我国带压开采研究现状及其展望.pdf

第 33卷 第 6期 2002 年 11月 太原理工大学学报 JOURNAL OF TAIYUAN UNIVERSITY OF T ECHNOLOGY Vol. 33No. 6 Nov.2002 文章编号 1007-9432 2002 06-0475-03 我国带压开采研究现状及其展望 胡耀青 太原理工大学采矿工艺研究所 摘 要 总结了 20 世纪 60 年代以来, 我国承压水上采煤的研究成果, 存在的问题及其今后的 发展。为带压开采的深入研究提供详细的参考, 为我国煤矿安全生产的研究提供一些可行的理论、 技术与方法。 关键词 带压开采, 突水, 监测预报 中图分类号 T D823. 83 文献标识码 A 我国煤炭资源丰富, 是能源组成的重要部分, 然 而随着浅部煤层的枯竭, 开采强度的增加, 矿井的深 度不断延伸, 来自煤层底部奥陶纪灰岩高承压水的 危害日趋加剧, 仅在华北地区受其危害的矿井就有 230多个, 造成 40 左右的煤炭不能正常开采。 因此 带压开采的研究多年来一直是许多矿业工作者关注 的问题, 但因我国地质条件复杂, 开采方法各异, 带 压开采理论、 技术还不够完善, 以至于矿井突水事故 时有发生, 造成巨大的经济损失和人员伤亡。所以, 奥灰突水机理与突水监测预报系统的研究是实现带 压开采安全问题的根本, 以下分述这方面的研究概 况。 1 矿井突水机理的研究 矿井突水是采动引起围岩变形破坏与承压水共 同作用的结果, 这是普遍的共识, 但不同的突水类型 具有不同的突水机理, 可总结为以下几点。 1. 1 地质构造引起底板突水的机理 1. 1. 1 断层突水机理的研究 统计资料表明, 80 以上的突水事故与断层有 关, 杨善安[ 1]详细分析了断层在采空区的位置及要 素与突水的关系, 得出断层面倾向采空区方向的采 空区边界底板断层最容易发生突水事故, 尤其是当 断层倾角同最大膨胀线想吻合时, 突水最容易发生。 黎良杰、 钱鸣高等 [ 2]把断层分为张开型与闭合 型分别对其突水机理进行分析, 得出张开型断层的 突水机理是断层两盘在承压水作用下产生了张开, 承压水沿张开裂隙突出, 同时对断层带进行渗透冲 刷; 闭合型断层的突水机理主要是断层两盘按板的 规律破坏或断层两盘关键层接触部产生强度失稳, 并得出正断层比逆断层更容易突水, 闭合型断层在 采动影响下可能转化为张开型断层。 谭志祥[ 3]利用力学平衡的原理, 计算底板断层 在垂向方向承受的压力, 当垂向方向的压力不平衡 时, 可能发生突水事故, 该力学模型把底板简化为自 由边界, 与实际情况有较大的出入, 但其研究方法值 得参考。 图 1 为断层突水示意图, 总结起来断层突水可 分为两种情况 即富水导水断层突水, 当采掘直接揭 露导水断层时, 形成了突水通道, 产生突水; 另一种 是充填胶结好, 闭合的不导水断层, 在矿山压力、 采 动破坏、 固流耦合作用下, 使得断层的导水性增加, 形成突水通道, 引起突水, 即所谓的断层活化。 图 1 底板断层突水示意图 1. 1. 2 岩溶陷落柱的突水机理 统计资料表明, 陷落柱突水事故远小于断层突 基金项目 省基金、 省青年基金资助项目 项目编号 20021076, 20001012 作者简介 胡耀青, 男, 1963 年生, 副教授, 博士生, 研究方向 带压开采及水害治理, 太原, 030024 收稿日期 2001-12-17 水事故, 但陷落柱突水事故后果严重, 其主要原因是 陷落柱的数量一般来说小于断层的数量, 且相对较 容易勘测, 可提前采取保护措施。 另一方面陷落柱的 渗透性一般较好, 一旦与低部高承压水沟通, 其渗透 速度、 流量、 压力都比较大, 此是其发生突水事故严 重的主要原因。刘继山等[ 4]利用图 2 所示的力学模 型, 采用弹性力学最大拉伸理论导出 图 2 陷落柱突水模型 max 2 1- 2 E a2 b2- a2p 0 p0 E max b 2- a2 2a2 1- 2 b 2a 2 1- 2 p 0 a2E max E max 式中, E 为煤体弹性模量; 为煤体泊松比; p0为陷 落柱内承压水压力; max为煤体最大抗拉应变; a 为 陷落柱内径; b 为陷落柱中心至采煤工作面的距离。 