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在承壓水體上安全采煤問題

  
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我國華北及華東地區的主要礦區如開灤礦區、兗州礦區、新汶礦區、棗莊礦區,開采石炭二疊系煤層。煤系基底為奧陶系石灰巖,厚度大、巖溶裂隙發育、富水性強、水壓大。當遇有地質構造(如斷裂構造)時,奧陶系石灰巖與上覆的本溪組或太原組的石灰巖連通,發生水力聯系,造成底板突水事故。有些煤層由于受奧陶系石灰巖承壓水的威脅而不能開采。因此,研究和解決受奧陶系石灰巖承壓水威脅煤層的安全開采問題,對于煤礦的安全生產和解放呆滯的煤炭資源具有重大的現實意義。
??????? 一、底板突水類型
??????? 1、按底板突水地點分:巷道突水、采煤工作面突水。
??????? 2、按突水的動態表現形式分:
??????? (1)爆發型:突然爆發,即達峰值,過后突水近于穩定、減小。來勢猛、速度快、沖擊力大,常有巖石碎屑伴水突出。
??????? (2)緩沖型:水量由小到大逐漸增大,經幾小時、幾天、甚至幾月才達到峰值。
??????? (3)滯后型:采掘工作面推過后,在巷道、采空區內發生突水,滯后時間幾天、幾個月、幾年,突水量可急可緩。
??????? 3、按突水量大小分:
??????? (1)特大型:突水量等于或大于50? ;
??????? 49 ;~(2)大型:20
??????? 19 ;~(3)中型:5
??????? (4)小型:小于5 。
??????? 二、開采后底板巖層破壞規律
??????? 在開采過程中,煤層底板應力重新分布造成底板巖層的變形與破壞,削弱了底板巖層的阻水能力,甚至形成突水通道。因此,研究開采后煤層底板的應力重新分布、變形與破壞規律,是研究煤層底板突水問題的基礎。
??????? 1、開采過程中工作面底板應力變形特征
??????? 采煤工作面周圍應力的分布情況:按應力大小分升高應力區(增壓區)、降低應力區(減壓區)和原始應力區(穩壓區)。
??????? 采煤工作面底板應力與變形情況:按應力與變形性質分壓縮區(壓應力)、膨脹區(拉應力)、壓縮區與膨脹區之間(剪應力)。拉應力與剪應力使底板出現一系列垂直于層面的斷裂。垂直斷裂與層理、順層斷裂交叉,形成底板破碎帶。
??????? 2、煤層底板“下三帶”
??????? 根據煤層底板的破壞情況及地下水的導升情況,采煤工作面連續推進后,工作面及采空區煤層底板可分為三帶
??????? (1)破壞帶:直接與工作面鄰接的底板,出現一系列沿層面和垂直于層面的斷裂,使底板導水能力增強,因此又稱為導水破壞帶,其厚度稱底板破壞深度h1,可達幾米到十幾米。
??????? (2)保護層帶:位于破壞帶之下的完整巖層,巖層在支承壓力作用下產生彈性變形或塑性變形,但仍保持連續性,其阻水能力未發生變化。因此,又稱完整巖層帶或阻水帶。其厚度為h2。
??????? (3)地下水導升帶:位于保護層帶之下,底板承壓水,沿底板隔水層裂隙上升的高度,其厚度為h3。
??????? (4)底板含水層頂部充填隔水帶:有時底板含水層頂部存在泥質物的充填,具有隔水作用,其厚度以h4表示。
??????? 根據下三帶理論,預測承壓水體上采煤有四種情況,
??????? 三、影響底板突水因素
??????? 1、水源條件
??????? 水源條件包括水壓和水量。水量是突水的物質基礎;水壓是突水的動力。水量越豐富,突水量越大,其危害性也越大。水壓大,一方面沖破力大;另一方面在隔水層裂隙中導升高度增大,水壓越大其破壞性越大。
??????? 2、礦山壓力
??????? (1)有周期來壓的采煤工作面,在初次來壓、周期來壓時,支承壓力大,對底板破壞嚴重,易發生底板突水事故。
??????? (2)在采煤工作面后部采空區附近的底板處于降低應力區或變形膨脹區,頂板垮落不充分,斷裂張開,阻水能力最弱,易于突水。
??????? (3)初次來壓前,在開切眼附近,老頂大面積懸露、且直接頂垮落不接頂,底板形成較大的自由面,易于突水;
??????? (4)工作面推進速度太慢或停止時,在停采線處由于支承壓力的長時
??????? 期作用,使底板破壞嚴重,易于突水。工作面推進速度快,采空區底板還來不及形成較大的斷裂,就會由膨脹狀態變為壓縮狀態,有利于防止底板突水;
??????? (5)區段煤柱在側向支承壓力的作用下,邊緣處破壞;煤柱邊緣處頂板垮落不充分,易于突水。
??????? 3、隔水層(保護層)阻力
??????? 0.3Mpa/m~隔水層的強度、厚度及裂隙發育程度,影響隔水層阻力的大小。隔水層阻力系數(Z),以Mpa/m表示,在一般情況下Z=0.1 。
??????? 4、地質構造
????????? 地質構造,特別是斷裂構造,是造成煤層底板突水的主要原因。我國絕大部分(80%以上)的底板突水,是由斷裂構造引起的。
??????? (1)斷裂錯距的存在,縮短了含水層與煤層之間的距離,使底板隔水
??????? 層厚度減小甚至消失(見圖4)。
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??????? (2)斷裂錯動時,斷裂影響范圍內的巖石比較破碎,極大地破壞了隔水層巖石的完整性,降低了隔水層的阻水能力。
??????? (3)斷裂錯動時,斷裂影響范圍內的巖石比較破碎,具有良好的儲水和導水特征,當采煤工作面揭露到斷裂構造時,即會發生底板突水。
??????? (4)采煤工作面底板巖體中存在斷裂構造時,使底板的破壞帶深度增大。
??????? 四、承壓水體上采煤防水安全媒巖柱的留設
??????? 1、防水安全煤巖柱的類型
??????? 承壓水體上采煤,對于不同采動等級的水體,都必須留設安全媒巖柱。
??????? 表1為承壓水體上采煤的采動等級、允許采動程度及留設的安全煤巖柱類型。
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??????? 2、防水安全煤巖柱的設計
??????? 原則:不允許底板采動導水破壞帶波及水體,或與承壓水導升帶溝通。

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