收稿日期:2009-04-14
作者简介:张平卿(1968—),男,河南方城人,高级工程师,工程硕士,2008年毕业于河南理工大学,现从事地测技术管理工作。
浅谈底板灰岩水的突水危险性分区
张平卿
(平顶山天安煤业股份有限公司,河南平顶山 467000)
摘要:华北型煤田防治水工作难度很大,多数煤矿水害事故都与灰岩水有着直接或间接的关系,借鉴煤层瓦斯突出危险性分区的做法,提出并介绍了灰岩水突水危险性分区概念,创立了一种新的防治水技术管理平台,对煤矿底板灰岩水防治工作具有较好的指导作用。关键词:底板灰岩水;突水危险性分区;威胁程度;水害防治
中图分类号:T D745 文献标识码:B 文章编号:1003-0506(2009)10-0102-02
1 问题提出
灰岩含水层是华北型煤田的主要充水含水层,
灰岩水是一煤、二煤开采的灾害性水源,多数煤矿水害事故都与灰岩水有着直接或间接的关系,灰岩水的防治效果直接关系到高产高效矿井建设和矿井安全。近年来,随着灰岩水防治意识的不断增强,防治技术水平的不断提升,防治水装备的不断加强,防治水规章制度的不断完善,灰岩水防治的效果也日益显现,灰岩水造成的事故也在逐年减少。但是如何从技术上实现灰岩水防治的精细化管理,是煤矿防治水工程技术人员一直探索的重要课题,突水危险性分区就是在这种背景下提出的。突水危险性分区对于区别煤层受灰岩水威胁程度、制定防治水措施、进行防治水技术管理都具有十分重要的意义。
平顶山矿区灰岩水防治实践奠定了底板灰岩水突水危险性分区的实践基础,突水系数理论、斯列沙辽夫公式和《煤矿安全规程》中有关承压水防治的规定奠定了突水危险性分区的理论基础。现根据煤层底板相对隔水层厚度、承受的水压大小,结合构造发育情况对带压开采煤层的突水危险性进行分区。
2 分区原则与依据
(1)矿井突水危险性分区以回采工作面突水系
数计算公式计算的突水系数值为划分依据;掘进工作面的突水危险性则以斯列沙辽夫公式计算的临界安全水压值为划分依据,其结果只作为评价开拓掘
进突水危险性的依据。
(2)有多层承压含水层时,分别评价各主要含水层的影响或威胁情况,以危险程度最大的含水层为标准进行突水危险性分区。
(3)《煤矿安全规程》也从侧面为分区提供了依据。《煤矿安全规程》规定:“承压含水层与开采煤层之间的隔水层能承受的水头值大于实际水头值时,可以带水压开采,但必须制订安全措施,报企业主要负责人审批”;“承压含水层与开采煤层之间的隔水层能承受的水头值小于实际水头值时,开采前必须采取下列措施,由企业主要负责人审批:①采取疏水降压的方法,把承压含水层的水头值降到隔水层能承受的安全水头值以下,并制订安全措施。②承压含水层不具备疏水降压条件时,必须采取建筑防水闸门、注浆加固底板、留设防水煤柱,增加抗灾强排能力等防水措施”。
(4)根据平顶山矿区各开采煤层受承压水威胁的实际情况,二(己组)煤以上的煤层因距离灰岩较远、相对隔水层厚度较大,不进行突水危险性分区。
3 突水危险性区域划分
3.1 矿井突水危险性分区
(1)非突水危险区。处在灰岩含水层水位以上
的区域,不存在底板灰岩的突水危险性。
(2)突水威胁区。处在灰岩含水层水位以下,正常地段底板隔水层能承受的水压值大于实际水压值(突水系数C p <011MPa /m ),但在断层附近或其他薄弱地段存在突水可能的区域。
(3)突水危险区。处在灰岩含水层水位以下,正常地段底板隔水层能承受的水压值小于或等于实际水压值的区域(C p ≥011MPa /m )。
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201?2009年第10期 中州煤炭 总第166期
3.2 掘进巷道突水危险性分类
(1)非突水危险掘进工作面。处在灰岩水位以上的开掘巷道,不存在底板灰岩的突水危险性。
(2)突水威胁掘进工作面。处在灰岩水位以下,正常地段底板隔水层能承受的水压值大于实际水压值,但在断层附近或其他薄弱地段存在突水可能的开掘巷道。
