某礦區采動斷層的突水與控制研究

摘 要：礦井突水問題一直是困擾煤礦生產的一個難點問題，利用采動巖體結構破壞與裂隙演化及滲流突變規律科學問題進行研究，利用理論分析、數值模擬方法等探討了礦井突水的斷層活化突水機理。通過分析探討其突水機理，為保障礦井安全生產，要有針對性實施各井田下煤組的開采方法及防突水措施。

關鍵詞：采動斷層；突水；控制

1 概況

礦區煤礦設計生產能力為6萬噸/年的斜井，礦井開拓方式是斜井片盤式，礦區地形為丘陵地帶，區內地形簡單，地勢東高西低，最高標高為+223.4米，最低標高為+210.4米，相對高差13米。礦的西部坡底有人字形水溝一條，標高為+206.6米，該水溝為季節性水溝，降雨時有水流過，其它時間溝內無積水。由于地勢高差大、流速快，雨季最大降水時，不足二米深的水溝中水深也不過半米，并且雨過數小時后，水溝即斷流。礦區范圍內地表無積水、無塌陷坑、無裂隙。多為山地地表生長有次生林與人工林。

井田構造總的規律：構造形跡在空間的展布低，序次的構造特征都與煤田構造規律有其成生聯系。煤系地層走向近北北東呈長條帶狀分布，傾向南東的單斜構造，構造特征以斷裂為主，伴隨產生小型波狀褶曲，由于主干斷層的影響，派生小構造比較發育，井田內以F3斷層為主。受F3斷層影響煤層結構復雜，煤層厚度變薄，走向發生變化成平緩褶曲圍巖破碎。本區第四紀含水巖系的補給主要靠大氣降水。其它含水巖系則以斷層、裂隙等為自己的來水通路，補給條件不好。隨著煤層的采動，地表都有不同程度的緩慢下降，每到七、八、九月降雨時候，井下涌水量隨降雨量大小而增減，這足以說明井下的涌水量大小與降雨量呈正比的。

2 采動斷層的突水

2.1 采動斷層突水原因分析

隨著采深增加，水壓加大，小斷層（H<10m）突水機率愈將變大.另外，由表1可以看出突水與采掘類型關系十分密切，在67次突水中，掘進巷道突水44次，占65.7%；回采工作面突水23次，占34.3%，100m3/min以上突水7次，掘進巷道突水6次，占85.71%，可見掘進巷道突水十分嚴重。

2.2 采動斷層突水條件分析

礦井突水的兩個先決條件——突水水源和突水通道，在分析地下水對巖體的物理化學及力學作用，以及探討地下水對斷層活化突水的影響規律的基礎上，對水巖作用機理進行了研究。基于材料力學中的固支梁理論，建立了水壓作用下斷層張開位移方程。根據斷裂力學中的D-M模型，提出了水壓和礦壓作用下斷層附近巖體裂隙起裂的判據，并分析了水壓、巖性和斷層傾角對其影響的規律。通過對底板隔水層破壞機理的研究，提出了底板組合隔水層概念，建立了底板組合隔水層的非線性力學模型，推導出了組合隔水層的非線性失穩的力學充要條件，分析了組合隔水層中軟巖的力學性質及巷道跨度對組合隔水層穩定性的影響；從巖體力學理論著手，分析在礦壓和水壓作用下，采動斷層對底板隔水層穩定性的影響，得到了底板隔水層臨界水壓力公式，并提出了斷層影響下底板突水的判據，分析了斷層傾角、斷層的內聚力及隔水層厚度對底板突水的影響規律。

依據隔水關鍵層的概念，分析了小斷層的突水機理。運用RFPA-FLOW2D軟件模擬小斷層突水規律，分析小斷層影響下底板突水通道的形成過程。模擬結果表明小斷層活化突水過程分三個階段，即小斷層活化階段、小斷層活化區擴展階段和裂隙貫通階段。通過對滲流場演化結果的解讀發現滲流場與裂隙場同步演化，滲流場能標示工作面突水的位置；多條小斷層活化突水模擬結果表明，底板中小斷層分布密度越大，越容易發生底板突水。

3 采動斷層突水的控制措施

根據以上分析，結合礦區實際，我們認為搞好底板突水防治主要從以下幾個方面入手。防止礦井突水的目的，一是為了保障礦井安全生產，二是為了保護地下水資源，保護環境。查明礦區水文地質條件，在各種可能導水的斷層附近預留防水保安煤柱，加強對礦井涌水量的監測工作，減少流向礦區排泄區的地下水流量，為礦區生產、生活提供用水，也保障礦井安全生產。

3.1 加強水文地質預測

對礦井生產地區進行逐頭、逐面分析，加強對礦井舊區工作對照、地質和水害情況預報工作。每年雨季來臨期間，加強井上下巡視工作。礦井應當建立數字化圖件內容真實可靠，并每半年對圖紙內容進行修正完善，及時、準確的水文地質預報工作，可減少突水和降低突水強度，保證安全生產。

3.2 加強安全教育培訓

礦井應當對職工進行防治水知識的教育和培訓，保證職工具備必要的防治水知識，提高防治水工作的技能和抵御水災的能力。用業已成熟的井下直流電法探測技術、瑞利波探測技術和工作面坑道透視技術對生產區進行探測，查明生產區底板巖溶含水層富水情況，確定生產過程中發生突水的機率，提出相應的防治措施。

3.3 加強初壓面管理，人工放頂。初壓面頂板不易冒落，懸頂面積大，礦壓對底板破壞最嚴重。根據前面分析，初壓及第一次周壓地段是最易突水地段，因而加強初壓面管理十分重要。為減少礦壓對底板的破壞作用，回采前在切眼打好放頂眼，工作面推進后，及時進行人工放頂，大大減弱了礦壓對底板的破壞作用，有效地防止了初壓面突水，使工作面得以安全回采，可見初壓面管理的重要性。

3.4 改革巷道布設，減少惡性突水

礦區礦井水平大巷，建立防水閘門（墻）主要是防止二灰、奧灰突水淹井。由于二灰、奧灰突水具有水量大、來勢猛的特點，且其涌水量難準確預計，若按突水量布置排水設施技術難度大，經濟上也不合理，所以按水文地質條件復雜程度，采取分翼、分水平或分區設置防水閘門（墻）進行隔離防水，可避免因一處突大水而造成礦井被淹沒的后果。

3.5 加強初壓面管理，人工放頂初壓面頂板不易冒落，懸頂面積大，礦壓對底板破壞最嚴重。為減少礦壓對底板的破壞作用，回采前在切眼打好放頂眼，工作面推進后，及時進行人工放頂，大大減弱了礦壓對底板的破壞作用，有效地防止了初壓面突水，使工作面得以安全回采，可見初壓面管理的重要性。

3.6 注漿改造是預防工作面突水的有效措施

該技術通過地面注漿站集中造漿、注漿，井下施工注漿孔向介于煤層和奧灰強含水層之間的薄層灰巖（即徐灰）注漿，是預防突水的綜合防治水技術.實踐證明該技術是成功的。注漿改造作用及特點表現在以下幾個方面：改變了含水層的富水性；增加了有效隔水層厚度，對預防出水極為有利。

參考文獻

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