层积水存在的矿井工作面涌水量预计[1].pdf

第 3 5卷 第 4期 2 0 0 7年 8月 煤 田地 质与勘 探 C OA L G E 0H)c&E X P L O R AT I ON Vo 1 3 5 No 4 Au g 2 O O 7 文章编号：1 0 0 1 1 9 8 6(2 0 0 7】0 4 (X 脾 o 4 离层积水存在 的矿 井工作面 涌水量预计 程新明 ，赵团芝，李小琴，李成明 ，孙如华(1 淮北矿业集团公司，安徽 淮北 2 3 5 0 0 6；2 中国矿业大学，江苏 徐州 2 2 l o o 8)摘要：通过对某矿发生特 大顶板突水工作面的充水条件分析，认 为工作面采动叠加影响，在顶板厚 层砂岩 中形成的 离层积水，是突水的主要充水水源。采用经验类比法和当量流径法，基于Y-作面涌 水量值为正常涌水量与离层裂隙积水弓 l 起 的涌水量之和，提 出了涌水量预计计算理论公式，预计 了 该工作面未采区段恢复生产的涌水量大小。经实际开采检验，该方法基本可行。关键词：离层积水；涌水量；经验 类比法；当量流径法。中图分类号：T D 7 4 2 文献标识码：A Fo r e c a s t i n g wa t e r i n flo w o f mi n e wo r k i n g f a c e c o n c e r n e d wi t h s e p a r a t e d s t r a t a s e e p e r C H E NG X i n ru i n g ，Z HAO T u a n z h i ，L I X i a o-q i n z，L I C h e n g mi n g t，S UN R u h u e(1 H u a b e C o a l Mi n i n g G r o u p C o r p o r a t i o n L i d，H u a ib e 2 3 5 0 0 6，C h i n a；2 C h i n a U n v e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y，X u z h o u 2 2 1 0 0 8，C h i n a)Ab s t r a c t：T h r o u g h t h e a n a l y s i s o f w o r k i n g f a c e w a t e r f il l i g c o n d i t i o n s r e l a t e d t o a m i n e h a v i n g t a k e n p l a c e s u p e r r o o f w a t e r i n r u s h，t h i s p a p e r c o n s i d e r e d t h a t t h e s e p a r a t e d s t r a t a s e e p e r f r o m t h e i n fl u e n c e o f t h e r e p e t i t i v e mi n i n g a c t i o n i n t h i c k l y l a m i n a t e d s a n dw a s t h e ma i nw a t e r t i l l i n g 8 0 U l C e T h e p a p e r a d o p t e d e x p e r i e n ti a l a n a l o g i s m a n d e q u i v a l e n t f r a c t u r e me t h o d，t h e a mo u n t o f w o r k i n g f a c e w a t e r i n fl o w w a s t h e s u m o f b o t h n o r ma l w a t e r i n fl o w a n d w a t e r i n fl o w r e s u l t e d f r o m s e p a r a t e d s t r a t a f r a c t u r e s e e p e r-i n t e r ms o f