底板隐伏导水断层安全性评价_梁锋.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；河北省自然科学基金项目（）作者简介：梁锋（），男，辽宁锦州人，硕士，山东能源枣矿集团三河口矿业有限责任公司高级工程师，研究方向：煤矿安全生产技术管理。：.通讯作者：庄通（），男，河北保定人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向：安全工程。：.移动扫码阅读：.梁锋，庄通，田军，等.底板隐伏导水断层安全性评价.华北科技学院学报，（）：，.，（）：底板隐伏导水断层安全性评价梁 锋，庄 通，田 军，彭 瑞，王经明（.山东能源枣矿集团三河口矿业有限责任公司，山东 济宁；.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊）摘 要：构造地质断层存在着向工作面底板隐伏延伸的可能性，并成为沟通含水层的导水通道，对工作面的安全性造成影响。为了对底板隐伏导水断层的安全性进行评价，以鲁西南某矿三采区 工作面为例，通过底板钻探，利用钻孔水压和水温异常定位了隐伏导水通道位置。运用递进导升突水的评价法，认为在回采过程中，隐伏导水断层不会和底板破坏区接通，不需要对导水通道治理也不会发生突水。工作面的安全回采证实了结论的正确性，研究成果对条件类似的工作面具有借鉴作用。关键词：隐伏导水断层；底板安全；递进导升；数值模拟中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（.，.，；.，）：.，.，.，.：；第 卷第 期 年 月华北科技学院学报 .引言底板隔水层厚度不大，但存在隐伏导水断层时，如何准确评价底板的安全性是华北聚煤盆地鲁西石炭二叠系煤田中小型煤矿面临的重要问题。如果采用地面导斜钻孔对石炭系含水层实施大规模底板注浆改造，其成本之高对于中小规模的煤炭企业难以承受，而且因为断层发育构造复杂，注浆效果也难以保证。如果采用疏干降压的方法，由于底板存在导水断层，沟通下伏奥陶系强含水层，疏干效果也无法保证。以鲁西南矿区某矿北部东翼采区 工作面为例，开展了安全开采的攻关研究 测试了底板的破坏深度、开展了底板水文地质异常检测与导水通道定位、底板递进导升的数值模拟，最后对底板的安全性进行了评价，仅用很小工程量就保证了工作面的回采。针对煤层底板的突水机理进行了不断地研究。先后出现了“下三带”理论，“下四带”理论，“原位破裂”理论，“优势面”理论，“关键层”理论和“递进导升”理论等。目前有学者提出突水系数改进法。其中递进导升突水机理可以很好反映底板的突水演化过程，对鲁西煤田最为适用。该理论是王经明、董书宁在 年和 年在对韩城马沟渠煤矿和淮南新庄孜煤矿底板破坏深度、应力、应变、渗透性、渗透压、断层的扩展和两盘相对位移观测，以及物理模拟和数值模拟的基础上提出的。该理论认为如果煤层底板存在着初始导升，在矿压和水压的作用下，导升高度将会进一步扩展，当其扩展到底板破坏区时，即发生突水，突水判据为：。式中，为初始导升高度；递进的导升高度；为采矿的破坏深度；为底板隔水层的厚度。如图 所示为煤层底板突水的形成过程。后来王进尚博士对突水机理又进行补充说明，认为裂隙尖端的扩展若要造成递进导升作用，还需要将尖端前方的岩桥贯穿，因此建立了岩桥破裂的公式。递进导升理论在鲁西南矿区某矿北部东翼采区 工作面的成功应用，为北区 煤其他工作面的回采提供了有力的借鉴作用。图 煤层底板突水的形成过程 工作面水文地质条件.构造三采区东翼采区内含 个工作面位于井田东北部，处于欢城 断层、断层和 断层围成的三角区域，如图 所示，工作面为首采工作面。（）欢城 断层，位于采区的东部边界，为鲁西南矿区某矿与欢城煤矿的分界线。断层倾角约，落差，三采区内落差为。该断层是欢城断层的分支，与欢城断层呈阶梯状组合。（）断层：位于采区的西部，倾角 左右，落差。（）断层：位于采区的北部，倾角，落差。三采区东翼处于上述 条断层的上盘，其中欢城断层和 断层造成奥灰含水层与本区的三灰对接。在采区的南部还存在着一条走向近，落差为 的 断层，该断层在 工作面的南部，但怀疑在奥陶系灰岩层位仍有断裂，成为 工作面底板隐伏导水通道。.