地下礦山水害防治水技術(shù)研究

地下礦山水害防治水技術(shù)研究

1煤炭礦井的分布各種地表水和地下水通過一定的滲透通道流入或入侵采礦場地，影響礦山的正常生產(chǎn)，甚至發(fā)生嚴重事件。目前，中國各地都在開采各種地下礦山。礦井突水是嚴重威脅井下工作人員生命安全的礦井災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計,我國受水害威脅的礦井,僅煤炭礦井就有200多個,核定生產(chǎn)能力超過1000×104t/a。這些礦井大多集中分布在河北、河南、山東、安徽等6省的開灤、焦作、淄博、淮南等礦區(qū)。這些礦區(qū)大多屬石炭二疊系煤系地層,基巖為奧陶紀或寒武紀石灰?guī)r的富水巖層,水文地質(zhì)條件復(fù)雜,而且這些礦區(qū)的開發(fā)歷史悠久,淺部煤層開采的老煤窯星羅棋布,加上近年來新出現(xiàn)的小煤窯,給礦區(qū)的防治水工作帶來了極大的困難。礦井透水事故是在一定的礦床(煤層)賦存條件和開采技術(shù)條件的有機配合下發(fā)生的,這些條件中,礦井涌水水源和滲透通道是最重要的2個因素,二者的各自條件不同以及配合關(guān)系不同,所造成的地下礦山水害的發(fā)生形式及其危害、以及為防止水害發(fā)生所采取的防治措施等也不盡相同,因此,劃分礦山水害類型,并針對不同類型的礦山水害提出相應(yīng)的防治措施就成為礦山防治水工作的關(guān)鍵問題之一。2可能新形式分析根據(jù)涌水水源和滲透通道的配合關(guān)系不同,地下礦井水害有透地表水、透頂部表土層或基巖含水層水、斷層透水、鉆孔透水、陷落柱透水、老空區(qū)透水(包括鄰礦透水)和底板承壓水突出等7種基本的可能形式。從空間關(guān)系上看,7種透水方式又可歸納為頂部透水、同層位透水和底部突水等3種透水類型。2.1地表體內(nèi)滲透水層或地面下透水層由于斷層的影響,使礦床或煤層局部位于富含水層之下時;礦床露頭直接為疏松含水層所覆蓋,或位于地表水體之下時;當(dāng)?shù)V床或煤層直接與強含水層或?qū)當(dāng)鄬咏佑|,并局部被覆蓋時,都可能形成頂部透水,如圖1至圖3所示。以上所述的幾種透水方式的共同特點是,涌水水源位于地下采掘工作空間的上方,主要通過位于上方的滲透通道突入采掘工作空間,形成頂部透水事故。2.2同層位滲透通道受斷層的影響,使礦床或煤層與富含水層接觸(但無局部覆蓋);或直接與充水?dāng)鄬?、充水陷落柱、透水鉆孔,以及老空區(qū)隔離礦柱或鄰礦隔離礦柱接觸時,處于同一層位上的涌水水源可以通過各種形式的同層位滲透通道,突入采掘工作空間,形成同層位透水,如圖4至圖8所示。2.3礦井透水事故原理及采動地壓對底板隔水層擾動的分類當(dāng)?shù)V體下部直接賦存有承壓含水層,或由于受到斷層的影響,而使礦體底部和底板的承壓含水層接近時,承壓含水層中的承壓水可能突破礦體和含水層之間的隔水層而突入采掘工作空間,形成底板突水,如圖9至圖10所示。對于第1種情況,關(guān)鍵問題是受承壓水威脅的礦體能否開采,以及開采時如何使采動地壓對底板隔水層的擾動破壞達到最小程度。而后者則需要研究當(dāng)采掘工作接近斷層附近的承壓含水層時,應(yīng)該留設(shè)多寬的保護礦柱,從而使承壓水既不突破隔離礦柱形成同層位透水,也不突破底板隔水層形成底板突水。當(dāng)然,礦井透水事故可能同時具備幾種發(fā)生形式,如上面的圖3和圖10,除分類討論中二者可能分別發(fā)生頂部透水和底板突水事故外,含水層中的水還可能沿著導(dǎo)水?dāng)鄬由?然后突破隔離礦柱涌入采掘工作空間,形成同層位透水。按空間關(guān)系劃分礦井水害類型的目的在于:雖然涌水水源或滲透通道可能不同,但同一類型的礦井透水事故人們所關(guān)心的問題卻基本上是相同的。如考慮斷層順層破壞的透水事故和同層位礦床或煤層中水淹區(qū)或老窯積水區(qū)下開采的透水,同屬于同層位透水,這時的核心問題是隔離礦柱的尺寸是否合理,是否能夠抵抗住側(cè)向水壓力的作用而保證采掘工作空間的安全。