带压安全开采预测模式及应用方法研究.pdf

带压安全开采预测模式及应用方法研究 第六图书馆 通过对实际资料分析,研究了影响煤层底板突水的主要因素。依据试验获得的参数,建立了华北地区带水压开采评价准则及预测模式 ;并举例说明了应用方法。最后对华北典型大水矿区进行了总体分区,提出了相应的防治措施。通过对实际资料分析,研究了影响煤层 底板突水的主要因素。依据试验获得的参数,建立了华北地区带水压开采评价准则及预测模式;并举例说明了应用方法。最后对华北 典型大水矿区进行了总体分区,提出了相应的防治措施。带压开采 底板突水 预测模式 煤矿 采煤煤田地质与勘探李京红 王晓明 [1]煤炭科学研究总院西安分院水文所 [2]西安矿业学院1997第六图书馆 第六图书馆 3 4 煤 田地质 与勘探 1 9 9 7年 4月 十 一 { 7 带压安全 李京红 ，一 1 H ． q 开采预测模式及应用方法研究 ／ l f 煤 炭科学研 究总 院西安分 院水文所 0 o 5 4 王晓 明 西安矿业 学院7 1 0 0 5 4 一 摘要通过对 实际资料分析， 研 究了影响煤层底板 突水的主要 因素。依据试验获得 的参数 ， 建 立 了华北地 区带 水 压开采评价准则厦预测模式 ； 并举例说明了应用方法。 最后对华北典型大水矿 区进行 了总体 分 区 ， 提 出 了相 应 的 防治措 施 。 ． d ． 关键词 堂堡五墨 廛丝 遥型堡苎 、 翠 ． 聋 中国图书资料分类藩分类号P6 4 1 ． 4 6 1 ， I 作者简介李京红女3 4岁 工程师水文地质 1 引言 在我国华北地 区， 煤层底板突水严重威协煤层 开采 ， 预测与预防底板突水， 至今仍是一项有待解决 的课题 。 6 O年代 提 出的 突水系 数判别 突水 模式 对带 压开采 起 了推动 和促 进作 用 。突水 系数是 根据 一个 矿区的底板保护层厚度及其所承受的水压计算出的 一 个 统计 值 ， 而 它 的临 界值 又是 根据 华 北 几个 大水 矿区突水点 的数据统计而获得的。在确定工作面带 压 开采的临界突水系数值 时， 一般是根据煤层底板 岩性 、 岩层结构 、 地层的完整性和承压水头来估计 的， 这样确定的经验值说服力差 ， 在实际应用中把握 性 也就 不很 大 。本 文 针对华 北地 区石 炭二 叠纪 煤 系 的特点 ， 对突水的主要因素作了探讨 ， 建立了预测突 水的瓶 模式 。 2 带压开采的条件 实施带压开采要求煤层底板保护层具有一定的 厚度 和 阻抗 水 的能力 。底 板突 水实 际是保 护层 与下 部承压水相互抗衡的结果。 因此， 保护层和相对隔水 层以及其对承压水所起的阻抗作用就成了研究带压 开采 的 主要 内容 。 2 ． 1 底板保护层厚度夏相对隔水屡 底板保护层的厚度在华北地区一般是指奥陶系 灰岩 简称 奥灰 距上 部开 采煤 层 的距离 。相对 隔水 层 是 指 奥灰顶 面 的 古风 化 壳 充填 带 ， 它 具有 相 对 隔 水 能力 ， 可视 作相 对 隔水层 ， 有 利 于带 压开 采 。现 将 华北各矿区可采煤层与含水层间距及奥灰相对隔水 层 厚度 列入 表 1 。 2 2 煤层底板岩性夏组合 保 护层 的 隔 水性 能不 仅 与 厚 度 及 岩 性 组 合 有 关 ， 而且 与 它 的物 理 、 力 学 、 水 理性 质有 关 。岩 性 不 同 ， 阻抗 水压 的能 力不一 。阻水试 验 资料表 明， 泥岩 的阻 水能力 比砂岩 的阻水 能力 高出 3 O倍 。 华北 煤 田 从最下部的可采煤层到奥灰顶面岩层的岩性主要由 砂质页岩、 页岩、 砂岩、 薄层灰岩、 煤及铝土质泥岩等 组成。 铝土质泥岩不含水． 