煤矿顶板透水事故预测与控制技术.pdf

第29卷 第2期 2009年3月 西安科技大学学报 JOURNAL OF XI′AN UNI VERSITYOF SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol . 29 No11 Mar12009 文章编号 1672 - 93152009 02 - 0140 - 04 煤矿顶板透水事故预测与控制技术 3 彭林军 1 ,赵晓东 1 ,宋振骐 1, 2 ,李利岗 1 1. 大连大学 院士创业园,辽宁 大连116622; 2.山东科技大学 资源环境学院,山东 青岛266510 摘 要在深入研究我国煤矿顶板透水发生及其成功控制案例的基础上,对顶板透水事故发生的 原因、 实现的条件及其动力信息基础进行了系统研究,以此为基础提出了顶板透水事故预测与控 制的方法。针对淮南矿业集团谢桥煤矿1122 3工作面,分析了谢桥井田地质及水文地质特征, 并根据钻孔及井下资料,研究了顶板砂岩、 粉砂岩运动规律。以实用矿山压力控制理论为指导, 建立顶板控制信息动力决策模型,着重探讨了导水裂隙带和斑裂纹对顶板砂岩透水的影响机理。 关键词煤矿顶板;透水事故;预测控制 中图分类号 TD 745 文献标志码 A 顶板水害是矿井生产过程中经常发生的水文地质现象。由于出水的突然性,往往给矿井安全生产带 来极大危害。采掘工作面推进过程中的顶板透水,有可能造成淹没其工作面和其他工作场所,甚至造成 整个矿井淹井的重大事故 [1～3 ]。顶板透水会引发大范围的顶板垮塌 ,从而造成压死采场支架的重大顶板 事故。如果在工作面回采前,能对隐伏突水区进行预测并制定疏排水措施,则顶板突水的危害将大大降 低。但顶板突水受到岩性、 水压、 断裂特征、 矿压等多种因素的影响,造成研究比较困难。目前对于顶板 透水的预测在理论和实际应用上均处于不断发展之中 [4～6 ]。随着开采深度的增加 ,水文地质条件日趋复 杂,水害威胁越来越大。因此,控制水害是煤矿安全生产的重大课题。 1 谢桥井田水文地质概况 通过谢桥矿地质及水文地质和构造地质含水层、 隔水层和断层含水、 富水及导水等原始条件,对 1122 3工作面7条断层发育情况综合分析该面煤层顶板赋存有砂岩 ,局部裂隙发育,含砂岩裂隙水,与 其他含水层无直接联系,属静储量消耗型。面内有八7和八12钻孔通过,八12钻孔已探明不导水,八7 钻孔导水可能性较大。本面充水水源有2种一是煤层顶板砂岩裂隙水, 1121 3 , 1141 3 , 1151 3面在 回采期间均发生老顶砂岩裂隙水突水;二是1112 3采空区老塘水。其中1121 3面瞬时最大涌水量达 200～300 m 3 /h.因此本面在初放以及正常回采期间,工作面涌水量可能较大,工作面在回采前应备有排水 量不小于300 m 3 /h的排水设施,并保证排水设施能随时运转。随工作面推进,上覆岩层运动破坏造成裂 隙而形成的连通导水构造发生条件,与原始条件不发生耦合作用,或耦合作用不强烈,则基本不存在透水 可能性;反之,则应研究透水强度速度和水量、 透水与工作面推进时空关系。 2 煤矿顶板透水事故预测控制理论研究 2. 1 煤矿顶板透水事故的原因及实现的条件 原因工作面推进波及到含水岩层,特别是原有构造破坏的富水区域。 实现的条件① 顶板存在富水区间;② 采场穿越的裂断破坏岩层沟通富水区;③ 透水量超限;④ 透水 3收稿日期 2008 - 07 - 10 基金项目国家自然科学基金重大项目50490270 ;国家自然科学基金项目50874021 ;国家自然科学基金重点项目50839001 ; 国家科技部“ 十一五 ” 科技支撑项目2006BAK03B07 作者简介彭林军1973 - ,男,河南灵宝人,工程师,主要从事采矿工程科研和管理工作. 第2期彭林军等煤矿顶板透水事故预测与控制技术 时间超限 [7, 8]。 2. 2 透水可能性预测 预测的主要目的在既定开切眼位置和工作面长度条件下,推进工作面。进入断裂破坏形成砌体 梁的岩层,波及含水岩层图1 ,特别是具有富水区域的可能性 [9, 10 ]。 图1 “ 砌体梁 ” 断裂的岩层运动分类图 Fig . 1 The classification of terrane movement about bricking2up beam a裂隙带岩层与富水区沟通 b裂隙带岩层与富水区不沟通 当含水层与煤层平行时,判断透水可能性的模型及相关参数如图2所示。 图2 透水可能性预测图 Fig . 2 The forecast of permeable possibility a顶板透水 b顶板不透水 对于首采工作面,研究得到发展的破坏拱等工作面长度L的关系为 hKhL, Kh0.5～0.7. 达到破坏拱高时工作面推进的步距 L 0及中心距 L h分别为 L0L, Lh0.5L. 其中h0.5L,由此得 LAL L 2 - 4H 2 2 . 显然,当含水层富水区宽度为B的情况下,开切眼距富水区边缘的最小距离LBmin为 LBminLA-B. 