礦井水害發(fā)生機(jī)理及防治技術(shù)研究

申紹鋒

(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺(tái)頭煤焦有限責(zé)任公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100)

引 言

綜采工作面瓦斯、水害以及頂板支護(hù)效果等決定著煤礦生產(chǎn)的安全性。其中，水害事故在煤礦生產(chǎn)中不可避免，其不僅會(huì)對(duì)工作面人員的安全造成威脅。而且，礦井水害事故還會(huì)導(dǎo)致多種環(huán)境負(fù)效應(yīng)，制約工作面煤炭的高效開(kāi)采[1]。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)采取合理發(fā)生的水害防治措施。本文著重研究了礦井水害的發(fā)生機(jī)理，并針對(duì)性地提出相關(guān)防治措施。

1 礦井地質(zhì)及水文條件分析

本文以61101工作面為例開(kāi)展關(guān)于礦井水害發(fā)生機(jī)理的研究并制定相應(yīng)的防治水措施。61101工作面的走向長(zhǎng)度為2.2 km，走向?qū)挾葹?20 m。經(jīng)探測(cè)，該工作面煤層的傾角范圍為0°～3°，煤層平均傾角為1.5°，可開(kāi)采煤層的厚度為15.4 m。61101工作面的頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 61101工作面頂?shù)装迩闆r

目前，61101工作面可開(kāi)采煤層有4#、5#、6#煤層。經(jīng)探測(cè)，4#煤層頂板的涌水量為0.036 L/s；5#煤層頂板的涌水量為0.082 L/s；6#煤層頂板的涌水量為0.06 L/s。

2 礦井水害發(fā)生機(jī)理研究

礦井水害主要分為工作面頂板突水和底板突水[2]。本節(jié)著重對(duì)頂板和底板的突水機(jī)理展開(kāi)研究。

2.1 礦井底板突水機(jī)理

目前，我國(guó)針對(duì)礦井底板突水的研究缺乏一個(gè)規(guī)范。一般的，底板突水類(lèi)型可根據(jù)突水與斷層的關(guān)系、突水量的大小、突水的動(dòng)態(tài)特征以及水層性質(zhì)等進(jìn)行劃分。結(jié)合61101工作面的水文條件可將其底板突水分為斷層性底板突水和正常底板突水。

其中，正常底板突水的底板無(wú)斷層以及陷落柱等構(gòu)造，其主要成因?yàn)椴删驅(qū)е鹿ぷ髅娴装鍛?yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而底板出現(xiàn)位移變化最終引起底板突水。實(shí)際上，正常底板突水是承壓水壓著煤層的間隙緩慢滲入至工作面巷道內(nèi)，隨著承壓水不斷擠入間隙造成裂隙被擴(kuò)大，進(jìn)而導(dǎo)致大范圍的突水事故。

根據(jù)斷層底板突水發(fā)生機(jī)理可將其分為導(dǎo)水?dāng)鄬右l(fā)的突水和采動(dòng)引起的斷層突水。顧名思義，導(dǎo)水?dāng)鄬邮怯捎诘装鍖?dǎo)水層出現(xiàn)斷裂而導(dǎo)致的突水事故；采動(dòng)引起的斷層突水其底板斷層并不導(dǎo)水，隨著工作面開(kāi)采的導(dǎo)致斷裂層不斷被擴(kuò)展最終導(dǎo)致突水事故的發(fā)生[3]。

2.2 礦井頂板突水機(jī)理

結(jié)合相關(guān)理論研究，礦井底板突水的發(fā)生需滿(mǎn)足以下兩種情況：

1)礦井工作面頂板含水層的位置高于冒裂帶，由于開(kāi)采的影響導(dǎo)致含水層被導(dǎo)通；

2)礦井工作面頂板含水層的位置高于冒裂帶，而且在含水層和冒裂帶中間存在一定厚度的隔水層。當(dāng)隔水層的厚度大于頂板突水的臨界隔水層厚度時(shí)，不會(huì)發(fā)生突水；反之，會(huì)導(dǎo)致頂板突水事故的發(fā)生。

總而言之，工作面頂板突水現(xiàn)象的發(fā)生與其工作面頂板的雙層結(jié)構(gòu)覆巖運(yùn)動(dòng)、斑裂線以及斷裂構(gòu)造等相關(guān)[4]。

