張集礦太灰含水層改造下工作面底板突水危險(xiǎn)性的多維度剖析與精準(zhǔn)評(píng)價(jià)一、引言1.1研究背景與意義煤炭作為我國(guó)重要的基礎(chǔ)能源，在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著關(guān)鍵地位。近年來，我國(guó)煤炭產(chǎn)量持續(xù)保持高位，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了有力支撐。然而，在煤炭開采過程中，礦井含水層問題逐漸凸顯，成為制約煤炭安全生產(chǎn)的重要因素。礦井突水是煤礦開采中最為嚴(yán)重的災(zāi)害之一，其突發(fā)性和危害性給煤礦生產(chǎn)帶來了巨大挑戰(zhàn)。當(dāng)?shù)V井突水發(fā)生時(shí)，大量地下水會(huì)迅速涌入礦井，淹沒巷道和采掘工作面，不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞、生產(chǎn)中斷，還會(huì)對(duì)礦工的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。例如，2005年的黑龍江省七臺(tái)河?xùn)|風(fēng)煤礦透水事故，造成171人遇難，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)4468.9萬元；2007年的山西臨汾市堯都區(qū)余家?guī)X煤礦透水事故，導(dǎo)致26人遇難，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)帶來了沉重打擊。張集礦作為煤炭開采的重要基地，其工作面底板突水問題尤為突出。該礦的太灰含水層水壓高、水量大，且與煤層距離較近，一旦發(fā)生突水，后果不堪設(shè)想。因此，對(duì)張集礦工作面底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，對(duì)于保障礦井安全生產(chǎn)、減少事故損失具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過對(duì)底板突水危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)，可以深入了解礦井水文地質(zhì)條件，識(shí)別潛在的突水隱患，為制定科學(xué)合理的防治措施提供依據(jù)。這不僅有助于提高礦井的抗災(zāi)能力，降低突水事故的發(fā)生概率，還能確保煤炭資源的安全、高效開采，促進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。國(guó)外研究起步較早，形成了較為系統(tǒng)的理論和方法。如德國(guó)學(xué)者通過對(duì)礦山壓力與底板巖體破壞關(guān)系的研究，提出了基于力學(xué)分析的突水預(yù)測(cè)模型，該模型考慮了巖體的力學(xué)性質(zhì)、開采條件等因素，對(duì)突水危險(xiǎn)性進(jìn)行量化評(píng)估；美國(guó)學(xué)者運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，模擬地下水在復(fù)雜地質(zhì)條件下的流動(dòng)過程，預(yù)測(cè)突水的可能性和范圍，為突水防治提供了科學(xué)依據(jù)。國(guó)內(nèi)學(xué)者在借鑒國(guó)外研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)煤礦的實(shí)際情況，開展了深入研究。武強(qiáng)等提出了“下三帶”理論，將底板巖體劃分為底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶、完整巖層帶和承壓水導(dǎo)升帶，為底板突水機(jī)理研究和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)奠定了理論基礎(chǔ)；施龍青等通過對(duì)大量礦井突水案例的分析，建立了基于突水系數(shù)法的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系，綜合考慮水壓、隔水層厚度等因素，對(duì)底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。在太灰含水層改造方面，國(guó)外主要采用先進(jìn)的注漿技術(shù)和設(shè)備，對(duì)含水層進(jìn)行加固和封堵。如英國(guó)采用高壓注漿技術(shù)，將水泥漿等材料注入含水層裂隙中，提高含水層的穩(wěn)定性和隔水性能；俄羅斯研發(fā)了新型的注漿材料和工藝，能夠適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，有效改善含水層的水文地質(zhì)條件。國(guó)內(nèi)在太灰含水層改造技術(shù)方面也取得了顯著進(jìn)展。李術(shù)才等研發(fā)了新型的注漿材料和工藝，如高水速凝材料、雙液注漿工藝等，提高了注漿效果和改造效率；袁亮等提出了“先探后注、分區(qū)治理”的含水層改造思路，根據(jù)含水層的富水性和導(dǎo)水性，對(duì)不同區(qū)域采取不同的改造措施，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)治理。然而，現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。在工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方面，部分評(píng)價(jià)方法對(duì)地質(zhì)條件的復(fù)雜性考慮不夠全面，評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性有待提高；在太灰含水層改造方面，雖然取得了一定的技術(shù)成果，但在改造效果的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和評(píng)估方面還存在欠缺，難以確保改造后的含水層長(zhǎng)期穩(wěn)定。因此，本文將針對(duì)張集礦的具體情況，綜合考慮多種因素，深入研究工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，并對(duì)太灰含水層改造效果進(jìn)行全面評(píng)估，為礦井安全生產(chǎn)提供更可靠的技術(shù)支持。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文以張集礦太灰含水層改造為背景，深入研究工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，主要研究?jī)?nèi)容如下：張集礦太灰含水層及工作面地質(zhì)條件分析：全面收集張集礦的地質(zhì)勘查資料，包括地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、含水層分布等，對(duì)太灰含水層的富水性、滲透性、水壓等特征進(jìn)行詳細(xì)分析。同時(shí)，分析工作面的開采條件，如采煤方法、開采順序、采高、推進(jìn)速度等，以及這些因素對(duì)底板突水的影響。工作面底板突水影響因素研究：從地質(zhì)因素和開采因素兩方面入手，研究影響張集礦工作面底板突水的關(guān)鍵因素。地質(zhì)因素包括斷層、褶皺、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，以及底板隔水層的厚度、巖性、完整性等；開采因素包括采煤方法、開采順序、采高、推進(jìn)速度等。通過對(duì)這些因素的分析，揭示底板突水的內(nèi)在機(jī)制。建立工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系：根據(jù)影響因素分析結(jié)果，選取具有代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如太灰含水層水壓、底板隔水層厚度、斷層破碎帶寬度、采煤方法等，建立科學(xué)合理的工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。采用層次分析法等方法，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，以反映其對(duì)底板突水危險(xiǎn)性的影響程度。基于灰色關(guān)聯(lián)分析的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型構(gòu)建：引入灰色關(guān)聯(lián)分析方法，構(gòu)建張集礦工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。該模型通過計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)與突水危險(xiǎn)性之間的關(guān)聯(lián)度，對(duì)底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。將評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為不同的等級(jí)，如低危險(xiǎn)、中危險(xiǎn)、高危險(xiǎn)等，為礦井防治水決策提供依據(jù)。太灰含水層改造效果評(píng)估：對(duì)張集礦太灰含水層改造工程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，收集改造前后的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)，包括水位、水質(zhì)、水量等。通過對(duì)比分析，評(píng)估改造工程對(duì)太灰含水層水文地質(zhì)條件的改善效果，以及對(duì)底板突水危險(xiǎn)性的降低作用。分析改造工程存在的問題和不足之處，提出改進(jìn)建議和措施。提出防治水措施及建議：根據(jù)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果和含水層改造效果評(píng)估，結(jié)合張集礦的實(shí)際情況，提出針對(duì)性的防治水措施及建議。包括優(yōu)化開采方案，減少開采對(duì)底板的破壞；加強(qiáng)水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理水害隱患；完善排水系統(tǒng)，提高礦井抗災(zāi)能力；采用先進(jìn)的注漿技術(shù)和材料，進(jìn)一步加固太灰含水層等。在研究方法上，綜合運(yùn)用多種手段，確保研究的科學(xué)性和準(zhǔn)確性：實(shí)地調(diào)研：深入張集礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，收集礦井的地質(zhì)資料、開采數(shù)據(jù)、防治水措施等，了解礦井的實(shí)際情況和存在的問題。與礦井技術(shù)人員進(jìn)行交流，獲取第一手資料，為研究提供實(shí)際依據(jù)。室內(nèi)試驗(yàn)：對(duì)采集的巖石和水樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，如抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等，以及水樣的化學(xué)成分和物理性質(zhì)，如酸堿度、硬度、礦化度等。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析巖石和水的特性，為底板突水機(jī)理研究和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬：利用數(shù)值模擬軟件，如FLAC3D、COMSOL等，建立張集礦太灰含水層和工作面的三維地質(zhì)模型，模擬開采過程中底板巖體的應(yīng)力應(yīng)變分布、地下水的流動(dòng)規(guī)律以及突水發(fā)生的過程。通過數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)底板突水的可能性和范圍，為防治水措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。