承压水上（共3篇）
承压水上 篇1
0 引言
近年来,一直制约中国煤炭生产发展的最主要的因素之一就是矿井水害,在进行水层上近距离煤矿开发时,涉及到高压石灰岩含水层上近距煤层开采的问题。因为石灰岩距离含水层很近,加上石灰岩本身所承受的水压又很高,所以在开采时出现突水的可能性很大。之所以这些灰岩在开采时危险系数很大,主要是因为灰岩溶岩含水量非常大,但是这对煤炭生产的影响不是最大的[1]。据中国煤炭开采专家预测,对中国煤矿开采影响最大、最广泛的是中奥陶统灰岩,它属于石灰二叠系之下的一种岩层,这些灰岩的岩溶和裂缝发育十分完善,含水量也十分大,并且承受水的压力非常高,突水现象十分频繁,因此,在煤矿开采中会受到其巨大的安全威胁。在开采前需要提前处理受水害威胁的煤炭储存层面,确保煤矿安全生产。
1 底板突水类型
煤层底板突水的主要原因是因为煤层下面的承压水是沿着煤矿开采的工作层面迸发的,内部通道突破了底板隔水层的阻挡,突然发生的突水快速涌向开采面。要有效预测突水事故的发生和掌握突水的发生规律,需要制定合理的开采方案,并且做好有效的预防措施。底板突水的不同类型是由它所含的不同成分决定的,因此,为了彻底查明底板突水原因和条件,必须对底板突水进行分类。
1.1 巷道突水和采场突水
巷道突水和采场突水是按照突水的地点进行分类的。巷道突水很多时候是破坏了内部结构,造成承压水通过断裂和结构破碎进入底板,形成充水,底板只要暴露,承压水就会迅速进入。采场突水主要是因为矿山的巨大压力,严重破坏和削弱了底板隔水层的强度和厚度,形成了与含水层的紧密联系,从而造成突水事故[2]。
1.2 爆发型缓冲型和滞后型突水
爆发型、缓冲型和滞后型突水是按照突水的动态进行分类的。由于存在充水层,再加上突水的地方底板隔水能力很弱,从而引发爆发型突水,既然是爆发型的突水,那么可想而知它的特点就是来势凶猛、冲击力强。缓冲型突水主要是由于采矿和构造被破坏造成的,因为发生突水的地方隔水能力很强,所以发生突水时水来的非常慢,它的现象是先突水很小,然后逐渐变大的形式。滞后型突水主要是由于承压水长期沿着裂缝冲刷的原因造成的突水现象。
1.3 特大型大型中型和小型突水
按照突水量大小,可分为特大型、大型、中型和小型四种突水类型[3]。通过研究得知,特大型底板的突水量是大于50 m3/min,大型底板的突水量为20 m3/min~49 m3/min,中型底板突水量为5 m3/min~19 m3/min,小型底板的突水量为小于5 m3/min。
2 影响底板突水的主要因素
发生煤层底板突水需要两个条件:水源条件和突水通道。
2.1 水源条件
水源条件包含水含量及水的压力大小,当水含量非常大、非常丰富时,那么突水的可能性也就非常大,并且它的危险性也相当大。而水压就是发生突水的动力,因为岩溶水是处于封闭的状态,它不断冲刷和溶蚀岩层的裂缝之处,日积月累就形成一条通道,给突水造成了一定条件,水进入底板隔水层形成突水,可以说水压越大,它的突水可能性就越大,并且破坏性也随之增大。
2.2 地质构造
地质构造是控制突水的主要因素,地质构造肯定会有地质裂缝或地质断裂的存在,然而地质断裂又破坏了地质的完整性,大大降低岩层本身的强度,同时底板隔水层的阻挡变形能力也被大大削弱,当工作面推进到这里的断裂层时,或接近断裂层时,都会有承压水直接涌现,引发突水事故。
