煤矿底板突水的类型及防治

煤矿底板突水的类型及防治

采矿底板和采矿压采等灾害同时发生。这是采矿和采矿生产过程中最重要的安全灾难之一。这种有害的破坏给国家和人民带来了巨大的人身伤害和经济损失。煤矿底板突水主要受含水层的富水性和透水性、隔水层的隔水性、地下裂隙的导通性、地下水系的连通性、静水压力和矿山压力等因素的共同影响。根据突水原因可将其分为两类,即地质构造底板破坏性突水和采矿扰动底板破坏性突水。近年来,随着开采深度和工作面开采空间尺度的不断变化,底板突水形成机理及其破坏性都与过去有了很大的不同。因此,寻求新的矿井底板突水防治技术与方法,对于现代矿井的建设与开采具有更加重要的意义。1矿井突水机理煤矿底板突水是指矿山在建设开发过程中,不同形式、不同水源的水通过某种途径从地板突入矿井,给矿山建设和生产带来不利影响和灾害的过程,其突水机理是:一定条件下,在静水压力和矿山压力的影响下地板岩层裂纹发育并延伸,使隔水层岩层聚集大量的能量,当集聚的能量超过隔水层岩层的承受能力,隔水层岩层从某一弱面破断,从而使含水层水在水压的作用下沿破断裂隙涌入矿井的过程。一般突水的大小主要取决于水压;突水的难易程度主要受隔水层的影响;突水的持续时间受周围水源和补给路径的控制。2地质构造底部的高度2.1断层突水的特点断裂是岩石受到某一力的作用而发生的大变形,按其受力分为拉、扭、压三类,一般张性断裂突水性大于压性断裂突水性,扭性断裂突水性居于两者之间。断层是断裂的一种特殊形式,它的突水性远远大于一般的断裂,因为断层既是一个含水体又是一个导水通道。由于其导储水性在空间上的复杂性,通常以断层两盘的岩性来判断其突水性的大小,见表1。断层突水的特点:水量大,破坏性强,突发性强,一般突水后矿井无法恢复。断层产状、规模及其水文条件在空间上的差异,使断层突水研究高度复杂化,所以,对于断层的研究不能以局部特性代替整体性质。2.2集水单元模型裂隙是岩石在成岩过程中或是后期受到外力而产生的一些裂痕、缝隙,其含水性和透水性相对而言比较小,但裂隙给岩溶的发育创造了很好的条件。溶岩一旦在裂隙中发育,由于受岩溶水的侵蚀作用,周围岩层就会不断溶解,从而形成具有不同特点的储水空间和导水通道。溶岩不仅破坏了岩石的整体性,而且使得整个地下水形成网状、联通的含水体系。其突水的特点:突水性强、破坏性强、突水持续时间长、突水频率高等。下面通过箱体模型说明其突水的特点,见图1。有4个水箱A、B、C、D,水箱的大小表示储水量的大小,箭头表示水流的方向,箭头的粗细表示水流动的难易程度,粗箭头处水容易排泄,水箱水位表示地下水的平均水位。大的裂隙(断层)和大的溶岩储水体(溶岩陷落柱和大的溶洞),主要以储水为主,导水为次,用A表示;小的裂隙(断裂)和溶岩导水体(溶穴),主要以导水为主,储水为次,用B表示,C和A性质类似,但其储水能力较小;D和B性质类似,其导水能力较小。现用A、B、C、D箱建立地下水的补给、径流、排泄模型,通过4个水箱可以看出4个储水带(带水通道)间的水位、径流及补给等关系。现以A、B、C、D类分析其突水特点:1)A类底板突水:一般出现在溶岩发育或地质作用较强的地段,距离地表的距离较小,其补给来源主要是大气降水、地表水等。储水能力很强,受B、C类水源补给的能力较弱,见图2(a),突发性很强、破坏性极强、突水时间较短。2)B类底板突水:一般出现在裂隙密集或溶岩较发育地段,其导水能力很强,突水时主要受到A类水源的补给,见图2(b),破坏性较、强突水时间强。3)C类底板突水:一般出现在奥陶纪等灰岩含水层中,距离地表较深,储水能力较强,突水是直接受B,D类水源补给,间接受A类水源的补给,见图2(c),破坏性很强、突发性极强、突水时间很长。4)D类地板突水:一般出现在地下水排泄的地段,由于储水能力较小、补给的滞后性等特点,见图2(d),突水时破坏性很小。3计算最小破坏深度煤层开采破坏了原始的应力平衡。工作面从开切眼开始回采,在回采过程中引起回采空间的应力重新分布,这种应力分布不仅仅在回采空间周围煤体中集中,还会向底板深部进行传递,在底板岩层一定范围内重新分布,它不仅改变了底板岩层的受力状态,而且影响了底板岩层导水裂隙的发育情况,很大程度上决定了底板突水能力的大小。采动破坏最大深度(h1)的计算,见图3。图3中:h1—底板最大破坏深度;ψ—内摩擦角;r—以a为原点与ab成α角的螺线半径:r0—ab的长度;α—为r与r0之间的夹角。由图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时,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矿井水害防治技术为了保障矿井建设和生产正常进行,保证煤矿工人的人身安全,降低矿井水害发生的概率和危害程度所采取的预防和治理技术,统称为矿井水害防治技术。矿井水害的防治必须坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”,即“预防为主,防治结合”的原则。并依据不同矿井或采区的具体水文地质条件,合理的选择相应的方法和技术进行综合治理。近年来,有关矿井水害防治技术的研究层出不穷,主要包括:矿井水文地质条件探测、矿井水害预测、井下探放水、疏水降压、注浆堵截、留设防水煤柱等。下面就国内目前主要的防治措施进行概述。1矿井水文地质a)查明矿区充水条件、地下水补给条件和地质条件。b)建立健全水文地质动态观测系统。c)改进完善矿井防排水系统。d)地面修筑防排水工程,防渗堵漏。e)优化开采设计、改变采煤方法。f)合理留设防水煤柱。g)构筑放水闸门,分区隔离开采。2“管理”主要包括a)利用底板隔水层带压开采。b)注浆工艺的合理选择与利用。c)疏水降压工程。d)探放水工程。5现代矿井开采环境现代意义根据我国煤矿底板突水事故的特点、产生的原因及其矿井生产对底板突水安全防范技术的基本要求,煤矿底板突水所面临的问题如下:1)寻求对新的采矿条件下底板突水机理的研究。近年来由于采深的加大,工作面尺寸的变化,工作面设备的机械化,经典的浅部开采经验公式已经不再适合现代矿井的建设与生产。2)加强对新的采矿条件下,煤层隔水底板防突水效应的研究。由于地质构造的原因,石炭二叠纪的煤层直接形成于奥灰岩之上,随着现代矿井采深的不断加大,奥灰水的突出情况越来越严重,对矿井的建设与生产造成了极大的威胁。因此,传统的堵、截等被动防治方法已经不足以应对其危害。3)从矿井生产安全角度看,地下水由于其含有巨大的能量而给生产带来了极大的安全隐患;从环境的角度看,一方面,矿井的开采建设忽视以致浪费了地下水巨大能量的利用价值;另一方面,矿井的开采建设极大地破坏污染了地下水系,使地下水水质变差,且水位大幅度下降。