某礦區(qū)采動(dòng)斷層的突水與控制研究

摘 要：礦井突水問題一直是困擾煤礦生產(chǎn)的一個(gè)難點(diǎn)問題，利用采動(dòng)巖體結(jié)構(gòu)破壞與裂隙演化及滲流突變規(guī)律科學(xué)問題進(jìn)行研究，利用理論分析、數(shù)值模擬方法等探討了礦井突水的斷層活化突水機(jī)理。通過分析探討其突水機(jī)理，為保障礦井安全生產(chǎn)，要有針對性實(shí)施各井田下煤組的開采方法及防突水措施。

關(guān)鍵詞：采動(dòng)斷層；突水；控制

1 概況

礦區(qū)煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為6萬噸/年的斜井，礦井開拓方式是斜井片盤式，礦區(qū)地形為丘陵地帶，區(qū)內(nèi)地形簡單，地勢東高西低，最高標(biāo)高為+223.4米，最低標(biāo)高為+210.4米，相對高差13米。礦的西部坡底有人字形水溝一條，標(biāo)高為+206.6米，該水溝為季節(jié)性水溝，降雨時(shí)有水流過，其它時(shí)間溝內(nèi)無積水。由于地勢高差大、流速快，雨季最大降水時(shí)，不足二米深的水溝中水深也不過半米，并且雨過數(shù)小時(shí)后，水溝即斷流。礦區(qū)范圍內(nèi)地表無積水、無塌陷坑、無裂隙。多為山地地表生長有次生林與人工林。

井田構(gòu)造總的規(guī)律：構(gòu)造形跡在空間的展布低，序次的構(gòu)造特征都與煤田構(gòu)造規(guī)律有其成生聯(lián)系。煤系地層走向近北北東呈長條帶狀分布，傾向南東的單斜構(gòu)造，構(gòu)造特征以斷裂為主，伴隨產(chǎn)生小型波狀褶曲，由于主干斷層的影響，派生小構(gòu)造比較發(fā)育，井田內(nèi)以F3斷層為主。受F3斷層影響煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度變薄，走向發(fā)生變化成平緩褶曲圍巖破碎。本區(qū)第四紀(jì)含水巖系的補(bǔ)給主要靠大氣降水。其它含水巖系則以斷層、裂隙等為自己的來水通路，補(bǔ)給條件不好。隨著煤層的采動(dòng)，地表都有不同程度的緩慢下降，每到七、八、九月降雨時(shí)候，井下涌水量隨降雨量大小而增減，這足以說明井下的涌水量大小與降雨量呈正比的。

2 采動(dòng)斷層的突水

2.1 采動(dòng)斷層突水原因分析

隨著采深增加，水壓加大，小斷層（H<10m）突水機(jī)率愈將變大.另外，由表1可以看出突水與采掘類型關(guān)系十分密切，在67次突水中，掘進(jìn)巷道突水44次，占65.7%；回采工作面突水23次，占34.3%，100m3/min以上突水7次，掘進(jìn)巷道突水6次，占85.71%，可見掘進(jìn)巷道突水十分嚴(yán)重。

2.2 采動(dòng)斷層突水條件分析

礦井突水的兩個(gè)先決條件——突水水源和突水通道，在分析地下水對巖體的物理化學(xué)及力學(xué)作用，以及探討地下水對斷層活化突水的影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，對水巖作用機(jī)理進(jìn)行了研究?；诓牧狭W(xué)中的固支梁理論，建立了水壓作用下斷層張開位移方程。根據(jù)斷裂力學(xué)中的D-M模型，提出了水壓和礦壓作用下斷層附近巖體裂隙起裂的判據(jù)，并分析了水壓、巖性和斷層傾角對其影響的規(guī)律。通過對底板隔水層破壞機(jī)理的研究，提出了底板組合隔水層概念，建立了底板組合隔水層的非線性力學(xué)模型，推導(dǎo)出了組合隔水層的非線性失穩(wěn)的力學(xué)充要條件，分析了組合隔水層中軟巖的力學(xué)性質(zhì)及巷道跨度對組合隔水層穩(wěn)定性的影響；從巖體力學(xué)理論著手，分析在礦壓和水壓作用下，采動(dòng)斷層對底板隔水層穩(wěn)定性的影響，得到了底板隔水層臨界水壓力公式，并提出了斷層影響下底板突水的判據(jù)，分析了斷層傾角、斷層的內(nèi)聚力及隔水層厚度對底板突水的影響規(guī)律。