上述三个方程可用来预测陷落柱突水。 根据目前的研究成果及突水事故表明[ 5～7]岩溶 突水主要分两种情况, 一是采动诱发不导水的陷落 柱导水而发生突水事故; 二是开采揭露了原生导水 陷落柱而发生的突水事故, 这两种情况都可能发生 突水事故, 但其前提条件是陷落柱与底部高承压含 水层直接或间接沟通。 1. 2 完整型底板的突水机理 图 3 为完整底板在开采过程中, 由于采动影响 使底板破坏产生裂隙而发生的突水示意图, 这方面 的研究资料也很多, 靳德武等[ 8]从动力学的角度分 析了煤层底板突水的机制, 认为突水是矿井水文地 质状态的突变, 是岩石中原生破缺和次生破缺的发 展过程, 这个过程分为两步, 一种是破缺的发展过 程, 是缓慢的, 并不导致突水, 另一种是破缺暴涨的 失稳, 是一种快过程、 是引起岩体破坏并且导致突水 的突变过程, 作者把模型简化为圆柱形水柱模拟冲 水裂隙, 用塞子模拟局域失稳岩块 见图 4 , 塞子与 其余岩体相互作用简化为弹簧相互作用, 建立失稳 图 3 完整底板突水示意图 图 4 塞子模型示意图 动力学方程, 得出判据 p h - pg r 2 , 当 1 时, 发生突水; Ip 1 时, 不突水。 文献[ 3] 1998 从力学角度分析了完整底板突 水的力学机制, 得出 pc [ ∀ ctan 90 - ∃ h1 ] e 2tan∃/ pL dh1 - ∀ctan 90 - ∃ d 式中, ∀c为底板岩石的内聚力 kN/ m 2 ; d 底板隔水 层的总厚度 m ; ∃为内摩擦角 度 ; 底板岩石的 容重 kN / m 3 ; L 为采空区空顶距 m ; h1 为底板采 动导水裂隙带深度 m 。 当实际水压ps≥pc时, 认为 不安全, 发生突水事故。 白晨光等[ 10]用突变理论方法, 研究了底板关键 层失稳的机制及关键层失稳的充要力学条件判据, 对完整底板 没有断层和其它弱面 以几何的形式直 观地描绘了关键层随控制变量 F 垂向合力 和 Fh 595 第 6 期 胡耀青 我国带压开采研究现状及其展望 水平力 变化过程中的稳定和失稳过程。 从统计资料来看, 完整底板发生的突水事故较 少, 其主要机理是采动引起底板破坏, 产生裂隙与底 板含水层直接或间接沟通, 引发突水事故。 1. 3 巷道突水机理的研究 掘进巷道引发的突水事故也比较多, 与其它类 型的突水事故相比, 巷道突水有其明显的特点, 就是 迟到 或滞后 突水, 其前兆往往被人忽视, 没有及时 采取措施而造成了严重的突水事故, 唐德玉等[ 11] 1997 详细描述了巷道滞后突水的全过程及其共 性, 即 1 岩石破碎遇水膨胀; 2 上下岩层或本岩层富含水; 3 突水点与断裂构造带连通; 4 支护不及时或支护结构后面有空隙, 能允许 围岩很快产生大变形; 5 出水时间滞后, 即均在围岩被揭露一定时间 后发生; 6 突水时有明显的诱导因素; 7 初时突水为集中涌水, 水量较小, 之后伴随 围岩或支护的破坏, 水量逐渐增大, 最后出现大面积 淋水; 8 涌水量增加是渐次递增, 并数次突变, 在达 到稳定涌水量前一阶段递增突变尤为迅速; 9 在达到一定涌水量后, 水量趋于稳定。胡耀 青等 [ 12] 以现场为背景, 采用数值方法, 模拟了巷道 滞后突水的发展过程, 认为巷道突水是掘进破坏了 围岩的有效隔水层, 即围岩产生裂隙与含水层或导 水构造带沟通, 压力水的冲刷使得渗透通道不断扩 大, 最后失稳造成突水事故。 2 采场底板变形破坏规律研究 采动矿压诱发突水的研究主要针对煤层底板的 变形与破坏, 相对与顶板来说, 底板变形破坏规律的 研究课题较晚, 其主要原因在于[ 13]20 世纪 70 年代 后期, 开采向深部发展, 突水日趋严重, 人们才认识 到研究底板移动规律的重要性; 以前的工作忽视了 顶底板变形的统一性, 缺乏对底板岩体移动的内在 规律的认识; 底板的现场观测资料零散, 难度大, 费 用高, 因而使的煤矿底板岩溶水的研究工作进展缓 慢, 成效不大。 