突水系数理论在桃园矿区的实践.pdf

2 0 1 0年2月 矿 业安 全 与 环 保 第3 7卷第1 期 突水系数理论在桃园矿区的实践 李 涛 ， 李文平 ， 高 颖 ， 李明胜 ( 1 中国矿业大学， 江苏 徐州 2 2 1 8 ； 2 江苏煤炭地质局， 江苏 常州 2 1 3 0 0 0 ) 摘 要 ： 实践中发现淮北桃园矿各工作面按突水系数理论计算得出的突水系数， 在参考临界突水 系 数评价底板突水与否时， 常出现一些特殊的情况， 如有时计算出的突水系数高于临界突水系数却没有发 生突水事故； 有时计算得 出的突水系数低于临界突水系数却发生 了突水事故。通过对桃 园矿的地质条 件进行分析， 并结合突水 系数理论 的原理解释其存在的合理性。认为从地质条件 的实际出发， 先进行地 质分 区再利用突水系数理论评价会有更高的准确性。 关键词 ： 突水系数理论 ； 复杂构造； 弱富水高承压灰岩水 中图分类号 ： T D 7 4 5 文献标志码 ： C 文章编号： 1 0 0 8 4 4 9 5 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 7 5 0 3 高承压灰岩水上采煤底板突水是我国华北型煤 田主要的水文地质工程地质 问题， 严重影响着煤炭 的正常安全生产 。桃园矿 1 0煤开采受底板灰岩 水威胁 ， 多次发生 中小型突水。为了对底板灰岩突 水有科学 、 合理的认识 ， 淮北桃园矿区是全 国较早引 入突水系数理论对底板灰岩水害进行评价 的矿 区之 ，其实践经验值得思考。 1 突水 系数理论 突水系数理论首先是 由原苏联学者 B 斯列萨 列夫提出， 1 9 8 1 年 专门水文地质学 明确指出该公 式是按“ 梁和强度理论” 得出的 ， 1 9 8 5年潘元伯教 授利用材料力学中的有关原理 ， 结合这一实际问题 ， 对公式的具体依据和来历做 了推导 ， 进一步证 明该 公式不是经验公式而是理论公式 。突水系数计算 公式如下： ： ( 1 ) M C 一 式中 突水系数 ， MP a m； p 隔水层承受的水压 ， MP a ； 底板隔水层厚度 ， m； c 。 采矿对底板隔水层的扰动破坏厚度， m。 根据实践对其修改和完善： T = ( 2 ) M Cph2 式中 h 为底板可能存在的原始导高 ， m。 由式( 1 ) 可以看出， 突水系数 与隔水层承受 的静水 压力 P成正 比， 与有效隔水层 的厚度 ( C 。 ) 成反比。但由于地质条件的复杂性 ， 工作面底板 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 1 0 5 ； 2 0 0 9 0 7 3 0修订 突水与否不仅由这两个 因素决定， 还在一定程度上 与含水层的富水性 、 构造影响情况 、 隔水层岩性及其 组合等因素有关 。 2 桃园矿 的实践经验 2 1 矿井地质概况 桃园煤矿位于淮北煤 田的东南缘 ， 在地层 区划 分上属于华北地层区鲁西地层分区徐宿地层小 区。 桃园矿井位于宿南向斜西翼的北段。宿南向斜为一 宽缓的不完整向斜， 其东翼受一组逆断层的作用 ， 破 坏了其完整性 。矿井 内以 F 断层为界 ， 以北为北北 西向， 以南为南南西向。其中在 F ， 断层以南从南到 北依次分布了桃园矿井的三采区 、 一采区、 二采区 、 四采区。 