突水系数法在煤矿深部开采中的应用.pdf

第 2 8卷第 3 期 河北工程大学学报 自 然科学版 2 0 1 1 年 9月 J o u r n a l o f H e b e i U n i v e r s i ty o f E n g i n e e r i n g N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n V0 1 ． 2 8 No． 3 S e p t ． 2 0 1 1 文章编号 1 6 7 3 9 4 6 9 2 0 1 1 0 3 0 o 6 8 0 3 突水系数法在煤矿深部开采 中的应用 李本军 ， 刘海新 ， 刘晓威 1 ． 中国煤炭地质总局水文地质局， 河北 邯郸 0 5 6 0 0 4 ； 2 ． 河北 程大学 资源学院， 河北 邯郸 0 5 6 0 3 8 摘要 结合 目前的采煤 实践 ， 设想了突水 系数公式的发展趋势。通过磁 西一号井田实例， 证 实了 突水系 数法在预测开采深部煤层突水危险性评价中的局限性。表明在深部煤层突水危险性评 价应用时， 其它方法作为突水 系数法的补充， 可为含水层 富水性较弱而突水 系数较 大的深部开 采底板突水安全评价提供参考依据。 关键词 突水 系数 法； 发展趋势 ； 应用 中图分类号 T D 8 2 3 ． 2 5 4 文献标识码 A Ap p l i c a t i o n o f wa t e r i n r u s h c o e f f i c i e n t s i n d e e p mi n i n g L I B e n j u n 。 ， L I U H a i 一 i n 2 ， L I U X i a o w e i 1 ． Hy d r o g e o l o g i c a l E x p l o r a ti o n B ure a u o f C h i n a N a t i o n a l A d mi n i s t r a t i o n o f C o G e o l o g y ，He b e i Ha n d a n 0 5 6 0 0 4 ，C h i n a ； 2 ． C o H g e o f R e s o u r c e ， H e b e i U ni v e r s i t y o f E n n e e fi n g ，H e b - e i H a n d a n 0 5 6 0 3 8 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e d e v e l o p m e n t t e n d e n c y o f f o r mu l a o f t h e me t h o d o f w a t e r i n r u s h c o e f fi c i e n t s w a s p o i n t e d o u t b y c o mb i n i n g w i t h t h e c u r r e n t p r a c t i c e o f mi n i n g ．T a k i n g w e l l fi e l d o f C I XI f o r e x a mp l e ，t h e l i mi t a t i o n o f wa t e r i n r u s h c oe f f i c i e n t s for e v a l u a t i n g r i s k o f fl o o r wa t e r i n r u s h i n d e e p mi n i n g Was p r o v e d．Ot h e r me t h o d s c a n b e a s u p p l e me n t f o r e v alua t i n g wa t e r i n r u s h c o e f fic i e n ts f o r e v alu a t i n g r i s k o f fl o o r wa t e r i n r u s h i n d e e p mi n i n g ．