淮北礦區(qū)深部巖溶突水機(jī)理及治理模式.pdf

1、我國華北型煤田開采，普遍受底板巖溶水害威脅；但由于不同礦區(qū)水文工程地質(zhì)條件存在差異，突水類型和機(jī)理、危害程度及防治技術(shù)也存在差異?；幢钡V區(qū)是華北型煤田典型大水礦區(qū)，曾數(shù)次發(fā)生底板巖溶水特大突水淹井災(zāi)害。隨著礦井采深增大、水壓逐漸增高，巖溶水害威脅更加嚴(yán)重。由于深部開采水文工程地質(zhì)條件和底板巖溶突水機(jī)理的復(fù)雜性，采用現(xiàn)行的規(guī)程規(guī)范方法，已難以準(zhǔn)確評價(jià)突水危險(xiǎn)性。
　　論文以淮北礦區(qū)典型礦井太灰含水層底板突水為研究對象，綜合運(yùn)用理論分

2、析、現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、煤礦現(xiàn)場井下試驗(yàn)、物理模擬和數(shù)值模擬等研究方法，對薄層灰?guī)r突水機(jī)理、評價(jià)方法、治理模式進(jìn)行了深入研究，取得了如下研究成果：
　　（1）通過地面抽水試驗(yàn)、井下多孔聯(lián)合放水試驗(yàn)、井下簡易探放水試驗(yàn)，研究了太灰上段含水層單層富水性特征、垂向富水性變化特征，認(rèn)為：淮北6（10）煤開采主要突水水源為太灰上段L3～L4灰。太灰上段隨埋深的增大，富水性逐漸減弱，提出在深部存在“高承壓、弱富水”的水文地質(zhì)條件環(huán)境。
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3、2）通過分析太灰上段鉆孔單位涌水量、鉆孔涌水率，鉆孔巖芯巖溶調(diào)查，確定了太灰上段巖溶發(fā)育類型：L1、L2灰為孔隙裂隙型巖溶；L3、L4灰為溶蝕裂隙網(wǎng)絡(luò)型巖溶類型。研究發(fā)現(xiàn)隨埋深增加，巖溶發(fā)育程度逐漸減弱，指出埋深變化和補(bǔ)給量變化，是影響巖溶發(fā)育、含水層富水性變化的主要因素。
　?。?）通過分析淮北各礦區(qū)工作面突水特征，提出淮北薄層灰?guī)r底板突水工作面具有“超壓開采”的特點(diǎn)和“逢突必?cái)唷钡囊?guī)律性；突水量總體上與礦區(qū)太灰上段富水性分區(qū)特

4、征基本吻合。突水工作面特征統(tǒng)計(jì)與分析，為研究確定不同水文地質(zhì)條件的底板水害治理模式，提供了有力的依據(jù)。
　?。?）在統(tǒng)計(jì)華北大水礦區(qū)薄層灰?guī)r底板突水案例的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)以恒定的臨界突水系數(shù)值預(yù)測不同厚度隔水層的突水危險(xiǎn)性，與實(shí)際嚴(yán)重不符；研究了隔水層厚度對臨界突水系數(shù)影響的力學(xué)機(jī)理，建立了臨界突水系數(shù)隨隔水層厚度變化的修正公式，豐富和發(fā)展了突水系數(shù)理論，提高了底板突水預(yù)測準(zhǔn)確性。
　　（5）采用RFPA2D-Flow數(shù)值模擬軟

5、件，建立不同隔水層厚度、相同突水系數(shù)的底板突水模型，模擬結(jié)果表明相同的突水系數(shù)前提條件下，隔水層厚度越小、突水危險(xiǎn)性越大，與 Ts-M法理論推導(dǎo)具有相似的特征。對比分析了單一軟弱隔水層底板（泥巖）、與軟硬互層隔水層裂隙發(fā)育特征；模擬結(jié)果顯示，當(dāng)煤層隔水層厚度突水系數(shù)相同，軟硬互層組合結(jié)構(gòu)巖體，其突水裂隙發(fā)育貫通的可能性更小。
　　（6）通過斷層突水相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)斷層突水過程中，斷層（帶）內(nèi)水壓、滲透系數(shù)呈現(xiàn)規(guī)律性變化：滲流

6、啟動階段，水壓先增大，然后保持基本不變，滲透系數(shù)基本不變；滲流轉(zhuǎn)換階段，水壓迅速降低，滲透系數(shù)大幅增加；突水階段，水壓、滲透系數(shù)基本趨于穩(wěn)定不變。據(jù)此，提出了斷層突水的“滲壓平衡”理論觀點(diǎn)，解釋了“滲壓平衡”的機(jī)理，闡述了“滲壓平衡”理論的工程實(shí)踐意義，初步探索了以“滲壓平衡”理論為基礎(chǔ)的斷層突水預(yù)測、監(jiān)測預(yù)警方法。
　?。?）通過煤礦現(xiàn)場斷層壓水試驗(yàn)、斷層突水相似材料模擬實(shí)驗(yàn)、斷層滲流理論分析，發(fā)現(xiàn)斷層滲透系數(shù)與臨界突水系數(shù)存在

7、相關(guān)關(guān)系：斷層臨界突水系數(shù)TS隨滲透系數(shù)K的增大，非線性減小。在上述研究的基礎(chǔ)上，提出斷層突水的評價(jià)方法—TS-K法，TS-K法彌補(bǔ)了突水系數(shù)法對構(gòu)造破壞塊段滲流特征研究的不足，為斷層（帶）突水預(yù)測、斷層（帶）注漿效果評價(jià)提供了依據(jù)。
　?。?）提出了工作面為單元的“治水勘探”理念，凝練提出了“疏水降壓、限壓開采”、“局部注漿、抗壓開采”、“全面注漿改造、抗壓開采”三種底板水害治理模式，界定了各種治理模式的應(yīng)用條件，規(guī)范了治理模式