煤层底板突水机制及治理技术

煤层底板突水机制及治理技术

论文导读：近年来随着开采深度增加和强度加大，底板突水的威胁愈发严重，再加上生产技术、监测技术水平的限制，导致煤矿突水时有发生。突水与岩体中的断层构造、裂隙、孔隙、接触带等的发育情况有密切关系，而在开采扰动和高压水共同作用下，上述因素是在变化的，采动不仅破坏了原始地应力的平衡，使地应力重新分布，而且这种应力重分布会影响到底板岩体的完整性、原生缺陷的扩张的及相应的渗透能力，这种影响存在时间滞后效应。根据岩溶陷落柱柱体充填压实特征、围岩裂隙带发育程度及其揭露时出水情况和涌水量大小，可以将岩溶陷落柱导水类型划分：（1）柱体及柱边全充水强导水型陷落柱：此类陷落柱多为正在发育或重新活化的陷落柱。

关键词：底板突水，裂隙，岩溶陷落柱柱，治理技术

0.前言我国是煤矿生产和消费大国，地质条件复杂。论文参考网。近年来随着开采深度增加和强度加大，底板突水的威胁愈发严重，再加上生产技术、监测技术水平的限制，导致煤矿突水时有发生。突水与岩体中的断层构造、裂隙、孔隙、接触带等的发育情况有密切关系，而在开采扰动和高压水共同作用下，上述因素是在变化的，采动不仅破坏了原始地应力的平衡，使地应力重新分布，而且这种应力重分布会影响到底板岩体的完整性、原生缺陷的扩张的及相应的渗透能力，这种影响存在时间滞后效应。1.煤层底板的隔水或透水条件煤层底板的隔水能力主要取决于煤层上覆和下伏隔水层的岩性、厚度、稳定性及抗拉强度。资料证明，隔水层底板厚且稳定，开采冒落带达不到强含水层或地表时，矿井涌水量少；反之相反。隔水层愈完整，其抗拉强度愈大隔水性能愈好，矿井涌水量少；反之相反。煤层底板的透水条件是矿井充水强度的关键因素。当开挖遇到以灰岩为主的岩溶地段时，矿井涌水量主要取决于岩溶的发育程度、空隙性、分布规律。此外，地下水还可以越过煤层底板，以“天窗”的形式充填矿井。断层破碎带也是地下水主要的场所，影响煤炭的安全开采。2.煤层底板突水机理2.1底板破坏引起的突水底板岩层受采动矿山压力和底板岩溶底层承压水的共同作用，产生底鼓破裂，导致含水层的水突入采空区或巷道内。采掘活动后在隔水层之上形成临空边界，并产生应力释放后，在矿压或水压的作用下，对采面底面产生拉、剪、压破坏。开采过程中由于应力集中，底板最大破坏深度不断增加，底板破坏区不断发展。底板的塑性破坏是上覆岩层载荷转移而形成的应力重新分布的直接结果，并随工作面的开采，底板塑性区逐步扩大前方塑性区在深度和宽度上都较后方塑性区大。根据底板岩层变形和破坏的情况不同，可分为“三带”:底板采动导水破碎带、底板阻水带、底板承压水导水带。2.2断层、裂隙、接触带引起底板突水断层、裂隙、接触带等结构面是地下水从煤层底板突出的薄弱面。断裂构造使附近岩石破碎、发生位移、失去完整性，成为地下水涌入矿井的通道。如对某区内28次较大突水的统计资料表明(见表1）,裂隙发育大的矿井，突水次数也多。表1

