呂兆海 閆學(xué)忠 朱海魚 賈 川 李立波 李 陽
(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西省西安市,710054;2.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,寧夏回族自治區(qū)銀川市,750004)
礦井水災(zāi)害是煤礦地質(zhì)災(zāi)害的重要組成部分,它嚴(yán)重影響著煤礦的安全生產(chǎn)。突水預(yù)測預(yù)報(bào)是礦井突水災(zāi)害防治研究的一個(gè)重要方面,很多學(xué)者致力于這方面的研究工作。楊善安詳細(xì)分析了斷層在采空區(qū)的位置及要素與突水的關(guān)系,得出斷層面傾向采空區(qū)方向的采空區(qū)邊界底板斷層最容易發(fā)生突水事故,尤其是當(dāng)斷層傾角同最大膨脹線相吻合時(shí),突水最容易發(fā)生;譚志祥基于巖體極限平衡理論,分析了斷層突水的力學(xué)機(jī)制,得出了突水與否的判別公式;葛亮濤利用P-H 曲線、黎良杰等利用關(guān)鍵層理論對礦井突水發(fā)生的條件進(jìn)行了探討;呂保民等總結(jié)礦井導(dǎo)水通道發(fā)生突水防治措施,主要有物探、鉆探、留設(shè)煤柱、注漿、提前疏放和水位觀測等。
水害對礦井的威脅主要表現(xiàn)為煤層頂?shù)装甯浇暮畬痈凰?、?lián)通地表水體或地下強(qiáng)含水層的煤層構(gòu)造、充水老窯采空區(qū)等幾種形式。在采掘前對各種可能引起礦井水害的因素進(jìn)行準(zhǔn)確探測是有效防止礦井突水災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵。
本著預(yù)測預(yù)報(bào)、有掘必探、先探后掘、先治后采的安全生產(chǎn)原則,加強(qiáng)工作面水害形成機(jī)理分析,用含水層儲水性能即含水量大小 (Water-Bulk)、煤體上覆巖體裂隙擴(kuò)展高度 (Destroyed-Height)以及透水與否 (Water-Inrush)3 個(gè)參數(shù)來表示頂板是否透水以及透水量大小。含水量大小及煤體上覆巖體構(gòu)造裂隙是突變理論中的兩個(gè)控制變量,透水與否這個(gè)參數(shù)是尖點(diǎn)突變理論中的狀態(tài)變量,上述3個(gè)參數(shù)坐標(biāo) (W-B,D-H,W-I)的三維空間給出了一個(gè)曲面,如圖1所示。
圖1 頂板透水突變模型
基于以上假設(shè),頂板是否發(fā)生透水是隨著含水層含水量大小及煤體上覆巖構(gòu)造裂隙擴(kuò)展高度的變化而變化。如果含水層含水量足夠小,透水量將隨著裂隙高度的不斷向上發(fā)展而緩慢增長;如果含水量足夠大,隨著煤體上覆巖層裂隙高度的不斷擴(kuò)展,透水量將出現(xiàn)一個(gè)跳躍性增長;當(dāng)裂隙擴(kuò)展高度與含水層含水量沿著路徑I變化時(shí),頂板將從穩(wěn)定(不透水)跳躍到不穩(wěn)定(透水)狀態(tài)。隨著巷道向前掘進(jìn),后方巖體在上覆巖層壓力作用下構(gòu)造裂隙閉合,含水層水壓減小,滲流率緩慢減弱,在突變模型中為沿分歧點(diǎn)集外運(yùn)動(dòng)的漸變過程(路徑II)。
斷層突水特征如表1所示,現(xiàn)場遇到下列情況時(shí)必須探查斷層含 (導(dǎo))水性:
(1)采掘工作面前方或附近有含 (導(dǎo))水?dāng)鄬哟嬖冢唧w位置不清或控制程度不夠時(shí)。
(2)采掘工作面前方或附近預(yù)測有斷層存在,但其位置和含 (導(dǎo))水性不清,有可能發(fā)生突水時(shí)。
