闭坑煤矿采空区老窑水灾害灾变防控研究

闭坑煤矿采空区老窑水灾害灾变防控研究

徐林龙

（重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074）

摘　要：针对煤矿水灾害问题, 进行采空区应力分析, 并以此为基础研究围岩的水平与竖向位移。通过有限元分析和ANSYS软件建立模型，以研究闭坑煤矿采空区的应力情况。确定变形最大的区域后，结合此位置的地质等情况，辨识煤矿水灾害的风险源，给出相应的解决措施。旨在结合分析应力情况，辨识出风险源后，对后续煤矿水灾害的预防、应急救援、灾后处理提供依据。分析表明, 此研究对于提升煤矿水灾害救治的应急能力具有显著效果, 并可有效地降低水灾害的人员和财产损失。

关键词：煤矿;水灾害；数值分析；风险源

1引言

1.1选题背景

由于我国对于煤矿的巨大刚需，导致煤矿的开采规模迅速扩大，开采的深度的增加，加剧了对于地下水的扰动，越来越多的井下突水事故，应当受到我们的重视。况且在煤矿采空区内，发生塌陷，造成地面沉降，在地表形成塌陷坑，形成积水的可能性更大。特别的，当煤层底板隔水层太薄或断层破碎带消弱了底板隔水层强度，而无法承受底板水头压力时，导致突水次数增多，突水强度增大，其后果往往时灾难性的。

老窖水及采空区积水引起的水灾害：老窖水经常出现在开采时间比较久且埋藏位置较浅的煤层里面，由于煤层开采的不确定性，积水量和积水范围都无法 准确估计，并且在煤层的积水都会含有有害物质，一旦出现透水情况，轻则导致工作停产，重则会引起人身伤亡事故。山区还需要考虑山洪与泥沙灾害，由于山洪水量集中流速打冲刷破坏力强，暴涨暴落，水流中挟带泥沙甚至石块等特征，常造成人员伤亡，淹没城镇与基础设施，改变河流形态及破坏自然环境。进入21世纪以来，全球平均每年有近千人死于山洪灾害，造成的经济损失高达每年463亿美元，而中国每年的山洪灾害造成的人员伤亡占洪涝灾害死亡人数的70%以上，是中国防洪减灾工作的难点和薄弱环节。

1.2选题意义

为了防范闭坑煤矿采空区老窑水灾害的发生，降低施工及运营期的危险，避免因地下水扰动带来的塌陷问题。更详细的了解山洪灾害的特征，危害及成因分析，山洪灾害调查评价，监测预警，群策群防体系等非工程措施及山洪沟治理等工程措施。

1.3国内外研究综述

多年来我国学者对开采后底板被扰动程度及范围方面的研究做了大量工作，中科院宋振琪院士曾经创立了“下三带”理论，在指导水灾防治方面起到了重要的理论指导作用。然而，自该理论创建以来，一直没有得到深入地发展，仅仅停留在对现象的解释上：以施龙青教授为代表的学者结合矿山压力控制理论和现代力学理论提出了采场底板“四带”划分理论，即将采场底板按扰动程度划分为：矿压破坏带、新增损伤带、原始损伤带和原始导高带，丰富和发展了矿井水害防治理论。在矿井水害研究方面取得了一批具有创新性的研究成果。

2煤矿采空区应力情况及三维模型分析

2.1围岩的力学特征

在一些私人小煤窑开采时，经常会遇到一些圆形采空区。煤层开挖前在岩体的原始应力下处于弹性变形状态。开掘后，应力发生重分布。若重分布后围岩应力小于岩体屈服强度，那么围岩只发生弹性变形而趋于稳定;如果围岩应力超过岩体屈服强度，采空区周边围岩就会产生塑性变形，并向岩体内部扩展到某一范围,形成松动圈或塑性区,塔罗勃、卡斯特奈等给出了弹塑性围岩中的应力分布图形。

2.2采空区垮落后支撑压力分布

煤层开采后，随工作面的推进周围的岩体由于扰动出现应力重分布，出现差异区。采空区段为应力降低区域，而工作面前方的煤柱将出现局部应力集中现象，出现比原岩应力相对大得多的增高应力，称为支撑压力。工作面的后方由于回采，垮落岩体逐渐被压实，此时垮落带同底板的岩层将恢复到原岩应力γ。

2.3采空区围岩应力场分析

为了分析顶部采空区对隧道周边各部围岩变形影响情况，现在最不利工况组合下，即采空区尺寸 1.0D×3m2、距离 0.1D ，利用3D建模软件，模拟出其在水平和竖向方向的位移情况.

为了分析隧道围岩变形随采空区距离的变化规律，取上述变形影响最大点即边墙竖向变形为研究对象，绘出不同尺寸条件下变形曲线。

隧道边墙竖向位移变化规律曲线

由位移变化图，可以得出：

①隧道开挖后，边墙竖向变形表现为沉降；

②顶部分布煤系采空区，尺寸大小一定条件下，随着采空区距离的逐渐增大，沉降逐渐减小，即距离越大，采空区对隧道围岩稳定性的影响越小，同等尺寸大小条件下，距离2D沉降值约为距离0.1D 的 43%~63%；

③顶部分布煤系采空区，尺寸大小一定条件下，当距离大于1.0D 时，随着距离的增大，沉降逐渐减小，但减小速率（0.5%~2%）明显小于距离小于 1.0D 时的减小速率（4%~10%），即 1.0D 为变形—距离变化关系曲线斜率变化转折点，说明当距离增大至 1.0D 时，能有效减小隧道变形值。

3煤矿水灾害危险源的辨识方法与防控方法

3.1煤矿水灾害危险源的辨识方法

煤矿采空区中的水灾害事故给矿山开采带来严重威胁，为了应对煤矿中的水灾害危险源，需要对水灾害危险源进行了解和辨识，根据危险源的类型制定相应的防控方案。

煤矿水灾害危险源辨识中的调查方法有很多，在实际煤矿危险源调查中，单一的方法不可能全面概括总结是否会存在危险源，所以综合运用各种方法，利用每个方法的特点，对存在危险源的辨识上增加准确辨识的几率。

3.2煤矿水灾害危险源的防控措施

a) 加强预防。工作人员在开采前对本地区的地质情况进行详细勘察，详细了解地质结构和水文情况。下井的工作人员必须掌握判断危险源发生前的方法，危险源一旦被触发，工作人员可以有效判断并尽快撤离；

b) 加强水位监测。工作人员在进行地下开采时，相关技术人员对矿井下的水位进行实时观测，一旦发生变动，可以有效通知地下工作人员撤出；

c) 煤矿企业加大对安全设施的投入。煤矿企业引进先进的技术设备，对水灾危险源进行实时监测分析，对安全设施加大投入，矿井中的环境是无法预测的，提供高质量的安全防护设备可以对工作人员进行保护，可以提高矿井下的安全系数；

总结

我国的安全产业起步较晚，本研究旨在研究山区煤矿采空区水灾害防控问题，探究了煤矿采空区的一些风险源，以及危险源的辨识方法，提出有关防范煤矿采空区的水灾害问题，使得施工运营方面有据可依，尽可能实现水灾害危险的降低。

参考文献

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