T h e a c h i e v e d r e s u l t s c a n b e p r o v i d e d for e v alu a t i n g w a t e r i n rus h r i s k o f fl o o r i n d e e p m i n i n g o f s o me mi n i n g a 强 s ． i n w h i c h t h e w a t e r e n r i c h e d p r o p e r t i e s o f a q u i f e r a r e n o t o b v i o u s b u t w a t e r i n rus h C O e f fi c i e n t i s l a r g e r ． Ke y wo r d s me t h od o f w a t e r i n rus h c oef f i c i e n t s ；d e v e l o p me n t t e n d e n c y ；a p p l i c a t i o n 我国煤矿床水 文地 质条件 复杂 ， 特别是岩溶 水经常突入矿坑危 害生产安全 ， 华北型煤 田下组 煤 太原组煤 开采 ， 普遍受到煤系地层基底奥灰 承压含水层的威胁 J 。我 国相关领域的专家 和学 者对底板突水问题进行了大量的研究 ， 武强等 “J 提出了主控指标体 系建设 方法、 脆弱性指数法 以 及 G I S与 A N N耦合技术等新型实用方法 ； 李丽和 程久龙 应用信息融合进行了底板突水预测； 尹 会永等 用多源信息复合的方法评价底板突水。 开采实践验证 ， 在一般水压下 小于 3慨 ， 用 突 水系数来评价开采的安全性， 基本符合实际。随 着开采深度的增加 ， 奥灰水压逐渐增高 ， 底板岩层 在高围压下卸荷产生底板破坏带 ， 加 之奥灰水导 升带高度 ， 由水压除 以相对 隔水层厚 度得 到的突 水系数已大于规范、 规程 中所规定 的上 限值。在 某些井 田， 下组煤埋深 可达 1 2 0 0 m， 奥灰水水压 达8 ． 6 8 1 4 ． 4 6 MP a ， 为底板超高承压水 ， 突水系数 达0 ． 1 1 0 ． 1 5 M P a ／ m， 最小值亦超过规范安全开采 突水系数上 限， 突水 系数法评价 开采危 险性 已经 不能完全适用于深部开采。 1规范规定的突水系数公式 由国家技术监督局发布 ， 1 9 9 1 年 1 0月 1日起 施行 的 矿 区水 文地 质工 程地 质勘 探 规范 G B 1 2 7 1 99 1 规定的计算公式为公式 1 。对 临界突水系数作如下规定 就全 国实际资料看 ， 底 板受构 造 破 坏块 段 突水 系数 一般 不 大 于 0 ． 0 6 收稿 日期 2 0 1 1 0 4 3 0 作者简介 李本军 1 9 7 9 一 ， 男， 山东嘉祥人， 工程师， 从事矿t l I 地质与灾害地质研究。 第 3期 李本军等 突水系数法在煤矿深部开采一 f 1 的应用 MP a ／ m， 正常块段不大于 0 ． 1 5 MP a ／ m。 T P 1 一M C D 、 l 式中 卜 突水 系数 ， MP a ／ m； p 一隔水 层 承受 的水 压 ， M P a ； M一底板 隔水层厚度 ， m； C p 一采矿 对底 板隔水层 的扰动破坏厚度 ， i n 。 由国家安全生产监督管理总局发布， 2 0 0 9年 l 2 月 1日 起施行的 煤矿防治水规定 规定的计算 公式为公式 2 。对临界突水系数作如下规定 就全国实际资料看， 底板受构造破坏块段突水系 数一般 不大 于 0 ． 0 6 MP a ／ m， 正常块段 不大 于0 ． 1 MPa ／ m。 2 式 中 卜 突水系数 ， M P a ／ m； p 一底板 隔水层承受的 水头压力 ， MP a ； M一底板隔水层厚度， 1 1 3 。 2突水 系数公式应 用设想 2 ． 1无承压水导升带和无相对隔水层 T s 3 各参数意义同公式 1 。 采矿对底板隔水层的扰动破坏厚度 c p 计算 可参考公式 4 和公式 5 计算 。 0 ． 5 L 。 ‘ 4 式中 一采矿对底板隔水层 的扰动破坏厚度 ， m。 一 工作面斜长 ， I l l 。 公式 4 为经过有关资料推导得到。 1 ． 8 6 0 ． 1 1 L 5 各参数意义同公式 4 。 公式 5 为 山东矿业 学 院特殊开采所 根据全 国 1 1 个采面的测试成果 ， 总结出底板破坏深度与 采面斜长关系的经验公式。 2 ． 2存在承压水导升带 T 6 h M 一 C I 1 式 中 h 。 一承压水导升高度 ， I n 。 承压水导升高度 h 。 用物探和钻探方法确 定 ， 一般可在井下巷道 中用 电法探测 ， 必要时用钻 探验证。当井 下物探 与钻探条件受 限制时 ， 也 可 以通过已往钻孔资料分析确定。 式中 一相对隔水段厚度 ， m 。 奥灰顶部相对隔水段厚度 h 的探测方法主 要是水文地质钻探法和水文地质物探法。 2． 4公 式设 想 考虑到底板破坏深度 、 导升高度和奥灰含水 层顶部风化壳作为相对隔水层时， 突水系数的三 个计算公式可以统一表示为 8 式 中 卜 突水系数 ， MP a ／ m； p 一保护层地面承受的 水头压力 ， M P a ； Ⅳ 一保护层厚度 ， m。 