我国华北及华东地区的主要矿区如开滦矿区、兖州矿区、新汶矿区、枣庄矿区,开采石炭二叠系煤层。煤系基底为奥陶系石灰岩,厚度大、岩溶裂隙发育、富水性强、水压大。当遇有地质构造(如断裂构造)时,奥陶系石灰岩与上覆的本溪组或太原组的石灰岩连通,发生水力联系,造成底板突水事故。有些煤层由于受奥陶系石灰岩承压水的威胁而不能开采。因此,研究和解决受奥陶系石灰岩承压水威胁煤层的安全开采问题,对于煤矿的安全生产和解放呆滞的煤炭资源具有重大的现实意义。
一、底板突水类型
1、按底板突水地点分:巷道突水、采煤工作面突水。
2、按突水的动态表现形式分:
(1)爆发型:突然爆发,即达峰值,过后突水近于稳定、减小。来势猛、速度快、冲击力大,常有岩石碎屑伴水突出。
(2)缓冲型:水量由小到大逐渐增大,经几小时、几天、甚至几月才达到峰值。
(3)滞后型:采掘工作面推过后,在巷道、采空区内发生突水,滞后时间几天、几个月、几年,突水量可急可缓。
3、按突水量大小分:
(1)特大型:突水量等于或大于50 ;
49 ;~(2)大型:20
19 ;~(3)中型:5
(4)小型:小于5 。
二、开采后底板岩层破坏规律
在开采过程中,煤层底板应力重新分布造成底板岩层的变形与破坏,削弱了底板岩层的阻水能力,甚至形成突水通道。因此,研究开采后煤层底板的应力重新分布、变形与破坏规律,是研究煤层底板突水问题的基础。
1、开采过程中工作面底板应力变形特征
采煤工作面周围应力的分布情况:按应力大小分升高应力区(增压区)、降低应力区(减压区)和原始应力区(稳压区)。
采煤工作面底板应力与变形情况:按应力与变形性质分压缩区(压应力)、膨胀区(拉应力)、压缩区与膨胀区之间(剪应力)。拉应力与剪应力使底板出现一系列垂直于层面的断裂。垂直断裂与层理、顺层断裂交叉,形成底板破碎带。
2、煤层底板“下三带”
根据煤层底板的破坏情况及地下水的导升情况,采煤工作面连续推进后,工作面及采空区煤层底板可分为三带
(1)破坏带:直接与工作面邻接的底板,出现一系列沿层面和垂直于层面的断裂,使底板导水能力增强,因此又称为导水破坏带,其厚度称底板破坏深度h1,可达几米到十几米。
(2)保护层带:位于破坏带之下的完整岩层,岩层在支承压力作用下产生弹性变形或塑性变形,但仍保持连续性,其阻水能力未发生变化。因此,又称完整岩层带或阻水带。其厚度为h2。
(3)地下水导升带:位于保护层带之下,底板承压水,沿底板隔水层裂隙上升的高度,其厚度为h3。
(4)底板含水层顶部充填隔水带:有时底板含水层顶部存在泥质物的充填,具有隔水作用,其厚度以h4表示。
根据下三带理论,预测承压水体上采煤有四种情况,
三、影响底板突水因素
1、水源条件
水源条件包括水压和水量。水量是突水的物质基础;水压是突水的动力。水量越丰富,突水量越大,其危害性也越大。水压大,一方面冲破力大;另一方面在隔水层裂隙中导升高度增大,水压越大其破坏性越大。
2、矿山压力
(1)有周期来压的采煤工作面,在初次来压、周期来压时,支承压力大,对底板破坏严重,易发生底板突水事故。
(2)在采煤工作面后部采空区附近的底板处于降低应力区或变形膨胀区,顶板垮落不充分,断裂张开,阻水能力最弱,易于突水。
(3)初次来压前,在开切眼附近,老顶大面积悬露、且直接顶垮落不接顶,底板形成较大的自由面,易于突水;
(4)工作面推进速度太慢或停止时,在停采线处由于支承压力的长时
期作用,使底板破坏严重,易于突水。工作面推进速度快,采空区底板还来不及形成较大的断裂,就会由膨胀状态变为压缩状态,有利于防止底板突水;
(5)区段煤柱在侧向支承压力的作用下,边缘处破坏;煤柱边缘处顶板垮落不充分,易于突水。
3、隔水层(保护层)阻力
0.3Mpa/m~隔水层的强度、厚度及裂隙发育程度,影响隔水层阻力的大小。隔水层阻力系数(Z),以Mpa/m表示,在一般情况下Z=0.1 。
4、地质构造
地质构造,特别是断裂构造,是造成煤层底板突水的主要原因。我国绝大部分(80%以上)的底板突水,是由断裂构造引起的。
(1)断裂错距的存在,缩短了含水层与煤层之间的距离,使底板隔水
层厚度减小甚至消失(见图4)。
(2)断裂错动时,断裂影响范围内的岩石比较破碎,极大地破坏了隔水层岩石的完整性,降低了隔水层的阻水能力。
(3)断裂错动时,断裂影响范围内的岩石比较破碎,具有良好的储水和导水特征,当采煤工作面揭露到断裂构造时,即会发生底板突水。
(4)采煤工作面底板岩体中存在断裂构造时,使底板的破坏带深度增大。
四、承压水体上采煤防水安全媒岩柱的留设
1、防水安全煤岩柱的类型
承压水体上采煤,对于不同采动等级的水体,都必须留设安全媒岩柱。
表1为承压水体上采煤的采动等级、允许采动程度及留设的安全煤岩柱类型。
2、防水安全煤岩柱的设计
原则:不允许底板采动导水破坏带波及水体,或与承压水导升带沟通。