煤矿底板突水事故预测控制的岩层动力信息系统.pdf

第6卷 第2期西北煤炭2 0 0 8年6月 V O L. 6 N O . 2N o r t h w e s t C o a lJ u n. 2 0 0 8 采掘工作面推进过程中的底板突水,有可能造 成淹没其工作面和其他工作场所,甚至整个矿井淹 井的重大事故。底板突水会引发煤岩大范围的垮塌, 从而造成巷道片帮、 采场压死支架的重大事故, 控制 水害是煤矿安全生产的重大课题。 1煤矿底板突水事故的原因及实现的条件 原因 采动 采掘工作面推进 支承压力、 围岩破 坏波及承压水源。 实现的条件开采煤层底板存在富集储水溶洞 的巨厚石灰岩层 即有承压水源存在 。采动 采掘工 作面推进 支承压力及造成的围岩破坏, 波及并沟通 富含承压水的相关溶洞, 形成突水通道。受采动支承 压力叠加的溶洞承压水通过突水通道涌出的流量超 过淹没工作空间 包括采场、 巷道及矿井 的界限。 Q E≤ T O O “ q T- qP d t1 q T υi S i 2 其中υ i fP i ,R i ≈α P i n 1 R i n 2n1 及n 2 1 S i fP i ≈β P i n3n 30 2底板突水预计的影响因素分析 底板突水的主要相关因素可归纳为五项 水源; 水压; 隔水层; 地质构造; 采掘活动。在以上五种因素 中, 除水压是一个明确的单一因素 或参数 外, 其余 四项都是由许多因素构成的复合顶。水源即岩溶含 水层的赋水条件是底板突水的基本物质前提;水压 既是突水的动力,又是决定突水与否和突水量大小 的主要因素;隔水层是底板岩溶承压水突水的阻抗 因素, 是岩溶承压水上煤层开采的安全屏障; 地质构 造应该包括断层、 褶曲和岩溶陷落柱等, 地质构造是 底板突水的通道, 绝大多数突水, 特别是大型突水一 般都与地质构造有关,采掘活动和矿山压力是底板 突水的诱导因素。 2 . 1水压在底板突水中的力学作用 降低抗压强度 σw k wσ okw 1 3 降低抗剪阻力 τ f c σ- Pwt a n φ 4 2 . 2水压对裂隙岩体的有效应力作用 现场岩体最主要的特征之一是其非连续性。 岩体 裂隙、 孔隙中的水压作用比较复杂, 很难分析计算单 个裂隙或孔隙中的水压效应, 有效的方法只能是统计 方法。可以采用土力学中太沙基的有效应力定律 σ σ - P w 5 在承压水作用之下, 岩体强度根据莫尔-库伦强 度定律, 计算公式 τ f c σ- Pwt a n φ 6 对于某个采掘工作面, 由于承压水的水压P w与 其埋深成正比,而采掘后底板岩层铅直向卸压。这 时, 水压P w对岩石强度的影响就会显得更加突出。 2 . 3水压在断层中的水楔作用 大量突水案例统计分析表明,8 0 以上的大型、 特大型突水与断层有关。水在断层中, 对断层面的水 煤矿底板突水事故预测控制的岩层动力信息系统 宋振骐 1,2 彭林军 1 赵晓东 1 1 .大连大学院士创业园, 辽宁大连1 1 6 6 2 2;2 .山东科技大学, 山东青岛2 6 6 5 1 0 摘要在深入研究我国煤矿底板突水发生及其成功控制案例的基础上, 文章对底板突水事故发生 的原因、 灾害实现的条件及其动力信息基础进行了比较系统的研究, 以此为基础提出了底板突水事故 预测与控制的方法。 关键词煤矿底板 突水事故 预测控制 岩层动力信息 中图分类号T D 3 2文献标识码A 文章编号1 6 7 2 - 3 8 8 02 0 0 80 2 - 0 0 0 3 - 0 3 收稿日期2 0 0 7 - 0 2 - 2 7 压作用是值得重视和研究的。主要包括两个方面, 一 是反映断层与回采工作面相对位置的结构模型, 二 是水压的力学作用。 2 . 4水流的冲刷扩径作用 水流的冲刷扩径作用是指突水过程中突水通道 在水流的冲刷下使孔径逐渐扩大的力学作用。 