专题-对开滦矿区防治水的认识及探讨.pdf

专题部分 对开滦矿区防治水的认识及探讨 1 前言 在我国煤系地层中普遍存在着含水岩系 特别是华北地区 其底部蕴藏着巨厚奥陶系 岩溶水 而随着煤炭资源的大量开采 不少矿井已经进入深部开采 底板承受岩溶水的水 压已经达到 2 0 6 5MPa 而隔水层的厚度不一 使发生突水的概率大大增加 从而使煤 矿受到底板岩溶水的巨大威胁 开滦矿区属于含水冲积层掩盖下的大水矿区 水文地质条件复杂 煤系地层为富含孔 隙承压水的第四系冲积层所覆盖 煤系基底为奥陶系石灰岩岩溶裂隙承压水所顶托 煤系 地层中的砂岩裂隙发育 直接或间接接受上 下含水层的补给 加之断裂构造发育及特殊 的导水地质体 岩溶陷落柱 的存在 进一步加剧了矿区水文地质条件的复杂化 开滦矿 区有着悠久的开采历史 在煤炭开采中对防治水的问题积累了丰富的经验 为此加强对其 防治水的了解及研究对现在及将来的采煤工作有着重大和实际的意义 1 1 开滦矿区水文地质概况 开滦矿区是一个具有 126 年开采历史的老矿区 含煤地层为石炭 二叠系 由开平 煤田 包括开平向斜 车轴山向斜 及蓟玉煤田的林南仓向斜共同构成 其中多数生产矿 井位于开平主向斜内 该向斜轴向为北东 40 60 向南西方向倾伏 两翼不对称 西 北翼倾角陡立 局部直立甚至倒转 1 1 1 1 1 1 矿区地层矿区地层 煤系及上覆地层简述如下 石炭系中统唐山组 与奥陶系为平行不整合接触 由灰色泥岩 粉砂岩及中细粒砂岩 组成 夹三层灰岩 含不稳定薄煤 1 层 底部为 G 层吕质泥岩 厚约 65m 石炭系上统开平组 以灰色粉砂岩及细砂岩为主 间杂 3 层灰岩 含煤 4 5 层 厚 约 65m 石炭系上统赵各庄组 是主要含煤组 岩性以灰色中粗粒砂岩 黑灰色粉砂岩 泥岩 间夹绿灰色中厚层沉凝灰岩 含煤 3 5 层 11 煤层 121煤层 122煤层 其中 12 煤层 为主要可采煤层 厚约 80m 二叠系下统大苗庄组 是主要含煤组 岩性以灰色粉砂岩为主 间夹细砂岩 泥岩及 沉凝灰岩 含煤 4 6 层 5 煤层 6 煤层 7 煤层 8 煤层 9 煤层 其中 5 8 9 煤层 为主要可采煤层 厚约 75m 二叠系下统唐家庄组 以灰白色中粗粒砂岩为主 夹粉砂岩及泥岩 下部含 1 2 层 煤组 顶部为 A 层铝质泥岩 厚约 220m 二叠系上统古冶组 灰 灰绿色 紫色粉砂岩 泥岩 中粗粒石英砂岩互层 厚约 400m 二叠系上统洼里组 底板为一层砂砾岩 下部一紫红色粉砂岩为主 间夹中粒砂岩及 泥岩 上部以暗紫色板状砂岩为主 厚度大于 800m 新生界第三 第四系 不整合沉积在各时代地层之上 由黄褐色亚粘土 黏土及不同 粒度的砂砾卵石交互组成 厚度 0 1000m 1 1 2 1 1 2 矿区地质构造矿区地质构造 1 开平煤田 开平煤田位于燕山南麓 种子大地构造上处于中超地台 级构造单元 燕山沉降带 级构造单元 的东南侧 主要分布于华北板块东北缘 在华北板块体燕山断褶带南缘 的中段 向南与黄骅断陷区相邻 属于燕山旋回所造成的盖层构造 唐山 蓟县陷褶束 凹 陷 级构造单元 中的一个复式含煤向斜 其西与 级构造单元 京西断褶束相连 东 与 级构造单元 山海关台拱为邻 其北部为近东西向展布的太古界变质岩组成核部的马 兰裕巨型复式大背斜 南部深入 级构造单元 华北断坳中 开平煤田包括开平复向斜 车轴山向斜 湾道山向斜 西缸窑向斜 4 个含煤构造区 1 开平复向斜总体轴向为北东 30 60 向西南方向倾伏 长约 50km 宽平均约 20km 总面积约 950km 2 向斜轴线偏西两翼不对称 西北翼倾角陡立 局部直立或倒转 断层较发育 够杂复杂 而东南翼地层平缓 次级小褶曲发育 断层较少 构造较为简单 分布在向斜西北翼的矿井有 唐山矿 马家沟矿 赵各庄矿 分布在向斜东部转折端的矿 井为唐家庄矿 分布在向斜东南翼的矿井有林西矿 吕家陀矿 范各庄矿 钱家营矿 2 车轴山向斜为一狭长不对称向斜 长约 20km 平均宽约 5km 总面积月 95km 2 总体轴向北东 45 轴面倾向北西 向斜西北翼陡 50 以上 构造复杂 东南翼平缓 0 25 构造较简单 构造以断层为主 该区为东欢陀矿所在地 3 湾道山向斜轴向为弧形 由北部的北东向转至南部呈北西向 长约 5 3m 宽约 3 4m 向斜边缘地层倾角变陡 中部平坦 且呈波状起伏 北东向正断层或逆断层发育 为荆各庄矿所在地 4 西缸窑向斜长轴近南北向 长约 2km 宽约 1km 西翼地层较陡 且被一近南北 向东倾正断层破坏 东翼较缓 该区为地方煤矿开采 开平煤田岩浆活动相对较轻微 但在东南翼局部地段 吕家陀矿 范各庄矿 钱家营 矿 见有灰绿岩岩脉 岩床及岩墙 与煤层接触处煤的变质程度较高 对煤层的破坏和变 质影响不大 2 蓟玉煤田 蓟玉煤田位于宝坻县 蓟县和玉田县的交界处 全区被第四系覆盖 煤田总体构造形 态为北东向 长 30km 宽 13m 因后期改造 现在含煤系保存在 3 个北西向次级向斜之中 自北东至西南依次为林南仓向斜 面积为 22 km 2 李庄子向斜 