葛亭煤矿1.2Mta新井设计【含CAD图纸+文档】
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编号:( )字 号本科生毕业设计(论文)题目: 葛亭煤矿1.2 Mt/a新井设计 浅谈我国煤矿底板突水的机理及防治 姓名: 学号: 班级: 二 xx 年 六 月专题部分浅谈我国煤矿底板突水的机理及防治摘要:随着开采深度、开采强度、开采速度、开采规模的增加和扩大,矿井突水问题日益严重,矿井水害已成为制约我国煤矿安全生产的重大隐患。 本文针对煤炭底板突水的问题,分析了底板突水的影响因素、发生机理、类型。另外参考了国内外一些成功防治煤矿底板突水的工程实例,总结了在承压水上安全采煤的主要技术手段。关键词:底板突水;影响因素;机理;防治;工程实例The Analysis of Gob-side Entry Retaining Technology in Mechanized Mining FaceAbstract: With the increasing and expansion of the mining depth, the intensity of exploitation, the rate of exploitation and the scale of mining, the problem of the floor water inrush has become more and more serious, besides it has also become the major safety risks constraints the development of the coal mine production in china. In this paper, some problem of floor water inrush has been analysised, such as the main factors affecting floor water inrush, The occurrence mechanism and the types of the floor water inrush in coal mining. Whats more, this paper references to a number of project examples which has successfully prevented the floor water inrush from happening, and also Summarized the main technical means of safety mining on the confined water.Keywords: Floor water inrush; Factors; Water inrush mechanism; Prevention; project examples 1 前言煤矿底板突水是指矿井在建设或开采的过程中,不同形式、不同水源、不同水压的水通过某种途径从底板突入矿井,给矿井建设和生产带来不利影响和灾害的过程。它与瓦斯、冲击矿压等灾害并列,是矿井建设与矿井生产过程中的主要安全灾害之一,其巨大的破坏性给国家和人民带来了重大的人身伤害和经济损失。在我国,煤矿底板突水灾害具有以下几个特点:突水水源多样, 但以岩溶突水为主煤矿突水水源包括: 暴雨、地表水、地下水( 孔隙水、裂隙水、岩溶水) 、老空水。在各类水源中, 以地下岩溶水突水发生的次数最多,而且突水压力特别高,突发性特别强,造成的破坏损失最严重。不同区域煤矿突水水源构成特点不同。北方地区,矿井突水水源以地下水为主, 主要是奥陶系和寒武系灰岩岩溶水, 其次为石炭系薄层灰岩( 煤层直接底板) 裂隙岩溶水。例如,华北地区奥陶系中统灰岩和白云质灰岩分布广泛, 厚度达200800 m, 构造裂隙、溶蚀裂隙、溶孔、溶洞和岩溶陷落柱不仅十分发育, 而且彼此相通, 甚至局部还存在小型岩溶管道, 其富水性和透水性特强, 因此造成的突水灾害一般规模大、来势猛, 损失严重。如1935年5月13 日山东省淄博洪山煤矿突水灾害, 1960年6月4日河北省峰峰煤矿突水灾害, 1984年6月2日河北省开滦范各庄煤矿突水灾害,都是奥陶系灰岩岩溶裂隙水突出造成的严重突水灾害。南方和西南地区, 矿井突水水源除地下水外,还有地表水。地下水水源以晚二叠系碳酸盐岩岩溶裂隙水为主, 其次为泥盆系、石炭系、三叠系碳酸盐岩裂隙岩溶水。湖南涟邵煤田恩口、斗笠山、桥头河等煤矿的历次突水灾害, 1967年四川省南桐红岩煤矿突水灾害, 1974年江西省云庄煤矿突水灾害, 1985年9月20日四川省李家沟煤矿突水灾害, 都是晚二叠系茅口灰岩、长兴灰岩岩溶裂隙水突出引起的事故。地表水水源主要是洪水。突水通道形式多样主要有含水导水断裂( 破碎) 带、构造裂隙带、采矿裂隙带、溶蚀裂隙、溶洞、岩溶管道、岩溶陷落柱,其次还有岩溶塌陷、地面裂缝、未封闭钻孔等。据调查统计资料,在北方地区损失百万元以上的大型突水灾害中,约80%是通过断裂带发生的岩溶突水事故。岩溶陷落柱的通道作用仅次于断裂带,其突水规模大、致灾严重。溶洞、暗河管道、岩溶塌陷突水,主要发生在南方和西南地区。突水部位和突水方式多样主要发生在掘进面和回采面,不同部位突水方式和强度不同。