采矿优化课程设计

1、采矿优化课程设计说明书 设计题目: 煤层底板突水机理及防治 助学院校: 河南理工大学 自考助学专业: 煤矿开采 姓 名: 朴兴宇 自考助学学号: 040213200791 成 绩: 指导教师签名: 河南理工大学成人高等教育2O14 年 10 月 17日煤层底板突水机理及防治摘要：矿井突水事故对我国造成了极大的损失。而且随着开采水平的延伸和开采范围的扩大，这种威胁越来越严重，特别是在水文地质条件复杂，水压较高的矿井，受到了底板奥灰岩溶承压水的严重威胁。查清矿井水文地质条件、研究矿井突水机理，进行底板突水预测预报研究，采取有效的手段，确保矿井安全生产，有着重大的理论和实际意义。关键词：底板突水机理

2、 矿井水害 底板突水预测预报绪论1.1 课题的提出由于矿井水害是制约煤矿安全生产的重要因素。中国煤矿水害事故类型主要有:地表水体水害事故，占中国煤矿突水事故的.49%;冲积层水水害事故，占1.4%;砂岩类含水层水害事故，占1.4%;灰岩类岩溶水水害事故，占923%。可见，防治灰岩岩溶类突水是矿井水害工作的重点。据不完全统计自1956年至2005年全国发生突水1660多次，造成淹井灾害229次，一千多人丧生，经济损失100多亿元。而且，随着开采水平的延伸和开采范围的扩大，这种威胁越来越严重。因此如何将这些煤矿从承压水上解放出来，实现安全、高产、高效，一直是中国煤炭行业的主要攻关课题之一。查清矿井

3、水文地质条件、研究矿井突水机理，进行底板突水预测预报研究，采取有效的手段，确保安全生产成为带压开采的关键。尤其对深矿井，承压水水头高，底板承受压力大，水害威胁严重，更有着重大的意义。1.2底板突水预测预报研究突水预测预报是近年来矿井突水灾害防治研究的一个重要方面，很多学者致力于这方面的研究工作，取得了重大进展。陈奏生等(1992)利用模式识别方法预测煤矿底板突水。詹炳善利用混合门限自归模型法(时间序列法)预测底板突水等，将突水预测预报上升到一定理论水平，取得了一定成果。张金才等利用薄板模型，也初步得到了底板突水的预报公式。李金凯，王延福(1985)，李庆广(1987)对华北类型的岩溶煤矿提出了

4、底板突水量的预测方法。李景生等用非稳定流预计矿区涌水量等。黄国明(19%年)利用神经网络预测煤层底板突水，采用了遗传算法训练BP网络，利用遗传算法全局最优搜索的特性可完全弥补BP网络上述的缺陷，在此基础上建立了煤层底板突水组合人工神经网络预测模型，取得了较为精确的效果。冯雅男等(19%年)对采煤工作面突水预测专家系统进行了研制。王树元(1989年)李加祥(1990年)利用模糊数学方法对煤层底板突水进行了预测。2.5.Kesesur，(1987)、白晨光(1997)利用突变模型预测了矿坑突水。李京红、晓明(1997)结合煤层底板岩性、岩层组合，从阻水系数的角度研究了带压开采的突水山东科技大学硕士

5、学位论文1绪论预测。李富平(1997)、靳德武、王延福(2998)、江东(1999)、李定龙(1998)采用神经网络方法对煤矿回采工作面突水预测方法探讨，武强(1995)、冯雅君等(1996)、张文泉等(2000)对采煤工作面突水预测专家系统进行了研制。王树元(1989）李加祥(1990)、张文泉寺(2000)利用模糊数学方法对煤层底板突水进行了预测。靳德武(1997)、王延福(2000)利用动力学和非线性动力学模型对煤层底板突水进行了预测。靳德武(1998)运用信息论研究了底板突水的预测方法。张西民(1998)、王连国(2001)利用数量化理论对影响底板突水的定性因素的量化分析进行了研究。施

