“阻水系数”及其应用.pdf

包扮雪城峨掩克尽谈比色比 匀 匆 免马免身呀曳 奚免宛笔 动 “阻 水 系数 ” ’ 及一其 ‘ 应 一 用 谋炭科学院地质勘 探分 院杨善安 寡 自六 十年代焦作矿 井水文地质会战期 间 总结出突水系数 值以后 , 我 国南 、 北方一 些矿并实际应用 了这 些经验数据 , 开展带压 开采试验 , 初见成效 。 至七十年代中期 , 煤 科院地质勘探分院和邯郸矿务局共同对王凤 煤矿进行大量 试验研 究以后 , 带压开采方法 得到进一步的推广与应用 。 在上述基础上 , 不少矿床水文地质工作 者研讨突水系数的实用意义 , 提出了一 些间 题 。 笔者根据上述试验及参与试验收集到的 资料 , 论证 了阻水岩层削减底部承压含水层 的水头压力的能力 , 提出 了 “阻水系数” 这 一概念 , 并在实际中应用 。 现将初步成果介 绍于下 。 , 卜 ’ 一 、 ’ 突水 系数的实质及其 在应用中的问题 突水系数仅说明单位隔水层厚 度上所承 受的水压值的大小 , 也就是工作面与含水层 之间隔水层 在垂 直方向上的水头梯度 , 而无 法确定突水系 数即垂直水头梯度∀的突水 临界值 。 一个采区或一个工作面的突水系数 究竟取多大才是比较安全和 有较大把握 , 往 往使人感到十分区难 , 只能借助以往的经验 判断 , 或用数理统计的办法取一 个大概值 , 其说服力不 强 。 为 了进一步说明问题 , 笔者把以前在 “ 峰 峰煤田王凤矿等试验区带压开采综合治水解 放下三层煤研究报告 ” 附表中所收集到的∃ 底板矿压破坏深度 , 米 。 其中 5 8 ;5 二 0 , 8 ;5二2 , 8 ; 5 6 ∃0 者 , 均未 发现 突 水 而1 2 ∀ ∃ . 0公斤/厘 米 ∋ 米实际为∃ . 0 ∀时 , 均发生过突水现 象见表 ∋ ∀ , 其变化范围甚大 。 如果隔水 层厚度减去矿压破坏厚度 或∃ 0米 , 则突水 数系1 “ 0 . ∋ 0 公斤/厘米 “ 米时 不发 生突 水 , 而上 限就变得极难确定 , 因为这时分母 为零或负值 。 所以 , 当隔水层厚度小于或 ∃ 0 米时 , 这两种情况的 出现就是必 然的 , 工 作面完全可能突水 。 但实际情况是 , 由采煤 引 起的破坏了的底板岩层 , 仍然具有一定的 阻水能力 , 并没有发生突水事故 。 如湖南桥 头河煤矿 邓子山井 , 在负 ∃ 0 米水平进行带 压 试采 。 采区茅口灰岩水头压力值高达∋ ∃一 ∋ −公斤/ 厘米 “, 隔水层厚度一般一米 , 般导热性也很差 , 热量来源 少 , 故矿区地温一 般仍属 正常 。 只是由于本区新构造运动比较 发育 , 继承性断裂活动比较明显 , 断裂多期 活动 的结果 , 往往使其胶 结较弱 , 成 为地下 水循环和传递地热的通道 , 但这些断裂多位 于 矿区以外 , 对矿区地热场影响较小 。 在祁连山区大通 河流域的江仓一木里矿 区 , 多年冻 土呈片状分布 , 厚度 可达百米左 右 。 谷地 两侧的山区 , 由于新构造时期剥蚀 作用形成融区 , 接受大气降水的补给 。 而在 谷地中河床下 及大断裂的某些 地 段形成融 区 , 一些冻结层下泉便在这些地带出露 , 成 为地下水排泄及地热散失的集中通道 。 