一个新开拓巷道掘进面上的突水,以突发式为主,突水来势猛、冲击力强、破坏性大;开拓已久的巷道掘进面上的突水, 大多为滞后式;回采面突水多为缓发式,多发生在老顶初次来压和周期性来压之前,突水强度和危害较小。不同地区矿井突水压力不同北方地区岩溶裂隙水静水压力和动水压力都很高,作用于矿层底板的突水压力一般高达21.031.2MPa。矿井的突水方式多为突发性底板岩溶水突水。南方和西南地区,矿井突水水源规模以及水源静水压力、动水压力都比较小,因此作用于煤层顶底板的突水压力较小,矿井突水方式多为缓发式突水。分布广、发生频次高、破坏损失严重据初步调查统计, 全国统配煤矿的624对矿井中, 有272对矿井受水灾威胁。突水灾害广泛发生在十几个省( 市、自治区) 的70 多个煤矿。主要有河北省的井陉、邢台、邯郸、峰峰、开滦, 河南省的安阳、鹤壁、焦作、平顶山、新密、豫西, 山西省的霍县、轩岗, 陕西省的渭北, 江苏省的徐州、大屯, 安徽省的淮南、淮北, 辽宁省的本溪、南票, 吉林省的通化等煤矿( 田) 。19552000年, 全国煤矿发生较严重的突水灾害约1500次, 造成淹井事故260多次, 至少造成4600多人死亡, 减少出煤约1. 8 亿t。在煤矿生产中, 突水事故发生次数及其造成的人员死亡数量、直接经济损失、减少出煤数量, 分别占各类煤矿事故总数的11% 、18% 、22% 、76%。严重的突水灾害, 除了造成人员伤亡和经济损失之外, 还破坏矿区地下水、地表水系统, 甚至引起地面塌陷, 影响矿区及周围生态环境。近年来,随着开采深度和工作面开采空间尺度的不断变化,我国煤矿底板突水灾害的威胁显得越发频繁。因此,继续探求矿井底板突水的内在机理和寻求新的矿井底板突水防治技术与方法,对于现代矿井的建设与开采和科学、绿色采矿都具有更加重要的意义。2 煤矿底板突水的相关机理煤矿底板突水是指矿井在建设或开采的过程中,不同形式、不同水源的水通过某种途径从底板突入矿井,给矿山建设和生产带来不利影响和灾害的过程,其突水机理是: 一定条件下,在静水压力和矿山压力的影响下底板岩层裂纹发育并延伸,使隔水层岩层聚集大量的能量,当集聚的能量超过隔水层岩层的承受能力,隔水层岩层从某一弱面破断,从而使含水层水在水压的作用下沿破断裂隙涌入矿井的过程。一般突水的大小主要取决于水压;突水的难易程度主要受隔水层的影响;突水的持续时间受周围水源和补给路径的控制。另外,煤层底板突水有两个必要条件,一是要有突水的水源条件,二是要有能形成突水的通道条件,两者缺一不可。2.1 主要突水因素分析含水层含水层的水量是底板突水的基本影响因素,是底板突水大小的物质基础,决定突水后水害的规模以及对矿井的威胁程度。含水层的水压是底板突水的动力,可分为静水压力和动水压力。突水前表现为静水压力,静水压力对隔水层裂隙具有顶劈扩大作用,静水压力愈高,作用愈显著;突水后承压水头降低,含水层中水的位能转化为动能,这时主要以动水压力为主。其影响主要表现在突水后,裂隙被冲刷扩大,充填物质流失,通道逐渐畅通,出水量越来越大。工作面开采只有在底板岩层中的隔水层处于带压条件下才有可能发生突水。我国一些矿区开采水平位于岩溶含水层静水位之上,不存在底板隔水层带压的情况,虽然岩石巷道布置在灰岩底层中,但矿井的开采仍是安全的。隔水层隔水层是突水的隔、阻水因素,其阻水能力主要取决于隔水层的厚度、底板的破坏程度、岩层的矿物成分、岩性组合、力学强度等。隔水层厚度越大,抗水压能力越强,越不容易出水;底板破坏深度大,有效隔水层厚度就相对减小,底板就容易出水。隔水层的岩性组合、力学强度是控制底板岩层受采动影响的主要因素。除此之外,由于断裂构造、岩层厚度变化和褶曲的存在,不同区域的隔水层或底板往往具有不同的阻隔睡的能力,这点值得重视。地应力向斜轴部、褶皱倾末端及其转折点等处,皆有利于残余构造力应的集中,在其它力的诱发下,这些地应力集中的部位在其他条件满足的前提下易发生突水。矿山压力煤层开采过程中的矿山压力,对底板具有严重的破坏作用,其破坏范围与开采范围及采空区周围的支承压力分布有关。在工作面正常推进过程中,底板任一断面总是经历超前支撑压力的压缩区,采后悬顶卸压的膨胀,采空区周边剪切破坏,继后顶板冒落压实再受压过程。其中采空区卸压膨胀及其周边剪切对底板破坏最严重,产生的裂隙最多。矿山压力主要以两种方式引起煤层底板突水:一是引起构造“活化”,形成导水通道,导致底板承压水进入工作面;二是引起底板产生破坏,降低隔水层的阻水能力,导致承压水突入工作面。地质构造地质构造是煤矿底板突水的主要通道之一。在煤层分布范围内,地质构造直接影响着矿井涌水量的大小。引起突水的地质构造主要是断裂构造和岩溶陷落柱,断层是构造裂隙中最易造成灾害性事故的进水通道。断层影响是底板突水的控制因素,大多数底板突水事故发生在断层附近。一般来讲,隔水层的岩体强度要比底板岩溶水的压力大几倍到几十倍,但是由于断层既可以导水也可以充水,大大降低了底板隔水层的有效厚度和实际强度。所以为了防止底板承压水沿着断层面进入煤层,断层两侧需留设断层防水煤柱。煤系地层之下的厚层可溶性岩层,在岩溶水作用下形成大溶洞,当溶洞顶部的自燃拱不能支撑其上覆岩层是,则上覆岩层相继垮落,并逐步向上发展,其顶部可能切割煤系地层,形成几十米至几百米的柱状陷落柱。华北地区揭露的岩溶陷落柱多数导水性和充水性不强,对突水影响不大,少数岩溶陷落柱既可以充水也可以导水,在与强含水层沟通的条件下,对安全生产威胁极大。