矿井突水防治方法研究

矿井突水防治方法研究

水害是煤矿的主要灾害之一。由于中国地质构造复杂，地质条件多样，对井突水的控制因素和机制变化多样，这是一个使得中国煤炭开采面临许多问题。对此,国内外学者先后提出了斯列萨列夫公式法、突水系数法、模糊综合评判法和灰色理论模型法等一系列方法。随着矿井水害预测理论的不断完善,在此基础上又提出了三图-双预测法和脆弱性指数法等先进性评价方法。这些方法的提出对于矿井突水预测与防治具有重大理论意义和实践价值。1巷道底板安全厚度计算苏联学者斯列萨列夫在研究了煤层底板在承压水作用下的破坏机制后,利用材料力学中的超静定梁原理,将底板视为超静定梁(即两端固定,荷载均匀分布的梁),结合强度理论,推导出了在一定水压下的隔水层底板安全厚度的计算公式:其中,t安为安全厚度,即巷道底板所能承受一定水压的最大厚度,m;L为巷道宽度,m;KP为底板隔水层抗张强度,10-2MPa;γ为底板隔水层的平均重度,MN/m3;H为作用于巷道底板的实际水压,MPa。若t安<t实,则说明巷道底板安全,一般不会发生底板突水;若t安>t实,说明巷道底板不安全,可能发生底板突水。2矿井突水的底板隔水层底板裂隙带t突水系数法是国内学者20世纪六十年代提出的一种底板突水性评价方法,它是经过综合分析全国的突水实例而总结提出的,属于经验公式法,这种方法一直沿用至今。具体表达式为:其中,T为突水系数,指单位隔水层所承受的水压值,MPa/m;P为含水层水压值,MPa;M为底板隔水层厚度,m。若突水系数T小于临界突水系数Ts,则说明隔水层底板稳定,不会发生突水现象;否则发生突水。其中临界突水系数Ts是在对全国大量矿井突水资料统计分析的基础上得出的,一般取值为0.060~0.100MPa/m。由于上述公式没考虑底板采动裂隙带深度对隔水层隔水效果的影响,西安煤科院紧接着提出了新的修改公式T=P/(M-CP),CP是指由于矿压造成的底板采动裂隙带的深度。国外学者还注意到不同岩性的底板隔水性能的差异,从而以泥岩抗水压能力为衡量标准,将其他岩性隔水层厚度换算成为泥岩厚度,这样,换算后的等效厚度值既有厚度概念也有强度概念,具体表达为TS=P/∑(Miai-Cp),此式比以往的公式较全面地反映了煤层底板突水因素对煤层底板突水的影响作用。3煤层顶板水害防治方法“三图-双预测法”是中国矿业大学(北京)水害防治专家武强教授根据多年工作实践和研究经验提出的,该方法是一种解决煤层顶板充水水源、充水通道和充水强度三大问题的顶板水害定量评价方法。3.1顶板冒落安全分区图的编制(1)顶板充水含水层富水性分区图:顶板充水含水层富水性分区图是通过综合分析含水层的各个主控因素,然后根据多源信息复合叠加原理,运用GIS将各主控因素数据归一化和消除量纲后,最终根据各自的权重进行叠加编制而成。(2)顶板冒落安全性分区图:煤层的开采引起了顶板覆岩的破坏以及地应力的重新分布,导水裂隙带发育高度是煤层开采顶板突水的基础,其高度一般采用经验公式和数值模拟来进行评价,也可以通过井下现场实测进行确定。顶板冒落安全性分区图,是根据顶板导水裂隙带加保护层总高度与煤层和含水层之间覆岩厚度之差所绘制的图。(3)顶板突水条件综合分区图:顶板突水条件综合分区图是将顶板充水含水层富水性分区图和顶板冒落安全性分区图,运用GIS的多源信息复合叠加功能叠加处理后编制而成的图。3.2工作面涌水量预测模型首先在建立顶板突水量预测的水文地质模型的基础上,应用VisualModflow软件建立三维数值模拟模型,然后利用现有的工作面突水资料对模型进行识别、反演和校正,当拟合结果达到相关精度要求后,运用VisualModflow软件中的ZoneBudget功能模块,根据采煤工作面周期来压步距,对顶板充水含水层人工改造前后回采工作面分段和整体工程涌水量进行预测。4在确定数学方法上的应用脆弱性指数法是一种新型的煤层底板突水评价方法,是由武强教授于上世纪末提出的。该方法通过GIS与可以确定多种主控因素权重的信息融合方法的耦合来实现对煤层底板的预测评价。其具体评价步骤如下:确定煤层底板突水主控因素、应用GIS建立各个主控因素的专题图层、确定煤层底板突水各主控因素的权重、建立煤层底板突水脆弱性预测评价模型、确定突水脆弱性分区阀值、提出底板突水脆弱性分区方案。