礦井突水防治方法研究

水害是煤礦的主要災(zāi)害之一。由于中國地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地質(zhì)條件多樣，對井突水的控制因素和機制變化多樣，這是一個使得中國煤炭開采面臨許多問題。對此,國內(nèi)外學者先后提出了斯列薩列夫公式法、突水系數(shù)法、模糊綜合評判法和灰色理論模型法等一系列方法。隨著礦井水害預(yù)測理論的不斷完善,在此基礎(chǔ)上又提出了三圖-雙預(yù)測法和脆弱性指數(shù)法等先進性評價方法。這些方法的提出對于礦井突水預(yù)測與防治具有重大理論意義和實踐價值。1巷道底板安全厚度計算蘇聯(lián)學者斯列薩列夫在研究了煤層底板在承壓水作用下的破壞機制后,利用材料力學中的超靜定梁原理,將底板視為超靜定梁(即兩端固定,荷載均勻分布的梁),結(jié)合強度理論,推導(dǎo)出了在一定水壓下的隔水層底板安全厚度的計算公式:其中,t安為安全厚度,即巷道底板所能承受一定水壓的最大厚度,m;L為巷道寬度,m;KP為底板隔水層抗張強度,10-2MPa;γ為底板隔水層的平均重度,MN/m3;H為作用于巷道底板的實際水壓,MPa。若t安<t實,則說明巷道底板安全,一般不會發(fā)生底板突水;若t安>t實,說明巷道底板不安全,可能發(fā)生底板突水。2礦井突水的底板隔水層底板裂隙帶t突水系數(shù)法是國內(nèi)學者20世紀六十年代提出的一種底板突水性評價方法,它是經(jīng)過綜合分析全國的突水實例而總結(jié)提出的,屬于經(jīng)驗公式法,這種方法一直沿用至今。具體表達式為:其中,T為突水系數(shù),指單位隔水層所承受的水壓值,MPa/m;P為含水層水壓值,MPa;M為底板隔水層厚度,m。若突水系數(shù)T小于臨界突水系數(shù)Ts,則說明隔水層底板穩(wěn)定,不會發(fā)生突水現(xiàn)象;否則發(fā)生突水。其中臨界突水系數(shù)Ts是在對全國大量礦井突水資料統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上得出的,一般取值為0.060~0.100MPa/m。由于上述公式?jīng)]考慮底板采動裂隙帶深度對隔水層隔水效果的影響,西安煤科院緊接著提出了新的修改公式T=P/(M-CP),CP是指由于礦壓造成的底板采動裂隙帶的深度。國外學者還注意到不同巖性的底板隔水性能的差異,從而以泥巖抗水壓能力為衡量標準,將其他巖性隔水層厚度換算成為泥巖厚度,這樣,換算后的等效厚度值既有厚度概念也有強度概念,具體表達為TS=P/∑(Miai-Cp),此式比以往的公式較全面地反映了煤層底板突水因素對煤層底板突水的影響作用。3煤層頂板水害防治方法“三圖-雙預(yù)測法”是中國礦業(yè)大學(北京)水害防治專家武強教授根據(jù)多年工作實踐和研究經(jīng)驗提出的,該方法是一種解決煤層頂板充水水源、充水通道和充水強度三大問題的頂板水害定量評價方法。3.1頂板冒落安全分區(qū)圖的編制(1)頂板充水含水層富水性分區(qū)圖:頂板充水含水層富水性分區(qū)圖是通過綜合分析含水層的各個主控因素,然后根據(jù)多源信息復(fù)合疊加原理,運用GIS將各主控因素數(shù)據(jù)歸一化和消除量綱后,最終根據(jù)各自的權(quán)重進行疊加編制而成。(2)頂板冒落安全性分區(qū)圖:煤層的開采引起了頂板覆巖的破壞以及地應(yīng)力的重新分布,導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是煤層開采頂板突水的基礎(chǔ),其高度一般采用經(jīng)驗公式和數(shù)值模擬來進行評價,也可以通過井下現(xiàn)場實測進行確定。