如开滦范各庄矿2171工作面推进到隐伏的陷落柱附近时,高压水突破煤壁,突水峰期平均涌水量为2053 m3/min,在21小时后将年产300完t的大型矿井淹没。2.2 底板突水类型通过分析我国煤矿底板突水的基本特点和底板突水的机理,可以将煤矿底板突水划分为两大类型,即构造底板突水、工程扰动底板突水。从底板受力和破坏形式的差异出发,又可以将底板分为“三区”和“五带”。2.2.1 地质构造底板突水断裂和断层底板突水断裂是岩石受到某一力的作用而发生的大变形,按其受力分为拉、扭、压三类,一般张性断裂突水性大于压性断裂突水性,扭性断裂突水性居于两者之间。断层是断裂的一种特殊形式,它的突水性远远大于一般的断裂,因为断层既是一个含水体又是一个导水通道。由于其导储水性在空间上的复杂性,通常以断层两盘的岩性来判断其底板突水性的大小,具体情况见表1。表1 断层两盘岩性判断突水性表断层两盘岩性发育情况透水性代表岩石脆性可溶岩 断裂、裂隙、喀斯特发育很强 石灰岩、白云岩脆性不可溶岩张开性好的牵引裂隙发育较强石英岩、石英砂岩柔性岩良好的脆性、填充性阻止了裂隙、孔隙的发育较弱 泥岩、页岩断层突水的特点: 水量大,破坏性强,突发性强,一般突水后矿井无法恢复。断层产状、规模及其水文条件在空间上的差异,使断层突水研究高度复杂化,所以对于断层的研究不能以局部特性代替整体性质。裂隙岩溶底板破坏突水裂隙是岩石在成岩过程中或是后期受到外力而产生的一些裂痕、缝隙,其含水性和透水性相对而言比较小,但裂隙给岩溶的发育创造了很好的条件。溶岩一旦在裂隙中发育,由于受岩溶水的侵蚀作用,周围岩层就会不断溶解,从而形成具有不同特点的储水空间和导水通道。溶岩不仅破坏了岩石的整体性,而且使得整个地下水形成网状、联通的含水体系。其突水的特点: 突水性强、破坏性强、突水持续时间长、突水频率高等。下面通过箱体模型说明其突水的特点,见图1。图1 地下水的补给、径流、排泄模型示意图有4 个水箱A、B、C、D,水箱的大小表示储水量的大小,箭头表示水流的方向,箭头的粗细表示水流动的难易程度,粗箭头处水容易排泄,水箱水位表示地下水的平均水位。大的裂隙( 断层) 和大的溶岩储水体( 溶岩陷落柱和大的溶洞),主要以储水为主,导水为次,用A 表示;小的裂隙( 断裂) 和溶岩导水体( 溶穴) ,主要以导水为主,储水为次,用B 表示,C 和A 性质类似,但其储水能力较小; D 和B 性质类似,其导水能力较小。现用A、B、C、D 箱建立地下水的补给、径流、排泄模型,通过4个水箱可以看出4 个储水带( 带水通道) 间的水位、径流及补给等关系。现以A、B、C、D 类分析其突水特点:1) A类底板突水: 一般出现在溶岩发育或地质作用较强的地段,距离地表的距离较小,其补给来源主要是大气降水、地表水等。储水能力很强,受B、C类水源补给的能力较弱,见图2(a)突发性很强、破坏性极强、突水时间较短。2) B类底板突水: 一般出现在裂隙密集或溶岩较发育地段,其导水能力很强,突水时主要受到A类水源的补给,见图2(b) ,破坏性较、强突水时间强。3) C类底板突水: 一般出现在奥陶纪等灰岩含水层中,距离地表较深,储水能力较强,突水是直接受B,D类水源补给,间接受A类水源的补给,见图2(c) ,破坏性很强、突发性极强、突水时间很长。4) D类地板突水: 一般出现在地下水排泄的地段,由于储水能力较小、补给的滞后性等特点,见图2(d),突水时破坏性很小。图2 四类地板突出模式示意图2.2.2 采动影响底板突水煤层开采破坏了原始的应力平衡。工作面从开切眼开始回采,在回采过程中引起回采空间的应力重新分布,这种应力分布不仅仅在回采空间周围煤体中集中,还会向底板深部进行传递,在底板岩层一定范围内重新分布,它不仅改变了底板岩层的受力状态,而且影响了底板岩层导水裂隙的发育情况,很大程度上决定了底板突水能力的大小。采动破坏最大深度( h1) 的计算,见图3。图3 采动影响底板破坏深度示意图在图3中:h1底板最大破坏深度;内摩擦角;r以a为原点与ab 成角的螺线半径;r0ab的长度;为r与r0之间的夹角。由图3可知: 若取时,即可求得最大深度。 即: 得: 3 承压含水层上采煤的理论依据与相关实例煤矿底板突水包括:地质构造突水(断裂断层底板突水、裂隙岩溶底板突水);采动影响底板突水(底板破坏型突水)。现在先不讨论相对比较特殊的地质构造型突水,考虑一般情况的底板破坏型突水,提出在承压含水层上采煤的以下三个理论依据,而其它的理论依据就不在此逐一的介绍。3.1 底板突水系数理论在底板突水预测方面,我国矿区普遍采用突水系数法。该方法是从长期的、大量的突水实测资料和统计分析中得出的一种规律性认识,并且逐步得到修正。底板突水系数可以按下式计算:在式中:突水系数,MPa/m;底板水压力;底板隔水岩层厚度,m; 底板采动导水破坏带深度,m。当计算的突水系数小于临界突水系数时,可以实现安全开采,否则存在突水危险。我国部分矿区临界突水系数如下表3.1所示:表3.1 部分矿区临界突水系数表矿区峰峰焦作淄博井径开滦突水系数(MPa/m)0.0660.0760.060.100.060.100.060.150.0670.103.2 底板突水的“下三带”理论我国是世界上矿井水文地质条件中最复杂的国家, 相应也是矿井突水灾害发生最频繁、突水量最大、危害最严重的国家。多年来煤矿工作者在防治水害的过程中广泛采用突水系数法对煤层底板进行突水危险性评价。