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老公营子煤矿煤层顶板突水机理

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第43卷 第4期 煤田地质与勘探Vol. 43 No.42015年8月 COAL GEOLOGY & EXPLORA TION Aug . 2015收稿日期: 2014-09-28基金项目: “十二五”国家科技支撑计划课题(2012BAC10B03)；中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金(2014MS012) 作者简介:张雁(1983—)，男，河南郑州人，从事矿井防治水工作. E-mail ：zhangyan@引用格式: 张雁. 老公营子煤矿煤层顶板突水机理[J]. 煤田地质与勘探，2015，43(4)：59–62.文章编号: 1001-1986(2015)04-0059-04老公营子煤矿煤层顶板突水机理张 雁(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)摘要: 为探查内蒙古平庄煤业(集团)有限责任公司老公营子煤矿03(2)Ⅰ工作面突水机理，从工作面涌(突)水量、含水层地下水位、突水点水质3个参数的动态变化判别了突水水源，认为第四系含水层水的参与使矿井涌水量变大而引发突水；从导水裂缝带发育高度、有效隔水层性质、基岩风化带厚度3方面分析了导水通道的形成过程，认为由导水裂缝带、顶板含水层水压作用下的渗流通道和基岩风化带组成的复合导水通道是突水发生的原因。

揭示了煤层顶板突水是在特定地质、采矿条件下发生的一个动态变化过程，导水裂缝带是否波及主要充水含水层并非突水是否发生的唯一判据。

关 键 词：顶板突水；导水裂缝带；基岩风化带；有效隔水层；复合导水通道；突水机理 中图分类号：P641.4 文献标识码：A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.04.013Mechanism of water inrush in roof in Laogongyingzi mineZHANG Yan(Xi ′an Research Institute , China Coal Technology and Engineering Group Corp , Xi ′an 710077, China )Abstract: In order to identify the water inrush mechanism in working face Laogongyingzi I03 (2), the water inrush source was analyzed from water quantity, water table changes and water quality, it is thought that the Quaternary aquifer water made water inflow greater that cause water inrush. From the height of water-flowing fractured zone, the thickness of weathering zone and the nature of effective water-resisting layer, the water inrush channel forma-tion process was analyzed, and it is the composite channel composed by water-flowing fractured zone, seepage channel formed by roof water pressure and weathering zone. It is revealed that water inrush is a dynamic change process which occurs under the specific geological and mining conditions.Key words: water inrush in roof; water-flowing fractured zone; weathering zone of bed rock; effective water-resistinglayer; composite water channel; water inrush mechanism近年来，随着煤矿向深部延伸开采，矿井顶板水害事故频繁发生。

一般情况下，顶板水害是由于采矿活动产生的导水裂缝带[1-3]沟通煤层上覆主要充水含水层，导致含水层水涌入矿井而造成灾害或恶化工作面工作条件。

然而，近年来发生的多起矿井顶板突水事故[4-5]并非完全如此，当实测导水裂缝带发育高度尚未波及到上覆主要充水含水层时，突水依然发生。

本文以内蒙古平庄煤业(集团)有限责任公司老公营子煤矿03(2)Ⅰ工作面突水为例，探讨其煤层顶板突水机理，以期为类似的矿井突水提供参考。

1 工作面开采条件及突水过程[6-7]老公营子煤矿位于元宝山煤田中部，与元宝山露天井田毗邻。

矿井地面标高平均+482 m ，开采上限标高+350 m 。

开采煤层属侏罗系上统阜新组元宝山段，煤系均被新生界松散层覆盖，盖层厚度约为72 m ，分为3个含水层，分别为第四系砂砾层，厚度14~46.2 m ；第四系玄武岩承压含水层，厚度0~18.6 m ；第四系孔隙承压含水层，厚度10~30 m 。

孔隙承压含水层水位+452 m ，单位涌水量(q ) 1.365~ 1.433 L/(s·m)，渗透系数(K )16.706~17.378 m/d ，富水性强。

由于新近系和白垩系孙家湾组砾岩层缺失，使松散层底部的第四系孔隙承压含水层直接覆盖在含煤地层之上，基岩顶部发育约8 m 厚风化带。

3煤开采直接充水水源为煤层顶板侏罗系砂岩裂隙水，厚约23.70 m ，单位涌水量q 为0.069 7 L/(s·m)，·60 ·煤田地质与勘探第43卷渗透系数K为0.166 6 m/d，为弱富水含水层，开采条件见图1。

从区域水文地质条件分析，矿井位于英金河冲积平原，第四系含水层水量丰富。

基岩含水层与第四系底界之间有多层泥岩类地层相隔，二者之间不存在天然水力联系。

图1 Ⅰ03(2)工作面开采条件示意Fig.1 Mining conditions of working faceⅠ03(2)老公营子煤矿在回采03(2)Ⅰ工作面之前，已实现最小基岩柱垂高99 m，采高2.5 m条件下的安全回采。