3突水 系数法的局限性 磁西一号煤矿为冀中能源峰峰集团接替矿 井， 属于拟建矿井， 设计规模 1 8 0万吨／ 年， 设计开 采水平为 一1 0 1 0 m、 一1 1 5 0 m和 一l 4 0 0 m三个 水平 ， 主要 可采煤层 为 2 煤 和 4 煤 ， 2 煤 采深 1 0 5 4 1 5 1 6 m。煤层开采受奥灰水威胁大_ I ” ] 。 根据 煤矿防治水规定 ， 计算的2 煤和4 煤 安全开采标高见表 l 。 表 1安全开采标高计算表 T a b． 1 Ca l c u l a ti o n r e s u l t s o f S a f e t y m n m g e l e v a t i o n ⋯ ／ m ／ MP a ／ m 采 编号 厚度 m ⋯⋯ 一⋯ ～标高 2 1 4 4． 6 4 0． 0 6 8． 6 8 2 1 4 4． 6 4 0． 1 0 1 4． 4 6 4 1 0 3 ． 4 0 0． 0 6 6． 2 0 4 1 0 3 ． 4 0 0． 1 0 l 0． 3 4 l 07． 0 o 一61 6． 2 2 l 0 7． 0 o l 1 9 4． 79 l c r7 ． 0 04 1 0． 0 o l o 7 ． 0 0 8 2 3． 5 9 2 煤取奥灰水位标高 1 0 7 In ， 隔水层厚度 1 4 4 ． 6 4 m， 突水系数 为 0 ． 0 7 80 ． 1 1 MP a ／ m； 4 煤 取奥灰水位标高 1 0 7 in ， 隔水层厚度 1 0 3 ． 4 m， 突 水系数为 0 ． 1 1 0 ． 1 5 M P a ／ m 【 l 。本井 田 4 煤全 部处于突水危险区域， 2 煤部分正常地段处于安 全区域 ， 大部 分地段处于 突水危 险区域 。由表 1 可见 ， 如果按照突水系数 0 ． 1 MP a ／ m计算 ， 则 2号 煤层安全开采深度为 一1 1 9 5 m以上。因此， 如果 考虑构造影响， 取突水系数 0 ． 0 6 M P a ／ m ， 本井田可 采煤层均不能安全开采。 2 3奥灰顶部存在相对隔水层 4阻水 系数的初步探讨 P 7 由以上分析可知， 磁西一号井 田大部分范围 7 0 河北上程大学学报 自然科学版 都处于突水危险范围。根据 建筑物、 水体、 铁路 及主要井巷留设与压煤开采规程 附录六 [ 1 2 i ， 对 于煤层底板含水层 ， 允许按 照不允许底板 采动导 水破坏带波及水体或与承压水导升带沟通的原则 留设防水煤岩 柱厚度。即 设计 的底 板防水安全 煤柱厚度 h 应大于或等于导水破坏带 h 。 和阻 水带厚度 h ， 之和。以下为设计 提出的煤柱留设 方案 h 。≥ h1 h2 h，0． 7 0 0 70． 1 0 7 9 L 式 中 一壁式工作面斜长， 取 2 0 0 m。 计算得 h l 2 2 ． 2 8 m， 取 2 3 m。 h2P／ Z 式中 P 一作用在底板上的水压力， 取 1 5 MP a ； z 一 阻水系数 ， 取 0 ． 2 MP a ／ m[ “ I 。 计算得 h 2 7 5 m， 则 h 2 37 59 8 m， 取 1 0 0 m。 揭露奥陶系钻孔处各煤层安全煤岩柱厚度见 表 2 ， 各水平开采煤层安全煤岩柱厚度见表 3 。 表 2钻孔处安全煤岩柱厚度计算表 T a b． 2 C a l c u l a ti o n r e s u l t s o f s a f e t y c o a l r o c k p la t t h i c kn e s s f o r h ol e 钻孔奥灰岩钻孑 L 水位 水柱高 水头压 安全煤 编号深度／ m 埋深／ m 度／ m 力／ M P a 柱／ m 表 3各水平开采煤层安全煤岩柱厚度计算表 T a b． 3 C a l c u l a t i o n r e s u l ts o f s a f e t y c o a l r o c k p i l l a r t h i c k n e s s f o r e a c h l e v e l c o a l mi n i l 本矿井 2 煤 层距离 奥陶 系含 水层 约 1 4 4 ． 6 m， 4 煤层距 离奥 陶系含水 层约 1 0 3 ． 4 r n ， 由表 3 知 ， 开采深度为 1 5 0 0 m时 ， 2 煤层底板安全 防水 煤岩柱厚度需要 1 0 3 m 以上 ， 小 于 1 4 4 ． 6 m， 因此 2 煤层可以安全开采； 而 4 煤层开采标高在 一 1 3 0 0 m时， 4 煤层底板安全防水煤岩柱厚度需要 9 8 m， 小于 1 0 3 ． 4 m， 因此 4 煤层可以安全开采 ； 开 采标高低于 一1 4 O O m时， 4 煤层底板安全防水煤 岩柱厚度需要 1 0 3 m， 接近 1 0 3 ． 