其中确定各主控因素的权重是根据信息融合理论,应用线性或非线性的数学方法来确定,这些数学方法主要包括人工神经网络法(ANN)、Logistic回归法、证据权法、层次分析法(AHP)等,而最常用的就是,对于存在不确定因素的问题,层次分析法有很强的优势。下面以基于层次分析(AHP)型脆弱性指数法为例介绍脆弱性指数法的评价原理和步骤。层次分析法基本原理是在评价一个复杂因素构成的系统时,可以根据各因素间的从属关系,建立层次结构模型,一般包括目标层、准则层和决策层。通过构造判断矩阵将定性问题转化为定量问题,根据判断矩阵得出决策层每一个因素相对于目标层的权重大小,最后进行一致性检验。当一致性检验后总排序一致性可以接受时,便可确定各个因素的最终权重。利用基于层次分析(AHP)型脆弱性指数法进行分析时,首先确定影响煤层底板突水性的主控因素,以GIS为操作平台,利用GIS强大的空间信息分析处理功能,对各主控因素的变化规律进行分析,然后进行复合叠加处理,得出各主控因素的专题图层;利用层次分析法(AHP)确定煤层底板突水各主控因素对底板突水的贡献即权重,建立煤层底板突水脆弱性层次结构模型;根据现场已知的大量突水样本以及涌水样本,在模型反演识别后,确立煤层底板突水脆弱性评价模型,然后得出煤层底板突水脆弱性指数,根据各个区域的脆弱性指数值确定出突水脆弱性分区阀值,最后通过GIS的综合分析,提出研究区域煤层底板突水脆弱型分区方案。5建立评价模型模糊综合评判法是应用模糊变换原理和最大隶属度原则,综合考虑被评判事物或其属性的相关因素之后,从评价集中得出一个最佳的结果,进而对某事物进行等级或类别评价的方法。我国学者王树元首先提出将此方法应用于多重因素影响控制的煤层底板突水预测评价上,为底板突水评价的相关研究提供了一定的借鉴。其具体应用步骤为:(1)确定因素集:因素集由影响底板突水的各种主控因素所组成的普通集合,U=(U1,U2,U3…Un)。(2)确定权重集:建立由各主控因素在煤层底板突水中所占权重的集合,A=(A1,A2,A3…An)。(3)确定评价集:评价集是指各种可能的总评价结果组成的集合,V=(V1,V2,V3…Vn)。(4)建立模糊评判矩阵:模糊评判矩阵建立的基础是模糊集隶属函数的确定。对定量指标,选用较为简便的降半梯形分布函数以确定隶属函数。对于定性指标,通过线性插值的方法确定其隶属函数。然后在隶属函数的基础上可以导出模糊评判矩阵:R=[rij]n×m。其中R为模糊关系矩阵;rij为第i个因素对第j个因素的隶属度(由隶属函数求得)。(5)模糊综合评判:模糊综合评判数学模型的基本形式为B=A·R。其中,A为第二步所确定的各个权重元素组成的1×n阶行矩阵,R为第四步确定的n×m阶模糊关系矩阵;B为最终得出的综合评判结果。最后再根据最大隶属度原则就可以得出所要的评判结果。6设置水害时间关联模型我国学者许延春于上世纪末首先将灰色理论的基本模型—GM(1,1)模型应用于矿井水害预测,该模型通过对已发生水害波形特征的研究来预测未来变化的波形。首先搜集整理大量已知的突水资料,建立灾害类别与时间的关系曲线,形成薄层灰岩和地表、松散层水害的波形图。以半年为一个预测时间段,选取若干水害类别阀值,分别作灾害映射,得到水害时间集合。然后建立GM(1,1)模型,其具体做法是分别建立薄层灰岩和地表、松散层水灾类型各阀值的预测模型群,如下式:其中Xi(k+1)为第k+1个时间序列因子;Ai,Bi,Ci分别为第i阀值的模型系数。按照上述预测模型预测一定区间内的水害的时间段,可以得到各阀值对应的预测时间集。将各时间因子置于前面建立的灾害类别与时间关系的坐标系内,便可形成预测水灾波形,从而对水害发生的时间和程度进行预测。7底板突水的定量评价(1)突水系数法属于经验公式法,在很长一段时间内一直是底板突水的主要预测方法,然而,煤层底板突水是一种非常复杂的受控于多种因素的非线性动力现象,而突水系数法只考虑了含水层水压和隔水层厚度两个因素,没有分析煤层底板突水的非线性动力特征和突水过程。另外,由于临界突水系数的统计中有80%以上属于断层突水,所以临界突水系数主要反映的是断层等薄弱构造带的突水条件,当用于预测正常底板时,其数值往往偏小,这对煤矿深部开采有一定的束缚和限制作用。因此,突水系数法评价预测结果与实际存在一定的偏差。(2)煤层顶板水的防治在过去一直是通过留设防水煤柱予以实现,但是随着开采深度的增加,由顶板冒落沟通含水层引起的顶板突水事故逐渐增多,因此三图-双预测法的提出便实现了顶板突水的定量评价。(3)模糊综