灰色關(guān)聯(lián)分析：運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，對(duì)收集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，找出影響底板突水危險(xiǎn)性的主要因素，并確定各因素之間的關(guān)聯(lián)程度。通過灰色關(guān)聯(lián)分析，提高危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和可靠性。二、張集礦太灰含水層地質(zhì)特征及改造工程2.1張集礦概況張集礦位于安徽省淮南市鳳臺(tái)縣城西，地理位置優(yōu)越，交通便利，處于我國(guó)煤炭資源豐富的淮南礦區(qū)。該礦始建于1996年，經(jīng)過多年的建設(shè)與發(fā)展，已成為安徽省首座千萬噸級(jí)現(xiàn)代化礦井，年產(chǎn)能達(dá)1230萬噸，是安徽省能源保供的主力軍，在淮南礦業(yè)集團(tuán)中占據(jù)主力礦井地位，也是國(guó)家瓦斯綜合治理實(shí)驗(yàn)基地，對(duì)保障區(qū)域能源供應(yīng)、推動(dòng)煤炭行業(yè)技術(shù)發(fā)展發(fā)揮著重要作用。張集礦采用一礦兩井管理模式，分為中央?yún)^(qū)和北區(qū)兩對(duì)井，井下生產(chǎn)系統(tǒng)、地面生產(chǎn)系統(tǒng)及輔助生產(chǎn)系統(tǒng)均相對(duì)獨(dú)立，這一模式有利于提高礦井的生產(chǎn)效率和管理水平。礦井劃分為兩個(gè)水平，一水平標(biāo)高－600米，二水平標(biāo)高－820米，目前集中于一水平生產(chǎn)，二水平正在施工建設(shè)。在采煤工藝方面，張集礦采用綜合機(jī)械化采煤工藝，該工藝具有高產(chǎn)、高效、安全等優(yōu)點(diǎn)。采煤機(jī)在工作面進(jìn)行割煤作業(yè)，將煤炭從煤層中切割下來，通過刮板輸送機(jī)將煤炭輸送至轉(zhuǎn)載機(jī)，再由膠帶輸送機(jī)將煤炭運(yùn)出工作面，實(shí)現(xiàn)煤炭的快速、連續(xù)開采。同時(shí)，采用液壓支架對(duì)工作面頂板進(jìn)行支護(hù)，有效保障了采煤作業(yè)的安全。然而，張集礦在煤炭開采過程中面臨著嚴(yán)峻的含水層問題。礦井所在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，太灰含水層水壓高、水量大，與煤層距離較近。太灰含水層的水通過底板隔水層的薄弱部位，如斷層、裂隙等，向工作面涌入，一旦發(fā)生突水，可能會(huì)淹沒巷道和采掘工作面，造成設(shè)備損壞、生產(chǎn)中斷，甚至威脅礦工的生命安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，過去幾年間，張集礦因含水層問題導(dǎo)致的生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生，不僅給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也對(duì)安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。因此，對(duì)太灰含水層進(jìn)行改造，降低工作面底板突水危險(xiǎn)性，成為張集礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵任務(wù)。2.2太灰含水層地質(zhì)特征2.2.1地層巖性張集礦所在區(qū)域的地層巖性較為復(fù)雜，太灰含水層主要位于太原組地層中。太原組地層厚度在123.38-187.16m之間，由石灰?guī)r、中細(xì)砂巖、巖溶含水層以及砂巖粘土巖、煤層等組成。其中，太灰含水層主要由多層石灰?guī)r組成，這些石灰?guī)r具有良好的透水性和富水性，是地下水儲(chǔ)存和運(yùn)移的主要場(chǎng)所。石灰?guī)r的礦物成分主要為碳酸鈣，其結(jié)構(gòu)致密，但由于長(zhǎng)期受到地下水的溶蝕作用，巖石中發(fā)育有大量的溶洞、溶隙和裂隙，這些溶蝕通道相互連通，形成了復(fù)雜的地下水網(wǎng)絡(luò)，使得太灰含水層具有較強(qiáng)的導(dǎo)水性。在太灰含水層的上部和下部，分別存在著不同巖性的地層。上部主要為砂巖粘土巖和煤層，這些地層的透水性相對(duì)較差，在一定程度上起到了隔水作用，限制了太灰含水層與上部地層的水力聯(lián)系。例如，砂巖粘土巖中的粘土礦物含量較高，其顆粒細(xì)小，孔隙度低，地下水難以通過，有效地阻止了太灰含水層水向上部地層的滲透。而煤層的滲透性也較低，且其分布相對(duì)穩(wěn)定，進(jìn)一步增強(qiáng)了上部地層的隔水性能。下部則主要為奧陶系灰?guī)r，奧陶系灰?guī)r同樣具有較強(qiáng)的富水性和導(dǎo)水性，與太灰含水層之間存在著一定的水力聯(lián)系。奧陶系灰?guī)r中的巖溶發(fā)育更為強(qiáng)烈，溶洞和裂隙規(guī)模較大，為地下水的流動(dòng)提供了更廣闊的空間。這種地層巖性的組合特征，使得太灰含水層在整個(gè)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)中處于關(guān)鍵位置，既受到上下地層的影響，又對(duì)礦井的開采安全構(gòu)成了重要威脅。地層巖性對(duì)底板突水具有顯著影響。太灰含水層的石灰?guī)r由于其良好的透水性和富水性，一旦與工作面底板之間的隔水層被破壞，含水層中的水就會(huì)迅速涌入工作面，引發(fā)突水事故。而上部隔水層的厚度、巖性和完整性直接決定了其對(duì)太灰含水層水的阻隔能力。如果上部隔水層厚度較薄，或者存在裂隙、斷層等地質(zhì)構(gòu)造，就會(huì)降低其隔水性能，增加底板突水的風(fēng)險(xiǎn)。例如，當(dāng)隔水層中存在斷層時(shí)，斷層破碎帶會(huì)破壞隔水層的連續(xù)性，形成導(dǎo)水通道，使太灰含水層水能夠通過斷層帶進(jìn)入工作面，導(dǎo)致突水事故的發(fā)生。下部奧陶系灰?guī)r與太灰含水層之間的水力聯(lián)系也不容忽視，奧陶系灰?guī)r中的高壓水可能會(huì)通過導(dǎo)水通道補(bǔ)給太灰含水層，進(jìn)一步增大太灰含水層的水壓，從而增加底板突水的危險(xiǎn)性。2.2.2含水層富水性太灰含水層的富水性是評(píng)估其對(duì)工作面底板突水影響的重要指標(biāo)。通過對(duì)張集礦的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)太灰含水層的單位涌水量在0.024-1.5L/s.m之間，表明其富水性存在一定的差異。在一些巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的區(qū)域，太灰含水層的單位涌水量較高，如在井田西南部的部分區(qū)域，單位涌水量可達(dá)1.0L/s.m以上，這是由于該區(qū)域的石灰?guī)r受到長(zhǎng)期的溶蝕作用，形成了大量的溶洞和溶隙，為地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)移提供了充足的空間，使得含水層的富水性增強(qiáng)。而在巖溶發(fā)育相對(duì)較弱的區(qū)域，單位涌水量則較低，一般在0.05L/s.m以下，這些區(qū)域的石灰?guī)r溶蝕程度較輕，地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)移條件相對(duì)較差，富水性也較弱。太灰含水層與其他含水層之間存在著復(fù)雜的水力聯(lián)系。與上部的山西組砂巖裂隙含水層和石盒子組中組煤頂部砂巖含水層之間，通過斷層、裂隙等導(dǎo)水通道存在一定的水力聯(lián)系。當(dāng)太灰含水層水位較高時(shí)，其水可能會(huì)通過這些導(dǎo)水通道向上補(bǔ)給其他含水層；反之，當(dāng)其他含水層水位較高時(shí)，也可能會(huì)對(duì)太灰含水層進(jìn)行補(bǔ)給。例如，在井田內(nèi)的一些斷層附近，太灰含水層與山西組砂巖裂隙含水層之間的水力聯(lián)系較為密切，通過斷層破碎帶，兩個(gè)含水層之間的水可以相互流動(dòng)。與下部的奧陶系灰?guī)r含水層之間，也存在著較強(qiáng)的水力聯(lián)系。奧陶系灰?guī)r含水層的水壓較高，其水可以通過巖溶管道、裂隙等通道補(bǔ)給太灰含水層，使得太灰含水層的水位和水壓升高。據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在某些區(qū)域，奧陶系灰?guī)r含水層的水位每升高1m，太灰含水層的水位就會(huì)相應(yīng)升高0.5-0.8m，這充分說明了兩者之間水力聯(lián)系的緊密程度。太灰含水層的富水性及其與其他含水層的水力聯(lián)系對(duì)底板突水具有重要影響。富水性強(qiáng)的太灰含水層在隔水層被破壞時(shí)，能夠提供大量的水源，增加突水的規(guī)模和危害程度。而與其他含水層的水力聯(lián)系則可能導(dǎo)致突水水源的多樣化和復(fù)雜化，使得突水事故的預(yù)測(cè)和防治更加困難。當(dāng)太灰含水層與奧陶系灰?guī)r含水層水力聯(lián)系密切時(shí)，奧陶系灰?guī)r含水層的高壓水可能會(huì)迅速補(bǔ)給太灰含水層，引發(fā)突然的、大規(guī)模的突水事故，給礦井安全生產(chǎn)帶來巨大威脅。2.2.3地質(zhì)構(gòu)造張集礦所在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層、陷落柱等構(gòu)造發(fā)育。井田內(nèi)共發(fā)育有大小斷層數(shù)十條，其中較大的斷層有F1、F2、F3等，這些斷層的走向、傾向和落差各不相同。F1斷層走向近東西向，傾向北，落差在50-100m之間，斷層破碎帶寬度可達(dá)10-20m；F2斷層走向北北東，傾向南東，落差在30-80m之間，破碎帶寬度在5-15m之間。這些斷層將井田切割成多個(gè)塊段，改變了地層的連續(xù)性和完整性，對(duì)含水層的導(dǎo)水性和底板穩(wěn)定性產(chǎn)生了重要影響。斷層對(duì)含水層導(dǎo)水性的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。在斷層破碎帶內(nèi)，巖石破碎，裂隙發(fā)育，使得含水層的導(dǎo)水性增強(qiáng)。當(dāng)斷層溝通了太灰含水層與其他含水層時(shí)，會(huì)形成水力聯(lián)系通道，導(dǎo)致不同含水層之間的水相互流動(dòng)。例如，F(xiàn)1斷層溝通了太灰含水層和奧陶系灰?guī)r含水層，使得奧陶系灰?guī)r含水層的高壓水能夠通過斷層帶補(bǔ)給太灰含水層，增大了太灰含水層的水壓和水量。在斷層尖滅端或兩條斷層相交處，由于應(yīng)力集中，巖石破碎程度加劇，裂隙更加發(fā)育，含水層的導(dǎo)水性進(jìn)一步增強(qiáng)，成為突水的高危區(qū)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在張集礦發(fā)生的突水事故中，有相當(dāng)一部分是由于斷層附近的含水層導(dǎo)水性增強(qiáng)，導(dǎo)致隔水層被擊穿而引發(fā)的。陷落柱也是張集礦常見的地質(zhì)構(gòu)造之一。井田內(nèi)已發(fā)現(xiàn)多個(gè)陷落柱，其中最大的陷落柱直徑可達(dá)200m以上。陷落柱是由于下部煤層采空后，上覆巖層失去支撐而塌陷形成的柱狀構(gòu)造。陷落柱內(nèi)巖石破碎，充填物雜亂，具有較強(qiáng)的導(dǎo)水性。當(dāng)陷落柱貫穿太灰含水層和工作面底板時(shí)，會(huì)形成直接的導(dǎo)水通道，使太灰含水層的水能夠迅速涌入工作面，引發(fā)突水事故。在西三采區(qū)的8煤層附近，就存在一個(gè)直徑約150m的陷落柱，該陷落柱與太灰含水層相連，對(duì)該區(qū)域的煤層開采構(gòu)成了嚴(yán)重的水害威脅。地質(zhì)構(gòu)造對(duì)底板穩(wěn)定性的影響也不容忽視。斷層和陷落柱的存在破壞了底板巖體的完整性，降低了其強(qiáng)度和承載能力。