桃园矿 l 0煤底板灰岩水特征 ： 太原组地层总厚 约 1 9 0 m， 灰岩总厚约 7 6 m， 占本组总厚的 4 2 ； 矿 区内共有 3 2个钻孔揭露灰岩， 其中一灰、 二灰、 三灰 、 四灰的漏水钻孔分别有 1 ， 7， l 1 ， 9个( 见表 1 ) ， 表 明 三灰 、 四灰较一灰 、 二灰 富水性强 ； 根据一至四采 区 回采时涌水量 的观测发现 ， 桃园矿 区的灰岩富水性 从强到弱依次为二采区、 四采区、 三采区、 一采区。 表 l 桃园矿一灰至 四灰涌水孔率统计 2 2 桃园矿各工作面突水系数的确定 1 0煤各工作面采矿 、 地质 、 水文地质条件主要 参数和安全技术效果见表 2 。 7 5 2 0 1 0 年2 月 矿 业安 全 与环 保 第3 7 卷第1 期 在表 2中的突水系数 采用式 ( 1 ) 计算 。P值 采用回采前一灰实测水压值换算成工作面最低点隔 水层底板承受的水压值； M分别采用隔水层至 1 0煤 底( 探查) 实测间距 的最小值 ； C 为采动底板破坏深 度 ， 采用淮北矿区的研究成果 1 3 m。 表 2中回采效果以突水是否影响正常生产为标 准， 即每小时突水量是 否大 于矿井的单 位时间排水 能力来判断。 由表 2可知： 1 )计算得出的突水系数未超过淮北矿 区临界 突水系数 0 0 7的工作面中， 绝大多数没有发生突水 事故 ， 仅构造较为发育的三采区 1 0 3 1工作 面发生了 影响生产的小型突水 。 2 )计算得 出的突水 系数超过淮北 矿区临界突 水系数 0 0 7的工作面中， 构造较为发育的但经局部 注浆加固的工作 面能够安全 回采 ； 构造一般发育甚 至不发 育 的工 作 面绝 大部 分 可 以实 现带 压 安 全 回采 。 3 )计算得 出的突水系数超过淮北矿 区临界突 水系数 0 0 7的工作面中， 富水性较其他采区较强 的 二采区工作面为突水的主要工作面。 7 6 2 3 桃园矿各工作面临界突水系数的分析 2 3 1 1 0 3 1工作面的突水事故分析 1 0 3 1工作面所处 的三采区是构造较为发育的采 区， 1 0 3 1工作面揭露了 1 6条断层 ， 其中最大 的断距 有 1 5 0 m。较其他的工作面 ， 1 0 3 1工作面的构造情 况最 为复杂 ， 最终导致 了 1 0 3 1工作面在 突水 系数 0 0 6 90 0 7的情况下发生 了突水事故。 而与之有着相似地质条件 ， 甚至突水系数都超 过了 0 0 7的三采 区的其他工作面却没有发生突水 事故 ， 这些工作面正是 由于采取 了局部注浆加 固的 措施才实现了安全回采。 以上分析较好验证 了： 突水与否在地质条件上 不仅仅和突水系数理论所反映的隔水层厚度 、 隔水 层所承受的静水压力有关 ， 还与构造有着密不可分 的关系， 构造的存在会破坏隔水层 的有效隔水厚度 ， 形成突水通道 ， 最终导致突水 。利用式( 1 ) 得出的实 际突水 系数偏小 ， 若用式( 1 ) 计算构造复杂地段的实 际突水系数， 可适当降低一般地段的经验临界突水 系数来评价底板灰岩水 害， 其 降低 的数值可 以通过 构造复杂地段 的经验值作为参 考依据 。另外 ， 对 于 1 0 3 1 这样 的工作面可 以通过局部注浆加 固来治理， 2 0 1 0年2 月 矿 业安 全 与 环 保 第3 7卷第1 期 在经济上和安全上均有较好的效果。 2 3 2 远高于突水系数却没有发生突水事故的工 作面分析 由表 2可以清楚看 出， 有许多突水系数远高于 临界突水系数 0 0 7却没有发生突水事故的工作面 ， 将这些工作面列入表 3 。 