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专题神东矿区防溃水溃沙技术浅谈 含CAD图纸+文档 阳泉 1.8 Mta 设计 专题 矿区 防溃水溃沙 技术 浅谈 CAD 图纸 文档

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神东矿区防溃水溃沙技术浅谈神东矿区防溃水溃沙技术浅谈 摘要：摘要：本文论述了神东矿区发生溃水溃沙事故的实例，分析了煤矿发生溃水溃沙的地质、水文条件，讲述了在神东特定条件下发生溃水溃沙事故的原理和预防、治理溃水溃沙的措施。 关键词：关键词：神东矿区；溃水溃沙；浅埋煤层；风积沙；关键层 1 专题研究背景 1.1 神东矿区在国家发展中所发挥的作用 神东煤炭集团位于陕西省榆林市神木县大柳塔镇，与内蒙古伊金霍洛旗上湾镇相邻。2009 年 5 月 20 日，神东煤炭公司、神东煤炭分公司、金峰分公司、万利分公司合并后成立神东煤炭集团。 神东矿区是神府东胜矿区的简称，具体含义指陕西省神木县、府谷县、内蒙古自治区东胜市（现鄂尔多斯市） 。现为我国最大的井工煤矿开采地，其中神东煤炭集团布尔台煤矿年产 2000 万吨，是世界第一大井工煤矿。 神华神东煤炭集团 2009 年 5 月 20 日在神东矿区四公司的基础上整合成立。地跨陕、蒙、晋三省区，有 17 个煤矿，今年计划生产原煤 1.7 亿吨，约占全国总产量的 6%、全国重点煤矿产量的 12%。 集团紧紧抓住国家西部大开发、能源战略西移的历史机遇，认真贯彻产业政策，在地方各级党委、政府和社会各界的大力支持下，依托神华矿电路港一体化、产运销一条龙运营模式，坚持“高起点、高技术、高质量、高效率、高效益”的建设方针，依靠技术和管理创新，形成了“生产规模化、技术现代化、服务专业化、管理信息化”为基本特征的新型集约化生产模式。形成了千万吨矿井群的生产格局，2005 年率先建成全国第一个亿吨煤炭生产基地，到 2008 年，原煤生产连续四年过亿吨，商品煤生产连续三年过亿吨，综采产量连续两年过亿吨，企业安全、技术、经等主要指标达到国内第一、世界一流水平。认真履行中央企业“政治、社会、经济”三大责任。注重资源回收，推动可持续发展；加强环境保护，建成绿色生态矿区；坚持互利共赢，促进了区域经济和社会发展。 神东煤炭集团将深入学习实践科学发展观， 进一步解放思想， 加快自主创新， 丰富 “四化”模式，创建“本质安全型、质量效益型、科技创新型、资源节约型、和谐发展型”企业， 2010 年产量达到 2 亿吨，2013 年达到 3 亿吨，为推动“科学发展，再造神华，五年实现经济总量翻番” ，促进国民经济又好又快发展作出贡献，创百年神东，做世界煤炭企业的领跑者。 1.2 神东矿区面临的严峻的环境问题 地下水对采矿工程的安全和稳定的影响越来越突出；水资源的破坏对人类的影响越来越大，造成大量水土流失，土地荒沙漠化其中土地（荒）沙漠化是影响当地环境保护、经济发展的重大问题之一，已严重威胁到当地居民的生存和发展。该矿区的煤层埋藏浅，埋深一般在 100m 以内，煤层上覆基岩薄，煤层开采沉陷会直至地表，不仅导致水资源流失，而且造成地表风积沙流动。耕地、草场风蚀沙化或为流沙所侵占，严重地影响着当地的居民及其农牧业的生活、生产，从而导致农作物产量降低，土地生产潜力下降，最终造成可 利用土地资源丧失，严重地影响了当地的经济发展和人民生活，同时也使该地区的生态平衡遭受了严重的破坏。 根据有关资料显示，由于陕北资源大规模的开发，一方面矿区开发以及相应工程范围剧增，使植被破坏面积已达 180 km2，水土流失面积高达 82，年均新增侵蚀量超过 500万 t，每年由穿过矿区的乌兰木伦河输走的泥沙已从 1.7 亿 t 增加到 2.39 亿 t，并且有日趋严重之势；另一方面，矿井开采破坏立即波及基岩面和地表，导致地下潜水水位大幅度下降，植物枯死、农作物旱死、荒（沙）漠化面积扩展，生态环境进一步恶化。如神府矿区大柳塔煤矿第一个综合机械化 1203 采煤工作面，采深 4060m，来压时顶板台阶下沉直通地表， 使风积沙下的丰富潜水(平均潜水水位高 10m)直泻工作面， 最大涌水量达 500m3/h，不仅淹没工作面，影响生产，而且导致靠近地表的宝贵水资源流失。随着西部大开发战略的实施，这种粗放式大规模开发必将使生态环境问题更加突出，反过来也必将严重制约其经济发展1。 