矿井(区)底板突水临界水系数的确定.doc

矿井（区）底板突水临界水系数的确定一、|问题提出 我国广大华北型、华南型石炭=迭系煤田，煤系假整合于原层石灰岩之上，在其上煤层开拓与回探过程中，频频发生底板薄层石灰岩和原层石灰岩透水事故，造成众多淹井事故，为探究其突水原因，掌握规律，做好底板突水预测、预报工作，保证煤矿安全生产，1964年煤炭部在焦作开展矿井水文地质会战，研讨了上述众多议题。大量突水资料表明矿井底板突水是与该处的隔水层厚度、强度、隔水层的岩性及其组合方式、构造发育程度、水压大小、采动过程中的矿压等众多因素有关。但主导因素为是含水层作用于隔水层上的水压力，它起着破坏作用，另一是隔水层的厚度及强度，它起着阻止水压力的破坏作用，而其它因素均可隐含于隔水层的厚度中，它们或是减弱隔水层的强度，或是减少隔水层的厚度。故可以用它们的比值来刻划，隔水层的稳定程度即采场或巷道的平衡状态，帮以下式来表征：TV=式中，TV：称突水系数或阻力系数（Pa/m） P：作用于隔水层底界面上的水压力（P M：煤层底板至含水层顶界面间的隔水层厚度该比值即表征，巷道或采面下单位厚度隔水层所能承受的水压力。岩体（隔水层）受力之后，依力的大小，所表现出来 的变形与破坏有三个阶段，即弹性变形，塑性变形至永久变形。当水压力值较小，隔水层厚度、强度较大时，该比值的数值较小，表现为处于弹性变形阶段，则反映在巷道掘进，工作面回采是处于安全状态，若比值大时，变形发展至破裂永久性变形阶段，则巷道掘进、采场回采时会出现突水事件。该两种状态之间存在有塑性变形阶段，即处于极限平衡状态，则在工作面上会出底鼓现象。上述诸现象在矿井（区）均可见，为此，我们可以把矿井（区）内、巷道掘进、工作面回采安全与不安全和极限状态的资料取各点上的水压力和隔水层原度值，分别标示于PM图中，从中找出其临界点（线），该即为该矿井的临界突水系数值（线）以TV临示之。二、具体做法选取一定数量的安全点和不安全点，将其数据展示在纵坐标表示隔水层原度（M）：横坐标表示含水层水压力（pa或kg/cm2）计算纸上，且对掘进、回采不安全分别用符号、表示；安全点以符号 表示。展示后的图上可以看出安全点汇集在左下铡，不安全点汇集在图的右上侧，两区之间存在一条自然界线称PM经验曲线。可以为突出水与否的标志，并可用方程式表示。（如图）1、据一些矿区绘制出来的PM经验曲线图可知：1、PM关系曲线的形态可以是直线，也可以是曲线。2、PM曲线共同的特点是该曲线与OM轴相交有一个交距，表明该部份隔水层已失去了隔水作用，称之为矿区在破坏的导水厚度。交点往下，随着隔水层的变厚，水压也变大，显示出隔水层的阻水能力。表明采矿活动仅有隔水层上部破坏严重，对下部影响较小。隔水层上部由采矿破坏的导水厚度在812M之间。3、依突出水系数的定义，它即相当于PM图中曲线的斜率，若从地下水动力学角度即相当于临界水力梯度。为此，我们可以利用临界突出系数值来判断工作面回采时能否突水的标志，即，采面实际突水系数TV临界则安全。4、若PM关系曲线呈直线，则可用斜截式方程表示，在已知采面底板隔水层厚度时，代入方程，则可求出该采面的临界水压力值。若实际水压力高于临界水压力时则工作面回采时会产生突水，反之则安全。若PM关系曲线呈抛物线时，则可取对数，使其线性化后，用费歇准则下的两组线性判别模型来判别：基本原理：设以A、B分别表示两类母体（如突水与不突水），其样本数为NA和NB，每一个样本都有P个特征。以XAki表示A类母体中第K个样品,要根据它的P个特征X1X2XP，决定它在A、B两类中的归属：利用已知归属的N个个体的P个特征构成一个线性判别函数其中i是待定常数。由于两面三刀类不同母体的i(i，)取值不同相应的值亦不同，因而，可以找出一个介于两种值之间的。作为判别（预测）指数，称作“判别值”。因此，骊一个未知样品，只要根据其特征i（i，）利用已求出的判别函数计算出相应的值（称为判别计量）即可确定其、两面三刀类归属。