面积为 3km2 下仓向斜 面积为 95km 2 其间隔两个小背斜 即林西和黄土坎背斜 该区一褶曲为主 且发育 北东向和北西向两组断裂 该煤田燕山期岩浆活动较强烈 岩性主要有黄斑岩等 一岩床 岩脉 岩墙和岩盘 岩盖形式侵入 属浅成侵入体 侵入煤系地层后 使煤层结构复杂化 厚度变薄或全被吞蚀 其煤的变质程度急剧增高 林南仓矿处于林南仓向斜中 其他两个 向斜目前还没有开发 1 1 3 1 1 3 主要含水层组主要含水层组 根据煤田内沉积的地层时代 岩性组合以及含水层储水空间形态 划分为 3 个主要类 型的含水层组 如下所示 1 新生界松散层孔隙含水层 组 由不同粒度的砂及卵砾石交互组成 富含孔隙水 由北向南逐渐加厚 其间沉积稳定的黏土 亚粒土等则成为相对的隔水层 单位涌水量北 大南小 北部为 3 10L s m 南部均小于 1 L s m 2 上古生界奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层组 主要刚性的砂岩裂隙组成 裂隙发育 导 水通畅 其单位涌水量介于 0 1 0 7 L s m 3 下古生界奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层组 在开平 蓟玉煤田沉积了中 下统的马家 沟 亮甲山 冶里组地层 最大厚度大于 600m 地层浅部溶孔和溶洞发育且伴随有灰岩陷 落柱 富含岩溶裂隙水 单位涌水量介于 0 004 10L s m 水质良好 一般为 HCO3 Ca 型 淡水 矿化度低于 0 5g L 为工农业的良好供水源 但作为煤系地层的基底 又是威胁矿 床开采由底板充水的强含水层 开滦矿区含水层具体细分为 第四系底部卵砾石孔隙承压含水层 5 煤层顶板砂岩裂 隙承压含水层 12 煤层 14 煤层砂岩裂隙承压含水层 14 煤层 K3砂岩裂隙承压含水层 及煤系沉积基底奥陶石灰岩岩溶承压含水层共 5 个主要含水层 1 2 主要水害的类型 开滦矿区主要水害的类型分为导水岩溶陷落柱 煤系底部奥灰水 煤系顶部砂岩裂隙 水 第四系冲积层含水层 老空积水和小煤窑造成的潜在水害六种 具体如下所示 1 2 1 1 2 1 煤系地层中导水岩溶陷落柱的危害煤系地层中导水岩溶陷落柱的危害 开滦井田范围内 由于呈点状 孤立发育的隐形导水岩溶陷落柱的存在 奥灰岩溶承 压水可以直接进入矿井 成为矿井涌水 危害极大 目前在开滦矿区已发现的 19 个隐形 岩溶陷落柱中 范各庄矿已发现 13 个 其中导水的岩溶陷落柱有 6 个 唐家庄矿已发现 6 个 全为不导水的岩溶陷落柱 岩溶陷落柱的发育高度 大小 导水性等不完全相同 大到直径百米以上 小到十几米 形状也各异 水平切面上有圆形 椭圆形 肾形等 在 垂直剖面上大都为不规则的串珠状 按其导水性的不同可分为完全充水型 边缘充水型 非充水型 对完全充水型导水岩溶陷落柱 一旦井下采掘工程揭露将会发生大规模的突 水事故 1 2 2 1 2 2 煤系底部奥灰水的危害煤系底部奥灰水的危害 随着采深的加大 平均采深已近 800m 最深已达 1056m 奥灰水上带压开采问题越 来越突出 如赵各庄矿 12 水平开采深度已达到 1056m 开拓水平深度已达 1156m 煤层 开采底板所承受的奥灰水压值已大于10MPa 而最下可采煤层底板岩柱厚度仅为140m左右 局部由于断层构造的影响 煤层底板有效岩柱厚度仅为 90m 左右 当采掘工程揭露导水 构造就会发生突水事故 或滞后透水 且危害性极大 1 2 3 1 2 3 煤系顶部砂岩裂隙水的危害煤系顶部砂岩裂隙水的危害 随着矿井向深部的延深以及新矿井的投入 煤层顶板 砂岩裂隙水 带压开采问题也 越来越突出 煤 5 顶板砂岩裂隙含水层富水性强 在矿井开采上部煤层时 随着顶板垮 落直接进入矿井 成为矿井涌水 严重影响着高产高效矿井建设 随着矿井深度的逐渐加 深 对煤层顶板的压力则愈来愈大 对煤层安全开采威胁程度也愈来愈大 如果处理措施 不当 安全防范措施不到位 可导致淹工作面事故的发生 1 2 4 1 2 4 第四系冲积层含水层的危害第四系冲积层含水层的危害 由于开平煤田为隐伏型煤田 煤系地层上部覆盖着巨厚的第四系松散冲积层 其厚 度由开平煤田北部赵各庄一带 0 20m 至钱家营矿宋家营一带发育到 800m 厚 且冲积层 底部沉积了 20 350m 厚的巨粒卵砾石层 含水极为丰富 直接覆盖于煤系地层之上 煤 系地层中的各含水层在露头处均接受此含水层水的补给 从而成为矿井涌水 历史上唐 山矿曾多次发生由于冲积层防水煤柱过小 采煤方法 防治水措施不当等原因发生的透冲 积层黄泥 沙砾石并造成伤人等事故 1 2 5 1 2 5 老空积水对开采的影响的危害老空积水对开采的影响的危害 生产矿井老采空区 废巷等积水 以各种形状存在于采掘工作面的周围 它既可以形 成大片积水区 也可以各种形状零星分布 这种水体的水量通常不大 但均属管道流 流 动十分迅速 一旦意外接近或接触 就能在短时间内突然溃出 水大时可达几万至十几万 立方米 1 2 6 1 2 6 