t h e a b o v ep r e s e n t e d t h e t h e o r e t i c a l l y c o mp u t a t i o n a l f o r mu l a o f w a t e r i n fl o w f o r e c a s t，a n d f o r e c a s t e d t h e ma g n i t u d e o f e s u r n i n g p r o d u c t i o n wa te r i n fl o w i n t h e v i r g i n d i s t r i c t o f w o r k i n g f a c eT h e me t h o d c h e c k e d b y t h e a c t u a l l y m i n i n g a c t i o n i s b a s i c a l l y f e a s i b l e Ke y wo r d s：s e p a r a t e d s tr a t a s e e p e r；w a t e r i n fl o w；e x p e r i e n t i a l a n a l o g i s m；e q u i v a l e n t fr a c t u r e me th o d 矿井涌水量是指从矿 山开拓到回采过程中单位 时间内流入矿坑(包括井、巷和巷道 系统)的水量。由于矿井水文地 质工作 中存在着许 多不确定 因素，至今一些问题还不能用理论的方法去解决，其中最 明显的就是矿井涌水量计算。目前在矿井涌水量 预测方面，应用比较广泛的有解析法、Qs曲线外 推法、水文地质比拟法、有限元法和人工神经网络法 等。本文采用经验类 比法和当量流径法，分别对 有 离层积水存在的复杂水文地质条件下工作面涌水量 进行了预计。1 工作面概况 淮北矿业集团公 司海孜煤矿 7煤 7 4 5工作面从 南到北为一缓倾斜地层，走向长 4 o o m，倾向宽 6 o 1 2 0 m，回采上限 一3 2 7 7 6 m，下限为 一3 8 2 0 8 m。采 用单一长壁冒落采煤法，于 2 0 0 5年 1 月开始至 2 0 0 5 年 5月 2 1日突水停 采，工作面已回采走 向长约 1 5 0 m，尚余 2 5 0 m。7煤 7 4 5工作面上覆 岩层 自上而 下 有：第四系松散沉积物、岩浆岩、蚀变带粉砂岩及煤 系地层，7 煤顶板至岩浆 岩底板间煤 系地层为泥岩、粉砂岩、砂岩组合。工作面南部为浅部露头 区，7煤 顶板砂岩在浅部露头 区接受 四含水 的补给，四含水 位较为稳定。2 7 4 5工作面恢复生产后充水条件分析 海孜煤矿地层 中有多个含水层(组、段)，但也有 多个相应的隔水层(组、段)，不同(组、段)的地下水 对矿坑影响明显不同。通过对 7 4 5工作面恢复生产 后工作面充水条件进行分析，得到如下几点结论：a 岩浆岩总体属 隔水层，能阻隔 四含水对 7 煤7 4 5 工作面充水；蚀变带虽有裂隙，但不含水。b 四含对 8 4采区下伏地层垂 向上无直接水 力联系，在局部地段与 7煤顶板砂岩露头直接接触，产生渗透补给；7煤顶板厚层砂 岩含脉状 裂隙承压 水，是 7 煤开采直接充水含水层，工作面生产中应预 计其涌水量值。收稿 日期：2 0 0 7 0 4-0 1 作者简介：程新明(1 9 6 4 一)，安徽界首人，硕士，高级工程师，从事采矿地质及煤矿水害防治工作 维普资讯 http:/ 第4期 程新明，赵团芝等：离层积水存在的矿井工作面涌水量预计：一：图 1 1 0 4 9、7 4 5 工作面采后迭加影响形成积水离层带示意图 F i g 1 T h e s k e t c h ma p o f s e e p e r s e p a r a t e d s t r a t a z o n e f r o m s u p e r p o s i t i o n e ff e c t s a f t e r t h e I l l i T l i n g a c ti o n o f Wo r k i n g f a c e 1 049 a n d 7 4 5 c 1 0 煤 1 0 4 9面单层开采及其 7 4 5面采动叠 加影响，造成了 7煤 以上煤 系地层和岩浆岩下部产 生多个结构的“真空离层裂隙带”或“积水离层裂隙 带”，如图 1 所示。