礦井突水防治方法研究

礦井突水防治方法研究

水害是煤礦的主要災(zāi)害之一。由于中國(guó)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地質(zhì)條件多樣，對(duì)井突水的控制因素和機(jī)制變化多樣，這是一個(gè)使得中國(guó)煤炭開采面臨許多問題。對(duì)此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后提出了斯列薩列夫公式法、突水系數(shù)法、模糊綜合評(píng)判法和灰色理論模型法等一系列方法。隨著礦井水害預(yù)測(cè)理論的不斷完善,在此基礎(chǔ)上又提出了三圖-雙預(yù)測(cè)法和脆弱性指數(shù)法等先進(jìn)性評(píng)價(jià)方法。這些方法的提出對(duì)于礦井突水預(yù)測(cè)與防治具有重大理論意義和實(shí)踐價(jià)值。1巷道底板安全厚度計(jì)算蘇聯(lián)學(xué)者斯列薩列夫在研究了煤層底板在承壓水作用下的破壞機(jī)制后,利用材料力學(xué)中的超靜定梁原理,將底板視為超靜定梁(即兩端固定,荷載均勻分布的梁),結(jié)合強(qiáng)度理論,推導(dǎo)出了在一定水壓下的隔水層底板安全厚度的計(jì)算公式:其中,t安為安全厚度,即巷道底板所能承受一定水壓的最大厚度,m;L為巷道寬度,m;KP為底板隔水層抗張強(qiáng)度,10-2MPa;γ為底板隔水層的平均重度,MN/m3;H為作用于巷道底板的實(shí)際水壓,MPa。若t安<t實(shí),則說明巷道底板安全,一般不會(huì)發(fā)生底板突水;若t安>t實(shí),說明巷道底板不安全,可能發(fā)生底板突水。2礦井突水的底板隔水層底板裂隙帶t突水系數(shù)法是國(guó)內(nèi)學(xué)者20世紀(jì)六十年代提出的一種底板突水性評(píng)價(jià)方法,它是經(jīng)過綜合分析全國(guó)的突水實(shí)例而總結(jié)提出的,屬于經(jīng)驗(yàn)公式法,這種方法一直沿用至今。具體表達(dá)式為:其中,T為突水系數(shù),指單位隔水層所承受的水壓值,MPa/m;P為含水層水壓值,MPa;M為底板隔水層厚度,m。若突水系數(shù)T小于臨界突水系數(shù)Ts,則說明隔水層底板穩(wěn)定,不會(huì)發(fā)生突水現(xiàn)象;否則發(fā)生突水。其中臨界突水系數(shù)Ts是在對(duì)全國(guó)大量礦井突水資料統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上得出的,一般取值為0.060~0.100MPa/m。由于上述公式?jīng)]考慮底板采動(dòng)裂隙帶深度對(duì)隔水層隔水效果的影響,西安煤科院緊接著提出了新的修改公式T=P/(M-CP),CP是指由于礦壓造成的底板采動(dòng)裂隙帶的深度。國(guó)外學(xué)者還注意到不同巖性的底板隔水性能的差異,從而以泥巖抗水壓能力為衡量標(biāo)準(zhǔn),將其他巖性隔水層厚度換算成為泥巖厚度,這樣,換算后的等效厚度值既有厚度概念也有強(qiáng)度概念,具體表達(dá)為TS=P/∑(Miai-Cp),此式比以往的公式較全面地反映了煤層底板突水因素對(duì)煤層底板突水的影響作用。3煤層頂板水害防治方法“三圖-雙預(yù)測(cè)法”是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)水害防治專家武強(qiáng)教授根據(jù)多年工作實(shí)踐和研究經(jīng)驗(yàn)提出的,該方法是一種解決煤層頂板充水水源、充水通道和充水強(qiáng)度三大問題的頂板水害定量評(píng)價(jià)方法。3.1頂板冒落安全分區(qū)圖的編制(1)頂板充水含水層富水性分區(qū)圖:頂板充水含水層富水性分區(qū)圖是通過綜合分析含水層的各個(gè)主控因素,然后根據(jù)多源信息復(fù)合疊加原理,運(yùn)用GIS將各主控因素?cái)?shù)據(jù)歸一化和消除量綱后,最終根據(jù)各自的權(quán)重進(jìn)行疊加編制而成。(2)頂板冒落安全性分區(qū)圖:煤層的開采引起了頂板覆巖的破壞以及地應(yīng)力的重新分布,導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是煤層開采頂板突水的基礎(chǔ),其高度一般采用經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬來進(jìn)行評(píng)價(jià),也可以通過井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行確定。頂板冒落安全性分區(qū)圖,是根據(jù)頂板導(dǎo)水裂隙帶加保護(hù)層總高度與煤層和含水層之間覆巖厚度之差所繪制的圖。