深部开采底板承压水渗流特征及突水机理分析.pdf

2 0 1 1 年第4期 中州煤炭 总第 1 8 4 期 深部开采底板承压水渗流特征及 突水机理分析 王文 亮 郑 州祥隆地质工程有限公司 ， 河 南 新密4 5 2 3 7 1 摘要 随着矿井开采深度的增加 ， 矿压显现对煤层底板承压水突水有一定 的影响， 矿井水害防治X - 作 必须 重视 深部 开采 的矿压问题。介绍 了2种不 同突水机理的底板渗流特征， 结合 防治水实践经验对矿压条件下不 同的 突水控制 因素进行 了分析， 使矿 井水害防治“ 有的放矢” 。 关键词 矿压 ； 承压水 ； 渗流； 突水机理 中图分类 号 T D 7 4 5 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 1 0 4 0 0 2 6 0 3 Ana l y s i s o n S e e p a g e Cha r a c t e r i s t i c a n d W a t e r Bur s t i n g M e c ha ni s m o f Fl o o r Co nfin e d W a t e r i n De e p M i ni n g W a n g W e n l i a n g Z h e n g z h o u Xi a n g l o n g G e o l o g i c a l E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ．， Xi n mi 4 5 2 3 7 1 ， C h i n a Abs t r a c t Al o n g wi t h t he i n c r e a s e o f c o a l mi ni n g de pt h， t h e a p p ea r a n c e o f t he mi n e pr e s s ur e ha s c e r t a i n e f f e c t o n t he wa t e r b u r s t i n g o f flo o r c o n fine d wa t e r i n c o a l s e a m ， p r o b l e ms o f mi ne pr e s s ur e i n d e e p mi n i ng mus t be pa i d a t t e n t i o n t o i n mi n e flo o d p r e v e n t i o n a nd c on t r o l wo r k ． I n t r o d u c e d fl o o r s e ep a ge c h a r a c t e r i s t i c s o f t wo di f f e r e nt k i n d s o f wa t e r bu r s t i ng me c h a ni s m， t h us c o mb i ne d wi t h p r a c t i c a l e x p e - fie n c e s o f wa t e r p r e v e n t i o n， d i f f e r e n t wa t e r b u r s t i ng c o nt r o l l i n g f a c t o r s we r e a n a l y z e d un d e r mi n e pr e s s u r e c o n di t i o n s， wh i c h ma d e mi n e flo o d p r e v en t i o n t o be mo r e”t a r g e t e d”． Ke ywo r ds mi n e p r e s s u r e； c o n f i ne d wa t e r ； s e e p a g e； wa t e r b ur s t i n g me c ha ni s m 矿井 突水灾 害是 煤 矿 生 产 中重 大 灾 害之 一 ， 但 随着 矿井开 采深 度 的逐 年 增 加 ， 深 部矿 压 对煤 层 底 板 的破 坏活 动加剧 ， 地 层深部 承压水 由于势能较 高 ， 对 煤矿 生产 的危 害程度 将有增 加 的趋势 。 