突水系数法因其简便性和易用性得到广泛应用, 但其对隔水层的简单确定的缺点也日益被大家所认识。为此有学者提出了底板突水的“下三带”理论来解决这个问题。下面采用煤层底板的下三带理论对山西霍西煤田霍州矿区曹村井田十采区11#煤底板危险性进行评价。3.2.1 下三带理论的基本概念在开采矿压作用下煤层底板与下伏含水层之间的相对隔水岩层发生相应的破坏和扰动, 按破坏的方式和导水性能分为矿压破坏带( h1 )、有效隔水带( h2 )和潜越导水带( h3 )三个带, 为和采动覆岩“三带”相区别, 故称“下三带” (见图3.1)。图3.1 煤层底板“下三带”空间分布图矿压破坏带(h1)亦称下带,煤层底板在开采矿压作用下,岩层连续性遭受破坏,所产生的裂隙范围。总体形态在倾向和走向剖面上均大致呈倒。靠近断层处矿压破坏带比正常区可增大一倍左右, 并向断裂带靠拢。有效隔水带(h2)亦称下带, 是指底板岩层在采煤的影响下具有隔水能力的部分。此带位于下、下带之间。潜越导水带(h3)亦称下带, 在开采矿压作用下, 下伏含水层上覆岩层中充水裂隙分布的范围称为潜越导水带。其上界面是波浪起伏或参差不齐, 导升高度差别较大。3.2.2 实例分析(一)评价地质概况曹村井田位于霍西煤田霍州矿区东部,其西部靠近赤峪断层,以近EW向或NNE-NE向次级开阔褶曲为主体,井田内走向NNE-NE向为主的正断层十分发育为其主要特征,构造复杂。评价区位于井田东北部,构造简单,为平缓单斜。依据勘查钻孔资料,主要地层自上至下有: 第四系、第三系、二叠系、石炭系、奥陶系。奥陶系上部为峰峰组( O2f)和上马家沟组三段( O2s3 );部分上马家沟组二段(O2s3)。评价区内主要含水层自上而下为:第四系冲洪积层孔隙含水岩组; 二叠系风化裂隙、砂岩裂隙含水岩组;石炭系层间岩溶裂隙含水岩组;奥陶系岩溶裂隙含水岩组,本层下伏于11#煤层底板隔水层之下,为11# 煤的主要充水水源。评价区内主要隔水层自上至下有:第四系中下部砂钙质粘土隔水层;二叠系泥岩粉砂岩隔水层;石炭系泥灰岩隔水层, 其中11# 煤层底板隔水层是由铝质泥岩、泥岩、铝土岩等致密岩层组成,致密坚硬,具有良好的隔水性能,平均厚度为20199m(h);峰峰组一段隔水层。(二)煤层底板“下三带”各带厚度的测定I. 矿压扰动破坏深度的确定在C1、C2、C3和C4四个孔中进行了测定矿压扰动破坏带深度的注水试验, 测试孔布置在2-10312巷联巷巷头(图3.2) ,以下为随工作面推进,采中、采后注水量及底板岩移变化过程曲线见图3.3、图3.4、图3.5及图3.6。图3.2 底板测试钻孔布置图图3.3 C1孔注水深度与注水量关系图图3.4 C2孔注水深度与注水量关系图图3.5 C3孔注水深度与注水量关系图图3.6 C4孔注水深度与注水量关系图通过以上曲线分析, 可有如下结论:(1)采后注水量大于采中注水量, 采后破坏深度大于采中破坏深度。反映了底板破坏带随着时间的延长在继续发育, 所以在注水的对比分析时应考虑时间因素的。(2)采中矿压扰动破坏深度810 m, 取10 m最为采中破坏深度值。(3)采后矿压扰动破坏深度1215 m, 取14 m最为采后破坏深度值。(4)最终取采后破坏深度值14 m (hm1)为矿压扰动破坏深度。II. 潜越导水带厚度的观测本次评价主要采用现场试验观测法中的底板钻孔放水试验法。在两个孔CF2 和CG3中进行了放水试验, 先对各孔的流量随深度变化情况进行分析。(1) CF2孔流量随深度变化规律为测定潜越带的高度对CF2孔进行了放水试验, 试验深度从112128m共16m。试验最大流量018958L/S, 最小流量为0L/S, 流量与深度变化关系如图3.7所示。 图3.7 CF2孔潜越带试验曲线图(2) CG3孔流量随深度变化规律为测定潜越带的高度对CG3孔进行了放水试验, 试验深度从102115m共13m。试验最大流量11442 L/S, 最小流量为01962 L/S, 流量与深度变化关系如图3.8所示。图3.8 CG3孔潜越带试验曲线图根据本次注(放)水试验资料分析, 并参考以往经验, 确定矿压扰动破坏带深度为14m (h1),潜越导水带厚度为0m (h3)。11#煤层底板隔水层平均厚度为20.99m(h)。因此, 根据有效隔水带厚度的计算公式:h2=h-(h1+h3)所以:11#煤底板有效隔水层平均厚度是6.99m。III. 11#煤底板突水危险性评价评价方法: 有效隔水层突水系数法计算公式为: Ts= P/M式中: Ts突水系数(MPa/m ); P煤层底板承受水压(MPa);M底板有效隔水层厚度(m) 。将数据带入公式计算(略) ,依据11#煤底板奥灰突水系数对采煤威胁性相对大小, 分为三个区(见图9)。图3.9 11#煤底板突水危险性分区图结论:(1) 在煤层底板危险性评价中引入“下三带”理论, 大大提高了评价的可靠性。例如在上述实例中, 原本被评价为突水威胁性中等的区域, 运用“下三带”理论后被评价为突水威胁性大的区域,这为煤矿制定防治水方案提供了可靠的依据。(2)“下三带0理论把煤层底面至含水层顶面之间的底板岩层, 按矿压破坏导水、有效隔水、潜越导水, 这样性状差别很大, 但又有内在关联的三大地质层体划分为三部分, 未包括底板以下的含水岩层状况。有些情况下潜越带为零, 则有效隔水层直接与含水层顶部隔水部分岩层相连形成一个统一的隔水体, 共同起着隔水作用。