“下三帶”理論和“P-h”臨界曲線法預(yù)測(cè)底板突水

李萬軍,楊家兵

(新光集團(tuán)有限公司,江蘇鹽城 235000)

“下三帶”理論和“P-h”臨界曲線法預(yù)測(cè)底板突水

李萬軍,楊家兵

(新光集團(tuán)有限公司,江蘇鹽城 235000)

“下三帶”理論經(jīng)過長時(shí)間的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐,在承壓水上安全開采,防止底板突水災(zāi)害起到了重要作用?！癙-h”臨界曲線法在預(yù)測(cè)底板突水方面考慮的因素更多,具有一定的實(shí)踐價(jià)值。

“下三帶”;底板導(dǎo)水破壞深度;“P-h”臨界曲線法;底板突水

礦井水害為礦井生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一。隨著煤礦開采深度的增加,含水層的水頭壓力越來越高;被開拓的煤田的水文地質(zhì)條件越來越復(fù)雜。我國各煤礦及有關(guān)部門在防治頂板水及底板水方面做了大量的工作,積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),但還存在一些問題尚有待于深入地研究和解決。本文就預(yù)測(cè)底板突水的方法,對(duì)新光集團(tuán)淮北劉東煤礦北七采區(qū)防治底板水,選擇“下三帶”和 “P-h”臨界曲線法兩種辦法進(jìn)行對(duì)比分析。

劉東煤礦開采二疊系山西組 10層煤,北七1004工作面位于北七采區(qū)中部,沿走向呈傾伏布置,工作面“兩道”開口水平標(biāo)高為 -460m,工作面切眼上下口標(biāo)高分別為 -500.82m, -516.28m;平均可采煤層厚度 3.3m左右,煤層賦存總體基本穩(wěn)定;直接底為砂巖,約 30m;以下是太原組灰?guī)r,受奧灰水補(bǔ)給水壓 2MPa,工作面突水危險(xiǎn)較大;工作面是不是可以帶壓開采,是否需要疏水降壓,是回采前必須重點(diǎn)解決的技術(shù)問題。

1 “下三帶”法預(yù)測(cè)底板突水

實(shí)測(cè)及研究表明:煤層底板在開采條件下,由于受到礦壓及巖溶水的共同作用,自上而下分為 3個(gè)帶:礦壓對(duì)底板的破壞深度帶;具有阻隔水能力的保護(hù)層帶和承壓水導(dǎo)升帶。礦壓對(duì)底板破壞深度主要與巖石的硬度系數(shù)、工作面寬度、開采深度、煤層傾角等因素有關(guān)。

1.1 煤層底板的“下三帶”[1]

通過對(duì)采動(dòng)后煤層底板破壞規(guī)律的深入研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明,采動(dòng)后煤層底板存在 3個(gè)帶,即“下三帶”,自上而下依次為破壞帶、完整巖層帶(保護(hù)層帶)及承壓水導(dǎo)升帶。“三帶”劃分如圖1所示。

圖1 “下三帶”示意

(1)破壞帶 破壞帶位于煤層底板的上部,直接鄰接煤層。該帶巖層在采動(dòng)礦壓作用下,巖層的連續(xù)性遭到破壞,巖層內(nèi)山現(xiàn)一系列裂縫,使其導(dǎo)水能力增強(qiáng)。底板破壞深度的大小與工作面長度、采煤方法、開采深度、煤層厚度、煤層傾角、頂?shù)装鍘r性及結(jié)構(gòu)等因素有關(guān),底板破壞深度一般為3～20m。

(2)完整巖層帶 (保護(hù)層帶) 完整巖層帶位于破壞帶之下。該帶巖層雖受采動(dòng)礦壓作用,甚至產(chǎn)生彈性或塑性變形,但仍保持其連續(xù)性,其阻水能力未發(fā)生變化。由于該帶是阻抗底板突水最關(guān)鍵的巖層帶,故又稱為保護(hù)層帶。完整巖層帶厚度(h2)與底板總厚度、破壞帶厚度 (h1)及承壓水導(dǎo)升帶厚度 (h3)有關(guān)。在少數(shù)礦井中,煤層采動(dòng)后其底板的完整巖層帶很薄,甚至不存在,在此情況下,底板突水的幾率會(huì)大大增加。