同时，现场调研也表明，潜水水位接近地表或溢出地表时，不仅可以促进植物的生长，而且由于土的含水量较大，风既难以吹起沙层，水土流失也难以出现，环境质量比较好；当潜水位降低到草本植物仍能直接或间接(通过毛细现象)吸收的位置时，该区域就能生长出大量草本植物及灌、乔木植物，于是水土流失、沙漠化也不易发生，且环境质量往往也较好；当潜水水位继续降低，以致部分草本植物因缺水而逐渐死亡，但耐旱耐酷热的草本植物仍能残存，而对根系较为发达的灌木也没有大的影响；当水位持续下降，即使灌木也难以幸免，而连乔木植物也会死亡，此时即使仍有未死掉的残艾野草，也抵挡不住风沙侵袭，因而最终导致环境质量的彻底恶化，荒漠化扩大就必不可免。所以，保持水环境不变，即保持地下潜水水位不降低，对预防陕北矿区荒（沙）漠化具有十分重要的作用。 2 神东矿区水文、地质条件 2.1 神东矿区地质条件 神东矿区地处毛乌素沙漠与黄土高原丘陵沟壑区的过渡地带，属于干旱地区，常年蒸发量大于年降雨量。有关研究表明：神东矿区浅埋煤层赋存的显著特点是埋藏浅、顶板基岩薄、地表为厚风积沙覆盖层。沙漠覆盖层之下基岩之上第四系的萨拉乌苏组含水层蕴藏着宝贵的潜水，对脆弱的地表植被生长起着关键作用；同时该含水层水量丰富，矿化度小于 0.5g /L，是陕北沙漠草滩地东缘地区居民生活和工业优质用水水源，也是矿区唯一的含水层。现场调研也表明，潜水水位接近地表或溢出地表时，不仅可以促进植物的生长，而且由于土的含水量较大，风既难以吹起沙尘，水土流失也难以出现，环境质量比较好；当潜水水位降低到草本植物及灌、乔木植物，或间接（通过毛细现象）吸收的位置时，环境质量往往比较好；当潜水水位继续降低，以致部分草本植物因缺水而逐渐死亡，但耐旱酷热的草本植物仍能残存，而对根系较为发达的灌木也没有大的影响；当水位持续下降，即使灌木也难以幸免，而连乔木植物也会死亡，此时即使仍有未死掉的残艾野草，也抵挡不住风沙侵袭，因而最终导致环境质量的彻底恶化，荒漠化扩大就必不可免。所以，保持水环境不变，即保持地下潜水水位不降低，对预防陕北矿区荒（沙）漠化具有十分重要的作用。但是由于煤层顶板基岩一般比较薄，随着矿区大规模的开发，采动裂隙将直接影响和波及到该含水层，造成水源地的直接破坏，并导致原来接受该含水层补给的井泉、河流和 水库干涸，加剧了地表荒漠化进程，同时也使该区域生态环境面临严重危险。据统计，矿区开采初期地表植被破坏面积就达 1 26 .6 万亩，年增加水土流失量达 2 78 0 万 t。因此，对神东矿区浅埋煤层开采岩层导水裂隙发育规律及地下水资源保护性开采的研究，具有十分巨大的意义。此外，神东矿区浅埋煤层长壁开采工作面曾发生多次涌水溃沙灾害。为了防治此类灾害，目前采取“强排提前疏放，上吐下泻” ，达到提前疏降地下水，使初次放顶时水动力降低，以沙溃入矿井的动力条件不存在为目的。 矿区地表广泛地覆盖着第四系黄土和风积沙，中生界地层在各大河谷中出露。据勘探揭露的地层从老到新基本上为三叠系、侏罗系、白奎系、第三系、第四系地层。矿区构造简单，断层稀少、地层近似水平，微向西倾斜、倾角 1 30 的单斜构造。 侏罗系中统延安组为本矿区的含煤地层，总厚度 250-310m，含煤层数多达 18 层，一般 510 层，可采煤层 13 层，一般 36 层，煤层可采厚度总计 27m，最大单层厚度 12.8m，煤系地层在神府矿区出露较多， 并且在神府矿区埋藏较浅， 至榆神矿区随着地层总体西倾，埋深也逐渐增大，主采煤层 2-2 的覆岩厚度 100400m。而神府矿区大部分，榆神矿区东部首采煤层 2-2 的覆岩厚度都小于 100m。神东矿区可采煤层赋存特征如表 1.1 所示。 表 1.1 神东矿区可采煤层赋存特征表 2.2 神东矿区水文条件 详细分析神东矿区地质及水文地质资料后可以看出: 1）神东矿区位于鄂尔多斯侏罗纪聚煤盆和下白奎统蓄水盆地东北边缘，横跨盆地东北部下侏罗统延安组（J1-2y） 、中侏罗统直罗组（J2z）和下白奎统志丹群洛河组（K1l）浅部露头区，黄河二级支流乌兰木伦河中游(神东矿区段)实质沿白要系与侏罗系边界发育; 2）以乌兰木伦河为界，神东矿区跨跃 了鄂尔多斯盆地北部第四系孔隙水系统和中西部白奎系裂隙孔隙水系统分布区（2.1） 图 2.1 神东矿区地下水系统分布图 根据煤层埋藏特点及煤层与含水层组合特征，神东矿区矿井水文地质条件可以概化为两种基本类型：一类是浅埋的下侏罗统延安组煤层及顶部弱含水层直接上覆厚层中强富水的第四系松散孔隙含水层，主要分布于先期重点开发的大柳塔等矿区南部井田；另一类是中至深埋的下侏罗统延安组煤层和直罗组（J2z） （局部发育安定组）上覆厚层中强富水的白坐系含水层，该类型覆盖矿区西部和北部。 3 理论分析 3.1 关键层结构理论 在浅埋煤层中，关键层达到极限跨距时形成的破断岩块之间的贯通裂隙为溃水溃沙提供了通道。溃水溃沙机理有俩种： （1）老顶岩块在回转过程中形成溃水溃沙通道； （2）老顶岩块回转触矸后由于支架阻力不够，岩柱滑落失稳而溃水溃沙2。 