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随着浅部煤层的逐渐枯竭,深部煤层开采正逐渐面临岩溶突水的威胁,然而对深部煤层岩溶突水的评价还没有通用有效的方法。此次研究矿区位于山西省河东煤田中段,地势由东南向西北渐次降低,单斜构造,地面褶曲、断层均不发育。研究煤层为10#煤层,受到下伏奥陶系峰峰组含水层的突水威胁。为保障山西柳林县某煤矿带压条件下的底板安全开采,论文从奥灰水流动特征、含水层富水性、矿区构造发育、底板隔水层岩性、底板力学强度等方面对本矿区底板突水影响因素进行分析,同时以“下三带”理论为基础,采用突水系数法和ANSYS模拟对底板的抗压强度进行了重点研究。采用模糊评价法对底板突水影响因素进行叠加、分析,对带压条件下的底板安全性进行综合评价。论文得到以下几条主要结论:
1、所研究的10#煤层位于太原组下段上部,隔水层为10#煤层以下至奥灰顶界面之间,以石炭系本溪组为主。底板突水威胁来自于奥陶系峰峰组含水层,其有可能与奥陶系上马家沟组含水层和石炭系太原组含水层发生水力联系。分析结果表明,峰峰组含水层与外部含水层之间的水力联系不紧密,部分地区出现滞留现象,补、径、排条件较差。根据钻孔液的消耗和抽水试验,峰峰组含水层岩溶不发育,富水性差,仅在构造破碎带周围出现富水区。
2、底板隔水层平均厚度59.71m,总体分布均匀,中部地区较薄,南北两侧较厚,在57.24m-65.16m之间变化,隔水层岩性为软弱岩性互层,以砂岩、泥岩为主,岩性组合条件好。底板等效泥岩隔水层平均厚度为44.36m,自东南向西北逐渐降低,在35m-54m之间变化,总体差异较大。隔水底板的抗压能力自北向南逐渐降低,并根据压水系数,初步将底板隔水层分为抗压强区、抗压中等区和抗压差区。
3、根据“下三带”理论,论文将10#煤层隔水底板分为导水破坏带和保护带,不存在承压水导升带。煤层采深为500m和600m时,底板导水破坏带深度分别为18.83m和19.42m。利用突水系数法计算表明,底板的抗压能力在南部地区最差,在中部地区处于临界状态,在北部的小部分地区较强。
4、ANSYS软件模拟表明,煤层开采,底板会出现底鼓现象。工作面推进300m时,底板应力变化明显,工作面推进到800m时,底板位移变化明显,应力由压应力逐渐转变成拉应力。
5、矿区为单斜构造,褶皱、断层均不十分发育,10#煤层底板突水主要影响因素为奥陶系峰峰组含水层富水性、断裂破碎带、底板隔水层厚度和底板的抗压能力。根据含水层富水性将矿区分为强富水区和弱富水区,根据底板完整性将矿区分为复杂区和简单区,根据隔水层厚度将矿区分为安全区、中等区和危险区,根据底板抗压能力将矿区分为安全区、中等区和危险区。
6、利用模糊评价法,对底板突水的各影响因素叠加分析表明:中部和南部地区突水系数比较大,构造较发育、富水性好、东南部地区隔水层厚度较低,所以中部和南部地区的底板安全性最差。西部到东部、东北部地区突水系数处于临界状态,隔水层厚度自西向东增大,为安全性中等地区,最北部的小范围区域,突水系数最小,为安全性大的区域。