矿井水害发生机理及防治技术研究

2021-05-14申绍锋

山西化工 2021年2期

申绍锋

(山西乡宁焦煤集团台头煤焦有限责任公司，山西乡宁 042100)

引言

综采工作面瓦斯、水害以及顶板支护效果等决定着煤矿生产的安全性。其中，水害事故在煤矿生产中不可避免，其不仅会对工作面人员的安全造成威胁。而且，矿井水害事故还会导致多种环境负效应，制约工作面煤炭的高效开采[1]。因此，在实际生产中应采取合理发生的水害防治措施。本文着重研究了矿井水害的发生机理，并针对性地提出相关防治措施。

1 矿井地质及水文条件分析

本文以61101工作面为例开展关于矿井水害发生机理的研究并制定相应的防治水措施。61101工作面的走向长度为2.2 km，走向宽度为220 m。经探测，该工作面煤层的倾角范围为0°～3°，煤层平均倾角为1.5°，可开采煤层的厚度为15.4 m。61101工作面的顶底板情况如表1所示。

表1 61101工作面顶底板情况

目前，61101工作面可开采煤层有4#、5#、6#煤层。经探测，4#煤层顶板的涌水量为0.036 L/s；5#煤层顶板的涌水量为0.082 L/s；6#煤层顶板的涌水量为0.06 L/s。

2 矿井水害发生机理研究

矿井水害主要分为工作面顶板突水和底板突水[2]。本节着重对顶板和底板的突水机理展开研究。

2.1 矿井底板突水机理

目前，我国针对矿井底板突水的研究缺乏一个规范。一般的，底板突水类型可根据突水与断层的关系、突水量的大小、突水的动态特征以及水层性质等进行划分。结合61101工作面的水文条件可将其底板突水分为断层性底板突水和正常底板突水。

其中，正常底板突水的底板无断层以及陷落柱等构造，其主要成因为采掘导致工作面底板应力场发生变化，进而底板出现位移变化最终引起底板突水。实际上，正常底板突水是承压水压着煤层的间隙缓慢渗入至工作面巷道内，随着承压水不断挤入间隙造成裂隙被扩大，进而导致大范围的突水事故。

根据断层底板突水发生机理可将其分为导水断层引发的突水和采动引起的断层突水。顾名思义，导水断层是由于底板导水层出现断裂而导致的突水事故；采动引起的断层突水其底板断层并不导水，随着工作面开采的导致断裂层不断被扩展最终导致突水事故的发生[3]。

2.2 矿井顶板突水机理

结合相关理论研究，矿井底板突水的发生需满足以下两种情况：

1)矿井工作面顶板含水层的位置高于冒裂带，由于开采的影响导致含水层被导通；

2)矿井工作面顶板含水层的位置高于冒裂带，而且在含水层和冒裂带中间存在一定厚度的隔水层。当隔水层的厚度大于顶板突水的临界隔水层厚度时，不会发生突水；反之，会导致顶板突水事故的发生。

总而言之，工作面顶板突水现象的发生与其工作面顶板的双层结构覆岩运动、斑裂线以及断裂构造等相关[4]。

3 矿井水害的防治

3.1 61101工作面突水危险性分析

经分析，61101工作面存在顶板、底板突水的隐患。以下将着重对61101工作面顶板突水和底板突水的危险性进行分析。

3.1.1 顶板突水的危险性分析

对于61101工作面而言，顶板突水主要为其砂岩含水层断裂所导致。因此，结合砂岩含水层的相关参数对其危险性进行分析，其对应的安全水压计算公式如式(1)所示：

(1)

式中，P为砂质含水层所承受的安全水压；t为顶板和含水层中间的隔水层厚度，取t=11.9 m；L为61101工作面巷道的宽度，取L=5.5 m；γ为顶板与砂质含水层中间隔水层的平均重度，取γ=0.002 5 MN/m3；为隔水层的抗拉强度，KP=1 MPa。

经计算可得，砂质含水层实际承受的安全水压为9 MPa。而对于首采面砂质含水层的实际水压为12 MPa。因此，在实际开采过程中对含水层采取适当的探放水操作降低顶板突水的危险性。

3.1.2 底板突水危险性分析

对于61101工作面底板突水而言，其主要是由于奥灰含水层被导通所导致突水现象的发生。因此，结合底板奥灰含水层的相关参数对其奥灰含水层的安全水压进行计算，计算公式同样采用式(1)。式中，P为底板熬水含水层所承受的安全水压；t为底板与奥灰含水层中间隔水层的厚度，取t=30 m；L为61101工作面的宽度，取L=5.5 m；γ为底板与奥灰含水层中间隔水层的平均重度，取γ=0.002 5 MN/m3；KP为隔水层的抗拉强度，KP=1 MPa。经计算的，61101的工作面奥灰含水层的安全水压为60.25 MPa，而实际生产中奥灰含水层预计的最大水压为1.2 MPa。因此，对于61101工作面而言发生底板突水的事故较小，仅需对底板导水断层和导水陷落柱进行重点探查。