小煤窑造成的水害的危害小煤窑造成的水害的危害 随着经济的发展和利益的驱动 乡镇煤矿发展迅猛 非法开采 乱采滥挖 超层 越界现象严重 地表环境遭到破坏 有的小窑甚至与大矿直接贯通 雨季大气降水和 河水可沿着地表裂缝或井口直接灌入小窑进入大矿 严重威胁着大矿的安全 综合以上可以看出 对于开滦矿区内 导水岩溶陷落柱 煤系奥灰水是影响矿区正常 生产的主要因素 如开滦范各庄矿 2171 综采工作面受 9 号陷落柱的影响 导致突水事故 的发生 仅 21h 就将一个年产 300 万 t 的大型现代化矿井全部淹没 且危及东四矿 损失 极为惨重 由于导水断层及呈点状 孤立发育的隐形导水岩溶陷落柱的存在 奥灰岩溶承 压水可以直接进入矿井 成为矿井涌水 且危害极大 其次 随着矿井向深部的不断扩展 奥灰水带压开采问题越来越突出 因此加强对开滦矿区内底板突水的机理研究和预防对保 障矿区内矿井正常的生产具有重大的意义 2 底板突水研究现状 2 1 开滦矿区深部开采底板突水现状 开滦矿区具有典型的华北型石炭 二叠纪岩溶煤田特征 煤系基地为厚层的奥陶系灰 岩 其岩溶裂隙及其发育 富水性好 水头高 水压极大 奥陶岩溶含水层与煤层上部的 第四系底卵含水层是煤系的主要充水含水层 是矿井突水水源中具有最大危险性的含水 层 开滦矿区随着开采深度的增加 煤层受到深部奥陶灰水的威胁日趋严重 再加上矿区 地质水文条件复杂 隐蔽 不确定性 奥灰含水层具有副含水性 水头大 水压大的特点 突水事故频繁 历史上矿井发生的重大水灾害都是煤系基底奥陶系岩溶水 如 1984 年 6 月开滦范各庄矿发生的突水事故 突水量达到 2053m 3 min 造成淹井 2 2 底板突水研究现状 国外关于底板突水研究的起步较早 我国从 20 世纪 60 年代开始了对底板突水机理的 研究 几十年来取得了一些进展 但是由于地层条件的复杂多变 目前对其原因还没有一 个统一的认识 从目前来看 关于底板突水问题的机理主要有两类基本看法 一是 承载 结构说 从底板承受采动矿压和水压的力学性能出发 分析研究等效隔水层厚度的受力 状态及岩体阻水强度 二是 阻隔水结构说 从水动力学角度 把煤层底板天然存在的 大量固有结构面 在采动矿压的作用下而活化沟通 形成具有一定阻力的裂隙过水管道 下面将介绍有关煤层底板突水的理论 2 2 1 2 2 1 突水系数理论突水系数理论 此理论是由以煤科总院西安分院为代表于 20 世纪 60 年代提出的 它是指煤层底板单 位隔水层厚度所承受的水压力 是在带压开采条件下衡量煤层底板是否突水的一个指标 即 s TpM 1 式中 Ts 为突水系数 P 为含水层水压 MPa M 为隔水层厚度 m 这里的突水系数 在数值上相当于匈牙利的 相对隔水层厚度 的倒数 20 世纪 70 年代至 80 年代 西安分院水文所对突水系数的表达式经过两次修改后确定 为 siip TpM aC 2 式中 Mi为隔水层第 i 层厚度 m ai为隔水层第 i 层等效厚度的换算系数 Cp为矿压 对底板的破坏深度 m 公式 2 于 1984 年被煤炭工业部写入 矿井水文地质规程 2000 年被国家煤炭工 业局编入 建筑物 水体 铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 成为现场技术人 员评价底板突水的依据 突水系数是根据多个矿井的综合数据统计而出的 并没有根据煤层底板的条件 如是 完整底板或是含有断裂构造的底板 进行分类 因而对某些矿井甚至是同一矿井的不同采 区也是不适应的 另外 突水系数随着矿井向深部的延深也越来越不适应煤矿的具体条件 但它是我国在矿井预测底板突水中应用的最为广泛的方法 2 2 2 2 2 2 零位破坏 与 原位张裂 理论 零位破坏 与 原位张裂 理论 该理论是由煤科总院北京开采所王作宇 刘鸿泉等人于 20 世纪 90 年代初提出 其主 要内容为矿压 水压联合作用于工作面对煤层的影响范围可分为三段 超前压力压缩段 段 卸压膨胀段 段 和采后压力压缩 稳定段 段 如图 2 1 所示 超前压力压缩段在其上部岩体自重力和下部水压力的联合作用下整个结构呈现出上 半部受水平挤压 下半部受水平引张的状态 因而在中部附近的底面上的原岩节理 裂缝 等不连续而产生岩体的原位张裂 在底板承压水的作用下 克服岩体结构面阻力而扩大 并沿着不连续面发展或形成新的张裂 从而形成底板岩体的原位张裂 煤层底板结构岩体 由 段向 段过渡引起其结构状态的质变 处于压缩的岩体应力急剧卸压 围岩的贮存能 大于岩体的保留能 便以脆性破坏的形式释放残余弹性应变能以达到岩体能量的重新平 衡 从而引起采场底板岩体的零位破坏 并且认为顶板自重应力场的支承压力是引起底板 产生破坏的基本前提 煤柱煤体的塑性破坏宽度是控制底板最大破坏深度的主要参数 底 板岩体的摩擦角是影响零位破坏的基本因素 并进一步用塑性滑移线理论分析了采动底板 的最大破坏深度 图图 2 2 1 1 底板岩体的原位张裂与零位破坏示意图底板岩体的原位张裂与零位破坏示意图 该理论综合考虑了矿山压力与水压力的联合作用对煤层底板产生的自上而下以及自 