2.3 隔水层阻挡水的能力
唯一能起到阻挡突水作用的就是隔水层,之所以隔水层能够起到一定的隔水能力,是由于隔水层的分层厚度、强度及裂缝的发育程度都是十分强大。单单就隔水层本身具有的强大的条件,也能让突水事故的发生几率变得很小。
2.4 来自于矿山的压力
诱发底板突水的主要原因是来自于开采引起的支撑压力,它的产生有一定规律,没有周期性的产生压力或具有周期性的压力产生,它所支撑的压力是很小的,因此诱发底板突水的破坏性也比较小。由于底板突水大多出现在初次来压或周期来压期间,在来压期间支撑压力与正常推进时比较压力比较大,对于底板的破坏性也比较严重。在工作面部后方的突水点大多数都会存在于后采空区边缘附近,这些位置与底板接触不太紧密,因此底板就会一直处于膨胀状态,随时都会断裂张开,对于突水的阻挡能力也就相当微弱了。
在初次顶板承受压力之前,由于基本顶大面积在外面悬露的时间比较长,有较大的自由面在底板的岩层上形成,这样底板岩层就会随意移动。工作面推进速度慢,工作面突然停止推进或在停采线处容易发生突水事故,这是由于支撑压力作用时间较长,底板破坏较严重,工作面推进速度快时,采空区底板未形成较大裂隙就会由膨胀状态变为压缩状态,这有利于防止底板突水。
3 遥感信息在岩熔陷落柱分布预测中的应用
陷落柱在形态上与其它构造地质体不一样,它的分布特点是横向延伸比较小,但是纵向延伸范围很大。以前人们用过许多方法预测陷落柱,如矿井物探就是经常用于预测的方法技术,但是这样的方法存在一定缺陷,本文将讨论遥感信息技术在岩溶陷落柱分布预测之中的应用。遥感技术能够重现矿区的真实地面状况,具有一定的宏观特性。利用遥感技术就可以了解与陷落柱分布有联系的地质构造信息,另外,利用遥感技术还能够采集到彩红外图像和红外线扫描图像。
3.1 彩红外图像
彩红外图像能够表现地质的影像色调、饱和度和明暗度。通过利用彩红外图像勘测地质,可以发现地质呈现线性构造和环形构造的规律特点。地质活动与陷落柱之间存在紧密联系,解释线性构造和环形构造对于分析陷落柱分布规律有重要意义。
3.2 热红外扫面图像
陷落柱体与周边地面物质相比,他们之间的辐射温度存在很明显的差异,通过热红外扫面图像可以判断地物温度,不同的地物热红外扫面图像上会出现不同的颜色,温度高的会显示出白色、色调比较亮,而温度低的会出现黑暗色调,用眼睛就能看出异常的地方,然后用明显的地物点作为控制。
4 结语
在中国,煤矿底板存在严重的突水问题,如果这种现象频繁发生,那么将会严重威胁中国煤矿安全生产。面对当下情况,只有采取合理的预测方法和有效的解决措施,才能从根本上防御和控制底板突水事故的发生。
摘要：分析底板突水的类型,探析影响底板突水的主要因素,展望遥感信息在岩熔陷落柱分布探测中的应用,以期对相关工作有所助益。
关键词：承压水上,底板突水,采煤技术
参考文献
[1]董杰,顾斌,董妍,等.承压水上采煤技术研究[J].科技风,2010(15):121.
[2]杨风旺,杨增越.底板突水预测预报理论及技术[J].煤矿开采,2007(3):75-78.
[3]管恩太.焦作矿区高承压水上采煤水害综合控制技术[J].煤矿安全,2005(9):15-17.