可作为 良好的隔水层。 不 同岩性 的组 合 ， 塑性地 层 与刚性 地层 交织在 一起 ， 形 变会受 到控 制 ， 阻水 能力增 强 。 2 ． 3 不同岩性、 不同地区保护层抗水压性能 为取得不同地区、 不 同岩性 的保护层 的抗水压 性能 数据 ， 曾在 现场 进行 过测试 ， 结果 如 表 2 所 示 。 据表 2资料 ， 华北地区煤层底板保护层 的阻抗水 压 系数 的 中间值 约 o ． 1 3 MP a ／ m。 3 煤层底板突水因素 煤层底板奥灰水 突出的主要原因 一是在采动 影响下， 底板发生变形而导致突水； 二是煤层底板岩 层内存在与奥灰水相沟通的导水通道 ， 或者断层带 直接 导水 。 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 第 2期 李京红， 王晓明 带压安奎开采预测模式及应用方法研究 3 5 } 可南鹤壁一矿 铝土泥岩、 租砂岩 l甍 尊 j 鼋 誊 萼 鐾 羞 河 北 王 风 一 矿 糟 砂 誊 ； 墨 岩 0 ． 1 3 ～O ． 2 4 底 扳 g ～ 1 2 m 处 注 水 0 ． 0 g 有 效属 最 蔫 1 3m 3 ． 1 采动效应破坏宸板 煤层底板岩体不存在导水断层时， 当巷道掘进 到底板岩层内的薄弱部位， 在采动效应、 地应力和地 下 水 的共 同 作用 下就会 发生 地鼓 ， 甚至 发生地 裂 而 突水。另外， 煤层底板岩体中存在闭合的软弱结构 面， 其原始渗透性很小， 但在采动影响下， 加上地下 承压水水头较大， 渗透性会加大而突水。 上述情况表明， 突破保护层形成突水的必要条 件是 ， 水 压力要太于 岩体的抗水压 力 ， 同时也大 于围 岩 的最小 主应力 。 3 ． 2 底 板破坏深 度 在采掘前后 ， 由于地应力 由平 衡到不平衡 ， 在底 板矿压的作用下， 底板被破坏 ， 其阻水能力降低 。这 一 破坏深度与煤层顶板特征、 采高等许多因素有关。 根据在河北王凤矿、 陕西澄台二矿对底板导水破坏 深 度及 破坏 后 的抗 水 压 能力 试验 得 知 1 在正 常 区 ， 开采工作面 的底板导 水破坏 深度为 8 ～1 0 m； 而 破坏带的破坏深度为前者的 2倍。 2 受采掘影响被 破坏的岩层等稳定后仍有一部分 占总破坏深度的 6 0 具有一定的抗水压能力。 据澄台二矿对断层带 的试 验 ， 破 坏岩层 阻抗 水压 裂的 压力 为 O ． 1 5 ～0 ． 2 5 MP a ／ m， 在这 里我 们取 最小值 O ． 0 1 MP a ／ m， 称 之 为残余阻水系数。 3 ． 3 原始导高 奥灰水 的原始 导高对 底板 突水 起 着很 大作 用。 但它并非处处都存在， 这与保护层的岩性、 裂鲸发育 程度及构造密切相关。 在布置工作面时， 可通过底板 探查工作来确定原始导高值。 4 预 测模式 的建立 根 据上述 带压 开 采条 件 及 突水 因素 ， 我 们 建立 了一 个新 的预测模 式 户 Dp h n C2 D Dp h Dd h Z ∞ 式中P 安全采面底板的最高水压， MP a ； D 底 板导水破 坏深度 ， 13 1 ； D} 底板保护层厚度， m； D 底板 导水带高 度 ． m； n 弱阻水破坏 比率 ， 取 6 0 计算 ； C 残余 阻水系数 ， 取 0 ． 0 1 5 MP a ／ m； 互 保护层的整体阻抗水压系数， 取 0 ． 1 3 MPa ／ m。 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 3 6 煤 田地质 与勘探 第 2 5 卷 在 水 文地 质条 件复 杂 区和构 造 带部 位 ， 除 2 ； 如存 在相 对 隔水层 ， 应计 人 。 