頂板冒落安全性分區(qū)圖,是根據(jù)頂板導(dǎo)水裂隙帶加保護層總高度與煤層和含水層之間覆巖厚度之差所繪制的圖。(3)頂板突水條件綜合分區(qū)圖:頂板突水條件綜合分區(qū)圖是將頂板充水含水層富水性分區(qū)圖和頂板冒落安全性分區(qū)圖,運用GIS的多源信息復(fù)合疊加功能疊加處理后編制而成的圖。3.2工作面涌水量預(yù)測模型首先在建立頂板突水量預(yù)測的水文地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上,應(yīng)用VisualModflow軟件建立三維數(shù)值模擬模型,然后利用現(xiàn)有的工作面突水資料對模型進行識別、反演和校正,當擬合結(jié)果達到相關(guān)精度要求后,運用VisualModflow軟件中的ZoneBudget功能模塊,根據(jù)采煤工作面周期來壓步距,對頂板充水含水層人工改造前后回采工作面分段和整體工程涌水量進行預(yù)測。4在確定數(shù)學方法上的應(yīng)用脆弱性指數(shù)法是一種新型的煤層底板突水評價方法,是由武強教授于上世紀末提出的。該方法通過GIS與可以確定多種主控因素權(quán)重的信息融合方法的耦合來實現(xiàn)對煤層底板的預(yù)測評價。其具體評價步驟如下:確定煤層底板突水主控因素、應(yīng)用GIS建立各個主控因素的專題圖層、確定煤層底板突水各主控因素的權(quán)重、建立煤層底板突水脆弱性預(yù)測評價模型、確定突水脆弱性分區(qū)閥值、提出底板突水脆弱性分區(qū)方案。其中確定各主控因素的權(quán)重是根據(jù)信息融合理論,應(yīng)用線性或非線性的數(shù)學方法來確定,這些數(shù)學方法主要包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(ANN)、Logistic回歸法、證據(jù)權(quán)法、層次分析法(AHP)等,而最常用的就是,對于存在不確定因素的問題,層次分析法有很強的優(yōu)勢。下面以基于層次分析(AHP)型脆弱性指數(shù)法為例介紹脆弱性指數(shù)法的評價原理和步驟。層次分析法基本原理是在評價一個復(fù)雜因素構(gòu)成的系統(tǒng)時,可以根據(jù)各因素間的從屬關(guān)系,建立層次結(jié)構(gòu)模型,一般包括目標層、準則層和決策層。通過構(gòu)造判斷矩陣將定性問題轉(zhuǎn)化為定量問題,根據(jù)判斷矩陣得出決策層每一個因素相對于目標層的權(quán)重大小,最后進行一致性檢驗。當一致性檢驗后總排序一致性可以接受時,便可確定各個因素的最終權(quán)重。利用基于層次分析(AHP)型脆弱性指數(shù)法進行分析時,首先確定影響煤層底板突水性的主控因素,以GIS為操作平臺,利用GIS強大的空間信息分析處理功能,對各主控因素的變化規(guī)律進行分析,然后進行復(fù)合疊加處理,得出各主控因素的專題圖層;利用層次分析法(AHP)確定煤層底板突水各主控因素對底板突水的貢獻即權(quán)重,建立煤層底板突水脆弱性層次結(jié)構(gòu)模型;根據(jù)現(xiàn)場已知的大量突水樣本以及涌水樣本,在模型反演識別后,確立煤層底板突水脆弱性評價模型,然后得出煤層底板突水脆弱性指數(shù),根據(jù)各個區(qū)域的脆弱性指數(shù)值確定出突水脆弱性分區(qū)閥值,最后通過GIS的綜合分析,提出研究區(qū)域煤層底板突水脆弱型分區(qū)方案。5建立評價模型模糊綜合評判法是應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則,綜合考慮被評判事物或其屬性的相關(guān)因素之后,從評價集中得出一個最佳的結(jié)果,進而對某事物進行等級或類別評價的方法。