祁连 山区的多年冻土属第四纪冰川时期的遗留产 物 , 现在处于缓慢的衰退时期 , 在许多地区 均发育有热融现象 , 形 成 热融湖或 热融洼 地 。 在这些多年冻土区 , 多年冻 土对矿区的 地面建筑危害较大 , 对井巷浅部也会因为融 冻作用而造成各种工程 地质问题 。 矿区地温 场的研究重点常常在浅部 , 需研究浅部地温 场的特点和浅部地温场在矿区建设条件下 的 变化等 。 突 水系数及安全工 作 面统 计 表∋ 突水系数1 2值 0 。 00一0 . ∃0 0 。 ∃ ∃一0 。 ∋ 0 0 。 ∋∃一0 . − 0 一 0 。 0 0 。 ∃一∃ 。 0 0 ∃ . 0∃一∃ 。 0 ∃ . ∃一∋ 。 0 0 ∀ ∋ . 0 0 合 计 12 的个数 ∗ 1 2 5 的频率 ∗1 2涌 个数 1 2涌频率⋯1 2动 个数 ⋯1 2涌频率 卜竺址 卜 二兰 一 一二竺生 卜 三兰兰 ≅ 匕上竺一卜 二 竺兰 ≅ 】 ‘ 】 ” Α ‘ ∃ “ “ , ∗ “ “ , ∗ ”− ∗ “, ,− “ ⋯ ’ − ∋ ∗ ’ Ε− − − − − − − ∗ ∗ ∗ Γ ’井 生 一一一Φ ., , ’ 有 气 ’ “ ’ 、Φ Φ Φ , 口 ’ .Γ耳 ’ ∗ ∗ ∗ 附图不司阻水层厚度削减水头值示意图 9 , Η 6 9 , ∋ , −⋯⋯ , 。 ∀ 式 中 ∋ 阻水层分层的阻水系数 , Β 采区下伏承压 含水层 的 水头 值 Ε , 。。阻水层 的分层厚度 人 相应 于二 时阻水层中的水头 值 丫Ι 水的单位体积重量 。 实质上 , 各探底孔所测 的阻水系数是 不 等 的 , 即阻水层与含水层接触部分中的含水带 是不等高的 , 即 “ 切入高度 ” 不等 。 显然 , 通过以后 室内外大量的试验测试 工作 , 就可 获取各种不同岩层的阻水系数均值或区间 值 , 同时可探求室内外试验结果之 间的 关 系 , 为带压开采提供可靠的科学依据 。 三 、 阻水系数的实际应用 ∃ ,年邯郸矿务局王凤煤矿 一 坑试 采 张忠魔 5 关于地上号河甩质理论问葱 , 地质 出版社 , ∃ 0年 。 五 、 六两采区的大青 和下架煤层 , 当时要求 突破突水系数。 . 的界 限 , 并使其提高到0 . 0 以上 。 这就很难使我幻提出有力的甚至经验 的地区性依据 。 从表 ∃ 看 , 突水系数1 25 。 . 0者即破坏深度 不计时∀的 突水频率为 ∋ . ϑ 而1 25 簇0 . 0者占∋ . −石1 25 。 . 0者占∃ − . ∋ ϑ 。 事实上 , 一般所 谓突水 系数小于或等于0 . 0 均指1 25, 由表 ∃ 可知 这时的突水频率仍高达 − , . ∃ ϑ 。 可见 , 突 水几率是很大的 , 这 就很难提出有力 的论据 和经验数据 。 根据大量下架煤层底板探查孔的水压 、 水量及阻水层 厚度的统计资料来看 , 局部阻 水层层段的阻水系数变化很大 , 由 Α 一∃ 公 斤/厘米 么 米 , 这 是因为该地段岩层 的构造 裂隙大小 、 展布及联 通性极为复杂 。 就 五采 区的个探底孔来看 , 某些 孔中的 阻水层段 毫无阻水能力即没有削减水头压 力的作 用∀ , 一般 ∃ 米左右 , 厚者可达,米 、 米, 个别的 甚至达∃ 米 。 