(3)采掘工作面底板隔水層厚度與實(shí)際承受的水壓力都處于臨界狀態(tài) (即等于安全隔水層厚度和安全水壓的臨界值),在掘進(jìn)工作面前方和采面影響范圍之內(nèi)是否存在斷層情況不清,一旦遭遇很可能發(fā)生突水時(shí)。
(4)斷層已經(jīng)被巷道揭露或穿過,暫時(shí)沒有出水跡象,但由于隔水層厚度和實(shí)際水壓力已經(jīng)接近臨界狀態(tài),在采動(dòng)影響下,有可能引起突水,需要探明其深部是否已經(jīng)和強(qiáng)含水層導(dǎo)通。
(5)采掘工作面附近構(gòu)造不明,井巷工程接近或計(jì)劃穿過的斷層淺部不含 (導(dǎo))水,但在深部有可能發(fā)生突水時(shí)。
羊場灣井田生產(chǎn)補(bǔ)充地質(zhì)勘探范圍是西部以東廟詳查區(qū)邊界及周家溝于家梁背斜為界,北部以20勘探線為界,東部以石槽村井田邊界為界 (即長梁山向斜軸),南部以楊家窯正斷層為界。南北長10km,東西寬3.2~5km,面積36.32km2。深部補(bǔ)勘區(qū)新發(fā)現(xiàn)斷層16 條,其中逆斷層7 條,正斷層9條。斷層破碎帶內(nèi)煤巖破碎,裂隙發(fā)育,分布向深部延伸,裂隙多為砂質(zhì)、泥質(zhì)充填,斷層導(dǎo)水性較好。掘進(jìn)下山揭露F201正斷層時(shí),多次出現(xiàn)涌水和流砂,掘進(jìn)頭冒落,伴生泥石流災(zāi)害,最大涌水量90m3/h,涌出泥砂約5000m3。
表1 斷層突水特征
+980m 回風(fēng)大巷采用錨網(wǎng)噴、錨索聯(lián)合支護(hù),半圓拱形斷面,巷道凈寬5300 mm,凈高4350mm,施工凈斷面積25.4 m2,沿二煤掘進(jìn),二煤結(jié)構(gòu)簡單,煤厚7.1~9.3 m,平均煤厚8.2m,二煤偽頂為炭質(zhì)泥巖,直接頂為粉砂巖、細(xì)砂巖,老頂為中砂巖、粉砂巖。根據(jù)勘探地質(zhì)資料分析,+980 m 回風(fēng)大巷在掘進(jìn)過程中將揭露DF9正斷層。
(1)頂板水害分析。頂板水涌出的影響因素不僅與含水層賦存的水體類型、特征、賦存條件有關(guān),還與煤層頂板隔水層的水文地質(zhì)條件、地層構(gòu)造有關(guān)。施工巷道位于第Ⅲ含水層組的下部,根據(jù)勘探資料分析,第Ⅲ含水層組含水豐富,主要以一層煤頂板粗粒砂巖含水為主,該含水層的水可通過節(jié)理、裂隙導(dǎo)入巷道。
(2)斷層水害分析。DF9正斷層落差大,為張性導(dǎo)水?dāng)鄬?,在局部或區(qū)域側(cè)向拉伸力作用下,張裂程度較大,由于斷層帶孔隙多、孔隙度大,加之?dāng)鄬觾杀P富水性較強(qiáng),常伴有次生裂隙構(gòu)造,形成斷層的裂隙帶,與斷層破碎帶共同構(gòu)成斷層水的儲存體和良好通道。當(dāng)巷道掘進(jìn)揭露斷層,斷層破碎帶內(nèi)的水或者斷層溝通煤層頂板含水層的水會(huì)使礦井涌水量顯著增加。
本著有疑必探、先探后掘的原則,在斷層前方100m 處打鉆探查水文特征。單孔深50.0 m,鉆孔依次穿過二層煤、泥巖、粉砂巖、中砂巖、一層煤、粗砂巖。2#、3#鉆孔施工過程中探查到正斷層DF9(導(dǎo)水性好,涌水量20 m3/h)。工作面過斷層過程中,采用注博特威加固圍巖,堅(jiān)持先堵水,再加固,后掘進(jìn)。超前探測鉆場布置見圖2。
圖2 超前探測 (斷層)鉆場布置
(1)超前疏放水。對煤層頂板水進(jìn)行可控疏放對減小巷道涌水量十分重要,采用疏水降壓是頂板水防治的重要工作。當(dāng)工作面掘至距斷層約10m 時(shí),采用坑道地質(zhì)鉆機(jī),在頂板施工2~3個(gè)泄壓導(dǎo)水孔 (孔徑?75 mm),導(dǎo)水孔終孔位置應(yīng)距巷道頂板20m,孔深應(yīng)滿足導(dǎo)水孔進(jìn)入斷層帶5m。