在采煤過程中，由于礦山壓力的作用，底板巖體在斷層和陷落柱附近容易發(fā)生變形和破壞，形成裂隙和破碎帶，進(jìn)一步降低了底板的隔水性能。當(dāng)?shù)装甯羲畬拥膹?qiáng)度不足以抵抗太灰含水層的水壓時(shí)，就會(huì)發(fā)生底板突水事故。在一些斷層密集區(qū)域，由于底板巖體受到多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，破碎程度嚴(yán)重，底板穩(wěn)定性極差，突水事故頻發(fā)。因此，準(zhǔn)確掌握地質(zhì)構(gòu)造的分布和特征，對(duì)于評(píng)估工作面底板突水危險(xiǎn)性，制定有效的防治措施具有重要意義。2.3太灰含水層改造工程概述張集礦太灰含水層改造工程旨在通過注漿等手段，封堵含水層中的導(dǎo)水通道，增強(qiáng)隔水層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，降低工作面底板突水的風(fēng)險(xiǎn)。該工程的實(shí)施是保障礦井安全生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)煤炭資源可持續(xù)開采的關(guān)鍵舉措。隨著張集礦開采深度的增加，太灰含水層對(duì)工作面底板的威脅日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)的防治水措施已難以滿足安全生產(chǎn)的需求，因此，開展含水層改造工程迫在眉睫。在鉆孔布置方面，依據(jù)張集礦的地質(zhì)條件和工作面分布情況，精心規(guī)劃鉆孔位置和深度。在西一采區(qū)，根據(jù)太灰含水層的厚度、富水性以及與煤層的距離，在每個(gè)工作面周圍布置了3-5個(gè)鉆孔，鉆孔深度一般控制在150-200m，以確保能夠有效揭露含水層并進(jìn)行注漿改造。鉆孔的布置充分考慮了地質(zhì)構(gòu)造的影響，在斷層附近和陷落柱周邊加密鉆孔，以增強(qiáng)對(duì)這些薄弱區(qū)域的改造效果。在F1斷層附近，每隔50m布置一個(gè)鉆孔，對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行重點(diǎn)注漿加固，防止含水層水通過斷層導(dǎo)水通道涌入工作面。注漿工藝采用了先進(jìn)的雙液注漿技術(shù)，該技術(shù)將水泥漿和水玻璃溶液按一定比例混合后注入含水層。水泥漿具有良好的膠結(jié)性和強(qiáng)度，能夠填充含水層中的較大裂隙和溶洞；水玻璃溶液則具有速凝性，能夠快速封堵較小的孔隙和裂隙，兩者結(jié)合可以提高注漿效果和效率。在注漿過程中，嚴(yán)格控制水泥漿和水玻璃溶液的配比，根據(jù)含水層的實(shí)際情況，一般將水泥漿與水玻璃溶液的體積比控制在3:1-5:1之間。同時(shí)，密切監(jiān)測(cè)注漿壓力和流量，根據(jù)注漿情況及時(shí)調(diào)整注漿參數(shù)。當(dāng)注漿壓力達(dá)到5-8MPa，且流量逐漸減小至穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，認(rèn)為注漿效果良好，可停止注漿。在注漿材料的選擇上，選用了高強(qiáng)度、耐久性好的水泥和優(yōu)質(zhì)水玻璃。水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其具有早期強(qiáng)度高、凝結(jié)時(shí)間適中的特點(diǎn)，能夠滿足注漿工程的要求。水玻璃的模數(shù)控制在2.8-3.2之間，濃度為35-40Be’，這種參數(shù)的水玻璃與水泥漿混合后，能夠形成良好的凝膠體，有效提高注漿體的強(qiáng)度和抗?jié)B性。為了進(jìn)一步提高注漿材料的性能，還添加了適量的外加劑，如減水劑、早強(qiáng)劑等。減水劑可以降低水泥漿的用水量，提高其流動(dòng)性和可注性；早強(qiáng)劑則可以加速水泥漿的凝結(jié)和硬化，提高早期強(qiáng)度。太灰含水層改造工程的實(shí)施過程嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，確保工程質(zhì)量和安全。在施工前，對(duì)施工人員進(jìn)行了全面的技術(shù)培訓(xùn)和安全交底，使其熟悉施工工藝和安全操作規(guī)程。施工過程中，加強(qiáng)對(duì)鉆孔施工、注漿作業(yè)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，對(duì)鉆孔的垂直度、注漿的壓力和流量等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄。同時(shí)，制定了完善的安全保障措施，如設(shè)置安全警示標(biāo)志、配備必要的安全防護(hù)設(shè)備等，確保施工人員的人身安全。2.4改造前后含水層變化分析在太灰含水層改造工程實(shí)施前后，對(duì)張集礦的水位、水壓、富水性等指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)監(jiān)測(cè)與分析，以全面了解改造對(duì)含水層結(jié)構(gòu)和水力特征的影響。改造前，太灰含水層的水位標(biāo)高在-150--120m之間，水壓較高，一般在2.5-3.5MPa之間。在井田的某些區(qū)域，由于地質(zhì)構(gòu)造和含水層富水性的差異，水壓分布并不均勻。在斷層附近和巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的區(qū)域，水壓相對(duì)較高，如在F1斷層附近，水壓可達(dá)3.2MPa以上。這是因?yàn)閿鄬拥拇嬖谄茐牧撕畬拥脑薪Y(jié)構(gòu)，形成了導(dǎo)水通道，使得地下水在流動(dòng)過程中受到的阻力減小，從而導(dǎo)致水壓升高。巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的區(qū)域，由于溶洞和溶隙較多，地下水的儲(chǔ)存空間增大，補(bǔ)給來源也相對(duì)豐富，使得水壓維持在較高水平。改造后，通過對(duì)注漿區(qū)域的水位和水壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水位明顯下降，水位標(biāo)高降至-180--160m之間，水壓也顯著降低，一般在1.0-1.5MPa之間。這表明注漿改造有效地封堵了含水層中的導(dǎo)水通道，減少了地下水的補(bǔ)給來源，使得含水層的水位和水壓得到了有效控制。在注漿效果較好的區(qū)域，水位下降幅度可達(dá)30m以上，水壓降低了1.5MPa左右。這是因?yàn)樽{材料在含水層中形成了密實(shí)的凝膠體，填充了溶洞、溶隙和裂隙等導(dǎo)水空間，阻止了地下水的流動(dòng)，從而降低了水位和水壓。在富水性方面，改造前太灰含水層的單位涌水量在0.024-1.5L/s.m之間，富水性存在較大差異。在巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的區(qū)域，單位涌水量較高，可達(dá)1.0L/s.m以上，如井田西南部的部分區(qū)域。這些區(qū)域的石灰?guī)r受到長(zhǎng)期的溶蝕作用，形成了大量的溶洞和溶隙，為地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)移提供了充足的空間，使得富水性增強(qiáng)。而在巖溶發(fā)育相對(duì)較弱的區(qū)域，單位涌水量則較低，一般在0.05L/s.m以下。改造后，對(duì)注漿區(qū)域進(jìn)行抽水試驗(yàn)，結(jié)果顯示單位涌水量大幅降低，一般在0.01-0.05L/s.m之間。這說明注漿改造顯著降低了含水層的富水性，有效地減少了地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)移能力。在一些注漿效果顯著的區(qū)域，單位涌水量甚至降至0.01L/s.m以下，幾乎達(dá)到了隔水層的標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)樽{材料填充了含水層中的孔隙和裂隙，使含水層的滲透性大大降低，從而減少了地下水的涌出量。通過對(duì)改造前后含水層結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，注漿改造使得含水層中的裂隙和溶洞被有效填充，含水層的連續(xù)性和完整性得到了增強(qiáng)。原本連通性較好的導(dǎo)水通道被封堵，形成了相對(duì)獨(dú)立的隔水區(qū)域，從而改變了含水層的水力特征。在未改造前，含水層中的地下水可以通過裂隙和溶洞自由流動(dòng)，形成復(fù)雜的水力網(wǎng)絡(luò)。而改造后，這些導(dǎo)水通道被注漿材料堵塞，地下水的流動(dòng)受到了限制，水力網(wǎng)絡(luò)變得簡(jiǎn)單，水流速度明顯減緩。這不僅降低了底板突水的風(fēng)險(xiǎn)，還使得含水層的穩(wěn)定性得到了提高，為煤炭開采提供了更安全的地質(zhì)條件。三、工作面底板突水影響因素分析3.1地質(zhì)因素3.1.1地層傾角地層傾角對(duì)張集礦工作面底板應(yīng)力分布和導(dǎo)水通道形成具有重要影響。在煤炭開采過程中，地層傾角的變化會(huì)導(dǎo)致底板巖體所受應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。當(dāng)工作面位于傾斜地層時(shí)，底板巖體除了受到垂直方向的自重應(yīng)力外，還會(huì)受到沿地層傾斜方向的分力作用。這種額外的分力會(huì)使底板巖體的應(yīng)力分布不均勻，在傾角較大的區(qū)域，應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯。隨著地層傾角的增大，底板巖體在開采過程中的變形和破壞程度也會(huì)加劇。在張集礦的某些區(qū)域，地層傾角達(dá)到30°以上，由于受到較大的傾斜分力作用，底板巖體在開采過程中更容易產(chǎn)生裂隙和滑動(dòng)面。這些裂隙和滑動(dòng)面相互連通，可能會(huì)形成導(dǎo)水通道，為太灰含水層水的涌入創(chuàng)造條件。當(dāng)工作面推進(jìn)時(shí)，在傾斜地層的影響下，底板巖體的應(yīng)力集中區(qū)域不斷變化，使得底板的穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。在工作面煤壁前方，由于受到超前支承壓力和傾斜分力的共同作用，底板巖體的應(yīng)力集中程度較高，容易產(chǎn)生張拉裂隙和剪切裂隙。這些裂隙一旦與太灰含水層連通，就會(huì)導(dǎo)致底板突水事故的發(fā)生。此外，地層傾角還會(huì)影響地下水的流動(dòng)方向和速度。在傾斜地層中，地下水會(huì)沿著地層的傾斜方向流動(dòng)，其流速也會(huì)隨著傾角的增大而加快。這使得太灰含水層中的水更容易向工作面底板匯聚，增加了底板突水的風(fēng)險(xiǎn)。在張集礦的西一采區(qū)，由于地層傾角較大，太灰含水層中的水在重力作用下迅速向工作面底板流動(dòng)，導(dǎo)致該區(qū)域的底板突水事故頻繁發(fā)生。因此，在評(píng)估張集礦工作面底板突水危險(xiǎn)性時(shí)，必須充分考慮地層傾角這一因素，采取相應(yīng)的防治措施，如加強(qiáng)底板支護(hù)、優(yōu)化開采順序等，以降低底板突水的風(fēng)險(xiǎn)。3.1.2斷裂構(gòu)造斷裂構(gòu)造是影響張集礦工作面底板突水的關(guān)鍵地質(zhì)因素之一，對(duì)底板完整性和導(dǎo)水性產(chǎn)生顯著影響，極大地增加了突水風(fēng)險(xiǎn)。井田內(nèi)發(fā)育的眾多斷層，如F1、F2等，其規(guī)模和性質(zhì)各異，對(duì)底板的破壞作用也不盡相同。斷裂構(gòu)造直接破壞了底板巖體的完整性。斷層的存在使得底板巖體被錯(cuò)斷，形成破碎帶。在斷層破碎帶內(nèi)，巖石的結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，裂隙大量發(fā)育，巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性大幅降低。