礦井?dāng)鄬訋У装逋凰畽C(jī)理及防治措施研究

陳 魁

（大同煤礦集團(tuán)王村煤業(yè)公司，山西 大同037001）

我國煤礦水文地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，采礦活動(dòng)受到各種水害的威脅，水害事故頻發(fā)[1-5]。在煤礦（瓦斯，煤塵，水害，火災(zāi)，頂板）的五大災(zāi)害中，水害事故傷亡人數(shù)一直處于前列，僅次于礦井瓦斯災(zāi)害。水害事故一旦發(fā)生，對(duì)礦井影響范圍廣，搶救難度大，處理時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)恢復(fù)困難，對(duì)礦山造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大。在煤層下的承壓含水層，為引起底板突水的主要原因之一。而承壓含水層又往往位于斷層破裂帶等地質(zhì)構(gòu)造中。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，79.5%的底板突水事故發(fā)生在斷層等不良地質(zhì)構(gòu)造處[6]。因此，研究礦井?dāng)鄬訋凰畽C(jī)理及防治措施具有重要意義。

1 底板突水基本因素

影響底板突水的因素主要包括：地質(zhì)構(gòu)造（主要指斷層構(gòu)造），礦山壓力，隔水層，承壓水和采礦活動(dòng)，而突水災(zāi)害的發(fā)生，往往是以上幾種因素的組合。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造引起的突水事故（主要由斷層構(gòu)造引起）是突水的主要控制因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約80%的底板突水事故與斷層構(gòu)造有關(guān)。因此為效預(yù)測(cè)煤層底板突水，應(yīng)充分了解礦井水文地質(zhì)資料，尤其是井田范圍內(nèi)斷層的發(fā)育及含水情況，一般而言，逆斷層與正斷層相比不易發(fā)生突水。斷層與回采面的相對(duì)距離及位置，也是影響斷層是否發(fā)生突水的因素之一，在開采過程中應(yīng)充分考慮。

1.2 底板承壓水

含水量和水壓大小決定了承壓水的危害程度，含水量大則突水后造成的危害大，波及范圍廣，嚴(yán)重時(shí)甚至整個(gè)礦井被水淹沒，造成巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，水壓大則發(fā)生突水的概率大，需要留設(shè)的隔水層厚度應(yīng)相應(yīng)增大，且承壓水可沿巖石裂隙侵入更廣的范圍，造成裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展，在采礦活動(dòng)中應(yīng)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)承壓水的位置、含水量等參數(shù)，避免造成突水事故。

1.3 底板隔水層

巖石性質(zhì)及隔水層厚度決定了隔水層的隔水能力，底板隔水層受采礦活動(dòng)影響,自上而下可分為“采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶三帶”、“有效隔水層帶”、“承壓水導(dǎo)升帶”，“有效隔水層帶”即為未受采礦活動(dòng)影響的完整巖石帶，若在采礦活動(dòng)中擾動(dòng)過大，可能導(dǎo)致承壓水突破隔水層。

1.4 礦山壓力

礦井壓力在底板突水過程中起著重要作用。回采工作面時(shí)，底板巖層會(huì)經(jīng)受“壓縮、膨脹和再壓縮”的過程。由于巖石受到反復(fù)壓縮和卸載，導(dǎo)致巖石原有裂隙的擴(kuò)張，以及新裂隙的形成，從而為形成充水通道提供了條件，同時(shí)巖石的反復(fù)壓縮，還會(huì)造成其強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致有效隔水層厚度減小。

1.5 開采活動(dòng)

2 斷層帶底板突水機(jī)理

斷層的破裂帶形成了充水通道，因而斷層的存在往往是造成礦井底板突水的主要因素之一，因此有必要從力學(xué)角度了解斷層突水的機(jī)理，以進(jìn)一步了解斷層突水的原理，同時(shí)為防治該類底板突水事故提供一定的理論依據(jù)。

圖1 斷層突水機(jī)理示意圖

斷層為工作面底板巖體的軟弱面。在長(zhǎng)期的地質(zhì)活動(dòng)及原巖應(yīng)力作用下，斷層保持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，但由于采掘活動(dòng)的進(jìn)行，這種原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，導(dǎo)致應(yīng)力重分布，以及誘發(fā)斷層的突然活動(dòng)。如圖1 所示，斷層突水分析中，z 為交點(diǎn)距煤層的深度，底板與斷層形成充水裂隙的條件為：受采動(dòng)影響形成的底板破壞深度h 不小于底板高峰應(yīng)力線與斷層交點(diǎn)的深度z，即：h≥z。

參照相關(guān)文獻(xiàn)建立斷層活化受力的力學(xué)模型如圖2 所示，并進(jìn)行臨界受力狀態(tài)分析，以得出誘發(fā)斷層活動(dòng)的臨界水壓力。

圖2 斷層受力模型

斷層面上的正應(yīng)力σn為：

由摩爾- 庫倫準(zhǔn)則得到斷層抗剪強(qiáng)度：

則斷層發(fā)生活化的條件是：

Pcr即斷層在活化時(shí)的臨界水壓力，可作為受采動(dòng)影響下斷層是否會(huì)突水的計(jì)算指標(biāo)之一，若實(shí)際水壓力大于臨界水壓力，則有突水的危險(xiǎn)，相反則較為安全。