三、突水系数的应用编制矿区或井田的突水系数图，通过它与临界突水系数值之比较，确定井田或矿区内在平面上易于产生水害的范围有一展布，结合井田或采区的进水条件，不同含水层间的水力联系、矿井排水能力等诸因素分析，选择合理的治理方法和安全地采煤方案。 采区突水系数的编制方法：1、以采煤底板等高线图为底图，将已知断层和开采上部煤层新发现的断层以及有关的矿井水文地质资料（如突水点）标于图上。2、根据直接充水含水层的水位资料编制等水位线图。3、根据以上两种资料绘制底板等水压线图，等水压线是编制突水系数的基础资料。4、编制有效隔水层厚度等值线图。根据勘探、生产和补充勘探资料找出一些点的等效隔水层厚度，从中减去比值，即得到该点的有效隔水层厚度，然后把各点的数据标在相应比例尺的井田平面图上，用内插法绘制成图。5、根据底板等水线图和有效隔水层等厚线图，绘制突水系数等值线图。6、根据矿井的临界突水系数值划分出开采安全区与易突水区。此外，对易突水区若采取疏放降压开采时，则可通过临界突水系数值计算出临界安全水关值，非安全区水位值与安全水头值之差，即是未来开采时采区需疏干的降深值。采场底板隔水层破坏深度的测定矿井采掘活动中，它破坏了采场原先的力学平衡，造成了采场周围的围岩破裂。主要是力源有如下几方面：一是隔水层的天然强度包括岩石厚度、岩性、结构等所体现的拉张力，另一个是采掘活动所形成的矿山压力、矿层下伏含水层的水压力和地应力（残余构造应力）所组成的破坏岩石天然强度（破坏力）之间相互作用的结果。一、 山压力对采场围岩破坏的特点采场由开切眼后开始回采，改变了采场内的受力状态，由原先三向受力状态变为两面三刀向受力，造成采场应力重新分配，若以长壁工作面走向方向来看，采空区内上部岩层的自重力不能向下传递，从而转嫁于周围矿体上，这种力称静矿山压力，显然该力大小与上复岩柱厚度，与采面积有关。其结果造成采场周力应力集中形成高压带，而采空区内因有位移矿壁的集中应力，对矿柱方向能传递，而对采空区内则在静矿出压力作用下，使底板隔水层向上位移，能量获得释放，形成低压区，离工作面一定距离处的采空区内，因堆积了顶板易落的岩块且未冒落的岩层整体下沉，当它与易浇岩块接触时，上部岩层的自重力就能传递，构成采面后方的应力升高区区，往外就恢复原有应力称应力稳定区。见图。由上分析，采场走向矿压和岩石变形关系可归纳如下：1、 采前压力增高带，位置是工作面推进前方+3+5米至停头，此底板岩层被压缩，一般为28mm，隔水层中的原有裂隙被压缩、密闭，岩石产生变形，体积缩小，矿压由压力转化为弹性应变位能；2、 采空后方低压区，范围约工作面停头至采空区后2030m,此区底板岩层所获弹性应变能全部转化为动能与底板承压水水压力一起推动受压缩底板岩层向上移动构成底板鼓，且岩石体积胀膨，结构破坏，不但使原有裂隙扩大，且产生新的裂隙。3、 采后高压区。范围3060，称采空支撑压力作用阶段，顶板未冒落岩层与冒落岩块接触，顶部岩层重力与底板间力能传递，则底板矿压逐渐增大（不超过采前高压区）而后渐至常压，表现在底岩层再次被压缩，其中部分超过常态压缩210 m m，部分接近常态恢复原状。4、 采后常区（稳定区，605互切眼范围，因采场上部未冒落岩层恢复到正常状态，所以上部岩层重力能正常传给底部转为正常压力区，该区内底板岩层基本恢复原状，但局部仍保留膨胀和压缩状态，其残余量15 m m。二、采场围岩变形垂向分带 采场底板岩层自重力有连续的岩层传递，所以矿山压力、水压力作用下产生移动和破裂条件不同于顶板，故无冒落破坏，仅有底鼓裂隙和弹（粘）塑性变化带。按破坏特点不同，分为直接底板采动裂隙带、中间弹（粘）塑性变形带和底部“采动导升裂隙带。1、直接底采动裂隙带 在天然裂隙系统和静压力（静矿压和静水压）作用产生的裂隙系统基础上，岩层冒落产生动矿压对底板破坏作用进一步加深，但其破坏作用随深度增加而减弱。故在直接底板采动裂隙带中，它迭加有采动裂隙发育的特征，即由采面直接底采动裂隙随深度而逐渐变弱。至于其裂隙发育的浓度除受岩性（即强度）和岩层组合特征影响外，一般采场矿压越大，裂隙发育的深度也越深，反之则小。