(3)突水危险掘进工作面。处在灰岩水位以下,正常地段底板隔水层能承受的水压值小于或等于实际水压值的开掘巷道,这类巷道具有突水危险性。
4 分区分类的说明
(1)回采与掘进分区的区别与联系。回采突水危险性分区能从宏观上、区域上体现开采煤层受灰岩水的威胁程度,而掘进突水危险性因受巷道的设计、布置层位、空间参数等因素影响较大,不能全面反映煤层受水威胁的整体情况,从这个意义上讲,回采突水危险性分区可以更全面地反映开采煤层的受水害威胁程度。处在同一位置的回采工作面的安全水压值与巷道掘进的安全水压值一般相差较大,显示的安全程度不同,不能互相代替,所以巷道掘进必须单独计算其安全水压值,只作为评价掘进巷道突水危险性的依据。
(2)突水威胁与突水危险的界限。从分类的依据可以看出,突水威胁与突水危险只局限于完整地段,因突水威胁区中存在的“断层附近或其他薄弱地段”不易提前获知,需要在实际工作中超前探查,所以无法将上述地段从突水威胁区中剔除而并入突水危险区,这也是突水威胁区仍然存在突水可能的原因。
5 水害防治原则
5.1 突水威胁区
(1)掘进过程中必须严格执行超前探断层或其他导水通道措施,“物探先行、钻探验证”,根据验证结果采取针对性的防治措施。
(2)回采前必须查明煤层底板可能存在的承压水导升带,存在承压水导升带时必须采取疏水降压或局部注浆加固底板的措施。
5.2 突水危险区
突水危险区应先治理、后掘进。治理坚持以区域治理为主、局部治理为辅的原则,目的是将突水危险区转变为非突水危险区或突水威胁区。①采取疏水降压方法时,先把承压含水层的水头降至安全水头以下,开掘过程中采取突水威胁区的防治水措施。
②不具备疏水降压条件时,必须采取建筑防水闸门、注浆加固底板、留设防水煤柱、增加抗灾强排能力等防水措施。
6 突水危险性分区的意义
6.1 便于结合煤层受灰岩水的威胁程度区别开采
煤层受灰岩水威胁的情况错综复杂,不同煤层、同一煤层的不同部位在隔水层、构造、水压、含水层水力联系等因素的共同影响下,呈现出不同的受水威胁情况,进行突水危险性分区后,可以较为方便地掌握开采区域的受水威胁情况。如可在采掘工程平面图或充水性图上构列出各区的界线,随时了解采掘工作面所处的区域。
6.2 便于防治水技术管理
实行突水危险性分区后,煤层的突水危险程度在图纸上一目了然,在编制采掘计划时可以一并考虑防治水技术措施;同时,业务保安、技术管理部门和安全监察、行业监管部门在检查指导防治水工作时,也更具针对性。
6.3 便于采取不同的防治水措施
进行突水危险性分区后,各区的防治水工作可以按相应区域的措施执行,便于程序化、规范化操作。
7 结语
突水危险性分区是工作经验和理论探索的提炼,目前还存在基础较为薄弱、划分依据尚需推敲的的问题,如何在以后的实际工作中完善和发展,还需要做大量的工作,希望与防治水方面的工程技术人员在实际工作中加强交流,不断完善突水危险性分区,更好地为防治水工作服务。
(责任编辑:刘光雨)
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2009年第10期 张平卿:浅谈底板灰岩水的突水危险性分区 总第166期
收稿日期:2009-04-14 作者简介:张平卿(1968—),男,河南方城人,高级工程师,工程硕士,2008年毕业于河南理工大学,现从事地测技术管理工作。 浅谈底板灰岩水的突水危险性分区 张平卿 (平顶山天安煤业股份有限公司,河南平顶山 467000) 摘要:华北型煤田防治水工作难度很大,多数煤矿水害事故都与灰岩水有着直接或间接的关系,借鉴煤层瓦斯突出危险性分区的做法,提出并介绍了灰岩水突水危险性分区概念,创立了一种新的防治水技术管理平台,对煤矿底板灰岩水防治工作具有较好的指导作用。关键词:底板灰岩水;突水危险性分区;威胁程度;水害防治 中图分类号:T D745 文献标识码:B 文章编号:1003-0506(2009)10-0102-02 1 问题提出 灰岩含水层是华北型煤田的主要充水含水层, 灰岩水是一煤、二煤开采的灾害性水源,多数煤矿水害事故都与灰岩水有着直接或间接的关系,灰岩水的防治效果直接关系到高产高效矿井建设和矿井安全。