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據(jù)礦山壓力理論，σz和σx可按下式計(jì)算：

式中：K0為最大應(yīng)力集中系數(shù)；γ 為開采上覆巖土層平距容重kN/m3；H 為開采煤層埋深，m；λ為側(cè)向壓力系數(shù)。

結(jié)合式（6）（7）（8）可得：

Hcr是采礦擾動(dòng)致使斷層活化時(shí)的臨界開采深度，由此可知若底板斷層附近的煤層開采深度大于臨界開采深度則容易誘發(fā)底板斷層突水。

3 防治水主要措施

結(jié)合以上分析可知，底板含水層水壓力，及煤層開采深度是誘發(fā)斷層活化，底板突水的主要因素，針對(duì)以上問題，提出下列防治水措施。

3.1 留設(shè)隔水煤柱

留設(shè)隔水煤柱，相當(dāng)于增加了隔水層區(qū)域范圍，在工作面受采礦擾動(dòng)時(shí)，對(duì)工作面的防水安全具有重要意義，安全隔水煤巖柱示意圖如圖3 所示：

圖3 斷層防水煤柱示意圖

安全隔水煤巖柱經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：L 為煤柱留設(shè)的寬度，m；K 為安全系數(shù)，一般取2-5；M 為煤層厚度或采高，m；p 為水頭壓力，MPa；Kp為煤的抗拉強(qiáng)度，MPa

3.2 降低水壓

由式6 可知，承壓水水壓，與斷層帶底板突水由著密不可分的關(guān)系，水壓過大很容易引起突水事故的發(fā)生，因此降低承壓水水壓是防治斷層帶底板突水的重要措施之一，根據(jù)礦井具體地質(zhì)條件可采用不同的降低水壓方法，如在井田外圍堵截地表水或采用井點(diǎn)降水，在礦井內(nèi)部設(shè)置專用的抽水巷，布置合理的鉆眼打鉆放水等，同時(shí)需要注意在降低水壓過程中的安全問題，避免在不合理的位置布置鉆眼，以及錯(cuò)誤鉆眼布置方式引起的承壓水大量外泄及突出。

3.3 注漿堵水

如圖4 所示注漿堵水主要包括兩方面，一是對(duì)隔水層的局部裂隙進(jìn)行注漿，封堵隔水層裂隙，增加隔水層巖體的完整性，二是對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行注漿，封堵斷層破碎帶的充水通道，注漿時(shí)可以通過工作面運(yùn)輸大巷、回風(fēng)大巷等打鉆到斷裂構(gòu)造導(dǎo)水通道帶，在注漿前要充分了解地質(zhì)資料，準(zhǔn)確選定注漿位置，注漿量、注漿壓力等。

圖4 注漿堵水示意圖

3.4 建立礦井綜合防治水體系

為有效進(jìn)行礦井防治水及斷層帶底板突水，以上措施遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，更要建立起礦井綜合防治水體系，對(duì)井下突水災(zāi)害做到預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，在對(duì)煤層開采前，要查清井田水文地質(zhì)條件，特別注意礦井水補(bǔ)給來源、含水層位置及涌水通道等，對(duì)能堵截的要進(jìn)行堵截，不能堵截的要采取疏干降水等措施，同時(shí)為降低開采活動(dòng)對(duì)斷層的擾動(dòng)而引起底板突水，在開采前要選擇合理的開采方法，并對(duì)工作面進(jìn)行優(yōu)化布置，以使采礦擾動(dòng)降低到最小，井下采掘工作面應(yīng)建立起突水預(yù)警機(jī)制，設(shè)立專職的水文觀測(cè)員，記錄每班水量水壓變化情況，并安裝專用電話及報(bào)警器，在可能出現(xiàn)水害情況時(shí)應(yīng)及時(shí)上報(bào)，設(shè)立專用的突水避難硐室及逃生通道，在出現(xiàn)水害時(shí)安全員應(yīng)立即發(fā)起警報(bào)，按照預(yù)定路線撤離相關(guān)人員。

4 結(jié) 論

1）采礦擾動(dòng)引起的圍巖應(yīng)力充分布，是誘發(fā)底板斷層突水的主要原因之一，因此在開采過程中應(yīng)通過一系列優(yōu)化布置來減少開采擾動(dòng)，同時(shí)斷層含水壓力，及煤層開采深度也是誘發(fā)底板突水的重要因素，在開采活動(dòng)中要對(duì)其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和觀測(cè)。

2）對(duì)斷層活化的力學(xué)模型進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出了斷層活化時(shí)的臨界水壓力及臨界開采深度，在實(shí)際應(yīng)用中，可對(duì)指標(biāo)進(jìn)行量化來評(píng)估底板斷層突水的概率。

3）在探討以上突水機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出一系列防治水措施名主要包括：留設(shè)隔水煤柱、降低水壓、注漿堵水、建立礦井綜合防治水體系。