煤層開采對底板突水的影響

1、第36卷第4期煤礦安全2005年4月問題探討煤層開采對底板突水的影響陳剛1,王瓊2,杜福榮3(1.黑龍江科技學(xué)院,黑龍江哈爾濱150027;2.哈爾濱學(xué)院,黑龍江哈爾濱150080;3.神東天龍集團,陜西榆林719316)摘要:本文通過對影響煤層底板突水的因素分析及開采礦壓對煤層底板的破壞作用和破壞特征的研究,得出開采對底板水影響的一般規(guī)律。關(guān)鍵詞:開采動壓;突水;“下三帶”理論中圖分類號:TD163+.1文獻標(biāo)識碼:B文章編號1003-496X0034-03底板水問題在我國煤礦生產(chǎn)過程中非常突出、非常普遍,涉及我國大部分煤田。田。,世界罕見。,高壓水頭是引起突水的一個重要條件,位于煤層底板的

2、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(zhì)構(gòu)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(jié)構(gòu)與巖性特征,如巖體的強度、完整性和隔水與阻水性能;力學(xué)作用,如原巖應(yīng)力大小、方向,開采活動引起的圍巖應(yīng)力重新分布和結(jié)構(gòu)面再擴展;承壓水對巖體的物理、力學(xué)和化學(xué)作用等。1控制煤層底板突水的主要作用力;。、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;而隔水底板的重力和強度則是維護底板完整、抑制底板突水的約束力

3、。當(dāng)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;否則就可能發(fā)生災(zāi)害。2煤層開采對底板的破壞及突水的形成條件2.1采動對底板的破壞作用(1)應(yīng)力狀態(tài)的改變。當(dāng)工作面從開切眼開始回采之后,采面圍巖應(yīng)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(yīng)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(fù)到原巖應(yīng)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(yīng)力集中程度最高,底板容70多萬元。作者簡介:薛俊榮(1969-)

4、,男,工程師,陜西韓城人,現(xiàn)在神華集團神府東勝煤炭有限責(zé)任公司運銷處工作。(收稿日期:2004-10-09;責(zé)任編輯:金麗華)影響煤層底板突水的主要作用力很多,從力學(xué)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(yīng)力;煤層底板與下伏含水層之間的相對隔水層該類型的打滑檢測裝置成本低廉,一個XSA-V型檢測旋轉(zhuǎn)物體的接近傳感器價格1000元,運行后故障點查找和維修保養(yǎng)都比較簡單。使用一年多來,該裝置運行良好,沒有發(fā)生過誤動作故障停機,并成功地實現(xiàn)了3次因溜槽堵塞、2次因加煤量過大造成膠帶打滑而停機,避免了膠帶磨擦著火、拉斷、撕裂等重大事故的發(fā)生,節(jié)約了更換膠帶

5、費用約34第36卷第4期煤礦安全2005年4月論。“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(dǎo)水破壞帶)h1; 保護帶h2; 承壓水導(dǎo)升帶h3,如圖1所示。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(jié)構(gòu)面的再擴展。工程采動能夠引發(fā)原結(jié)構(gòu)面的再次擴展。由于結(jié)構(gòu)面本身物理性狀的差異性,其擴展后導(dǎo)水性能不盡相同,根據(jù)涌水量的變化情況,裂

6、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、長軸方向拉伸的礦壓作用,充填物多;受力后裂隙壓縮,涌水量逐漸減少;定的角度,受力不均,成一定的角度,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

7、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(jié)構(gòu)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(yán)重破壞了底板巖體的完整性,當(dāng)它們與含水層(或承壓水導(dǎo)升帶或?qū)當(dāng)鄬?溝通,可發(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(guān)。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(jié)構(gòu)等;后者的影響因素有底板巖性、巖體結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征等。2.2突水形成條件分布,但起主要保護作。如果由于開采礦壓破壞和水壓的

8、導(dǎo)升作用,造成 帶消失或變薄,或由于構(gòu)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(dǎo)升帶h3,或h1涉及到承壓含水層(無導(dǎo)升帶h3時),礦壓產(chǎn)生的底板破壞帶使原巖裂隙結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面,具有一定壓力的承壓水沿著裂隙上升,沖刷結(jié)構(gòu)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(dǎo)升帶h3,或h1與承壓含水層(無導(dǎo)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

9、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承壓水突破煤柱進入工作面。因此,保留足夠?qū)挾鹊母綦x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(guān)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連通發(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的安全距離。3開采對底板破壞深度計算自20世紀(jì)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”理目前,我國普遍采用突

10、水系數(shù)衡量承壓開采時35第36卷第4期煤礦安全2005年4月(2)從位置上看,多數(shù)突水點離切眼的距離為初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(m-hp)Ts=p 式中Ts突水系數(shù);p承壓水壓力;d底板保護層厚度;hp采動破壞帶深度。其中p,d兩個指標(biāo)容易準(zhǔn)確獲取,而hp值不宜準(zhǔn)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(jié)果,取其最大值。222h1=1.57HL 4Rc,h1=(n+1)H 2(cot50- 2+5)- tan50-mH,h1=0.015Hcos5

11、0 2cos4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2070m,而且絕大多數(shù)在40m以內(nèi)。在工作面傾斜位置上,多發(fā)生在工作面下巷附近。(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)從隔水層厚度來看,一般為2040m,而開采礦壓對煤層底板的破壞深度一般為620m。帶壓開采導(dǎo)致突水的原因是多方面的,而地質(zhì)構(gòu)造是突水的控制因素;礦山壓力是觸發(fā)與誘導(dǎo)因素,起到橋梁的作用;條件(),;而底。:1中國煤田地質(zhì)總局.中國煤田水文地質(zhì)學(xué).北京:M煤工業(yè)出版社,20012張淵.開采礦壓對底板的損傷破壞及其對突水的誘

12、發(fā)作用.太原理工大學(xué)學(xué)報.2002,(5):33-3J3旋龍青,宋振騏.采場底板突水條件及位置分析.煤J田地質(zhì)與勘探,1999,(5):49-524劉聽成.采場礦山壓力講義.西安:西安礦業(yè)學(xué)院,Z1992exp40式中h1,m;m最大支承壓力系數(shù);底板巖體平均容重,kg m;H采深,m;L工作面斜長,m;底板巖體平均內(nèi)聚力,MPa;)。50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(fù)相關(guān)系數(shù)為0.95):h1=0.111L+0.006H+4.541c5邵愛軍,等.礦坑底板突水的突變模型研究.巖土工J程學(xué)報,20016白晨光,等.承壓水底板關(guān)鍵層失穩(wěn)的尖端突變模型.煤炭學(xué)報,