表 3 桃园矿井超 出理论临界突水系数 没有发生突水事故的统计 如矿井涌水量所反映 ， 二 、 四采 区富水性较 强。 由表 3可以看出： 这些超 出临界突水系数却没有发 生突水事故的工作面并 没有二采区的工作面， 而二 采区正是富水性最强的采 区之一； 另外 一个富水性 较强的四采区由于进行了局部注浆 加固， 提高了隔 水层的有效厚度， 没有发生突水事故。 因此， 二采区作为一个富水性较强的采区， 其突 水系数超出临界突水系数发生 了突水事故 ； 而富水 性较差的一、 三采区即使突水系数超 出了临界突水 系数 0 0 7也没有发生突水事故 ， 即使三采区的 1 0 3 l 工作面发生了突水事故 ， 但突水量较小 ， 为 2 4 m h ， 对生产影响不大， 为此 只需要提高一点矿井排水能 力， 就可以满足要求 。 经过以上分析可以得出： 利用式 ( 1 ) 计算突水系 数来评价弱富水高承压灰 岩水时， 其临界突水系数 可以适当提高到一般临界突水系数 以上 ， 具体提高 数值由该矿区的经验值确定。 2 4 桃园矿井底板灰岩水害的初步分类 1 )水文地质条件 、 工程地质条件正常地段灰岩 水 ： 该区域 内构造一般 发育甚 至不发育， 富水性 中 等， 底板隔水层既有很强的隔水性又有很强的抗变 形能力。这种地质类型的底板灰岩水害按突水系数 理论推导计算 的 值与一般地段 的临界突水系数 的大小关系是评价突水与否 的重要标准 ， 该地段在 理论上是可以实现带压安全回采的。 2 )构造 复杂地段灰 岩水 ： 该 区域构造较 为发 育 、 复杂， 导致隔水层的有效隔水厚度下降， 因此按 照式( 1 ) 计算出的 值与实际的突水系数相 比偏 小。此类灰岩水害评价 时， 应根据矿区经验找出构 造复杂地段的经验临界突水系数。 值与此时的经 验临界突水系数的大小关系才是评价该类灰岩水害 的重要标准。对于构造复杂地段 的底板高承压水害 治理， 建议采用以物探为先导进行局部注浆加固的 模式。 3 )弱富水高承压灰岩水 ： 该区域内灰岩水对隔 水层有较高的静水压力 ， 但其水量不大。在采用突 水 系数理论评价此类灰岩水害时 ， 可 以适 当提高临 界突水系数 ， 从而达到既经济又安全 的回采效果。 对于此类灰岩水害的治理， 建议采取疏水降压限压 开采的模式。 3 结论 1 )突水系数理论一般情况下只考虑了隔水层 厚度和隔水层所承受的静水压力两个方面， 并不 十 分完善。而其他各种关于突水系数的理论在实际操 作 中均不方 便。为此在沿用 了突水系数理论 的同 时 ， 应对各工作面的灰岩水害的实际情况进行分类 ， 从而达到理想的治理效果。 2 )将桃园矿的灰岩水害按地质条件进行了初步 分类 ： 水文地质条件、 工程地质条件正常地段灰岩水 ， 构造复杂地段灰岩水， 弱富水高承压灰岩水。可为类 似于桃园矿的煤矿灰岩水害评价和治理提供依据。 参考文献 ： 1 靳德武 我国煤层底板突水问题的研究现状及展望 J 煤炭科 学技术 ， 2 0 0 2 ( 6 ) 2 杨成田 专门水文地质学 M 北京： 地质出版社， 1 9 8 1 3 潘元伯 关于安全水头公式的推导 C 中国地质学会 全国矿床水 文地 质学讨 论 会文选 北 京： 地 质 出版 社， 1 98 8： 1 8 31 87 4 施龙青 底板突水机理及预测预报 M 徐州： 中国矿业 大学出版社 ， 2 0 0 4 ( 责任编辑 ： 吴 自立) 77