采煤工作面水害条件探查

发布网友 发布时间：2022-04-22 05:50

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热心网友 时间：2023-05-09 10:01

在工作面回采巷道形成后，应进行工作面水文地质条件探查，查明工作面底板灰岩含水层富水性，探查导水裂隙带的存在及分布情况，煤层底板隔水层厚度，L_1-3灰岩或奥陶系灰岩水导升高度等，从而为工作面防治水提供依据。

工作面水文地质条件探查采用钻探和井下音频电透视、井下直流电法等物探方法进行。工作程序是，首先进行井下音频电透视或井下直流电法物探，确定工作面导水断层或导水裂隙带的存在及分布，L_5-6灰岩含水层的富水性情况；利用钻探对物探方法确定的薄弱带、富水段进行验证，同时确定煤层底板隔水层厚度、L_1-3灰岩和奥陶系灰岩水导升高度。

（一）井下物探手段

1.井下音频电透视

音频电透视方法是在上回风巷、下顺槽施工，探测工作面内部煤层底板下0～50m层段含水层中富水性异常的分布范围、走向及其富水性的相对强弱等情况，探查隔水层裂隙发育带及其分布规律，为综合分析煤层底板隔水层性能提供依据。

2.直流电法探测

采用矿井高分辨电测深技术在工作面的上回风巷、下顺槽施工，探测底板下80m深度范围内含水性异常的分布位置与深度，分析含水层的富水特征。

上述两种井下探测手段是矿井开采中较为常用的方法，且探测方法相对简单。

首先在西翼采区22121工作面和东翼采区21091工作面进行井下音频电透视和直流电法探测，研究超化煤矿特定物性条件下不同物探方法的适用性及其解释规律，并推广应用于其他工作面。

（二）煤层底板隔水层隔水性能的探查及评价

深部煤层开采将受到下伏奥陶系灰岩承压含水层的底板突水威胁，因此煤层底板隔水层的隔水性能的探查及评价是带压开采研究的主要内容之一。主要包括以下内容：

1）奥陶系灰岩水原始导升高度和富水性的探查与研究。

2）煤底板原位地应力测试。

3）煤层底板薄层灰岩水入侵动态监测及水情预报。

（三）二₁煤下伏灰岩水的原始导升高度和富水性探测

据统计，华北型煤田在灰岩含水层顶部富集地段，煤层底板岩层底部都存在着不同程度的导升现象。灰岩水沿煤层底板隔水层裂隙的侵入，既降低底板隔水层的有效厚度，又在裂隙中积蓄了致裂的能量，产生裂隙尖端应力异常，在矿压作用下导致裂隙扩展。因此，探查导升高度对突水评价具有重要意义。

探测导升高度较为有效的方法就是电法，另外，该法还可以探测灰岩的深度。这项工作开展之前应由水文地质技术人员作出设计，探测结果，也应由水文地质技术人员参与确定导升高度和煤层隔水层的有效厚度，并对工作面的水文地质条件进行简单的评价。

电法探测一般是沿工作面的上下巷布置，具体采用直流电法还是音频电透视法，应由水文地质技术人员确定。由于超化煤矿西翼采区突水系数较大，理论上对于每个工作面都应进行该项工作。

（四）底板原位地应力普查与监测

原位地应力的测量对底板突水评价非常重要，底板岩体的应力大小是底板破裂的主要原因，是评价底板阻水性能的重要数据。应力主要的构成因素有：岩性，构造地应力（包括新构造应力和残余构造地应力），水压派生地应力和采矿派生地应力。

地应力的测量方法主要有水压致裂法、套芯法、套筒法和弹性波法等，其中水压致裂法和套芯法工艺复杂，井下实施困难，弹性波法受岩体物理性质参数影响很大，精度较差。这样，套筒法就成了矿井原位地应力测量行之有效的方法。

原位地应力测量分采前未受扰动底板地应力测量和开采过程中扰动地应力测量两个阶段，采前测到的地应力为静态地应力（初始应力），在反演求参和正演模拟中作为初应力应用。采动过程中测得的地应力为动态地应力，作反演求参的拟合对象和判别采矿底板破坏深度的依据，根据岩石力学参数和初始地应力就可以用电算法计算地应力场和底板破坏情况。这种方法的优点是可直接得到岩体的强度和破坏深度，缺点是没有考虑水压的作用，测点和测试时间短，对水的动态无法监测。