近年来,随着灰岩水防治意识的不断增强,防治技术水平的不断提升,防治水装备的不断加强,防治水规章制度的不断完善,灰岩水防治的效果也日益显现,灰岩水造成的事故也在逐年减少。但是如何从技术上实现灰岩水防治的精细化管理,是煤矿防治水工程技术人员一直探索的重要课题,突水危险性分区就是在这种背景下提出的。突水危险性分区对于区别煤层受灰岩水威胁程度、制定防治水措施、进行防治水技术管理都具有十分重要的意义。 平顶山矿区灰岩水防治实践奠定了底板灰岩水突水危险性分区的实践基础,突水系数理论、斯列沙辽夫公式和《煤矿安全规程》中有关承压水防治的规定奠定了突水危险性分区的理论基础。现根据煤层底板相对隔水层厚度、承受的水压大小,结合构造发育情况对带压开采煤层的突水危险性进行分区。 2 分区原则与依据 (1)矿井突水危险性分区以回采工作面突水系 数计算公式计算的突水系数值为划分依据;掘进工作面的突水危险性则以斯列沙辽夫公式计算的临界安全水压值为划分依据,其结果只作为评价开拓掘 进突水危险性的依据。 (2)有多层承压含水层时,分别评价各主要含水层的影响或威胁情况,以危险程度最大的含水层为标准进行突水危险性分区。 (3)《煤矿安全规程》也从侧面为分区提供了依据。《煤矿安全规程》规定:“承压含水层与开采煤层之间的隔水层能承受的水头值大于实际水头值时,可以带水压开采,但必须制订安全措施,报企业主要负责人审批”;“承压含水层与开采煤层之间的隔水层能承受的水头值小于实际水头值时,开采前必须采取下列措施,由企业主要负责人审批:①采取疏水降压的方法,把承压含水层的水头值降到隔水层能承受的安全水头值以下,并制订安全措施。②承压含水层不具备疏水降压条件时,必须采取建筑防水闸门、注浆加固底板、留设防水煤柱,增加抗灾强排能力等防水措施”。 (4)根据平顶山矿区各开采煤层受承压水威胁的实际情况,二(己组)煤以上的煤层因距离灰岩较远、相对隔水层厚度较大,不进行突水危险性分区。 3 突水危险性区域划分 3.1 矿井突水危险性分区 (1)非突水危险区。处在灰岩含水层水位以上 的区域,不存在底板灰岩的突水危险性。 (2)突水威胁区。处在灰岩含水层水位以下,正常地段底板隔水层能承受的水压值大于实际水压值(突水系数C p <011MPa /m ),但在断层附近或其他薄弱地段存在突水可能的区域。 (3)突水危险区。处在灰岩含水层水位以下,正常地段底板隔水层能承受的水压值小于或等于实际水压值的区域(C p ≥011MPa /m )。 ? 201?2009年第10期 中州煤炭 总第166期
附录 A （资料性附录） 突水危险性评价方法 A.1 顶板突水危险性评价 A.1.1 导水裂缝带法 A.1.1.1 一般经验公式 导水裂缝带高度应当依据开采区域的地质采矿条件和实测数据分析确定；对于无实测数据的，可参考类似地质采矿条件矿井的实测数据、水体下开采成功经验或者依据表C.1的公式计算。近距离煤层的导水裂缝带高度的计算，必须考虑上、下煤层开采的综合影响。 表A.1 厚煤层分层开采的导水裂缝带高度计算公式 A.1.1.2 综采放顶条件 综采放顶条件下导水裂缝带高度可采用表C.2的公式计算。 表A.2 综采放顶条件下导水裂缝带高度计算公式 单位为米 表C.2 综采放顶条件下导水裂缝带高度计算公式(续)