(2)預(yù)注漿加固。斷層影響區(qū)內(nèi)煤巖體雖具有一定殘余強(qiáng)度,但其抵抗圍巖變形的能力顯著降低,通過提前注射馬麗散、博特威等化學(xué)材料,改善弱面的力學(xué)性能,即提高裂隙的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角,從而固結(jié)斷層破碎帶松散巖層,杜絕潰沙、潰水事故發(fā)生,保證斷層破碎區(qū)頂板安全。滲透半徑是確定加固區(qū)內(nèi)注漿孔間距及數(shù)量的依據(jù),其取決于注漿壓力與時(shí)間、裂隙密度、裂隙開度、裂隙迂曲度、漿液的運(yùn)動(dòng)黏度、漿液的膠凝時(shí)間等,注漿漿液的擴(kuò)散半徑用式 (1)計(jì)算:
式中:R——漿液擴(kuò)散半徑,cm;
pc——注漿孔內(nèi)壓力,MPa;
p0——受注裂縫內(nèi)地下水壓力,MPa;
T——注漿時(shí)間,s;
b——裂縫寬度,cm;
rc——注漿孔半徑,cm;
u——漿液黏度,MPa·s。
注漿量的大小取決于注漿壓力、時(shí)間、煤巖體裂隙的發(fā)育程度、破碎狀況及滲透性等,還與注漿過程中漿液的跑漏情況有關(guān),每個(gè)注漿孔的注漿量可用式 (2)進(jìn)行計(jì)算:
式中:Q——單孔注漿量,kg;
A——漿液消耗系數(shù),取1.2~1.5;
L——鉆孔長度方向加固區(qū)長度,m;
n——巖石的裂隙率,取1%~10%;
B——漿液的充填系數(shù),取0.7~1.0。
將上述數(shù)值代入式 (2)可得單孔注漿量為
110kg。
根據(jù)先支護(hù)后注漿的原則,工作面掘至距DF9斷層約4m 處沿巷道輪廓線超前施工注漿孔,邊注漿邊掘進(jìn),每次注漿加固范圍為5.0m,向前掘進(jìn)3.0m 進(jìn)行下一循環(huán)注漿。預(yù)注漿鉆孔工藝布置如圖3所示,每循環(huán)布置9個(gè)孔,孔徑32mm,孔深6.0 m,頂孔仰角15°~20°,幫孔外擺15°,孔間距1.4m。
圖3 預(yù)注漿鉆孔工藝布置圖
(3)超前架棚維護(hù)。采用鋪雙層網(wǎng)、架設(shè)U型鋼棚、噴射混凝土聯(lián)合支護(hù),距斷層面10m 時(shí)由外向里架設(shè)U 型鋼棚,每架設(shè)三架棚后噴射混凝土支護(hù)到掘進(jìn)頭。根據(jù)斷層段圍巖硬度采用鎬刨、炮掘或綜掘施工,循環(huán)進(jìn)度在0.5~0.8 m,掘進(jìn)一個(gè)循環(huán)及時(shí)架設(shè)U 型鋼棚。若煤巖體非常破碎,采用鎬刨或風(fēng)鎬施工,邊掘進(jìn)邊打設(shè)頂錨桿;若煤巖體硬度較大,可縮小循環(huán)進(jìn)度,放小炮掘進(jìn)。U 型鋼棚參數(shù)見圖4(a)。
圖4 架設(shè)錨注工藝
(4)全斷面錨注加固。采用注漿錨桿實(shí)現(xiàn)錨、注合一,對巷道破碎圍巖進(jìn)行 而有所增大,相對瓦斯涌出量隨著煤炭產(chǎn)量的增大而呈負(fù)指數(shù)關(guān)系減小,同時(shí)隨著配風(fēng)量的增大,工作面瓦斯涌出量逐漸增大。
(3)正常回采過程中,直接頂垮落,工作面瓦斯涌出量是其未垮之前的1.33倍,而初次來壓后瓦斯涌出量是來壓前的1.6倍,此后隨工作面推進(jìn)一定的距離,工作面瓦斯涌出量均會(huì)出現(xiàn)周期性增大,其周期與礦山壓力的來壓步距幾乎相等。
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