受 1 049工作面、7 4 5工 作面重复 采动叠加影响，在厚层砂 岩 中产 生 13个 离层裂 隙，且 由于厚层砂岩本身是一个弱含水层，因此在厚 层砂岩中形成“积水离层裂隙带”。该 积水离层裂隙 带是 7 煤开采危害巨大的突水隐患。3 经验类比法涌水量预计数学模型 对于 7 4 5工作面恢复生产过程 中可能产生的涌 水量问题，其关键 在于 7 4 5面恢复生产过程 中所产 生的离层裂隙规模大小。根据相关文献资料检索情 况L 2 I 3 j，以及淮南矿 区对采动离层裂 隙发育情 况的 实地监测与统计，发现离层裂隙体积 与煤层 回采 体积 存在正比例关系，即：V=棚 l，(1)式中呀为比例系数，。对恢复生产后即将开采的 7 4 5 工作面，可根据条 件极为相似的已采 7 4 5 工作面确定比例系数 刁 值。3 1 比例系数 t，的确定 对于 7 4 5 面 已采 的 1 5 0 m工作 面，根据对 离层 裂隙发育规律的分析与模拟H ，1 049面、7 4 5面采动 叠加影响形成离层裂隙，离层裂隙有效体积 与 1 049 面和 7 4 5面已采 1 5 0 m段的煤层体 积有 关。同时，“5 2 1”突水水源是来 自于离层 裂隙积水，即“5 2 1”突水量大致就等于煤层 开采所产生 的离层裂 隙体 积。则 比例系数 叼可 以计算得 出：=X 1 0 0，(2)y 1 0 4 9 r y 1 5 0 式 中 “5 2 1”突水体积，m 3，该体 积须除去 目前停采线附近的正常涌水量值；1 0 4 9面煤层 回采体积，m 3；。5 o 7 4 5面 已采 1 5 0 m的工作 面煤 层 回 采体积，r n 3。3 2 恢复生产离层裂隙体积的确定 在恢复生产过程 中发育的离层裂 隙有效体积可 以根据前面确定 的比例系数值进行 预计。此时，离 层裂隙有效体积与 1 049面和 7 4 5面 即将 开采 的工 作面的煤层 回采体积有关，具体如下：V=X(l +哚)，(3)式中 余 7 4 5面即将开采的工作面煤层 回采 体积，m 3；其余符号意义同前。根据式(2)和(3)可 以确定 7 4 5面恢复生产过程 中可能发育的最大离层裂隙体积量。3 3 离层裂隙发育地段涌水量的确定 在前面已确定 了离层裂隙体 积的情况下，可 以 确定在离层裂隙发育地段的涌水量值。该值由两部 分组成：一是正常涌水量；二是离层裂隙积水 以较为 稳定均匀的方式排 出的部分，这与推进速度有关。正常涌水量由静储量(弹性释水量)和动储量两 部分组 成。运 用 地 下 水 动力 学 基 本 原 理 及其 公 式，推导 出 7 4 5工作 面恢 复生 产的正 常稳 定涌水 量公式：Q=1 0 9 8 v+1 3 6 8 5 t。(4)根据对 离层 裂 隙 发 育规 律 的离 散 元 模 拟结 维普资讯 http:/ 3 6 煤 田地质与勘探 第 3 5卷 果，在 7 4 5面恢复生产过程中，可 以获得离层裂隙 在工作面采空区范围内的发育长度。假定离层裂隙 在走向上发育 的长度为 L，在离层裂隙发育地段工 作面推进需要 时间为 t，则在离层裂 隙积水 以较为 稳定均匀的方式排出的前提下，离 层裂 隙发育地段 离层裂隙积水引起 的涌水量 Q 为：Q =，(5)式中 为前面确定的离层裂隙有效 体积；t为在 离层裂隙发育地段工作面推 进完成所需要 的时间；为离层裂 隙在 走向上 发育 的长度；为工作 面推 进速度。获得 了离层裂隙发育地段离层裂隙积水引起的 涌水量 p 后，则离层裂隙发育地段工作面的涌水量 Q 一为：Q 一=Q +Q 。(6)4 当量流径法涌水量预计数学模型 4 1 离层裂隙当量面积和当量流径 采场覆岩实质上是一系列岩层的有序组合，而 层状组合的覆岩中有一层或几层较为坚硬的厚岩层 在整个上覆岩体 的变形 与破坏 中起主要 的控制作 用，这种坚硬 的岩层 即称为关键 层【6 。采场覆岩 中 的关键层未破断失稳前，将 以 Wi n k l e r 弹性地基结构 形式产生挠 曲下沉变形，此时关键层下部将 产生不 协调性的连续变形离层裂隙。