03(2)Ⅰ工作面长1 574 m，宽196 m，平均煤厚3.5 m，倾角7°，为矿井第4个工作面，采用综采一次采全高方法开采，工作面推进至距离开切眼51 m和166 m时曾出现两次较大突水，最大突水量分别为400 m3/h和760 m3/h，与此对应的基岩柱垂高分别为64 m和71 m。

突水时间长且水量稳定，无明显衰减现象。

因突水量较大，工作面在留设400 m煤柱后重新掘进开切眼，最小基岩柱垂高102 m，工作面涌水量增加不明显，实现了工作面的安全回采。

2 突水原因分析2.1 突水水源分析2.1.1 涌(突)水量变化工作面两次突水时间分别为2009年3月18日和4月18日，突水前后工作面涌(突)水量及变化趋势见图2和表1。

工作面回采之前，采用“大井法”计算了3煤顶板砂岩裂隙水涌水量以及第四系孔隙承压含水层涌水量，分别为81 m3/h和735 m3/h。

由图表分析可知，工作面突水之前，矿井正常涌水量约100 m3/h，与计算3煤顶板砂岩裂隙水涌水量基本相符，此阶段涌水水源应为3煤顶板砂岩裂隙水。

第一次突水发生后，突水量最大为400 m3/h，第二次突水后，突水量最大图2 2009年Ⅰ03(2)工作面突水前后涌(突)水量变化趋势Fig.2 Water inflow change trend of working faceⅠ03(2)表1 03Ⅰ(2)工作面涌(突)水量统计表Table1 Water inflow statistics of working face03Ⅰ(2)日期涌(突)水量/(m3·h–1)日期涌(突)水量/(m3·h–1) 2009-02-15 98 2009-04-18 491 2009-03-10 103 2009-04-19 760 2009-03-18 138 2009-04-20 473 2009-03-19 194 2009-04-21 474 2009-03-20 323 2009-04-22 473 2009-03-21 387 2009-04-23 444 2009-03-22 400 2009-04-25 408 2009-03-23 347 2009-05-01 407 2009-03-24 331 2009-06-01 430 2009-03-25 317 2009-07-01 416 2009-04-04 312 2009-08-01 400 2009-04-14 325 2009-09-01 414 为760 m3/h，与计算第四系孔隙承压含水层涌水量基本相符，且第二次突水后涌水量长期保持在340~400 m3/h，仅由3煤顶板砂岩裂隙水不能提供如此大的突水量，说明有第四系含水层水的参与。

2.1.2地下水位动态分析03(2)Ⅰ工作面第一次突水后，第四系水文长观孔观1、观2、观3的水位在4月8日至4月16日期间分别下降了0.116 m、0.189 m、0.010 m；工作面第二次突水后，3个钻孔水位在4月18日至5月4日期间分别下降了0.574 m、0.581 m、0.563 m，见图3。

第四系含水层水位的下降表明第四系含水层水参与了突水过程，第二次突水后水位降幅大于第一次突水，说明突水量增加引起了更大的水位降深。

2.1.3水质变化分析老公营子煤矿第四系水质类型为H C O3— Ca·Mg或HCO3—Ca·Na，而3煤顶板侏罗系砂岩裂隙水的水质类型为HCO3—Na型，两者水质差别明显。

工作面突水后分别取了多个第四系孔隙承压含水层水样和突水点水样进行水质化验，分析结果发现，随着涌水时间的延续，突水点水样中Na+含量第4期张雁: 老公营子煤矿煤层顶板突水机理 · 61 ·图3 水文长观孔与突水位置关系示意图(单位：m)Fig.3 Positional relation between hydrological observationholes and water inrush location逐渐降低，而Ca 2+和Mg 2+含量逐渐增加，且总矿化度与第四系孔隙承压含水层水接近(表2)，说明工作面突水过程中，第四系含水层水的比例在逐渐增加。

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矿井突水及其处理

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单吸多级卧式离心泵单吸多级卧式离心泵产品概述： D型泵系单 吸多级分段式卧式离心泵，是在老产品DA型泵基 础上大胆改进结构并采用先进的水力模型设计而 成的高效节能更新换代产品，全部取代老DA型泵， 根据输入介质、温度派生出DG、MD、DF系列泵。 性能范围： 流量：6.3-800m3/h 扬程： 17.50-1124m 主要用途： D型泵供输送清水 或物理化学性质类似于清水的其它液体之用。介 质温度不大于80℃，它适用于矿山排水和工厂、 城市建筑供水，远距离输水等场合。 DG型泵 供输送清水或物理化学性质类似于清水的其它液 体之用。介质温度不大于105℃，适用于小型锅炉 给水...