承压水上 篇2
我国许多煤田的水文地质条件十分复杂, 在煤层开采过程中受到多种水体的威胁, 煤矿防治水问题是煤矿生产及科研中的一大技术难题。据初步统计, 全国重点煤矿中受水威胁的矿井占47.5%, 受水害威胁的储量达250亿t。从近年的开采情况看, 每年采出受水害威胁的煤炭还不到总储量的10%。因此, 如果不能解放这些受水害威胁的煤炭储量, 不仅影响煤矿的产量, 而且一些老矿井还有被迫提前关井的危险。
防水煤柱的合理留设, 是带压开采至关重要的一个环节, 采矿实践证实, 绝大多数突水都发源于地质构造, 尤其是特大型突水。合理留设防水煤柱是防止构造突水的重要措施。本文在柳泉矿7煤实际情况的基础上通过FLAC模拟与理论计算相结合的方法, 提出了确定煤柱临界宽度的公式。
1 工作面概况
柳泉矿7煤在0~02勘探线之间, -80~-260 m段由原景山煤矿回采过, 煤厚为1.5~0.6 m之间, 煤层倾角为60°~70°, 回采期间煤层稳定, 未见断层, 未发现煤层变薄不可采现象, 顶底板均为砂岩, 坚硬, 顶板稳定, 回采巷道支护为木支护, 无冲击地压现象, 工作面走向长300 m左右, 回采巷道维修量不大, 工作面回采过程中没有发现滴淋水现象。
2 模型的建立与FLAC模拟
煤炭开采过程中, 当工作面前方遇有断层时, 如何确定防水煤柱的临界宽度, 根据柳泉矿现71采区揭露断层统计数据, 假设遇有倾角为60°、落差为35 m正断层时, 分析不同工作面长度下, 底板破坏深度以及相应的防水煤柱临界宽度。
为确定柳泉矿71采区的地质情况, 根据现有的水文地质资料及7、9煤的顶底板力学性质, 采用固流耦合模型, 分析在距7煤底板90 m处存有承压水的情况下, 水的渗流与工作面开采的耦合关系。
模型共划分19 050个单元, 反映出实际尺寸宽和高各为250 m和180 m。模型上边界加1.2 MPa垂直压应力以模拟实际采深的地应力, 左右边界以一定的应力梯度加3.0 MPa的水平应力, 以模拟遇有大断层时的水平应力。在距7煤底板90 m位置以一定应力梯度加6.5 MPa的水压力, 断层物理参数如表1所示。
留20 m保护煤柱时, 采场及断层处水压及应力云图如图1所示。
数值模拟分析表明, 7煤下伏的承压水由于断层破碎带的存在, 至使断层活化。承压水一方面通过其顶板岩层向7煤渗透, 但距7煤底板19 m位置存有隔水层, 有效的阻止了水头进一步上升;另一方面由于承压水压力较大, 使断层成为导水断层, 断层处的水头明显高于其它位置, 且穿过隔水层向两侧扩散。当所留煤柱为20 m时, 断层左侧扩散距离为11 m, 右侧为8 m, 距7煤底板17 m, 承压水沿断层破碎带及7煤开采对底板产生的破坏区, 进入工作面而导致突水。
3 理论计算与经验类比相结合法[1,2,3]
3.1 采场底板不突水条件
采场附近煤体上的支承压力往往超过其极限强度, 在煤壁附近形成非弹性区。按照弹塑性软化模型, 分别处于弹性、软化和流动的区域相应地称为弹性区、塑性区、破碎区, 如图2所示。
非弹性区包括塑性区及破坏区, 其范围xz为:
其中:
式中, f为岩层与顶底板间的摩擦系数;h为煤层厚度;φ为煤体的内摩擦角;σc*为单轴压缩时的残余强度;P为最大支承压力;Kmax为峰值应力集中系数;γ为上覆岩层的容重;H为煤层的采深;c为煤体的内聚力。
塑性区x2的范围为:
式中, M0为煤体塑性软化模量, 且M0=tanφ0, φ0为煤体塑性软化角;St为塑性区煤体应变梯度, 且St=tanα, α为塑性区煤层顶底板变形角之和。
破碎区x1范围为:
x1=xz-x2
断层突水的条件
如图3所示, 煤壁与断层距离为a, 高峰应力传播角为θ, 其与倾角为α的断层交于A点, z为交点距煤层底的深度。以A为顶点, 弹性区煤层长度x3为底的三角形面积S为:
整理得:
沿底板高峰应力线的倾向方向, 支承压力由峰状态向原始应力状态过渡, 相应地煤层底板由压缩状态向原岩状态过渡。受到支承压力峰值压缩的底板一旦遭到破坏, 支承压力峰值就会向深部移动, 即离煤壁更远, 相应地底板高峰应力线也向深部移动。因此, 未遭受支承压力峰值压缩的底板不会破坏, 从而在底板高峰应力线与断层之间的底板岩层仍具有原始的隔水性能。
沿底板高峰应力线的倾向相反的方向, 即向采空区方向, 支承压力由峰值状态向低应力状态过渡, 相应地煤层底板由压缩状态向膨胀状态过渡。因这部分的煤层底板都已遭受过支承压力峰值的破坏, 所以丧失原始的隔水性能, 有可能成为导水通道。
综上所述, 底板通过断层构成的突水通道产生突水的条件为:煤层开采造成的底板破坏深度h不小于底板高峰应力线与断层交点的深度z, 即
根据上面公式, 可得到采场断层防水煤柱留设宽度计算公式。根据采场底板不突水的条件有:
式中, h、θ、xz为煤柱设计的重要参数, xz可由公式 (1) 获得, θ为采场底板高峰应力线同岩层法线方向的夹角, 大量现场实测资料、相似材料模拟试验及有限元分析表明, θ值一般在21°~25°, h为矿山压力对采场破坏的深度。
3.2 煤柱留设尺寸的确定
如柳泉矿7煤开采过程中遇有35 m正断层, 根据现开采工艺条件及工作面布置方式, 具体参数如下:工作面采深为650 m, 斜长124 m, 煤层倾角15°, 断层倾角60°, 采高1.0 m, 非弹性区与采高比为6.5, 底板应力高峰线传播角为25°, 底板破坏深度为12 m, 将以上参数带入式 (6) 计算:
α=19 m
与数值模拟结果分析可知, 当工作面与断层留有20 m煤柱时, 达到最小防水保安煤柱, 与本方法确定的煤柱尺寸基本一致。
据此给出经验公式如下:
式中, H为煤层埋深, m;α为断层倾角, (°) ;f为普氏系数;L为工作面长度, m。
4 结论
根据理论分析, 得到采场断层防水煤柱留设宽度计算公式。据此给出采场底板不突水的条件:通过与数值模拟结果对比验正, 结合回归分析提出计算煤柱的经验公式。
参考文献
[1]桂和荣.防水煤 (岩) 柱合理留设的应力分析计算法[M].北京:煤炭工业出版社, 1997
[2]唐东旗, 吴基文, 李运成, 等.断裂带岩体工程地质力学特征及其对断层防水煤柱留设的影响[J].煤炭学报, 2006, 31 (4) :455-460
承压水上 篇3
红四矿设计生产能力2.4 Mt/a, 采用立井开拓方式, 工业广场布置主、副、风3个井筒。矿主井井筒净径5.5 m, 全深962 m。采用冻结法施工;井筒冻结深度0~645 m, 其中基岩段冻结深度为176 m, 井深645~962 m为非冻结基岩段, 采用普通法施工, 井壁为单层砼结构, 在四含部位井壁为钢筋混凝土结构, 壁厚750 mm。目前井筒施工至878 m, 已完全穿过第四含水层。红四矿井筒还有2个含水层没有揭开:第五含水层904.6~929.9 m, 中粗粒砂岩, 预计涌水量为5~10 m3/h;第六含水层941.9~947.6 m, 粗粒砂岩, 预计涌水量为15~20 m3/h。目前主井井筒已掘砌至877.6 m, 在第四含水层下部临近位置, 地层由细、粗粒砂岩构成。由于井壁及工作面淋涌水约50 m3/h, 给井筒施工和井壁浇筑质量带来了严重影响, 计划提前对下部含水层进行预注浆, 以确保工作面正常作业。
2 工作面预注浆方案设计
2.1 注浆段高的确定
红四煤矿目前迎头施工已穿过第四含水层, 还未揭露的第五、六含水层岩性均以中、粗粒砂岩为主, 是强富水性含水层。设计两圈注浆孔, 外圈孔主要对第五含水层进行预注浆, 内圈孔在补注第五含水层的同时主要负责第六含水层的预注浆工作, 注浆段高划分如表1所示。