我國學者王樹元首先提出將此方法應(yīng)用于多重因素影響控制的煤層底板突水預(yù)測評價上,為底板突水評價的相關(guān)研究提供了一定的借鑒。其具體應(yīng)用步驟為:(1)確定因素集:因素集由影響底板突水的各種主控因素所組成的普通集合,U=(U1,U2,U3…Un)。(2)確定權(quán)重集:建立由各主控因素在煤層底板突水中所占權(quán)重的集合,A=(A1,A2,A3…An)。(3)確定評價集:評價集是指各種可能的總評價結(jié)果組成的集合,V=(V1,V2,V3…Vn)。(4)建立模糊評判矩陣:模糊評判矩陣建立的基礎(chǔ)是模糊集隸屬函數(shù)的確定。對定量指標,選用較為簡便的降半梯形分布函數(shù)以確定隸屬函數(shù)。對于定性指標,通過線性插值的方法確定其隸屬函數(shù)。然后在隸屬函數(shù)的基礎(chǔ)上可以導(dǎo)出模糊評判矩陣:R=[rij]n×m。其中R為模糊關(guān)系矩陣;rij為第i個因素對第j個因素的隸屬度(由隸屬函數(shù)求得)。(5)模糊綜合評判:模糊綜合評判數(shù)學模型的基本形式為B=A·R。其中,A為第二步所確定的各個權(quán)重元素組成的1×n階行矩陣,R為第四步確定的n×m階模糊關(guān)系矩陣;B為最終得出的綜合評判結(jié)果。最后再根據(jù)最大隸屬度原則就可以得出所要的評判結(jié)果。6設(shè)置水害時間關(guān)聯(lián)模型我國學者許延春于上世紀末首先將灰色理論的基本模型—GM(1,1)模型應(yīng)用于礦井水害預(yù)測,該模型通過對已發(fā)生水害波形特征的研究來預(yù)測未來變化的波形。首先搜集整理大量已知的突水資料,建立災(zāi)害類別與時間的關(guān)系曲線,形成薄層灰?guī)r和地表、松散層水害的波形圖。以半年為一個預(yù)測時間段,選取若干水害類別閥值,分別作災(zāi)害映射,得到水害時間集合。然后建立GM(1,1)模型,其具體做法是分別建立薄層灰?guī)r和地表、松散層水災(zāi)類型各閥值的預(yù)測模型群,如下式:其中Xi(k+1)為第k+1個時間序列因子;Ai,Bi,Ci分別為第i閥值的模型系數(shù)。按照上述預(yù)測模型預(yù)測一定區(qū)間內(nèi)的水害的時間段,可以得到各閥值對應(yīng)的預(yù)測時間集。將各時間因子置于前面建立的災(zāi)害類別與時間關(guān)系的坐標系內(nèi),便可形成預(yù)測水災(zāi)波形,從而對水害發(fā)生的時間和程度進行預(yù)測。7底板突水的定量評價(1)突水系數(shù)法屬于經(jīng)驗公式法,在很長一段時間內(nèi)一直是底板突水的主要預(yù)測方法,然而,煤層底板突水是一種非常復(fù)雜的受控于多種因素的非線性動力現(xiàn)象,而突水系數(shù)法只考慮了含水層水壓和隔水層厚度兩個因素,沒有分析煤層底板突水的非線性動力特征和突水過程。另外,由于臨界突水系數(shù)的統(tǒng)計中有80%以上屬于斷層突水,所以臨界突水系數(shù)主要反映的是斷層等薄弱構(gòu)造帶的突水條件,當用于預(yù)測正常底板時,其數(shù)值往往偏小,這對煤礦深部開采有一定的束縛和限制作用。因此,突水系數(shù)法評價預(yù)測結(jié)果與實際存在一定的偏差。(2)煤層頂板水的防治在過去一直是通過留設(shè)防水煤柱予以實現(xiàn),但是隨著開采深度的增加,由頂板冒落溝通含水層引起的頂板突水事故逐漸增多,因此三圖-雙預(yù)測法的提出便實現(xiàn)了頂板突水的定量評價。(3)模糊綜