矿井突水原因及其防治

2005/10/21 15:13:24

摘要　根据现场工作的实际及有关理论分析，将突水原因归纳为矿压、断裂、隔水层、含水层4个方面，在分析突水因素的基础上，提出了针对不同的水文地质条件，采取不同的防治水措施，减少突水因素的影响，预防突水，保证矿井安全生产．
关键词　工作面　突水因素　防治
中图法分类号　TD 745

Analysis on Water Inrush and the Prevention of Mine Water

Yin　Wancai
(Feicheng Mine Industry Group， Shandong, Feicheng 271600)
Yin　Zengde　Shi Longqing
(Shangdong Institute of Mining & Technology)

Abstract　According to practical field work and some data, the causes of water inrush to underground pressure, fault, water resisting layer, water bearing layer are discussed. Some suggestion about adopting different ways of prevention and control of water inrush in different hydrological condition have been put forward so as to decrease the influence of water inrush factors, prevent water inrush and ensure mine safety.
Keywords　working face; water inrush factor; prevention and control

0　引　言
　　肥城煤田水文地质条件极为复杂，全局可采煤层储量中受水威胁的达69%，水患已成为威胁肥城矿区安全生产的重要灾害．分析突水原因，研究突水因素，针对不同的水文地质条件采取相应的防治水措施，减少或消除某些突水因素的影响，预防工作面底板突水，保证矿井安全生产，是广大工程技术人员正在不断探索的问题．

1　突水因素分析
　　采掘过程中，造成底板突水的因素是多方面的，是多种因素综合作用的结果．根据现场实际观测及有关理论分析，认为影响底板突水的因素主要有以下几个方面．
1.1　矿压
　　采矿过程中的矿山压力，对工作面底板具有严重的破坏作用，产生新裂隙，并“活化”原有断裂，导致底板突水．
　　随着采煤工作面的推进，底板任一断面总是经历超前支撑压力压缩破坏、采后悬顶卸压膨胀破坏、采空区周边剪切破坏、最后顶板冒落压实的再受压过程．其中采空区卸压膨胀及其周边剪切对底板破坏最严重，产生的裂隙最多．
　　矿压对底板的破坏程度是不一样的．根据现场观测，工作面初压及周期来压时顶板悬顶面积最大，工作面周围煤体的支撑压力及煤壁处的剪切力达到最大值，煤层底板最易造成破坏，底板最易突水．因此突水点多在初压及周压地段或煤壁处．一般工作面自切眼推至60?m这段距离内，即初压及第一次周压位置时底板发生突水的概率最大，为72%．
　　矿压对底板的破坏作用与工作面顶板岩性有关．工作面顶板岩层越不易冒落，矿压对底板的破坏作用越明显，工作面越易出水．如陶阳矿太原群9煤层顶板为泥灰岩，不易冒落，因而9煤层工作面易发生突水．10煤层工作面顶板为粉砂岩、薄煤层相间，顶板易冒落，矿压的破坏作用不显著，与底板出水不明显．所以对顶板不易冒落的工作面要及时采取措施，减少矿压的破坏作用．

1.2　断裂
　　断裂构造是突水的主要因素之一，综合分析其作用主要有：
　　(1)断裂构造的存在破坏了底板完整性，降低了底板的强度．
　　(2)断层上下两盘错动的结果，缩短了煤层与含水层的距离，甚至使煤层与含水层直接对口．
　　(3)断裂带破碎、软弱，易形成导水通道．
　　(4)断层带充水成为充水带，更使水文地质条件复杂化．
　　肥城矿区突水绝大部分与断裂构造有关(见表1)，陶阳煤矿9901工作面因开切眼没留足东8号断层煤柱，推进12 m后出水1 083 m³/h，淹没采区(图1)；9507工作面沿煤壁发育一条北东向、宽20 cm的构造裂隙出水17 940 m³/h，造成淹井．
　　一般情况下，在断层交叉复合部位、尖灭端、拐弯处、向斜轴部、转折端及隐伏裂隙存在的工作面因应力集中，易造成底板破坏突水，是预防的重点．