(3) 与采动覆岩“上三带“类似, 并非任何矿区开采煤层底板都存在”三带“, 这主要是取决于底板隔水层的总厚度及其底部是否有导水裂隙发育。如前所述, 底部无导水裂隙, 潜越带为零, 则无潜越带。若隔水层总厚度很小, 则矿压破坏带与潜越带勾通或直接与含水层相接, 则有效隔水带不存在。所以“下三带”的情况要根据矿区的具体地质采矿条件加以分析。(4) 对煤层底板评价过程中, 不但要考虑矿山压力对隔水层的扰动破坏和承压水对底板的潜越导水作用, 同时还要考虑隔水层的岩性、裂隙和构造等地质因素。3.3 底板突水的隔水关键层理论煤矿采场底板突水机制研究的核心问题是力学问题,而这方面的研究还很不够。目前突水防治技术中,由突水系数等方法给出的突水判据还停留在经验公式阶段, 缺少必要的力学理论基础。因此有学者提出了关键层理论,引入极限破断跨距概念,将突水判据与采掘进尺,关键层厚度以及岩性联系起来, 使突水问题的理论研究工作和现场预测提高到一个新水平。3.3.1 关键层方法煤系地层是逐层沉积的,具有层状结构特征。在采动破坏带以下,含水层以上,通常存在一层承载能力最高的岩层,我们将其称为底板关键岩层(key stratum),简称关键层。关键层层厚一般在2 m6 m 左右,产生底板突水时工作面从切眼煤壁推进20m40 m , 因而从力学上可将关键层简化为薄板(图3.10), 用结构力学方法,按强度条件预测底板破坏并形成导水通道的观点来研究底板突水的发生机制。 图3.10 采场工作面结构和关键层的示意图 在关键层理论中将底板关键层简化为一个四周固支的矩形薄板, 在均布载荷q 作用下, 最大弯矩M max发生在长边中点处, 其数值为: (1) (2) (3)式中,a为板的短边,底板关键层的破断跨距(m);b为板的长边,工作面长度(m);L为泊松比;qX 为承压含水层水压(MPa);qH 为单位面积上隔水层岩重载荷集度(MPa);q0为单位面积上直接顶冒落后载荷集度( Pa)。底板关键层破断时的极限弯矩为: (4)式中,Rt为关键层岩石的抗拉强度(MPa);h 为关键层的厚度(m)。将(4)式代入(1)式可得确定破断跨距a 的公式: (5)上式是关于a 的一个非线性代数方程。令: (6)(5)式可简化为一个四次代数方程: (7)这个方程在时, 有: 或 (8)和在区间(,) 与区间(, +)有符合工程意义的实根: (9)一般情况下, 因此在时,对的影响对采矿工程来说可以忽略, 于是(9) 式可简化为: (10)为了研讨关键层的抗弯强度, 载荷, 边界条件等因素对破断跨距的影响, 引入以下参量: (11) (12) (13)(5)式可写为: (14)式(13)定义的L 实质上是单位载荷(q= 1)下层厚为h, 抗拉强度为Rt的极限破裂跨距, 称为关键层破断步距基准数。对于给定矿区的同一煤层底板,只要在沉积时比较均匀, 并且经历的地质构造运动基本相同, 便可以认为它是一个常数,步距基准数也因此而得名。底板关键层步距基准数的大小表征了底板抵抗突水的能力。由于q=qX-qH -q0 , 它与含水层水压qX与隔水层岩荷载集度, 顶板冒落荷载集度q0之差有关。这个差值越大, 表示含水层的突破能力越大, 因而Q值表征了含水层水压的突破能力。W (K)仅与边界条件和工作面长度有关, 当时W(K)随K的变化如图3.11所示, 随K的逐渐减小, W(K)接近于1 ,当时可认为W(K)1。在时,关键层的板模型可简化为梁模型, 使计算得到更大的简化。 图3.11 随变化的曲线 根据上述的关键层理论可以预测煤矿底板突水时的破断跨距, 只要实际开采进尺不超出这个跨距, 便可安全生产。预测跨距有两种方法, 简介如下:(1) 正演方法如果关键层岩层的抗拉强度Rt事前能相当准确的得到, 这时按(14)式可直接计算出关键层的极限破断跨距a。(2) 反演方法在难以测定岩层的抗拉强度Rt时, 需要利用已知同类条件下的突水事故资料来预测新采场突水的极限破断跨距。在已发生的突水工作面有公式: (15)式中各量的下标“0”表示是发生突水灾害时所取的数值。 将(14)式与(15)式相比, 得: (16)在类似条件下, 如同一煤层相邻工作面, 其底板关键层在岩性和层厚方面上是相差不大的, 因而可设,因此(16)式可简化为: (17)通常可设来计算a 值。如果得到a 值,对应的, 便可在(16)式中用代入, 重新计算a值。采用这种逐次逼近的迭代算法,可得到满足(17) 、式的极限破断跨距a值。实际上, 在很多情况下是, W (k) 1, 不用迭代, 便可得到极限破断跨距值。3.3.2 实例分析焦作矿区九里山矿12031工作面曾先后4次发生底板突水, 后3次突水与构造无关, 它们分别发生在1987年9月, 1988年10月和1993年3月。为考核计算方法, 设1987年9月工作面为突水事故面, 而1988年10月和1993年3月工作面均为预测面。事故面的基本参数为: 工作面采高为2 m;底板隔水层总厚度为27 m , 其中关键层h= 2.9 m;直接顶冒落带高度为5 m含水层水压为1.0 MPa; 底板关键层极限破断跨距23 m; 工作面长度为b =110 m; Q0 =0.457; 采用机采。已知1988年10月预测面的基本参数为: 隔水层总厚度为24 m , 其中关键层厚h =2.9 m;qw =0.92 MPa;b =100m;Q =0.450;反演预测得a =23.3m。设Rt =6 MPa,正演预测得21.9 m。