水压为P w的承压水由底板突出, 假定突水通道 为圆柱状, 某一时刻的孔径为D t, 突水量为Q, 则突 水孔中的水流速度ν t为 ν t4 Q πD t 2 7 则孔内水流作用在孔壁上的压力P r为 P r Pw- γ 2 gν t 2 8 2 . 5水压对突水量的影响 灰岩中水源为溶洞裂隙网络型, 动储量充足。 水压能完全用于克服突水通道的管道阻力和转化为 水的动能, 则根据伯努利B e r n o u l l i 能量方程 z 1 P 1 r ν 1 2 2 g z 2P 2 r ν 2 2 2 g△h 9 突水通道足够大, 灰岩为溶蚀裂隙网络型, 水压 全部消耗于渗流途径中。则根据D a x c y渗流定。 Q K A△H l 1 0 3煤矿底板突水事故的预测控制动力信息基础 煤矿底板突水事故包括掘进工作推进过程中的 突水事故和回采工作面推进过程中发生的突水事故 两部分。在存在可能沟通承压水的构造破坏区域, 控 制突水事故灾害的开采设计原则为 1 绝对避免在储存高能级弹性能 即高的压缩 构造应力 的断层和褶曲轴部, 布置和掘进巷道。对 于必须垂直通过的巷道,应采取超前探水和在通过 前后注浆锚固围岩的措施。 2 平行断层和褶曲轴布置的回采巷道的保护 煤柱宽度, 在考虑避开构造应力集中部位的同时, 应 当满足确保采场支承压力破坏的岩层,不致延伸到 与构造破坏带相沟通。 3 垂直断层褶曲轴方向推进回采工作面时, 应 采用把开切眼布置在经相临工作面推进,构造应力 已经释放的“ 内应力场” 中。实践证明, 不留采区实体 隔离煤柱, 以最短距离推过断层的方案。保留实体高 度煤柱方案,随采场推进在煤柱上递增的叠加支承 压力, 将加速断层等构造部位底板的破坏, 最终导致 老塘突水事故的发生。 4 在大面积“ 岩溶水库” 上跨断层等构造部位 推进回采工作面时,悬臂梁结构力学模型判断底板 破坏和突水的可能性。 3 . 1底板突水预测控制结构力学模型 突水预测控制结构力学模型图 3 . 2底板突水可能性的控制 3 . 2 . 1正确判断工作面底板突水的可能性 1 正确判断采场支承压力的大小和底板的破 坏深度。 2 正确判断工作面推进构造突水的可能性, 即 当C m a x lmi n不容易出现; C m a x≥lmi n容易出现。 l mi n P E P E 2- 4 3 HP- q P Ea - mg 2[ σ] 6HP- q 1 1 3 . 2 . 2合理布置采区和选择开切眼位置 1 有突水危险的工作面, 最危险的时空条件是 老顶第一次裂断 即采场第一次老顶来压实现之 前。最大的危险时刻是工作面推进至老顶第一次来 压的前夕。因此, 必须绝对避免采用把断层布置在临 近开切眼位置的设计布置。 2 有断层突水可能性的工作面, 安全的布置方 案是 “ 工作面遭遇断层的时空条件,放在可能进入 导水裂隙带的采场上覆岩层第一次裂断全部实现之 后。” 最小的遭遇距离不得小于工作面的长度。 3 紧接相临已采工作面推进时, 应当采用在已 采工作面稳定的内应力场中布置开切眼, 直接推过断 层的方案。要力戒采用隔离煤柱推进工作面的错误。 4宋振骐彭林军 赵晓东煤矿底板突水事故预测控制的岩层动力信息系统第2期 责任编辑 杨惠民 3 . 2 . 3合理确定工作面长度 1 掌握工作面长度与支承压力大小分布间的 关系。了解底板破坏深度和突水压力随工作面长度 增加而增加的规律。 2 要修正“ 工作面长度大, 突水可能性大” 的简 单化。恰恰是工作面长度小于老顶第一次裂断步距 的工作面,在整个工作面推进过程中都有发生突水 事故的可能性。 3 . 2 . 4正确确定断层隔离煤柱宽度 准确判定断层参数对于必须留设断层隔离煤柱 的地段, 煤柱宽度要根据顶板压力分布合理确定。 3 . 3煤矿底板突水事故预测控制的动力信息基础 1 井田褶曲、 断层相应部位及原始构造应力场 特征的信息。 2 井田富水厚层石灰岩底板位置及承压溶洞 水分布的信息。 