A.1.1.3 导水裂缝带法危险评价分区的建议 导水裂缝带法进行危险评价时，建议采用如下分区： a) 安全区：导水裂缝带最大高度加上保护层厚度的标高小于顶板直接充水含水层底板 标高； b) 过渡区：导水裂缝带最大高度加上保护层厚度的标高大于顶板直接充水含水层底板 标高，导水裂缝带最大高度的标高小于顶板直接充水含水层底板标高； c) 危险区：导水裂缝带最大高度的标高大于顶板直接充水含水层底板标高；根据顶板 直接充水含水层的富水性或单位面积静涌水量分为3个等级： 1) 一般危险区：q ≤0.01或Q 单静j ≤5 2) 中等危险区:0.01＜q ≤0.1或5＜Q 单静j ≤10 3) 高危险区: q ＞0.1或Q 单静j ＞10 d) j 单元单位面积静涌水量（Q 单静j 静）采用式（C.1）计算： Q ij ij H μ=∑n 单静j i=1 ................................... (A.1) 式中：Q 单静j —j 单元单位面积静涌水量； n —直接充水含水层层数； μ—给水度； H —顶板直接充水含水层厚度，单位为米（m ）。 A.1.2 三图双预测法 “三图”是指通过多元信息的空间分析生成矿层顶板冒裂安全性分区图、顶板充水含水层富水性分区图和顶板涌（突）水条件综合分区图；“双预测”是指在天然和人为改造状态下的回采工作面分段和整体工程涌水量预测。其中： a) 顶板冒裂安全性分区图是通过矿层回采过程中诱发的顶板导水裂缝带加保护层总 高度与上覆充水水源之间关系的空间分析图。导水裂缝带发育总高度一般可采用经验统计公式和数值模拟计算评价以及现场实测等方法确定。 b) 顶板充水含水层富水性分区图是反映含水层富水性的多元信息（一般有含水层厚度 和岩性、地质构造分布特征、水文地质参数、单位涌水量、采取率、冲洗液消耗量、水化学特征、地球物理勘探成果等）空间分析成果图。 c) 顶板涌（突）水条件综合分区图是由顶板冒裂安全性分区图与顶板充水含水层富水 性分区图空间分析成果图。 d) 天然和人为改造状态下的回采工作面分段和整体工程涌水量预测是根据研究矿井 具体的充水水文地质物理概念模型，建立地下水流系统的三维数值模拟模型，在反
附录 A （资料性附录） 涌（突）水危险性评价 A.1 顶板涌（突）水危险性评价的“三图双预测法” A.1.1 三图双预测法 “三图双预测法”是一种解决矿井顶板充水水源、通道和强度三大关键技术问题的顶板涌（突）水预测评价方法。“三图”是指矿层顶板冒裂安全性分区图、顶板充水含水层富水性分区图和顶板涌（突）水条件综合分区图；“双预测”是指在天然和人为改造状态下的回采工作面分段和整体工程涌水量预测。 A.1.2 顶板冒裂安全性分区图 顶板冒裂安全性分区图是指矿层回采过程中诱发的顶板导水裂缝带加保护层总高度与矿层至含水层之间覆岩厚度之差图，它是矿层回采过程中顶板突水灾害发生的前提。顶板导水裂缝带发育总高度受控因素多，具有非常复杂的非线性特征，除了受控于矿层覆岩岩性组合、塑与脆性岩沉积厚度比值和其沉积位置、倾角和构造条件以及原岩地应力分布等自然影响因素外，开采工艺、采高和工作面斜长以及具体的顶板管理方式等人为影响因素也同等重要地控制其发育总高度。导水裂缝带发育总高度一般可采用经验统计公式和数值模拟计算评价以及现场实测等方法确定。 A.1.3 充水含水层富水性分区图 充水含水层富水性分区图可通过影响控制含水层富水程度的厚度和岩性、地质构造、渗透特性、单位涌水量、钻孔岩芯描述和采取率、冲洗液消耗量、抽（放）水试验和井下涌（突）水形成的地下水流场分析、地下水水化学场和地球物理勘探场分析等资料，根据多源信息复合原理，应用叠加功能编制形成。 A.1.4 顶板涌（突）水条件综合分区图 顶板涌（突）水条件综合分区图是应用GIS的多源信息复合叠加功能，将前述的矿层顶板冒裂安全性分区图与顶板充水含水层富水性分区图复合叠加处理后编制而成。 A.1.5 天然和人为改造状态下的回采工作面分段和整体工程涌水量预测 天然和人为改造状态下的回采工作面分段和整体工程涌水量预测是根据研究矿井具体的充水水文地质物理概念模型，建立地下水流系统的三维数值模拟模型，在反演识别基础上，根据回采工作面周期来压步骤，分别预测在天然和人为改造两种不同状态下的回采工作面分段和整体工程涌水量。 A.2 底板涌（突）水危险性评价的“脆弱性指数法” A.2.1 根据对矿井充水水文地质条件分析，建立煤层底板突水的水文地质物理概念模型。 A.2.2 确定煤层底板突水主控因素。 A.2.3 采集收集各突水主控因素基础数据，并进行归一化无量纲分析和处理。