同样, 将1993年3月突水面作预测面, 其基本参数为: 工作面长度为45 m; 隔水层总厚度为24 m;qw =0.82 M Pa;b=45 m。反演计算得a=40.0 m;正演预测a=33.1 m。另一组工作面突水事例的计算如表3.2所示。序号1为突水事故面, 24为预测面。可见,预测的结果与实际的破断跨距值基本上是一致的, 因而本文介绍的关键层模型是正确和可行的。表3.2 工作面突水实例计算序号b(MPa)(MPa)(MPa) (MPa)h(MPa)(MPa) 破断跨距反演正演实际1701.100.5920.1256.06.0-402701.030.5920.1256.06.044.237.1403801.180.4670.1256.06.032.426.8324851.300.4750.1256.06.029.424.631不难看到,正演预测的准确性取决于底板关键层的抗拉强度Rt的测定。只要Rt测定准确,就可使计算结果接近实际情况。利用已知同类条件下突水事故资料来反演预测工作面的突水情况,可以避开对Rt的测定,而且也可以取得令人满意的结果。在本例中主要涉及无构造影响的突水事例。实际上, 关键层模型在构造控水问题中也得到了成功的应用。3.4 基于GIS的斯列萨列夫公式底板突水危险性分析为了研究煤层底板突水危险,以刘桥二矿带压开采为例,根据矿区地质及水文地质资料,在分析煤层底板破坏深度及承压水导高带高度的基础上,计算出底板有效隔水层厚度,采用考虑矿压影响的斯列萨列夫公式计算出工作面底板安全厚度,并建立工作面底板突水预测模型,利用底板突水阈值和GIS技术对矿区底板突水危险性进行预测分区,为煤矿的安全合理开采提供科学依据。3.4.1 矿井地质及水文地质条件I.矿井地层及构造矿井区域范围内所发育地层由老到新的层序为青白口系(Zq)、震旦系(Zz)、寒武系、奥陶系(O1+2)、石炭系(C2+3)、二叠系(P)、侏罗系(J) 、白垩系(K) 、上第三系(N)和第四系(Q);矿井测区范围内无基岩出露,均为新生界松散层所覆盖,经钻孔揭露地层有奥陶系(O1+ 2)、石炭系(C2+3)、二叠系(P)、第三系(N)和第四系(Q);矿区主采煤层为二叠系下统山西组6煤层,煤厚5m 左右。刘桥二矿处于大吴集复向斜南部仰起端上的次级褶曲土楼背斜西翼,总体上为一走向北北东,向北西方向倾斜的单斜构造,次级褶曲较为发育,使局部地层呈北东或北西向,地层倾角一般在315之间,受构造影响局部倾角变化较大。构造较为发育,岩浆岩不甚发育,该测区位于丁河向斜和温庄向斜的轴部,孟口断层横穿测区。II.矿井水文地质特征 煤层底板主要含水层根据岩性、埋深及含水类型,由上而下为:a.太原组石灰岩岩溶裂隙含水层(段)。全组总厚115.55m,由石灰岩、泥岩、粉砂岩及薄煤层组成,以石灰岩为主,有13层石灰岩,厚53.87m,占全组总厚的46.6%,单层厚度0.97 11.90m,地下水主要储存和运移在石灰岩岩溶裂隙网络之中,富水性主要取决于岩溶裂隙发育的程度,岩溶裂隙发育具有不均一性,上距6煤底板正常间距是42.5469.82m,平均间距为54.60 m,是威胁本矿开采6煤层的直接充水含水层。b.奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层(段)。区域厚度500多m,为浅灰色厚层状石灰岩,具有不同规则灰色、浅灰白色斑纹,局部含有白云质,浅部岩溶裂隙发育,富水性强,对太灰水有越流补给,且与太灰水位下降状态保持一致,但该含水层远离主采煤层6煤层,在正常情况下对矿井无直接充水影响。 煤层底板主要隔水层自上而下为:a. 6煤底板至太原组一灰顶间海相泥岩隔水层(段) 。该层(段)岩性主要为泥岩和粉砂岩,夹1 2层砂岩,局部有砂泥岩互层,岩性较致密,正常情况下间距为42.5069.82 m,平均间距为53.50m,一般情况下开采6煤层,此隔水层(段)能起到隔水作用。但在局部地段由于受断层影响,导致间距缩短甚至与太灰对接,则有可能造成“底鼓”或断层突水。b. 本溪组铝质泥岩隔水层(段)。该矿仅水8孔及053孔揭露厚度14.1823.09 m,岩性以浅灰色到暗红色的杂色含铝泥岩为主,夹有少量泥质灰岩。含铝泥岩为中厚层状,含有铁质结核及菱铁鲕粒,该层(段)岩性致密,隔水性较好。3.4.2 底板突水危险性分析 底板突水机理分析当煤层底板下存在承压含水层时,由于采掘工作破坏了煤层底板隔水层的天然受力状态,底板承压水在静水压力和矿山压力的作用下突破底板隔水层或通过原有导水断层、陷落柱等突水通道涌入矿井,造成底板突水。 煤层底板剩余有效隔水层厚度的确定在前期收集到的资料中,选取位于二水平采区及周边或典型工作面上的57个典型钻孔,其所控制的区域为开采条件相对复杂的区域,通过对钻孔相关资料进行分析,确定安全厚度、底板有效隔水层厚度、矿压破坏深度及承压水导高带高度等,从而作为底板突水危险性分析与评价的依据。a. 煤层底板隔水关键层的确定。根据矿区地质及水文地质资料,综合考虑隔水层岩性组合、强度以及水压作用,确定6煤底板至太原组一灰顶间的海相泥岩为隔水关键层,正常情况下厚度为42.5069.82m,平均厚度为53.50m。本矿主采煤层是6煤层,因此,可以根据钻孔资料确定隔水关键层到6煤这段岩层的厚度。煤这段岩层的厚度。b. 底板破坏深度的计算。