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煤矿水与瓦斯、冲击矿压等灾害并列,是矿山建设与矿山生产过程中上的主要安全灾害之一,其破坏性给国家和人民带来了重大的人身伤害和经济损失。
煤矿底板突水主要受含水层的富水性和透水性、隔水层的隔水性、地下裂隙的导通性、地下水系的连通性、静水压力和矿山压力等因素的共同影响。
根据突水原因可将其分为两类,即地质构造底板破坏性突水和采矿扰动底板破坏性突水。
近年来随着开采深度和工作面开采空间尺度的不断变化,底板突水形成机理及其破坏性都与过去有了很大的不同。
因此,寻求新的矿井底板突水防治技术与方法,对于现代矿井的建设与开采具有更加重要的意义。
1煤矿底板突水机理
煤矿底板突水是指矿山在建设开发过程中。
不同形式、不同水源的水通过某种途径从地板突入矿井,给矿山建设和生产带来不利影响和灾害的过程,其突水机理是:
一定条件下,在静水压力和矿山压力的影响下地板岩层裂纹发育并延伸,使隔水层岩层聚集大量的能量,当集聚的能量超过隔水层岩层的承受能力,隔水层岩层从某一弱面破断,从而使含水层水在水压的作用下沿破断裂隙涌入矿井的过程。
一般突水的大小主要取决于水压;
突水的难易程度主要受隔水层的影响;
突水的持续时间受周围水源和补给路径的控制[5]。
2地质构造底板突水
2.1断裂和断层底板突水
断裂是岩石受到某一力的作用而发生的大变形,按其受力分为拉、扭、压三类,一般张性断裂突水性大于压性断裂突水性,扭性断裂突水性居于两者之间。
断层是断裂的一种特殊形式,它的突水性远远大于一般的断裂,因为断层既是一个含水体又是一个导水通道。
由于其导储水性在空间上的复杂性,通常以断层两盘的岩性来判断其突水性的大小,如图1所示。
断层突水的特点:
水量大,破坏性强,突发性强,一般突水后矿井无法恢复。
断层产状、规模及其水文条件在空间上的差异,使断层突水研究高度复杂化,所以,对于断层的研究不能以局部特性代替整体性质[2]。
断层两盘岩性
发育情况
透水性
代表岩石
脆性可溶岩
断裂、裂隙、喀斯特发育
很强
石灰岩、白云岩
脆性不可溶岩
张开性好的牵引裂隙发育
较强
石英岩、石英砂岩
柔性岩
良好的脆性、填充性阻止了裂隙、孔隙的发育
较弱
泥岩、页岩
图1
2.2裂隙——岩溶底板破坏突水
裂隙是岩石在成岩过程中或是后期受到外力而产生的一些裂痕、缝隙,其含水性和透水性相对而言比较小,但裂隙给岩溶的发育创造了很好的条件。
溶岩一旦在裂隙中发育,由于受岩溶水的侵蚀作用,周围岩层就会不断溶解,从而形成具有不同特点的储水空间和导水通道。
溶岩不仅破坏了岩石的整体性,而且使得整个地下水形成网状、联通的含水体系。
其突水的特点:
突水性强、破坏性强、突水持续时间长、突水频率高等。
下面通过箱体模型说明其突水的特点:
有四个水箱A、B、C、D,水箱的大小表示储水量的大小,箭头表示水流的方向,箭头的粗细表示水流动的难易程度,粗箭头处水容易排泄,水箱水位表示地下水的平均水位[1]。
大的裂隙(断层)和大的溶岩储水体(溶岩陷落柱和大的溶洞),主要以储水为主,导水为次,用A表示;
小的裂隙(断裂)和溶岩导水体(溶穴),主要以导水为主,储水为次,用B表示,C和A性质类似,但其储水能力较小;
D和B性质类似,其导水能力较小。
现用A、B、C、D箱建立地下水的补给、径流、排泄模型,通过四个水箱可以看出四个储水带(带水通道)间的水位、径流及补给等关系。
现以A、B、C、D为类分析其突水特点。
1)A类底板突水:
一般出现在溶岩发育或地质作用较强的地段,距离地表的距离较小,其补给来源主要是大气降水、地表水等。
储水能力很强,受B、C类水源补给的能力较弱(图2-1);
突发性很强、破坏性极强、突水时间较短。
2)B类底板突水:
一般出现在裂隙密集或溶岩较发育地段,其导水能力很强,突水时主要受到A类水源的补给(图2-2),破坏性较、强突水时间强。
3)C类底板突水:
一般出现在奥陶纪等灰岩含水层中,距离地表较深,储水能力较强,突水是直接受B,D类水源补给,间接受A类水源的补给(图2-3),破坏性很强、突发性极强、突水时间很长。