这说明结合 水是断 续 存在于阻水层 细微裂隙中的 , 在较大裂隙中 有毛细水 , 也有重力水存在 。 换句话说 , 阻 水层是一个由结合水 的存在而 具有阻水减压 能力 的地 层 , 又是一 个包容毛细水和 重力 水 , 具有不 同水头高度 含水带的地层 。 资料 表 明 , 阻水层越 厚 , 其削减水头压力的能力 就越 强 , 因为垂向上裂隙贯通高度 是有限 的 , 就是说单一岩性层贯 通性好 , 而多层岩 性层贯 通性差 , 不 同岩性层面之间结合水的 抗剪强度较大 。 资料还表明 , 在开启型裂隙 或断裂带是没有阻水 能力 的 , 即阻水系数Δ 。 等于零 , 在这 些地段只要突水系数大于零 , 必然会发 生突水 。 所以 , 在一 些导水断裂带 必须留设一定尺寸的防水煤岩∀ 柱 , 以免 发生 直通式突水事故 。 王风煤矿一坑五采区∃ 工作 面的探底 钻孔资料 , 提供 了计算阻水系数的条件 。 探 底 ∃ 孔初见砂岩时 的水压 为 . 公斤/厘米 ∋ 水压表测∀ , 至奥灰顶部 , 水压升至∃0‘ 【 公斤/厘米 ∋, 其间孔深由∃ , . Κ米到∋0 . ,, 米 , 一 砂岩真厚度为 . 米 , 削减水头压力 公斤/厘米 ∋, 计算的 Δ 二0 . ,公斤/厘 米 “米 。而探 底∋孔 阻水层 下部 层段 . ∋ 米 , 无削减水头值 , 只是钻孔涌水量由0 . 增至 。 . 米 “/ 时 , 该段Δ 5二 Α 。 在该孔附近开采 时将会发生突水 , 但水量不会太大 , 据估算 为 0一∃0 0米 “/ 时 。 又如探底孔 , 阻水层厚 度 ∃ . ∃ 米 , 无削减水头的能力 , 水量仅增 加了0 . 0 米 − / 时 , 而其下部阻水层段仅− . 0 米 , 却削减水头压力 . − 公斤/厘米 “, 阻水 系数 Δ 5 二∃ . −公斤 / 厘米 昌 米 。 这些情况的 出现 是必然的 , 因为岩体中裂隙系统很复杂 , 我们应依据各孔的综合平均阻水系数来评价 是否有突水的可能性 。 对∃ 工作面的安全 评价 , 就是以此为基础的 。 该面位于王凤矿 一坑南部 , 呈单斜构造 , 煤层走 向ΛΛΜ , 倾 向ΝΜ , 倾角∃ 一∋0 “, 下架煤层底板标高 一般 Ο∋ 0一Ο 0米 , 最低∃∋ . − 0米 , 最高 0 . ∃ 0 米 。底 板水压最大∃∃ , 0一∃∋ . − 0 公斤/厘米 ∋ , 最小一公斤/厘 米 “ 阻水层厚度在∃ 米 至 ∋,米 之 间 。 经过 总体分析计算 , 探底钻孔的 阻水系数绝大多数大于相 应钻孔地段的突水 系数 , 即垂直水头梯度 。 所以 , ∃工作面 除探底 ∋ 号孔附近可能突水外 , 其它地段的 开采基本是安全的 。 漏探或工作面中部未探 地段的情况很难估计 。 总之 , 认为该工作面 所采面 积不是很大约 . ∋万余米 “ ∀ , 其水文 地 质条件也不会有太大的变化 。 根据试采的 实际情况看 , 尽管面内靠近上溜子道有一条 落差 ∃ 米左右 、 近 于垂直采面的小断层 , 但 在开 采过程 中 , 未出现任何突水征兆 。 