矿井突水机理研究(2008.7).doc

一、我国主要煤矿区矿床突水特点及其发生发展规律 （一）、我国主要煤矿区矿床突水特点 近年来，煤炭开采形式发生较大变化，老矿井，特别是中、东部矿井浅部煤炭资源已逐渐枯竭，煤矿企业转而开发深部受奥灰岩溶水威胁的煤炭资源。据初步估算，在中国东部冀、豫、鲁等省的煤矿区，深部太原组煤炭（下组煤）约占总资源量的40％～70％，开发潜力很大。但深部岩溶水突水问题是制约下组煤开采的重要因素，以山东省下组煤开采矿区的统计资料为例，截至20世纪90年代末，井下奥灰突水、渗水事件超过300余次，且多与导水断层有关。 比较大的突水事故岩溶水来势迅猛，初期突水量为1083～10640m3/h，严重威胁矿井的生产安全。因此，开展矿井突水机理与水文地质勘探技术的研究，对于查明矿床水文地质条件，有效解决下组煤的开采突水问题，保障煤矿安全生产，是目前煤矿工业急待解决的问题，对解决中国东部煤炭后备资源日渐枯竭问题具有重要的现实意义。为此，中国煤炭地质总局水文地质局于2007年8月27日以煤水地办发[2007]74号文下达中国煤炭地质总局Ⅰ 类科研项目《煤矿安全生产地质评价技术》子课题三：《矿突水机理与水文地质勘探技术研究》，委托中国煤炭地质总局水文地质工程地质环境地质勘查院承担该科研项目。 二、 采动岩体破裂特征及规律 （一）不同岩性组合，采动岩体结构的破坏情况 (二)、采煤方法对煤层底板的影响 2.1、煤层底板突水因素 底板突水是采动矿压、下伏含水层的水压、隔水层厚度及导水裂隙共同作用的结果。 2.1、1 采动矿压 煤层采动后使岩体平衡状态被破坏，发生围岩变形、移动和破坏，从而对回采工作面与巷道产生矿山压力，出现底板隆起及扰动裂隙带，改变煤层下伏含水层地下水赋存、运移条件，触发和诱发矿井底板突水，引起下伏含水层地下水天然流场改变而集中流入矿井。 矿压与采煤工作面的关系为： 1）采煤工作面宽度越大，则支撑压力越大，对底板的破坏深度越大。 2）采煤工作面长度越长，悬顶区的跨度就越大，下伏含水层的水压对悬顶区隔水底板所产生的纵横弯矩也越大，就越容易使底板破坏而突水。 矿压扰动裂隙使底板有效隔水层变薄，从而对采煤带来突水隐患。根据矿井生产经验，矿压扰动破坏深度受工作面斜长影响最大，其次还与开采方法、煤层厚度、采深及底板的岩性组合等多种因素有关。 在正常地段，垂向上第一层为矿压扰动破坏带，据经验公式估算并与邻矿对比确定约为12m； 第二层：为有效隔水带（但在断层附近，一般存在潜越导水带和侵水带，使有效隔水层厚度变薄或断失）。 据山东矿业学院对全国11个采面的测试结果，一般扰动裂隙带深度（h）为6m～14m，并总结出其与与采面斜长（L）的关系式为： h= 1.86 + 0.11L。 本矿东南部杨村矿实测扰动破坏深度为11m，按经验公式估算本矿为12m。 （二）隔水关键层的形成条件及判别 一．隔水底板软岩与硬岩组合 据前人研究成果，隔水底板抗压强度及隔水能力与地层组合有很大关系。区内16煤底板至奥灰间岩层平均厚度为58.84m,岩层组合以泥岩为主，平均占57%；其次为砂岩，平均占21%；煤系灰岩平均占18%；煤层平均占2%。软岩与硬岩比值系数约为1：1，这种互层状的软、硬岩地质结构对提高底板的抗压强度及隔水能力比较有利，见表6－2。 二．底板抗压强度与隔水能力 据以往对典型矿区各类岩石抗压强度及隔水能力的测试成果，刚性岩石隔水性差但抗压强度大，柔性岩石则相反。一般刚性岩石的等效隔水系数约是泥岩的0.4倍；而柔性岩石的等效抗压强度系数约是刚性砂岩、灰岩的0.5～0.7，见表6－3。 根据标准岩石的等效隔水系数和等效抗压强度系数进行换算，16煤底板等效泥岩隔水层厚度为46.30m；总体抗压强度约为4.55Mpa，相对于底板奥灰水压来说比较偏低。 16煤底板至奥灰间地层组合及特征汇总表 表6－2 孔号 全厚（m） 刚性岩石与柔性岩石组合（％） 等效泥岩隔水层厚度（m） 总体抗压强度 (Mpa) 砂岩 煤系灰岩 泥岩 煤层 厚度（m） 比例 厚度（m） 比例 厚度（m） 比例 厚度（m） 比例 水1 61.02 12.19 20 11.23 18 35.7 59 1.90 3 48.0 4.80 3-5 60.15 7.24 12 11.65 19 40.11 67 1.15 2 50.8 4.70 群1 63.80 14.15 22 10.45 16 38.34 60 0.86 2 50.3 5.14 5－5 59.44 13.10 22 11.07 19 34.01 57 1.26 2 47.1 4.79 3－7 60.00 16.86 29 7.01 12 27.36 46 1.01 2 43.0 4.30 煤6－2 5