570m,松散层厚2060m。工作面距切眼100m范围内地面标高为11821208m,松散层厚1540m,含水层厚2530m,上覆基岩厚度29.564.7m,工作面切眼处基岩厚度最小。工作面于2010年7月6日安装,7月18日试生产,7月20日早班进行初次放顶,放顶效果良好,工作面未出现异常情况。截止7月28日八点班,22402工作面共推进38m(包括切眼8.5m),采高4.24.5m左右,工作面未出现顶板压力增大及涌水量异常等现象。2010年7月28日下午16点左右, 22402工作面在92架左右顶板出现溃沙现象;19点左右,工作面150160架间顶板溃沙、淋水量增加,溃沙范围很快扩大至工作面机尾段;21点左右,溃沙高度已达到了工作面运输机电缆槽高度,造成支架及溜槽无法进行正常移动,工作面机尾段无法正常推进。至7月29日八点班,工作面溃沙段的清理工作基本结束,工作面支架及溜槽动作正常,工作面13:30开机进行生产。截止八点班结束,开机后共割煤3刀,且机尾100m左右加割一刀,工作面未出现溃沙现象。井下溃沙地点对应地表位置在距工作面回顺约50m处,形成了一个直径约47m、深度约12m的圆形漏斗状塌陷区。7月30日21点左右,由于工作面机头段顶板来压,在工作面2047架处出现了再次溃沙现象,在及时对工作面溃水溃沙进行处理的同时,继续组织生产。7月31日8点左右,工作面溃沙现象基本停止。截止7月31日晚上8点,工作面又割煤3刀, 未再次出现溃沙现象,生产基本正常。工作面对应地表在距工作面运顺侧约50m处,形成了一处直径约23m、深约9m的圆形漏斗状塌陷区。两次溃沙均为采空区溃沙外溢至工作面。 大柳塔煤矿 1203 工作面大柳塔煤矿 1203 工作面采高 4m,煤层平均厚度为 6.3m,埋深 5060m,是典型的浅埋煤层,其中切眼地带基岩厚度为 20.5m,含水层为砂砾石含水层,其厚度为5.459.51m ,平均为 6.78m,富水性中等。1993 年 3 月 24 日,1203 工作面推进 26.5m处,顶板压力急剧增大,顶板出现 3 处淋水,老顶初次来压,工作面顶板中部约 90m 的范围沿煤壁全厚度切断,出现整体台阶下沉,其来压非常强烈,造成工作面支架被压死。同时,大水顺煤帮及采空区飞泻而下,工作面被淹,并有大量松散沙溃入采空区及工作面机尾,当时涌水量达 40.8m3/h,次日地面南端出现倒锥形漏斗,深 2.4m,地表台阶沉陷,呈椭球状;当工作面推进距切眼 36.45m 时,在北端又出现深 6.49m,直径为 15m 的沙漏斗,此时工作面正是第一次周期来压,工作面涌水量由 76m3/h 增加到 183m3/h,沉陷区急剧向顺槽位置扩张长达 125 米;推进至 70 米,第四次周期来压时,沉陷区扩展长达 142m,抵达南北顺槽位置以后趋于稳定。在地表沉陷区内出现大小倒锥形漏斗 4 个,最大下沉量为 25.91m,其它地方没有发现沙漏斗。2.2.2 涌水溃沙过程简单描述对矿区地质状况及浅埋煤层顶板破断规律的分析可以看出涌水溃沙发生的条件及其基本过程。由于开采顶板基岩的破断,在煤壁前方老顶的上部产生裂隙,随工作面推进裂缝贯通,必然波及上覆松散层及潜水含水层,随着工作面的推进贯通裂缝在台阶下沉以及冒落影响下形成 “天窗”为涌水溃沙提供了通道和场所。