同样,当已知开切眼距含水层富水区位置,则可反求出不出现透水事故的最大允许工作面长度Lmax为 Lmax H 2 L B B 2 LBB . 表1 含水层渗透系数表 Tab. 1 Water conta in ing floor soak coefficient 渗透层分类透水系数相关岩层类别 强透水岩层K10 m /d粗砂岩、 砾岩、 岩溶发育岩层 透水岩层K 10～1 m /d砂、 裂隙发育的岩层 微透水岩层K 1～0. 01 m /d亚砂土、 裂隙微弱岩层 极弱透水岩层K 0. 01～0. 001 m /d亚粘土、 粘土、 淤泥 不透水岩层K0. 001 m /d致密坚硬岩层包括坚硬沉积岩、 岩浆岩、 变质岩、 粘土、 淤泥、 泥岩 2. 3 顶板透水的控制 透水的控制关键,在于搞清含水岩层位置及其富水区域的范围B 。以此为基础,通过调整工作面长 度和开切眼相对富水区域的位置关系,保证工作面推进全过程中,裂断岩层不波及含水岩层,特别是富水 区域。 141 3 应用研究 3. 1 工作面出水可能性预测 根据1122 3钻孔柱状图计算,富水性强的岩层包括距煤13 - 1煤层高60 m处、 厚16 m的粉砂岩和 高76 m处、 厚5 m的石英砂岩。后者可能含水量较小。按照裂隙带高度 H 与工作面长度 L 0150 m 关系,H≈1/2L075 m,当1122 3工作面开采推进至1/2L0 75 m时,导水裂隙带高度H≈66 m,采动 裂隙扩展至距煤13 - 1最近的粉砂岩含水层两者间距为60 m。因此, 1122 3工作面推进在工作面长 度的1 /2这一范围,是顶板透水的潜在危险区间。工作面出水包括断层淋水和强富水层破坏透水2种可 能。由于含水层下部有多层泥岩隔断,因此工作面在断层影响范围内推进时均有淋水的可能,但水量较 小,不会影响生产。因此正确预测工作面覆岩破坏波及16m高的粉砂岩层是保证高效安全生产的关键。 3. 2 最大透水量的预计 1122 3工作面第1次裂断可能的最大涌水量可由下式近似估算 QQ12 Q 2Q3 . 式中 Q1为粉砂岩第1次裂断处可能的涌水量; Q2, Q3分别为工作面推进方向和长度方向涌水量。 泥灰岩中部裂断可能的涌水量为 Q1L0q1, q1K m 2 0 2 C0 2 K m 2 0 C0. 式中 L0为工作面长度 L 0150 m ; m 0为泥灰岩厚度 m 016 m ; C 0为泥灰岩第1次裂断步距 C 030 m ; K 为泥灰岩渗水系数。参考有关矿井岩溶发育岩层,可取K1 m 3 /d.由此,估算出Q1值为 Q1L0K 16 2 C0 1501 16 2 30 1 280 m 3 /d. 推进方向泥灰岩裂断边界涌水量 Q2C0q2, q2K m 2 0 2R. 式中R为泥灰岩涌水半径,参考相关矿井水力坡度为8～10 ,推断得出 Rm 0 I 16 0.08～0.10 160 m, Q2C0K m 2 0 2R 301 16 2 2160 24 m 3 /d. 工作面推进至160 m处可能的最大涌水量以昼夜计为 QQ12 Q 2Q31 280 224 3001 928 m 3 /d. 由此可推断出最大涌水量以小时计不超过81 m 3 /h. 在正确预计可能发生顶板透水事故的地点及可能的透水流量Q 的基础上,准备足够的排水设备能 力 Q B和保证工作面高速推进,是防止采掘工作面透水事故的关键。对于矿井而言,针对矿井生产能力 正确预计推进工作面的数量,预计最大涌水量,保证排水设备能力和足够的水仓储水能力是防止矿井透 水事故的关键。 4 顶板透水事故预测控制的动力信息基础 顶板透水事故预测控制的信息,包括水源信息、 构造运动破坏情况、 采动顶板运动破坏信息及采动支 承压力分布信息4个方面。 1水源信息,包括顶板含水层数目、 位置,厚度、 含水特征包括含水性质、 面积、 富水区域分布、 水 压力及补给水源情况等 ; 顶板隔水层位置、 厚度;顶板褶曲、 断层。 2构造破坏情况,包括褶曲破坏情况;断层破坏情况。正是构造破坏沟通了各含水层及补给水源的 241 西安科技大学学报 2009年 第2期彭林军等煤矿顶板透水事故预测与控制技术 联系,形成富水区域。 3采动顶板运动破坏信息,包括在不同工作面长度条件下,上覆岩层运动破坏情况及随采场推进的 发展变化规律等。关键的信息有在既定工作面长度下,发生破坏的上覆岩层范围,包括直接顶厚度、 老 顶厚度、 导水裂隙带高度等;直接顶导水裂隙带各岩梁,在重力作用下的运动步距,特别是第1次裂断步 距等;可能进入导水裂隙带的含水层,在重力作用下第1次裂断和周期性裂断步距。 4采动支承压力分布信息的重点是采场四周煤壁进入破坏的“ 内应力场 ” 宽度。 5 结 论 由于地质构造复杂、 开采条件多变,煤矿顶板透水事故是危害煤矿安全生产重大事故灾害之一。但 是从顶板透水事故诱发因素、 实现条件来看,有其发生的必然性和规律性。只要工作面巷道设计合理、 水 源信息、 构造破坏信息准确、 矿压数据观测准确、 顶板透水控制预案得当,完全可以避免顶板透水事故的 发生。 参考文献 References [1] 宋振骐,杨增夫,彭林军,等.