研究较早的是前苏联 B. C ecapB 1948 , 首 先对煤层底板的岩体进行了理论分析, 把煤层底板 简化为两端固支, 受均布荷载作用的梁, 分析了其变 形破坏与底板突水的预测理论公式。 刘天泉 1981 提出了煤层采空区底板岩层破坏 的“ 下三带” 概念, 即鼓涨开裂带 8- 15 m , 微小变 形与移动带 20- 25 m 及应力微变化带 60- 80 m 。 华安增[ 14]利用弹性理论的半无限体平面问题 计算煤层内 M 点的应力增量, 再加上 M 点的原岩 垂直应力便等于采动后的 M 点的垂直应力, 尽管其 计算值与实测值有一定的误差, 但足以满足工程的 要求。 王作宇等[ 15]以现场实测资料为基础, 探索了重 复采动底板岩体移动的特殊性, 支撑压力作用的递 减性; 原位张裂的多层性; 煤柱应力的不恢复性; 零 位破坏的重复性; 水压力动态变化的稳定性。 张金才 等 [ 16] 讨论了工作面底板的采动影响规律, 并推导出 底板采动裂隙带最大深度的计算公式 h1 n 1 2 ∀c, ∃为底板平均内聚力及内摩擦 角; n 为最大支撑压力系数; 为底板岩体的平均密 度。说明了裂隙带最大深度随支撑压力的增高而增 大, 随采深的增加而增大。高延法等[ 17]以现场为基 础, 由实测位移反求岩层弹模和超前支撑压力, 进而 求出采场底板岩层的应力场。应用岩石断裂力学的 理论确定开采造成的底板岩层的破坏范围。 刘天泉等[ 18]采用 1∶100 的几何比, 2. 4 m0. 16 m 2 m 的模拟架对长壁工作面顶底板应力和位移进 行了模拟研究, 得出结论 回采工作面后方 14～44 m 范围内底板应力低; 在煤柱区边缘的自由空间, 煤层底板总是处于膨胀状态, 此处顶底板变形及破 坏最剧烈; 在正常推进过程中, 顶底板岩层经历增 压、 卸压、 恢复三个阶段, 随工作面的推进, 三个阶段 交替出现; 顶底板岩层受明显采动影响范围在工作 面前方 14～26 m, 后方 76～136 m. 李白英等[ 19, 20] 总结了“ 下三带” 理论的概念, 形成、 确定方法、 测定 数据、 效果评价等作了系统的论述。王成绪[ 21]采用 结构力学的方法, 运用极限弯矩理论, 确定底板隔水 层有效厚度的计算公式 Mr 0. 236h 2∀ c, 其中 Mr极 限弯矩; h 为有效隔水层的厚度; ∀c为岩石的抗拉强 度。 冯启言等[ 22]利用 ADINA 有限元计算程序, 计 算了底板的破坏深度, 得出在正常无断层的情况下, 底板的破坏形状为“ 马鞍型” , 并提出底板突水的关 键部位与时间是在初次来压的断层带上, 其次是开 596 太 原 理 工 大 学 学 报 第 33 卷 采中过断层前后 8 米处。 杨栋, 赵阳升[ 23]利用固流耦合的原理, 模拟了 裂隙状底板在开采过程中, 推进速度、 煤柱宽度与煤 柱应力, 断层渗透系数、 断层变形之间的关系。 张红日等[ 24]利用现场统计资料, 室内试验和数 值模拟计算, 说明承压含水层的存在是矿井底板突 水的前提条件, 水头压力是突水的力源, 水量则是突 水的物质基础, 水量越大, 在相同的水头压力下, 承 压水本身所具有的动能与势能总和则越大, 形成突 水或扩展通道的能力 包括突破、 溶蚀、 冲刷等作用 越强, 因而突水的概率就越大。 毕贤顺等 [ 25] 根据岩石力学渗流理论, 利用广义 运动稳定性原理, 建立了矿井底板突水的数学模型 和突水发生的判别准则, 得出结论 当外载荷超过某 一值时, 孔隙水压对岩体稳定性的影响才表现出来, 当外载荷小于此值时, 孔隙水压对岩体的稳定性的 影响较小; 当外载荷不变时, 随着孔隙水压的增大, 岩体的稳定性逐渐降低, 即突水量随着孔隙水压的 增大而呈增强的趋势; 在孔隙水压不变时, 外载荷的 增大也使岩体的稳定性降低, 但影响的程度较孔隙 压要小些; 在相同的外载荷和孔隙水压作用下, 初次 来压比正常开采更容易发生突水。 张西民等 [ 26] 从矿压角度分析了采煤工作面底 板破坏的最大深度产生的时间和位置, 认为周期来 压会诱发底板突水, 突水一般会发生在靠近煤壁的 采空区内, 非来压期间, 可能发生采空区突水, 位置 一般远离煤壁。