下而上的破坏作用 揭示了煤层底板破坏的内在因素 但对原位张裂的发育高度还不能准 确地确定 2 2 3 2 2 3 薄板结构理论薄板结构理论 煤科总院北京开采所刘天泉 张金才等从力学分析角度出发 于 20 世纪 90 年代提出 了底板岩体 两带 的模型 即底板岩体由采动导水裂隙带及底板隔水带组成 该理论引 用断裂力学 型裂纹的力学模型 求出采场边缘应力场分布的弹性能 并应用 Comulomb Mohr 破坏准则及 Griffith 破坏准则 求出矿山压力对底板的最大破坏深度 而 对隔水带的处理是看作四周固支受均布载荷作用下的弹性薄板 然后采用弹塑性理论分别 得到了底板岩层抗剪及抗拉强度为基准的预测底板所能承受的极限水压的计算公式 这种模型前半部分 即对导水裂隙带的处理 尽管十分简化 但所得的弹性解还是能 揭示矿压对底板破坏规律的 如果将岩体损伤特征考虑进去就会较为接近底板岩体的实际 情况 模型的后半部分对隔水带的处理不仅在理论上立足点不对 而且与工程实际相差甚 远 首先 薄板理论的前提是厚宽之比小于 1 5 1 7 模型中的底板隔水带一般是不满足 这条件的 其次 模型中认为煤层底板除了采动导水裂隙带 剩余的岩层便是隔水带 与 现实不符 因此 这种模型在实际生产中很难推广和应用 2 2 4 2 2 4 强渗通道 理论 强渗通道 理论 由中科院地质所于 20 世纪 90 年代提出 该理论认为底板是否发生突水关键在于是否 具备突水通道 这分为两种情况 其一 底板水文地质结构存在与水源勾通的固有突水通道 当其被采掘工程揭穿时 即可产生突破性的大量涌水 构成突水事故 其二 底板中不存 在这种固有的突水通道 但在工程应力 地壳应力以及地下水共同作用下 沿底板岩体结 构和水文地质结构中原有的薄弱环节发生形变 蜕变与破坏 形成新的贯穿性强渗通道而 诱发突水 前者属于原生通道突水 后者属于再生或次生通道突水 该理论重视了地质构造 包括断层和节理 这一薄弱面对突水的影响 但对采动和水 压对其产生的影响 尤其采动矿压的作用缺乏应有的研究 2 2 5 2 2 5 关键层 关键层 KSKS 理论 理论 中国矿业大学钱鸣高院士根据底板岩层的层状结构特征 于 20 世纪 90 年代中期建立 了采场底板岩体的 KS 理论 该理论认为 煤层底板在采动破坏带之下 含水层之上存在一 层承载能力最高的岩层 称为 关键层 在采动条件下 将关键层作为四边固支的矩形 薄板 然后按弹性理论和塑性理论分别求得底板关键层在水压等作用下的极限破断跨距 并分析了关键层破断后岩块的平衡条件 建立了无断层条件下采场底板的突水准则和断层 突水的突水准则 该理论抓住了底板岩体具有层状结构的特点 并注意到了底板中的强硬岩层在抑制突 水中的作用 揭示了在采动条件和承压水作用下采场底板的突水机理 但将煤层底板破裂 突水仅仅归结为 关键层 的破断似乎有些过于简化 忽略软 图图 2 2 2 2 采场结构和关键层的示意图采场结构和关键层的示意图 弱岩层在底板突水中的作用显然是不妥的 而且在底板为多层岩性层的情况下 究竟应将 哪一层岩层作为关键层 在实践中往往不易掌握 此外底板突水与否决不仅由关键层所控 制 而且还由一些承载能力不很强 但阻水性能好的岩层所控制 理论模型与实际地质环 境相差较远 2 2 6 2 2 6 下三带 理论 下三带 理论 下三带 的理论观点最早是在 20 世纪 80 年代初由山东科技大学荆自刚 李白英在 实践中提出的 并由以李白英为代表的一批科研人员在实践中进行应用和发展 该理论认 为 开采煤层底板也象采动覆岩一样存在着三带 即 底板破坏带 完整岩层带 承 压水导高带 图图 2 2 3 3 开采煤层底板 三带 划分模型示意图开采煤层底板 三带 划分模型示意图 第 带 采动底板破坏带 h1 是指由于采动矿压的作用 底板岩层连续性遭到破 坏 导水性发生明显改变的层带 该带的厚度即为 底板破坏深度 底板破坏带包含有 层向裂隙带和竖向裂隙带 它们相互穿插无明显界线 层向裂隙主要是底板受矿压作用 底板经压缩 膨胀 压缩 产生反向位移所致 竖向裂隙主要是剪切及层向拉力破坏所致 该带的厚度受多种因素影响 但主要受采面斜长的影响 并给出了经验公式 第 带 完 整岩层带 或保护层带 h2 是指底板岩层保持采前的完整状态及其阻水性能的部分 它包含以前所谓 采动底板破坏影响带 中的下部影响带以及未变形部分 其共同特点是 保持采前岩层的连续性 其阻水性能未发生变化 第 带 承压水导高带 或隐伏水头带 h3 是指含水层中的承压水沿隔水底板中的裂隙或断裂破碎带上升的高度 即由含水层 顶面到承压水导升上限之间的部分 有时受采动影响 采前原始导高还可再导升 但上 升值很小 由于裂隙发育的不均匀性 故导高带的上界是参差不齐的 不同的矿区 因其 底部岩层性质及地质构造差异 承压水原始导高大小不一 有的矿区也许无原始导高带存 在 下三带 理论使人们对采动的煤层底板结构有了一个整体的认识 且其在实践中得 到了一定程度的应用 但其有效保护层带阻水能力的计算仍然是根据突水系数法或阻水系 