煤層工采對底板突水的影響

煤層工采對底板突水的影響煤層工采對底板突水的影響 底板水問題在我國煤礦產(chǎn)生過程中非常突出 非常普遍 涉及我國大部分煤田 包括華北 華南的大部分晚古生代煤田 及個別的中生代及新生代煤田 其涉及范圍之廣 水量之大 危害之重 世界罕見 影響煤層底板突水的因素很多 高壓水 頭是引起突水的一個重要條件 位于煤層底板的含水層 采掘 工作面一般不能直接揭露 其中間隔有不透水或弱透水的巖層 承壓水 要進入采掘空間必須要有一定的力來突破隔水層或沖 刷弱水透水層的裂隙 地質構造 如斷層和陷落柱等 這些會 使巖體強度降低 阻水能力減弱 涌水通道發(fā)育 巖層結構與 巖性特征 如巖體的強度 完整性和隔水與阻水性能 力學作 用 如原巖應力大小 方向 開采活動引起的圍巖應力重新分 布和結構面再擴展 承壓水對巖體的物理 力學和化學作用等 1 控制煤層底板突水的主要作用力控制煤層底板突水的主要作用力 影響煤層底板突水的主要作用力很多 從力學觀點來看主 要有 煤層底板下伏含水層的水頭壓力 包括動壓和靜壓 礦山動壓力和靜壓力 地應力 煤層底板與下伏含水 層之間的相對隔水層的重力 相對隔水層的巖體強度 動壓包括頂板冒落時巖塊對底板的沖擊力 采煤機械或放 炮的震動力等 這些對底板突水起誘發(fā)作用 水頭壓力和礦山 壓力起到破壞隔水層底板 促使底板突水的作用力 而隔水底 板的策略和強度則是維護底板完整 抑制底板突水的約束力 當約束力足以平衡作用力時 底板保持穩(wěn)定 不致發(fā)生底鼓和 突水 否則不可能發(fā)生災害 2 煤層開采對底板的破壞及突水的形成條件煤層開采對底板的破壞及突水的形成條件 2 1 采動對底板破壞作用 1 應力狀態(tài)的改變 當工作面從開切眼開始回采之后 采面圍巖應力將發(fā)生變化 隨著工作面的推進 煤層底板前方 處于支承壓力作用而壓縮 工作面推過后 應力釋放 底板處 于膨脹狀態(tài) 隨著頂板的冒落 采空區(qū)冒落矸石的壓實 工作 面后方一定距離的底板以恢復到原巖應力狀態(tài) 由于工作面是 在不斷推進的過程中 所以 底板處于壓縮 膨脹 再壓縮 的狀態(tài) 而在壓縮與膨脹變形的過渡區(qū) 底板最易發(fā)生破壞 在開切眼附近 豎向應力集中程度最高 底板容易發(fā)生變形及 產(chǎn)生裂隙 在上 下出口附近煤層的底板不僅受到支承壓力的 影響 而且受靜壓力的影響 因此 沿上 下出口附近底板的 采動裂隙比較發(fā)育 易形成突水點 而在上 下出口與開切眼 處 突水的幾率則更大 在工作面停采線處 由于沒有動壓的 影響 底板的變形及破壞程度較小 發(fā)生突水的可能性不大 2 結構面的再擴展 工程采動能夠引發(fā)原結構面的再次 擴展 由于結構面本身物理性狀的差異性 其擴展后導水性能 不盡相同 根據(jù)涌水量的變化情況 裂隙受采動的程度可劃分 為五種基本類型 增大型 裂隙受到短軸方向拉伸 長軸方 向壓縮的礦壓作用 充填物少 松散受力后裂隙逐漸張開 涌 水量逐漸增大 下降型 裂隙受到短軸方向壓縮 長軸方向 拉伸拉礦壓作用 充填物多 受力后裂隙壓縮 涌水量逐漸減 少 裂隙走向與礦壓作用方向成一定的角度 受力不均 充 填物較多 涌水量時大時小 但總的趨勢是下降型 裂隙走 向與礦壓作用方向成一定的角度 受力不均 充填物較少 涌 水量在工作面后方趨于穩(wěn)定 裂隙受到雙向壓縮的礦壓作用 充填物少 受力后基本不產(chǎn)生變形 涌水量呈穩(wěn)定型 3 采動裂隙帶的形成 由于采動礦壓和水的作用 在底 板采動破壞深度范圍內(nèi) 底板巖層中一般產(chǎn)生 3 種裂隙 豎 向張裂隙 分布在緊靠煤層底板的最上部 是底板膨脹時層向 張力破壞所形成的張裂隙 層向裂隙 主要巖層面以離層形 式出現(xiàn) 一般在底板淺部較發(fā)育 它是在采煤工作面推進過程 中底板受礦壓作用 反向位移沿層向薄弱結構面離層所致 剪切裂隙 一般為兩組 以 60 左右分別反向交叉分布 這是由 于采空區(qū)與煤壁及采空區(qū)頂板冒落在受壓區(qū)巖層反向受力剪切 形成 上述三種裂隙嚴重破壞了底板巖體的完整性 當它們與含 水層 或承壓水導升帶或導水斷層 溝通 