4 ． 1 预 测 实例 4 ． 1 ． 1 九里 山煤 矿 是 河 南 焦作 煤 田的大 水 矿井 之 一 。该矿 水文地质 条 件复 杂 ， 构 造断 裂 、 节 理裂 隙和 岩溶 发育 ， 补给 区广 泛 ， 水 量充 沛 。突 水水 源 主要 为 二 灰 和 奥 灰 含 水 层 。在 1 5次 突 水 中 ， 突水 量 大 于 1 0 0 r f l 。 ／ rai n 的 就 有 7次 ， 最 大 突 水 量 达 3 2 0 m ／ rai n 。 随采 深 的 增 加 水 压 增 高 ， 突 水 机 率 也 不断 增 加 。 计算条件 二灰水与奥灰水水位基本一致 ， 可视 为同一含水体， 投有相对隔水层 。计算参数如下 水 位 8 7 m 现开采水平一2 2 5 mt 声 w 一3 0 6 MP a l 二灰至二1 煤保护层厚7 0 ml 采煤底板破坏棵度1 2 m} 残 余 阻永 系数 C 0 ． O 1 5 MP a ／ m 保 护层 阻 术 l糸致 0 - 1 3 MPa ／ m{ 原 始 导 高0m 。 将上述数值代人计算模式得 P 一0 ． O 1 5 MP a ／ m x0 ． 6x1 0 m0 ． 1 3 MP a ／ m X 7 0 m一 1 2 m一 0 m 一 7 ． 6 3 M P a 考 虑 到存 在断 裂 构 造破 坏 带 ， 底板 抗 水 压 强 度 按一 半计 算 ， 即 一7 ． 6 3 MP a 2 3 ． 8 1 5 MP a 。 预测 区的水压 为 3 ． 0 6 MP a ， 因此 ， p p ， 也 就 是说 ， 水 压力 小于安 全采 面底 板 的最高 水压力 ， 其 差 值 为 0 ． 7 5 5MP a ， 相 当于 7 7 r f l 。 按 上 述预 测 计 算 ， 目前 一2 2 5 m 水 平 开 采 尚 属 安全 ， 并 可继续 向下 延深 直 到 一 2 2 5 r f l 一 7 7 m 一 3 0 2 m 一 3 0 0 m。 根 据 计 算 认 为 ， 本 矿 在 无 特殊 情 况 下 ， 如 陷 落 柱 、 奥灰 水直 接与 煤层 对接 等 ， 在一 3 0 0 r f l 水 平 上 采 煤基本 是 安全 的 。当然不 排 除 增 加排 水量 为手 裹 3 华北太水矿 区总体 分区最预 防措 施 临 界 1 ．下扶 O} 灰岩岩藩袭 障较发 育， 富永性强 ． 虽然煤 层与 Oz 阿 有 一 定 的 防护 层， 但 厚度 2 o m 或 更 少 2 ．工 作面 内有 构造 断 裂存 在 ． 成 为垂 向或侧向的导木通道 3 ．由于 O 富永 性强 ． 永压 高 ， 相 对 隔木层存在的作用碱 弱 4 ．Pa 峰 峰 矿 区 肥城 矿 区 邯郸矿区 邢台矿区 牛儿 庄 抒庄矿 云驾 嶂 矿 东庞矿 葛泉矿 1 ． 堵藏 以构造为连通 的进永 潭 2 ．加固煤 层底扳 3 ．改造 薄层灰岩 4 ．在 带压 开 采中宴 行 超前 钻 探， 井确定 O2 有无导升现象 5 ．大 工作 面 改小工 作 面， 使 应 力 分散 ， 有利于工作面回采 危 陆 1 下扶 O2 藏岩岩溶裂 晾发育 ． 富 永 性强 ， 木压 高 ， 构 造发 育 ， 术 文地质条件复杂 2 ．有一定 厚 度的 防护 屡， 但 受 构 造影响有垂直或侧 向导永现 象 存在 3 ．薄屡灰 岩与 O2 水 力联系 密切， 有断层作为导永通道 4 ．底板勘察地下 永有导升现象 5 ．地 下术 有 导高 ． 相对 隔 永层 失 去阻农 能力。 