红柳林煤矿水害隐蔽致灾因素研究(1).pdf

分类号 TD745 密级 工程工程硕士学位论文硕士学位论文 红柳林红柳林煤矿煤矿水害水害隐蔽致灾因素隐蔽致灾因素研究研究 Research on the hidden hazards of water disaster in Hongliulin coal mine 申请人姓名申请人姓名 张博辉张博辉 指导教师指导教师 罗振敏罗振敏 肖永福肖永福 专业类别专业类别 非全日制专业学位硕士非全日制专业学位硕士 工程领域工程领域 安全工程安全工程 研究方向研究方向 煤矿灾害防治煤矿灾害防治 西 安 科 技 大西 安 科 技 大 学学 二二〇二二〇年年七七月月 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 目录 I 目录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 背景与意义 ................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ........................................................................................................... 2 1.2.1 采空区探测 ............................................................................................................ 2 1.2.2 导水裂隙带探测 .................................................................................................... 4 1.3 主要研究内容与技术路线 ........................................................................................... 6 1.3.1 研究内容 ................................................................................................................ 6 1.3.2 技术路线 ................................................................................................................ 7 2 矿井概况 ................................................................................................................................. 8 2.1 矿井基本情况 ............................................................................................................... 8 2.1.1 位置 ........................................................................................................................ 8 2.1.2 四邻关系 ................................................................................................................ 9 2.1.3 矿井开采情况 ........................................................................................................ 9 2.2 地质概况 ..................................................................................................................... 12 2.2.1 地层 ...................................................................................................................... 12 2.2.2 煤层 ...................................................................................................................... 12 2.3 水文地质条件 ............................................................................................................. 12 2.3.1 含隔水层 .............................................................................................................. 