同时矿区松散层广布与富水是产生涌水溃沙的先决条件,矿井涌水水源主要来自松散含水层,由于裂缝的出现,潜水隔水层破裂,在中等至强富水区,水势能较高的潜水顺裂缝而下,一旦转化为直接充水,为涌水溃沙灾害的产生提供动力,造成工作面(或巷道)涌水或水沙俱下淹没工作面及巷道。煤层厚度比较大,使涌下的水沙有了足够空间容纳,并顺巷道流淌,当潜水位降低到一定程度,由于水压力变小,水的流速减慢,没有使泥沙产生运动的足够动力,这样涌水溃沙过程结束。涌水溃沙灾害素描分析如图2-1所示9。图2-1 涌水溃沙灾害素描分析图2.2.3 涌水溃沙形成条件及发生的机理在神东矿区这种特殊地质及特殊破断规律条件将必然为其上覆潜水携沙体进入工作面提供通道和场所。但在不同的赋存和开采条件下,这种特殊顶板破断运动也会有所差别,提供通道的程度也有所不同,即使在相同破断运动条件下,由于静水压力的不同,产生的灾害程度也会大不相同。研究表明,决定这种静水压力的大小主要是含水层的富水性,邻区地下水侧向补给量及大气降水的补给量。含水层含沙量的大小主要取决于含水层结构及空间配置,即水沙组合情况,它与涌水溃沙关系可以分为以下 3 种情况: 顶面为砂砾石层含水层,上部为黄土层和松散沙层。这种情况,工作面涌水溃沙的沙源则是砾石层中所夹的中细沙,在防沙范围内,顶板初次全厚切落贯通时,其中所含的沙直接进入工作面或采空区,随着涌水时间增长,砾石层则变为滤沙层,有阻止进一步溃入的作用,另外由于水势能的减小,涌水溃沙失去动力,哈拉沟煤矿22402工作面和大柳塔煤矿1203工作面皆为此种情况。 基岩顶面为黄土层,上部为松散沙层含水层时,这种结构由于黄土层(厚度大于 5m)有较好的隔水性能,有一定的抗剪强度,结构致密,水沙进入工作面的通道受阻不易形成涌水溃沙事故,但不可避免有这种情形存在,即煤层上覆基岩过于薄,加之黄土层厚度不大(小于 5m),煤层采高大,采掘冒落后,产生干扰的黄土“天窗”,此时,沙在水动力的作用下,通过天窗进入工作面,造成灾害性涌水溃沙事故。 基岩顶直接为沙层含水层,在这种条件下开采浅埋煤层,极易造成水沙俱下的严重灾害,特别是当煤层顶板被冲蚀严重时,会引起工作面的报废。矿区松散层广布与富水及煤层埋深浅是产生涌水溃沙的先决条件。矿井涌水水源主要来自松散含水层,其富水性差异较大,所以,中等强富水区,潜水一旦转化为直接充水水源,将造成工作面涌水或水沙俱下淹埋工作面及巷道,是威胁矿井安全的最大的隐患。另外岩石强度及岩体本构关系决定着工作面顶板及巷道围岩稳定性,岩石水蚀风化使岩体性质恶劣化,易于发生全厚切落破坏,这也是发生涌水溃沙灾害的内因所在。2.2.4 涌水溃沙灾害特点大量事实表明,在神东矿区涌水不会对矿井生产带来灾害性后果,通过加大排水量可以解决,而涌水溃沙才是矿井安全的最大危害。涌水溃沙灾害的发生主要取决于以下四个环节: 富含潜水的松散沙层或富含潜水层下存在松散沙层; 出现涌水溃沙通道基岩全厚切落或切落后回转; 存在容纳水沙充填的空间厚煤层工作面采空区或巷道; 含水层高度较大致使水流动时具有较强的携沙能力。只有完全具备以上四个环节,涌水溃沙灾害才会发生。2.2.5 上覆沙体结构与涌水溃沙关系在采场煤层开采后,顶板破断,破断岩块间出现贯通裂缝,直接波及上覆沙体。在没有涌水发生时,根据普氏拱效应理论,沙体必然会流落一部分,剩余的沙体颗粒相互挤压,形成稳定结构10,如图 2-2。由于这一稳定结构是由散体颗粒在重力作用下形成的,不同于由本身内部应力作用形成的结构,称之为伪结构。