6 ． P 峰 峰 矿 区 肥 城 矿 区 焦作 矿区 邯郸矿区 通二 矿 五矿 三 矿 孙庄 矿 陶阳矿 檀马 庄 九里 山 中马村 王凤 矿 韩庄矿 1 ． 02 灰璜面下 1 0 ～1 2m有 O 水 位 ． 则 相 对 隔永 层 不 可 利 用 2 ．封堵 导永通道 ． 加 固底板 3 ．在高 永压区 ． 构 造薄弱带 ， 必须 改造底板或暂缓开采 4 ．留设一定的防水煤柱 5 ．建 立 有 抗 灾 能力 的排 木 设 施 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 第 2期 李京红 ， 王晓明 带压安奎开采预测模式及应用方法研究 3 7 段 的 防范 措 施 据 此 ， 可 带 压 开 采大 煤 和 二 煤 1 8 0 0万吨左 右 。 4 ． 1 ． 2 韩 城 马沟 渠 矿 包括 象 山 是 陕 西韩 城 矿 务 局下辖的一个矿。 其特点是 岩溶在空问分布上存在 明显 的非 均 一性 ； 奥灰 顶面 以下 1 0 ～3 0 m 之 问 最 大可达 6 0 m 普遍分布着“ 古风化充填带” ， 我们称 之为相对隔水层。马沟渠矿目前开采 l 1 号煤层 ， 主 要 受 奥灰水 的威 协 。 l 1 号煤 至 奥灰顶面 距 离 1 5 2 5 m 岩 性 以铝土 泥岩 砂岩 、 泥岩 为 主 ， 在全 区分 布稳 定 。采 用的计算 参数 如下 奥藏水位3 8 0mI 保 护层厚度1 9 ～2 5m 以 2 0m计 I 相对隔术层厚度1 0 ～2 0 m． 以 1 0 m计 I 现采术 平十3 1 0m； 底板导东破坏槔度1 0 m} 原 始 导 高0m 将 上述 数 值 代人 预测 模 式 ， 得 P 2 ． 6 9 MP s ， P 0 ． 6 9MP a ， 即 P ， 属 于安 全范 围 。 其 开采 可 延 深 深度 为 2 0 4 m， 也 就 是 说 ， 可 延 深 水 平 约 为 十 1 0 0 m。按此值， 利用保护层和相 对隔水 层带 压开 采 ， 可 解放 马 沟渠 矿 包 括象 山矿 u 号煤 水患 储 量 1 5 8 0万 吨左 右 。 4 ． 2 华北大水矿区的总体分区 根据华北典型太水矿区的实 际资料， 对各矿区 进 行 了带 压 开采 的 总 体分 区 ， 并提 出 了相 应 的防 治 措 施 表 3 。 5 结论 a ． 在焦作 、 峰峰 、 淄 博三个 矿 区用本文 所述 预 测 模 式 计算 并 与 以往 的 突水 实 例进 行 对 比， 符合 率 分 别 为 8 3 、 9 8 和 8 7 ， 这说 明该 预 测模 式对 矿 区 的带压 开采具 有指 导意 义 b ． 通过对 华北 典型 太水 矿 区水 文地质 条件 分 析， 依据预测模式对矿区延伸水平、 解决水患储量进 行 了预测 ， 并提 出 了带压 开采分 区和防治措 施 ， 这就 在宏 观上 对各 矿 区进行 了带 压开 采评 价。 参考文献 1 周万芳等 ．岩溶煤矿束防护层的防护敷应评价 ．中国岩藩 r 1 9 9 2‘ 1 ’ 收藕 日期1 9 9 6 0 5 2 8 s TUDY oN THE PREDI CTI oN M oDEL oF S AFETY M I NI NG UNDER PRES S URE AND I TS APPLI CATI oN M ETHoD L i J i n g h o n g Xi ’ a N Br a n c h o f CCRI W a n g Xi a o mi n g Xi ’ a n Mi n i n g I n s t i t u t e