4 m， 因此 4 煤层 开采水平低于一1 4 O 0 m， 必须采取疏降或底板加 固措施后才能开采。 由此可见， 在底板承压水头标高一定的情况 下 ， 2 、 4 煤层的安全开采深度 ， 取决于底板隔水 层的 阻水能 力 ， 即阻水 系数 的大 小 ， 因此 ， 在 一 1 1 5 0 m以浅区域 ， 采用加 固底板提高底板隔水层 的阻水能力的方法进行 2 、 4 煤层的开采是可以 试验开采的。 5结束语 现行规程、 规范中所规定的 值是否适应深 部煤层突水危险性评价仍值得专家学者的继续研 究。矿区的突水危 险性评价应采用 多种方法 ， 互 相验证。 参考文献 [ 1 】乔 伟， 李文平， 赵成喜． 煤矿底板突水评价突水系数 一 单位涌水量法 [ J ] ． 岩石力学与T程学报 ， 2 0 0 9 ， 2 8 1 2 2 4 6 62 4 6 7 ． [ 2 ]武 强， 张志龙， 马积福． 煤层底板突水评价的新型实 用方法 l 一主控指标体系的建设[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 7 ， 3 2 1 4 2 4 7 ． [ 3 ]武 强， 张忠龙， 张生冗 ． 煤层底板突水评价的新型实 用方法 l I 一脆弱性指数 法 [ J ] ．煤炭 学报， 2 0 0 7 ， 3 2 1 1 1 1 2 1 1 1 2 6 ． 下转第 9 0 页 s 昌 跗 鼯 BB 拼 一 一 一 ∞ 河北工程大学学报 自然科学版 2 0 1 1 年 位的二进制数 ， 随机取其两个个体 A和 B， 交叉点 为第 4 位遗传因子， 交叉操作后的 A和B个体分 别为 A 和 ， 表示为 A 田卫 丑Ⅱ Ⅱ呵 B 田卫 皿Ⅲ 圈 田卫 Ⅱ卿 田 丑Ⅱ Ⅱ皿 变异操作就是改变个体上某个位置的数码， 对于编码为二进制 的个体 ， 就是把相应位 的 0变 为 1 ， 1 变为 0 ， 如把上面的个体 ， 从第五位开如 进行变异操作 ， 得到 A 。 I l l l l I 1 I j I 变异操作主是防止有用解的丢失， 确保对空 间中重要点的遍历 ， 使算法 的全局收敛性增强 。 3． 5算法参数 遗传算法在实际应用研究中， 为了能更好地 获得最优解， 需要提前设定遗传算法的控制参 数 - 6 ] ， 包括主要参数和次要参数的设定。主要参 上接第 7 0页 [ 4 ]武 强， 庞 炜， 戴迎春 ． 煤层底板突水脆弱性评价的 G I S 与A N N耦合技术[ J ] ．煤炭学报， 2 0 0 6 ， 3 1 3 3 1 4 3 1 9． [ 5 ]李 丽， 程久龙 ． 基于信息融合的矿井底板突水预测 [ J ] ．煤炭学报 ， 2 1 0 6 ， 3 1 5 6 2 3 6 2 6 ． [ 6 ]尹会永， 魏久传， 刘 彬． 基于多源信息复合的煤层底 板突水评价[ J ] ．山东科技大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 2 7 2 6 9 ． [ 7 ]G B 1 2 7 1 9 9 1 ， 矿区水文地质工程地质勘探规范[ s ] ， [ 8 ]国家安全生产监督管理总局， 国家煤矿安全监察． 煤 矿防治水规定[ M] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 2 0 0 9 ． 数有算法的群体大小和执行算法的代数， 次要参 数是遗传操作的三种算法所对应的概率， 分别是 复制概率、 交叉概率和变异概率。 4结束语 在遗传算法中其基本操作的要素是至关重要 的， 对于问题的描述要设置一定的编码形式给出， 形成染色体， 以便后面的遗传操作。对于问题的 适应力处理要确定相应的适应函数， 为个体的选 择和优化提供依据 。 参考文献 [ 1 ]蔡 自兴． 人_ [ 智能及其应用 [ M] ． 北京 清华大学出版 社 ， 2 0 0 4 ． [ 2 ]颜富强． 遗传算法在数据挖掘l f l 的应用研究 [ D] ． 长 沙 湖南大学， 2 0 0 8 ． [ 3 ]吴晓虹． 遗传算法在数据挖掘中的应用[ D] ． 桂林 桂 林_T学院， 2 0 0 8 ． [ 4 ] 李文科 ． 基于遗传算法的数据挖掘技术的研究[ D] ． 南 京 中南大学， 2 O 0 9 ． [ 5 ]盛文峰． 数据挖掘的遗传算法的研究与应用[ D ] ． 上 海 上海交通大学， 2 0 0 7 ． [ 6 ] 赵建峰 ． 数据挖掘中一种基于遗传算法改进的 I D 3 算 法[ D ] ． 武汉 武汉科技大学， 2 0 0 8 ． 责任编辑刘存英 [ 9 ] 尹万才 ， 尹增德， 施龙青 ． 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