数法来确定的 因而存在一定误差 其次此理论中的三带并不一定都存在于所有的矿井的 底板中 要根据具体条件而定 2 3 底板突水原因的认识 综合上述知识可以得出 煤层底板突水是各种因素综合作用的结果 只是有主次之分 而已 具体来说 导致煤层底板突水的原因不外乎三个 采矿活动 煤层底板的阻隔水能 力 承压水的作用 在这三种因素之中 采矿活动是导致底板突水的直接诱导因素 也是 由人类的破坏活动所引起的 水压是发生突水的前提 只有当开采活动位于底板含水层的 承压水位以下时才有可能发生突水事故 煤层底板的阻隔水能力是阻止突水的关键性因 素 其是由自然条件所决定的 但可以在一定程度上人为地改善其阻隔水能力 2 3 1 2 3 1 采矿活动的影响采矿活动的影响 1 采空区的尺寸 采矿活动的直接结果之一就是使地下出现大面积的采空区域 并且实践结果表明 采 空区的面积是决定底板突水的一个重要因素 且采空区的面积越大 突水的几率越大 从 能量释放的角度来说 采空区的面积的逐渐增大将使岩石释放弹性能的几率增加 从而导 致底板破坏 引发突水事故 而对于一定条件之下的矿区 走向长度基本上是老顶的来压 步距 是一个基本确定的值 因此工作面的倾斜长度决定了采空区面积的大小 从而成为 影响突水的一个重要因素 所以工作面的斜长越长 其阻抗水能力越弱 但是这与当前工 作面不断加大的采煤技术的发展产生了矛盾 因此如何在确保底板不突水的情况下有效增 加工作面的长度 也是一个研究的问题 2 应力重新分布的影响 包括支撑压力与原岩应力 1 采矿活动将使围岩及煤层底板中的原岩应力的分布发生变化 使工作面前方及 周边的煤岩体受到支撑压力的影响 众所周知 按支撑压力分布的不同 在工作面的前后 依次分为增压区 减压区和稳压区 即随着工作面的不断向前推进 煤层底板将反复经受 压缩 膨胀 压缩的过程 使底板自上而下遭受破坏 并且在减压区内产生大量裂隙 达 到最大破坏深度 成为突水的爆发点 在煤层底板条件相同的情况下 最大破坏深度由支 撑压力的大小所决定 且可采用土力学中地基的计算方法得出 此外 在煤层底板的下部 在水压的影响下 一般存在原始导升带 在支撑压力及水 压的共同作用下 将使底板底部产生裂隙并且活化原有结构面 使导升带升高 但由于煤 层底板的不均一性 压力水上升的高度随底板岩性的变化而变化 2 由于我国对于顶板的管理一般采取的全部垮落法 老顶的周期来压将使将使支 撑压力显著增大 使底板遭到很大的破坏 因此这是底板最易发生突水的时候 降低老顶 来压的影响将会降低底板突水的几率 3 原岩应力对底板突水的影响将取决于底板隔水层的厚度 当隔水层的厚度较大 时 原岩应力将会阻碍裂隙的张开 直至承压水水压大于最小原岩主应力时 裂隙将会导 通 发生突水 当隔水层的厚度较小时 强大的水平原岩应力将会使底板产生底鼓 并最 终产生张裂导通承压水 发生突水事故 因此 原岩应力在底板隔水层较厚时对预防突水 是有利的 2 3 2 2 3 2 承压水水压的影响承压水水压的影响 承压水水压可以分为 静水水压和动水水压 1 静水水压对底板隔水层的影响分为两个方面 一是使底板岩层底部产生裂隙或 使原有的结构面产生张裂 并长时间对岩层浸泡 使岩层软化 最终降低岩石强度或沟通 导水裂隙 二是当底板岩层较薄时 底板作为一四周固支的薄板 将会承受水压 支撑压 力及冒落在底板上的矸石的平衡作用 当联合作用力产生的弯矩超过底板所能承受的最大 弯矩时 底板岩层就会发生破断 并有可能造成爆发型突水 此外 由于工作面上下存在 高程差 一般下顺槽比上顺槽承受的水压较大 故此处易发生突水 2 动水水压是承压水在岩石缝隙及通水通道中运动和突水时由势能转变为动能的 压力 在缝隙中 承压水将冲刷和运移裂缝中的充填物 使岩层的强度降低 在发生突水 的瞬间 将使承压水产生强大的冲击力 突入采空区 造成重大损失 2 3 3 2 3 3 煤层底板的阻隔水能力煤层底板的阻隔水能力 1 底板隔水层的厚度及岩性 隔水层的厚度对于底板是否突水具有重要的作用 当其他条件不变时 煤层底板的阻 隔水能力随隔水层的厚度的增加而增大 同时 当底板中阻水能力强的岩石如泥岩所占的 百分比较大时 其阻隔水的能力也相应地增加 2 底板隔水层的结构 隔水层的结构主要分析软硬岩层在底板中的相互组合 硬岩层的强度与硬度都好于软 岩层 但其对采动作用的敏感程度较软岩层剧烈 因而在支撑压力与水压的作用下 硬岩 层更容易产生裂隙甚至发生断裂 软岩层具有良好的塑性 抗变形能力大 可以有效缓解 矿山压力及水压所带来的影响 不易产生裂隙 甚至在一定条件下可以使已产生的裂隙闭 合 因而 软 硬 软 的岩层组合的底板的抗水能力较单一岩层或 硬 软 硬 形式 的岩层强 3 断裂的发育程度 经统计 由断层引起的采掘工作面的突水占突水总数的 80 以上 因此 断裂结构面 存在对突水起着重要的影响作用 按其发育的程度 可大致将煤层底板分为三类 1 具有断裂构造的底板 一般发育着不同导水程度的大小断层或其他构造 受矿 山压力和承压水压的作用 可导致断裂结构的直接活化 