3.1.1 浅埋煤层主关键层位置对导水裂隙带高度影响浅埋煤层主关键层位置对导水裂隙带高度影响 覆岩主关键层位置不同时，对顶板导水裂隙带发育高度的影响也有所不同，如图 3.1 图 3.1 不同位置关键层破断前后导水裂隙带发展规律 由于覆岩移动是自下而上进行的，随着工作面的推进关键层破断时间会随着其位置不同而不同。当推进总长度小于 A 时，关键层未破断，则处于下位的关键层可以有效减缓覆岩对工作面载荷的传递，因而主关键层处于上位时对应的导水裂隙带发育高度大于主关键层处于下位时对应的导水裂隙带高度；随着开采进行，当主关键层处于下位时，会受采动影响而先发生破断，此时裂隙发展速度因关键层破断将会超过处于关键层处于上位时裂隙发展速度，导水裂隙越过关键层迅速向上部岩层发展导致导水裂隙带发育高度激增而超过同样条件下主关键层处于上位时对应的导水裂隙带高度。 因此，关键层位置对覆岩导水裂隙带发育高度有较大影响。当主关键层位于下位，距离开采煤层较近时，由于主关键层下的可压缩回转空间较大，导致主关键层破断时，结构块体的下沉量、回转量、裂隙张开度较大，并一直延展发育至基岩顶部，导水裂隙发育高度明显大于“常规”导水裂隙带高度。 3.1.2 “关键块”运动对导水裂隙演化的影响“关键块”运动对导水裂隙演化的影响 “关键块”是关键层破断块体结构，主关键层上覆岩体导水裂隙的动态发育同“关键块”的运动有密切的联系。随着开采的进行主关键层破断块体运动会出现破断、回转、反向回转直至稳定的过程（见图） ，主关键层上覆岩体裂隙同样经历了“产生发育原裂隙闭合新裂隙产生”的过程3。 图 3.2 浅埋煤层老顶关键块的逆向回转运动 3.1.3 浅埋煤层关键层破断对导水裂隙演化的模拟浅埋煤层关键层破断对导水裂隙演化的模拟 采用 R F P A2 D 建立计算模型。模型中的参数参考补连塔煤矿 31 4 01 工作面 S1 8 钻孔岩芯力学测试结果。模型长 30 0 m，高 14 5 m，煤层厚度为 4m 。考虑到开采边界的影响，煤层两侧各留设 70 m 的边界保护煤柱，初次开挖 50 m ，此后每次开挖步距 10 m，总计推进 16 0m 。 如图 3.3(a)(g)为整个开挖过程中关键层破断期间顶板垮落与导水裂隙动态发育较明显时期弹性模量图。 工作面初次开挖 50 m 时，煤层直接顶冒落，采动裂隙向关键层发展，在主关键层下部出现离层，随着工作面继续推进，其下离层空间逐渐增大；随着工作面推进至 8 0m ，主关键层上出现破断裂隙；工作面推进至 90 m 时，关键层的破断裂隙进一步增大，处于随时发生破断的边缘，裂隙穿过关键层发展到其上部软岩，发育相对较为密集，同时前方沿关键层破断线出现新裂隙；当工作面推进至 10 0m 时，关键层发生破断，形成“砌体梁”结构，初次破断距为 1 00 m ，关键层上覆岩层随关键层的破断整体弯曲下沉，裂隙的高度瞬间发展至软岩中部；当工作面推进至 1 1 0m 时，裂隙的高度瞬间发展至软岩顶部；当工作面推进至 14 0m 时，裂隙发育更为密集，其交汇地带与关键层破断线相互贯通，形成导水裂隙，可能会导通含水层，从而发生突水事故；当工作面推进至 1 60 m 时，裂隙的高度瞬间发展至覆岩上部松散层， 与地表下行裂隙沟通。 在整个关键层初次破断后，主关键层破断块体形成“三绞拱式”的平衡结构，当工作面推进至 14 0 m 时，主关键层前方出现新的破断裂隙，而后方裂隙则由于主关键层破断块体结构反向回转运动而逐渐压实闭合；当工作面推进至 1 60 m 时，又有新生裂隙在关键层前方的破断线产生并发育到软岩的中部，后方裂隙则完全闭合消失。 图 3.3 开挖过程中部分弹性模量图 关键层两破断岩块中部挤压端角的最大允许下沉量和关键层与直接顶冒落矸石间的空隙分别为： 式中max，l，M，h，kp 分别代表端角的最大允许下沉量，关键层与直接顶冒落矸石间的空隙，岩块的长度，岩柱回转角，采高，直接顶总厚度，直接顶碎胀系数。 于是当max w 时断裂岩块间不会发生回转变形失稳,此时溃沙通道由两岩块的接触面形成,而接触面的高度影响溃沙发生的可能性,岩块不发生回转失稳的安全采高可由下式计算： 式中 k 为安全系数，ks=1.5，h 为关键层厚度。 岩块端角接触面高度不低于 5.0 m 时,水夹带的泥沙就能充分充填这种裂隙,从而有效地阻挡流沙层的沙溃入工作面,也就是说,当组合关键层岩块端角接触面高度大于 5.0 m 时,即使工作面上覆基岩厚度小于传统公式所计算的防沙安全岩柱厚度,工作面同样不会发生溃沙灾害。 根据浅埋煤层覆岩赋存结构特征进行分类如下图： 图 3.4 浅埋煤层关键层结构分类 （1）浅埋煤层复合单一关键层结构上部硬岩层所受的载荷大小是影响相邻两层硬岩层复合破断的重要原因。