随着裂缝的出现,涌水发生,这时的水流有两个方向运动,一个是自重作用下竖直方向的流动,一个是由于拱结构中腔水压低出现的由中腔外向中腔内的水平流动,这一方向的水流对于涌水溃沙发生起关键作用,如图 2-2。图2-2 沙体存在的伪结构及水流在水平方向水流作用下,泥沙颗粒除了本身的重力、上下层沙颗粒的压力与支持力,主要还受到水的浮力、拖曳力、渗透压力及颗粒运动过程中颗粒间的摩擦阻力等力的作用,这些力的共同作用下使得涌水溃沙面的泥沙表现为稳固失稳运移沉积的动态过程。在顶板裂缝出现后,会有部分的沙体由于原有应力的改变而垮落,由于沙体是典型的散粒体介质,具有流变性,这样就容易与涌水溃沙的发生相混淆,但是分析得出沙体垮落量与涌水溃沙量相比是非常小的量。所以沙体的自流行为不同于涌水溃沙行为。3涌水溃沙发生的判定条件及影响因素3. 1涌水溃沙过程泥沙起动条件分析3.1.1 涌水时涌水溃沙面泥沙的受力分析在沙体垮落后形成中腔内,有两部分的水源,其一是上覆水向下流淌,其二则是中腔两侧原本不动的水开始由高水压区向中腔低水压区流淌。水流动瞬间上覆水的流淌是对所接触的伪结构顶端进行卸压作用,由于结构在竖直方向是通过作用与反作用力保持平衡的,作用力 A 与反作用力 B在结构没有破坏前是一对平衡力,原来的平衡条件没有打破所以不会破坏结构。但是水平流动的水使原本保持静力平衡存在的伪结构失去了平衡,伪结构受力如图 3-1。图3-1 伪结构受力示意图根据对伪结构的受力分析以及水流对结构的破坏作用分析可以对伪结构进一步简化。由于结构具有对称性,取一侧分析,并将上覆沙体的作用转化为上覆沙体的重力和上覆沙层的摩擦力,分析颗粒受力时就可以将伪结构简化为不考虑上覆沙体结构,如图3-2 所示。选取最容易发生运动的中间颗粒进行受力分析:图3-2 颗粒受力分析图 颗粒的浮重w、上覆沙体的重力W 及下层颗粒的支撑力 N颗粒的自重:式中,s 为颗粒的比重; 为水的比重;D 为颗粒的粒径。自重是与颗粒的物理性状相关的量。沙体的重力:式中,hs 是沙体高度;s 是上覆沙的容重;h 是含水层高度。下层颗粒的支撑力: 拖曳力、上举力与渗透压力当水流流入沙体垮落形成的中腔时,由于泥沙颗粒表面的粗糙,水流和土颗粒表面接触时将产生摩擦力F1 ,当涌水溃沙面沙颗粒雷诺数稍大时,颗粒顶部流线将发生分离,并在土颗粒背水面产生涡辊,从而在土颗粒前后产生压力差,形成形状阻力F2 。F1 和F2的合力为拖曳力FD11,是涌水溃沙的主要动力。式中,V0 为涌水流速,与地下覆水量及涌水裂隙有关;CD 为阻力系数,与颗粒周围的绕流流态有关; 为水的容重。涌水过程中,在结构的中腔内颗粒顶部的水流压力要小于颗粒底部的水流压力,致使颗粒顶部的压力差要大于颗粒底部的压力差,颗粒顶部流速就会显著大于底部流速,根据伯努里定律,顶部流速高压力小,底部流速低,压力大。这种压差产生了上举力Fl。式中, v0 为涌水流速;Cl 为举力系数,与颗粒周围的绕流流态有关; 为水的容重。一般Cl 趋近于 0.2,Dl /CD趋近于一个常数 0.25。当上部水体对下部水体进行补给时,就会发生渗流,垂直方向的渗流流速us 为:式中, K 为颗粒组成物的渗透系数;Js 为水平方向的水力梯度。