左人宇等[ 27]利用 FLACE 数值分析 方法, 采用弹塑性力学计算了工作面斜长与底板破 坏深度的计算公式 h - 20. 17 7. 2 ln L . 以综合因素影响下煤层底板变形破坏规律 h - 5244 0. 107 0. 036 h1 9. 65 k 10. 78 ln l, 式中, h 为煤层底板最大破坏深度 m; 为煤层的倾 角; h 1为煤层的开采深度 m; k 为侧压系数 k 水平 地应力/ 垂直地应力 ; l 为工作面斜长 m. 施龙青等[ 28]提出了采场底板划分为“ 四带” 即 矿压破坏带, 新增损伤带, 原始损伤带, 原始导高带 见图 5 及计算公式 h1 59. 88 ln Kmaxhc ∀1 h2 59. 88 ln ∀1c ∀1 h3 h- h1 h2- h4 如导高带不存在有 图 5 采场底板四带模型 h3 h- h1 h2 h4 h. 原始导高带, 由实测得到 即钻孔尚未达到含水层就 有一定量的涌水, 此时涌水点到含水层的距离即为 导高带的厚度 , 式中, kmax为矿山压力最大集中系 数; 为上覆岩层的密度; hc为采深; ∀1为第一主应 力; h′ 为含水层顶部到含水部为的厚度; ∀lc为节理岩 体的初裂强度。根据“ 四带” 得出无断层构造时底板 突水判据 h3≠0, 或 h3 0, h2≠0 且 ∀ 1- D 不突水; 为水压; ∀为损伤底板岩体抗压强度; D 为底板损伤张量。 h3 0, h2≠0 且 Yc预测突水, 当 Y Yc预测 不突水。 张 , 王延福, 靳德武等 [ 32- 39] 把煤层底板突水 系统看作一种非线性系统, 利用神经网络系统作出 综合决策, 即把 11 个特征变量 煤层底板隔水岩层 承受的地下水水压; 煤层底板隔水岩层厚度; 采空 面积; 有无构造; 矿压; 采煤工作面倾斜长; 距下风道 距离; 煤层底板隔水岩层中泥性岩所占的比例; 煤层 底板隔水岩层中砂性岩所占的比例; 煤层底板隔水 岩层中砂性岩所处的部应; 煤层开采深度 作为神经 网络模型的输入量, 并对焦作演马庄矿、 方庄煤矿进 行了生产性检验, 预测结果与生产实践相符。 同时期 黄国民[ 40]、 江东[ 41]等也作了同样的工作。 施龙青等[ 42]提出用概率指数法预测底板突水, 其基本方法是用赋权的方法, 将影响底板突水的各 种因素在底板突水中所起的作用进行定量化, 通过 数学模型求得总体量化指标即为概率标准。概率指 标的大小可作为突水与否的标准。韩进[ 43]利用 VB 开发了该预测系统的软件。高卫东等 [ 44]利用信息复 合发, 根据由已知到未知的原理, 通过对某一事件 问题 , 进行多因素的综合分析, 选取其中主要因素 复合成一个综合指数, 用该指标说明某事件的本质, 即该指标要能够较好地反映客观规律, 然后根据这 一指数把煤层底板划分为相应的区域 危险区, 危险 较小区, 安全区等 进行预测, 指导矿井生产。 王茂连[ 45]、 孙苏南[ 46]、 江东[ 47] 利用 GIS 技术, 在分析矿区地质、 水文地质、 突水资料的基础上, 建 立能够反映多因素综合作用的突水模式, 此模式是 研究空间数据的技术系统, 能够通过计算建立数据 库, 将各种地质要素, 包括它们的空间分布状况和所 具有的属性进行综合分析, 可方便快速地获取满足 用户研究所需的信息, 并能以图形表格或数据的形 式表示结果, 这一技术在预测矿井突水中有其广阔 的应用前景。 陈学星等[ 48]利用专家系统建立了煤层底板突 水预测模型, 由专家的知识、 推理来寻求底板突水的 可能性, 这一方法在 20世纪 70 年代应用比较广泛。 张永双[ 49]、 刘伟韬[ 50]利用层次分析模糊评判建立 多因素之间的层次分析结构模型, 对于单个定性描 述的因素, 采用模糊综合评判的奴属函数进行量化, 从而得出突水评价的量化指标, 最终进行矿井底板 突水的安全性评价, 其层次结构分析模型如图 6, 它 的优点是把层次分析与模糊数学有机地结合起来, 进行定量化评价, 其预测精度相对较高。 