3主要防治措施和斷層防水煤柱的保留3.1采礦工業(yè)水措施不同類型的礦井透水事故的防治側(cè)重點和技術(shù)手段雖然有所不同,但總的原則和普遍而有效技術(shù)措施卻是基本一致的,即:通過在采掘工作空間和涌水水源之間留設(shè)一定寬度的隔水巖(煤)柱,利用防水隔離巖(煤)柱的隔水性能來防止水害的出現(xiàn)和蔓延。這也是目前國內(nèi)外地下礦井最常用的防治水措施之一,如圖1至圖10所示。自15世紀比利時首次限定隔水巖柱厚度以來,隨著采礦工業(yè)的發(fā)展,各國日益重視防水巖(煤)柱的留設(shè)問題。美國、波蘭、俄羅斯、匈牙利、英國等許多國家都在19世紀根據(jù)各自的開采經(jīng)驗提出了留設(shè)隔水礦柱尺寸的經(jīng)驗公式。我國各采礦工業(yè)部門也在20世紀80年代前后就分別頒布了相應(yīng)的規(guī)程或規(guī)范,具體規(guī)定了各種防水巖(煤)柱的留設(shè)方法,在指導(dǎo)防水巖(煤)柱尺寸設(shè)計、防止礦井水害等方面都起到了十分積極的重要作用。但是由于礦山地質(zhì)條件的復(fù)雜性和礦體賦存條件的多樣性,以及涌水水源和滲透通道的多變性,加之巖(煤)柱尺寸的設(shè)計方法(經(jīng)驗類比法、圖解法和計算分析法)等缺乏足夠的嚴謹性,考慮因素不全面,未能從根本上揭示防水巖(煤)柱的阻水和破壞機理,使得各國現(xiàn)階段防水巖(煤)柱留設(shè)不合理的現(xiàn)象還時有發(fā)生。要么尺寸偏大,造成資源的無為浪費,要么巖柱尺寸偏小,造成潛在的礦井透水危機。3.2斷層防水煤柱寬度和強制破壞機理透水事故的類型不同,隔水巖(煤)柱的阻水機理和破壞形式也不相同。與之相對應(yīng),各種防水巖(煤)柱的設(shè)計計算方法也不相同。受篇幅限制,這里以煤礦斷層防水煤柱為例,對現(xiàn)階段防水礦柱設(shè)計計算中存在的主要問題進行系統(tǒng)分析。按《礦井水文地質(zhì)規(guī)程(試行)》中的規(guī)定,考慮順層破壞時,斷層防水煤柱的寬度一般是參照公式(1)進行計算的,即:L=0.5?k?M?3P/Kp??????√(1)L=0.5?k?Μ?3Ρ/Κp(1)式中:L為留設(shè)的煤柱寬度,m;M為煤層厚度或采高,m;P為水頭壓力,MPa;Kp為煤的抗拉強度,MPa;k為安全系數(shù),取2~5。顯然該公式是以《材料力學(xué)》梁的彎曲破壞為理論基礎(chǔ),考慮煤體的拉伸破壞而得出的。根據(jù)《材料力學(xué)》理論,長為M的簡支梁上作用有均布荷載P時,梁端所受的彎矩最大為PM/2,而梁中部所受的彎矩最大為PM2/8。在最大彎矩截面上,離中性軸最遠(L/2)處,截面上的最大拉應(yīng)力3PM2/4L2,根據(jù)第一強度理論有:3PM2/4L2≤Kp(2)式中:各符號的意義同前。從而,在考慮一定安全系數(shù)k的情況下,得到斷層防水煤柱寬度的計算公式(1)。通過上面對公式(1)推導(dǎo)過程的分析可以看出,考慮斷層防水煤柱順層破壞時的計算公式存在有下述幾個方面的主要問題。(1)把防水煤柱抽象簡化成梁長為M(煤層厚度或采高)、梁厚為L(煤柱寬度),兩端簡支在頂、底板上的簡支梁,同防水煤柱的實際幾何尺寸不相適宜。梁作為直桿的一種,應(yīng)當(dāng)是縱向尺寸比橫向尺寸大得多的物體的抽象,它所承受的外力是作用線垂直于桿軸線的平衡力系,在這些外力作用下,桿變形的主要形式是任意兩橫截面繞垂直于桿軸線的軸作相對移動,同時桿軸線也將彎曲成曲線,主要形成彎曲變形。而實際上的斷層防水煤柱,寬度L和煤層厚度M的比L/M(分別相當(dāng)于假想梁的橫向尺寸和縱向尺寸)不是很小,而是很大,這同梁的簡化條件L/M相去甚遠,同時,防水煤柱除了受相當(dāng)于橫向力的水壓P作用外,還有礦山壓力、頂?shù)装宓膴A持作用等。因此,把防水煤柱簡化成梁是不合適的。(2)既然把斷層防水煤柱簡化成梁的假設(shè)是不合適的,因此衍生于梁彎曲基礎(chǔ)上的最大拉應(yīng)力超限的破壞準則也不成立。