2.2 止浆垫参数设计
根据红四煤矿提供的地质和水文资料, 结合影响止浆垫设计的参数, 总结出止浆垫的设计流程:①止浆垫设计采用平底圆台形;②防止止浆垫浇筑过程中发生跑水现象, 在止浆垫下方铺设滤水层做好排水工作, 确保止浆垫的浇筑质量;③将止浆垫下方的粉砂岩作为岩帽, 与混凝土止浆垫构成承压部分;④井壁承压的验算, 保证注浆期间井壁不被破坏;⑤止浆垫浇筑和加固之后, 对止浆垫进行耐压实验。实验的压力选用注浆终压。
通过《简明建井工程手册》提供的止浆垫设计参数的计算公式得出各个参数如表2所示。
由计算出影响止浆垫设计参数的数据可知, 止浆垫的设计采用带有滤水层的平底圆台形, 结合留设的岩帽与止浆垫共同构成承压部分, 从而确定出止浆的厚度为5 m, 滤水层的厚度为1.05 m, 留的岩帽厚度为20.83 m, 注浆终压为20 MPa, 井壁承压计算得出注浆时井壁的强度不能满足注浆终压的要求, 因此需要对止浆垫以上25 m的井壁进行充填加固。
对止浆垫以上25 m的井壁充填加固后, 再对止浆垫进行耐压实验, 通过实验观察发现止浆垫工作面上部无跑水现象。可见止浆垫的设计合理可靠。
2.3 预注浆布孔设计
2.3.1 布孔形式
设计在井筒止浆垫内均匀注浆孔口管, 分两排内外交错预埋:外圈孔距井壁0.45 m, 圈径4.6 m, 孔间距600 mm;内圈孔距井壁0.75 m, 圈径4.0 m, 孔间距522 mm。根据红四煤矿工作面预注浆防治水专家组注浆检查孔不少于4个的意见, 将在内外圈注浆孔注浆结束后根据现场需要在适当的位置布置检查孔。钻孔达到设计深度后, 要确保注浆孔在距各含水层中部井筒荒径外位置的间距不小于2.0 m。所有钻孔都要按设计的径向角布置, 检查孔立孔施工。
由于注浆段的含水层裂隙发育且连通性一般, 径向垂直裂隙发育较差, 因此, 考虑采用径向斜孔布置。
2.3.2 注浆孔数量及径向角度
在浇筑止浆垫的同时要布置注浆孔, 注浆孔的个数跟井筒的直径、孔间距、止浆垫的形式、注浆段高等有关。
注浆孔数量根据下列公式计算[1]:
式中, N为注浆孔数, 个;D为井筒净直径, 取5.5 m;A为孔口距井筒净径距离, 取750 mm;L为孔间距, 取522 mm。
计算得出:N=24.06, 取24。
径向角计算公式:
式中, α为钻孔径向倾角, (°) ;S为终孔超出井筒净径的距离, 取2.0 m;H为注浆段高, 取60 m;
通过计算得出:内圈径向角度α=3°, 外圈径向角度α=5°。
钻孔布置的平剖面图如图1所示。
2.4 孔口管长度的确定
孔口管的长度计算公式如下:
式中, L为孔口管长, m;λ为超载系数, 1.3;p为注浆终压, MPa;d0为孔口管内径, m;f为工作条件系数, 取0.7;τ为管材与砼粘着强度, 0.16;
计算得出:L=6.27 m, 取6.0 m。
孔口管设计为长6 m, 规格为D108×6的无缝钢管。
2.5 浆液扩散半径
岩层裂隙中浆液的扩散程度和范围决定了注浆的效果, 浆液扩散的程度和范围越大, 封堵岩层裂隙水的面积就越广, 即浆液的扩散半径设计合理与否直接影响注浆效果[2,3,4]。浆液扩散半径的计算公式如下[1]:
式中, R为注浆半径设计值, cm;k为被注岩层渗透系数, cm/s;h1为注浆压力水头, cm;r0为注浆管半径, cm;t为注浆时间, s;β为浆液粘结度与水的粘结度比;n为沙土孔隙率。
为了预算的准确性, 将含水层设定为均匀、各向同性的渗透介质, 注浆压力按照注浆的终压取20 MPa;含水岩层渗透率k取0.017 5;浆液粘结度以凝固前稳态年度考虑值取50 cp, 地下水的粘结度以3 cp考虑;注浆孔的半径值取3.65 cm;注浆时间考虑为40 min;沙土孔隙率取0.21。