代号裂隙密度（条/km2）突水次数（次）10.83221.50433.30943.0653.10660.341根据吕春峰等的研究结果表明煤层底板突水过程中，裂隙尺寸的长短决定了其顶部破坏导升带的高度，决定了其受开采矿压影响的早晚；裂隙组连通后的承压水导升能力要高于单个裂隙单独存在时的承压水导升能力。随着水压力的增大，裂隙顶部破坏带高度和承压水的导升高度都相应增大，并提前发生变化。裂隙组中对隔水层底部导升带高度起主要影响作用的是其中尺寸最长的裂隙，较短裂隙作为对最长裂隙的补充亦加快了裂隙承压水导升的速度和高度。2.3岩溶陷落柱引起的底板突水岩溶陷落柱是指埋藏在煤系下部的巨大可溶岩体，在地下水侵蚀的作用下，形成巨大的岩溶空洞。岩溶陷落柱的形成过程有三个阶段：岩溶洞穴形成阶段、溶洞周围可溶性岩层大是坍塌，使溶洞扩大并形成第二层溶洞阶段、上覆非可溶性岩层的塌陷，形成岩溶陷落柱阶段。产生岩溶塌陷必须具备隐伏灰岩上覆有松散的沉积物，灰岩岩溶发育，有巨大的岩溶空洞，且被地下水充满。影响岩溶陷落柱导水的因素主要有:陷落柱本身特征（柱内充填物越疏松，陷落高度越大）、柱体围岩裂隙带特点（裂隙带宽度，裂隙本身特点）、水压。陷落柱的存在使底板的应力应变分布极不均匀，陷落柱附近位移明显。论文参考网。远离陷落柱其影响逐渐减小，但对底板岩层破坏范围及破坏形式影响较小。陷落柱顶面上方岩层的应变较大，容易产生局部剪切变形。陷落柱边壁、工作面底板压缩区与膨胀区的分界线重合在一条，是剪切破坏的最佳状态[4]，最容易发生底鼓突水。根据岩溶陷落柱柱体充填压实特征、围岩裂隙带发育程度及其揭露时出水情况和涌水量大小，可以将岩溶陷落柱导水类型划分：（1）柱体及柱边全充水强导水型陷落柱：此类陷落柱多为正在发育或重新活化的陷落柱。柱体内充填物质未被压实，岩块棱角分明，孔隙率高，一般存在空洞。柱内充水，一般与强含水层或含水带有水力联系。导水性极强，一旦被揭露或接近，即发生突水事故。（2）柱边充水导水型陷落柱:这类陷落柱柱体充填的岩块压实较紧密，孔隙率较低，柱体内水力联系较差，而柱边围岩裂隙带的裂隙较发育，且裂隙充填性较差，因而导水。通常此类陷落柱涌水量不大。但若裂隙带与“奥灰水”沟通时，在较高水头作用下，受采动应力的影响，柱边裂隙有可能贯通而引发突水。（3）不导水或弱导水型陷落柱：这类陷落柱柱体充填物基本被压实胶结，呈非均质脆性岩块中虽发育裂隙，但常被风化碎屑物充填胶结，因而柱体透水性差甚至完全不透水。3.治理技术注浆堵水及注浆加固煤层底板。紧密结合水文地质条件研究，即应强调地质、水文地质分析的效用。科学的配制注浆材料，提高注浆材料的堵水效能，最大限度发挥其抑制作用。论文参考网。采用小面积盖帽截流、引流注浆、返流注浆等创新性的施工工艺，是堵水成功的技术保证。加强地下水动态分析、预测，评价对场地工程地质条件。对地下水进行含水层的观测、矿井涌水量的观测。借助计算机成图技术，绘制煤层底板突水灾害分布，并编制突水灾害预测图。在承压含水层上或导水断层附近采掘时，为防止地表水或承压水溃入工作地点，需要留设防水煤层柱。为了减少矿山开采、矿山压力的影响，生产时采用小工作面。决定正常回采工作面突水的关键因素是流固藕合新增导高带的发育高度。在新增导高带的发育高度不具备数值计算的条件时，可采用物探方法进行探查，为突水治理提供指导。[1]武强，周英杰，刘金韬.煤层底板断层滞后型突水时效机理的力学试验研究[J].煤炭学报,2003,28(6):562–565.[2]赵阳升,胡耀青.承压水上采煤