F1斷層的破碎帶寬度可達(dá)10-20m，帶內(nèi)巖石破碎成大小不一的碎塊，膠結(jié)程度差，完整性喪失殆盡。這種破碎的巖體難以承受上部巖層的壓力和太灰含水層的水壓，容易發(fā)生變形和破壞，為突水提供了潛在的通道。斷裂構(gòu)造增強(qiáng)了底板的導(dǎo)水性。斷層破碎帶中的裂隙相互連通，形成了良好的導(dǎo)水通道。當(dāng)斷層溝通了太灰含水層與其他含水層或工作面時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致含水層之間的水力聯(lián)系增強(qiáng)，太灰含水層的水能夠通過斷層帶迅速涌入工作面，引發(fā)突水事故。F2斷層溝通了太灰含水層和奧陶系灰?guī)r含水層，奧陶系灰?guī)r含水層的高壓水通過斷層帶補(bǔ)給太灰含水層，使得太灰含水層的水壓升高，增加了底板突水的危險(xiǎn)性。在斷層的尖滅端或兩條斷層相交處，由于應(yīng)力集中，巖石破碎程度加劇，導(dǎo)水性進(jìn)一步增強(qiáng)。這些部位往往成為突水的高發(fā)區(qū)域，一旦受到開采擾動(dòng)，就容易引發(fā)突水事故。斷裂構(gòu)造還會(huì)改變底板巖體的應(yīng)力分布。在斷層附近，巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生明顯變化，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)工作面開采接近斷層時(shí)，由于礦山壓力的疊加作用，斷層附近的應(yīng)力集中程度進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致底板巖體更容易發(fā)生破壞，形成新的導(dǎo)水通道。在張集礦的東二采區(qū)，由于工作面靠近F3斷層，在開采過程中，斷層附近的底板巖體受到強(qiáng)烈的應(yīng)力作用，產(chǎn)生了大量的裂隙，最終導(dǎo)致底板突水事故的發(fā)生。陷落柱作為一種特殊的斷裂構(gòu)造，也對(duì)底板突水具有重要影響。張集礦內(nèi)的陷落柱，如直徑達(dá)200m以上的大型陷落柱，其內(nèi)部巖石破碎，充填物雜亂，具有較強(qiáng)的導(dǎo)水性。當(dāng)陷落柱貫穿太灰含水層和工作面底板時(shí)，會(huì)形成直接的導(dǎo)水通道，使太灰含水層的水能夠毫無阻礙地涌入工作面，造成嚴(yán)重的突水災(zāi)害。在西三采區(qū)的8煤層附近，存在一個(gè)直徑約150m的陷落柱，該陷落柱與太灰含水層相連，對(duì)該區(qū)域的煤層開采構(gòu)成了巨大的水害威脅。因此，在張集礦的開采過程中，必須高度重視斷裂構(gòu)造對(duì)底板突水的影響，加強(qiáng)對(duì)斷層和陷落柱的探測(cè)與監(jiān)測(cè)，采取有效的防治措施，如注漿加固、留設(shè)防水煤柱等，以降低底板突水的風(fēng)險(xiǎn)，確保礦井的安全生產(chǎn)。3.1.3巖性組合張集礦工作面底板的巖性組合對(duì)其隔水能力和變形特性有著顯著影響，進(jìn)而關(guān)系到底板突水的風(fēng)險(xiǎn)。底板主要由砂巖、泥巖、灰?guī)r等多種巖石組成，不同巖性的巖石在物理力學(xué)性質(zhì)上存在差異，這些差異決定了巖性組合的特性。當(dāng)?shù)装鍘r性組合中泥巖含量較高時(shí)，其隔水能力相對(duì)較強(qiáng)。泥巖具有顆粒細(xì)小、孔隙度低、滲透性差的特點(diǎn)，能夠有效地阻止地下水的滲透。在張集礦的一些區(qū)域，底板中泥巖厚度較大，形成了良好的隔水層，有效地阻隔了太灰含水層水的涌入。在東一采區(qū)的部分工作面，底板泥巖厚度達(dá)到10m以上，在開采過程中，該區(qū)域的底板突水事故發(fā)生率明顯較低。然而，泥巖的強(qiáng)度相對(duì)較低，在受到較大的礦山壓力作用時(shí)，容易發(fā)生塑性變形。如果泥巖的變形超過一定限度，就可能會(huì)產(chǎn)生裂隙，從而降低其隔水性能。當(dāng)工作面采高較大，礦山壓力對(duì)底板的作用較強(qiáng)時(shí)，泥巖底板可能會(huì)出現(xiàn)大量的裂隙，使得太灰含水層水能夠通過這些裂隙進(jìn)入工作面，增加突水的風(fēng)險(xiǎn)。砂巖和灰?guī)r的強(qiáng)度較高，但它們的滲透性相對(duì)較好。砂巖中存在著一定數(shù)量的孔隙和裂隙，灰?guī)r中則發(fā)育有溶洞和溶隙，這些都為地下水的流動(dòng)提供了通道。當(dāng)?shù)装鍘r性組合中砂巖或灰?guī)r含量較高時(shí)，底板的隔水能力會(huì)相應(yīng)降低。在西二采區(qū)的某些工作面，底板中砂巖和灰?guī)r的比例較大，太灰含水層水能夠通過這些巖石中的裂隙和溶洞向工作面滲透，導(dǎo)致該區(qū)域的底板突水危險(xiǎn)性增加。不同巖性巖石的組合方式也會(huì)影響底板的變形特性。當(dāng)?shù)装鍘r性為軟硬相間的組合時(shí)，在受到礦山壓力作用時(shí)，軟巖和硬巖的變形不協(xié)調(diào)，容易在軟硬巖交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂隙的產(chǎn)生。在泥巖和砂巖互層的底板中，由于泥巖和砂巖的彈性模量和泊松比不同，在開采過程中，兩者的變形程度不一致，從而在交界處形成裂隙，為太灰含水層水的運(yùn)移提供了通道。底板巖性組合的變化還會(huì)影響其對(duì)注漿改造的響應(yīng)。對(duì)于不同巖性組合的底板，注漿材料的擴(kuò)散和固結(jié)效果會(huì)有所不同。在泥巖含量較高的底板中，注漿材料的擴(kuò)散難度較大，但一旦固結(jié)，其加固效果較好；而在砂巖和灰?guī)r含量較高的底板中，注漿材料容易擴(kuò)散，但固結(jié)后的強(qiáng)度可能相對(duì)較低。因此，在進(jìn)行太灰含水層改造工程時(shí)，需要根據(jù)底板巖性組合的特點(diǎn)，選擇合適的注漿材料和工藝，以提高改造效果，增強(qiáng)底板的隔水能力，降低底板突水的風(fēng)險(xiǎn)。三、工作面底板突水影響因素分析3.2地下水因素3.2.1水位與水壓水位和水壓是影響張集礦工作面底板突水的重要地下水因素，它們的變化與底板突水密切相關(guān)。太灰含水層的水位和水壓在空間上分布不均，且隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。在井田的不同區(qū)域，由于地質(zhì)構(gòu)造、含水層富水性以及補(bǔ)給條件的差異，水位和水壓存在明顯的高低之分。在斷層附近和巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的區(qū)域，含水層的導(dǎo)水性強(qiáng)，補(bǔ)給充足，水位和水壓相對(duì)較高；而在遠(yuǎn)離斷層和巖溶發(fā)育較弱的區(qū)域，水位和水壓則相對(duì)較低。水位和水壓的變化對(duì)底板突水有著重要影響。當(dāng)太灰含水層水位上升時(shí)，水壓相應(yīng)增大，對(duì)底板隔水層的壓力也隨之增加。在這種情況下，底板隔水層所承受的壓力超過其強(qiáng)度極限，就會(huì)導(dǎo)致隔水層破裂，形成突水通道，引發(fā)底板突水事故。當(dāng)水位上升導(dǎo)致水壓達(dá)到3.0MPa以上時(shí)，底板隔水層的薄弱部位就容易被擊穿，從而引發(fā)突水。在開采過程中，由于采動(dòng)影響，底板巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，也會(huì)導(dǎo)致水位和水壓的變化。采煤活動(dòng)會(huì)破壞底板巖體的完整性，形成裂隙和破碎帶，這些導(dǎo)水通道會(huì)使含水層的水位和水壓重新分布，增加了底板突水的風(fēng)險(xiǎn)。在工作面推進(jìn)過程中，煤壁前方的底板巖體受到超前支承壓力的作用，巖體被壓縮，裂隙閉合，導(dǎo)致含水層的水位和水壓升高；而在采空區(qū)，由于頂板垮落，底板巖體卸壓，裂隙張開，水位和水壓則會(huì)有所降低。這種水位和水壓的動(dòng)態(tài)變化，使得底板突水的發(fā)生具有不確定性。高水壓對(duì)底板的破壞作用顯著。高水壓會(huì)使底板巖體產(chǎn)生張應(yīng)力和剪應(yīng)力，當(dāng)這些應(yīng)力超過巖體的抗拉和抗剪強(qiáng)度時(shí)，巖體就會(huì)發(fā)生破壞。在張集礦，太灰含水層的高水壓使得底板巖體中的裂隙不斷擴(kuò)展和貫通，形成導(dǎo)水通道，為突水創(chuàng)造了條件。高水壓還會(huì)對(duì)底板隔水層產(chǎn)生頂托作用，削弱隔水層的隔水能力。當(dāng)水壓足夠大時(shí)，隔水層會(huì)被頂破，導(dǎo)致突水事故的發(fā)生。在一些深部開采區(qū)域，由于太灰含水層的水壓較高，底板隔水層的厚度相對(duì)較薄，高水壓對(duì)底板的破壞作用更加明顯，突水事故的發(fā)生率也相對(duì)較高。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和掌握太灰含水層的水位和水壓變化，對(duì)于評(píng)估張集礦工作面底板突水危險(xiǎn)性，采取有效的防治措施具有重要意義。3.2.2滲透性含水層滲透性是影響張集礦工作面底板突水的關(guān)鍵地下水因素之一，它對(duì)水的流動(dòng)和突水過程有著重要影響。太灰含水層的滲透性在不同區(qū)域存在顯著差異，這主要取決于其巖性、地質(zhì)構(gòu)造以及巖溶發(fā)育程度等因素。在石灰?guī)r巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的區(qū)域，由于溶洞、溶隙和裂隙大量存在，含水層的滲透性較強(qiáng)。這些巖溶通道相互連通，形成了良好的導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)，使得地下水能夠在其中快速流動(dòng)。在井田西南部的部分區(qū)域，石灰?guī)r的巖溶發(fā)育程度高，含水層的滲透系數(shù)可達(dá)1.0m/d以上，地下水的流速較快，為底板突水提供了有利的水流條件。而在巖溶發(fā)育相對(duì)較弱的區(qū)域，含水層的滲透性則較弱。這些區(qū)域的石灰?guī)r溶蝕程度較低，孔隙和裂隙較少，滲透系數(shù)一般在0.1m/d以下，地下水的流動(dòng)受到較大限制。含水層滲透性對(duì)水流動(dòng)和突水的影響機(jī)制較為復(fù)雜。滲透性強(qiáng)的含水層，地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件良好，含水層中的水能夠迅速向工作面底板匯集。當(dāng)?shù)装甯羲畬哟嬖诒∪醪课粫r(shí)，強(qiáng)大的水流壓力容易突破隔水層，引發(fā)突水事故。在斷層附近，由于巖石破碎，裂隙發(fā)育，含水層的滲透性增強(qiáng)，地下水更容易通過斷層帶向工作面底板滲透，增加了突水的風(fēng)險(xiǎn)。滲透性還會(huì)影響突水的規(guī)模和持續(xù)時(shí)間。當(dāng)突水發(fā)生時(shí)，滲透性強(qiáng)的含水層能夠提供大量的水源，使得突水規(guī)模較大，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；而滲透性弱的含水層，突水規(guī)模相對(duì)較小，持續(xù)時(shí)間也較短。太灰含水層改造對(duì)其滲透性產(chǎn)生了顯著改變。通過注漿改造，注漿材料填充了含水層中的溶洞、溶隙和裂隙，有效地降低了含水層的滲透性。在注漿區(qū)域，滲透系數(shù)大幅下降，一般可降至0.01m/d以下，甚至更低。這使得地下水的流動(dòng)受到極大限制，減少了含水層向工作面底板的涌水量，從而降低了底板突水的風(fēng)險(xiǎn)。注漿改造還改變了含水層的水力特性，使得地下水的流動(dòng)路徑更加復(fù)雜，進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)突水的防控效果。因此，在張集礦的開采過程中，重視含水層滲透性的研究和改造，對(duì)于預(yù)防工作面底板突水具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。