对于神东矿区而言，上部硬岩层所受的载荷大小与松散风积沙的厚度密切相关，松散风积沙作为作用在基岩上的载荷层，其厚度越大，作用在基岩上的载荷越大。当基岩厚度一定的条件下，风积沙的厚度越大，覆岩越易形成复合单一关键层结构。反之，基岩厚度一定的条件下，风积沙厚度变小，则覆岩会由复合单一关键层转变为多层关键层结构。 （2）多层关键层结构是指开采煤层上方有多层关键层，有亚关键层和主关键层。图为浅埋煤层多层关键层结构示意图。对于采深较大，基岩较厚的煤层，覆岩关键层结构一般为多层关键层结构2。 图 3.5 浅埋煤层多层关键层结构 （3）复合单一关键层结构 复合单一关键层结构是指浅埋煤层基岩中存在 2 层或 2 层以上的硬岩层，但硬岩层间产生复合效应并同步破断，使得靠近煤层的第 1 层硬岩层成为基岩中的唯一关键层，即主关键层。此类关键层结构中的硬岩层厚度与强度都不大，然而由于主关键层与其上方多层硬岩层处于整体复合破断关系，导致其破断失稳对工作面矿压显现与地表沉陷同样有显著影响。图 3.3 为复合单一关键层结构示意图。复合单一关键层结构类型在神东矿区浅埋煤层中普遍存在，这是造成神东浅埋煤层特殊采动矿压显现的根本地质因素。 图 3.6 复合单一关键层结构示意图 （4）上煤层已采单一关键层结构 上煤层已采单一关键层结构是指浅埋深相邻两煤层间的岩层中存在 1 层关键层，在上部煤层开采后，上部煤层覆岩关键层已经破断，开采下部煤层时两相邻煤层间的那层关键层成为覆岩主关键层，从而形成上煤层已采单一关键层结构，如图 3.4 所示。上煤层已采单一关键层结构破断时会同时影响到矿压显现和地表沉陷，对矿压显现的强烈程度受上煤层关键层破断后是否形成稳定结构影响。如果上煤层开采后其上覆关键层结构处于失稳状态，则上煤层已采单一关键层结构破断时易失稳，造成工作面强烈的矿压显现。 图 3.7 上煤层已采单一关键层结构示意图 浅埋煤层复合单一关键层结构的破断失稳特征关键层在破断前为板结构，在一定条件下中部可简化为梁结构，在破断成块体后，将形成砌体梁结构继续作为采动岩体中的承载主体。关键层破断后的运动特征的研究可以按砌体梁结构理论进行。关键层破断块体形成的砌体梁结构既要防止在回转角较小时(关键层刚断裂时)可能形成的滑落失稳，又要防止在角增大时铰接点挤碎而形成的转动变形失稳。满足这两个条件下的砌体梁结构块体才是稳定的，称之为砌体梁结构的 S-R 稳定判据。 当复合单一关键层关键层复合破断时，关键层所负载岩层厚度之和增加，导致关键层滑落失稳， 关键层和上部的基岩整体落垮。 工作面顶板岩层出现复合单一关键结构破断时，采面将形成一定范围内的岩层全厚切落式”垮落，顶板出现台阶下沉，同时伴随着来压强度大，速度快，具有较强的冲击力等特点。来压的瞬间支架载荷剧增，如果支架的强度不足够大，那么部分支架安全阀动作跟不上而不能迅速开启卸载，出现支架压死现象，失去承载能力，造成工作面压架事故。 神东矿区多为单一关键层结构。根据砌体梁结构“S-R”稳定理论，关键层破断块体形成的砌体梁结构不发生滑落失稳的条件是： 式中的：h承载层厚度； h1承载层所负载荷岩层厚度； c承载层的抗压强度； g岩体的体积力； 1砌体梁中悬露岩块断裂后的回转角； tan岩块间的摩擦因数。 由上式可知,要想关键层稳定、不发生滑落失稳,关键层和基岩层的厚度之和必须满足此公式.当模型中关键层的厚度、关键层的抗压强度、岩体的体积力、岩体间的摩擦因数和砌体梁中悬露岩块断裂后的回转角都是定值时,此公式相当于关键层和关键层所负载岩层厚度之和小于或等于一个常数.当覆岩呈复合单一关键层结构时,关键层所负载岩层厚度之和增加,不再满足上式,导致关键层滑落失稳,关键层和上部的基岩整体垮落.工作面顶板岩层出现复合单一关键结构破断时,开采工作面将形成一定范围内的岩层 “全厚切落式” 垮落,顶板出现台阶下沉,同时伴随着来压强度大,速度快,具有较强的冲击力等特点如果支架的强度不够大易出现支架压死现象造成工作面压架冒顶事故，发生溃水溃沙事故。 3.2 导水裂隙带发育理论 3.2.1 煤层采动后覆岩变形破坏特点煤层采动后覆岩变形破坏特点 (l)变形及破坏形式 在煤层开采之前，围岩应力处于平衡状态;煤层采动之后，上覆岩体受到采动的影响将产生变形和破坏，主要的变形和破坏形式有以下几种 冒落:在采动后，顶板岩层中重分布应力强度超过岩体抗拉强度，岩体破裂成块状脱离原岩而垮落充填采空区。 离层:采空区上覆岩体由于岩性差异而导致的竖向移动变形大小和速度不同， 造成的岩层面之间或层理面之间产生的开裂现象。 层间错动:在重力产生的岩层面的下滑力作用下或者岩层移动过程中相邻岩层水平移动的大小或者方向不同而致使层面软弱带两侧的岩层产生相对滑移。 