这主 要是此处煤层底板标高较高 , 在 Ο , 一 Ο 0 米之 间 , 突水系数仅在 0 . − 公斤/厘米 ∋ 米 左右 , 而此处探底 孔的阻水系数却为0 . , 公斤/厘米 ∋ 米 , 所以不 可能发生突水事故 。 其次 , 经探查该小断层为闭合型的不导水断 煤田物探 , 煤田物探资料解释的最优化方法 上∀ 武汉地质学院黄智辉 概述 最优化问题可作如下分类 5 无约束问题 在生产和科学研究中 , 人们在解决某项 任务时 , 常常会遇到需要在一切可能的方案 中 , 选择出最优方案以获得最佳 效果的间 题 。 这便是最优化问题 。 凡是追寻最优化目 标的数学间题 , 均属最优化间题 。 最优化技 术就是从一切可能的方案中 , 选择出最合理 的方案 , 以达到 最优目标的一 门技术学科 。 追寻最优方案的方法 , 即是最优化方法 。 作为一个最优化间题 , 至少应具备两个 要素 。 其一 , 必须有若干可能选择的方案 。 其二 , 必须建立所要追求的目标 , 目标必须 是方案的函数 , 即必须建立 目标函数又称 评价函数∀ 。 当目标函数达到极值 极大值 或极小值∀时 , 所得到的方案便是最优方案 。 静态问题 约束问题少 一维问题 几维问题 线 性规划 非线性规划 动态问 题 ∃∃ 、.月 、 题 问 七 优 最 没有约束条件的求目标函数极值问题 , 称为无约束问题 带有约束条件的求目标函 数极值问题 , 称为约束问题 。 目标函数和约 束条件均为线性函数的最优化问题 , 常称为 线性规划间题 , 而目标函数或约束条件为非 线性函数的最优化问题 , 则常称为非线性规 划问题 。 动态问题是过程控制问题 , 即在过 程进行中 , 如何在客观条件允许的范围内选 择 出最好的措施去控制过程的发展 , 以期最 好地完成预定的任务 。 呻叫卜叫卜 峥 闷目,十闷 月叫州卜 十 , 州卜州卜 刁同弓 层 据该断裂所处的位置 , 在开采活动 中底 板矿压的作用下 也不会发生断层面的滑动 , 也就不会导通含水层使之突水 。 从阻水系数 的概念分析认为 , 当它大于突水系数时 , 是 不会发生突水的 。 同样的分析方法 , 我们还 对王凤矿一坑六采区进行了计算分析 , 并作 出了带压开采的可行性分析及评价 。 显然 , 阻水层削减水头压力仅与含水层 水压的大小 、 含水裂隙同阻水层的接触面积 有关 , 而 与含水层的补给量及富水程度 无 关 。 应该指出 , 阻水层本身的岩性成分 、 组 织结构以及各不 同性质岩层的相互组合关系 和它的完整性是决定其抗渗性能 , 亦即阻水 减压能力的主要因素 。 综上所述 , 阻水系数类似于粘性土中的 起始水头梯度 , 引起的主要原因是结合水的 存在 。 它是不透水或半透水岩体的一种水理 性质 。 本文是作为带压开采中对底板评价的 一个参数提出来 的 , 还可对具有水头压差的 两承压含水层 间的阻水层越流可能性作 出评 价 。 在带压 开采方面 , 也可把阻水系数称之 为 “ 减压 系数 ” 或 “削减水头系 数 ” 等 。 这 种参数同岩石的其它物理力学参数一样 , 可 以通过室内试验和现场的原岩测 试来研究 。 当然两者之 间会有较大的差距 , 可以通过大 量的室内外的试验研究 , 找出它们之 间的相 关或经验关系 , 然后根据大量室内试验测试 来建立各不 同的岩性层阻水系数 的区间值 。