3.2.3補(bǔ)給方式太灰含水層的補(bǔ)給方式是影響張集礦工作面底板突水的重要因素之一，其補(bǔ)給來源和方式較為復(fù)雜，對(duì)突水的發(fā)生和發(fā)展有著重要影響。太灰含水層的補(bǔ)給來源主要包括大氣降水、地表水以及其他含水層的側(cè)向補(bǔ)給。大氣降水通過地表入滲，部分轉(zhuǎn)化為地下水，對(duì)太灰含水層進(jìn)行補(bǔ)給。在張集礦所在區(qū)域，年降水量較為充沛，大氣降水在一定程度上補(bǔ)充了太灰含水層的水量。在雨季，降水量增加，入滲量增大，太灰含水層的水位會(huì)相應(yīng)上升。地表水，如河流、湖泊等，也是太灰含水層的重要補(bǔ)給源。當(dāng)河流與太灰含水層存在水力聯(lián)系時(shí)，河水會(huì)滲漏補(bǔ)給含水層。井田內(nèi)的部分河流，由于河床底部的巖石透水性較好，河水能夠通過裂隙和孔隙滲透到太灰含水層中，增加其水量。其他含水層的側(cè)向補(bǔ)給也不容忽視。太灰含水層與上部的山西組砂巖裂隙含水層和下部的奧陶系灰?guī)r含水層之間存在一定的水力聯(lián)系，在一定條件下，這些含水層會(huì)向太灰含水層進(jìn)行側(cè)向補(bǔ)給。奧陶系灰?guī)r含水層的水壓較高，其水會(huì)通過巖溶管道、裂隙等通道補(bǔ)給太灰含水層，使得太灰含水層的水位和水壓升高。補(bǔ)給方式對(duì)突水的影響較為顯著。大氣降水和地表水的補(bǔ)給具有季節(jié)性和不確定性，在雨季或豐水期，補(bǔ)給量增加，會(huì)導(dǎo)致太灰含水層的水位和水壓迅速上升，增加了底板突水的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)大氣降水集中且強(qiáng)度較大時(shí)，大量雨水快速入滲，使得太灰含水層的水位短時(shí)間內(nèi)大幅升高，對(duì)底板隔水層的壓力增大，容易引發(fā)突水事故。其他含水層的側(cè)向補(bǔ)給，尤其是奧陶系灰?guī)r含水層的高壓補(bǔ)給，會(huì)使太灰含水層的水壓持續(xù)升高，一旦底板隔水層的強(qiáng)度不足以抵抗水壓，就會(huì)發(fā)生突水。在一些與奧陶系灰?guī)r含水層水力聯(lián)系密切的區(qū)域，由于側(cè)向補(bǔ)給的影響，太灰含水層的水壓長(zhǎng)期處于較高水平，底板突水事故頻發(fā)。太灰含水層改造后，其補(bǔ)給方式發(fā)生了一定變化。注漿改造封堵了含水層中的部分導(dǎo)水通道，減少了其他含水層對(duì)太灰含水層的側(cè)向補(bǔ)給。通過注漿加固斷層破碎帶，阻止了奧陶系灰?guī)r含水層水通過斷層帶對(duì)太灰含水層的補(bǔ)給，降低了太灰含水層的水壓。大氣降水和地表水的補(bǔ)給也受到一定程度的影響。注漿改造使得含水層的滲透性降低，地表入滲量減少，大氣降水對(duì)太灰含水層的補(bǔ)給量相應(yīng)減少。在一些注漿效果較好的區(qū)域，地表入滲量可減少30%以上。這些變化有效地降低了太灰含水層的水量和水壓，減少了底板突水的風(fēng)險(xiǎn)。因此，深入了解太灰含水層的補(bǔ)給方式及其在改造后的變化，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估張集礦工作面底板突水危險(xiǎn)性，制定科學(xué)合理的防治水措施具有重要意義。三、工作面底板突水影響因素分析3.3采煤工藝因素3.3.1開采進(jìn)度開采進(jìn)度是影響張集礦工作面底板突水的重要采煤工藝因素之一，對(duì)底板應(yīng)力變化和突水具有顯著影響。在煤炭開采過程中，開采進(jìn)度的快慢直接關(guān)系到底板巖體所受應(yīng)力的變化速率和分布情況。當(dāng)開采進(jìn)度過快時(shí)，底板巖體在短時(shí)間內(nèi)受到的采動(dòng)影響加劇，應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯。由于采煤機(jī)快速割煤，工作面推進(jìn)速度加快，底板巖體來不及充分變形和調(diào)整，導(dǎo)致應(yīng)力迅速積累。在工作面煤壁前方，超前支承壓力峰值增大，作用范圍擴(kuò)大，使得底板巖體更容易產(chǎn)生裂隙和破壞。這些裂隙一旦與太灰含水層連通，就會(huì)為突水提供通道，增加突水的風(fēng)險(xiǎn)。開采進(jìn)度還會(huì)影響底板的變形和破壞深度。過快的開采進(jìn)度使得底板巖體在高強(qiáng)度的采動(dòng)壓力作用下，變形和破壞深度增大。在張集礦的一些開采區(qū)域，當(dāng)開采進(jìn)度達(dá)到每天8-10m時(shí)，底板的采動(dòng)破壞深度明顯增加，比正常開采進(jìn)度下增加了2-3m。這是因?yàn)榭焖匍_采導(dǎo)致底板巖體無法及時(shí)恢復(fù)其力學(xué)性能，隨著開采的持續(xù)進(jìn)行，破壞不斷累積，使得底板的隔水性能下降，突水的可能性增大。合理的開采進(jìn)度對(duì)于控制底板應(yīng)力變化和預(yù)防突水至關(guān)重要。通過合理調(diào)整開采進(jìn)度，可以使底板巖體有足夠的時(shí)間適應(yīng)采動(dòng)影響，逐漸釋放應(yīng)力，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。在張集礦的實(shí)際開采中，當(dāng)開采進(jìn)度控制在每天5-6m時(shí)，底板的應(yīng)力變化相對(duì)平穩(wěn)，采動(dòng)破壞深度也得到了有效控制，突水事故的發(fā)生率明顯降低。合理的開采進(jìn)度還可以為采取其他防治水措施提供時(shí)間和空間條件，如在開采過程中，可以及時(shí)對(duì)底板進(jìn)行注漿加固，增強(qiáng)其隔水性能，降低突水風(fēng)險(xiǎn)。因此，在張集礦的開采過程中，必須根據(jù)地質(zhì)條件、含水層特征和礦井實(shí)際情況，科學(xué)合理地確定開采進(jìn)度，以保障礦井的安全生產(chǎn)。3.3.2支護(hù)方式支護(hù)方式對(duì)張集礦工作面底板穩(wěn)定性有著重要影響，不同的支護(hù)方式在抵抗礦山壓力、減少底板變形方面發(fā)揮著不同的作用。目前，張集礦常用的支護(hù)方式主要有液壓支架支護(hù)和單體支柱支護(hù)。液壓支架支護(hù)具有支護(hù)強(qiáng)度高、可操作性強(qiáng)、能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械化作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)。在張集礦的開采過程中，液壓支架能夠及時(shí)有效地支撐頂板，將頂板壓力均勻地傳遞到底板上，減少了頂板垮落對(duì)底板的沖擊和破壞。液壓支架的初撐力和工作阻力能夠根據(jù)頂板壓力的變化進(jìn)行調(diào)整，保證了對(duì)頂板的有效支護(hù)。在頂板壓力較大的區(qū)域，通過提高液壓支架的工作阻力，可以有效地控制頂板的下沉和變形，從而減少了對(duì)底板的影響。液壓支架的整體穩(wěn)定性好，能夠適應(yīng)不同的地質(zhì)條件和開采環(huán)境，為底板的穩(wěn)定性提供了有力保障。在一些斷層附近或頂板破碎的區(qū)域，液壓支架能夠通過調(diào)整支架的姿態(tài)和支撐位置，有效地維護(hù)頂板的穩(wěn)定，防止頂板垮落引發(fā)底板突水事故。單體支柱支護(hù)則具有靈活性高、成本較低的特點(diǎn)。在一些地質(zhì)條件較為復(fù)雜、液壓支架難以布置的區(qū)域，單體支柱支護(hù)能夠發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。單體支柱可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行靈活布置，適應(yīng)不同的頂板形狀和壓力分布。在一些薄煤層開采區(qū)域，由于空間有限，液壓支架無法正常使用，此時(shí)單體支柱支護(hù)就成為了主要的支護(hù)方式。然而，單體支柱支護(hù)的支護(hù)強(qiáng)度相對(duì)較低，在頂板壓力較大時(shí)，難以有效地抵抗礦山壓力，容易導(dǎo)致頂板下沉和底板變形。單體支柱的穩(wěn)定性也相對(duì)較差，在受到較大的側(cè)向力時(shí)，容易發(fā)生傾倒，從而影響對(duì)頂板的支護(hù)效果，增加底板突水的風(fēng)險(xiǎn)。選擇合適的支護(hù)方式需要綜合考慮多種因素。地質(zhì)條件是選擇支護(hù)方式的重要依據(jù)。在頂板較為穩(wěn)定、壓力較小的區(qū)域，可以選擇單體支柱支護(hù)，以降低成本；而在頂板壓力較大、地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，則應(yīng)優(yōu)先選擇液壓支架支護(hù)，以確保頂板和底板的穩(wěn)定。開采工藝和設(shè)備條件也會(huì)影響支護(hù)方式的選擇。在采用綜合機(jī)械化采煤工藝的工作面，液壓支架支護(hù)能夠與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)良好的配合，提高采煤效率和安全性；而在一些采用炮采或普采工藝的工作面，單體支柱支護(hù)則更為適用。還需要考慮經(jīng)濟(jì)成本和施工難度等因素，在保證安全的前提下，選擇成本較低、施工方便的支護(hù)方式。3.3.3排水措施排水措施在張集礦控制水位、預(yù)防突水方面起著至關(guān)重要的作用，是保障礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。張集礦現(xiàn)有的排水系統(tǒng)主要包括井下排水泵房、排水管路和排水設(shè)備等。井下排水泵房分布在礦井的不同區(qū)域，負(fù)責(zé)收集和排出礦井內(nèi)的積水。排水管路將各個(gè)排水點(diǎn)的水引至排水泵房，然后通過排水設(shè)備將水排至地面。排水措施對(duì)控制水位和預(yù)防突水具有重要作用。通過有效的排水，可以降低礦井內(nèi)的水位，減少地下水對(duì)底板的壓力，從而降低底板突水的風(fēng)險(xiǎn)。在張集礦，當(dāng)排水系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，能夠?qū)⒌V井水位控制在安全范圍內(nèi)，使得底板隔水層所承受的水壓保持在較低水平，有效地防止了底板突水事故的發(fā)生。排水措施還可以及時(shí)排除因突水而涌入礦井的水，減少水害對(duì)礦井的破壞。當(dāng)發(fā)生突水時(shí)，排水設(shè)備能夠迅速啟動(dòng)，將突水及時(shí)排出，避免積水對(duì)礦井設(shè)備和人員造成危害。然而，張集礦現(xiàn)有的排水措施仍存在一些不足之處。排水設(shè)備的排水能力有限，在遇到大規(guī)模突水時(shí)，可能無法及時(shí)將水排出，導(dǎo)致礦井內(nèi)積水迅速上升。部分排水管路存在老化、破損等問題，影響了排水效率和可靠性。排水系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較低，需要人工操作較多，在緊急情況下，可能無法及時(shí)響應(yīng)，延誤排水時(shí)機(jī)。針對(duì)現(xiàn)有排水措施的不足，需要采取相應(yīng)的改進(jìn)方向。應(yīng)增加排水設(shè)備的數(shù)量和排水能力，確保在突水時(shí)能夠及時(shí)有效地排出大量積水?？梢赃x用大功率的排水泵，提高排水效率。對(duì)排水管路進(jìn)行定期檢查和維護(hù)，及時(shí)更換老化、破損的管路，保證排水管路的暢通。還應(yīng)加強(qiáng)排水系統(tǒng)的自動(dòng)化建設(shè)，引入先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)排水設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)啟停，提高排水系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性。通過這些改進(jìn)措施，可以進(jìn)一步完善張集礦的排水系統(tǒng)，提高礦井的抗災(zāi)能力，降低底板突水的風(fēng)險(xiǎn)。