煤礦底板突水的類型及防治

煤礦底板突水的類型及防治

采礦底板和采礦壓采等災(zāi)害同時(shí)發(fā)生。這是采礦和采礦生產(chǎn)過程中最重要的安全災(zāi)難之一。這種有害的破壞給國家和人民帶來了巨大的人身傷害和經(jīng)濟(jì)損失。煤礦底板突水主要受含水層的富水性和透水性、隔水層的隔水性、地下裂隙的導(dǎo)通性、地下水系的連通性、靜水壓力和礦山壓力等因素的共同影響。根據(jù)突水原因可將其分為兩類,即地質(zhì)構(gòu)造底板破壞性突水和采礦擾動(dòng)底板破壞性突水。近年來,隨著開采深度和工作面開采空間尺度的不斷變化,底板突水形成機(jī)理及其破壞性都與過去有了很大的不同。因此,尋求新的礦井底板突水防治技術(shù)與方法,對于現(xiàn)代礦井的建設(shè)與開采具有更加重要的意義。1礦井突水機(jī)理煤礦底板突水是指礦山在建設(shè)開發(fā)過程中,不同形式、不同水源的水通過某種途徑從地板突入礦井,給礦山建設(shè)和生產(chǎn)帶來不利影響和災(zāi)害的過程,其突水機(jī)理是:一定條件下,在靜水壓力和礦山壓力的影響下地板巖層裂紋發(fā)育并延伸,使隔水層巖層聚集大量的能量,當(dāng)集聚的能量超過隔水層巖層的承受能力,隔水層巖層從某一弱面破斷,從而使含水層水在水壓的作用下沿破斷裂隙涌入礦井的過程。一般突水的大小主要取決于水壓;突水的難易程度主要受隔水層的影響;突水的持續(xù)時(shí)間受周圍水源和補(bǔ)給路徑的控制。2地質(zhì)構(gòu)造底部的高度2.1斷層突水的特點(diǎn)斷裂是巖石受到某一力的作用而發(fā)生的大變形,按其受力分為拉、扭、壓三類,一般張性斷裂突水性大于壓性斷裂突水性,扭性斷裂突水性居于兩者之間。斷層是斷裂的一種特殊形式,它的突水性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般的斷裂,因?yàn)閿鄬蛹仁且粋€(gè)含水體又是一個(gè)導(dǎo)水通道。由于其導(dǎo)儲(chǔ)水性在空間上的復(fù)雜性,通常以斷層兩盤的巖性來判斷其突水性的大小,見表1。斷層突水的特點(diǎn):水量大,破壞性強(qiáng),突發(fā)性強(qiáng),一般突水后礦井無法恢復(fù)。斷層產(chǎn)狀、規(guī)模及其水文條件在空間上的差異,使斷層突水研究高度復(fù)雜化,所以,對于斷層的研究不能以局部特性代替整體性質(zhì)。2.2集水單元模型裂隙是巖石在成巖過程中或是后期受到外力而產(chǎn)生的一些裂痕、縫隙,其含水性和透水性相對而言比較小,但裂隙給巖溶的發(fā)育創(chuàng)造了很好的條件。溶巖一旦在裂隙中發(fā)育,由于受巖溶水的侵蝕作用,周圍巖層就會(huì)不斷溶解,從而形成具有不同特點(diǎn)的儲(chǔ)水空間和導(dǎo)水通道。溶巖不僅破壞了巖石的整體性,而且使得整個(gè)地下水形成網(wǎng)狀、聯(lián)通的含水體系。其突水的特點(diǎn):突水性強(qiáng)、破壞性強(qiáng)、突水持續(xù)時(shí)間長、突水頻率高等。下面通過箱體模型說明其突水的特點(diǎn),見圖1。有4個(gè)水箱A、B、C、D,水箱的大小表示儲(chǔ)水量的大小,箭頭表示水流的方向,箭頭的粗細(xì)表示水流動(dòng)的難易程度,粗箭頭處水容易排泄,水箱水位表示地下水的平均水位。大的裂隙(斷層)和大的溶巖儲(chǔ)水體(溶巖陷落柱和大的溶洞),主要以儲(chǔ)水為主,導(dǎo)水為次,用A表示;小的裂隙(斷裂)和溶巖導(dǎo)水體(溶穴),主要以導(dǎo)水為主,儲(chǔ)水為次,用B表示,C和A性質(zhì)類似,但其儲(chǔ)水能力較小;D和B性質(zhì)類似,其導(dǎo)水能力較小?，F(xiàn)用A、B、C、D箱建立地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄模型,通過4個(gè)水箱可以看出4個(gè)儲(chǔ)水帶(帶水通道)間的水位、徑流及補(bǔ)給等關(guān)系?，F(xiàn)以A、B、C、D類分析其突水特點(diǎn):1)A類底板突水:一般出現(xiàn)在溶巖發(fā)育或地質(zhì)作用較強(qiáng)的地段,距離地表的距離較小,其補(bǔ)給來源主要是大氣降水、地表水等。儲(chǔ)水能力很強(qiáng),受B、C類水源補(bǔ)給的能力較弱,見圖2(a),突發(fā)性很強(qiáng)、破壞性極強(qiáng)、突水時(shí)間較短。2)B類底板突水:一般出現(xiàn)在裂隙密集或溶巖較發(fā)育地段,其導(dǎo)水能力很強(qiáng),突水時(shí)主要受到A類水源的補(bǔ)給,見圖2(b),破壞性較、強(qiáng)突水時(shí)間強(qiáng)。3)C類底板突水:一般出現(xiàn)在奧陶紀(jì)等灰?guī)r含水層中,距離地表較深,儲(chǔ)水能力較強(qiáng),突水是直接受B,D類水源補(bǔ)給,間接受A類水源的補(bǔ)給,見圖2(c),破壞性很強(qiáng)、突發(fā)性極強(qiáng)、突水時(shí)間很長。