煤矿重大事故预测和控制的动力信息基础的研究[M ].北京煤炭工业出版社, 2003. 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Analysis indicatesthe maximum rgy loss exists in melting2ice pond in all rgy loss, quite a number of high quality energy is lost in the process ofmelt2 ing2ice, so that the energy quality of conducting cool links aftermelting2ice pond is reduced; the cooling system is uated by technical economy index, the conclusion that the cooling system is feasible is drawn.The research is useful for heat2harm control and cooling system re. Key words mine cooling; rgy analysis; ice cooling; technical economy analysis 3Biography ZHANG Hui,M. D. , Xuzhou 221008, P. R. China, Tel 0086 - 13914842218, E2mail comthui126. com 上接第143页 Predicting and controlling of water2i nrush from roof i n coal m i nes 3 PENG Lin2jun 1 , ZHAO Xiao2dong 1 , SONG Zhen2qi 1, 2 ,L ILi2gang 1 1. Academ ician Pioneering Park, Dalian University, Dalian116622, China;2. College of Resources and Environment, Shandong University of Science and Technology, Q ingdao266510, China Abstract Based on the in2depth study of cases ofwater2inrushing from roof thatwere successfully con2 trolled in coalmines in China, this papermakes systematic study on reasons of water2inrush from roof, conditions of disaster and the basic ination of stratum movement and mechanics . The of pre2 dicting and controlling water2inrush from roof is presented.For the 1122 3 Workface of Xieqiao Coal Mine in HuainanMining Group, analyzed geological and hydrogeological characteristics of the Xieqiao CoalMine, and in accordancewith bore and underground ination, studied themovementof siltstone and sandstone of roof . According to the utility ground pressure control theory, established the roof con2 trol ination dynamic decision2making model, discussed the impact of the water fracture zone and crack on water2inrushing from roof .Correctly predicted and controlled the incident of water2inrushing from roof, and avoided the mine flood accidents . Key words mine roof; water leak accident; predictive control 351 3Biography PENGLin2jun, Engineer,Dalian 116622, P. R. China, Tel 0086 - 411 - 87403243, E2mail penglinjun969sina. com