（4）、煤层或岩层中有“吱吱”水叫声。 （5）、巷道壁或矿层壁“挂红”，水的 酸度大、味发涩、有臭鸡蛋气味。
矿井突水防治
一、地表水综合治理

地表水综合治理是指在地面修筑防排水 工程，填堵塌陷区、洼地和采取隔水防渗 等措施，防止或减少地表水大量流入矿井， 同时坚持矿井防治水与农田水利建设相结 合、地表水与井下工程相结合、多种防水 方法相结合的综合防治水措施。

一般情况下，在断层交叉复合部位、尖灭 端、拐弯处、向斜轴部、转折端及隐伏裂 隙存在的工作面因应力集中，易造成底板 破坏突水，是预防的重点．

隔水层和防水层 隔水层对突水起阻挡作用，其阻水能力是由其 厚度、岩性组合及力学强度决定的．厚度越大， 越不易出水． 含水层的富水性及水压对工作面底板突水具有 重要作用．含水层的富水性是突水大小的物质基 础，它决定着突水后水害的规模及对矿井的威胁 程度．富水性与其岩溶裂隙发育程度、迳流条件、 构造发育情况及埋藏深度等因素有关．




二、排水恢复期的安全措施 （1）、保持良好的通风，经常检查气体 含量。 （2）、严禁在井筒内或井口附近使用明 火灯或其他火源，以防止井下瓦斯突然大 量涌出时引起瓦斯爆炸。 （3）、在井筒内安装排水管或进行其 他工作的人员都必须佩带安全带和自救器。 （4）、在修复井巷时，应特别注意防 止发生冒顶与坠井事故。
综放开采条件下煤层顶板涌(突)水危险性评价

综放开采条件下煤层顶板涌(突)水危险性评价

综放开采条件下煤层顶板涌（突）水危险性评价煤层顶板涌（突）水是煤炭开采中常见的一种危险现象。

综放采煤是一种挖掘煤炭并将其运出地下的深部开采方式，其开采条件更加复杂，顶板涌（突）水危险性不容忽视。

本文旨在通过对综放开采条件下煤层顶板涌（突）水的危险性评价，探讨煤层顶板涌（突）水的成因及其预防措施。

一、煤层顶板涌（突）水的成因（1）煤层顶板开采导致的应力破坏：煤层开采后，矿井顶板会失去支撑，形成大面积的坑道，使得上覆岩石承受更大的压力。

当岩石强度不足以承受这种压力时，就会出现顶板破坏，使得水从破裂的岩石中渗流或涌出。

（2）煤层顶板病害导致的渗透性增加：煤层顶板常常存在天然裂隙和病害（如节理、弯曲等），在开采过程中，这些病害会受到压力的影响而进一步扩展，形成贯通的渗透通道，导致顶板涌水。

（3）煤层顶板下方的水源：地下水的来源有很多种，包括降水和地下水。

当煤层开采达到一定深度时，水流动的方向可能会受到煤层结构和地质条件的影响。

这些条件可能导致煤层下方的地下水被压入煤层中，从而导致煤层顶板涌水。

在综放开采中，由于开采过程中的挖掘和支护会扰动煤层和岩石，从而导致煤层顶板涌（突）水的危险性增加。

以下是综放开采条件下煤层顶板涌（突）水的危险性评价指标：（1）煤层性质：不同煤层的孔隙度、渗透性、韧性等差异很大，直接影响煤层顶板涌（突）水的危险性。

（2）煤层结构：煤层的夹层、倾角、垂深等结构特征会影响周围岩石的受力状况，从而影响岩石变形和煤层顶板涌（突）水的危险性。

（3）水文地质条件：煤层顶板下方岩层的渗透性、地下水位高度、地下水流速、重力场等水文地质条件会直接影响煤层顶板涌（突）水的发生。

（4）开采方式：综放开采方式的不同会影响切割和支护的质量，从而直接影响煤层顶板涌（突）水的危险性。

（5）瓦斯含量：瓦斯的存在会增加岩石的渗透性，从而影响岩石的稳定性和煤层顶板涌（突）水的危险性。

三、预防措施为有效预防综放开采条件下煤层顶板涌（突）水的发生，需要采取以下预防措施：（1）完善煤层顶板支护：合理设计支护方案、加强固定、补强开采工作面，以提高煤层顶板的承载能力和稳定性。