底板含水层三采区底板地层结构如图 所示，其中主要含水层为太原组三灰、十下灰和奥陶系石灰岩。三灰含水层上距 下煤.，厚度.，平均为.，单位涌水量.，富水性弱。水位标高.。第 期梁 锋等：底板隐伏导水断层安全性评价图 三采区东翼构造地质图图 下煤层底板地层柱状图 十下灰上距 煤.，厚.，平均为.，单位涌水量.（），渗透性系数为.，富水性弱。奥陶系石灰岩上距 煤约.，厚度 。静止水位标高 ，单位涌水量.，水质类型为 或 型，富水性弱至中等。.隔水层煤层与三灰之间下伏隔水层厚度约 ，与奥灰之间隔水层的厚度约 ，为粘土岩、泥岩、少量粉砂岩、细粒砂岩和灰岩（三灰和十下灰），如图 所示。由于三灰与奥灰因欢城断层和 断层对接，三灰成为 煤有威胁的含水层。工作面底板安全性评价.底板隐伏断层导水性分析三采区煤层底板标高，高于三灰水头 ，低于奥灰水头，表明如果奥陶系和三灰两含水层之间的水力联系不强，三灰对煤层开采的威胁不大。因此，确定三灰是否与奥灰之间存在联系通道成为评价 工作面安全的关键。如图 所示，工作面下方的 地层尖灭于 工作面外，表明该断层可能隐伏于 工作面底板下方。由于欢城断层和 断层都有阶梯状分支，为了探查底板隐伏导水断层并评价其危险性，将下伏三灰含水层作为隐蔽导水通道的指示层在 工作面内施工钻华北科技学院学报 年第 期孔进行水压、水温和水质探查。个钻孔中有 个安排在 断层的延伸方向，其余的 个分别安排在延长线的左右两侧（见图 中的，）。所有钻孔在揭露三灰以前都没出水，揭露三灰以后，都发生了不同程度的涌水，在钻孔密封稳定 后，测得了各孔的水压和水温，结果如图 和图 所示，图的左侧临近欢城断层，右侧临近 断层，白色线条为 隐伏断层。图 工作面三灰水压等值线图（等值线单位）图 工作面三灰水温等值线图（等值线单位）图 和图 显示，断层 延长线处水压和水温都较两侧的高，等值线呈平行线状对称地延伸，水压分别向两侧降低，显示出地下水在三灰内以断层为通道，向两侧流动。图 还显示，左侧的水压高于右侧水压，表明欢城 断层对本区的三灰也存在一定的补给；图 显示，右侧的水温高于左侧的水温，表明温度向右侧扩散得快，扩散范围大，说明欢城断层一侧为上游，断层一侧为下游。由于三采区奥灰水位较三灰水位高出，断层水的越流来自奥灰含水层。钻孔水文地质观测显示，隐伏导水通道仅达到三灰，对三灰以上至 下煤约 厚的地层没有影响，钻探表明底板上游.的完整隔水层厚度，是安全的。.底板破坏深度测试 工作面 断层隐伏导水通道发育于三灰以下，三灰以上 隔水层是否安全仍需要评价。首先要确定开采对煤层的破坏深度。已知 工作面长度 ，宽度为 ，煤层厚度平均为.，倾角。煤层底板承受的三灰水压为.。工作面长壁式开采，一次采全高，自由垮落法管理顶板。为了确定底板破坏深度，在距离 工作面最近的、开采条件类似的工作面进行了应变法观测。观测始于前方 ，结束于工作面过后 。数据采集频率为 ，观测结果如图 和图 所示。由图 和图 可以看出：底板应变由浅到深在逐渐减小，深处岩层的应变量较大，最大值达到.；而 深测点岩层的应变量最大值约为.之间；深处的地层应变量始终小于.。按照混凝土（传感器与孔壁围岩的耦合剂）破坏应变极限.计算，深的测定应变值在工作面推过监测孔 处达到最大值，约为.，据此确定工作面底板的破坏 第 期梁 锋等：底板隐伏导水断层安全性评价深度为，远小于煤层至三灰的厚度.，底板的采动破坏不会造成突水。此结果与 年代在淮南新庄孜煤矿开采.厚的工作面注水试验实测的数据相同。图 临近工作面底板.深处应变曲线图 临近工作面底板.深处应变曲线.底板递进导升数值模拟根据 工作面的地层结构和开采条件，对工作面突水的危险性采用了 软件进行了数值模拟，检查隐伏导水断层是否能递进扩展与底板破坏深度接通。计算采用的主要岩层的力学参数，见表。表 岩性岩石力学参数表岩层弹模 泊松比内聚力 内摩擦角（）抗拉强度 体积模量（）剪切模量（）砂岩.粘土岩.砂岩.泥岩.细砂岩.煤层.泥岩.粉泥岩.砂岩.泥岩.灰岩.注：数据引自地质勘探报告华北科技学院学报 年第 期 根据工作面 煤层埋藏深度，模型顶部所受荷载由岩层的自重应力计算而得。