(3)頂板突水條件綜合分區(qū)圖:頂板突水條件綜合分區(qū)圖是將頂板充水含水層富水性分區(qū)圖和頂板冒落安全性分區(qū)圖,運(yùn)用GIS的多源信息復(fù)合疊加功能疊加處理后編制而成的圖。3.2工作面涌水量預(yù)測(cè)模型首先在建立頂板突水量預(yù)測(cè)的水文地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上,應(yīng)用VisualModflow軟件建立三維數(shù)值模擬模型,然后利用現(xiàn)有的工作面突水資料對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別、反演和校正,當(dāng)擬合結(jié)果達(dá)到相關(guān)精度要求后,運(yùn)用VisualModflow軟件中的ZoneBudget功能模塊,根據(jù)采煤工作面周期來壓步距,對(duì)頂板充水含水層人工改造前后回采工作面分段和整體工程涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。4在確定數(shù)學(xué)方法上的應(yīng)用脆弱性指數(shù)法是一種新型的煤層底板突水評(píng)價(jià)方法,是由武強(qiáng)教授于上世紀(jì)末提出的。該方法通過GIS與可以確定多種主控因素權(quán)重的信息融合方法的耦合來實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層底板的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。其具體評(píng)價(jià)步驟如下:確定煤層底板突水主控因素、應(yīng)用GIS建立各個(gè)主控因素的專題圖層、確定煤層底板突水各主控因素的權(quán)重、建立煤層底板突水脆弱性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型、確定突水脆弱性分區(qū)閥值、提出底板突水脆弱性分區(qū)方案。其中確定各主控因素的權(quán)重是根據(jù)信息融合理論,應(yīng)用線性或非線性的數(shù)學(xué)方法來確定,這些數(shù)學(xué)方法主要包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(ANN)、Logistic回歸法、證據(jù)權(quán)法、層次分析法(AHP)等,而最常用的就是,對(duì)于存在不確定因素的問題,層次分析法有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。下面以基于層次分析(AHP)型脆弱性指數(shù)法為例介紹脆弱性指數(shù)法的評(píng)價(jià)原理和步驟。層次分析法基本原理是在評(píng)價(jià)一個(gè)復(fù)雜因素構(gòu)成的系統(tǒng)時(shí),可以根據(jù)各因素間的從屬關(guān)系,建立層次結(jié)構(gòu)模型,一般包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和決策層。通過構(gòu)造判斷矩陣將定性問題轉(zhuǎn)化為定量問題,根據(jù)判斷矩陣得出決策層每一個(gè)因素相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重大小,最后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。當(dāng)一致性檢驗(yàn)后總排序一致性可以接受時(shí),便可確定各個(gè)因素的最終權(quán)重。利用基于層次分析(AHP)型脆弱性指數(shù)法進(jìn)行分析時(shí),首先確定影響煤層底板突水性的主控因素,以GIS為操作平臺(tái),利用GIS強(qiáng)大的空間信息分析處理功能,對(duì)各主控因素的變化規(guī)律進(jìn)行分析,然后進(jìn)行復(fù)合疊加處理,得出各主控因素的專題圖層;利用層次分析法(AHP)確定煤層底板突水各主控因素對(duì)底板突水的貢獻(xiàn)即權(quán)重,建立煤層底板突水脆弱性層次結(jié)構(gòu)模型;根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)已知的大量突水樣本以及涌水樣本,在模型反演識(shí)別后,確立煤層底板突水脆弱性評(píng)價(jià)模型,然后得出煤層底板突水脆弱性指數(shù),根據(jù)各個(gè)區(qū)域的脆弱性指數(shù)值確定出突水脆弱性分區(qū)閥值,最后通過GIS的綜合分析,提出研究區(qū)域煤層底板突水脆弱型分區(qū)方案。5建立評(píng)價(jià)模型模糊綜合評(píng)判法是應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則,綜合考慮被評(píng)判事物或其屬性的相關(guān)因素之后,從評(píng)價(jià)集中得出一個(gè)最佳的結(jié)果,進(jìn)而對(duì)某事物進(jìn)行等級(jí)或類別評(píng)價(jià)的方法。