图 6 底板突水评价层次分析模型 4 矿井突水监测预报理论, 技术, 方法 的研究 王经明等[ 51]、 懂书宁等[ 52]研制了煤层底板突水 监测预报的实时监测系统, 其主要监测设备为应力、 应变、 水压、 温度传感器及 8098 单片机与地面微机。 其原理为 在采矿过程中, 由于煤层底板应力场发生 了变化, 承压水的入侵高度向上发展产生递进导生 现象, 以致造成底板突水。因此, 底板突水具有岩体 应力变化, 水压水温升高, 声发射等一系列前兆。这 些前兆是突水预测预报的依据, 通过传感器把这些 前兆转变成电磁信号, 然后再将电磁信号转换成地 质信息。 根据这些信息分析水情的变化, 实现动态监 测。 胡耀青等 [ 53, 54] 通过现场水文观测孔的实测, 分 析煤层底板各含水层的空间分布形态, 水力联系, 地 质构造等特性, 认为煤层底板各含水层在一般情况 下是各自独立的, 只有原生构造或采动引起的次生 构造使各含水层连通, 形成渗透通道时, 才会发生水 力联系, 而对矿井突水危险最严重的是奥灰岩承压 水 简称奥灰水 , 奥灰水突出时, 首先要经过渗透通 598 太 原 理 工 大 学 学 报 第 33 卷 道 主要是地质构造带 流入其上覆含水层 太原组、 本溪组含水层, 见图 7 如其上覆含水层的某一层或 几层的渗透性较好, 水压的反映速度较快, 也即此含 水层水位的变化能够很好地反映它与奥灰水的连通 程度, 那么此含水层就可以作为很好得监测层, 即在 此含水层中根据现场情况布置监测网, 通过监测网 中各点水压的变化幅度来反演突水区域, 进而计算 突水点的位置, 此系统包括井下实时监测系统, 地面 微机数据处理系统及预报系统, 可以实时地以图像 和数据的形式显示井下水位的动态变化过程, 此系 统正在趋于完善, 有待于现场得到证实并推广使用。 图7 含水层空间分布与水力联系 5 展 望 通过我国带压开采的研究状况及煤矿现有生产 技术水平来看, 带压开采今后面临的问题还比较严 重, 要从根本上解决承压水上采煤的突水事故, 作者 认为, 应从以下三个方面重点研究 1 先进的勘测技术及其设备 能够准确详细地 查明地质构造带, 尤其是导水地质构造带, 详细的水 文地质资料, 含水层的空间位置及其水力联系等。 在 此基础上选择合理的开采布局及有效的堵水措施, 则可从根本上解决矿井的突水事故。 2 实时突水监测预报 在工程地质、 水文地质 资料欠缺的情况下, 采用切实可行的突水实时监测 预报系统, 因突水有其前兆, 有其发展过程, 如在初 期采取有效的预防措施, 则可避免突水事故的发生。 3 改革开采方法 革新开采方法, 减少采动引 起围岩的变形与破坏, 减少突水渗透通道的形成, 从 而减少突水的发生。 参 考 文 献 [ 1] 杨善安. 采场底板断层突水及其防治方法[ J] . 煤炭学报, 1994, 19 6 620-625. 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The Development and Application Situation on Aquifer Mining in China Hu YaoQing Institute of Mining Technics of TUT Abstract T he paper sum up the research,the existent question and its development on aquifer mining in our country since 1960s. It provided detailed reference for the study on aquifer mining, And provided viable theory, technology and for safety production in our mine . Key words aquifer mining; water inrush; monitor and forecast 编辑 张爱绒 600 太 原 理 工 大 学 学 报 第 33 卷