6、龙青(1999)利用概率指数法研究了底板突水的预测方法。倪宏革、罗国煌(2000)运用优势面理论研究了底板突水的预测方法。管恩太、武强(2000)，孙苏南(1996)利用Gsl多元信息拟合方法研究了底板突水预测模型。靳德武(2003年)的华北型煤田煤层底板突水预测信息分析理论、方法及应用，采用了信息分析一嫡的方法对底板突水预测信息进行了较为新的研究。众多学者从不同角度探讨了底板突水的预测方法，对于指导承压水上采煤起到了重大的指导作用。1.3 本文的主要研究内容及方法通过对影响底板突水的因素分析，各因素在底板突水中的作用研究，采用现场实测、室内实验和模拟方法，对各种方法取得的结果进行分析，探讨底

7、板突水机制。 具体内容包括:(1)煤层底板破坏深度研究:采用现场实测、理论计算、数值模拟手段，探讨在大采深条件下煤层开采底板破坏深度。(2)承压水原始导升高度研究:采用理论分析、物理勘探方法，分析承压水原始导升高度的原因及影响因素，探讨原始导高发育规律及采动导升高度。(3)底板岩层组合特征与阻水性能评价:对矿区煤层底板不同岩层组合特征及其变化规律进行研究，对煤层底板岩层阻水性能进行综合评价。(4)断裂构造突水机制:研究断裂构造原始导水性，对断裂构造在采场条件下的活化机制进行分析，研究不同性质、不同方位(与工作面关系)的断裂构造与工作面的关系，分析断裂构造在采场条件下生长扩展机制，探讨断裂构造突

8、水机制。 (5)底板突水预测预报研究:分析突水因素，评价底板突水危险性，利用Gsl建立符合本矿的突水预测预报模型，对突水危险区进行预测预报，并根据前面研究成果，利用VB编制相应的应用软件。2 煤层底板突水机理2.1 突水机理研究国内外采掘工作面顶底板破坏试验和突水资料，可以看出破坏顶底板隔水层的力源有，地应力，矿山压力，水压力。当地质和采矿条件一定、水压稳定时，地应力在条件适当时才起作用，矿山压力随采掘进展而变化，地下水和矿山压力是在突水中经常起作用的力源。（1）地应力：向斜轴部、裙皱倾没端及其转折点等处，皆利于残余构造力集中，在其它力的诱发下，这些部位亦易突水。现代地应力集中表现形式是地震，

9、地震对广大矿井突水影响的强弱决定于震中与矿区的距离与震级，距离近和震级大者影响强。（2）矿山压力：矿山压力相对集中的地段易突水。就煤系地层而言，以砂质页岩和以页岩为主夹薄层灰岩的石炭系，老顶首次来压距离约匕刀m，以砂岩为主的二叠系多为30 40m，而钙或硅质胶结砂岩约为30 60m。岩石强度不同，老顶首次来压和周期来压的距离也不同。伴随顶底板的破坏，常导致突水。（3）水压力：一般是静水压力大者顶底板突水几率高，反之则不易突水。如峰峰二矿采至90m到-170m水平的“山青噱时，静水压力增至215MPa 294Mp已突水6次但-90m 以上地区“山青”煤时，隔水底板(厚40 45m），承受下伏层静

10、水压力2 15MPa ，从未突水。 由于矿山压力、水压力和岩性、构造、采矿方法的差异，底板破坏的深度有较大的区别。据国内外观测和试验资料得知，底板岩层的破裂深度，采煤区底板岩层所受到的应力及其破坏过程是复杂的。开滦赵各庄开采埋深约840 。厚10m 煤层，高压水破坏深度为20m(正常） 30m(断裂），矿山压力破坏深度为60m(正常） 80m(断裂）。峰峰二矿开采埋深123 167 4m 、厚l .5m 煤层时，矿山压力破坏的有效深度为14m(正常） 24m(断层）。前苏联在较深的巷道中观测到，底板以下 5 6m 或 7 11m 为有效破裂带；其下为弹粘塑性变形带，亦有大量的微裂纹。2.2 煤

11、层底板突水水害特点2.2.1 岩体的渗透性变化规律在工程扰动的情况下，由于岩体中应力状态的变化，岩体的渗透率将发生变化冶体渗透率在工程扰动后的变化特征对岩体工程具有重大的现实意义；在天然状态下，岩体的渗透率是个常数，它不随时间而改变。目前有许多学者从事岩石和岩体渗透率研究工作，他们主要从岩体的渗流模型和围压效应等方面来研究岩体的渗透率变化规律。2.2.2 煤层底板突水与原始导高原始导高越大，煤层底板突水的几率也越大。原始导高的发育范围内，导水裂隙成为地下水的渗流介质，岩体隔水性能遭破坏，岩体受导水裂隙切割，强度降低，抗破坏能力下降，同时只要采动破坏涉及到原始导高的发育范围，就会沟通底板含水层，