这样,单位泥沙体积上将承受渗透压力为: 颗粒间离散力、粘结力由于外层颗粒的脱落及运动,颗粒间的绕流流态将使颗粒之间相互影响,产生外层颗粒对内层未运动颗粒的力的作用,是与水流方向垂直的粒间离散力 P,颗粒靠的越近,离散力越大,遵循以下关系:式中,s 为颗粒间距离与水流的拖曳力、侧举力及渗流压力相抗衡的是泥沙颗粒间粘结力、摩擦阻力,其中粘结力为: 是系数,与颗粒表面性质、液体性质及颗粒间接触紧密度有关。由于沙体颗粒粒径小,离散力与粘结力在涌水溃沙运动中是两个相对微小的力,且二者作用方向相反,在下面的讨论中忽略,所以在主要受力图中没有标出。 颗粒间摩擦阻力在上层沙体的应力作用下,颗粒之间将会产生摩擦阻力,是阻止泥沙颗粒运动的关键力,可表示为:由于颗粒粒径相当的小,颗粒上下产生的水压差与上覆沙体压力相比是微小量,所以在计算摩擦力时用 进行,所以:式中,s 为颗粒的容重; 为水的单位容重;hs 为所研究颗粒到地表的距离;f 为沙颗粒的摩擦系数。3.1.2 涌水溃沙发生的条件将各接触介质用其作用力代替,单独颗粒的受力平衡情况如图 3-2,根据泥沙运动理论旋转运动是颗粒开始运动的主要形式,所以对图中 O 点进行力矩平衡分析得出颗粒起动的条件公式如下:将以上各式整理得到泥沙颗粒起动的条件如下:这也是涌水溃沙发生的条件公式。3.1.3 泥沙起动公式中系数的确定密尼奥通过实验,得出沙的水下休止角变化于 31o40o,考虑到安全系数,取=31o,则f = tan=tan31o=0.58。取DC =0.8,将相关数据代入上式得到但是流速在涌水过程中是一个无法测量的量,不能直接用来预测涌水溃沙的发生,水平的水流是由静止到运动,水流的起动是在静水压力作用下产生的,所以最大水平水流速度可以根据动量原理用下式得到:式中,h 是含水层高度。将上面两式联合得到涌水溃沙发生的判定条件公式:3.3 涌水溃沙发生的影响因素涌水溃沙发生的影响因素很多,如富水量、裂缝特征、煤层厚度、工作面推进速度、基岩破断特性等,主要可控因素是富水量和裂缝特征,含水层高度已经作为控制因素进行了研究,现在继续研究裂缝特征对涌水溃沙的影响。流体在岩体裂缝中的运动是一个相当复杂的过程,裂缝是涌水溃沙流体的主要通道,它对涌水溃沙强度有控制作用,开始溃落的水沙流体的运动要受到裂缝的影响,其中主要的因素有:裂缝面的粗糙程度、裂缝的张开度、裂缝的充填度、裂缝面的接触面积以及裂缝所处的应力环境等,最主要的两个因素是裂缝的张开度和粗糙程度。3.3.1 裂缝的形成在浅埋煤层中,由于地表厚松散层煤层两层老顶形成的组合关键层承受其上松软岩层和松散层的载荷,当达到极限跨距破断后,形成的破断岩块因其岩块厚度很大,形似岩柱,破断岩块之间的贯通裂隙形成溃沙通道。因此其溃沙机理有两种:一种是老顶岩块在回转过程中形成溃沙通道;另一种是老顶岩块回转触矸后由于支架阻力不够,岩柱滑落失稳而溃沙。形成的贯通裂缝一般为上开下闭型时是工作面的涌水通道,但是只有裂缝张开才会形成涌水溃沙通道。由于浅埋采场基岩薄、采高大、上覆松散体,顶板基岩的继续破断会使老顶岩块在工作面煤壁处全厚切落,且出现回转的现象,使原本闭合的裂缝张开,涌水溃沙通道形成,如图 3-3。图3-3 关键块逆向回转与溃沙裂缝通道形成3.3.2 破断岩块逆向回转过程中的溃沙组合关键层两破断岩块中部挤压端角的最大允许下沉量和关键层与直接顶冒落矸石间的空隙分别为12:式中max ,w ,l, M,h,kp 分别代表端角的最大允许下沉量、关键层与直接顶冒落矸石间的空隙、岩块(柱)的长度、岩柱回转角、采高、直接顶总厚度、直接顶碎胀系数。