根据以上参数, 计算出浆液在含水层里的扩散半径R=222 cm。
2.6 注浆材料
考虑第五、六含水层以孔隙水为主, 裂隙缝-微裂隙缝并存, 浆液扩散半径小, 结合第一段高注浆施工经验和相邻井筒注浆情况, 注浆材料选用超细水泥液和化学浆进行注浆。
2.6.1 超细水泥液
超细水泥液采用超细水泥和水按照一定的比例混合配置而成, 水泥单液浆采用水泥1 250 um超细水泥, 超细水泥液水灰配比如表3所示。
为了确保注浆的效果和增加注浆量, 注浆前先压清水洗孔。注浆时, 视压水吸水量确定注浆浆液的起始浓度, 然后根据压力的变化情况进行浆液配比调换, 一般按先稀后浓再稀的原则调配浆液。
2.6.2 混合化学浆液
混合化学浆液是由改性脲醛树脂和草酸按照一定的比例配置而成, 根据以往的注浆经验, 采用体积比为2∶1的比例进行配制, 配制好的混合化学浆液在8~30 min内凝结, 但是不同的环境温度会有所影响。
施工过程中, 为了对含水层进行有效封堵, 可采用超细水泥浆液与化学浆液交替使用的方式进行, 浆液的选择原则是:钻孔施工过程中, 首先使用超细水泥浆液进行注入, 如果吸浆量较少、压力升涨过快, 则说明超细水泥浆液无法渗透到裂隙当中, 导致注浆孔堵塞, 压力上升, 此时需改用化学浆注入;当单孔注入化学浆液达到20~30 m3、注浆压力上升缓慢、浆液注入量无明显减少时, 再改用超细水泥进行注浆, 直到达到单孔注浆结束标准。
2.7 浆液注入量及配比
含水层浆液注入量达不到要求则影响注浆效果和质量, 导致二次注浆, 造成浪费, 注浆工程造价高。因此, 在工作面注浆前要对浆液的注入量进行估算, 以确保在经济和施工合理的前提下完成注浆工作[4,5,6]。
工作面单孔浆液注入量的计算公式为[1]:
式中, A为浆液消耗系数, 取1.2~1.5;R为浆液有效扩散半径, 以钻孔圆心为中心;H为预注含水层的注浆高度, m;n为含水层的孔隙率, 取15.43%;B为浆液充填系数, 取0.9~0.95;m为浆液结实率, 取0.85。
根据以上的理论计算, 得出预注第五、六含水层共需要混合化学浆液5 818.36 m3, 化学浆液由脲醛树脂和草酸按照体积比2∶1进行设计, 脲醛树脂体积为3 878.91 m3, 草酸体积为1 939.45 m3, 脲醛树脂的密度按照1.2 kg/m3, 通过理论计算, 脲醛树脂注入量为4 654.69 t, 草酸的注入量按照浓度为0.64%进行计算, 得出草酸的注入量为12.41 t。
本次第五、六含水层的注入量计算为理论计算, 化学浆液的实际消耗材料需要根据现场钻孔实际的吸浆量来确定。
3 结论
通过对红四煤矿主井井筒预注浆工作面的因素进行分析, 得出工作面预注浆的效果并不是单一因素所决定的, 而是受到地质、水文设计参数等各种因素综合影响。采用上述的注浆方案对第五含水层进行注浆, 取得了良好的效果, 工作面的涌水量明显减少, 改善了工作面的作业环境。工作面涌水量由原来的50 m3/h降到17.1 m3/h。目前, 第五、六含水层仍在持续注浆, 通过井下观察, 注浆效果较好。
参考文献
[1]简明建井工程手册[M].北京:煤炭工业出版社.
[2]赵春阳, 马虎成.立井工作面预注浆技术[J].河北煤炭, 2002 (1) :44-46.
[3]孙丙山.站街煤矿副井止浆垫的施工工艺[J].煤炭技术, 2007, 26 (7) :12-18.
[4]孙鹏翔.立井井筒水下混凝土止浆垫施工工艺的研究与应用[J].建井技术, 2010, 31 (4) :26-28.
[5]徐栓祥.龙固矿深立井高压大流量工作面止浆垫和岩帽的设计研究[J].山东煤炭科技, 2009 (9) :136-137.