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矿井突水预测理论方法及监测技术总结

作者:煤矿安全网 来源:煤矿安全网 发布时间:2012-08-14

  矿井突水预测理论方法及监测技术总结

  摘要:本文详细阐述了矿井突水征兆和突水水源的识别方法,并总结了近年来矿井突水预测的理论方法及监测技术。

  关键词:矿井突水 突水征兆 突水预测 监测

  我国经济持续高速发展与国家安全战略离不开能源和矿产资源的强有力支撑,而地下开采方式是目前我国获得多种能源资源与矿产资源的重要途径。随着开采深度、开采强度、开采速度、开采规模的增加和扩大,矿井突水问题日益严重 ,尤其是近几年,矿井突水事故频繁发生,给人民生命财产造成重大损失,严重影响和制约着矿山的安全生产。因此,开展采动条件下矿井突水预测预报理论及监测技术研究,对于采动岩体突水预测与防治、开采方法的改进、安全度的评价具有重大理论意义和实际价值。

  1 矿井突水征兆

  从开拓工作面开始,发展到突水的期间内,在工作面及其附近往往会出现一些征兆。

  a. 承压水与承压水有关断层水突水征兆:①工作面顶板来压、掉渣、冒顶、支架倾倒或折梁断柱现象;②底软膨胀、底膨张裂。这种征兆多随顶板来压之后发生,且较普遍,在采掘面围岩内出现裂缝,当突水量大、来势猛时,会伴有“底爆”响声;③先出小水后出大水也是较常见的征兆;④采场或巷道内瓦斯量显著增大。

  b.冲积层水突水征兆:① 突水部位岩层发潮、滴水,且逐渐增大,仔细观察可发现水中有少量细砂;②发生局部冒顶,水量突增并出现流砂,流砂常呈间歇性,水色时清、时混;③发生大量溃水、溃砂,这种现象可能影响至地表,导致地表出现塌陷坑。

  c.老窑水突水征兆:① 煤层发潮、色暗无光;②煤层“挂汗”;③ 采掘面、煤层和岩层内温度低“发凉”;④在采掘面内若在煤壁、岩层内听到“吱吱”的水呼声时,表征因水压大,水向裂隙中挤压发出的响声,说明离水体不远了,有突水危险;⑤ 老窑水一般呈红色,含有铁,水面泛油花和臭鸡蛋味。

  2 矿井水源的识别

  采掘过程中发现突水征兆,及时告诫并采取必要防范措施,以减缓或防止突水事故发生。矿井突水后,如何查清水源,达到有针对性的治理,则是矿井出现突水后的一个重要问题。水源识别主要有以下方法:

  2.1 地质、水文地质分析

  熟悉掌握井田或采区内已存在或可能存在的断层位置、性质、落差、两盘含水层错动情况;断裂构造的组合特征、含水层数目、厚度、含水类型、水压大小、富水性、裂隙或岩溶发育程度;矿层与直接或间接充水含水层的距离、隔水层厚度、强度、稳定性;老窑边界、旧钻孔位置及封孔质量;地表水是否与矿坑水有联系。通过上述方法可以初步确定井田内突水的类型和位置。

  2.2 突水点位置和突水形态分析

  在采矿过程中,由于煤层底板或断层应力场发生了变化,承压水的入侵高度沿断层带或破断的底板向上发展产生递进导升现象,以致造成突水。因此,突水过程具有岩体应力、渗透性变化、水压升高、涌水量增大等一系列前兆。这些前兆是突水预测、预报的依据,通过传感器对应力、水压的变化幅度等信息进行分析处理,来反演突水区域,进而计算突水点的位置。突水形态是指水从突水点流出还是冒出;是一阵大一阵小,还是缓慢增大;是上翻出水、喷射,还是缓流水,以此判断水压的相对大小,同时也反映出动水量大小。

  2.3 突水携出物分析

  无论是地表水或井下承压含水层中的水,溃入采掘工作面时,一般都能携出突破点附近围岩物质;可通过观察和分析这方面的资料来确定突水位置。

  2.4 地下水动态分析

  井巷突水前,地下水运动处于相对动平衡态,在疏放流场中,其流向、水力坡度、水质、水温都相对稳定。突水后,势必打破原平衡状态,在水位、水质、水量等方面应有所反映。通过动态分析法,可以分析判断突水水源。

  2.5 水化学法

  水化学法是研究地下水自身组分的变化,从微观上判别和认识不同水源间差异和联系的一种方法。要判别井下突水水源,必须首先搞清不同水源之间的区别和各自特征,并掌握其形成特征的自然规律。地下水在形成过程中,由于受到含水层的沉积期、地层岩性、建造和地化环境等诸多因素的影响,使储存在不同含水层中的地下水主要化学成分有所不同。

  近年来,由于计算技术和计算机技术得到迅速发展,一些定量、半定量的方法已经应用到对矿井突水水源的判别中,如模糊综合评判法、人工神经网络、灰色关联分析等等。每种方法有其自身的特点,同时也存在一定的局限性。针对不同情况,如何从方法上扬长避短,发挥各自的优势,实现对矿井突水水源的准确判别及预测。

  3 矿井突水预测

  3.1 突水系数法

  我国学者早在1964年就开始了底板突水规律的研究,提出了采用突水系数作为预测、预报底板突水与否的标准。突水系数就是单位隔水层所能承受的极限水压值,表达式为

  

 

  式中, p ——作用于底板的水压,MPa;

  M ——底板厚度,m。

  用突水系数评价底板稳定性的关键在于确定临界突水系数 Ts,可定义为每米隔水层厚度所能承受的最大水压。若 T < Ts说明底板稳定,突水可能性小;反之,T > Ts则说明底板不稳定,发生底板突水的可能性大。

  3.2 阻水系数法

  阻水系数法是通过现场底板钻孔水压致裂法底板岩石的平均阻水能力,计算公式为

  Z = P /R,

  式中, Z为阻水系数; R 为裂缝扩展半径, 一般取R= 40~50; P


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