形成导水通道 引发滞后型突水 或者底板含有巨型突水通道如岩溶陷落柱 当工作面推进到此处揭露这些构造时 就会形 成爆发型突水 此种类型底板易发生突水事故 2 具有裂隙发育的底板 底板中发育着大量固有裂隙结构面 且分布杂乱无章 在矿压及水压的作用下 将会活化并继续扩张 直至水压克服结构面的阻力使裂隙连通时 将会发生突水 但并非具有连通性裂隙的底板就会发生突水 主要还是看矿山压力及水压 对底板的破坏程度及裂隙的阻水能力 3 具有完整隔水层的底板 底板一般无断裂构造且裂隙结构面也较少 具有相对 的完整性 此时 底板的破断与否主要看其抗弯性和抗拉性 3 开滦防治水技术 煤矿井水灾的防治措施 大体上可总结为查明 观测 探水 放水 截水 堵水 查 明 观测和探水这三个技术措施主要是前期的水灾预防工作 运用监测 预测 探测等手 段 放水 截水 堵水则主要是后期的水灾治理 查明 是指查明充水水源和导水通道 煤矿井水防治措施的关键是查明工作面及采区 矿井的充水水源及其通道 观测 主要是指水文观测 具体说来体现在以下三方面 运用水文观测孔以及过探水 钻孔 观测各类地下水水源的水量变化 水位 水压 查明水质 分析煤矿井水的来源 查明水量的补给 地表水体的分布和排泄条件 查明洪水对居民点及工业广场 矿区的 影响程度 收集当地的河流水文地质和降水量 气象资料 包括洪水期和枯水期 水位 速度 流量等 观测四季矿井的涌水量并总结出规律 探水 据 煤矿安全规程 的相关规定 矿井必须做好水害分析预报 坚持 有疑必探 先探后掘 的探放水原则 由于受客观认识能力和勘探手段的限制 煤矿生产又是地下作 业 水文地质条件相对复杂 因此掌握不清地下含水条件 存在水害疑问区 放水 即查明水源后 根据水源的特征采取相应的疏放水方法 有准备 有计划地疏 放干任何威胁到煤矿井安全生产的水源 这是应对矿井水灾最有效 最积极的方法 截水 就是查明水源后 受条件所限无法疏放水或疏放水不合理时 采用防水煤柱 防水墙 防水闸门等设施 临时或永久性地截住水源 将水与采掘区隔开 使局部受困不 影响整体 堵水 是指注浆堵水 将专门准备的堵水材料浆液通过钻孔输送到断层破碎带或地层 的溶洞 裂隙 使浆液不断的扩张 凝固 并进一步硬化 达到隔离水源 填充堵塞通道 的目的 注浆堵水方法实施简便 并且效果也不错 是防止煤矿井透水积极有效的手段 目前这种注浆堵水手段不管从工艺 注浆材料 检测 设备以及注浆应用等方面都有了一 定进步 开滦矿区在多年与水灾害斗争的基础上 积累了大量地实际经验 加上不断地摸索 研究 已经形成了自己的一套独特的防治水技术 3 1 矿井防治水综合立体勘探技术 3 1 1 3 1 1 综合立体勘探技术综合立体勘探技术 1 物探 即地球物理勘探 它是利用岩体中自然的或人工激发的物理场来监测岩体的动态变化 和揭露已有的地质构造的一种勘探技术 其勘探手段主要包括 振动法 岩体中弹性波传 播过程的研究 重力法 岩体内重力变化的研究 地电法 地电现象的研究 此外还 有热法 原子能法等 作为一种应用于采矿工程的新兴学科 具有以下的优点 1 其与打钻孔 掘巷道探测来说 观察 测量成本低 2 采矿中的许多现象和过程只依靠物探手段来进行测量 记录和分析 例如岩体 震动 冲击矿压等矿山动力现象 3 其获得的信息量大 4 研究测量具有非破坏性 即其在观测的过程中不会对岩体造成破坏 能够保障 工程的连续性 2 钻探 钻孔具有直接揭露 准确性高的优点 但控制面积小 成本高 速度慢 井下钻探虽 然有比地面钻孔成本低 速度快的优点 但探查高压水有很大风险 对安全影响很大 3 化探 化探是系统地测量和研究各类天然物质中与自然资源有关的地球化学指标 进行资源 勘查或预测的方法 化探是一种很好的辅助手段 化探的结果可从质的方面去判别地下水 的补给水源情况 从而对水文地质条件进行更深入的分析 专门水文地质试验是水文地质 勘探工作的进一步深化 综合以上多种勘探技术 物探虽然具有很大的优越性 但是它仍然是一种间接的探测 方法 其探测结果受各种方面的影响 有时不能完全反应实际条件 而结合钻孔的布置 即在物探的基础之上 在特定区域有目的的布置相应数目的钻孔能够进一步提高勘探的准 确性 也减少了钻探的盲目性 再次利用化探 可以观察和分析各含水层之间的水力联系 更加准确的查明水文地质条件 在开滦矿区防治水实践中 采用物探 化探和钻探相结合的方法 配以常规的水文试 验 通过各种探测结果资料的综合分析 逐渐形成了多元信息预测 化探辨识水源 物探 确定异常 放水试验确定导水通道及补径排 钻探验证的综合立体探查方法 3 1 2 3 1 2 综合立体勘探技术的应用综合立体勘探技术的应用 在 1984 年范各庄矿发生世界采矿史上罕见的特大岩溶陷落柱透水事故后 在超前探 查隐形含水岩溶陷落柱过程中 进一步促使了物 化 钻综合立体勘探技术的完善和成熟 并成功地查出了范各庄矿第十号 十三号隐伏导水岩溶陷落柱 避免了再次淹井事故的发 生 3 1 3 3 1 3 综合立体勘探技术所应注意的问题综合立体勘探技术所应注意的问题 