12 2.3.2 地下水补径排 ...................................................................................................... 14 2.3.3 矿坑水充水水源 .................................................................................................. 15 2.4 本章小结 ..................................................................................................................... 15 3 水害隐蔽致灾因素识别与探查 ........................................................................................... 16 3.1 导水裂隙带高度探查 ................................................................................................. 16 3.1.1 经验公式法 .......................................................................................................... 16 3.1.2 导水裂隙带高度实测 .......................................................................................... 17 3.1.3 导水裂隙带高度回归分析 .................................................................................. 25 3.2 地下含水体探查 ......................................................................................................... 31 3.2.1 煤层与地下含水体关系 ...................................................................................... 31 3.2.2 基岩裂隙及烧变岩含水层 .................................................................................. 31 3.3 矿井及周边采空区探查 ............................................................................................. 42 3.3.1 红柳林煤矿采空区 .............................................................................................. 42 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 II 3.3.2 周边采空区 .......................................................................................................... 42 3.3.3 其它采空区 .......................................................................................................... 45 3.4 本章小结 ..................................................................................................................... 45 4 矿井水害隐蔽致灾因素危险性分析 ................................................................................... 46 4.1 预先危险性分析法 ..................................................................................................... 46 4.2 事故树分析法 ............................................................................................................. 47 4.2.1 一般程序 .............................................................................................................. 47 4.2.2 矿井水害事故树构造 .......................................................................................... 