底板破坏深度的大小与回采工作面尺寸、开采方法、煤层厚度及倾角、开采深度及顶底板的岩性及结构等因素有关,其中最主要的是工作面斜长,此次刘桥二矿二水平底板破坏深度的计算采用山东科技大学特殊开采所根据全国11个采面的测试成果总结得出的底板破坏深度与采面斜长关系的经验公式: (1)式中:底板破坏深度,m;工作面斜长,m。根据若干工作面的测试资料,通过式(1)的计算,矿压对底板隔水层的破坏深度一般为614 m,结合该矿开采6煤时的多个工作面的实测底板破坏深度,总结得出底板破坏深度h1为12m。 c.承压水导高带h2的确定。承压水导高带是指含水层中的承压水沿隔水底板中的裂隙或断裂破碎带上升的高度,也有人称为原始导高。原始导高在开采后还可以继续上升,但上升值很小。由于隔水层中裂隙发育的不均一性,不同矿区或同一矿区不同块段因其底板岩性及地质构造的不同,则原始导高大小不一,少数断裂可使承压水导升很高,甚至接近或超过煤层,有些矿区或同一矿区的正常块段也可能无原始导高存在。 因此,有人对承压水导高带在平面上是一个完整的带持疑义,所以到目前为止没有计算承压水导高带的公式,只能依靠现场实测获得承压水导高带的高度。根据现场实测和室内试验资料,承压水导高带的高度一般8m左右。d.安全厚度t安的计算。20世纪30年代,前苏联科学家斯列萨列夫以静力学为基础,研究了煤层底板在承压水作用下的破坏机制,将煤层底板视作两端固定地承受均布载荷作用的梁,并结合强度理论,推导出抵抗某一水压的隔水层底板安全厚度的计算公式: (2)式中:安全厚度,即巷道底板抵抗实际水头的极限厚度,m ;底板隔水层抗张强度,MPa ;H作用于巷道底板的实际水压值,MPa ;L巷道宽度,m ;底板隔水层密度,t/m3。结合研究区野外水文地质钻探及试验,可得到该矿太灰平均水位标高H1及隔水层底板高H2,其对应的水压值计算公式为:H =( H1H2 ) (3)式中:H作用于隔水层底板的实际水压MPa;H1太灰水位标高,m ;H2隔水层底板标高,m。此外,通过室内试验,可以确定底板隔水层平均抗张强度KP、底板隔水层平均密度。由于运用斯列萨列夫公式进行底板突水危险性评价时只适用于巷道和沿地层倾向跨度较小的采掘空间,因此,利用式(2)计算回采工作面的底板安全厚度时,L是将回采工作面控顶距换算而成的,见表3.3。表3.3 实测参数值4602.6335将求得的、L、H 代入式(2) ,即可得到底板抵抗实际水头H的极限承载厚度,也即底板安全厚度。e.有效隔水层厚度的计算。隔水层并不是在整个厚度上隔水,根据李白英教授的“下三带”理论,当开采煤层底板下存在承压含水层时,采动矿压对煤层底板的破坏存在着“三带”,即: 自上而下依次为底板导水破坏带、完整岩层带与承压水导高带。其中,底板导水破坏带和承压水导高带会大大降低隔水层的隔水能力。考虑采动矿压所形成的底板导水破坏带及承压水导高带,最终得出隔水层的有效厚度(t实)就是用6煤底板至太原组一灰顶间的海相泥岩总厚(t)减去底板导水破坏带(h1)和承压水导高带(h2)所得; (4)f.剩余有效隔水层厚度的计算考虑有效隔水层厚度(t实)抵抗回采工作面底板实际水头H所需的极限承载厚度(t安),剩余有效隔水层厚度(t)即是有效隔水层厚度减去底板安全厚度所得: t = t实t安 (5) 综合评价模型的建立根据斯列萨列夫公式的推导可知,其未考虑矿压的影响。而回采工作面确实存在着矿压的影响,因此,为了使得斯列萨列夫公式能够更好地对回采工作面底板突水危险性进行评价,必须将矿压影响因素考虑进去。根据上面的分析,研究确定二水平开采底板突水概念模型为: 6煤底板至太原组一灰顶间的有效隔水层厚度不足以承受回采工作面底板的实际水压值,也即是剩余有效隔水层厚度0。因此,当运用GIS技术中的多源信息拟合方法进行二水平底板突水危险性分区时,必须综合考虑上述各因素的影响,以建立正确的评价模型和进行合理的开采分区,因此,研究建立二水平底板承压水上采煤的突水预测模型为: (6)根据钻孔资料及上述计算结果,运用GIS 软件Arcview 分别生成煤层底板隔水关键层到6 煤的厚度及底板安全厚度单因素等值线图(图略)。再运用GIS技术中的多源信息拟合方法将煤层底板隔水关键层到6煤的厚度、底板安全厚度、底板破坏带深度及承压水导高带高度作为拟合因素,对煤层底板剩余有效隔水层厚度进行分区。 安全开采判别根据前面分析确定的二水平底板突水概念模型可知,要保证二水平的安全开采,底板剩余有效隔水层厚度的最小阈值应该为0,即底板突水阈值的下限为0;根据刘桥二矿底板突水资料的分析,同时,从煤矿偏安全角度考虑,认为底板剩余有效隔水层厚度为煤厚(6煤厚5m左右)的2倍时,底板在正常开采情况下不会发生突水事故,因此,确定底板突水阈值的上限为10。运用GIS技术,利用已生成的剩余有效隔水层厚度分区图,结合阈值对二水平底板突水危险性进行预测分区。危险性分区是风险性评价的基础,更是指导矿井水害防治的引擎,与危险性分区相对应,A区为底板安全可采区;B区为底板可能突水区,开采时要引起重视; C区为底板突水危险区,在设计和开采时要重点加强防范。4 煤矿底板突水的预警系统研发我国主要煤炭生产基地上组煤储量十分有限,急待解放占煤炭储量50%以上的下组煤以满足目前上下组煤合理配采和未来全面开发的需要。由于下组煤受灰岩(奥陶系灰岩和太原群薄层灰岩)岩溶水威胁,防治水工作技术难度较大,为了查清矿井水文地质条件投入了大量的勘探资金。但是,由于现有勘探技术、装备和方法上存在的局限性,矿井水害事故的发生仍然在所难免。