(3)承壓水導(dǎo)升帶 承壓水導(dǎo)升帶直接連接在承壓含水層之上,是指含水層中的承壓水沿煤層底板裂隙上升的高度,即由含水層頂面至承壓水導(dǎo)升標(biāo)高之間的部分。承壓導(dǎo)水帶的高度 (h3),取決于承壓水的壓力,煤層底板的巖性和裂隙發(fā)育程度以及受采動(dòng)影響的劇烈程度。有的礦煤層底板內(nèi)可能沒有承壓水導(dǎo)升帶。

開采煤層底板在任何情況下都會(huì)產(chǎn)生破壞,即第Ⅰ帶 (導(dǎo)水破壞帶 h1)是一定存在的,而其他兩帶可能缺一二。但其中第Ⅱ帶 (h2),即有效保護(hù)層帶對(duì)預(yù)防底板突水至關(guān)重要,其存在與否及其厚度大小 (阻水性強(qiáng)弱)是安全開采評(píng)價(jià)的重要因素。

1.2 底板導(dǎo)水破壞深度和安全水壓的計(jì)算

根據(jù)我國現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料,經(jīng)回歸分析,已獲得方便可靠的預(yù)計(jì)底板導(dǎo)水破壞帶深度的經(jīng)驗(yàn)公式,計(jì)算結(jié)果如下:

式中,h1為底板導(dǎo)水破壞深度,m;L為開采工作面斜長,m;H為開采深度,m;α為開采煤層傾角, rad。

安全水壓為:

式中,p為安全水壓,MPa;Ts為臨界突水系數(shù) (受構(gòu)造破壞塊段不大于 0.06MPa/m,正常塊段不大于 0.1MPa/m;h為隔水層厚度,m。

帶入劉東煤礦北七 1004工作面相關(guān)數(shù)據(jù) H= 500m,L=100m,α =0.5,h=30m,得:

依據(jù)計(jì)算所得的安全水壓值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的底板水壓對(duì)比,實(shí)測(cè)值 2MPa大于計(jì)算值 1.51MPa。依據(jù)此法,認(rèn)為現(xiàn)行條件下開采是不安全的,需要調(diào)整工作面長度或者進(jìn)行疏水降壓。

2 “P-h”臨界曲線法預(yù)測(cè)底板突水

“P-h”臨界曲線法預(yù)測(cè)底板突水方法,從水文地質(zhì)和工程地質(zhì)問題出發(fā),分析水文地質(zhì)條件和巖體力學(xué)將采區(qū)底板看作是一個(gè)厚度為 h的四邊固定的由復(fù)雜巖石組成的矩形板,在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出了采區(qū)底板最易破裂點(diǎn)的臨界水壓方程式[2]:

式中,p0為臨界水頭壓力,MPa;K0為底板巖體最小抗張強(qiáng)度,MPa;Lx為采空區(qū)走向跨度,亦即采煤工作面后方至冒落物壓實(shí)點(diǎn)的距離,m;Ly為采區(qū)傾斜跨度,亦即工作面長度,m;h為相對(duì)隔水底板厚度,m;γ為底板巖體平均密度,t/m3;Q為礦山壓力 (指向上作用于懸頂區(qū)底板的二次側(cè)壓力及地應(yīng)力),MPa。

當(dāng)其他條件不變時(shí),臨界水壓與隔水底板厚度h的關(guān)系可用如下簡單的拋物線方程表示:

p0為坐標(biāo)上一不通過原點(diǎn),在 P軸上有負(fù)截距c的拋物線。其曲線如圖 2所示。

圖 2 臨界水壓與隔水底板厚度的關(guān)系

圖 2表明:

(1)凡是 P,h坐標(biāo)位于拋物線的右上方的采區(qū),均可能發(fā)生底鼓、破裂,但突水現(xiàn)象只能發(fā)生在h軸的右邊;P,h坐標(biāo)位于拋物線左下方的采區(qū),既不會(huì)發(fā)生底鼓和破裂,也不會(huì)突水。

(2)采區(qū)底板之所以發(fā)生底鼓、破裂突水,是由于水頭壓力與礦山壓力共同作用的結(jié)果;P軸上的負(fù)截距 c,即為礦山壓力Q(包括地應(yīng)力)之值。當(dāng) p =0時(shí),h=h0,h0即為礦山壓力對(duì)底板的破壞深度。

(3)當(dāng)其他條件相同時(shí),h0是隨 K0的降低而呈直線減小,故底板突水多發(fā)生在破碎帶及斷層附近。

(4)p0是隨著 Lx或 Ly的增大而減小的,故改變采煤方法,縮小懸頂區(qū)跨度,可使臨界曲線向右上方移動(dòng),擴(kuò)大安全區(qū)、縮小突水區(qū),將部分可能突水的采區(qū)轉(zhuǎn)化為不突水。