块体滚动:在煤层倾角较大的情况下， 冒落带中产生的垮落岩块下沉或滚动填充采空区，从而使上部形成新的空间，上部块体将发生进一步的跨落或滚动，形式表现为岩石内部发生的结构体的滚动和转动现象6。 （2）变形破坏分带性 在煤层采动后，根据上部覆岩的竖向整体移动情况来看具有一定的分带性，从下至上可分为冒落带、裂隙带、弯曲带(如图)，常简称为覆岩“三带” ，而其中的冒落带与裂隙带则常被简称为覆岩“两带” 。 冒落带 冒落带是指在使用全部跨落法管理的顶板在放顶后产生的破坏范围，冒落带中块体主要为跨落、脱离母体、翻滚等形式的运动;块体冒落后，直接堆积在煤层底板之上。其破坏特点如下: a.随着工作面的推进，直接顶在自重的影响下发生法向的弯曲，而当岩体拉应力超过 岩石的极限抗拉强度时，便产生拉裂。破碎岩块跨落后无规则的堆积在采空区。根据冒落岩块的破坏及堆积情况，可将冒落带分为不规则冒落带和规则冒落带两部分。在不规则冒落带内，岩层完全失去了原先层位，靠近煤层附近，破碎岩石堆积紊乱。在规则冒落带内，岩层基本上保持了原先的层位，且一般置于不规则冒落带之上。 b.冒落岩石通常具有相当的碎胀性，且块体间空隙较大，连通性好，因此有利于水、砂、泥土等通过。岩体的碎胀性是冒落能自行停止的最根本原因。 c.冒落岩块具有可压缩性。冒落岩石间的空隙随着时间的增长和采动程度的加大，会在一定程度上得到压实。一般来说，时间越长，冒落岩块的压实性越好。 d.冒落带高度主要取决于采厚及上覆岩体的碎胀系数，一般来说冒落带高度为采厚的35 倍。薄煤层开采时，冒落带高度一般为采厚的 1.7 倍左右。顶板岩体坚硬时，冒落带高度为采厚的 5 一 6 倍。当顶板为软岩时，冒落带高度一般为采厚的 24 倍。一般来说冒落带高度可用下式近似估算: 式中 h 一冒落带高度; m 一煤层采厚; k 一岩石碎胀系数; a 一煤层倾角。 裂隙带 裂缝带是采空区上覆岩层中产生裂缝、 离层及断裂， 但仍保持层状结构的那部分岩层。裂隙带内覆岩虽没有产生明显的翻滚转动，但是却因采空区上方岩层受到拉应力，产生一定的张性裂隙;或者岩层移动过程中相邻岩层水平移动的大小或者方向不同，而产生错动，形成离层裂隙。在裂隙带内岩石块体的完整性在横向或纵向都有可能遭到破坏。裂缝带通常为与冒落带与弯曲带之间。裂缝带内岩层会产生较大程度的弯曲变形及破坏，其破坏特征为:裂缝带内岩层不仅产生垂直于层面的裂缝或断裂， 而且垂直于层理面方向也将产生离层裂缝。根据垂直层理面方向裂缝的大小及连通性的好坏情况，可将裂缝带内岩层断裂分为严重断裂、一般断裂及微小断裂三种情况。处于严重断裂状态的岩层大多断开，但仍保持原有层次，裂缝漏水情况严重。一般断裂状态下的岩层断开较少，漏水情况也一般。较小断裂状态下的岩层裂缝不断开，且裂缝间的连通性较差。冒落带和裂缝带统称为导水裂隙带，两者之间的分界线并不明显。一般来说覆岩距采空区的距离越大，破坏程度就越小。在采深较小、采厚较大、采用全部跨落法管理顶板的情况下，两带高度有时甚至发展至地表。此时地表与采空区相互连通，呈现出塌陷或崩落状态。两带高度与岩石性质息息相关，一般来说，软岩形成的两带高度较硬岩低。如何准确定义两带高度，对解决水体下采煤安全问题具有十分重要的意义。 弯曲带 弯曲带是指位于断裂带之上的岩体塑性变形区及弹性区。 弯曲带内的岩石移动特点为: a.在自重作用下，弯曲带内岩层产生层面法线方向上的弯曲，且在水平方向上处于双向受压的状态，因此其压实性较好，具有隔水的作用。当弯曲带内岩体以软岩为主时，其 隔水性能更为突出，但若弯曲带岩性较为松散时，其隔水性能将受到很大影响。 b.弯曲带岩体的移动往往是连续且有规则的，并保持了原先的层状结构及整体性，较少存在或不存在离层裂缝。数值方向上各层之间移动值相差较少。 c.开采深度是影响弯曲带高度的主要因素。在大采深情况下，弯曲带高度可以远超冒落带及裂隙带高度总和。此时，裂隙带不会发展至地表，地表的移动及变形也相对平缓。有时在地表面可能会形成些许由于地表拉伸作用产生的裂缝，但这些裂缝一般达到一定深度后会自行闭合或消失，其通常不与井下裂缝相连通。 “三带”在水平或缓倾斜煤层开采时表现的比较明显。由于采厚、采空区大小、岩石性质、顶板管理方法及采深等的不同，上覆岩层中的“三带”不一定同时存在。在弯曲带内，块体的移动呈现出整体性，一般认为在弯曲带内不会产生裂隙，仅在地表位置产生错动裂隙;块体的完整性较好，属连续性介质。在大多数情况下，弯曲带被作为不透水层或弱透水层看待。 图 3.8 上覆岩层“三带”划分示意图 （3）煤层采动应力重分布特征 煤层回采之后，在上覆岩体破坏、移动达到稳定时，应力重分布也趋于稳定。从垂直剖面上进行分析，采场周围所采煤层本身及顶板覆岩均为压应力区。