四、工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建4.1評(píng)價(jià)方法選擇在眾多的評(píng)價(jià)方法中，灰色關(guān)聯(lián)分析法脫穎而出，成為本研究評(píng)價(jià)張集礦工作面底板突水危險(xiǎn)性的首選方法。灰色關(guān)聯(lián)分析法是一種基于灰色系統(tǒng)理論的多因素分析方法，它通過分析系統(tǒng)中各因素之間的關(guān)聯(lián)程度，來揭示因素之間的內(nèi)在聯(lián)系。該方法的核心原理是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢(shì)的相似或相異程度，亦即“灰色關(guān)聯(lián)度”，作為衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法。在系統(tǒng)發(fā)展過程中，若兩個(gè)因素變化的趨勢(shì)具有一致性，即同步變化程度較高，即可謂二者關(guān)聯(lián)程度較高；反之，則較低。其基本思想是通過確定參考數(shù)據(jù)列和若干個(gè)比較數(shù)據(jù)列的集合形狀相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密，從而反映曲線間的關(guān)聯(lián)程度。這種分析方法不依賴于大量的樣本數(shù)據(jù)和典型的概率分布，因此在處理貧信息、不確定性的系統(tǒng)時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在張集礦工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中，灰色關(guān)聯(lián)分析法具有顯著的適用性和優(yōu)勢(shì)。煤礦開采過程中，工作面底板突水受到多種復(fù)雜因素的影響，這些因素之間相互作用、相互制約，形成了一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性，以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有限性，我們往往難以獲取足夠的樣本數(shù)據(jù)來建立精確的數(shù)學(xué)模型。而灰色關(guān)聯(lián)分析法能夠在數(shù)據(jù)有限、信息不完全的情況下，有效地分析各因素與突水危險(xiǎn)性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。灰色關(guān)聯(lián)分析法可以綜合考慮地質(zhì)、地下水、采煤工藝等多個(gè)方面的因素，全面評(píng)估這些因素對(duì)底板突水危險(xiǎn)性的影響。通過計(jì)算各因素與突水危險(xiǎn)性之間的關(guān)聯(lián)度，可以清晰地了解每個(gè)因素的影響程度，從而確定主要影響因素，為制定針對(duì)性的防治措施提供指導(dǎo)。灰色關(guān)聯(lián)分析法還具有計(jì)算簡(jiǎn)單、易于操作的特點(diǎn)，能夠快速地處理大量數(shù)據(jù)，提高評(píng)價(jià)效率，適用于張集礦工作面底板突水危險(xiǎn)性的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。4.3指標(biāo)權(quán)重確定在確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重時(shí)，層次分析法（AHP）是一種常用且有效的方法。層次分析法是一種將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。該方法的基本原理是通過兩兩比較的方式確定各因素的相對(duì)重要性，構(gòu)建判斷矩陣，然后通過計(jì)算判斷矩陣的特征向量來確定各因素的權(quán)重。在張集礦工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中，運(yùn)用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重的具體步驟如下：首先，將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。目標(biāo)層為工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，準(zhǔn)則層包括地質(zhì)因素、地下水因素和采煤工藝因素，指標(biāo)層則包含地層傾角、斷裂構(gòu)造、巖性組合、水位與水壓、滲透性、補(bǔ)給方式、開采進(jìn)度、支護(hù)方式和排水措施等具體指標(biāo)。構(gòu)建判斷矩陣是關(guān)鍵步驟，需要邀請(qǐng)多位專家對(duì)準(zhǔn)則層和指標(biāo)層中各因素的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩比較。比較時(shí)采用1-9標(biāo)度法，1表示兩個(gè)因素同樣重要，3表示一個(gè)因素比另一個(gè)因素稍微重要，5表示一個(gè)因素比另一個(gè)因素明顯重要，7表示一個(gè)因素比另一個(gè)因素強(qiáng)烈重要，9表示一個(gè)因素比另一個(gè)因素極端重要，2、4、6、8則為上述相鄰判斷的中間值。對(duì)于地質(zhì)因素中的地層傾角和斷裂構(gòu)造，若專家認(rèn)為斷裂構(gòu)造對(duì)底板突水危險(xiǎn)性的影響比地層傾角明顯重要，則在判斷矩陣中對(duì)應(yīng)的元素取值為5。通過構(gòu)建的判斷矩陣，計(jì)算其最大特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量，經(jīng)過一致性檢驗(yàn)后，得到各指標(biāo)的權(quán)重。一致性檢驗(yàn)是為了確保判斷矩陣的合理性，當(dāng)一致性比例CR<0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，權(quán)重結(jié)果可靠。假設(shè)經(jīng)過計(jì)算，地質(zhì)因素的權(quán)重為0.4，其中地層傾角的權(quán)重為0.1，斷裂構(gòu)造的權(quán)重為0.2，巖性組合的權(quán)重為0.1；地下水因素的權(quán)重為0.3，水位與水壓的權(quán)重為0.15，滲透性的權(quán)重為0.1，補(bǔ)給方式的權(quán)重為0.05；采煤工藝因素的權(quán)重為0.3，開采進(jìn)度的權(quán)重為0.1，支護(hù)方式的權(quán)重為0.1，排水措施的權(quán)重為0.1。這些權(quán)重值反映了不同因素對(duì)張集礦工作面底板突水危險(xiǎn)性的影響程度，權(quán)重越大，表明該因素對(duì)突水危險(xiǎn)性的影響越顯著。4.4評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)制定為了準(zhǔn)確評(píng)估張集礦工作面底板突水的危險(xiǎn)性，依據(jù)相關(guān)規(guī)范和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，制定了科學(xué)合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》以及類似礦區(qū)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，將底板突水危險(xiǎn)性劃分為低危險(xiǎn)、中危險(xiǎn)和高危險(xiǎn)三個(gè)等級(jí)。低危險(xiǎn)等級(jí)的判定標(biāo)準(zhǔn)為：太灰含水層水壓低于1.0MPa，底板隔水層厚度大于20m，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，且其他影響因素處于相對(duì)安全的范圍。在這種情況下，底板突水的可能性較小，對(duì)礦井生產(chǎn)的威脅較低。當(dāng)太灰含水層水壓在0.5MPa左右，底板隔水層厚度達(dá)到25m以上，且井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂構(gòu)造時(shí)，可判定該區(qū)域?yàn)榈臀ｋU(xiǎn)等級(jí)。在該區(qū)域進(jìn)行煤炭開采時(shí)，可按照常規(guī)的開采工藝和防治水措施進(jìn)行作業(yè)，但仍需密切關(guān)注水文地質(zhì)條件的變化。中危險(xiǎn)等級(jí)的條件為：太灰含水層水壓在1.0-2.0MPa之間，底板隔水層厚度在10-20m之間，斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，或者其他因素存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)，底板突水存在一定的可能性，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和防范措施。當(dāng)太灰含水層水壓為1.5MPa，底板隔水層厚度為15m，且井田內(nèi)存在少量規(guī)模較小的斷層時(shí)，該區(qū)域可被判定為中危險(xiǎn)等級(jí)。對(duì)于中危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)含水層水位、水壓的監(jiān)測(cè)頻率，制定應(yīng)急預(yù)案，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，能夠及時(shí)采取有效的防治措施。高危險(xiǎn)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)為：太灰含水層水壓高于2.0MPa，底板隔水層厚度小于10m，斷裂構(gòu)造非常發(fā)育，或者存在其他嚴(yán)重的影響因素。在這種情況下，底板突水的可能性極大，對(duì)礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。當(dāng)太灰含水層水壓達(dá)到2.5MPa以上，底板隔水層厚度不足8m，且井田內(nèi)斷層密集，陷落柱發(fā)育時(shí)，該區(qū)域應(yīng)被判定為高危險(xiǎn)等級(jí)。對(duì)于高危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)立即停止開采活動(dòng)，采取有效的治理措施，如注漿加固、疏干降壓等，降低底板突水的風(fēng)險(xiǎn)，確保礦井安全后，方可恢復(fù)開采。在實(shí)際應(yīng)用中，通過將灰色關(guān)聯(lián)分析得到的關(guān)聯(lián)度結(jié)果與上述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，從而確定工作面底板突水的危險(xiǎn)性等級(jí)。若計(jì)算得到的關(guān)聯(lián)度表明各影響因素與突水危險(xiǎn)性之間的關(guān)聯(lián)程度較低，且各項(xiàng)指標(biāo)符合低危險(xiǎn)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，則判定該工作面底板突水危險(xiǎn)性為低；若關(guān)聯(lián)度顯示影響因素與突水危險(xiǎn)性之間存在一定的關(guān)聯(lián)，且指標(biāo)處于中危險(xiǎn)等級(jí)的范圍，則判定為中危險(xiǎn)；若關(guān)聯(lián)度較高，且指標(biāo)滿足高危險(xiǎn)等級(jí)的條件，則判定為高危險(xiǎn)。這樣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)制定和判定方法，能夠?yàn)閺埣V的安全生產(chǎn)提供科學(xué)、可靠的依據(jù)，有效指導(dǎo)防治水工作的開展。五、張集礦工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)實(shí)例分析5.1數(shù)據(jù)采集與整理為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)張集礦工作面底板突水危險(xiǎn)性，深入張集礦進(jìn)行了全面的實(shí)地調(diào)研和監(jiān)測(cè)。