综合立体勘探是对水文地质条件复杂和极复杂的矿井为探清水文地质异常而采用的 特殊勘探方法 在应用综合立体勘探方法时应注意以下问题 1 通过对已有水文地质资料的分析 发现对矿井安全生产有严重威胁的水文地质 异常 为搞清异常原因 查清水文地质条件 有针对性的选择适合该矿井条件的手段和方 法 特别是物探手段的选择必须有针对性和适应性 避免以多制胜的不良倾向 2 要坚持物探 化探 钻探相结合的方法 在探查水文地质异常区时 一般应遵 循物探为先导 钻探来验证 化探作补充 有条件时再配以水文地质试验的勘探程序 3 综合立体勘探解决问题的关键 在于对各种探查资料的综合分析 除对各种方 法所取得资料进行分析外 主要是对各种资料的综合分析 对照和相互验证 注意各种方 法的适合性 3 2 含水层下开采防治水技术 因对底板突水的影响的各因素中有主次之分 可根据不同的情况对有突水危险的底板 采取相应的对策 对于承压水上采煤 要以预防为主 对其开展水文地质条件调查 包括富水性 透水 性 水压及水量等基本条件 含水层下开采防治水的技术目前主要分为两类 即井下防水 和疏干排水 当煤层与水体或含水层之间有隔水层存在时 需要留一定高度的防水煤岩柱 而当煤层离含水层很近或直接接触时 应采取积极地疏排措施 其中疏降承压水体 深降 强排 是最为有效的方法 可以从根本上解决突水问题 但其应用需要根据具体的地质条 件且工程费用较大 同时从绿色开采的角度来看 疏降承压水体将导致大量水资源的浪费 导致当地生态环境的急剧恶化 危急后代 故其发展将受到一定程度的限制 因此 保护地下水资源不被破坏又能实现安全开采的带压开采 采用充填开采 是今 后承压水上采煤的一个重要发展方向 随着相关技术的发展 其应用范围将将依赖主要装 备及相关技术的发展 3 2 1 3 2 1 冲积层下开采冲积层下开采 针对不同区域的冲击层厚度 水量大小 与下部水源有无 天窗式 和 越流式 水 力联系 煤层赋存和顶底板情况 通过顶板冒裂带观测 注水试验和试采实践 逐步掌握 了不同水文条件 开采条件下冒落带 裂隙带发育规律 深化了冲击层防水煤柱高度合理 留设问题的研究 一般来说 采后导水断裂带高度约为采高的 13 15 倍 冲积层防水煤柱垂高除按采 高的 15 倍留设外 并根据冲积层结构及底界面有无粘土再确定增加一定厚度的保护层 当含水冲积层底界面为卵石层时 保护层取 5 m 粘土层厚达 5 m 以上时 可不加保护层 在巨厚含水冲积层下开采 应考虑到抗水压因素 当含水冲积层厚度大于 200 m 时 其超 过部分每增加 10 m 冲积层 相应增加防水煤柱 1 m 留设冲积层煤柱应考虑不同采煤方法及工艺 对于厚煤层 为了适应各种采煤方法的 变化 防水煤柱可沿走向留设几条不同厚度的煤柱 并沿不同线布置不同采煤方法和工艺 的工作面 3 2 2 3 2 2 顶板砂岩裂隙含水层下开采顶板砂岩裂隙含水层下开采 1 顶板砂岩裂隙水的涌水规律 1 涌水量基本上随着采掘工作面的推进而增长 2 涌水量的增长极不均匀呈跳跃式 主要是在断层破碎带或裂隙比较发育的部位 集中涌出 3 随着采面的局部冒顶 通常与地质构造发育有关 能引起顶板水的集中涌出 而水的大量涌出又加剧了冒顶的发展 反过来冒顶的发展又扩大了出水断面和来水通道 这样循环下去很容易造成突水事故 4 涌水量的增长主要出现在采后周期性来压和基本顶或直接顶垮落以后 2 顶板砂岩裂隙水的处理方法 针对上述水患 主要采取的技术措施为疏水降压 疏干排水 集中建疏水中心 打钻 至含水层集中疏水 具体措施如下所示 1 在本水平第一个可采煤层的最下一个工作面 首先掘出运输巷向顶板含水层打 钻放水 提前的时间大约半年左右 以便在第一个采煤工作面上方形成疏降区 2 先采最上的较薄煤层 然后再采其下的较厚煤层 用薄煤层的泄水作用来保证 厚煤层的正常安全开采 或者缩短工作面的长度以有利于安全生产 3 在本水平较低洼的构造部位进行顶板水的集中疏放 3 3 含水层上开采防治水技术 随着开滦矿区浅部资源的枯竭 底板奥灰水呈现高水压 高地应力的特征 导水岩溶 陷落柱和导水断层的沟通 加大了奥灰水的整治难度 3 3 1 3 3 1 承压水上开采的基础承压水上开采的基础 采矿底板突水是因为底板受采矿工程活动的影响而发生破坏 致使底板强度不能承受 底部奥灰含水层的压力而发生的 开滦矿区根据多年的研究 以矿区内深部矿井为研究对 象 得出了采后底板导水性可以分为采后底板破坏带 奥灰承压水原始导高带和有效保护 带 即 三带 此处的三带和以往的 下三带 理论所不同的是 该 三带 的研究是 针对深部矿井的 因此以往的一些浅部矿井的经验有时是不适应的 如突水系数的应用等 1 采后底板破坏带 采后底板岩层应力状态发生变化 形成应力集中区和卸压区 应力的增减和剪切 使 岩层的原始裂隙张闭和扩展 从而使岩层渗透性增大 削弱了岩层的阻水能力 因此 首 先应研究影响采后底板导水性的岩石强度 岩层组合 原始裂隙发育状况 开采深度 工 作面斜长及采高 掘进速度 来压步距等 即综合各方面的因素来研究 2 奥灰承压水原始导高带 