4)D类地板突水:
一般出现在地下水排泄的地段,由于储水能力较小、补给的滞后性等特点(2-4),突水时破坏性很小。
3采动影响底板突水
煤层开采破坏了原始的应力平衡。
工作面从开切眼开始回采,在回采过程中引起回采空间的应力重新分布,这种应力分布不仅仅在回采空间周围煤体中集中,还会向底板深部进行传递,在底板岩层一定范围内重新分布,它不仅改变了底板岩层的受力状态,而且影响了底板岩层导水裂隙的发育情况,很大程度上决定了底板突水能力的大小。
3.1下“三区”和“五带”理论[4]
传统的下“三带”和“四带”理论,忽略了矿山开采活动中由于老顶的初次来压、周期来压、冲击矿压等一系列的矿压显现所引起的矿山岩体震动对裂隙的影响,因此这些理论有待于进一步丰富和发展。
在煤层开采中,受水压和矿山压力的共同影响,工作面底板根据其受影响的特点,在水平方向分为“三区”,垂直方向分为“五带”
1)水平方向上分布规律
离工作面前方20米左右(如图3),由于受超前支撑压力的影响,这一范围煤层底板整体呈现受压状态,这一区域称超前支撑压力压缩区;
工作面至采空区一定范围内,由于顶板应力处于减压区范围内,所以底板卸压后处于膨胀状态,一般出现底板鼓起,这一区域称为稳压区;
随工作面向前推进,采空区后方老顶逐渐破断,压实破碎岩石,煤层底板又处于压缩状态,这一区域称为采空区压力压缩区;
煤层底板岩层在开采过程中都会经历压缩—膨胀—压缩的过程,从而破坏底板岩层的整体性、隔水性。
一般在开采中稳压区底板突水的几率最高,因为这一区域底板呈现膨胀状态,张裂隙发育很快,对隔水层的破坏也极强,最易形成导水裂隙与含水层沟通,发生突水;
压缩区裂隙处于闭合状态,突水的几率相对小一些。
2)垂直方向上分布规律
工作面开采空间的应力通过周围煤体向煤层底板岩层中传递,随深度的增加显现的规律有一定的差别,通过分析将其从上至下分为“五带”(如图3):
采动破坏带(
)、采动裂隙延伸带(
)、完整隔水带(
)、水压裂隙延伸带(
)、承压水原始导高带(
)。
采动破坏带:
靠近煤层底板的岩层,主要受矿山压力的影响而形成的破坏裂隙带;
采动裂隙延伸带:
位于采动破坏带和完整隔水层之间,在受到矿山震动或冲击的影响产生的裂隙带;
是破坏带裂隙的二次发育;
完整隔水带:
在底板岩层中相对情况下,其完整性、隔水性较好;
主要受地质构造的作用,在结构面的剪切下形成一些较小裂隙;
水压裂隙延伸带:
位于在完整隔水带和承压水原始导高带之间,在水压和矿山岩体的震动、冲击下形成的裂隙,是导水带裂隙对底板的初次破坏;
承压水原始导高带:
在不受到矿山开采的影响下,承压水的发育高度;
可分为Ⅰ、Ⅱ两部分,Ⅰ是破碎弱导水区,Ⅱ是含水强导水区(图3);
3.2采动破坏最大深度(
)的计算[7]
——底板最大破坏深度;
ψ——内摩擦角;
r——以a为原点与ab成α角的螺线半径:
——ab的长度;
α——为r与
之间的夹角;
由图可知,
;
若取
,时即可求得最大深度。
即tanψ=tan(α+
);
得出
=
3.3突水分析
3.31延伸带形成的机理[5]
采动裂隙延伸带和水压裂隙延伸带称“裂隙延伸带”。
岩体受到外部应力扰动时,会沿其弱面产生裂纹,裂纹可分为张开型(Ⅰ)、滑开型(Ⅱ)、撕开型(Ⅲ)三类[13],裂纹产生的同时伴有能量的产生,当裂纹扩展到某一深度时会达到一种稳定状态。
在矿山开采活动中,老顶的初次和周期来压、冲击矿压等一些列矿山震动的影响下,裂纹的稳定状态被破坏,为达到新的平衡状态裂纹会在原有裂隙的基础上进一步延伸扩展,直到能量达到平衡为止;
由于裂纹状态的这种稳定—不稳定—稳定的变化过程以及裂纹周围能量的平衡—不平衡—平衡的变化过程,此带岩体称“裂隙延伸带”。
3.32煤岩体地板裂纹产生及扩展的能量分析[6]
由热力学定理可知,系统为了保持平衡状态,自动处于低能量状态,当外界能量输入打破系统原有的平衡时,系统自发寻求该系统的薄弱环节而释放能量。
当外界流入的能量大于系统所能承受的能力时,系统就会被破坏,系统的这种失稳是从系统媒介内部的裂纹失稳开始的,在此对裂纹扩展延伸的能量分析[6]。