原位地应力测量将分两个阶段进行，第一阶段为原位地应力普查阶段，第二阶段为地应力监测阶段，各阶段探测的意义和工程布置如下：

原位地应力普查：本规划所涉及的块段地质构造相对简单，局部有断层发育。通过原位地应力普查，了解采前底板的原位地应力场，为底板阻水性评价提供依据。

拟分别安排在西翼采区的22101和23051工作面内进行原位地应力普查。测试工作在两个钻孔中进行，总进尺约70m。测试将分采前和采动过程中两次进行，第一次测试应在距切眼60m以外的钻孔内完成，第二次测试应在距工作面10～30m范围内的钻孔内进行。每次测试应在同一工作班内完成，以减少工作面推进对应力产生的影响。每个岩性分层中都必须布置测点，对于较厚的岩层，每3m应设置一个测点。孔深6～15m范围内，每1m布置一个测点，以较多的观测数据来判定采矿对底板的破坏深度。每次测试的数据处理应在现场完成，以便发现问题及时补救。

具体的操作方法和施工要求将另行设计。

（五）底板突水条件监测预警

1）监测目的：通过对薄层灰岩岩溶水和底板地应力的动态变化监测，预测底板水情，确定底板岩体力学参数、导升裂隙发育高度和采动底板破坏深度，为采煤工作面的水文地质评价提供依据。

2）监测内容：水压，水温，应力，应变。

3）监测方法：在采矿过程中，由于煤层底板的应力场和渗流场均会发生变化，承压水的入侵高度也将向上发展，产生递进导升现象，以致造成底板突水。因此，底板突水伴有岩体应力变化，水压、水温变化，水量增加等一系列征兆。这些征兆就是突水预测预报的依据。通过传感器可把这些征兆转变成电磁信号，然后再将电磁信号转换成地质信息。根据这些信息就可了解水情的变化，实现动态监测。

突水前兆监测系统由主控台（总站）、数据采集器（分站）和传感器组成。总站设在地面调度室或地测科，分站设在工作面的风巷或机巷内，传感器置于钻孔内。

4）预测方法：将原位测试得到的静态地应力作为初应力，监测的地应力增量作拟合的目标值，反求岩体力学参数和渗透系数。再用这些参数正演模拟开采过程，实现煤层底板突水条件的预警，并将正演结果以仿真图形的形式输出，实现可视化监测。

根据以往的力学计算，对于超化煤矿底板的厚度，监测范围宜在采前和采后各60m的区段内进行。

底板突水检测技术曾在淮北矿务局、皖北矿务局、澄合矿务局、韩城矿务局、肥城矿务局和临城矿务局应用过，取得了很好的效果。其中，在韩城矿务局马沟渠煤矿成功地预报了一次突水；淮北矿务局杨庄煤矿的检测避免了工作面疏干降压或底板加固工程。

该方法的优点是：①具有可视化功能。地面检测中心（总站）可以用图形的形式在屏幕上显示出监测到的各种曲线和底板剖面应力场、渗流场动态等值线和底板的变形与破坏状态。②具有预测功能。以原位测试得到的原始应力为初应力，利用有限元方法模拟开采，并计算出应力场、位移场和渗流场的动态值。以实现40～60m的超前预测，并以图形显示。③具有实时性特点。各种监测的物理量都可以在现场及时处理并显示出结果。

缺点是：无法测到原位地应力，电算时初始应力值需借用原位地应力测试值或用理论值。

本项工作与底板原位地应力普查同步进行可相互补充，预测效果更佳，拟先在西翼采区的22101和东翼采区的23051工作面内进行，最终的工作面将根据生产情况由生产单位和科研单位确定。测试工作面需要两个钻孔，总进尺约70m，监测位置将根据工作面的情况而定。监测方法可推广应用于后续工作面，监测之前应进行设计，详细方法和措施将在设计中说明。

（六）矿井防突水保障信息系统

煤矿防治水是一项经常性、综合性的系统工程，需要对多种信息进行及时准确的分析、计算，绘制所需图、表，仅靠人力通过传统的数据管理方法，不能满足矿井防治水快速、及时、准确的要求。应尽快建立和完善矿井防突水保障信息系统，包括地测信息系统（已建立）、煤层底板阻水性能综合评价体系、水化学快速判别系统。

1.煤层底板阻水性能综合评价体系

煤层底板隔水层的阻水性能是决定防治水策略的重要因素，是带压开采的基础，建立煤层底板阻水性能综合评价体系，才能正确评价隔水层的阻水性能。隔水层的阻水性能是指在煤层底板承压含水层水压和采动压力作用下阻止承压水涌出的能力，与隔水层的岩性、厚度、组合情况以及空隙特征有关。

煤层底板阻水性能综合评价体系将通过煤层底板强度测试、现场压水或注水试验、室内模拟等方法建立。

2.水化学快速判别系统

不同的水源具有不同的水化学成分，因此根据水化学成分的不同可以判断水的来源。矿井突水情况下，快速判断突水水源，对于正确制定抢险救灾方案，恢复矿井生产，减少突水损失都是至关重要的。水化学快速判别系统可根据矿井涌水的水化学成分，简洁、高效地确定突水水源，其成本之低也是其他方法无法比拟的。因此，它是矿井防治水的重要手段。