采空区上方，岩层在竖直方向和水平方向上均受到拉伸作用，形成冒落带、裂隙带，为卸压区。裂隙带以上岩层，垂直方向也因自身重力受拉、水平方向上受压，产生整体移动(如图 3.9) 9。 图 3.9 应力重分布示意图 （4） “两带”高度计算相关公式 一般情况下，我们认为由于上覆岩层的力学性质不同，上覆岩层的基本破坏形式有两种：一种是弯曲拉伸破坏，另一种是剪切破坏。在相同条件下，开采后煤层顶板首先产生拉伸裂隙，发生弯曲拉伸破坏。但当上覆岩层厚度较大且刚度较高而产生的弯曲沉降不大时，由于总体拉应力超过上覆岩层抗拉强度，在梁端头产生的裂隙未贯通岩梁全厚，工作面推至上覆岩层部分开裂位置时，上覆岩层在剩余抗剪断面上形成的剪应力超过其抗剪强度，则发生剪断破坏。随着采场不断向前推进，上覆岩层下部逐渐失去支撑，在其自身重力作用下弯曲下沉。当其弯曲沉降发展至一定程度后，覆岩中的直接顶开裂，岩层由固支梁转化为简支梁，最大弯矩由梁的端部迅速转移到梁的中部，岩梁开裂、冒落，从而形成“假塑性岩梁” 。上覆岩层的断裂过程大致可以分为两种情况：一是当其下部冒落空间大于上覆岩层的最大沉降值时，由于下部空间的存在，上覆岩层有冒落的空间，发生这一破裂的区域即称为冒落带；二是当其下部冒落空间小于上覆岩层的最大沉降值时，岩层发展成为“假变形岩梁” ，此时岩层发生破坏的区域我们称为裂隙带。第二种破坏又包括两种形式，在宏观上表现为垂直裂隙和水平离层。 把每一组同时运动(或近乎同时运动)的岩层看成一个运动整体， 称为 “传递力的岩梁” ，简称“传递岩梁” 。根据宋振骇院士的传递岩梁理论，可知两岩层在自重作用下同时运动的临界条件： 式中：Ex、Es 为上、下两层岩体的弹性模量(MPa)； hx、hx 为上、下两层岩体的厚度(m)。 否则，岩层分开运动，形成独立的传递岩梁。根据岩层的断裂破坏特点，研究岩梁在初次断裂时的破坏情况。裂隙带范围内的岩层破裂有两种情况，一种是由于失去下部支撑顶板岩层发生整体下移，另一种是岩层在下移时会发生破裂。 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程(以下简称为( 三下”开采规程)根据我国多个矿区的广泛实践，总结出开采煤层的采厚、顶板覆岩岩性与“两带”高度关系的经验公式，其中冒落带高度经验公式见表 3.1，裂隙带高度公式见表 3.2。 表 3.1 煤层开采的冒落带高度计算公式 煤矿生产实践与理论研究表明，当煤层底板存在承压含水层时，采动影响下底板破坏也形成类似顶板破坏一样的“下三带” 。下三带理论认为开采煤层底板也像采动覆岩一样存在着三带，即上部采动破坏导水带，中部完整岩层隔水带和下部承压水导升带。其中完整岩层阻水带对阻隔底板突水起着主要的保护作用。 通过现场实测及模型实验结果可知，承压水体上开采煤层底板在水平方向上在煤柱区应力一直处于上升(增压)状态，底板岩体处于压缩状态;而在切眼附近底板应力总是处于下降(卸压)状态，底板岩体处于膨胀状态;而正常回采阶段底板岩体则处于采前增压(压缩)卸压(膨胀)恢复阶段，且随着工作面的推进而重复出现，正常回采阶段采动影响的空间一时间关系。 表 3.2 煤层开采的导水裂隙带高度计算公式 3.2.2 导水裂隙带发育理论导水裂隙带发育理论 在压缩区与膨胀区的交界处，底板岩体容易剪切变形而发生剪切破坏，处于膨胀状态的底板岩体则容易产生离层裂隙及垂直裂隙，所以，岩体在煤柱边缘区内容易产生裂隙并发生破坏。承压水体上开采煤层底板岩体在垂直方向上具有明显的分带性，即最靠近煤层底板的岩体由于采动矿压的影响而形成的采动破坏裂隙带、次靠近煤层底板的岩体，由于采动矿压对该带影响不大，该带内底板岩体为完整岩体，具良好隔水性能，因此称之为完整岩体隔水带、再次靠近煤层底板的岩体，由于在矿压、水压的联合作用下，在中部的底界产生原位垂直张裂隙，随着工作面的推进，该垂直张裂隙处于稳定，在恢复和闭和，因此称之为原位垂直张裂隙带。采动破坏裂隙带、完整岩体隔水带，与原位垂直张裂隙带，简称为“下三带” 。当煤层底板存在承压含水层时，采动影响使底板岩层移动破坏，形成充水通道，造成底板含水层中的水渗透和溃入采空区，从而导致老空水害事故。 工作面开采后，随工作面推进，覆岩导水裂隙的演化经历三个阶段：导水裂隙发展期，贯通期，压实闭合期。 随着工作面的不断推进,顶板离层裂隙及竖向破断裂隙自下而上不断发育、发展。当工作面推进至 70 m 时,基本顶下分层垮断,发生初次来压(图 2a)。但由于松散层荷载并不大,基本顶岩层上下层位拉伸裂隙并未贯通,不足以使覆岩沿工作面全厚切落,上分层及其覆岩并未随之整体下沉。 导水裂隙带发育经历发展期、贯通期、压实闭合期。