李 鵬
(晉能控股裝備制造集團(tuán)寺河礦,山西 晉城 048204)
我國(guó)富煤、少油、缺氣的能源現(xiàn)狀,決定了煤炭資源占據(jù)我國(guó)能源主體結(jié)構(gòu)地位。煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中受五大災(zāi)害(水災(zāi)、火災(zāi)、瓦斯、煤塵、頂板) 的影響,不僅影響礦井安全高效開(kāi)采,而且還對(duì)井下員工的生命安全造成嚴(yán)重的威脅。尤其受水害威脅的煤炭?jī)?chǔ)量達(dá)到2.5×1010t,約占總煤炭?jī)?chǔ)量的27%[1-3]。煤層底板突水較為復(fù)雜,且煤層底板突水事故發(fā)生在地下有限空間內(nèi),造就了它具有搶險(xiǎn)困難、事故重大的特性[4-5]。本文分析了煤層底板突水成因及影響因素,為煤炭企業(yè)從源頭上治理煤層底板突水事故,實(shí)現(xiàn)煤炭資源安全、高效地開(kāi)采提供了參考。
對(duì)于我國(guó)華北地區(qū),煤層開(kāi)采主要受底板奧陶系灰?guī)r水的威脅;而對(duì)于我國(guó)西南地區(qū),煤層開(kāi)采主要受強(qiáng)富水性承壓巖溶含水層的威脅。當(dāng)含水層位于煤層底板下方且煤層底板厚度太小或者承壓水水壓太高就會(huì)導(dǎo)致煤層底板突水,地下水是底板突水的主要水源,嚴(yán)重制約煤礦安全開(kāi)采。因此在采礦工程中不僅要防止地下水涌入礦井,而且還要注意保護(hù)地下水資源。地下水的來(lái)源主要有裂隙水、巖溶水、大氣降水。
斷裂構(gòu)造是巖層受地應(yīng)力作用后,當(dāng)力超過(guò)巖石本身強(qiáng)度使其連續(xù)性和完整性遭受破壞而發(fā)生破裂的地質(zhì)構(gòu)造。斷裂構(gòu)造是造成煤層底板突水的主要原因,是導(dǎo)致礦井發(fā)生突水事故最多的一種構(gòu)造,約80%以上的煤層底板突水與構(gòu)造有關(guān)。通常斷層按其相對(duì)位置劃分為正斷層和逆斷層,當(dāng)斷層為正斷層時(shí),由于兩盤接觸位置處應(yīng)力集中,巖層以破裂的方式釋放應(yīng)力,使局部巖石受到拉伸的作用,導(dǎo)致其上斷層的旁側(cè)裂隙較下盤往往更發(fā)育。當(dāng)斷層為逆斷層時(shí),由于斷層兩盤的位置及其性質(zhì),通常情況下不導(dǎo)水,但在開(kāi)采作用的影響下,部分?jǐn)鄬拥纳舷卤P會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的錯(cuò)動(dòng),從而形成導(dǎo)水通道。此外,斷層帶孔隙較為發(fā)育,往往伴隨著衍生裂紋結(jié)構(gòu)、斷層破裂帶的形成,連同裂隙帶共同組成斷層天然水倉(cāng)和導(dǎo)水通路。
我國(guó)西部礦區(qū)特厚煤層賦存條件較為復(fù)雜,煤層開(kāi)采時(shí),覆巖受采動(dòng)影響,底板產(chǎn)生明顯的破壞帶,形成貫通性裂隙,導(dǎo)致含水層中的水涌向采場(chǎng),造成煤層底板突水事故。資料顯示,多數(shù)回采工作面的底板突水都與礦山壓力活動(dòng)有關(guān)。當(dāng)煤層采時(shí),需要對(duì)巖層裂隙進(jìn)行觀察,看地下水是否沿著采動(dòng)裂隙加速向采空區(qū)滲漏,了解其內(nèi)在運(yùn)移規(guī)律,是防止礦井突水的關(guān)鍵。由于巖層移動(dòng)受控于多因素的影響,目前對(duì)其研究的主要成果有關(guān)鍵層理論、上三帶理論、砌體梁理論,這些理論從不同角度解答了上覆巖層移動(dòng)的問(wèn)題,對(duì)防治煤層底板突水具有重要意義。
煤層開(kāi)采和巷道掘進(jìn)前均需要打鉆孔進(jìn)行探放水,巖層的原巖應(yīng)力、巖石完整性受到一定的影響。根據(jù)煤礦安全規(guī)程,所有鉆孔在使用完畢后都應(yīng)按封孔設(shè)計(jì)要求和鉆探規(guī)程的規(guī)定封孔。若封孔質(zhì)量不合格,鉆孔便會(huì)導(dǎo)通煤層上部或下部的含水層,此時(shí)煤層底板下的地下水將沿著鉆孔涌入礦井中,造成礦井突水事故,但是有些鉆孔有特殊用途必須保存,在煤層開(kāi)采或巷道掘進(jìn)時(shí)要注意避開(kāi)這部分鉆孔。
