采煤工作面底板突水灾害发生的采掘扰动力学机制
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科技信息水害是影响矿井安全生产的主要因素之一,为保证煤层的正常开采,在煤层开采之前对煤矿开采区内进行水文地质勘探,查明煤层顶、底板围岩的富水情况,采空区的积水情况和主要断层的含水及导水性等问题具有十分重要的意义。
一、突水原因分析采掘过程中,造成底板突水的因素是多方面的,是多种因素综台作用的结果。
根据现场实际观测及有关理论分析,笔者认为影响底板突水的因素主要有以下几个方面:1、矿压采矿过程中的矿山压力,对工作面底板具有严重的破坏作用,产生新裂隙,并“活化”原有断裂,导致底板突水。
随着采煤工面的推进,底板任一断面总是经历超前支撑压力压缩破坏,采后悬顶卸压膨胀破坏,采空区周边剪切破坏,最后顶板冒落压实的再受压过程。
矿压对底板的破坏程度是不一样的,其中采空区卸压膨胀及其周边剪切对底板破坏最严重,产生的裂隙最多。
工作面初压及周期来压时顶板悬顶面积最大,工作面周围煤体的支撑压力及煤壁处的剪切力达到最大值,煤层底板最易造成破坏,底板最易突水。
因此,突水点多在初压及周压地段或煤壁处。
2、断裂断裂构造是突水的主要因素之一,综台分析其作用主要有:(1)断裂构造的存在破坏了底板完整性,降低了底板的强度。
(2)断层上下两盘错动的结果,缩短了煤层与含水层的距离,甚至使煤层与含水层直接对口。
(3)断裂带破碎、软弱,易形成导水通道。
(4)断层带充水成为充水带,更使水文地质条件复杂化。
3、隔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。
其岩性组合及力学强度是控制底板岩层受采动影响的重要因素。
当煤层底板岩软硬相间时,不易形成裂隙;当底板岩层自近(煤层)而远,强度由弱到强时,岩层间易形成采动裂隙。
煤层到底板含水层之间的距离由采矿破坏深度、有效隔水层厚度及导高三部分组成。
起阻水作用的主要是有效隔水层厚度。
如果矿压对底板破坏深度大,导高又大,则有效塥水层厚度相对减小,工作面底板就容易出水。
煤矿顶板离层水害形成机制、致灾机理及防治技术摘要:顶板离层水害对煤炭生产的威胁日益增大,已成为近年来矿井水害防治的研究热点。
本文详细分析了煤矿顶板离层水害形成机制、致灾机理及防治方法。
关键词:离层水害;致灾机理;防治方法离层水是指煤层开采后顶板覆岩不均匀变形破坏形成的离层空腔积水。
当前,遭受离层水害的矿井分布范围广,涉及的开采煤系齐全,不同煤矿离层水形成条件和影响因素、致灾成因、水害强度等存在差异,由此可见离层水害问题的复杂性。
一、覆岩离层水形成机制1、可积水离层。
发育在导水裂隙带上的离层才能满足积水条件。
采场顶板离层按其持续稳定时间、最大离层量、富水性可分为裂隙型及空腔型,其中,“空腔型”离层具有离层空间大、稳定时间长、富水性和渗水性强特点,是造成离层水水害的主要离层类型。
其主要形成于软硬互层结构地层中,集中发育于厚硬岩层底部;此外,煤层采厚越大,越易形成“空腔型”离层。
2、离层周围存在补给水源。
离层达到“封闭”可积水条件后,只有在相邻含水层补给时,才能形成离层水体。
天然含水层的富水性决定了采动离层空间中积水强度,进而影响离层涌突水强度。
3、离层空间持续时间足够长。
离层发育是一个动态过程,随着采煤工作面不断推进,采空区面积逐渐增大,离层空间逐渐扩大;当离层空间发育到极限时,即当离层空间上伏岩层达到极限破断距时,其上覆岩层发生断裂并整体下沉,离层空间会迅速缩小甚至闭合,上述过程所经历的时间即是离层空间持续时间,其持续时间越长,则充水时间越长、积水水量越大。
二、煤层覆岩离层水害致灾机理1、多煤层叠加开采下离层水害形成机制。
在近距离煤层叠加开采条件下,煤层后期开采会重复扰动煤层顶板覆岩,导致顶板覆岩破坏加剧,导水裂隙带抬高,最终在离层空间与下伏采场形成导水通道,引起离层水害。
根据覆岩工程地质条件、导水通道形成原因、突水特征等,可将其分为两类。
①重复扰动突水。
离层突水致灾机理为:煤层开采初期,离层空间位于导水裂隙带上方,处于稳定状态;在后期采煤重复扰动下,导水裂缝突破隔水层,形成导水通道,导致离层突水。
煤层底板突水理论现状研究我国的煤炭资源的开采受水害威胁严重,尤其是随着开采深度、开采强度、开采速度、开采规模的增加和扩大,来自底部灰岩发育的裂隙岩溶高承压水的威胁日趋严重,煤层底板在采动的影响下其破坏也日趋加剧,许多矿井突水事故与之密切相关。
矿井突水机制是一个涉及采矿工程、工程地质、水文地质、岩体力学、岩体水力学、渗流力学等多门学科的理论课题,弄清楚突水理论机制对于防范底板突水以及底板岩层控制与管理具有重要的理论意义和实际应用价值。
2.底板突水理论研究2.1底板相对隔水层[1]早在20世纪初,欧洲的一些学者就注意到煤矿开采过程中底板隔水层的作用,并从若干次底板突水资料中认识到,只要煤层底板有隔水层,突水次数就少,突水量也小,隔水层越厚则突水次数及突水量越少。
20世纪40年代至50年代,匈牙利韦格弗伦斯第一次提出“底板相对隔水层”的概念。
他指出,煤层底板突水不仅与隔水层厚度有关,而且还与水压力有关。
突水条件受相对隔水层厚度的制约。
相对隔水层厚度是等值隔水层厚度与水压力值之比。
同时提出,在相对隔水层厚度大于1.5m/atm的情况下,开采过程中基本不突水,而80%~88%的突水都是相对隔水层厚度小于此值。
由此,许多承压水上采煤的国家引用了相对隔水层厚度大于2m/atm就不会引起煤层底板突水的概念。
这期间前苏联学者B.斯列萨列夫将煤层底板视作两端固定的承受均布载荷作用的梁,并结合强度理论,推导出底板理论安全水压值的计算公式。
20世纪70年代至80年代末期,很多国家的岩石力学工作者在研究矿柱的稳定性时,研究了底板的破坏机理。
其中最有代表性的是C.F.Santos(桑托斯),Z.T.Bieniawski(宾尼威斯基)。
他们基于改进的Hoek-Brown岩体强度准则,引入临界能量释放点的概念分析了底板的承载能力。
2.2突水系数理论我国的底板突水规律研究始于20世纪60年代,当时注意到匈牙利底板相对隔水层理论在实践中的应用,在焦作矿区水文地质大会中,以煤科总院西安勘探分院为代表,提出了采用突水系数作为预测预报底板突水与否的标准。