3 承压水上煤层开采时, 采场支承压力大小、 分布特征及其关键影响因素 包括采深、 采高、 工作 面长度等 的信息。 4 矿井排水能力、 储水能力等突水事故预防措 施等。 4结论 煤矿底板突水事故是危害煤矿安全生产重大事 故灾害之一, 由于地质构造复杂、 开采条件多变, 但 是从底板突水事故诱发因素、 实现条件来看, 有其发 生的必然性和规律性。只要对矿山压力与底板突水 关系研究清楚, 可以避免底板突水事故的发生。 1 存在导水断层的回采工作面, 可以根据老顶 周期来压步距进行判断突水的可能性。因此, 采场上 覆岩层松软,直接顶第一次垮落步距和老顶第一次 裂断步距愈小,则工作面推进时,突水的可能性愈 小。相反难垮、 难断的坚硬顶板条件, 容易出现断层 突水事故。 2 有突水危险的工作面, 最危险的时空条件是 老顶第一次裂断实现之前。最大的危险时刻是工作 面推进至老顶第一次来压的前夕。因此, 必须避免采 用把断层布置在临近开切眼位置的设计布置。 3 有断层突水可能性的工作面, 安全的布置方 案是 “ 工作面遭遇断层的时空条件,放在可能进入 导水裂隙带的采场上覆岩层第一次裂断全部实现之 后” 。最小的遭遇距离不得小于工作面的长度。 4 紧接相临已采工作面推进时, 应当采用在已 采工作面稳定的内应力场中布置开切眼, 直接推过断 层的方案。要力戒采用隔离煤柱推进工作面的错误。 5 要修正“ 工作面长度大, 突水可能性大” 的简 单化。恰恰是工作面长度小于老顶第一次裂断步距 的工作面,在整个工作面推进过程中都有发生突水 事故的可能性。 参考文献 [ 1 ]宋振骐等.煤矿重大事故预测和控制的动力信息基础的研究[ M ] .北 京 煤炭工业出版社,2 0 0 3 [ 2 ]钱鸣高等.矿山压力与岩层控制[ M ] .北京 煤炭工业出版社, 1 9 9 1 [ 3 ]宋振骐.实用矿山压力控制[ M ] .徐州 中国矿业大学出版社, 1 9 8 8 [ 4 ]蒋宇静. T h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t a l s t u d yo nt h es t a b i l i t yo f d e e p u n d e r g r o u n do p e n i n g 博士论文[ D ] .日本九州 日本九州大学. 1 9 9 3 作者简介宋振骐1 9 3 5 - 中国科学院院士、 教授、 博导, 主 要从事采矿工程研究工作。承担基金项目有 国家自然科学基金重大 项目资助N O . 5 0 4 9 0 2 7 0 ; 国家科技部“ 十一五” 科技支撑项目资助 N O . 2 0 0 6 B A B 1 6 B 0 4 、 N O . 2 0 0 6 B A K 0 3 B 0 7 。 S t r a t aMo v e me n t a n dMe c h a n i c s I n f o r ma t i o nS y s t e mo f P r e d i c t i v e C o n t r o l f o r F l o o r Wa t e r I n v a s i o ni nC o a l Mi n e s S o n g Z h e n q i 1 . A c a d e m i c i a nP i o n e e r i n g P a r k s o f D a l i a nU n i v e r s i t y,1 1 6 6 2 2 , D a l i a n , L i a o n i n g; 2 . S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,2 6 6 5 1 0,Q i n g d a o,S h a n d o n g 第2期西北煤炭5