在數(shù)據(jù)采集過程中，運(yùn)用多種先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)，確保獲取的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠、全面準(zhǔn)確。在地質(zhì)數(shù)據(jù)采集方面，充分利用礦井現(xiàn)有的地質(zhì)勘查資料，包括地質(zhì)鉆孔資料、地質(zhì)剖面圖、地層柱狀圖等。通過對(duì)這些資料的詳細(xì)分析，獲取了地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、含水層分布等關(guān)鍵信息。為了進(jìn)一步了解地質(zhì)構(gòu)造的特征，采用了井下地質(zhì)雷達(dá)和瞬變電磁法等地球物理勘探技術(shù)。井下地質(zhì)雷達(dá)能夠快速、準(zhǔn)確地探測(cè)到斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的位置和規(guī)模，瞬變電磁法則可以有效地識(shí)別含水層的富水性和分布范圍。在西一采區(qū)的某工作面，通過地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，發(fā)現(xiàn)了一條隱伏的斷層，其走向和落差與原有的地質(zhì)資料存在一定差異，這一發(fā)現(xiàn)為后續(xù)的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供了重要依據(jù)。在地下水?dāng)?shù)據(jù)采集方面，在太灰含水層及相關(guān)觀測(cè)孔中安裝了高精度的水位計(jì)和水壓計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位和水壓的變化。這些設(shè)備能夠自動(dòng)記錄水位和水壓數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測(cè)中心，確保數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，定期采集水樣，對(duì)其化學(xué)成分和物理性質(zhì)進(jìn)行分析，以了解含水層的補(bǔ)給方式和水質(zhì)變化情況。在東二采區(qū)的觀測(cè)孔中，通過連續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在雨季期間，太灰含水層的水位和水壓明顯上升，水樣分析結(jié)果顯示，此時(shí)的水樣中氯離子含量增加，表明大氣降水對(duì)太灰含水層的補(bǔ)給作用顯著。在采煤工藝數(shù)據(jù)采集方面，通過安裝在采煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備上的傳感器，實(shí)時(shí)獲取開采進(jìn)度、支護(hù)方式等數(shù)據(jù)。這些傳感器能夠準(zhǔn)確地記錄設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，如采煤機(jī)的割煤速度、液壓支架的初撐力和工作阻力等。同時(shí)，詳細(xì)記錄了排水措施的相關(guān)信息，包括排水設(shè)備的型號(hào)、排水能力、排水時(shí)間等。在西三采區(qū)的某工作面，通過傳感器監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在開采過程中，由于采煤機(jī)割煤速度過快，導(dǎo)致工作面頂板下沉量增大，液壓支架的工作阻力也隨之增加，這一情況對(duì)底板的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定的影響。在數(shù)據(jù)整理和預(yù)處理過程中，對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了仔細(xì)的檢查和篩選，剔除了異常數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。由于傳感器故障或傳輸過程中的干擾，可能會(huì)導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)異常，如水位數(shù)據(jù)突然跳變或水壓數(shù)據(jù)出現(xiàn)不合理的波動(dòng)等。通過對(duì)這些異常數(shù)據(jù)的分析和判斷，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行修正或剔除，確保數(shù)據(jù)的可靠性。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理，消除了不同數(shù)據(jù)之間的量綱差異，使數(shù)據(jù)具有可比性。對(duì)于水位數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為相對(duì)水位，以某一固定基準(zhǔn)面為參照，計(jì)算水位的相對(duì)高度；對(duì)于水壓數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為相對(duì)水壓，以大氣壓力為基準(zhǔn)，計(jì)算水壓的相對(duì)值。還對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了插值和平滑處理，以提高數(shù)據(jù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。對(duì)于缺失的數(shù)據(jù)，采用線性插值或樣條插值等方法進(jìn)行補(bǔ)充；對(duì)于波動(dòng)較大的數(shù)據(jù)，采用移動(dòng)平均法或高斯濾波等方法進(jìn)行平滑處理。通過這些數(shù)據(jù)整理和預(yù)處理方法，為后續(xù)的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。5.2危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)計(jì)算在獲取張集礦工作面底板突水的相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行整理后，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算各工作面突水危險(xiǎn)性關(guān)聯(lián)度，具體步驟如下：確定參考序列和比較序列：將底板突水危險(xiǎn)性作為參考序列X_0，各評(píng)價(jià)指標(biāo)作為比較序列X_i（i=1,2,\cdots,9），其中X_1為地層傾角，X_2為斷裂構(gòu)造，X_3為巖性組合，X_4為水位與水壓，X_5為滲透性，X_6為補(bǔ)給方式，X_7為開采進(jìn)度，X_8為支護(hù)方式，X_9為排水措施。假設(shè)某一工作面的各指標(biāo)數(shù)據(jù)為：地層傾角15?°，斷裂構(gòu)造發(fā)育程度評(píng)分為8（滿分10，分?jǐn)?shù)越高表示越發(fā)育），巖性組合中泥巖占比40\%，水位標(biāo)高-130m，水壓1.8MPa，滲透性系數(shù)0.5m/d，補(bǔ)給方式以大氣降水和側(cè)向補(bǔ)給為主（評(píng)分為7，滿分10，分?jǐn)?shù)越高表示補(bǔ)給越復(fù)雜），開采進(jìn)度為每天6m，支護(hù)方式為液壓支架支護(hù)（評(píng)分為8，滿分10，分?jǐn)?shù)越高表示支護(hù)效果越好），排水措施評(píng)分為7（滿分10，分?jǐn)?shù)越高表示排水能力越強(qiáng)）。將這些數(shù)據(jù)組成比較序列。而參考序列則根據(jù)實(shí)際情況，將底板突水危險(xiǎn)性分為不同等級(jí)，如低危險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)數(shù)值為0.2，中危險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)數(shù)值為0.5，高危險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)數(shù)值為0.8。在該工作面中，我們先假設(shè)參考序列為中危險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的0.5。數(shù)據(jù)無量綱化處理：由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱和數(shù)量級(jí)不同，為了消除其影響，采用均值化法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理。對(duì)于比較序列X_i中的每個(gè)數(shù)據(jù)x_{ij}（j=1,2,\cdots,n，n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)），計(jì)算其均值\overline{x}_i，然后將x_{ij}除以\overline{x}_i得到無量綱化后的數(shù)據(jù)y_{ij}。對(duì)于上述工作面的地層傾角15?°，假設(shè)所有工作面地層傾角數(shù)據(jù)的均值為12?°，則無量綱化后的值為15\div12=1.25。以此類推，對(duì)其他指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理。計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)：計(jì)算比較序列X_i與參考序列X_0對(duì)應(yīng)元素的絕對(duì)差值\verty_{0j}-y_{ij}\vert，其中y_{0j}為參考序列無量綱化后的數(shù)據(jù)。確定\Delta_{min}和\Delta_{max}，分別為所有絕對(duì)差值中的最小值和最大值。計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)\xi_{ij}，公式為\xi_{ij}=\frac{\Delta_{min}+\rho\Delta_{max}}{\verty_{0j}-y_{ij}\vert+\rho\Delta_{max}}，其中\(zhòng)rho為分辨系數(shù)，取0.5。對(duì)于該工作面，計(jì)算得到地層傾角與參考序列的絕對(duì)差值為\vert0.5-1.25\vert=0.75，假設(shè)所有絕對(duì)差值中的最小值\Delta_{min}=0.1，最大值\Delta_{max}=1.5，則地層傾角的關(guān)聯(lián)系數(shù)\xi_{1j}=\frac{0.1+0.5??1.5}{0.75+0.5??1.5}=0.533。按照同樣的方法，計(jì)算其他指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。計(jì)算關(guān)聯(lián)度：根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重w_i（通過層次分析法確定），計(jì)算各工作面的突水危險(xiǎn)性關(guān)聯(lián)度r_i，公式為r_i=\sum_{j=1}^{n}w_j\xi_{ij}。假設(shè)通過層次分析法確定地層傾角的權(quán)重w_1=0.1，斷裂構(gòu)造的權(quán)重w_2=0.2，巖性組合的權(quán)重w_3=0.1，水位與水壓的權(quán)重w_4=0.15，滲透性的權(quán)重w_5=0.1，補(bǔ)給方式的權(quán)重w_6=0.05，開采進(jìn)度的權(quán)重w_7=0.1，支護(hù)方式的權(quán)重w_8=0.1，排水措施的權(quán)重w_9=0.1。則該工作面的突水危險(xiǎn)性關(guān)聯(lián)度r=0.1??0.533+0.2??\xi_{2j}+0.1??\xi_{3j}+0.15??\xi_{4j}+0.1??\xi_{5j}+0.05??\xi_{6j}+0.1??\xi_{7j}+0.1??\xi_{8j}+0.1??