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害同時發(fā)生。這是采礦和采礦生產(chǎn)過程中最重要的安全災難之一。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,即地質構造底板破壞性突水和采礦擾動底板破壞性突水。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與方法,對于現(xiàn)代礦井的建設與開采具有更加重要的意義。1礦井突水機理煤礦底板突水是指礦山在建設開發(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,給礦山建設和生產(chǎn)帶來不利影響和災害的過程,其突水機理是: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)時間受周圍水源和補給路徑的控制。2地質構造底部的高度2.1斷層突水的特點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,它的突水性遠遠大于一般的斷裂,因為斷層既是一個含水體又是一個導水通道。由于其導儲水性在空間上的復雜性,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:水量大,破壞性強,突發(fā)性強,一般突水后礦井無法恢復。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雜化,所以,對于斷層的研究不能以局部特性代替整體性質。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,周圍巖層就會不斷溶解,從而形成具有不同特點的儲水空間和導水通道。溶巖不僅破壞了巖石的整體性,而且使得整個地下水形成網(wǎng)狀、聯(lián)通的含水體系。其突水的特點:突水性強、破壞性強、突水持續(xù)時間長、突水頻率高等。下面通過箱體模型說明其突水的特點,見圖1。有4個水箱A、B、C、D,水箱的大小表示儲水量的大小,箭頭表示水流的方向,箭頭的粗細表示水流動的難易程度,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)和大的溶巖儲水體(溶巖陷落柱和大的溶洞),主要以儲水為主,導水為次,用A表示;小的裂隙(斷裂)和溶巖導水體(溶穴),主要以導水為主,儲水為次,用B表示,C和A性質類似,但其儲水能力較小;D和B性質類似,其導水能力較小。現(xiàn)用A、B、C、D箱建立地下水的補給、徑流、排泄模型,通過4個水箱可以看出4個儲水帶(帶水通道)間的水位、徑流及補給等關系?，F(xiàn)以A、B、C、D類分析其突水特點:1)A類底板突水:一般出現(xiàn)在溶巖發(fā)育或地質作用較強的地段,距離地表的距離較小,其補給來源主要是大氣降水、地表水等。儲水能力很強,受B、C類水源補給的能力較弱,見圖2(a),突發(fā)性很強、破壞性極強、突水時間較短。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,其導水能力很強,突水時主要受到A類水源的補給,見圖2(b),破壞性較、強突水時間強。3)C類底板突水:一般出現(xiàn)在奧陶紀等灰?guī)r含水層中,距離地表較深,儲水能力較強,突水是直接受B,D類水源補給,間接受A類水源的補給,見圖2(c),破壞性很強、突發(fā)性極強、突水時間很長。4)D類地板突水:一般出現(xiàn)在地下水排泄的地段,由于儲水能力較小、補給的滯后性等特點,見圖2(d),突水時破壞性很小。3計算最小破壞深度煤層開采破壞了原始的應力平衡。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力重新分布,這種應力分布不僅僅在回采空間周圍煤體中集中,還會向底板深部進行傳遞,在底板巖層一定范圍內重新分布,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。采動破壞最大深度(h1)的計算,見圖3。圖3中:h1—底板最大破壞深度;ψ—內摩擦角;r—以a為原點與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,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礦井水害防治技術為了保障礦井建設和生產(chǎn)正常進行,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防和治理技術,統(tǒng)稱為礦井水害防治技術。礦井水害的防治必須堅持“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”,即“預防為主,防治結合”的原則。并依據(jù)不同礦井或采區(qū)的具體水文地質條件,合理的選擇相應的方法和技術進行綜合治理。近年來,有關礦井水害防治技術的研究層出不窮,主要包括:礦井水文地質條件探測、礦井水害預測、井下探放水、疏水降壓、注漿堵截、留設防水煤柱等。下面就國內目前主要的防治措施進行概述。1礦井水文地質a)查明礦區(qū)充水條件、地下水補給條件和地質條件。b)建立健全水文地質動態(tài)觀測系統(tǒng)。c)改進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)化開采設計、改變采煤方法。f)合理留設防水煤柱。g)構筑放水閘門,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、產(chǎn)生的原因及其礦井生產(chǎn)對底板突水安全防范技術的基本要求,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,工作面設備的機械化,經(jīng)典的淺部開采經(jīng)驗公式已經(jīng)不再適合現(xiàn)代礦井的建設與生產(chǎn)。2)加強對新的采礦條件下,煤層隔水底板防突水效應的研究。由于地質構造的原因,石炭二疊紀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重,對礦井的建設與生產(chǎn)造成了極大的威脅。因此,傳統(tǒng)的堵、截等被動防治方法已經(jīng)不足以應對其危害。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,礦井的開采建設忽視以致浪費了地下水巨大能量的利用價值;另一方面,礦井的開采建設極大地破壞污染了地下水系,使地下水水質變差,且水位大幅度下降。