煤層開(kāi)采以及巷道掘進(jìn)對(duì)圍巖產(chǎn)生變形和破壞,隨著采煤工作面的不斷推進(jìn),圍巖的變形和破壞不斷向采場(chǎng)外擴(kuò)展,從而導(dǎo)致底板以及煤壁的破壞,形成破壞帶或人工導(dǎo)水通道。當(dāng)采場(chǎng)附近存在突水水源時(shí),就會(huì)發(fā)生煤層底板突水。影響煤層底板突水的因素主要是含水層的富水性及補(bǔ)給條件、邊界條件、褶曲形態(tài)、地形條件、隔水層厚度及性質(zhì)、地下水的動(dòng)態(tài)類型,這6 個(gè)因素雖不是導(dǎo)致煤層底板突水的必要條件,但卻能影響煤層底板突水的程度,當(dāng)突水事故無(wú)法避免時(shí),應(yīng)該從影響因素上著手,將突水事故負(fù)面影響降到最低。
含水層的富水性決定了煤層底板突水的強(qiáng)弱以及發(fā)生突水時(shí)的水量大小,而補(bǔ)給條件決定了煤層底板突水的時(shí)間長(zhǎng)短,補(bǔ)給條件越好煤層底板突水時(shí)間越長(zhǎng)。此外,含水層水壓的大小也決定著煤層底板突水的突發(fā)性與突水量,含水層水壓越大,煤層底板突水突發(fā)性以及突水量越大。
突水巖層邊界的劃分按照是否具有突水傾向性,分為隔水邊界和突水邊界。隔水邊界封閉的礦井,其突水程度和突水概率都小;突水邊界的礦井,無(wú)論是礦井突水程度還是突水概率都比隔水邊界的大。
褶曲形成過(guò)程中,由于地層的彎曲、破壞,常在不同部位產(chǎn)生一系列伴生裂隙,具有導(dǎo)水作用,導(dǎo)水性能的強(qiáng)弱視裂隙大小的發(fā)育程度與地下水的匯集的能力而定。褶曲的類型分為向斜和背斜,向斜構(gòu)造易于儲(chǔ)水,常形成蓄水構(gòu)造或自流盆地,由于向斜軸部的縱張裂隙常常是底板突水的通道,向斜規(guī)模越大,其儲(chǔ)存的水量也就越大,對(duì)煤層底板突水影響也就越大。
地形條件直接決定一個(gè)地區(qū)的含水層出露部位和出露程度,控制地下水的匯集和排泄條件,從而間接地影響礦井充水程度。地形條件主要包括地質(zhì)構(gòu)造(斷層)、地勢(shì)、是否具有天然的突水水源和突水通道等。地形影響礦井水的匯集和排泄,是控制礦井涌水量大小和防治水工作難易程度的主要因素之一。
隔水層是位于含水層之上煤層之下的一層或幾層性質(zhì)相近的巖層,其主要作用是防止煤層底板發(fā)生突水事故,可以阻止周圍的含水層或其他水源涌向礦井。阻止礦井突水的強(qiáng)弱主要體現(xiàn)在隔水巖層的厚度和巖性以及巖石的穩(wěn)定性。即隔水層的厚度越大,防止礦井突水的能力越好,巖性越好,阻水效果越明顯。剛性強(qiáng)度較為大的巖層,抵抗巖石破壞、防止煤礦突水的作用效果明顯,在對(duì)底板突水進(jìn)行預(yù)測(cè)的時(shí)候都會(huì)遇到計(jì)算底板隔水層厚度。通常來(lái)說(shuō),煤層與承壓含水層之間的距離減去承壓含水層上方的裂隙高度,剩余完整的高度為底板隔水層厚度。
地下水的動(dòng)態(tài)類型分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩種動(dòng)態(tài)類型。當(dāng)?shù)叵滤幱趧?dòng)態(tài)穩(wěn)定性時(shí),礦井涌水也較為穩(wěn)定。在此情形下,對(duì)煤層開(kāi)采較為有利的是:若礦井內(nèi)疏水系統(tǒng)良好,則可以疏干含水層的水源,使礦井突水水量減少甚至不發(fā)生突水。不利的是:若遇礦井排水堵塞或地下水涌水充沛,則礦井突水水量加大,導(dǎo)致礦井突水事故的發(fā)生。
煤礦是否發(fā)生突水事故主要取決于該礦是否有突水水源以及突水通道,兩者缺一不可。而其他影響因素則控制突水量的大小及突水量的多少,只會(huì)影響突水的程度,而不是發(fā)生底板突水的主要因素。本文介紹了礦井涌水的影響因素,這些因素中,有的是天然存在的,有的則是人為形成的。為更加精準(zhǔn)地判斷礦井是否具有突水危險(xiǎn)性,需要完善和深入研究的地方主要有3 個(gè)方面。
1) 對(duì)突水通道的演化進(jìn)行研究,隨著開(kāi)采深度的增加,巖層受礦山壓力的影響也越加明顯,由于巖石破裂演化發(fā)生于地面之下,無(wú)法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的觀察,裂隙能否演化為突水通道還有待探究。
2) 開(kāi)采過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,煤層底板突水受多方面因素的影響,因此需要建立動(dòng)態(tài)機(jī)制對(duì)具有突水危險(xiǎn)性的礦井進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
3) 為了使煤礦經(jīng)濟(jì)效益最大化以及保障井下人員安全,需要對(duì)具有煤層底板突水危險(xiǎn)性的礦井進(jìn)行分析,明確其突水原因以及影響因素,以制定相應(yīng)措施,推進(jìn)了礦井可持續(xù)發(fā)展。