從上可以看出,“P-h”臨界曲線法較“下三帶”理論法考慮的因素多而全,理論上也較有新意、較為嚴(yán)格。當(dāng)然也存有不足之處:

(1)式 (4)是以假設(shè)采區(qū)底板為水平產(chǎn)狀時(shí)而導(dǎo)出來的,因而只可應(yīng)用于水平或近似水平的采區(qū)。如用于傾斜采區(qū),則水壓 P的取值方法及系數(shù)尚須予以修正。

(2)礦山壓力值 Q難以精確計(jì)算,只能進(jìn)行估算,這一定程度上影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

帶入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù):K0=5MPa,Lx=20m,Ly=110m,h=30m,γ=2.5t/m3,Q=60MPa,得:

通過“P-h”臨界曲線法安全水壓計(jì)算結(jié)果為7.5MPa,大于實(shí)測(cè)值 2MPa。認(rèn)為此工作面帶壓開采是安全的,故可運(yùn)用此法。

3 經(jīng)濟(jì)效益

劉東煤礦如果采用“下三帶”法,則計(jì)算安全水壓為 1.51MPa,小于實(shí)測(cè) 2.0MPa,需采取調(diào)整工作面長度或疏水降壓措施。如采取調(diào)整工作面長度的方法使安全水壓提升至 2.0MPa,則需把工作面長度調(diào)整至 12m,這顯然不可行,故宜采取疏水降壓的辦法。該礦根據(jù)北六采區(qū)開采的相關(guān)資料,考慮經(jīng)濟(jì)開采和安全開采,使用“P-h”臨界曲線法計(jì)算結(jié)論,同時(shí)進(jìn)行疏水降壓。該礦北七采區(qū) 1004工作面自 2007年 12月開采,2009年 8月份開采結(jié)束,歷時(shí) 20個(gè)月,安全回采煤炭 260kt,工作面至今未出現(xiàn)任何異常,取得了可觀的效益。

4 結(jié)論

通過對(duì)劉東煤礦北七采區(qū) 1004工作面“下三帶”和“P-h”臨界曲線法兩種方法計(jì)算可知:現(xiàn)場(chǎng)安全水壓實(shí)測(cè)值 2MPa,高于“下三帶”計(jì)算結(jié)果 1.51MPa,低于 “P-h”臨界曲線法計(jì)算結(jié)果7.5MPa?！跋氯龓А崩碚摲椒ǖ挠?jì)算結(jié)果偏于保守,當(dāng)然可以增加煤層開采的安全系數(shù),但是這樣也使一些本來可以帶壓開采的煤層由于計(jì)算數(shù)據(jù)的保守而不敢開采,造成煤炭資源的損失或開采成本的增加?！癙-h”臨界曲線法結(jié)果在各項(xiàng)參數(shù)比較齊全準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上,會(huì)更貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

“下三帶”理論對(duì)于承壓含水層上采煤底板突水預(yù)測(cè)、開采安全性論證、選擇開采方案及編制有關(guān)安全開采的技術(shù)措施都有較高的實(shí)用價(jià)值,應(yīng)用也較簡單。但是這種方法沒有考慮到底板巖層的性質(zhì)、強(qiáng)度、工作面推進(jìn)速度等重要因素?！癙-h”臨界曲線法,則考慮因素較多,但是仍然未考慮工作面推進(jìn)速度因素,對(duì)于資料豐富的礦井可以做出拋物線系,以增加預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

[1]張文泉,李白英 .“下三帶”理論的發(fā)展和應(yīng)用 [J].礦井水文地質(zhì),2001.

[2]葛亮濤,等.中國煤田水文地質(zhì)學(xué) [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.

[責(zé)任編輯:徐乃忠]

“Down 3 Zones”Theory and“P-h”Critical CurveM ethod for FloorWater-burst ing Forecast

L IWan-jun,YANG Jia-bing

(Xinguang Group Co.,Ltd,Yancheng 235000,China)

“Down 3 Zones”theory plays an important role in mining above pressurized water and preventing floorwater-bursting after long-ter m theory research and practice.“P-h”critical curve method present in this paper could use more factors in methods of predicting floorwater-bursting and was of practice value.

down 3 zones;height of floorwater-conductive fissure zone;“P-h”critical curve method;floorwater-bursting

TD327.3

A

1006-6225(2010)05-0045-03

2010-06-21

李萬軍 (1966-),男,江蘇鹽城人,工程師,現(xiàn)為新光集團(tuán)生產(chǎn)技術(shù)部主任。