由上面论述可知，溃水溃沙的高峰期是贯通期，只要控制裂隙贯通或者尽量缩短贯通期的存在时间，如加快工作面推进速度，就可有效预防溃水溃沙事故13。 随工作面的推进,裂隙密度变化曲线如图 4 所示。曲线呈单峰状,可以明显地分为导水裂隙发展期、贯通期和压实闭合期。在导水裂隙贯通期,裂隙发育较充分,也即涌水溃沙高危险期。 图 3.11 裂隙密度变化规律 特厚煤层综放分层开采情况下，导水裂隙带高度与采厚关系函数的斜率最小。增大煤层的初次开采厚度或一次全部开采会使导水裂隙带明显增大，且其“马鞍型”分布明显。重复开采采厚达到一定程度是对导水裂隙带高度的影响不明显，但对其最终形态将会产生显著影响。一般而言，重复开采条件下的导水裂隙带“马鞍型”形态并不明显，而随着重复开采次数的增多， “马鞍型”至最后几近消失。 造成上述现象的原因主要是由于分层重复采动时，原先已破碎的岩层再次跨落，岩块块度减小，剩余碎胀系数也随之减小。分层采动后，裂隙带岩层抵抗弯曲变形能力降低，而在其再次遭受弯曲变形时，部分岩层严重破裂从而形成新的冒落带，致使冒落带高度增大。新的冒落带形成后，上部未破碎岩层能很快得到支撑，从而阻止裂缝的进一步发展。一般来说，开采空间越大，上覆岩层的下沉变形量和承受的弯曲变形就越大，而采动裂隙发育程度也会相对较大。 上覆岩层岩性也将对导水裂隙带的发展产生重要影响。 软弱岩层一般不易产生裂缝(即使产生裂缝也易于闭合)，从而对裂缝的开展到了抑制作用。而坚硬岩层则相反。根据断裂力学相关研究结果:相邻岩层中，下位岩层裂缝可否传递至上位岩层，取决于岩层交界面处裂缝端部应力强度因子变化情况。随着工作面的继续推进,基本顶断续周期来压,采空区中部部分导水裂隙在工作面后方 12 个周期来压步距后逐渐压实闭合。 工作面停采时,裂隙发育情况如图 2d 所示,采空区中部断裂带内导水裂隙已基本压实闭合,导水贯通裂隙仅在工作面上方发育。 图 3.12 导水裂隙带高度与采厚关系曲线 1 一综采初次开采;2 一综放开采;3 一综放分层开采 3.3 溃水溃沙事故树理论 3.3.1 事故树分析事故树分析 事故树分析是一种表示导致灾害事故的各种因素之间的因果及逻辑关系图。也就是在设计过程中或现有生产系统和作业中，通过对可能造成系统事故的或导致灾害后果的各种因素(包括硬件、 人、 环境等)进行分析， 根据工艺流程、 先后次序和因果关系绘出逻辑图(即事故树)，从而确定系统事故原因的各种可能组合方式(即判明灾害或功能事故的发生途径以及导致灾害、功能事故的各种因素之间的关系)及其发生概率，进而计算系统事故概率，并据此采取相应的措施，以提高系统的安全性和可靠性。 事故树分析是一种图形演绎法，是事故事件在一定条件下的逻辑推理方法。它不局限于对系统作一般性的可靠性分析，它可以围绕一个或一些特定的失效状态，作层层追踪分析。因而在清晰的事故树图形下表达了系统事故事件第三章事故树分析(TFA)及其发展的内在联系并指出了单元事故与系统事故之间的逻辑关系。由于事故树能将系统事故的各种可能因素联系起来，因此有利于提高系统的可靠性，找出系统的薄弱环节。事故树可以作为管理及维修人员的一个形象的管理、维修指南，因此可用来培训长期使用大型复杂系统的人员，具有一定的实用意义。通过事故树可以定量地计算复杂系统的失效概率及可靠性参数，为改进和评估系统可靠性提供定量数据。事故树分析的发展与计算机技术的发展紧密相关，计算程序已是事故树分析中不可缺少的一部分，事故树分析的理论基础，除概率论和数理统计外，布尔代数及可靠性数学中用到的数学基础同样可应用于事故树分析的定量分析。 3.3.2 溃水溃沙事故树溃水溃沙事故树 就事故树最小径集分布的实质来看， 一是防止导通通道的形成;二是预防措施必须得当;三是完善井下排水系统。但如果从最小径集的定义出发，仅需要在 3 个最小径集中任意选取一个，破坏其中各基本事件的发生，即可防止矿井溃水溃沙事故的发生或事故扩大。 （1）对于煤层埋藏浅且上覆层为富水区域，尽量暂不规划开采区。如果开采，可以采取确定合理的安全开采上限、缩小开采面积和地面注浆固沙等措施;多煤层开采时，必须对上部采空区进行充填或留设安全煤柱;开采范围内存在断层、钻孔和地面裂缝等时，必须及时进行封闭、充填或严格按照“三下”采煤规程留设防水、隔离煤柱，并严禁开采破坏。 （2）采取地震、钻探、物探和电法等勘探方法，加大地面钻孔密度，准确掌握井田内松散层厚度、捧围、含水性等水文地质情况;采掘活动接近富水性强的松散层时，应采取地面抽排水、井下泄放水等方法，降低地下水位，当水位线接近基岩界面时，再进行开采;矿区特别是小煤矿职工大部分来自周边农村，安全意识较低，因此，必须加强员工的日常教育，避免采取单一考试的方法应付相关管理，出现因职工不知道出水征兆或有出水征兆仍盲目开采而导致事故发生。 （3）按照煤矿安全规程等法律法规，结合神东矿区的水文地质条件严格完善井下排水系统。 近松散层下开采水砂涌出的主要原因有:(1)天然地质条件因素:由断层、褶皱、岩溶、陷落柱等地质结构组成的先天性破碎通道在开采揭穿;(2)开采造成垮落带、导水裂缝带发育，水砂沿着采动裂隙流出;(3)开采直接进入近风化带区域，造成顶板垮落和抽冒，直接破坏和揭穿松散层。 图 3.13 矿井溃水溃沙事故树 4 神东煤矿实际采取的防治措施 4.1 神东矿区溃水溃沙事故实例分析 4.1.1 哈拉沟煤矿溃水溃沙事故哈拉沟煤矿溃水溃沙事故 （1）事故经过 22402 工作面为哈拉沟煤矿四盘区首采工作面，工作面长度为 300m，推进长度2144.5m。工作面设计采高 5.2m。工作面于 2010 年 7 月 6 日开始安装，7 月 18 日开始试生产，7 月 20 日早班进行了初次放顶工作。放顶效果良好，工作面未出现异常情况。 哈拉沟煤矿 22402 综采工作面位于哈拉沟井田中部第七勘探线以南，地表起伏较大，总体呈南东低，北西高趋势，大部分被风积沙所覆盖。东邻 22403 工作面，西邻 22401 工作面，南邻 22402 旺采工作面。上覆基岩厚 2570m，松散层厚 2060m。工作面距切眼100m 范围内地面标高为 11821208m；松散层厚度 1540m；含水层厚度 2530m；上覆基岩厚度 29.564.7m，基岩及松散层厚度最小处为工作面切眼处。 22402 工作面原设计切眼位置处于哈拉沟水源地沟底，由于受征地的制约，地表水导流工程及相关疏放水工程无法实施，为了保证工作面的安全生产，根据地质资料，经公司领导及相关部门同意，将 22402 工作面切眼沿回采方向后退 80m。 为防止工作面回采时发生溃水溃沙事故， 工作面按正常计划施工了疏放水钻孔。 22402工作面设计施工疏放水孔 19 个。分别在 22402 新切眼布置 5 个，22402 回顺、22403 回顺由切眼向回撤通道方向各布置 7 个。实际施工疏放水钻孔 16 个，总进尺 1042m。疏放水工程于 2010 年 4 月 25 日开工， 2010 年 5 月 31 日竣工。 钻孔初始涌水量除 T7 孔为 11.5m3/h外，其它钻孔涌水量均小于 10m3/h，涌水量总计为 58 m3/h。截止 6 月 21 日，疏放水钻孔总涌水量为 22.24m3/h，累计泄水量 18373m3，截止工作面初采时累计泄水量约 30000 m3。 22402 工作面主要是松散层含水，且富水性较弱；通过施工疏放水钻孔，使松散层水层水量显著减小，探放水效果明显。 22402 工作面初采前，哈拉沟矿制定了详细的防治水方案，完善了 22402 工作面排水系统，工作面排水设防能力 1000m3/h。 （2）溃沙经过 2010 年 7 月 28 日下午 16 点 07 分，调度室接到综采队跟班队干赵某汇报，22402 工作面在 92 架左右顶板出现溃沙现象。 28 日 19 点左右，工作面 150-160 架间顶板淋水量增加，溃沙范围很快扩大至工作面机尾段，晚上 21 点左右，工作面 150-160 架支架较为严重，溃沙高度已达到了工作面运输机电缆槽高度（1.5 米） ，导致支架立柱与电缆槽的距离全部被溃沙封堵，支架推移油缸无法伸缩，造成支架及溜槽无法进行正常移动。 井下溃沙地点对应地表位置在距工作面回顺约 50m，运顺约 197m 处，形成了一个直径约 47m 左右的圆形塌陷区。塌陷区呈漏斗状，漏斗深度约 12m 左右。 7 月 30 日四点班， 由于工作面机头段顶板来压， 在工作面 20-47 架处出现了溃沙现象，在及时对工作面溃水溃沙进行处理的同时陆续进行生产。7 月 31 日 8 点左右，工作面溃沙现象基本停止。 22402 工作面对应地表在距工作面运顺侧约 50m 处形成了一处直径约 23m、深约 9m 的圆形漏斗状塌陷区。地面共计溃沙约 6000 立方。这次溃水溃沙事故，未造成人员伤亡和设备损坏，影响生产一个班。 4.1.2 大柳塔煤矿溃水溃沙事故 大柳塔煤矿 1203 工作面，开采 1 一 2 煤，煤厚 4-7m，采高 4.10m。煤层埋深 60m，基岩 16-40m。1993 年 3 月 5 日开始回采，工作面推进至 20.12m 时，顶板淋水，下午 16时 10 分，工作面中部顶板沿煤帮切断，大水顺帮而下，涌水量达 408m3/h，造成矿井停产，地面形成塌陷坑和裂缝。 4.1.3 瓷窑湾煤矿溃水溃沙事故 老窑湾煤矿:开采 2- 2 煤层，煤厚 5.53m。1990 年 4 月 20 日发生冒顶突水溃砂灾害，涌水量最初 50