要發(fā)生底板突水 底板巖體的破壞深度與程度主要與采場礦壓大小和礦壓顯現(xiàn)劇 烈程度以及底板特征有關 其中前者的影響因素有 開采深度 直接頂厚度及采高 煤層傾角 工作面尺寸大小以及頂板巖性 與結構等 后者的影響因素有底板巖性 巖體結構與構造特征 等 2 2 突水形成條件 自 20 世紀 80 年代以來 多項突水機理的觀點先后問世 其中較為流行的觀點之一是 下三帶 理論 下三帶 是指從煤層 底面至含水層頂面分為 底板采動破壞帶 底板導水破壞帶 h1 保護帶 h2 承壓水導升帶 h3 如圖 1 所示 圖 1 底板 下三帶 的分布 帶雖有一定的阻水作用 但起主要保護作用的是 帶 如果由于開采礦壓破壞和水壓的導升作用 造成 帶消失 或變薄 或由于構造產(chǎn)生水力通道 或由于底板厚度很薄等 都會發(fā)生突水事故 在開采礦壓作用下 通常有以下 4 種型式形成突水通道 在開采礦壓作用下 底板破壞帶 h1 涉及到承壓水導升帶 h3 或 h1 涉及到承壓含水層 無導升帶 h3 時 礦壓產(chǎn)生的 底板破壞帶使原巖裂隙結構面產(chǎn)生不同程度的擴張 延展 在 底板中產(chǎn)生了具有連通性的裂隙結構面 具有一定壓力的承壓 水沿著裂隙上升 沖刷結構面 使裂隙軟化 蝕擴 逐漸形成 較大的突水通道 造成突水 在開采礦壓作用下 底板破壞 帶 h1 與承壓水導升帶 h3 或 h1 與承壓含水層 無導升帶 h3 時 之間的距離 h2 小于保護帶的安全厚度 h2 時 隨著開采 跨度的增大 承壓水將突破底板巖梁進入工作面 在開采礦 壓作用下 所留斷層隔離煤柱被壓碎 通過斷層面或斷層破壞 帶的壓水突破煤柱進入工作面 因此 保留足夠寬度的隔離煤 柱 使之不被開采礦壓破壞是防止承壓水進入工作面的關鍵問 題之一 在開采礦壓作用下 通過斷層面或斷層破壞帶的承 壓水與底板 h1 連能發(fā)生突水 這一通道形成的條件將涉及煤層 底板破壞深度和煤層支承壓力高峰的位置及向底板延伸的方位 為了防止承壓水從底板破壞區(qū)進入工作面 必須使破壞深度線 和剪切破壞延伸線的交點與斷層保持一個足夠安全的的距離 3 開采對底板破壞深度計算開采對底板破壞深度計算 目前 我國普遍采用突水系數(shù)衡量承壓開采時煤層底板突 水的危險性 突水系數(shù)越大 突水危險性越大 突水系數(shù)可用 公式表示為 t s p m hp 式中 t s 突水系數(shù) p 承壓水壓力 m 底板保護層厚度 hp 采動破壞帶深度 其中 p d 兩個指標容易準確獲取 而 hp 值不宜準確獲取 hp 值的確定通常采用現(xiàn)場實測 經(jīng)驗估算 理論計算等多種手 段 一般情況下可分為下列三種情況 1 理論計算 采用下列理論公式 比較其結果 取其最 大值 式中 h1 底板采動破壞深度 m m 最大支承壓力系數(shù) 底板巖體平均容重 kg m3 h 采深 m l 工作面斜長 m 底板巖體平均內(nèi)聚力 mpa 0 底板巖體平均內(nèi)摩擦角 2 現(xiàn)場實測 現(xiàn)場實測通常采用鉆孔抽 放 水試驗及 其它探測手段確定破壞深度 根據(jù)全國已有的工作面底板破壞 深度的實測資料 通過對各種因素的對比分析 選取開采深度 煤層傾角 巖石強度和工作面斜長等 4 個主要因素 進行了多 元回歸分析 得到底板破壞深度的回歸公式為 復相關系數(shù)為 0 95 h1 0 111l 0 006h 4 541 c 0 009 2 40 式中 c 巖石單軸軸抗壓強度 mpa 煤層傾角 3 經(jīng)驗估算 計算通常采用的經(jīng)驗公式為 h1 0 7007 0 1079l 4 結 語 1 從時間上看 突水多發(fā)生在采面初次來壓期間 在正 常推進中二次或周期來壓前局部空頂距過大時也易突水 2 從位置上看 多數(shù)突水點離切眼的距離為初次來壓的 步距或周期來壓步距附近 特別是在初次來壓步距的附近 突 水時工作面從切眼煤壁推進的距離一般為 20 70m 而且決大 多在 40m 以內(nèi) 在工作面傾斜位置上 多發(fā)生在工作面上巷附 近 3 從推進速度來看 采面推進速度慢較易突水 采面突 然停止推進處也易形成突水 4 從隔水層厚度來