2、底部“采动导升“裂隙带采场底部岩层变形情况，是由采场周边的静矿山压力（支撑压力）与底板承压含水层静水压力其同作用下产生的。在采场周边（见图A、B带）岩层承受顶部岩层重力而被压缩，而在采空区下的岩层（C区），在上述力的作用下而采空区内移动，因此，在采场周边附近的围岩产生的裂隙系统。同时采空区下底板岩层向采空区移动过程中，在采场周边围岩内产生张裂隙。这些由采动产生的裂隙系统迭加于天然裂隙系统上这就使下伏承压含水带中的地下水在水压驱动下，能上升至上覆隔水层。裂隙系统中某一高度，（称越潜或导升）。该带裂隙发育特征是在天然裂隙基础上，因采动作用而迭加，使隔水层中裂隙系统有所扩大和上延其强度内含水层顶界面往上逐渐减弱，结果使隔水层内裂隙对水的阻力逐渐增大。3、两裂隙带间的弹塑性带 该带位于上述两带之间，该带主要特征是：1）此带岩层受采动和岩层移动影响，其裂隙系统和强度不同于天然状态的裂隙系统及强度。2）该带隔水层强度和裂隙系统均弱于和多于天然状态，但该带岩层在（岩移）过程中主要受后支撑压力作用，使天然和新生裂隙变为闭合的微裂隙系统，而产生“假塑性“变形，它对下伏承压水具有一定的阻力，使岩层显示具有一定的隔（阻）水性。3）弹塑性带厚度决定于该岩强度、隔水层厚度和天然裂隙发育程度、岩石组合特征、矿压和水压大小等。三、肛场底板隔水层采动破坏程度及分布特征。基于采场内应力在走向和倾向剖面上分布的不均性，造成围岩移动程度不同导致围岩内裂隙发育程度的差异。就采场底板岩层破坏而言，因底板岩层向采空区内移动，而采场外围岩（矿）层不能发生位移，于是在采空区周边附近产生剪力，使周边岩石发生剪力破坏，图中A、B，其次，底板隔水层与含水层接触面附近，因顶底岩层移动发生张力，在底板上也形成张裂带，它们迭加在A、B剪切线和天然或采动导升裂隙带上。再次，在倾向剖面上，因矿压、水压力分布的差异，在采面上、下方形成的裂隙段的大小，程度亦不同，一般是倾向剖面下方裂隙段的厚度大于上方。归纳上述情况，采场底板岩层走向剖面上受力类似于两端固定均布荷重铰支梁受力情况，故两端附近受力大于中心的一倍，故其破裂程度和深度均较其它地方大；倾向方向上受力情况类似于两端固定梯形荷重的铰支梁，因此，倾向剖面下端附近受力破坏程度和深度大于上端。于是在采空区范围内，因底板隙起产生引张作用。据观测资料，沿底板产生平行周边支撑压力轨迹的采动裂隙系。由此可知，采场周边裂隙系的厚度大于其它地段，而倾斜地层内倾向剖面的下方裂隙段大于上方；就平面分布看，在反撑压力在采场边角拐弯地段破坏得更深些。四、工作面回采矿压对底板隔水层破坏浓度的测定 据前述采面回采对直接底板破坏的特征，欲实测其破坏的深度（厚度）可以选择一个底采面，布一组或组钻孔，通过压水试验，观测各孔在不同距离（时间）压水量值的变化来识别天然裂隙，采动裂隙及采后应力变化对水量的影响，从而确定矿压对底板岩层的破坏深度。1、试验场地布置（如图所示）2、钻孔布置要求1） 孔组终孔深入采场内部1012 m。各孔平面距为1 m。试验段长度为2 m，各孔终孔应在同一走向平面内，孔与孔的垂向间距应考虑对底板可能破坏的深度应在1014 m之间（依采面斜第采深而定）。第一个孔略深些，可为2535 m，以后各孔垂距12 m。2）注水孔。孔口管应安实，能耐压；至变径段下套管粘土止水后再钻进互试验段，保证压水试验在试验段中进行。3）钻进过程中，全程取芯，了解岩层性及裂隙发育程度。4）在0088mpa(或)kg5/ ）下进行压水试验，观测其稳定耗水量，并记录在册。5）压水试验的次数，据工作面长短而定，应以能了解采场底板岩层受力全过程即采前工作面推进至试验孔前35m时，（矿压升 ）采面推至试验孔及过试验（矿压降低、卸荷）采后增高正常采面采完。3、资料整理及判别1）根据观测数据可以制作二种曲线图 一是采煤对底板压水量影响曲线图。它是以横座标表示距工作面的距离（m），采面处为零，而左为采面前进方向距离，而右为采空区方向距离。同时根据实验期间平均采煤速度算出相应时间天（d）标在横坐标上。以使采煤结束后，再做实验时保持坐标连续性。