由于各个 区域 的矿井 地质 条件 千差万 别 ， 突水 影 响因素众 多 ， 因此 突水发 生 形式 以及 机 制也 各 不 相 同 。一 些 学者 针对不 同 突水机 制 进 行 了单 方 面 的研 究 ， 但 都 忽略 了承压 水渗 流特 征 ， 使 得 矿 井 水 害 防治 工作 比 较被 动 。弄 清底 板 承压 水 的渗 流特 征 ， 采 取有 效 的 防治 措施 ， 对 矿井 安全 生产具 有重 要意 义 。 1 底 板 突 水 机 理及 特 征 最基 本 的底 板 突水 机 理分 为 2种 薄板 宏 观整 体 破 断导水 、 厚板 微 观 压 裂 导升 。在 煤 层 开 采深 部 ， 受 开采局 部 空间应 力 区的影 响 ， 矿压 显现 。①底 板较 薄隔水 层宏 观 的整体破 断 。在较大 岩层 裂隙发 收 稿 日期 2 0 1 01 2 2 7 作者简介 王文亮 1 9 8 2 一 ， 男 ， 河南焦作 人， 助理工程 师 ， 2 0 0 4年 毕业于河南理工大学 ， 现从事工程水文地质工作。 2 6 育 情况 下 ， 由于采 矿活动 的影 响 ， 煤 层开采 支承 压力 在底板 中 的传 播 ， 使 底板 岩 层 在 向下 支 承 压力 和底 板 承压 水双重 作用 下 ， 首 先 在 长 边 中心 部 分 开始 破 裂 ， 裂 隙发展 成 O形 ， 由于 开 采 后 采 空 区应 力 得 到 释放 ， 在 底板 承压 水 作 用下 ， 采 空 区 中心 出现 裂 隙 ， 具 有高 势能 的承压 水 直 接 流人 开 采 空 间 ， 造 成大 面 积 、 大量 突水 事故 ； 有时 高势 能水借 助断 裂构造 或陷 落柱通 道直接 冲 向开采 空间 ， 形成 瞬间 突水 图 1 。 ② 底板 较厚 隔水层 发生微 观 变形 ， 形 成微 观裂 隙 网。 随着 时间 的推移 ， 微 观 裂 隙 网在 矿压 和高 势 能水 的 共 同作 用下 开始 扩 张 ， 最 终 当裂 隙 扩 张 的阻 力 与水 的压力 平衡 时形成 稳定 的突 水流量 。在 矿压 和水压 共 同作 用下 的突水 界 面特征 如 图 2所示 。 图 1 隔水 层 整 体 破 坏型 示意 2 0 1 1 年 第 4期 王文 亮 深 部开 采底板 承压 水渗流 特 征及 突水 机理 分析 总第 1 8 4期 图 2厚 隔水 层 中 承 压 水 导 升 示 意 2 承压水渗流特征 2 ． 1 薄 板宏 观整体 破 断导水 渗流 特征 宏观整体破碎岩体存在高渗透 、 非 D a r c y渗流 等特 征 。对 F o r c h e i me r 关 系 的一 维 非 D a r c y渗 流 动 量方程 ， 忽略体积力和液体压缩性 ， 在渗流 稳定时 有 { 一 一 1 式 中 ， P为 流 体 质 量 密 度 ； V 为 稳 态 渗 流 速 度 ； p为 孔 隙压力 ； 为 流体 动力 黏度 ； k为广 义 渗透 率 ； JB为 非 D a r c y渗流 因子 。 缪协 兴 等 人研 究 认 为 当底 板 整 体破 断 遭 遇 高 势能 水时 ， 底板 隔水 系统失 稳 ， 水压梯 度 在较短 时 间 内下 降 ， 容 易造 成较 大突水 事故 。 2 ． 2厚 板微 观压 裂导 升渗 流特征 研究 认 为 流 体 在 煤 、 岩 微 观 裂 隙 中 渗 流 符 合 D a r c y 流 动方 程 一 塑 2 d 式 中 ， 符 号意 义 同式 1 。 王 国际 、 岑 培 山等人 通过 对煤 、 岩体 内钻 孔 内水 压恢 复特 征 研 究 认 为 当 周 围水 源 丰 富 、 水 压 较 高 时 ， 钻 孔周 围水 压 分 布 与水 的流 速 呈 正 比关 系 。 也 就是 说 ， 厚 板 微 观 压 裂 导 升 渗 流 持 续 时 问 长 且 稳 定 。 3 矿压 作用下承压水 突水控 制 因素分析 矿 压是 导致煤 层底 板 突水 的重 要 因素 。矿压 的 产 生会 引起各 种力 学 现 象 ， 如 底 鼓会 使 底 板 岩 层 在 一 定程度 内遭 到破 坏 产 生 竖 向 张裂 隙 、 层 向裂 隙 、 剪切 裂 隙 ， 进 而影 响 隔水 层 阻 碍 突水 条 件 的 变化 ， 从 而“ 打通 ” 或 “ 激活 ” 突水 通道 。 