表1　突水与断层关系对照
Tab.1　The comparison of water inrush and fault

地点	突水次数	与断裂有关的次数	百分数/%
肥城局陶阳矿	73 20	53 15	72.6 　75

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图1　陶阳矿9901工作面断层带突水示意
Fig.1　The water inrush from fault zone in 9901
working face of Taoyang coal mine

1.3　隔水层
　　隔水层对突水起阻挡作用，其阻水能力是由其厚度、岩性组合及力学强度决定的．厚度越大，越不易出水．其岩性组合及力学强度是控制底板岩层受采动影响的重要因素．当煤层底板岩层软硬相间时，不易形成裂隙；当底板岩层自近(煤层)而远，强度由弱到强时，岩层间易形成采动裂隙．如陶阳煤矿9、10煤层底板岩性分别为粘土岩、粉砂岩、中砂岩，其力学强度由弱到强，受矿压作用易形成采动裂隙而造成突水．
　　煤层到底板含水层之间的距离由采矿破坏深度、有效隔水层厚度及导高三部分组成(导高是承压水沿煤层底板导水裂隙上升的高度)．起阻水作用的主要是有效隔水层厚度．如果矿压对底板破坏深度大，导高又大，则有效隔水层厚度相对减小，工作面底板就容易出水．因而我们只有采取防治水措施，减少矿压对底板的破坏深度，减小导高，才能增加有效隔水层厚度，预防出水．
1.4　含水层
　　含水层的富水性及水压对工作面底板突水具有重要作用．含水层的富水性是突水大小的物质基础，它决定着突水后水害的规模及对矿井的威胁程度．富水性与其岩溶裂隙发育程度、迳流条件、构造发育情况及埋藏深度等因素有关．
　　含水层的水压是工作面底板突水的动力，表现为静水压力及动水压力两种形式．未突水前表现为静水压力，静水压力对隔水层裂隙具有顶劈扩大作用，水压愈高，作用愈显著；出水后承压水头降低，含水层的水位能转化为动能，这是以动水压力为主．其作用主要表现在出水后，裂隙被冲刷扩大，充填物质不断被带走，通道越来越畅通，出水量越来越大．
　　肥城煤田太原群9、10煤层底板徐灰、奥灰含水层水压大、富水性强，是威胁太原群煤层尤其是9、10煤层开采的主要含水层，是预防的重点．
　　含水层与隔水层是同一矛盾的两个方面．含水层富水性强，水压大，易造成出水；而隔水层厚度大，则有利于阻水，其中水压与隔水层厚度存在一定的关系．根据陶阳煤矿历次工作面突水资料，用数理统计原理计算，得出隔水层厚度与水压关系式
　　　　　　　　M=14+12.7p
式中：　　M——隔水层厚度，m；　　　　p——水压，MPa．
当水压p=0时，M=14m，可理解为采矿破坏深度(有的理解为导高)，临界线斜率为12.7，其倒数为0.078，实际上是突水系数T_S．以上公式数据基本符合矿区实际．
　　综上所述，造成工作面底板突水的因素很多，但概括起来主要有矿压、断裂、隔水层、含水层4个方面．针对以上突水因素，因地制宜，采取相应的防治水措施，就能有效地预防出水．

2　工作面底板突水防治
　　根据以上分析，结合矿区实际，我们认为搞好底板突水防治主要从以下几个方面入手．
2.1　采取措施，减少矿压对底板的破坏作用
　　(1)缩短工作面斜长．工作面斜长对底板的影响，实际上是矿压对底板的破坏深度问题．工作面斜长越大，压力越大，底板采动破坏深度增加，工作面底板越易出水．据有关资料推导，工作面斜长与底板破坏深度可用如下关系式表示
　　　　　　　　H=0.5L^0.7
式中：　　H——采矿破坏深度，m；　　　L——工作面斜长，m．
　　由上式可以看出，采矿破坏深度随工作面斜长增加而增加，工作面斜长越大，越易出水．此式经验证基本符合矿区实际．如陶阳煤矿9801工作面平均斜长90 m，按上式计算H为11.6 m，回采过程中未出水，而相邻的9803工作面斜长120 m，H为14.3 m，回采过程中出水20 m³/h；9904工作面里段斜长80 m，H为10.7 m，回采过程中未出水，相邻9906工作面斜长130 m，H为15.1 m，结果回采过程中出水420 m³/h(表2)．