依據(jù)隔水關(guān)鍵層的概念，分析了小斷層的突水機(jī)理。運(yùn)用RFPA-FLOW2D軟件模擬小斷層突水規(guī)律，分析小斷層影響下底板突水通道的形成過程。模擬結(jié)果表明小斷層活化突水過程分三個(gè)階段，即小斷層活化階段、小斷層活化區(qū)擴(kuò)展階段和裂隙貫通階段。通過對滲流場演化結(jié)果的解讀發(fā)現(xiàn)滲流場與裂隙場同步演化，滲流場能標(biāo)示工作面突水的位置；多條小斷層活化突水模擬結(jié)果表明，底板中小斷層分布密度越大，越容易發(fā)生底板突水。

3 采動(dòng)斷層突水的控制措施

根據(jù)以上分析，結(jié)合礦區(qū)實(shí)際，我們認(rèn)為搞好底板突水防治主要從以下幾個(gè)方面入手。防止礦井突水的目的，一是為了保障礦井安全生產(chǎn)，二是為了保護(hù)地下水資源，保護(hù)環(huán)境。查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件，在各種可能導(dǎo)水的斷層附近預(yù)留防水保安煤柱，加強(qiáng)對礦井涌水量的監(jiān)測工作，減少流向礦區(qū)排泄區(qū)的地下水流量，為礦區(qū)生產(chǎn)、生活提供用水，也保障礦井安全生產(chǎn)。

3.1 加強(qiáng)水文地質(zhì)預(yù)測

對礦井生產(chǎn)地區(qū)進(jìn)行逐頭、逐面分析，加強(qiáng)對礦井舊區(qū)工作對照、地質(zhì)和水害情況預(yù)報(bào)工作。每年雨季來臨期間，加強(qiáng)井上下巡視工作。礦井應(yīng)當(dāng)建立數(shù)字化圖件內(nèi)容真實(shí)可靠，并每半年對圖紙內(nèi)容進(jìn)行修正完善，及時(shí)、準(zhǔn)確的水文地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，可減少突水和降低突水強(qiáng)度，保證安全生產(chǎn)。

3.2 加強(qiáng)安全教育培訓(xùn)

礦井應(yīng)當(dāng)對職工進(jìn)行防治水知識(shí)的教育和培訓(xùn)，保證職工具備必要的防治水知識(shí)，提高防治水工作的技能和抵御水災(zāi)的能力。用業(yè)已成熟的井下直流電法探測技術(shù)、瑞利波探測技術(shù)和工作面坑道透視技術(shù)對生產(chǎn)區(qū)進(jìn)行探測，查明生產(chǎn)區(qū)底板巖溶含水層富水情況，確定生產(chǎn)過程中發(fā)生突水的機(jī)率，提出相應(yīng)的防治措施。

3.3 加強(qiáng)初壓面管理，人工放頂。初壓面頂板不易冒落，懸頂面積大，礦壓對底板破壞最嚴(yán)重。根據(jù)前面分析，初壓及第一次周壓地段是最易突水地段，因而加強(qiáng)初壓面管理十分重要。為減少礦壓對底板的破壞作用，回采前在切眼打好放頂眼，工作面推進(jìn)后，及時(shí)進(jìn)行人工放頂，大大減弱了礦壓對底板的破壞作用，有效地防止了初壓面突水，使工作面得以安全回采，可見初壓面管理的重要性。

3.4 改革巷道布設(shè)，減少惡性突水

礦區(qū)礦井水平大巷，建立防水閘門（墻）主要是防止二灰、奧灰突水淹井。由于二灰、奧灰突水具有水量大、來勢猛的特點(diǎn)，且其涌水量難準(zhǔn)確預(yù)計(jì)，若按突水量布置排水設(shè)施技術(shù)難度大，經(jīng)濟(jì)上也不合理，所以按水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度，采取分翼、分水平或分區(qū)設(shè)置防水閘門（墻）進(jìn)行隔離防水，可避免因一處突大水而造成礦井被淹沒的后果。

3.5 加強(qiáng)初壓面管理，人工放頂初壓面頂板不易冒落，懸頂面積大，礦壓對底板破壞最嚴(yán)重。為減少礦壓對底板的破壞作用，回采前在切眼打好放頂眼，工作面推進(jìn)后，及時(shí)進(jìn)行人工放頂，大大減弱了礦壓對底板的破壞作用，有效地防止了初壓面突水，使工作面得以安全回采，可見初壓面管理的重要性。

3.6 注漿改造是預(yù)防工作面突水的有效措施

該技術(shù)通過地面注漿站集中造漿、注漿，井下施工注漿孔向介于煤層和奧灰強(qiáng)含水層之間的薄層灰?guī)r（即徐灰）注漿，是預(yù)防突水的綜合防治水技術(shù).實(shí)踐證明該技術(shù)是成功的。注漿改造作用及特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：改變了含水層的富水性；增加了有效隔水層厚度，對預(yù)防出水極為有利。

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