在三向應(yīng)力不等的應(yīng)力狀態(tài)下,隨著側(cè)向應(yīng)力的增加,在煤體極限強度增加的同時,煤體破壞前的變形量也相應(yīng)增大,即煤體的塑性明顯增大。由于煤體和頂、底板之間存在有較大的摩擦阻力,在礦山壓力和水壓力的聯(lián)合作用下,煤體將產(chǎn)生由于壓應(yīng)力的作用而衍生的剪應(yīng)力超限引起的剪切破壞,且破裂面可能不止一個,如圖11所示。因此應(yīng)當(dāng)按剪切強度理論來解釋煤柱的破壞機理,并以此為依據(jù)提出防水煤柱寬度的計算公式。(3)把整個防水煤柱沿寬度L方向全部看成是均勻連續(xù)和各向同性的彈性體也是不合適的。除卻煤體自身的裂隙性、非均質(zhì)性和不連續(xù)性以外,集中應(yīng)力作用下的防水煤柱,實際上沿L方向也將存在不同的物性狀態(tài)。受采掘工作影響,作用在煤柱上的礦山壓力必將產(chǎn)生應(yīng)力重新分布和應(yīng)力集中現(xiàn)象,當(dāng)集中應(yīng)力超過邊緣部分的煤體強度時,必然要引起邊緣的這部分煤體發(fā)生破壞,形成一定范圍的松塌區(qū)和極限平衡區(qū),引起應(yīng)力峰值點的內(nèi)移。使整個防水煤柱有松塌區(qū)、極限平衡區(qū)和彈性區(qū)等3個不同區(qū)域。區(qū)分防水煤柱不同區(qū)域的物性狀態(tài)是很重要的。因為處于松塌區(qū)和極限平衡區(qū)的煤體中,存在有大量的次生采動裂隙,相當(dāng)于加寬了裂隙區(qū)煤體的滲透通道,增大了煤體的滲透系數(shù),降低了煤體的滲透阻力,同時煤體自身的強度以及抵抗沖擊破壞的能力也將大大降低。(4)無論巖石還是煤體,都存在著浸水后強度降低的強度軟化性質(zhì),軟化程度和煤巖體中親水性礦物、易溶性礦物的含量、裂隙孔隙的發(fā)育情況以及浸水時間的長短等因素有關(guān),由于斷層防水煤柱就是要保證其受水長期浸泡時的穩(wěn)定性,從而起到防隔水作用,因此應(yīng)當(dāng)充分考慮壓力水作用的煤體強度降低問題。防水煤柱實際上是由結(jié)構(gòu)體(煤塊)和結(jié)構(gòu)面(各種形式的節(jié)理、裂隙)組成天然煤體,顯然由于結(jié)構(gòu)面的存在,煤體的強度必然低于煤塊的強度,煤體中的結(jié)構(gòu)面越發(fā)育,二者之間的強度差距就越大。所以在裂隙比較發(fā)育的煤體中留設(shè)防水煤柱時,應(yīng)當(dāng)用煤體強度作為各種設(shè)計計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。除上述重點討論的一些主要問題外,現(xiàn)行的斷層防水煤柱寬度計算中還存在著沒有充分考慮裂隙煤體與壓力水的相互作用與相互影響,以及頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu)、煤柱埋藏深度等引起的礦山壓力不同而影響合理的煤柱寬度等問題。因此,防治礦井水害的發(fā)生與曼延仍將是采礦工作者未來很長一段的歷史時期內(nèi)重點研究的課題之一。4涌水水源和滲透通道的影響(1)礦井涌水水源和滲透通道及其匹配關(guān)系是決定地下礦山水害類型及其危害的主要因素之一。根據(jù)涌水水源和滲透通道的匹配關(guān)系,地下礦山水害有透地表水、透頂部表土層或基巖含水層水、斷層透水、鉆孔透水、陷落柱透水、老空區(qū)透水(包括鄰礦透水)和底板承壓水突出等7種基本的可能形式。(2)從涌水水源和滲透通道與采掘工作空間的空間關(guān)系入手,可以把7種可能的透水形式歸納為頂部透水、同層位透水和底部突水等3種透水類型。同一類型礦井水害的涌水水源或滲透通道可能不同,但對相同類型突水事故所采取的防治措施及要解決的關(guān)鍵問題卻是基本相同的。(3)在采掘工作空間和涌水水源之間留設(shè)一定寬度的隔水巖柱來防止水害的出現(xiàn)和蔓延,是目前國內(nèi)外最常用的防治水措施之一。但是由于礦山地質(zhì)條件