主要取决于奥灰承压水的水压的大小 当矿井因开采煤层距奥灰顶界面间距小于开采 压力对底板影响最大深度 不可忽视奥灰承压水沿其原始导高向上再升而形成采动导升 带 3 有效保护带 有效保护带位于底板采动破坏带与奥灰承压水导高带之间 它是抵抗底部奥灰水突出 的关键 其抵抗突水能力取决于厚度和岩石强度 有效保护带厚度由煤层距奥灰顶面距离 减去底板采动破坏带和原始导高带得出 此外还应该注意底板岩层中导水通道的存在 如较大的断层 岩溶陷落柱等较大的构 造 它们能够显著降低底板隔水层的强度 有时在突水系数满足带压开采的时候 由于导 水通道的存在 就会导通奥灰水 发生严重的突水事故 因此需要加强对这些导水通道的 探测工作 3 3 2 3 3 2 承压水上开采方法承压水上开采方法 在 三带 和导水通道的研究基础之上 根据一些列的数值模拟机相似材料模拟 确 定深部矿井下地突水系数值 并且根据具体的情况来采取不同的开采方法 如带压开采和 疏水降压开采等 带压开采主要是隔水层的厚度和强度满足一定的条件 进行采矿活动后 不会导致底 板突水的发生 但矿区内大多数还是进行疏水降压来进行煤炭的开采 但是疏水降压有一 定的应用条件 即封闭或半封闭的水文地质单元是实现疏水降压的重要条件 因此在进行 相应的工程实施时首先要对矿区内的水文地质条件进行综合研究 疏水降压工程系统包括排水工程 排水设施和疏水工程 3 部分 其中排水工程多为岩 巷 设计成一定坡度将疏水引入水仓 排水设施是承担把疏水排至矿井地面 其排水能力 能满足最大疏水量的需要而不会淹井 其设计位置应能最大限度减少排水高度以节省费 用 疏水工程通常用一批钻孔将奥灰承压水引出 其钻孔结构和孔口装置应能保证开启安 全 其数量应能满足最大疏水量的要求 3 4 导水断裂防治水技术 导水断裂带内裂隙发育 岩体破碎 强度降低 给承压水的致裂和导升创造了条件 张性断裂带中的充填物多为胶结不够紧密的泥质 碳质等岩屑碎块 在承压水的长期作用 下被软化 侵蚀掏空 形成较高的原始导高 从而降低了隔水层的厚度 能够成为奥灰水 进入开采空间的通道 在采矿活动的影响下 其中的裂隙及断裂会进一步扩展 弱化隔水 层的强度 严重威胁矿山生产的安全 因此在开采之前判断导水裂隙的位置及规模具有非 常重要的意义 3 4 1 3 4 1 导水断裂的预测导水断裂的预测 井巷 钻孔遇导 含 水断裂前一般具有以下几方面的特征体现 钻孔泥浆消耗量明 显增大 钻孔水位出现高异常 水温异常 电阻率异常 水质异常等 要注意观测和分析 并对导 含 水断层作出预测 3 4 2 3 4 2 导水断裂的探查导水断裂的探查 采用物理 化学探测分析 主要包括 三维地震勘探 放射性测量 远红外测温法 井下电法勘探 同位素分析等 水化学分析 水位 水压 水温分析 钻探等方法对导 含 水断裂进行准确探查 3 4 2 3 4 2 导水断裂的防治导水断裂的防治 1 留设必要的导水断层防水煤柱 2 掘进工程穿越导水断裂的防治技术 在掘进工程穿越导 含 水断裂时 最常 用的技术就是通过注浆 封堵出水通道 加固围岩 并采用特殊的支护措施通过 3 回采工作面导 含 水断层的防治 工作面内赋存导 含 水断层时 一般可 采用截流堵水 疏水降压和留设断层防水煤柱等防治水措施 具体采用那种方法 应根据 断层的导 含 水性 水压 涌水量 补给水源来确定 特别是技术经济合理性等因素考 虑 开滦赵各庄矿通过对煤系底板可靠阻水带厚度的理论与应用研究 制定合理的疏水降 压开采方案 实现了在受底板高压奥灰水威胁下安全带压开采 取得了巨大经济和综合社 会效益 据统计 实施疏水降压工程以来 累计从受底板奥灰水威胁的区域采出煤炭资源 700 多万吨 实现销售收入 10 亿多元 取得了巨大的经济效益 3 5 隐伏导水陷落柱综合探测和治理技术 岩溶是发育分布在石灰岩地层中 由流动的地下水进行长期的溶蚀作用而形成的 在 石灰岩中古代溶洞非常发育 由于地下水的不断溶蚀 洞穴越来越大 最终形成圆形或不 甚规则的椭圆形柱状体 开滦矿区内隐藏着许多导水陷落柱 一旦揭露陷落柱 涌水量将 会急剧增加 甚至将整个矿井淹没 3 5 1 3 5 1 综合立体探测技术综合立体探测技术 1 通过三维地震探测直径大于 20 m 的陷落柱的发育情况 2 通过对地下水温度 电阻率的测量和分析探查水文地质异常区 通过放水试验 查找隐形垂直导水构造 3 通过钋 210Po 井上下钻孔探查隐形垂直导水构造的位置 范围 4 利用综合物探手段圈定隐形垂直导水构造的空间形态 主要手段包括 无线电波 坑道透视 槽波地震法和弹性波 CT 法探测 瞬变电磁和重力探测等 3 5 2 3 5 2 隐形垂直导水构造的治理技术隐形垂直导水构造的治理技术 1 综合治理方案的确定 开滦矿区在矿井防治水工作中根据隐形导水构造的性质不同 导水性不同 危害程度 不同 而采取不同的治理方法 具体如下所示 1 对严重威胁矿井安全生产且对人民生命 财产构成严重威胁的垂直导水构造 大多采取骨料 砂子 渣子等 水泥及混凝土等原料一次性注实 彻底消除其潜在的危害 性 如开滦范各庄矿