48 4.2.3 事故树分析 .......................................................................................................... 49 4.2.4 结果分析 .............................................................................................................. 49 4.3 本章小结 ..................................................................................................................... 50 5 矿井水害隐蔽致灾因素防治措施 ....................................................................................... 51 5.1 老空区水害防治 ......................................................................................................... 51 5.2 烧变岩水害防治 ......................................................................................................... 52 5.3 巷道及工作面防治水 ................................................................................................. 52 5.4 矿井排水系统改造 ..................................................................................................... 53 5.5 本章小结 ..................................................................................................................... 56 6 结论与展望 ........................................................................................................................... 57 6.1 结论 ............................................................................................................................. 57 6.2 展望 ............................................................................................................................. 57 致谢 .......................................................................................................................................... 58 参考文献 .................................................................................................................................. 59 附录 .......................................................................................................................................... 62 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 背景与意义 作为世界上第一个煤电大国， 我国煤矿安全事故和世界先进煤炭生产国家仍有较大 差距，曾经一度是美国的 10 倍[1]。2019 年，我国发生死亡安全事故 170 起，死亡 316 人，百万吨死亡率为 0.083[2]。其中，透水事故已成为威胁职工和煤矿安全的主要因素， 给国家和人民带来了巨大的经济损失和大量的人身伤害。自上世纪 80 年代以来，为了 满足国民经济发展对能源的需求，我国矿业开采进入高速发展期。由于缺乏管理和统一 规划，早期煤炭资源开发利用秩序较为混乱，随意性很强，大量的非法采掘者在煤层露 头乱采滥挖，形成的采空区规模庞大，形状各异，富水性差别极大。更有甚者，在 2000 年以后，一些具有合法手续的小规模生产者仍在进行非法盗采活动，在规定的开采边界 的外围疯狂进行采掘，为相邻矿井的安全生产带来了巨大安全隐患[3-4]。 受制于缺油少气的资源禀赋特征，我国今后一段时间内，煤炭资源仍然是国民经济 发展的支柱[5-8]。为此，国家从宏观层面上指导各大型煤炭生产基地进行合并整改，以 提升产能，淘汰落后工艺。