纵坐标表示钻孔压水量（e/h）把不同深度钻孔压水量和压水时钻孔距采面的水平距离（或相应时间）点在相应的坐标上，分别连线成图。 二是横坐标表示距工作距离（米），工作面处为零，向左为采煤方向距离，而右为采空区方向距离。纵坐标则表示钻孔试验段与煤层底板的垂直距离 （m），把不同钻孔煤层底板至实验段垂直距离及其在采面附近最小压水量和最大压水量时距工作面的水平距离，分别点在相应的坐标上。根据这两类点的分布可划出两条趋势线，同时也得出了分区图。两条趋势线中，一条是最大压缩线，另一条是最大膨胀线，压缩线左侧是压缩区，膨胀线右侧是膨胀区，中间为过渡区。2）根据所绘出的各试验孔的压水水量曲线，据它的波动的强度显示在水量变化的幅度，试验孔的水量变化波动很小时，即该孔试验段的浓度即为矿压底板破坏的下限，此外，各试验孔若采前不透水的底板隔水层，而采后钻孔溢水（老空水）这就更直接说明了采矿使底板破坏构成了上部的底板采动裂隙带。 采场底部隔水层原始导高的测定一|煤层底板至下伏承压含水层之间的岩石组合，其透水性远小于岩溶含水层，故视为相对隔水层，因其阻水能力强，而能阻止下伏承压含水层中水进入巷道与采场。在生产实践中，各矿均用临界突水系数与采场突水系数来判别采场回采时能否突水的预报依据。实用中，有些采场用临界突水系数识别时，是安全的，但却透水，这就促使人们对该隔水岩组作进一步研究。发现紧靠含水层顶板之上的隔水岩层中，有一部分其隔水能力已失效，具体表现在钻孔未揭落含水时，在其上某一高度已出现地下水，而且随深度的增加不断上升，当达到含水时即出现稳定水位。该现象表明：在天然条件下，承压含水层的水已潜伏于隔水层内某一高度，因此，该范围内的隔水层已无阴水能力，称之为原始导升进取度（或称保护层厚度）应扣除原始导 值。归纳起来，采场内产生原始导高可分为有构造原因或非构造原因二类。1、 构造原因主要是产生于断层附近的巷道掘进，和采面回采时易发生透水事故，多半见于断层主动盘的断层影响带范围内。由于主动盘位移，在断层影响中带中伴众多裂隙，而产生潜伏现象。煤矿中常见有三种类型（依导升高度的不同）1）天然导升（越潜）高度低于底板矿压破坏带厚度时，采掘工作能安全进行；2）当导升高度达到或进入采掘工作引起的矿压破坏带范围，这时具有天然速度运动的水，在水压差作用下进入采掘工作引起的矿压破坏带范围，使之获得加速度，冲刷和携带裂隙内的物质和碎块，从而逐渐扩大通道，产生所谓“滞后突水”：3）当导升高度大大超过矿压破坏带，甚至进入或超过所采矿层。当巷道或其它井下工程接近或进入范围便立即突水。2、非构造原因 反映隔水层岩石（指紧靠含水层顶板）岩性及水理性质的差异。因脆性岩石，如砂岩与柔性岩石（泥岩、页岩）在外力作用下表现出的变形与破坏形式是不同的，脆性岩石破裂，而柔性岩石多半变形。赋存于含水顶板的隔水层若是砂岩，显然下伏承压含水层的水就进入至砂岩层中，故其失去阻水能力；若是砂质泥岩，它介于砂岩与泥岩之间，其中常有策裂隙，及孔隙，在常压下，这些策裂隙及孔隙是不充水，但在高压地下水状态，劈楔作用，就能潜伏与其中，其潜伏的高低，与含砂量、水压大小有关。（二）原始导高测定方法据原始导高的涵义，测定方法有二，1、钻孔简易水文观测方法： 钻孔钻进于“隔水层”中时，井内的冲洗液不会流失，故钻进时，冲洗液消耗量少，起占后，下占前测量井中的水位几乎一致。当钻进接近原始导高及带顶部时，下部含水层的承压水治裂隙，孔隙上升，沿途消耗水头，阻力较大，故接近顶部时，钻孔中的起点后的水位与下占前的水位不一致，在钻孔水柱压力下，向潜导带渗流会出现下占前钻孔中的水位低于起占后的水位（表征岩层中有裂隙）若贯通导高带顶部，在超过承压水柱压力时，则钻孔中水位会上升，这表征可能到达原始导高带的顶部，同时钻进中冲洗液消耗量有所减少。若继续钻进，起占后，下占前的水位差愈来愈大，即下占前的水位抬高，甚至溢出井口，会出现钻进过程中，井口向外溢水，即揭落到原始导高带底部。此时，将变化点的高稳与含水层顶板高稳差即原始导高带高度。2、因测量氡射气含量来确定底板水的导升高度 底板水导升高度是由于地质构造、岩性等因素使隔水层内一些