表2　工作面斜长与突水关系
Tab.2　The relationship of working length and water inrush

工作面名称	斜长L/m		H/m	隔水层厚/m	导高/m	出水量/m³*h^-1
9801 9803 9904里段 9906	90 120 80 130		11.6 14.3 10.7 15.1	30.5 29.6 25.2 25.7	11.7 16.7 8.9 12.1	20 420

　　根据陶阳煤矿工作面斜长与突水关系，我们认为在不影响产量、回收率等问题的基础上，受徐灰、奥灰水威胁的工作面斜长应不超过100 m．
　　(2)加强初压面管理，人工放顶．初压面顶板不易冒落，悬顶面积大，矿压对底板破坏最严重．根据前面分析，初压及第一次周压地段是最易突水地段，因而加强初压面管理十分重要．肥城局规定，在开切眼时要打好放顶眼，回采时悬顶走向8?m，倾向20?m，要及时人工放顶，并要求各矿认真执行．如陶阳煤矿9808等9煤层工作面顶板为泥灰岩，不易冒落．为减少矿压对底板的破坏作用，回采前在切眼打好放顶眼，工作面推进后，及时进行人工放顶，大大减弱了矿压对底板的破坏作用，有效地防止了初压面突水，使工作面得以安全回采，可见初压面管理的重要性．
2.2　注浆改造是预防工作面突水的有效措施
　　该技术通过地面注浆站集中造浆、注浆，井下施工注浆孔向介于煤层和奥灰强含水层之间的薄层灰岩(即徐灰)注浆，是预防突水的综合防治水技术．实践证明该技术是成功的．陶阳煤矿自1987年开始对徐灰进行注浆改造采煤，至今共施工钻孔441个，进尺28 294 m，注水泥浆为35 367 t，粘土为7 025.5 t，解放受水威胁的9、10煤层工作面达28个，解放储量236万t，现已安全回采21个工作面，安全采煤157万t，一直未出大水，保证了矿井的安全生产，取得了较好的经济效益．注浆改造作用及特点表现在以下几个方面：
　　(1)改变了含水层的富水性．在注浆压力作用下，浆液沿裂隙扩散、沉析、结石，使徐灰岩溶裂隙基本上为粘土水泥浆充填，富水性大大减弱，甚至不含水．
　　(2)切断奥灰与徐灰的补给通道．注浆过程中，在注浆压力作用下，浆液沿徐灰与奥灰的联系通道向下扩散、沉析、缩小或堵塞通道断面，减少或切断了奥灰对徐灰的补给通道．
　　(3)加固了底板隔水层，提高其强度．
　　(4)注浆改造可消除导高，增加有效隔水层厚度．通过注浆改造，浆液能有效地充填含水层至隔水层的导水裂隙，消除导高，使原来含水、导水的裂隙带变成纯隔水层，增加了有效隔水层厚度，对预防出水极为有利．
2.3　预防断裂出水
　　根据前面分析，断裂是造成工作面底板突水的主要因素之一．“逢突必断”已成为人们的共识．预防断裂出水是矿井防治水工作的主要内容之一．具体内容包括以下几个方面：
　　(1)全面分析区域构造特征，研究断裂展布规律．根据每个面的巷道揭露情况及钻探资料，查明工作面断裂分布情况，为预防断裂出水提供依据．
　　(2)按规定留设断层煤柱，特别对于可能导水断层，则需按规定留足防水煤柱．
　　(3)分析断裂性质及力学特点，属于张性导水断裂，在巷道穿过前，要按规定提前探查并进行注浆加固，达到预期效果．否则不能直接揭露．
　　(4)对断层交叉点、尖灭端、褶曲轴部等构造发育地段要重点加固防治，预防工作面在回采过程中出水．
　　(5)巷道穿过断层带时，要加强支护，以防滞后出水．
　　(6)认真研究滑动构造特点，滑动构造易形成“层状”充水带，对底板威胁面大．要及时分析资料，对滑动构造明显的地段要重点防治．
2.4　疏水降压
　　水压是造成工作面出水的重要因素，通过疏水降压可以降低水头压力，减少水压对底板的“顶劈”作用，预防出水．

第一作者：尹万才，男，1964年生，工程师．
国家自然科学基金资助项目，编号：59774001．

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