整合后的矿井，一般都配备机械化综采设备，掘进能力显著 提升。对安全生产的要求日益严格，标准也是不断提高，煤矿安全生产形势得到了很大 改善，事故数量和死亡人数持续下降，逐步接近中等发达国家水平。但重特大事故尤其 是水害事故时有发生，如王家岭煤矿透水事故，根据国务院安委会的通报，本次事故的 主要原因是矿方不掌握老窑采空区积水情况，没有安排响应的地质勘探工作，隐蔽致灾 因素排查不到位；山东华源矿业公司溃水事故，根据事故分析，是由于矿方未开展水文 调查工作，对周边的老空水未查明，未按照防治水相关规定进行作业造成。 这些事故究其原因都是由于水文地质条件未能够查明， 从而构成煤炭资源大规模开 采最大的隐蔽致灾因素，成了大型矿井生产中的一颗“定时炸弹”，严重威胁着井下正常 生产[9-13]及生命安全，丝毫怠慢不得[14-16]。全面普查煤矿水害隐蔽致灾因素，可防患于 未然，有效减少水害事故的发生。 红柳林矿井周边有 3 个小煤矿，包括吃开沟煤矿（现汇兴煤矿），河湾煤矿和敖包 沟煤矿。3 个煤矿均属于地方矿，都具有一定规模、开采时间很长。目前尚不清楚采空 区的位置和范围，也无法预测其积水量，这给红柳林煤矿开拓系统布置带来巨大困难。 本次开展此项研究， 也是贯彻国家和省上相关规定和要求， 从源头遏制和消除安全隐患。 本文查明了红柳林煤矿主采煤层的水害隐蔽致灾因素， 并提出矿井防范水害隐蔽致灾因 素的相应措施，为煤矿开拓布置和安全生产提供安全保障，具有重要的实际意义。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 一般而言，煤矿隐蔽致灾因素错综复杂，但主要还是与隐伏的地质因素相关，如构 造、瓦斯、含水体等，而其它一部分是与开采历史有关，如采空区、导水裂隙带、封闭 不良钻孔和废弃老窑等。本文针对水害隐蔽致灾因素研究，故对采空区、导水裂隙带等 要素的探查方法进行综述。 1.2.1 采空区探测 由于事先对采空区分布状况，大小形态等一无所知，老空区范围的确定是一件十分 令人头疼的事情。一般来说有 3 种方法来确定采空区范围，即采空区地面调查、钻探和 物探。 （1）地面调查法 姚改委等[17]详细介绍了采空区地面调查的主要内容和方法。 程立年[18]依据现场调查 结合采掘图估测了采空区范围。然而，通过地面调查来确定采空区范围受很多因素的制 约，一般很难获较为取准确的采空区边界。 （2）物探法 随着物探技术的发展，物探越来越多地成为采空区探测的主流技术。本文主要介绍 的物探方法包括激发极化法、直流电法、电磁法、地震波法等。 ①激发极化法 激发极化法实际上是由电法发展而来的。 其原理是充放电过程引起的附加电场具有 一定的变化规律。扑捉附加电场随时间变化的信号，就能反演处富水区。激发极化法包 括直流、交流和磁激发极化等 3 种。翟建山等[19]通过激发极化参数和视电阻率，确定了 采空区范围和积水情况。 郝宇军等[20]基于瞬变电磁法和钻孔激发极化法对掘进巷道前方 采空区进行了探测，认为两种方法可以圈定富水区且结果可靠。 ②直流电法 直流电法通过研究与地质体有关的直流电场的分布特点和规律， 进行找矿和解决某 些地质问题。直流电法包括自然电场法、电阻率法和充电法。其中电阻率法应用最广， 又可进一步分为电测探法、电剖面法、中间梯度法和高密度电法。早期直流电法主要用 于煤矿区的水资源勘探，包括地面直流电法和井下直流电法，直流电法的任务是发现富 水含水层的空间位置，在解决供水的同时，提供防治水的目标层位。由于煤层采空以后 形成的采动空间改变了激发极化的一些特点，从而形成激发极化异常区。当采空区面积 大小不同、积水情况不同时，视电阻率和幅频率值也会发生响应的变化，这为通过直流 电法进行采空区探测提供了理论依据。 曾若云[21]利用直流电法实现了老窑采空区的探测， 其准确率 80以上。 韩德品等[22]依据采空区满水和未积满水的低阻异常这一地球物理特 万方数据 1 绪论 3 征值，圈定了老窑积水区。 ③电磁法 又称电磁感应法，不同介质的电容率（ε）、电导率（σ）、磁导率为（μ）都存在 一定的差异，因此会在天然的或人工的交变电磁场中呈现出规律性的变化，这可以实现 某些特征变量的识别。瞬变电磁法是应用最广的电磁法。瞬变电磁法（TEM）通过不接 地回路或方波电流提供的接地电极，将第一电磁场间歇性地送到地面。在第一次电磁场 发射的间歇中，利用地下地质良导体和接收回路测量二次涡流感应电磁场[23]。通过研究 二次涡旋电磁场的时空分布特征，能够准确提供构造、富水性、采空区等地质信息。其 原理如图 1.1 所示。 TEM 的原理可用“烟环效应”来解释[24]。电磁波在不同介质中的传播速度是不一样 的，可由公式v c/n来计算（c 和 n 分布表示真空中的光速和介质的折射率），由于光 在空气中的折射率远小于在导电介质中折射率，因此电磁波在空气中的传播速率更高。 当第一电流被切断时，第一电磁场的剧烈变化会扩散到传输回路周围的表面，因此最早 的感应电流仅限于表面。表面周围的感应电流将逐渐向下和向外扩散，但随着时间的推 移，能量逐渐被消耗，感应电流的强度会快速衰减。研究表明，涡流在地表产生磁场与 水平环形线电流的磁场十分类似，因此可以做等效处理。“烟圈效应”的原理如图 1.2 所 示。通过一系列公式，绘制电阻率深度剖面图，进而解释地下地质条件。 图 1.1 TEM 的原理示意图 图 1.2 “烟圈效应”原理示意 瞬变电磁法对地下导电性好的地质体具有很强的响应能力， 适用于含水层富水性评 价、采空区探测和断层破碎带含水性或导水性的评价。牟义[25]在已知边界的采空区上开 展了瞬变电磁响应特征研究，选用不同参数条件下的电磁响应特征，建立了浅埋采空区 识别标志。彭赟等[26]通过瞬变电磁法反演了采空区所在区域的视电阻率，形成剖面图， 结合多种方法进行综合判断圈定了采空区范围，与钻孔验证结果一致。 ④地震波法 当地下形成采空区以后，与正常围岩来比，其波阻抗会有明显差异，从而造成地震 波场的异常，这为采空区的识别提供了可能。按照分析方法的不同，可分为地震反射波 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 法，地震层析法，瑞雷波法和地震映像法。李瑞强[27]应用 Tesseral 2-D 全波场地震模拟 软件包建立了模拟模型，分析尺寸不同采空区对地震的响应特征，指出了能够采用地震 波法进行识别的采空区规模。 目前用于采空区的探测方法汇总于表 1.1。 表表 1.1 采空区探测方法一览表采空区探测方法一览表 方法 成果 来源 地面调查法 通过地面调查确定采空区位置 文献[17] 激发极化 分析了煤层采空及积水不同程度情况下的激发极化特征与饱和度、 孔隙率的变化关系。 文献[28] 直流电法 应用直流电激发极化测深法识别了采空区富水程度及面积 文献[29] 高密度电法 利用三维高密度电法对采空区进行勘探， 并利用三维激光扫描对结 果进行验证。 文献[30] 瞬变电磁法 采用瞬变电磁法分别对工业广场和生产区的采空区进行了探测。 文献[31] 探地雷达法 采用探地雷达仪配备的超强地面耦合天线RTA50MHz探测采空区 文献[32] 地震波法 分析了小窑采空区产生的地震响应在地震时间剖面的反射波特征。 文献[33] 重力法 应用高精度重力法和浅层地震反射法对石膏矿采空区进行勘察。 文献[34] 放射性元素 法 根据氡气煤顺层视电阻率,确定了采空区的位置及范围。 文献[35] 钻探法 采用人工造孔法、 下套管导向法或实时控制参数法等钻探工艺探测 了采空区范围。 文献[36] 激光扫描 采用三维激光扫描系统对采空区进行了现场扫描,构建了采空区三 维实体模型,并在此基础上计算了采空区体积。 文献[37] 井下测量 介绍了地面摄影测量测定井下采场采空区体积测量方法。 文献[37] 1.2.2 导水裂隙带探测 根据煤层上覆岩层的变形破坏特征（Palchik 2002），上覆岩层中存在三个明显的扰 动带（冒落带、裂隙带和连续变形带）。冒落带和裂隙带的组合厚度是水流可以通过的 裂缝带。导水裂隙带往往是构成矿坑水突涌的主要通道。长期以来对于导水裂隙带高度 的研究十分广泛。早期导水裂隙带研究以理论分析为主，随着测试手段的不断涌现，实 万方数据 1 绪论 5 测导水裂隙带高度与煤层采高后， 根据统计关系建立经验公式逐渐成为预计导水裂隙带 高度的主要形式。与此同时，物理模拟和数值模拟发展十分迅速，由于数值模拟可以开 展多种情景下的岩石变形和力学分析和导水裂隙带分析， 是目前研究导水裂隙带高度不 可或缺的方式之一。另外，现场实测越来越多地为各类方法提供了参考依据。 （1）理论分析 “悬臂梁”假说（施托克）、预成裂隙假说（拉巴斯）、铰接岩块假说（库兹涅佐 夫）、“传递岩梁”理论（宋振骐）和“关键层”理论（钱鸣高）是目前应用最广理论。其 中关键层理论（钱鸣高，2003）的提出及在导水裂隙带预测中的应用（许家林，2009） 从理论上阐明了关键层破断后形成的砌体梁结构力学模型以及关键层运动对覆岩移动 与地表沉陷及采动裂隙场分布的影响， 是目前分析覆岩移动和导水裂隙发育最有效的方 法之一。 （2）经验公式 在上世纪 7-80 年代，开展了大量导水裂隙带高度的现场实测，并根据各个矿区不 同的地质条件和采矿条件总结了一系列经验公式用于预测导水裂隙带高度。 其中最经典 的当属文献[38-39]， 其中给定了岩层不同强度和倾斜条件下的冒落带和导水裂隙带高度预 计公式。这些公式在指导我国各大矿区预计导水裂隙带高度，预防顶板突水方面起到非 常重要的作用。但这些公式是建立在采高小于 3m，且工作面宽度、长度和推进速度都 有限的条件下，因此在开采规模日益提高的情况下，其应用前景越来越多地受到考验。 目前，在榆神矿区开展了一定规模的导水裂隙带实测工程，并据此建立了 5m 采高的导 水裂隙带最大高度与采高的关系，一般为 23-28 倍采高。因此，由于开采条件发生了重 大变化，导水裂隙带高度预计的经验公式也要做出适当调整，目前常用的方法是基于一 定量的现场实测数据，建立导水裂隙带高度与其他因素的统计关系。但这些经验公式往 往具有一定的适用范围， 即只能在同样的地质条件和开采条件下才能有良好的预测能力， 不宜推广使用。 冯超等[40]采用经验公式法和其他方法预计了小保当煤矿煤层开采导水裂隙带高度， 结果发现，经验公式预测的导水裂隙带高度和裂采比与实测值不符，与其他方法预计结 果也不符。 马雄德等[41]依据多因素分析方法建立了神南矿区导水裂隙带高度与采厚的非 线性相关关系。王延蒙采用经验公式法和 RFPA 软件预计了司马煤矿导水裂隙带高度， 发现二者十分接近。胡小娟等[42]采用多元线性回归方法，建立了导水裂隙带高度与地质 因素和采矿因素的非线性统计关系，经验证，该经验公式具有较高的仿真度。龙文天[43] 利用现场观测的导水裂隙带高度，与工作面宽度和采厚两个因素进行了统计分析，并建 立了计算导水裂隙带高度的经验公式。 （3）数值模拟 数值模拟实际上是在计算机软件平台上开展的数字化物理模拟。 数值模拟与物理模 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 6 拟都要经过相似的研究步骤， 首先要对原地质条件和开采条件进行概化， 建立模拟模型， 给定模型的边界条件和开采条件；其次选用适当的数学模型进行对模拟模型进行量化， 而物理模拟实现这一步的主要途径是选择相似模拟材料； 再根据现场情况进行模型开挖， 监测地层变形参数，最后进行相关分析。两种方法都可以再现开采过程中覆岩变形、破 断演变规律，为后续分析提供数据支撑。