12、导致煤层底板突水灾害的发生。底板的“四带”划分如图2.1：第带(h1)：矿压破坏带 第带(h2)：新增损伤带 第带(h3)：原始损伤带 第带(h4)：原始导高带图2.1：底板“四带”划分示意图2.2.3 煤层底板突水类型一般地，可以按照喀斯特水煤层底板突水水源。煤层底板突水的发生过程、煤层底板突水与采掘的关系以及煤层底板突水通道的特征来划分煤层底板突水类型，按照煤层底板突水与采掘关系把煤层底板突水划分为掘进巷道煤层底板突水和采煤工作面煤层底板突水等等。其中按煤层底板突水水源和煤层底板突水通道特征来划分煤层底板突水类型与煤层底板突水机理研究的联系十分密切。2.2.4 煤层底板突水灾害点位置采煤工

13、作面煤层底板突水点的分布受构造影响，煤层底板突水点多分布在小断层与工作面采空区边缘的交接部位。其中大多数出水点分布在工作面中部煤壁处和工作面靠近上下出口处煤壁附近。煤层底板突水点主要分布在工作面煤壁附近、上下顺槽边缘以及切巷、停采线处的煤壁附近。2.2.5 煤层底板突水灾害对防治水理论挑战煤层底板突水机理的研究还处在探索阶段，现有研究成果还不能全面解决底板防治水间题；煤层底板突水防治方法远不能满足消除煤层底板突水的突水因素对煤层底板突水的影响作用。要求，防治技术仍有待进一步发展、完善。这主要表现在:l)对煤层底板突水因素的认识不够深入；2）过于简化水文地质条件和底板岩层受力条件;3) 对煤层底

14、板突水机理的研究和探索局限；4)忽视了底板隔水岩层结构差异；5)没有研究岩体破坏过程中岩体渗透率变化规律;6）对底板含水层中的地下水对底板隔水岩层的破坏和对煤层底板突水的影响重视不够；7)防治煤层底板突水的方法单调，无法避免煤层底板突水灾害。3 结论 (1)查明煤层底板矿井地质、水文地质详情，开采技术条件，掌握太灰含水层水动态，与其他含水层联系，底板岩性、厚度及组合关系，为建立科学预测提供准确资料，是防治水基础条件。 (2)地下开采破坏了原岩平衡系统，导致灰岩水活动加剧，是造成直接突水根本原因。因此开采设计一定要充分考虑开采是引起突水的原动力，使开采设计满足防治水的要求，尤其是构造复杂区的开采

15、设计，把因为开采引起突水的影响降到最低程度。这是防止煤层底板突水的关键措施。（3）不仅要研究含水层，还要研究隔水层的厚度、岩性及层次组合关系，对构造更要深入研究，对受开采影响的构造复杂区、隔水层薄弱地段的富水带可考虑局部注浆加固、疏水降压，保证特殊条件下安全经济开采。（4）在受灰岩水威胁特别严重地带，应考虑合理留设防水安全煤岩柱。并安排好防治水的配套工程，建立健全防灾避灾系统及规章制度。（5）对断层交叉点、尖灭端、褶曲轴部等构造发育地段要重点加固防治，预防工作面回采过程中出水。（6）受采动影响下采场断层重新活动引发突水是一种重要的断层突水类型。在采场应力条件下，采场附近断层会发生滑移变形、断层增展以及伴生小构造的进一步扩展，断层带的隐微结构面发生压一张性破裂扩展:同时，蠕变差异应力作用、地下水的作用都会促使断层带及其附近的伴生构造产生进一步变形，从而引发断层突水。 参考文献：1 王大纯，张人权，史毅虹水文地质学基础M 北京：地质出版社，19872 煤炭科学研究总院西安分院华北型煤矿奥灰水防治研究M西安：陕西人民出版社，1990.3房佩贤，卫中鼎，廖资生专门水文地质学M北京：地质出版社，1987 4武强，潘国营，管恩太等焦作矿区突水灾窖研究综迷J