主关键层与亚关键层 之间、亚关键层与亚关键层之间变形的不协调将形 成岩层移动中的离层裂隙和各种裂隙分布。根据砌体梁全结构 中的力学分析【6 ，岩 层内部 第 关键层结构 的移动 曲线可以计算得 出；关键层 初次破断失稳前，最大下沉量也 可以计算得 出。由 此，相邻 i 和 i+1 两关键层间非连续变形 的不协调 性最大离层裂隙量 可以表示为：=+。(+一1)一 (Mi 一1)，(7)式中 第 i 关键层到煤层顶板的距离，m；i 厚度内岩层的残余碎胀系数，取值 一般在 1 1 0 1 3 2之间。根据采场覆岩初次来压前结构 的对称性 7 ，引 入如下记号：1 P=寺(+十 +)。(8)应用 H e l e n 公式，可计算得到离层裂隙当量面积 8 I 9 为：S ：2 P(P一 +，)(Pf|)(PA )专 ，(9)式 中 Z 第i关 键 层 岩 块 断 裂 长 度，m，f h ，其 中，、为第 i 关键层本 身的 抗拉强度及厚度，P a，m；q为第 i 关键层本身 的自重 及其上部软岩层重量，P a。基本稳定后的下沉量，如下计算：=一(一1)，其 中 为岩层移动基本稳定后 的位移量，m。可见，离层裂隙当量面积与采高、软岩垫层厚度 及松散系数、关键层断裂块度及距煤壁距离等参数 有关。在确定离层裂隙当量面积之后，若 以圆形流通管 道表示离层裂隙积水流态，则其当量流径 d【8 I 9 为：S=8 J r P(P一 +，)(P一2 )(P一 )古 ，(1 0)式中符号意义同前。结合 7 4 5 工作面的实际情况即可获得离层裂隙 的当量 面积和当量流径。4 2 圆管层流 平均流量公式 7煤 7 4 5面恢复生产过程中离层裂 隙积水主要 来源于厚层 中砂 岩与 四含直接接 触 区域 四含水补 给。在 已获得离层裂 隙当量流径 的情况下(假设 以 圆形流通管道表示离层裂隙积水流态)，四含水对离 层裂隙积水补给的平 均流量，即离层裂隙发育地段 离层裂隙积水引起 的涌水量，类似于地下水动力学 中的圆管层流运动时过水断面上的平均流量 的计算 方法。根据地下水动力学基本原理，圆管中稳定均匀 层流过水断面的平均流量与管径的四次方成正比 5 ：=喏譬=d 4，(1 1)式中广水的密度，g C e m 3，一般为 1 0 g e m 3；广当地的重力加速度，一般为 9 8 I I 1 s 2；，-一 水力梯度 或水力坡度，根据 达西定律=，得，=0 6 7；d 圆管层 流直径，此处相 当于离 层裂 隙 的当量流径，m；水 的动力粘滞 系数，k P a s，与温度 有 关；对于地下水一般可以取 2 0时的动力粘滞 系数 值，即=1 0 k P a s。该平均流量值是过水断面上的平均流量，即相 当于煤层开采推进速度为 1个单位时的涌水量值，对于不同推进速度下 的涌水量值，可 以用相当推进 速度与式(1 1)获得的基本流量值的乘积作为不同推 进速度下在离层裂隙发育地段由于离层裂隙积水引 起的涌水量值：维普资讯 http:/ 第 4期 程新明，赵 团芝等：离层积水存在的矿井工作面涌水量预计 3 7 Q =Q ，(1 2)其 中 为相当推进速度，m d，其余符号意义同前。式(1 2)表明在离层裂隙发育地段由于离层裂隙积水 引起的涌水量值也 与推进速度有关，这 与前 面类 比 法所获得的结论是一致 的。由此，根据式(1 2)可 以获得在离层裂 隙积水 以 较为稳定均匀的方 式排出的前提下，离层裂隙发育 地段 由于离层裂隙积水引起的涌水量值。结合前文 中所预计得到的正常涌水量值，则可 以得到在离层 裂隙积水 以较为稳定均匀的方 式排 出的前提下，离 层裂隙发育地段 的涌水量值。5 计算结果及分析 a 经验类比法计算得到，在离层裂 隙积水 以较为稳定均匀的方式排 出的前提下，离层裂隙发 育地段的涌水量值。其 中 l 0煤 的平均开采厚度 为 2 8 m，7 4 5工作面已采煤的平均采厚为 1 6 m，恢 复 生产预计平均采厚约为 1 8 m，各参数见表 1。表 1 经验类 比法计算 所需参数 T a b l e1 p|眦 隧 t e r s f o r e a l e u l a l i o n 0 f e x p e r i e a l i a l 锄l a l 0 l；i 锄 当工作 面推进速度为 1 5 m d时，离层裂隙积 水引起的涌水量为 3 0 4 m 3 h，正常涌水量 为 l 7 3 m 3 h，可 以获得在离层裂 隙水 以较 为稳定均匀的方 式排出的前提下，工作面推进速度为 1 5 m d时，离 层裂隙发育地段的涌水量为 4 7 7 m 3 h。