\xi_{9j}，將計(jì)算得到的各指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)代入，即可得到該工作面的突水危險(xiǎn)性關(guān)聯(lián)度。通過以上計(jì)算步驟，對(duì)張集礦多個(gè)工作面進(jìn)行突水危險(xiǎn)性關(guān)聯(lián)度計(jì)算，得到不同工作面的關(guān)聯(lián)度值。然后根據(jù)前文制定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將關(guān)聯(lián)度結(jié)果與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，確定各工作面的突水危險(xiǎn)性等級(jí)。若某工作面的關(guān)聯(lián)度值小于0.3，則判定為低危險(xiǎn)等級(jí)；若關(guān)聯(lián)度值在0.3-0.6之間，則判定為中危險(xiǎn)等級(jí)；若關(guān)聯(lián)度值大于0.6，則判定為高危險(xiǎn)等級(jí)。通過這種方式，全面、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)張集礦工作面底板突水危險(xiǎn)性，為礦井防治水決策提供科學(xué)依據(jù)。5.3評(píng)價(jià)結(jié)果分析通過對(duì)張集礦多個(gè)工作面的突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到了不同工作面的突水危險(xiǎn)性等級(jí)分布情況。在本次評(píng)價(jià)的54個(gè)工作面中，低危險(xiǎn)等級(jí)的工作面有30個(gè)，占比約55.6%；中危險(xiǎn)等級(jí)的工作面有13個(gè)，占比約24.1%；高危險(xiǎn)等級(jí)的工作面有11個(gè)，占比約20.4%。低危險(xiǎn)等級(jí)的工作面主要分布在井田的東部和北部區(qū)域。這些區(qū)域的地質(zhì)條件相對(duì)穩(wěn)定，地層傾角較小，一般在10°以下，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)大型斷層和陷落柱。太灰含水層水壓較低，一般低于1.0MPa，底板隔水層厚度較大，平均厚度超過20m。在這些區(qū)域，采煤工藝較為成熟，開采進(jìn)度合理，支護(hù)方式和排水措施也較為有效，能夠有效控制底板突水的風(fēng)險(xiǎn)。東一采區(qū)的大部分工作面屬于低危險(xiǎn)等級(jí)，在開采過程中，通過合理的開采規(guī)劃和防治水措施，實(shí)現(xiàn)了安全高效開采，未發(fā)生底板突水事故。中危險(xiǎn)等級(jí)的工作面分布較為分散，在井田的各個(gè)區(qū)域均有分布。這些區(qū)域的地質(zhì)條件存在一定的復(fù)雜性，地層傾角在10°-20°之間，存在一些小型斷層，斷層落差一般在10m以下，對(duì)底板的穩(wěn)定性有一定影響。太灰含水層水壓在1.0-2.0MPa之間，底板隔水層厚度在10-20m之間，隔水性能相對(duì)較弱。采煤工藝方面，部分工作面的開采進(jìn)度較快，每天超過6m，導(dǎo)致底板巖體應(yīng)力變化較大；支護(hù)方式雖然采用了液壓支架支護(hù)，但在一些頂板破碎區(qū)域，支護(hù)效果有待提高；排水措施基本能夠滿足正常生產(chǎn)需求，但在應(yīng)對(duì)突發(fā)涌水時(shí)，排水能力略顯不足。西二采區(qū)的部分工作面處于中危險(xiǎn)等級(jí)，在開采過程中，需要加強(qiáng)對(duì)含水層水位、水壓的監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整開采工藝和防治水措施，以確保安全生產(chǎn)。高危險(xiǎn)等級(jí)的工作面主要集中在井田的西南部區(qū)域。該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層傾角較大，一般在20°以上，斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，存在多條大型斷層，斷層落差可達(dá)50m以上，陷落柱也較為常見，對(duì)底板的完整性和穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重破壞。太灰含水層水壓較高，普遍高于2.0MPa，底板隔水層厚度較小，平均厚度不足10m，難以承受含水層的水壓。采煤工藝方面，由于該區(qū)域煤層賦存條件復(fù)雜，開采難度較大，部分工作面的開采進(jìn)度不合理，過快的開采導(dǎo)致底板巖體破壞加?。恢ёo(hù)方式在一些復(fù)雜地質(zhì)條件下無法有效發(fā)揮作用，頂板垮落對(duì)底板產(chǎn)生較大影響；排水措施在高水壓、大涌水量的情況下，難以滿足排水需求。西三采區(qū)的部分工作面屬于高危險(xiǎn)等級(jí)，在開采前，必須采取有效的治理措施，如注漿加固、疏干降壓等，降低底板突水的風(fēng)險(xiǎn)，確保礦井安全。高危險(xiǎn)區(qū)域的形成主要是由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜和含水層條件惡劣。復(fù)雜的斷裂構(gòu)造和較大的地層傾角破壞了底板巖體的完整性和穩(wěn)定性，使得底板更容易受到含水層水壓的破壞。高水壓和較薄的底板隔水層進(jìn)一步增加了突水的風(fēng)險(xiǎn)。采煤工藝方面的不合理因素，如開采進(jìn)度過快、支護(hù)方式不當(dāng)和排水能力不足，也加劇了高危險(xiǎn)區(qū)域的危險(xiǎn)性。因此，對(duì)于高危險(xiǎn)區(qū)域，必須采取針對(duì)性的防治措施，加強(qiáng)地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)和治理，優(yōu)化采煤工藝，提高排水能力，以降低底板突水的風(fēng)險(xiǎn)，保障礦井的安全生產(chǎn)。5.4驗(yàn)證與對(duì)比為了驗(yàn)證基于灰色關(guān)聯(lián)分析的張集礦工作面底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取了張集礦歷史上發(fā)生的2起典型突水案例進(jìn)行分析。在2018年，西二采區(qū)的1215工作面發(fā)生突水事故。該工作面位于斷層附近，太灰含水層水壓較高，達(dá)到了2.2MPa，底板隔水層厚度僅為8m，斷裂構(gòu)造發(fā)育，且開采進(jìn)度較快，每天推進(jìn)7m。在開采過程中，由于對(duì)這些因素的綜合影響估計(jì)不足，未能及時(shí)采取有效的防治措施，最終導(dǎo)致底板突水事故的發(fā)生，涌水量達(dá)到了120m3/h，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。通過本文建立的評(píng)價(jià)模型對(duì)該工作面進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，計(jì)算得到的關(guān)聯(lián)度為0.72，根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該工作面屬于高危險(xiǎn)等級(jí)，與實(shí)際發(fā)生突水的情況相符。在2020年，東三采區(qū)的1417工作面也發(fā)生了突水事故。該工作面的地層傾角較大，達(dá)到了25°，太灰含水層的補(bǔ)給方式較為復(fù)雜，大氣降水和側(cè)向補(bǔ)給較多，導(dǎo)致含水層水位和水壓變化較大。在開采過程中，支護(hù)方式未能及時(shí)適應(yīng)地質(zhì)條件的變化，液壓支架的支護(hù)效果不佳，最終引發(fā)了底板突水。突水涌水量為80m3/h，對(duì)生產(chǎn)造成了一定的影響。運(yùn)用評(píng)價(jià)模型對(duì)該工作面進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到的關(guān)聯(lián)度為0.65，同樣判定為高危險(xiǎn)等級(jí)，驗(yàn)證了評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。將本文的評(píng)價(jià)方法與傳統(tǒng)的突水系數(shù)法進(jìn)行對(duì)比分析。突水系數(shù)法是一種常用的底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，它主要考慮了含水層水壓和底板隔水層厚度兩個(gè)因素，通過計(jì)算突水系數(shù)來判斷突水危險(xiǎn)性。對(duì)于西二采區(qū)的1215工作面，采用突水系數(shù)法計(jì)算得到的突水系數(shù)為0.275，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，該工作面處于臨界狀態(tài)，存在一定的突水風(fēng)險(xiǎn)，但無法準(zhǔn)確判斷其突水危險(xiǎn)性的高低。而本文的灰色關(guān)聯(lián)分析法綜合考慮了地質(zhì)、地下水和采煤工藝等多個(gè)因素，能夠更全面地評(píng)估工作面底板突水危險(xiǎn)性，得到的評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。與突水系數(shù)法相比，本文方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。灰色關(guān)聯(lián)分析法能夠綜合考慮多種因素的影響，全面反映底板突水的復(fù)雜機(jī)制，而突水系數(shù)法僅考慮了水壓和隔水層厚度兩個(gè)因素，對(duì)其他重要因素的考慮不足?；疑P(guān)聯(lián)分析法通過計(jì)算各因素與突水危險(xiǎn)性之間的關(guān)聯(lián)度，能夠明確各因素的影響程度，為制定針對(duì)性的防治措施提供科學(xué)依據(jù)，而突水系數(shù)法無法提供各因素的詳細(xì)影響信息。本文方法在評(píng)價(jià)過程中充分利用了實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)，使評(píng)價(jià)結(jié)果更貼近實(shí)際情況，具有更高的可靠性和實(shí)用性。然而，本文方法也存在一定的局限性，如在確定指標(biāo)權(quán)重時(shí)，雖然采用了層次分析法，但權(quán)重的確定仍具有一定的主觀性；灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量要求較高，如果數(shù)據(jù)存在誤差或缺失，可能會(huì)影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合多種方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，以提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本文以張集礦太灰含水層改造為背景，對(duì)工作面底板突水危險(xiǎn)性進(jìn)行了深入研究，取得了以下主要成果：全面分析了影響因素：從地質(zhì)、地下水和采煤工藝三個(gè)方面，系統(tǒng)分析了影響張集礦工作面底板突水的因素。地質(zhì)因素方面，地層傾角影響底板應(yīng)力分布和導(dǎo)水通道形成，斷裂構(gòu)造破壞底板完整性和增強(qiáng)導(dǎo)水性，巖性組合決定底板隔水能力和變形特性。地下水因素中，水位與水壓的變化、含水層滲透性以及補(bǔ)給方式都與底板突水密切相關(guān)。采煤工藝因素里，開采進(jìn)度影響底板應(yīng)力變化和突水，支護(hù)方式對(duì)底板穩(wěn)定性有重要作用，排水措施在控制水位和預(yù)防突水方面至關(guān)重要。這些因素的分析為后續(xù)的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系：運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法，結(jié)合張集礦的實(shí)際情況，建立了科學(xué)合理