于是当max w 时断裂岩块间不会发生回转变形失稳,此时溃沙通道由两岩块的接触面形成,而接触面的高度影响溃沙发生的可能性,岩块不发生回转失稳的安全采高可由下式计算:式中ks 为安全系数,取ks = 1. 5 ; h 为关键层厚度。式中, a为端角接触面高度, l为岩块的长度.将大柳塔煤矿1203 工作面相关值代入上式,即求得其安全开采高度。因为直接顶厚4. 6 m,还有2. 0 m顶煤,所以= 6. 6 m,组合关键层厚度h = 13. 4 m,岩块块度i = 0. 9,取kp = 1. 25 ,于是M 4. 7 m,这里仅以4. 0 m 采高为例,因为6. 6 m 的直接顶冒落矸石部分充填采空区,岩块的回转受到了阻止,达不到岩块回转变形失稳所需要的最大允许回转角。由上式可得a = 6. 1 m,而端角接触面有滤沙作用,因此,只是端角接触面的高度影响溃沙发生的可能性。而根据滤沙的相似模拟实验得不发生溃沙的接触面高度不得小于5. 0 m,理论计算的接触面高度为6. 1 m,水夹带的泥沙能充分充填这种裂隙,从而能有效的阻挡流沙层的沙溃入工作面,因此老顶岩块回转过程中不会发生溃沙灾害。3.3.3 破断岩块滑落过程中的溃沙 初始回转时滑落失稳上覆岩层由于拉应力所产生的裂隙为张开裂隙,这种裂隙是逐步由上向下发展的,初始回转时裂隙宽度还较小,这时如工作面推至裂隙之下,岩块因液压支架初撑力小而发生滑落失稳时,则下位岩层是因为剪应力过大而发生的剪切破坏。剪切破坏所形成的裂隙处于闭合状态,当这种闭合裂隙贯通的岩块厚度较大时,水中的泥沙能堵塞这种溃沙通道,因此在初始回转发生切落台阶不大的滑落失稳时,工作面不会有溃沙灾害发生,但当切落台阶落差大时,使岩块接触面高度小于5 m时,工作面就会发生溃沙危害。 岩块回转触矸后滑落失稳由于直接顶冒落矸石的阻止,岩块回转不能达到最大的回转角max,岩块没有发生回转变形失稳的条件,也就是说岩块只有发生滑落失稳的可能。当岩块回转中部受冒落矸石阻止时,滑落失稳实际上是岩块的反向回转。反向回转会使岩块靠工作面侧的裂隙挤压闭合,但滑落又使组合关键层岩块闭合接触面高度减小,当岩块下滑的距离不大时仍能保证接触面高度不小于5. 0 m,而当岩块接触面高度小于5. 0 m也会有发生溃沙的危险。 支架阻力与溃沙灾害由于浅埋煤层顶板来压时是整体切落,因此支架的初撑力直接影响其顶板下沉量的大小。厚松散层浅埋煤层组合关键层断裂岩块破断角比一般埋藏条件下的大,根椐相似材料实验和现场实测表明:神东矿区浅埋煤层组合关键破断角约80,断裂岩块似菱形,在切落下降时菱形岩块与母体间的裂隙宽度要增大,其裂隙宽度与切落下沉量的关系为:式中,B 为裂隙宽度;为切落台阶下沉量;为组合关键层破断角.当支架初撑力足以控制组合关键层,使其不发生滑落失稳即台阶切落时,就不会出现溃沙的裂隙通道;当支架的初撑力不足以控制组合关键层,使其发生滑落失稳即台阶切落,就会出现溃沙的通道即裂隙,裂隙通道的宽度取决于台阶切落的大小。对于地表厚松散层浅埋煤层,工作面所选的支架阻力应确保组合关键层不出现滑落失稳即台阶切落,从而达到防止溃沙的目的。3.3.4 通道裂缝宽度与溃沙量的关系通过研究可以得出溃沙量随裂缝宽度增加的量并不是很大,与含水层高度变化相比要小的多,两个变量前面的系数有将近 5 倍的关系,溃沙量随含水层高度的变化要快。