4)D類地板突水:一般出現(xiàn)在地下水排泄的地段,由于儲(chǔ)水能力較小、補(bǔ)給的滯后性等特點(diǎn),見圖2(d),突水時(shí)破壞性很小。3計(jì)算最小破壞深度煤層開采破壞了原始的應(yīng)力平衡。工作面從開切眼開始回采,在回采過程中引起回采空間的應(yīng)力重新分布,這種應(yīng)力分布不僅僅在回采空間周圍煤體中集中,還會(huì)向底板深部進(jìn)行傳遞,在底板巖層一定范圍內(nèi)重新分布,它不僅改變了底板巖層的受力狀態(tài),而且影響了底板巖層導(dǎo)水裂隙的發(fā)育情況,很大程度上決定了底板突水能力的大小。采動(dòng)破壞最大深度(h1)的計(jì)算,見圖3。圖3中:h1—底板最大破壞深度;ψ—內(nèi)摩擦角;r—以a為原點(diǎn)與ab成α角的螺線半徑:r0—ab的長度;α—為r與r0之間的夾角。由圖3可知:r=r0×eα×tanψθ=π2?[π2?α+(π4?ψ2)]h1=r×cosθh1=r0×eα×tanψ×cosθr0=L2cos(π4+ψ2)h1=r0×eα×tanψ×cos(α+ψ2?π4)r=r0×eα×tanψθ=π2-[π2-α+(π4-ψ2)]h1=r×cosθh1=r0×eα×tanψ×cosθr0=L2cos(π4+ψ2)h1=r0×eα×tanψ×cos(α+ψ2-π4)若取dh1dα=0dh1dα=0時(shí),即可求得最大深度。dh1dα=r0×eα×tanψ×cos(α+ψ2?π4)×tanψ?r0×eα×tanψ×sin(α+ψ2?π4)=0dh1dα=r0×eα×tanψ×cos(α+ψ2-π4)×tanψ-r0×eα×tanψ×sin(α+ψ2-π4)=0即:tanψ=tan(α+ψ2?π4)tanψ=tan(α+ψ2-π4)得:h1(max)=L×cosθ2cos(π4+ψ2)×e(π4+ψ2)×tanψh1(max)=L×cosθ2cos(π4+ψ2)×e(π4+ψ2)×tanψ4礦井水害防治技術(shù)為了保障礦井建設(shè)和生產(chǎn)正常進(jìn)行,保證煤礦工人的人身安全,降低礦井水害發(fā)生的概率和危害程度所采取的預(yù)防和治理技術(shù),統(tǒng)稱為礦井水害防治技術(shù)。礦井水害的防治必須堅(jiān)持“預(yù)測預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”,即“預(yù)防為主,防治結(jié)合”的原則。并依據(jù)不同礦井或采區(qū)的具體水文地質(zhì)條件,合理的選擇相應(yīng)的方法和技術(shù)進(jìn)行綜合治理。近年來,有關(guān)礦井水害防治技術(shù)的研究層出不窮,主要包括:礦井水文地質(zhì)條件探測、礦井水害預(yù)測、井下探放水、疏水降壓、注漿堵截、留設(shè)防水煤柱等。下面就國內(nèi)目前主要的防治措施進(jìn)行概述。1礦井水文地質(zhì)a)查明礦區(qū)充水條件、地下水補(bǔ)給條件和地質(zhì)條件。b)建立健全水文地質(zhì)動(dòng)態(tài)觀測系統(tǒng)。c)改進(jìn)完善礦井防排水系統(tǒng)。d)地面修筑防排水工程,防滲堵漏。e)優(yōu)化開采設(shè)計(jì)、改變采煤方法。f)合理留設(shè)防水煤柱。g)構(gòu)筑放水閘門,分區(qū)隔離開采。2“管理”主要包括a)利用底板隔水層帶壓開采。b)注漿工藝的合理選擇與利用。c)疏水降壓工程。d)探放水工程。5現(xiàn)代礦井開采環(huán)境現(xiàn)代意義根據(jù)我國煤礦底板突水事故的特點(diǎn)、產(chǎn)生的原因及其礦井生產(chǎn)對底板突水安全防范技術(shù)的基本要求,煤礦底板突水所面臨的問題如下:1)尋求對新的采礦條件下底板突水機(jī)理的研究。近年來由于采深的加大,工作面尺寸的變化,工作面設(shè)備的機(jī)械化,經(jīng)典的淺部開采經(jīng)驗(yàn)公式已經(jīng)不再適合現(xiàn)代礦井的建設(shè)與生產(chǎn)。2)加強(qiáng)對新的采礦條件下,煤層隔水底板防突水效應(yīng)的研究。由于地質(zhì)構(gòu)造的原因,石炭二疊紀(jì)的煤層直接形成于奧灰?guī)r之上,隨著現(xiàn)代礦井采深的不斷加大,奧灰水的突出情況越來越嚴(yán)重,對礦井的建設(shè)與生產(chǎn)造成了極大的威脅。因此,傳統(tǒng)的堵、截等被動(dòng)防治方法已經(jīng)不足以應(yīng)對其危害。3)從礦井生產(chǎn)安全角度看,地下水由于其含有巨大的能量而給生產(chǎn)帶來了極大的安全隱患;從環(huán)境的角度看,一方面,礦井的開采建設(shè)忽視以致浪費(fèi)了地下水巨大能量的利用價(jià)值;另一方面,礦井的開采建設(shè)極大地破壞污染了地下水系,使地下水水質(zhì)變差,且水位大幅度下降。