煤矿突水灾害的防治

煤矿突水灾害的防治

煤矿突水灾害的防治煤矿突水灾害是矿井生产中常见的一种灾害，它不仅会造成矿井设备的损坏，而且会给矿工带来生命危险，因此防治煤矿突水灾害是十分重要的。

本文将介绍煤矿突水灾害的成因、防治措施以及几点建议。

一、煤矿突水灾害的成因煤矿突水灾害是由于地下水体突然破裂或者开采工作引起水流翻涌而导致的，具体可以分为以下几种原因：1.地质因素。

地下水体规模较大，流动性强，当地质结构不稳定或矿区基岩含水量较高时，地下水就容易破裂。

特别是在低洼地区，洞穴较多的矿区，地下水特别容易涌入矿井。

2.自然灾害。

如降雨、地震等自然灾害使矿井地面或底部的断裂带发生位移，导致开采区域内的地下水流向井下。

3.人为因素。

矿井设备、设施维护不好会导致水管破裂和设备损坏，同时施工粗糙也会引起地层的变化，进而引起突水灾害。

二、防治煤矿突水灾害的措施1.加强矿山水文地质勘探。

通过对矿山底下和周边水文地质环境的深入探究，可以掌握矿山水文地质特征、流动性，综合判断突水灾害的可能性，早期预防矿山突水灾害。

2.矿山排水系统建设。

建立合理完善的排水系统，包括矿山废水排放系统、抽水系统、管道系统、水泵控制系统等，随时控制、监测水位变化，做到时刻掌握矿山水文地质状况。

3.合理的矿山开采设计。

在矿山设计的时候，需要结合矿山水文地质特征以及采掘方向，制定合理的开采方案，尽量减少地下水的涌入，从根本上预防突水灾害。

4.灾害预警体系建设。

通过观测井水位、测量井下温度、水压力等参数，建立水文监测网络，构建井下智能煤矿监控系统，24小时实时监测煤矿地质环境，及时预警、快速处置。

三、建议1.煤矿企业应该完善人员培训制度。

对矿工进行必要的突水灾害风险知识、急救救援知识和自我防护知识的教育和培训，增强自身的防突水意识和应急处理能力。

2.政府应该强化对煤矿企业的监管力度，对于蓄意违规施工或私自改变开采方向的企业，严格处罚，以达到维护矿工安全生产的目的。

3.在实施防治措施的过程中，要加强煤矿企业与科研机构、专家学者的合作，借助现代科技手段，如大数据、人工智能等，为煤矿突水灾害的防治提供更加科学有效的技术支撑。

浅析煤层底板隔水层突水形成机理分析

浅析煤层底板隔水层突水形成机理分析

浅析煤层底板隔水层突水形成机理分析【摘要】近年来，随着浅部煤炭资源的日益枯竭，煤矿深不断增加，底板突水问题受到越来越多的学者重视，关于底板突水的机理，提出过多种理论及假说，具有代表性的有：“下四带”理论，突变理论，底板关键层理论。

目前，关于底板导升破坏带高度的研究主要通过现场观测、经验公式获得，尚未进行理论推导。

为此，笔者运用材料力学理论确定了在承压水作用下，采场隔水层底界面由压缩区向卸压膨胀区过渡的岩体最易发生损伤破坏，且随着工作面的推进，损伤程度不断加剧。

当损伤因子达到损伤变量的临界值Dc时产生细微裂隙。

运用断裂力学理论建立断裂力学模型，并分析其在水压及矿山压共同作用下的应力强度因子。

最后，从损伤断裂能量的角度分析确定了隔水层易破坏区域形成初始宏观裂纹的损伤断裂能量释放率计算公式，并对初始宏观裂纹损伤断裂能量释放率与其各影响参数的关系进行了分析，为进一步研究底板突水提供了理论依据。

【关键词】煤层底板；隔水层；力学负荷；断裂；结论1 底板隔水层承压水导升力学模型1.1 底板隔水层力学分析工作面自开切眼到老顶初次断裂的过程中，采空区范围不断扩大，采空区内底板岩体处于卸压状态，此时可以将底板隔水层简化为板模型进行力学分析。

并且根据弹塑性理论可以认为板上的载荷沿着短跨方向传递到支撑边界上，单向板可近似地作为梁进行处理。

首先对底板隔水层作如下假定：将底板隔水层简化为两端固支的平面应变梁；取梁为单位宽度；底板采动破坏带不具备承载能力；忽略底板承压水对底板岩体的渗流破坏作用及腐蚀软化作用。

在正常的地质和开采条件下，多数工作面的底板突水发生在老顶初次来压和周期来压期间。

假定煤层开采之前，岩体内的裂隙是闭合的，随着煤层的开挖，底板隔水层处于卸压状态。

将底板隔水层简化为弹性梁，在老顶未达到初次断裂时，建立底板隔水层力学模型，如图1所示。

1.2 底板隔水层损伤机理分析岩石材料是经过长时间地质作用形成的一种天然产物。