根据实测，取三灰以下为断层发育区，如图 所示，三灰以上为断层损伤区（强度变弱）。计算时取周期来压步距 为开挖步距。计算发现煤层底板破坏深度为，底板导水通道扩展了 ，但没有和底板破坏区接通，如图 所示，因此不会发生突水。图 工作面顶底板地层结构（蓝色为煤系地层，黄褐色为奥灰，绿色凸起为断层）图 工作面回采后顶底板破坏情况（蓝色为未破坏区，其他色为破坏区。底板下的红点为递进导升区未达到地板破坏区）.底板安全性综合评价底板 灰以下的隐伏导水通道是否能够导通底板，造成突水，可以采用以下公式加以判别。式中，为自然导升高度，对于 灰，；为递进导升高度，根据计算 ；为底板破坏深度，根据实测，；为底板隔水层厚度，即 灰顶板至 煤底板的距离，已知。如果公式成立，则底板将发生突水，否则将不会发生突水。将各参数的数值代入公式后得到：公式不成立，即不会发生突水。结论（）钻探工程证实了对 断层向北隐伏延伸于 工作面煤层底板以下，且沟通了三灰与奥灰的水力联系，使得 工作面由不带压转变为带压状态，隐伏导水通道构成了工作面安全开采的威胁。（）应变法对 工作面底板开采过程中的监测，发现底板的开采破坏深度为.，为定量准确评价底板的安全性提供了依据。（）对工作面开采过程中的应力场模拟显示 隐伏导水通道在开采过程中扩展了 ，为定量评价底板的安全性提供了参数。（）综合分析认为在回采过程中底板的递进导升高度不会和底板破坏深度对接，尚有 厚的有效隔水层在起作用，底板不会发生突水。参考文献：田雨桐，张平松，吴荣新，等.煤层采动条件下断层活化研究的现状分析及展望.煤田地质与勘探，（）：.刘德民，尹尚先，连会青.煤矿工作面底板突水灾害预警重点监测区域评价技术.煤田地质与勘探，（）：.尹尚先，王 屹，尹慧超，等.深部底板奥灰薄灰突水机理及全时空防治技术.煤炭学报，（）：.李白英.预防矿井突水的“下三带”理论及其发展与应用.山东矿业学院学报，（）：.李加祥.煤层底板“下三带”理论在底板突水研究中的应用.河北煤炭，（）：.张向东，韩大为，刘世君.煤层底板突水机理及“下三带”分布特征.矿井建设与岩土工程技术新发展，：.施龙青，于小鸽，尹会永，等.“下四带”理论及其在底板突水评价中的应用.中国煤炭学会矿井地质专业委员会 年学术论坛文集，：.张兆强.突水优势面理论探讨.山东煤炭科技，（）：.倪宏革，罗国煜.煤矿水害的优势面机理分析.煤炭学报，（）：.钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制中的关键层理论研究.煤炭学报，（）：.（下转第 页）第 期梁 锋等：底板隐伏导水断层安全性评价图 带载实验输入及输出电压波形图参考文献：渠展展，李卫国，闫涛，等.三相交错式双向 储能变流器的研究.电力电子技术，（）：，.易韵岚.双向 斩波器的控制与仿真研究.城市建设理论研究（电子版），（）：.孙运全，刘恩杰，罗青松.电动汽车用双向 变换器最优效率控制研究.电子器件，（）：.巫付专，霍国平，彭圣，等.非理想三相三重变换电路效率分析.电力系统保护与控制，（）：.申培.基于 控制的 同步整流变换器研究.湘潭大学，.代志强，陈尚，赵鑫，等.基于三相交错变流器的直流微网稳压技术研究 .电力电子技术，（）：，.邓永红，张杨.矿用动力锂离子电池充电器的研究.华北科技学院学报，（）：.张全柱，敬昌国，邓永红.矿用 充电器驱动电路的设计 .华北科技学院学报，（）：，.武晓春，田玖婷，王贞.三相电压型 整流器的双闭环控制系统仿真.兰州交通大学学报，（）：.（上接第 页）茅献彪，缪协兴，钱鸣高.采动覆岩中关键层的破断规律研究.中国矿业大学学报，（）：.李凯，李晓龙.基于改进型突水系数法治理底板奥灰水害技术.煤田地质与勘探，（）：.王经明，董书宁，吕玲，等.采矿对断层的扰动及水文地质效应.煤炭学报，（）：.王经明.承压水沿底板递进导升机理的模拟与观测.岩土工程学报，（）：.王经明.承压水沿底板递进导升机理的物理方法研究.煤田地质与勘探，（）：.王进尚，姚多喜，黄浩.煤矿隐伏断层递进导升突水的临界判据及研究.煤炭学报，（）：.第 期汪俊奇等：基于 控制的三相交错式双向 变流器控制系统