所以裂缝宽度是溃沙量的影响因素,但不是主要影响因素,含水层高度才是主要影响因素。在浅埋煤层开采中裂缝宽度一般不会超过 1m,但是含水层高度却是十几甚至几十米,裂缝宽度与含水层高度相比要小的多,同时裂缝宽度的变化范围不大,含水层高度变化范围却很大,所以裂缝宽度对溃沙量的影响不大,与含水层高度相比是次要因素。4 涌水溃沙控制措施前面分析了涌水溃沙发生的动力条件,分析了溃沙量与含水层高度、裂缝宽度之间的关系,从溃沙量与含水层高度、裂缝宽度关系总的来看,含水层高度是主导因素,裂缝宽度是次要因素。这为我们控制和减少溃沙量提供了理论依据。4.1 通过降低含水层高度控制涌水溃沙4.1.1“排水采煤”措施的提出神府矿区地处陕北毛乌素沙漠南缘,开采煤层为侏罗系延安组煤层。矿区地层平缓,倾角 13,构造简单,煤层稳定,厚 37m,十分适合建设特大型现代化矿井。然而,目前开采的实践中受到冒顶涌水溃沙危害。矿区松散层广布,其富水性差异较大,毫无疑问,中等强富水区,潜水一旦转化为直接充水水源,将造成工作面涌水或水沙俱下淹埋工作面及巷道,是威胁矿井安全的最主要的隐患。国内外在含水层下采煤时,为保障开采安全,主要采取留设防水或防砂煤柱的方法。但不论是防水煤柱,还是防砂煤柱,积压的煤炭储量都是很大的。为了解决涌水溃沙灾害,使煤炭资源得到解放,延长矿井的服务年限,查清采区的充水因素、有效地控制涌水溃沙,已成为当务之急。根据前文对涌水溃沙灾害特征的分析发现其主要控制因素有:松散层存在且含水、基岩及部分上覆散体全厚切落、厚煤层提供填充空间、静水压力,若要解决涌水溃沙灾害,控制其发生还要从这几个方面入手。由于矿区处于毛乌素沙漠边缘,含水层为第四系松散沙、砾石含水层和烧变岩含水层,对于松散沙含水层由于渗透系数较小,直接从沙层中在地表抽取水时水位下降幅度小,影响面积不大,不易达到降水目的;由于薄基岩,且岩石严重分化侵蚀,强度低易于发生全厚度切落,涌水溃沙通道的出现几乎无法避免,尽管可以通过支护措施等延迟全厚度切落,但是还是难于避免涌水溃沙通道的出现;在神东矿区大部分是厚煤层,煤层的开采势必会留下容纳水沙充填的空间;井下巷道堵水相当于在井下设置了一座悬空水库,会因深部采掘一时造成裂隙加大,可能导致“水库”泄露,后果不堪设想。所以只有通过从井下对潜水进行疏排减少水势能的办法才能够彻底且比较经济的解决涌水溃沙灾害。4.1.2 “排水采煤”措施实施的条件及原则首先需要改变松散砂砾含水层的流动状态,是防治涌水的关键,将能够在地表疏干的水利用钻孔抽堵等措施进行处理,不能够在地表疏干的水通过改变充水通道的方式进行处理,从而切断松散层的充水水源,然后才能够进行井下排水的方式,否则由于地下潜水的不断补充,将无法达到降低含水层高度的目的。在汛期由于地表水对地下潜水的不断补充也无法达到降低含水层高度的目的,所以采用“排水采煤”方法解决涌水溃沙灾害要避开汛期。地表排水时要修必要的排水渠道防止地表排出水回灌。水害防治对策应从矿井水文地质条件特点出发,本矿区的一般的技术原则是:(1) 疏水工程重点投放在强富水部位、切眼部位及初次放顶区;(2) 疏降水工程布设尽可能免受工作面回采破坏;(3) 抽水与巷道泄水相结合尽可能利用井巷提前泄水排出矿井;(4) 充分利用地下水资源,排供结合在本区尤为必要;(5) 强化工作面排水措施,布设大口径强排孔与井下排水管道相结合,以提高设防能力;(6) 必须确定安全水位,要布设必要的观测钻孔;(7) 疏降水工程应与地表沟流水治理和矿井探水等工作密切结合起来。