3 ． 1 富水 性和 含水层 的水 压 含 水层 对隔 水层 的水 压是底 板 突水 的主要 动力 因素 ， 富水性 决 定 了突 水 时 的 危 害程 度 。 承压 水 进 入采掘 空 间必须 突破 隔水 层或 冲刷扩 大其 中 的弱透 水 裂 隙 ， 而 矿压 为 其 准备 了条 件 。 隔水 岩 层 在矿 压 条 件下 首先 遭到 破 坏 形成 微 裂 隙 网 ， 含 水层 水 压 在 突水过 程 中首先克 服 这些破 坏形 成 的裂 隙阻力 进而 形 成渗 流通 道 ， 裂 隙全 部 充 水 。这 时 承 压水 和矿 压 共 同作用 对水 平 面形 成 一 个 高 压 力 区 ， 使 岩层 抬 动 位移或 鼓胀 ， 导致 突水 。当水 源丰 富 、 势 能高且 矿压 破 坏岩 层严 重时 ， 破碎 岩体 呈 高 渗透 、 非 D a r c y 渗 流 等特征 ， 这 时往 往会发 生重 大 突水事 故 。 3 ． 2 隔水层 的岩 性组 合和 厚度 底板 隔水 层强 度 是阻抗 突水 的主 要 因素 。隔水 层 阻抗 能力 的大小 ， 决 定于 隔水 层 的厚度 、 岩石 力学 性质以及组合关系等。但原始隔水层 的状况是复杂 的 ， 受 矿压 的 影 响 ， 其 阻 隔水 性 能 将 有 所 减 弱 。所 以 ， 目前 对 隔水层 阻 抗 能 力 的定 量 分 析 尚有 许 多 的 困难 ， 缺 乏不 同情 况 下 的系 列数 据 。但 是有 关 研 究 表 明 ， 阻抗水 压致 裂 隙扩展 、 防治 承压 水导 升 的较优 岩层 组合 形式 是 位 于 承压 含水层 之上 的是 软岩层 ， 再加 上 弹性模 量较 大 的硬岩 层 。它 既能阻抗 承 压水 致 裂裂 隙和采 动裂 隙 的扩 展 ， 又 能 阻 止 承压 水 的导 升 ， 形 成对 承压 水 突 水 有 较 强 的 阻 隔作 用 。软 硬 岩 层交 替组 合层 序越 多 ， 隔 水层 越 厚 ， 阻水 效 果 越 好 。 一 定厚 度 的隔水 层 是 防 止 承压 水 突 水 、 保 护 矿 井 安 全开 采 的必要 条件 ， 但 真 正 能 起 到 隔水 作 用 的则 是 有 效 隔水 层厚 度 。如 果有 效 隔水 层 厚 度较 大 ， 即使 在矿压的破坏作用下也只能形成微观裂隙网， 流体 在隔水 层 中呈 D a r c y渗 流 特 征 ， 突水 持 续 时 间较 长 且 稳定 ， 但 瞬时 突水量 不会 很 大 。 3 ． 3构 造对 隔水 层 的破坏 作用 断 裂 带是 渗 透 水 活动 的 原 始空 间 ， 凡 在 区域 构 造应力场或具体构造行迹 中， 张性或扭性裂 隙集 中 的部 位 ， 必然 是岩 溶发 育和 岩溶水 富 集 的部 位 ， 区域 构造 体 系控制 着 区域地 下水 的运 动条 件和岩 溶发 育 方 向 ， 而具 体 的构 造行 迹 则 控 制 着 局部 地 段 岩 溶 水 的岩溶 发育 具体 部 位 ， 在 张 应 力 集 中 的地 段 为 地下 水渗人 岩石 空隙 提供 了有 利条 件 ， 岩 溶作用 较 快 ， 从 而 形成 导水 通道 和储 水 空 间 。实 践 表 明 ， 断 裂构 造 带 是矿 井突 水 的 主 因及 其 控 制 因素 。据 统 计 ， 8 0 ％ 以上 的煤矿 充水 都 与 断 裂 构 造有 关 。张西 民 、 马培 智 等在研 究顶 板 周期 来 压 和 底 板 突水 关 系时 认 为 ， 构造 破坏 带是 最 易 产 生 突 水 的地 点 。非 来 压 期 间 ， 当采 空 区卸压 带 内存 在 构 造 破坏 带 时 ， 承压 水 首 先 通 过 已受超 前压 力破 坏 的构 造 裂 隙带形 成 D a r c y渗 流 ； 来 压期 间 ， 如果 煤 、 岩 壁 附 近 存在 破 坏带 时 则 加 27 ． 2 0 1 1 年第4期 中州煤炭 总第 1 8 4 期 剧构 造影 响区 的再次 破坏 ， 进 一 步扩张 裂隙 网 ， 隔水 层呈 现高渗 透性 ， 承压 水流 变成 非 D a r c y渗 流 ， 使 构 造 区成为突 水危 险性 最大 的区域 。 3 ． 