3 礦井水害的防治

3.1 61101工作面突水危險(xiǎn)性分析

經(jīng)分析，61101工作面存在頂板、底板突水的隱患。以下將著重對(duì)61101工作面頂板突水和底板突水的危險(xiǎn)性進(jìn)行分析。

3.1.1 頂板突水的危險(xiǎn)性分析

對(duì)于61101工作面而言，頂板突水主要為其砂巖含水層斷裂所導(dǎo)致。因此，結(jié)合砂巖含水層的相關(guān)參數(shù)對(duì)其危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，其對(duì)應(yīng)的安全水壓計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中，P為砂質(zhì)含水層所承受的安全水壓；t為頂板和含水層中間的隔水層厚度，取t=11.9 m；L為61101工作面巷道的寬度，取L=5.5 m；γ為頂板與砂質(zhì)含水層中間隔水層的平均重度，取γ=0.002 5 MN/m3；為隔水層的抗拉強(qiáng)度，KP=1 MPa。

經(jīng)計(jì)算可得，砂質(zhì)含水層實(shí)際承受的安全水壓為9 MPa。而對(duì)于首采面砂質(zhì)含水層的實(shí)際水壓為12 MPa。因此，在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中對(duì)含水層采取適當(dāng)?shù)奶椒潘僮鹘档晚敯逋凰奈ｋU(xiǎn)性。

3.1.2 底板突水危險(xiǎn)性分析

對(duì)于61101工作面底板突水而言，其主要是由于奧灰含水層被導(dǎo)通所導(dǎo)致突水現(xiàn)象的發(fā)生。因此，結(jié)合底板奧灰含水層的相關(guān)參數(shù)對(duì)其奧灰含水層的安全水壓進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式同樣采用式(1)。式中，P為底板熬水含水層所承受的安全水壓；t為底板與奧灰含水層中間隔水層的厚度，取t=30 m；L為61101工作面的寬度，取L=5.5 m；γ為底板與奧灰含水層中間隔水層的平均重度，取γ=0.002 5 MN/m3；KP為隔水層的抗拉強(qiáng)度，KP=1 MPa。經(jīng)計(jì)算的，61101的工作面奧灰含水層的安全水壓為60.25 MPa，而實(shí)際生產(chǎn)中奧灰含水層預(yù)計(jì)的最大水壓為1.2 MPa。因此，對(duì)于61101工作面而言發(fā)生底板突水的事故較小，僅需對(duì)底板導(dǎo)水?dāng)鄬雍蛯?dǎo)水陷落柱進(jìn)行重點(diǎn)探查。

3.2 61101工作面水害的防治措施

在上述對(duì)61101工作面頂板和底板突水現(xiàn)象危險(xiǎn)性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)頂板突水現(xiàn)象進(jìn)行重點(diǎn)防治，對(duì)底板突水現(xiàn)象采取重點(diǎn)探查的防治手段[5]。

3.2.1 頂板砂質(zhì)含水層的防治

結(jié)合61101工作面頂板突水危險(xiǎn)性分析的結(jié)果，根據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》得出該工作面頂板的在首次開(kāi)采時(shí)對(duì)應(yīng)的冒落帶高度為64.4 m；導(dǎo)水裂縫帶的平均高度為227 m。因此，可得出工作面頂板砂巖含水層的位置處于冒落帶和導(dǎo)水裂縫中間。

因此，對(duì)于61101工作面頂板突水采取如下防治措施：在工作面巷道內(nèi)盡可能地采取涌水自流進(jìn)行防治，若由于現(xiàn)場(chǎng)情況無(wú)法采取涌水自流的方式應(yīng)為其配置相應(yīng)的水泵和管路。

3.2.2 底板奧灰含水層的防治

結(jié)合61101工作面底板突水危險(xiǎn)性分析的結(jié)果，現(xiàn)有奧灰含水層被導(dǎo)通的概率較小。因此，在綜合考慮技術(shù)、成本以及防治必要性的基礎(chǔ)上在當(dāng)前帶壓開(kāi)采的情況下無(wú)需對(duì)底板奧灰含水層進(jìn)行防治，僅需采取探查并封堵垂向?qū)ǖ赖姆绞奖ＷC工作面的安全生產(chǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

水害事故為煤礦生產(chǎn)中不可避免的事故之一，為保證工作面的安全生產(chǎn)需結(jié)合實(shí)際情況采取有效的水害防治措施。對(duì)于61101工作面而言，其頂板突水事故發(fā)生的概率較大，而底板突水事故發(fā)生的概率較小。因此，需重點(diǎn)對(duì)61101工作面底板砂質(zhì)含水層進(jìn)行防治，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)底板奧灰含水層的探查，綜合保證工作面的安全生產(chǎn)。