4.1.4“排水采煤”措施实施途径由于地下潜水与松散沙层容为一体,难以利用动力抽水,只能够利用水体自身势能从沙体中外流,所以井下排水是解决松散层涌水溃沙发生的行之有效的方法。井下排水有两个途径可以考虑:一个是工作面直接排水,一个是利用采空区进行排水。 工作面直接排水法采煤工作面投产前,其四周已经形成巷道,工作面直接排水就是通过钻孔连接含水层与巷道,使地下水通过钻孔流入井巷内,然后再将巷道水排至地面。该方法不需再安装井内动力设备只需要将含水层与巷道连通靠水的自重就可以达到降水的目的。排水用放水孔有直接从井下钻孔的,也有从地表直接钻孔至井巷的。从井下钻孔由于受井下条件的限制,操作要比从地表钻孔困难,一般采用地表钻孔法。工作面直接排水已经在某些工作面进行过实践,例如,大柳塔矿 1203 工作面及 20601 工作面和哈拉沟煤矿22402工作面。1203 工作面长 1100m,宽 150m,开采 1-2煤,煤厚 3.627.21m,采高 2.83.5m。煤层顶板为中粗粒砂岩,厚20m,上覆为三门组含水砂砾石层及萨拉乌苏组砂层,厚2540m,含水层厚 1520m,采用国产综采机开采。1203 工作面采用井下放水,从巷道顶板先后打孔 3 个,单孔出水量 3m3/h 左右。后又从地面向巷道中打孔 2 个,放水量不足 10m3/h。效果很差,导致首次放顶时涌水溃沙,停产 29 天。下面对大柳塔1203工作面涌水溃沙判定含水层高度进行计算:1203 工作面:松散层高度 hs= 2540m,取s=1.6103kg/m3, =0 .98103kg/m3, =1 103kg/m3, g =9.8,代入溃沙发生条件判定公式得到含水层高度:h =2.20m根据这一高度取孔隙率为 30%,汇水面积按照 20601 工作面 14.25km2计算排水量:20601 工作面是神府矿区第一个综采工作面,位于母河沟泉域,地貌为沙漠滩地,地层自老到新有延安组、直罗组、萨拉乌苏组和全新统风积沙。延安组是本区唯一的含煤地层,最上部的可采煤层为 2-2煤,厚度 4.47m,煤层顶板岩性为砂岩、泥岩互层,厚度38.8451.95m,上覆为富水的萨拉乌苏组沙层,是本区唯一的含水岩层,萨拉乌苏组厚度26.4341.92m,水位埋深 1320m,含水层平均厚度 13m。母河沟泉域是一个完整的第四系地下水流含水盆地,萨拉乌苏组是本泉域唯一的含水岩层,泉域汇水面积 14.25km2。鉴于 1203 工作面溃沙灾害防治失败的教训和取得的经验,20601 工作面采用强排强疏法进行防治。所有工程从地面施工,初步预计初次垮落步距 42228m2,因此主要工程布署在此范围内及其附近。其中在工作面初次放顶区布置 2 个抽水孔,在地下水主要补给方向布置 5 个泄水孔(从地面打孔,与巷道贯通,把水放至巷道中再抽至井外)。在其它方位再布 3 个泄水孔,控制地下水流进入开采区。另外再布置一定数量的观测孔,系统监测地下水位变化,历时 74 天进行全面疏降水,其中纯疏降水 67 天。8 月 1 日根据地下水位降低情况,开始开机采煤,13 日第一
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