4 回采面 积对 突水 的影 响 在正常 的地质 条件 下 ， 采 空 面积在较 小范 围 内 ， 所 产 生的采 动效应 对 隔水层 的破坏作 用处 于裂 隙发 展 期 ， 在承 压 水 作 用 下 微 观 裂 隙 网 中水 流 呈 D a r c y 渗流 特征 ， 工 作 面重大 突水事 故不 易发生 ； 当开 采面 积扩大， 周期来压次数增多， 来压对底板多次反复作 用下 ， 使底板 隔水 层裂隙扩张 ， 隔水层 阻水 能力下 降 ， 水 流渗流 特征转 变 ， 往 往发 生较大 突水 事故 。 3 ． 5 陷落柱 对隔水 层的破 坏 作用 一 般认 为陷落 柱是 在地下 岩溶垮 塌 的情 况 下没 有 上覆 非可溶 性岩层 坍塌 充填 而形成 的 。陷落柱 岩 性 特征表 现 为成 分复 杂 ， 未 胶 结 或 弱胶 结 ， 无 分选 ， 岩 石碎块 呈棱 角状 ， 形状不 规则 ， 排列 杂乱 。陷落 柱 体内杂乱无章的碎屑岩大小不等 ， 最大的直径可达 数 米 ， 最小 的仅 数 厘 米 。所 以陷落 柱 是 良好 的水 流 通道 ， 有时较大的陷落柱能连通不同的水系， 使突水 水 源极 为丰 富 。一般 情况 下充 水陷落 柱水 源不会 对 采 掘活 动造成 影 响 ， 只 有 当采 掘 活 动靠 近 时 ， 煤 、 岩 柱 受 到采掘 动力 和矿压 的影 响 ， 使其 隔水 墙 裂 隙 发 育 。当煤 、 岩柱厚 度不 能承 受水压 、 矿压 的共 同作 用 时发 生 失 稳 ， 裂 隙 中水 流 由 D a r c y渗 流转 变 为 非 D a r c y渗流 ， 最终 导致 较大 突水事 故 的发生 。 4 结 论 基于以上分析 ， 主要得出以下结论 宏观整体破 碎 岩体 存在 高 渗 透 、 非 D a r c y渗 流 等 特 征 。 当底 板 整体破 断遭 遇高势 能水 时 ， 底 板隔水 系统失 稳 ， 水 压 梯 度在较 短 时间 内下降 ， 容易造 成较 大突水 事故 ； ／ g 板微观 压裂 导升渗 流符 合 D a r c y渗 流特 征 。当周 围 水 源丰 富 ， 水 压较 高时 ， 厚 板微 观压 裂导升 渗流持 续 时问长且 稳定 ； 深部 开采煤 层底 板 由于采深 增加 ， 矿 山压力增 大 ， 造 成 的底板支 承压 力增 大 ， 使底 板裂 隙 增 多 ， 破 坏深度 加大 ， 同时底 板 承受承压 水 的向上作 用 ， 使底板岩层处于剪切状态 与一些特殊的地质情 况相 结合 ， 发生 突 水 的危 险 性 明 显增 大 。在 实 际 的 生产过程中， 支承压力在底板 中传播一直是诱发岩 层发 生破 坏 、 造成 突水 事故 发生 的一个 重要原 因 。 参 考文献 [ 1 ] 施龙青 ， 韩进 ． 开采煤层底板“ 四带” 划分理论与实践 [ J ] ． 中国 矿业大学学报， 2 0 0 5， 3 4 1 1 6 - 2 3 ． [ 2 ] 王经明． 承压水 沿煤层底板 递进导 升突水机理 的模拟 与观测 [ j ] ． 岩土工程学报 ， 1 9 9 9 ， 2 1 5 5 4 6 - 5 4 9 ． [ 3 ] 尹 尚先． 煤层底板突水模 式及机理 研究 [ J ] ． 西安科 技大学学 报 ， 2 0 0 9 ， 2 9 6 6 6 1 - 6 6 4 ． [ 4 ] 程宜康 ， 陈占清， 缪协兴． 峰后砂岩非 D a r e y 流渗透特征的试验 研究[ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 4， 2 3 1 2 2 0 0 5 - 2 0 0 9 ． [ 5 ] 缪协兴 ， 刘卫群 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- 1 5 8 ． [ 2 ] 许家林 ， 尤琪 ， 朱卫兵 ， 等． 条带充填控制开采沉 陷的理论研究 [ J ] ． 煤 炭学报 ， 2 0 0 7 ， 3 2 2 1 2 o 一 1 2 2 ． [ 3 ] 许家林 ， 钱鸣高 ， 朱卫兵 覆 岩主关键 层对地 表下沉动 态的影 响研究 [ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 5 7 8 7 - 7 9 1 ． 责 任编辑 刘 光雨