b 当量流径法 利用 离层裂 隙当量 面积和 当量流径计算公式 以及 圆管层流平均流量公式计算 得到，在离层裂隙积水 以较 为稳定均匀 的方式排 出 的前提下，7 4 5面恢 复生产过 程离层裂 隙发育地段 的工作面涌水量，具体见表 2。表2 关键层岩石物理力学性质指标 T a b l e 2 I n d i c a t o r s f o r a n d i n e dmn i e a l p r o p e r t i e s 0 fk e y s t r a t a r o c k 根据海孜矿 已开采工作 面地面沉降观测资料，岩层移动 基本稳定后 的位移量 可取为 0 1 m；厚度内岩 层的残余碎 胀 系数 M 一般 在 1 1 0 1 3 2，取其平均值 1 2 1。根据 上 述 参 数 计 算 离 层 裂 隙 当 量 面 积 为 1 3 5 3 2 7 n】2；离层裂隙 当量流径为 4 1 5 2 m；离层裂 隙发育地段离层裂隙积水 引起 的涌水 量基本值 为 1 7 8 9 n h。当工作面推进速度为 1 5 m d时，离层裂隙积 水引起的涌水量预计结果为 2 6 8 n 1 3 h。离层裂隙 发育地段的涌水量值为4 4 1 m 3 h。必须注意的是该涌水量是在预先施工放水，且 随着采动过程放水、导水孑 L 较稳定 的把离层裂 隙水 疏放 出来 的前提下得到 的。当推进速度为 1 5 m d 时，以上两种方法计算所得的涌水量相差 8。1 6。6结语 由于 7 4 5 工作面上覆岩层的特殊结构和工程地 质性质，7 4 5工 作面开采会产 生离层裂 隙积 水。离 层裂隙的产生，使工作面原始水文地质条件、工程地 质条件发生变化，储水空间及岩层的导水性 发生 明 显变化，工作面涌水量计算要首先预计离层裂隙空 间体积、离层裂隙产生后渗透系数等水文地质参 数 的变化，建立反映离层裂隙储水和水文地质参 数变 化的涌水量计算模型，这是 以往煤矿涌水量预计计 算中未遇到的，且 目前国内外未见有相关报道，这是 本次计算 的最大难点。采用经验类 比法、当量流径法预测工作面涌水 量为 4 4 1 4 7 7 m 3 h；工作面实际开采过程 中的工 作面泄水巷观测 水量为 1 O 5 52 0 3 m 3 h，介于预 测水量范围内。实践证 明，这两种方法在工作面涌 水量预测方面具有较 大的可信度。需要指出的是，以上 离层水参与条件下 的涌水 量预计是在假定覆岩离层带全部充满水，且开采过 程 中离层积水为均匀出水的前提下的预测结果。离 层积水可能引起的瞬间突水量 目前还无法预测。参考文献 1 肖有才，王义明，王小珂 灰色控制与矿井最大涌水量 计算 J 工程勘察，2 o 0 5(2)：l 5一l 6 2 谢兴 华，高延 法 基 于数 值 计算 的覆 岩 移动 离层 量 计算 方法 J 中国地 质灾害与防治学报，2(10 2，1 3(3)：4 8 5 o 3 赵德深，徐涛，刘文生，等 水平 及缓倾 斜煤层 开采条 件下离层 值的计算 J 岩石力学与工程学报，2 0 0 5，2 4：5 7 6 7 5 7 7 2 4 李文平，程新明，李小琴，等 巨厚整 体结构 岩层 下煤 层开采 动 力突水工程地质条件研究 R 徐州：中国矿业大学，2 0 0 5 5 薛禹群 地下水动力学(第二版)M 北京：地质 出版社，1 9 9 7 6 钱鸣高，缪协兴，许家林 岩层控制中的关键层理论研究 J 煤炭学报，1 9 9 6，2 1(3)：2 2 5 2 3 0 7 钱鸣高，刘听成 矿山压力及其控制(修订本)M 北京：煤炭 工业出版社，1 9 9 2：9 09 3，9 8 1 0 1 8 李树刚 关键层破断前后覆岩离层裂隙当量面积计算 J 西安 矿业学院学报，1 9 9 9，1 9(4)：2 8 92 9 2 9 李树刚，钱鸣高，石平五 综放开采覆岩离层裂隙变化及空隙渗 流特性研究 J 岩石力学与工程学报，2 O O 0，1 9(5)：6 O 4 6 0 7 维普资讯 http:/