“下三带”理论和“P-h”临界曲线法预测底板突水

李万军,杨家兵

(新光集团有限公司,江苏盐城 235000)

“下三带”理论和“P-h”临界曲线法预测底板突水

李万军,杨家兵

(新光集团有限公司,江苏盐城 235000)

“下三带”理论经过长时间的理论研究和生产实践,在承压水上安全开采,防止底板突水灾害起到了重要作用。“P-h”临界曲线法在预测底板突水方面考虑的因素更多,具有一定的实践价值。

“下三带”;底板导水破坏深度;“P-h”临界曲线法;底板突水

矿井水害为矿井生产的五大灾害之一。随着煤矿开采深度的增加,含水层的水头压力越来越高;被开拓的煤田的水文地质条件越来越复杂。我国各煤矿及有关部门在防治顶板水及底板水方面做了大量的工作,积累了丰富的经验,但还存在一些问题尚有待于深入地研究和解决。本文就预测底板突水的方法,对新光集团淮北刘东煤矿北七采区防治底板水,选择“下三带”和 “P-h”临界曲线法两种办法进行对比分析。

刘东煤矿开采二叠系山西组 10层煤,北七1004工作面位于北七采区中部,沿走向呈倾伏布置,工作面“两道”开口水平标高为 -460m,工作面切眼上下口标高分别为 -500.82m, -516.28m;平均可采煤层厚度 3.3m左右,煤层赋存总体基本稳定;直接底为砂岩,约 30m;以下是太原组灰岩,受奥灰水补给水压 2MPa,工作面突水危险较大;工作面是不是可以带压开采,是否需要疏水降压,是回采前必须重点解决的技术问题。

1 “下三带”法预测底板突水

实测及研究表明:煤层底板在开采条件下,由于受到矿压及岩溶水的共同作用,自上而下分为 3个带:矿压对底板的破坏深度带;具有阻隔水能力的保护层带和承压水导升带。矿压对底板破坏深度主要与岩石的硬度系数、工作面宽度、开采深度、煤层倾角等因素有关。

1.1 煤层底板的“下三带”[1]

通过对采动后煤层底板破坏规律的深入研究和现场实测表明,采动后煤层底板存在 3个带,即“下三带”,自上而下依次为破坏带、完整岩层带(保护层带)及承压水导升带。“三带”划分如图1所示。

图1 “下三带”示意

(1)破坏带 破坏带位于煤层底板的上部,直接邻接煤层。该带岩层在采动矿压作用下,岩层的连续性遭到破坏,岩层内山现一系列裂缝,使其导水能力增强。底板破坏深度的大小与工作面长度、采煤方法、开采深度、煤层厚度、煤层倾角、顶底板岩性及结构等因素有关,底板破坏深度一般为3～20m。

(2)完整岩层带 (保护层带) 完整岩层带位于破坏带之下。该带岩层虽受采动矿压作用,甚至产生弹性或塑性变形,但仍保持其连续性,其阻水能力未发生变化。由于该带是阻抗底板突水最关键的岩层带,故又称为保护层带。完整岩层带厚度(h2)与底板总厚度、破坏带厚度 (h1)及承压水导升带厚度 (h3)有关。在少数矿井中,煤层采动后其底板的完整岩层带很薄,甚至不存在,在此情况下,底板突水的几率会大大增加。

(3)承压水导升带 承压水导升带直接连接在承压含水层之上,是指含水层中的承压水沿煤层底板裂隙上升的高度,即由含水层顶面至承压水导升标高之间的部分。承压导水带的高度 (h3),取决于承压水的压力,煤层底板的岩性和裂隙发育程度以及受采动影响的剧烈程度。有的矿煤层底板内可能没有承压水导升带。

开采煤层底板在任何情况下都会产生破坏,即第Ⅰ带 (导水破坏带 h1)是一定存在的,而其他两带可能缺一二。但其中第Ⅱ带 (h2),即有效保护层带对预防底板突水至关重要,其存在与否及其厚度大小 (阻水性强弱)是安全开采评价的重要因素。

1.2 底板导水破坏深度和安全水压的计算

根据我国现场试验实测资料,经回归分析,已获得方便可靠的预计底板导水破坏带深度的经验公式,计算结果如下:

式中,h1为底板导水破坏深度,m;L为开采工作面斜长,m;H为开采深度,m;α为开采煤层倾角, rad。

安全水压为:

式中,p为安全水压,MPa;Ts为临界突水系数 (受构造破坏块段不大于 0.06MPa/m,正常块段不大于 0.1MPa/m;h为隔水层厚度,m。

带入刘东煤矿北七 1004工作面相关数据 H= 500m,L=100m,α =0.5,h=30m,得:

依据计算所得的安全水压值与现场实测的底板水压对比,实测值 2MPa大于计算值 1.51MPa。依据此法,认为现行条件下开采是不安全的,需要调整工作面长度或者进行疏水降压。

2 “P-h”临界曲线法预测底板突水

“P-h”临界曲线法预测底板突水方法,从水文地质和工程地质问题出发,分析水文地质条件和岩体力学将采区底板看作是一个厚度为 h的四边固定的由复杂岩石组成的矩形板,在此基础上导出了采区底板最易破裂点的临界水压方程式[2]:

式中,p0为临界水头压力,MPa;K0为底板岩体最小抗张强度,MPa;Lx为采空区走向跨度,亦即采煤工作面后方至冒落物压实点的距离,m;Ly为采区倾斜跨度,亦即工作面长度,m;h为相对隔水底板厚度,m;γ为底板岩体平均密度,t/m3;Q为矿山压力 (指向上作用于悬顶区底板的二次侧压力及地应力),MPa。

当其他条件不变时,临界水压与隔水底板厚度h的关系可用如下简单的抛物线方程表示:

p0为坐标上一不通过原点,在 P轴上有负截距c的抛物线。其曲线如图 2所示。

图 2 临界水压与隔水底板厚度的关系

图 2表明:

(1)凡是 P,h坐标位于抛物线的右上方的采区,均可能发生底鼓、破裂,但突水现象只能发生在h轴的右边;P,h坐标位于抛物线左下方的采区,既不会发生底鼓和破裂,也不会突水。

(2)采区底板之所以发生底鼓、破裂突水,是由于水头压力与矿山压力共同作用的结果;P轴上的负截距 c,即为矿山压力Q(包括地应力)之值。当 p =0时,h=h0,h0即为矿山压力对底板的破坏深度。

(3)当其他条件相同时,h0是随 K0的降低而呈直线减小,故底板突水多发生在破碎带及断层附近。

(4)p0是随着 Lx或 Ly的增大而减小的,故改变采煤方法,缩小悬顶区跨度,可使临界曲线向右上方移动,扩大安全区、缩小突水区,将部分可能突水的采区转化为不突水。

从上可以看出,“P-h”临界曲线法较“下三带”理论法考虑的因素多而全,理论上也较有新意、较为严格。当然也存有不足之处:

(1)式 (4)是以假设采区底板为水平产状时而导出来的,因而只可应用于水平或近似水平的采区。如用于倾斜采区,则水压 P的取值方法及系数尚须予以修正。

(2)矿山压力值 Q难以精确计算,只能进行估算,这一定程度上影响计算结果的准确性。

带入现场实际数据:K0=5MPa,Lx=20m,Ly=110m,h=30m,γ=2.5t/m3,Q=60MPa,得:

通过“P-h”临界曲线法安全水压计算结果为7.5MPa,大于实测值 2MPa。认为此工作面带压开采是安全的,故可运用此法。

3 经济效益

刘东煤矿如果采用“下三带”法,则计算安全水压为 1.51MPa,小于实测 2.0MPa,需采取调整工作面长度或疏水降压措施。如采取调整工作面长度的方法使安全水压提升至 2.0MPa,则需把工作面长度调整至 12m,这显然不可行,故宜采取疏水降压的办法。该矿根据北六采区开采的相关资料,考虑经济开采和安全开采,使用“P-h”临界曲线法计算结论,同时进行疏水降压。该矿北七采区 1004工作面自 2007年 12月开采,2009年 8月份开采结束,历时 20个月,安全回采煤炭 260kt,工作面至今未出现任何异常,取得了可观的效益。

4 结论

通过对刘东煤矿北七采区 1004工作面“下三带”和“P-h”临界曲线法两种方法计算可知:现场安全水压实测值 2MPa,高于“下三带”计算结果 1.51MPa,低于 “P-h”临界曲线法计算结果7.5MPa。“下三带”理论方法的计算结果偏于保守,当然可以增加煤层开采的安全系数,但是这样也使一些本来可以带压开采的煤层由于计算数据的保守而不敢开采,造成煤炭资源的损失或开采成本的增加。“P-h”临界曲线法结果在各项参数比较齐全准确的基础上,会更贴近现场实际。

“下三带”理论对于承压含水层上采煤底板突水预测、开采安全性论证、选择开采方案及编制有关安全开采的技术措施都有较高的实用价值,应用也较简单。但是这种方法没有考虑到底板岩层的性质、强度、工作面推进速度等重要因素。“P-h”临界曲线法,则考虑因素较多,但是仍然未考虑工作面推进速度因素,对于资料丰富的矿井可以做出抛物线系,以增加预测的准确性。

[1]张文泉,李白英 .“下三带”理论的发展和应用 [J].矿井水文地质,2001.

[2]葛亮涛,等.中国煤田水文地质学 [M].北京:煤炭工业出版社,2000.

[责任编辑:徐乃忠]

“Down 3 Zones”Theory and“P-h”Critical CurveM ethod for FloorWater-burst ing Forecast

L IWan-jun,YANG Jia-bing

(Xinguang Group Co.,Ltd,Yancheng 235000,China)

“Down 3 Zones”theory plays an important role in mining above pressurized water and preventing floorwater-bursting after long-ter m theory research and practice.“P-h”critical curve method present in this paper could use more factors in methods of predicting floorwater-bursting and was of practice value.

down 3 zones;height of floorwater-conductive fissure zone;“P-h”critical curve method;floorwater-bursting

TD327.3

A

1006-6225(2010)05-0045-03

2010-06-21

李万军 (1966-),男,江苏盐城人,工程师,现为新光集团生产技术部主任。