我國(guó)學(xué)者王樹元首先提出將此方法應(yīng)用于多重因素影響控制的煤層底板突水預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)上,為底板突水評(píng)價(jià)的相關(guān)研究提供了一定的借鑒。其具體應(yīng)用步驟為:(1)確定因素集:因素集由影響底板突水的各種主控因素所組成的普通集合,U=(U1,U2,U3…Un)。(2)確定權(quán)重集:建立由各主控因素在煤層底板突水中所占權(quán)重的集合,A=(A1,A2,A3…An)。(3)確定評(píng)價(jià)集:評(píng)價(jià)集是指各種可能的總評(píng)價(jià)結(jié)果組成的集合,V=(V1,V2,V3…Vn)。(4)建立模糊評(píng)判矩陣:模糊評(píng)判矩陣建立的基礎(chǔ)是模糊集隸屬函數(shù)的確定。對(duì)定量指標(biāo),選用較為簡(jiǎn)便的降半梯形分布函數(shù)以確定隸屬函數(shù)。對(duì)于定性指標(biāo),通過線性插值的方法確定其隸屬函數(shù)。然后在隸屬函數(shù)的基礎(chǔ)上可以導(dǎo)出模糊評(píng)判矩陣:R=[rij]n×m。其中R為模糊關(guān)系矩陣;rij為第i個(gè)因素對(duì)第j個(gè)因素的隸屬度(由隸屬函數(shù)求得)。(5)模糊綜合評(píng)判:模糊綜合評(píng)判數(shù)學(xué)模型的基本形式為B=A·R。其中,A為第二步所確定的各個(gè)權(quán)重元素組成的1×n階行矩陣,R為第四步確定的n×m階模糊關(guān)系矩陣;B為最終得出的綜合評(píng)判結(jié)果。最后再根據(jù)最大隸屬度原則就可以得出所要的評(píng)判結(jié)果。6設(shè)置水害時(shí)間關(guān)聯(lián)模型我國(guó)學(xué)者許延春于上世紀(jì)末首先將灰色理論的基本模型—GM(1,1)模型應(yīng)用于礦井水害預(yù)測(cè),該模型通過對(duì)已發(fā)生水害波形特征的研究來預(yù)測(cè)未來變化的波形。首先搜集整理大量已知的突水資料,建立災(zāi)害類別與時(shí)間的關(guān)系曲線,形成薄層灰?guī)r和地表、松散層水害的波形圖。以半年為一個(gè)預(yù)測(cè)時(shí)間段,選取若干水害類別閥值,分別作災(zāi)害映射,得到水害時(shí)間集合。然后建立GM(1,1)模型,其具體做法是分別建立薄層灰?guī)r和地表、松散層水災(zāi)類型各閥值的預(yù)測(cè)模型群,如下式:其中Xi(k+1)為第k+1個(gè)時(shí)間序列因子;Ai,Bi,Ci分別為第i閥值的模型系數(shù)。按照上述預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)一定區(qū)間內(nèi)的水害的時(shí)間段,可以得到各閥值對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)時(shí)間集。將各時(shí)間因子置于前面建立的災(zāi)害類別與時(shí)間關(guān)系的坐標(biāo)系內(nèi),便可形成預(yù)測(cè)水災(zāi)波形,從而對(duì)水害發(fā)生的時(shí)間和程度進(jìn)行預(yù)測(cè)。7底板突水的定量評(píng)價(jià)(1)突水系數(shù)法屬于經(jīng)驗(yàn)公式法,在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)一直是底板突水的主要預(yù)測(cè)方法,然而,煤層底板突水是一種非常復(fù)雜的受控于多種因素的非線性動(dòng)力現(xiàn)象,而突水系數(shù)法只考慮了含水層水壓和隔水層厚度兩個(gè)因素,沒有分析煤層底板突水的非線性動(dòng)力特征和突水過程。另外,由于臨界突水系數(shù)的統(tǒng)計(jì)中有80%以上屬于斷層突水,所以臨界突水系數(shù)主要反映的是斷層等薄弱構(gòu)造帶的突水條件,當(dāng)用于預(yù)測(cè)正常底板時(shí),其數(shù)值往往偏小,這對(duì)煤礦深部開采有一定的束縛和限制作用。因此,突水系數(shù)法評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際存在一定的偏差。(2)煤層頂板水的防治在過去一直是通過留設(shè)防水煤柱予以實(shí)現(xiàn),但是隨著開采深度的增加,由頂板冒落溝通含水層引起的頂板突水事故逐漸增多,因此三圖-雙預(yù)測(cè)法的提出便實(shí)現(xiàn)了頂板突水的定量評(píng)價(jià)。(3)模糊綜