Ab s t r a c t Th r o u g h t h e a r ml y s i s o f p r a c t i c a l d a t a ， t h e ma i n f a c t o r s i n f l u e n c e d o n t h e wa t e r g u s h i n g o f s e a m fl o o r a r e s t u d i e d Ba s e d o n t h e p a r a me t e r s o b t a i n e d f r o m t h e e s t s ， t h e e v a l u a t i o n c r i t e r i a a n d p r e d i c t i o n mo d e l o f mi n i n g u nd e r wa t e r p r e s s u r e i n No r t h C h i n a a r e e s t a b l i s h e d， a nd t h e a p p l i c a t i o n me t h o d i s i l l u s t r a t e d wi t h e x a mp l e s ． F i n a l l y， t h e o v e r a l l d i v i s i o n o f t y p i c a l mi n i n g d i s t r i c t wi t h l a r g e wa t e r y i e l d i n No r t h C h i n a i s g i v e n， a n d t h e c o r r e s p o n d i n g c o n t r o l me a s u r e s a r e p r e s e n t e d ． Ke y wo r d s mi n i n g u n d e r wa t e r p r e s s u r e f l o o r ； wa t e r gu s h i n g； p r e d i c t i o n mo d e l “ 典 型 大 水 矿 区 水 文 地 质 信 息 管 理 系 统 研 究 ” 成果通过菇圾鉴定 请项 目走堞炭郝 下选的重点科研项 目， 由煤 炭科 学研 究 总 院西安分院水文所承担 ， 起止 时间为 l 9 9 3 ～ 1 9 9 5年 试 管 理 系兢 由数据库 管理 系统、 地质 建模 系统和绘 目系统 3郝分 组成 其主要特点走 a ． 集数 据库 蕾理 、 地 质建模与 蹬 固 系统 干一棒 ， 奕现 了事统的 高度集成化 ； b 系蜕琦 能齐全 ， 用户 可枉 据不同 目的选择 3种建模 工兵构成研究 目标 的空 闻模型， 可从 不 阿角度观察 目标 的三 堆曲面形 态， 井 以地 质建模技 术为基 础 ， 实现 从任 意方 向绘 制地盾 、 水文剐 面， 解决 了侍蜕绘 制方 法 中地层扩 展 以重任 意切剖面 的难题 c ． 系蜕的人机界 面采用多巍弹 出式幕单、 窗 口厦 简单 对话相 结合的方法 ， 显 示生动， 运竹快 速， 使 用方使 ， 易学， 易 用 ， 使 干现 场 使 用 ， 系蜕 于 1 9 9 6年 4月通 过煤 炭郝 科 教 司组 织 的往 术 鉴 定 ， 认 为试 成果属 国内领先水平。经在肥城和韩域矿 区试验 ， 效果 良好 ， 有推广应用价值 燃炭科学研究总腕西安分院 李信 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