所不同之处在于，相比于数值模拟，物理模拟 所建立的模型可重复性差，建立模型后，只能开展一个开挖过程的分析，想要改变某些 参数，又必须重构模型，费时费力，而且只能记录监测点上的数据。 数值模拟是通过分析控制岩层变形过程中的应力、应变的关键因素，采用偏微方程 作为这些要素之间协同变化的控制方程，在一定的初始条件和边界条件下求解模型，便 可以做一些感兴趣的分析计算。为了提高运算效率，许多用于开展数值计算的方法被开 发出来，每一种方法都有比较擅长的一面，如微分方程的离散与求解、边界条件的处理 等。常用数值计算方法包括有限单元法、有限差分法等。 杨贵[44]利用 ANSYS 软件建立了地质条件（岩层和断层）与工作面参数对导水裂隙 带高度影响模型，并确定了一定采厚条件下的导水裂隙带高度。进一步地，将数值模拟 确定的导水裂隙带高度与其他方法确定的导水裂隙带高度进行综合分析， 总结出了一套 经验公式。武强等[45]采用 FLAC3D 软件建立了导水裂隙带高度预计模型。按照工作面 走向和倾向不同尺寸，建立了 6 种开采预测方案。陈建鹏等[46]利用 UDEC 软件建立了 南阳煤矿工作面开采中的冒落带和导水裂隙带高度预计模型， 结果表明预留 50m 煤柱和 深孔爆破两种工况下的导水裂隙带高度基本相近，其原因是关键层的影响。 另外，一些实测方法也被用于导水裂隙带高度分析中。这需要在采空区上部施工一 定数量的钻孔，再以一定的方法来确定导水裂隙带高度，如冲洗液消耗量、高密度电阻 率、超声成像、声波 CT 层析等方法。 1.3 主要研究内容与技术路线 1.3.1 研究内容 本文的主要任务是结合红柳林煤矿的开采情况和地质特征， 对其存在的水害隐蔽致 灾因素进行研究，主要包括导水裂隙带发育情况、地下含水体情况、采空区（积水） 现状、废弃老窑（井筒）闭坑情况等。根据矿井实地调查结果，统计分析矿井水害隐蔽 致灾因素的查明程度，利用钻探、物探手段对其进行验证，得到较为可靠结论，同时对 隐蔽灾害危险性程度进行评价，并提出矿井防范水害隐蔽致灾因素的相应措施。 主要研究内容包括 （1）充分收集矿井范围内地质、水文、物探等资料，矿井建设和生产过程中的各 类补充地质勘探、 矿井地质、 矿井水文地质、 井上下物探等成果资料， 并进行全面整理； 万方数据 1 绪论 7 （2）通过现场实测、数据分析、数据修正、物探验证等方法详细研究矿井水害隐 蔽致灾因素勘查现状、发育规律、分布特征； （3）对水害隐蔽致灾因素进行综合分析，确定其致灾危险性； （4）制定红柳林煤矿的水害防范措施。 1.3.2 技术路线 本论文的技术路线是 采用资料收集、 野外地质调查、 室内分析及地球物理勘探 （地 面物探、地球物理测井）、水文地质钻探、抽水试验、危险性分析等方法进行红柳林煤 矿水害致灾因素研究。技术路线见图1.3。 图 1.3 技术路线图 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 8 2 矿井概况 2.1 矿井基本情况 2.1.1 位置 红柳林煤矿位于陕西省榆林市神木县西北部约 15km 处， 行政区划属神木县瑶镇乡、 麻家塔乡及店塔乡管辖（见图 2.1）。红柳林煤矿范围大致为东部以 5-2煤为界，西部 是尔林兔勘探区，西南部为锦界煤矿，东南部与凉水井煤矿、河湾、敖包沟煤矿相邻， 西北部与柠条塔煤矿相邻， 东北部与张家峁煤矿及汇兴煤矿相邻， 井田面积 138.595km2。 地理坐标为东经 11010′19″～11023′50″，北纬 3853′15″～3857′54″。 图 2.1 交通位置图 万方数据 2 矿井概况 9 2.1.2 四邻关系 与红柳林煤矿相邻的大型矿山企业有 4 家，分别为柠条塔煤矿、张家峁煤矿、锦界 煤矿和凉水井煤矿；小煤矿 3 个，分别为汇兴煤矿、河湾煤矿和敖包沟煤矿；在红柳林 井田附近还有废弃老窑 1 个。红柳林周边矿井分布情况见图 2.2。 图 2.2 矿井周边小煤矿分布及盘区划分示意图 对于矿井周围存在的小型矿井，经实地调查都存在越界开采，其老空区积水不容忽 视，在煤矿开采过程中应加以防范，防止透水事故的发生。 2.1.3 矿井开采情况 （1）生产情况 矿井 20162020 年开采总计 20 个工作面， 其中 3-1煤层 3 个工作面， 4-2煤层 8 个工 作面，5-2煤层 9 个工作面，见图 2.3。 （2）紧急避险六大系统 ①安全监控系统 矿井选用天地常州 KJ95N 型安全监控系统，地面监控主机房设在联建楼调度指挥 中心，监控机房安装 2 台主，一台工作一台备用，井下数据通过光纤传输接口与地面及 井下各分站通讯。监测主机配置一台打印机，监测主机的信息可以通过网络上传。主供 电源加 UPS 不间断电源供电，采用 MHYVP147 0.52mm2 矿用阻燃电缆，信号电路为 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 10 本质安全型。系统可以显示各类监测数据、曲线、实时动态模拟图形，可制作、打印灵 活多变的报表，系统均备声、光报警功能。 图 2.3 红柳林井田各煤层采掘规划接续布置示意图（2016-2020） 安全监测监控系统在井上、下安设分站 30 台，各类传感器 224 台。矿井井上主通 风机、原煤仓，井下各采掘工作面、水仓、变电所、皮带运输机头、控制硐室、风机房 及主要进、 回风巷、 永久避难硐室和救生舱内、 外均按规范要求相应安设了甲烷、 温度、 一氧化碳、风速等各类传感器。实现了主要生产场所环境参数的实时监测。其中 CH4 传感器在用 36 台、CO 传感器在用 34 台、风速传感器在用 11 台、温度传感器在用 34 台、烟雾传感器在用 4 台、粉尘传感器在用 4 台、风门开关传感器在用 20 台、风筒传 感器 12 台和局扇开关传感器 36 台。 各采、掘工作面均实现瓦斯电、风电