由裂纹成核原理可知,裂纹是由位错反应生成的,根据Cottrell位错模型[15],位错发生位错发应的应变能:
假定形成的新裂纹长度为C,则新表面产生的自由能为:
形成裂纹
时,系统释放能量为:
裂纹扩展时尖端拉应力做功消耗的能量为:
则形成大位错所需能量为:
式中:
G为岩体的抗剪强度;
为裂纹尖端拉应力;
R为发生位错的岩体边界,v为岩体的泊松比;
n为位错数,b为Burgers量,C为裂纹长度;
为岩体的容重。
3.33发生突水的条件
底板突水发生的条件:
(1)是裂纹在隔水层岩层中的贯穿(如图3);
(2)能量在隔水层岩层中的高度集中;
裂纹在隔水层岩层中的贯穿条件:
隔水层岩层能量释放条件:
隔水带岩层(
)破断之前所能承受的最大能量;
由于水压产生的能量;
矿山开采活动中的一些列矿山震动所释放的能量;
4防治方法
为了保障矿井建设和生产正常进行,保证煤矿工人的人身安全,降低矿井水害发生的概率和危害程度所采取的预防和治理技术,统称为矿井水害防治技术。
矿井水害的防治必须坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”,即“预防为主,防治结合”的原则。
并依据不同矿井或采区的具体水文地质条件,合理的选择相应的方法和技术进行综合治理。
近年来,有关矿井水害防治技术的研究层出不穷,主要包括:
矿井水文地质条件探测、矿井水害预测、井下探放水、疏水降压、注浆堵截、留设防水煤柱等。
下面就国内目前主要的防治措施进行概述[2]。
首先是“防”,主要包括:
1)查明矿区充水条件、地下水补给条件和地质条件;
2)建立健全水文地质动态观测系统;
3)改进完善矿井防排水系统;
4)地面修筑防排水工程,防渗堵漏;
5)优化开采设计、改变采煤方法;
6)合理留设防水煤柱;
7)构筑放水闸门,分区隔离开采
然后是“治”,包括:
1)利用底板隔水层带压开采
2)注浆工艺的合理选择与利用
3)疏水降压工程
4)探放水工程
5底板突水现状
根据我国煤矿底板突水事故的特点、产生的原因及其矿井生产对底板突水安全防范技术的基本要求,煤矿底板突水所面临的问题如下:
1)寻求对新的采矿条件下底板突水机理的研究。
近年来由于采深的加大,工作面尺寸的变化,工作面设备的机械化,经典的浅部开采经验公式已经不再适合现代矿井的建设与生产。
2)加强对新的采矿条件下,煤层隔水底板防突水效应的研究。
由于地质构造的原因,石炭二叠纪的煤层直接形成于奥灰岩之上,随着现代矿井采深的不断加大,奥灰水的突出情况越来越严重,对矿井的建设与生产造成了极大的威胁。
因此,传统的堵、截等被动防治方法已经不足以应对其危害。
3)从矿井生产安全角度看,地下水由于其含有巨大的能量而给生产带来了极大的安全隐患;
从环境的角度看,一方面,矿井的开采建设忽视以致浪费了地下水巨大能量的利用价值,另一方面,矿井的开采建设极大地破坏污染了地下水系,使地下水水质变差,且水位大幅度下降。
结语:
(1)根据应力分布的不同,水平方向上可将底板分为三区,即超前支撑压力压缩区、稳压区、采空区压力压缩区;
垂直方向上可将其分为五带,即采动破坏带、采动裂隙延伸带、完整隔水带、水压裂隙延伸带、承压水原始导高带。
(2)地下水不同储水带、导水带间的径流、补给及排泄可用箱体模型加以解释。
(3)运用能量的方法阐述了底板突水的机理。
参考文献:
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煤炭工业出版社
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[5]埃沃尔兹,汪希尔著。
朱永昌译。
断裂力学。
北京航空航天大学出版社。
1988
[6]吴孔军.矿井突水模拟及机理分析研究.黄河水利出版社
[7]钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制.徐州:
中国矿业大学出版社
作者简介:
张海君男1988年出生中国矿业大学07级在读本科生徐州221008
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