针对我国主要煤炭生产基地今后下组煤开发过程中突水事故频繁发生的实际问题,研究开发一套实用的突水监测预警系统是非常必要的,对于深部和深层煤炭资源开发具有广泛的推广应用价值,也对其他矿井水害的预防工作具有借鉴作用。4.1 煤层底板突水的可监测性采矿工程是在一定的地下环境中,运用一定的开采技术和装备采出一定数量的矿产资源。其工程风险性在一定程度上取决于开采技术条件,尤其是矿井水文地质条件,而开采方法的影响也不容忽视。可监测性是煤层底板突水监测预警问题研究的技术基础,也是该研究中必须首先需要回答和解决的问题,否则,系统的开发和应用就无从谈起。可监测性指通过一定的监测手段能够取得突水形成和发展过程中代表性的物理力学参数,同时,这些物理力学参数要能够反映突水发生的前兆信息。这里,一方面强调信息的可得性,另一方面强调信息的对应性(或传递性) 。在煤矿开采过程中煤层底板岩体受采动活动影响产生破坏,应力场、应变场会发生相应变化和调整,同时受采动应力和承压水的共同作用,岩体裂隙进一步扩张或产生新的裂隙,地下水便沿裂隙“导升”,引起煤层底板裂隙水的水压和水温发生变化。4.1.1 应力应力是反映煤层底板发生破坏的重要指标,煤层底板应力场中任意一点的应力值随工作面的推进不断发生变化。底板破坏试验表明,应力小于原始应力时底板钻孔出现耗水,应力越小,钻孔耗水量越大,钻孔耗水量峰值正好处于底板应力值谷底位置;从上述关系可以看出,在工作面回采过程中底板破坏深度与导水性能,随底板应力的增大而减小,反之随底板应力的减小而增大。因此,通过对不同深度的底板应力状态的实际监测,可以反映采动条件下煤层底板发生破坏的深度。4.1.2 应变应变是用来度量变形程度的量,其值大小反映底板岩体破坏程度和变形强弱,随着工作面的推进,顶板悬空、垮落,则底板出现压缩膨胀再压缩,当底板岩体裂隙或原生节理在应力场的作用下沿其结构面产生移动时,通过埋设在不同深度应变传感器的监测值将反映煤层底板移动或变形的程度。4.1.3 原生裂隙在采动影响下,原生裂隙会不会进一步开裂、扩展,特别是能否造成承压水沿裂隙带进一步上升与煤层底板破坏带相沟通是能否发生突水的必要条件,因此,通过对煤层底板不同深度煤系裂隙水的水压监测可以掌握奥灰承压水是否向上导升以及导升部位,结合对底板破坏深度的分析,可对监测部位突水的可能性做出评价。4.1.4 水温当深部循环地下水通过裂隙通道进入隔水层内部时,过水通道附近岩体温度及煤系裂隙水的水温会出现异常。因此,可以通过对煤系裂隙水水温的监测,预报突水发生的可能性。综上所述,煤层底板突水监测中的应力、应变状态反映了底板隔水层在采动影响下所受破坏以及导水性能的变化状况,水压直接反映承压水导升部位,水温则反映是否有深部承压水的补给。因此,可以通过对这4 项监测指标的综合分析,进行突水预测预报。4.2 煤层底板突水的监测条件和适用范围底板突水过程实际上是在水压驱动下岩层裂纹萌生、扩展、贯通,直到最后断裂导致失稳破坏的过程。从岩体力学角度上讲,煤层底板突水可分为裂隙扩展渗流型突水和断层突水2 种类型,断层突水又可分为导水断层型直接突水和断层活化型滞后突水2种类型。断层活化型突水属天然条件下充填胶结较好的不导水断层在矿山压力、采动破坏和固流耦合作用下断层的导水性增加形成突水通道引发的突水现象。断层带突水具有时效特征,即尽管突水瞬间表现出为一个综合效应下的岩体工程事件,但在突水发生前则表现为一个与时间有关的渗流场与应力场相互作用的过程。断层突水的时效特征已被全国大水矿区多次发生的延迟突水现象所证实。无论是裂隙扩展渗流型突水还是断层活化诱发型突水,均有一个较为完整的历时过程。随着工作面的不断推进,煤层底板岩体的应力场、应变场、渗流场、温度场等处在不断的调整之中,突水监测实际上就是通过各类传感器对岩体中“场参数”进行实时监测,当这些参数发生异常变化时,就会提供突水的前兆信息。因此,突水发生的时间规律的研究不仅是对突水可监测性的研究,同时也是对其监测条件的研究。实践证明,裂隙扩展渗流型突水和断层活化诱发型突水占底板突水的绝大多数,通过对上述2类突水灾害进行监测就会解决大量的突水问题,从而把煤层底板突水事故降低到最低程度。事实上,由集中导水通道(又称为“强渗流通道”)形成的突水灾害需要通过综合探查手段在查清其发育特征的基础上,通过留设防(隔)水煤(岩)柱、注浆封堵等工程解决。当然,也可以将2种方法结合起来,如在对集中导水通道采取工程措施或按规程留设防水煤(岩)后,在有突水危险的地段埋设传感器进行突水实时监测,一方面可以对工程效果做出评价(由于地下工程地质条件的复杂性和隐蔽性,工程措施并不能做到万无一失);另一方面,通过突水监测直接指导煤矿安全生产。综上所述,本文所提到的突水监测实际上主要针对裂隙扩展渗流型突水和断层活化诱发型突水2种类型而言的。4.3 煤层底板突水监测预警数据采集系统研制矿井水害监测预警数据采集系统由主机、光缆、水温水压应变传感器等组成。主机由光发射、光电转换、光电探测、信号解调、数据处理及存储、显示、控制等模块组成。考虑到井下多参数测量应用的诸多特殊性;例如需较大的容量,快速传递信息,传输距离远,多通道实时监测等。本系统采用了宽带光源做发射源,利用光纤传感的光偶合、光切换技术、低噪声光探测和类似光栅光谱分析仪的高精度,快速解调等
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