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岩体突水风险决策模型研究

时间:2023-10-06 理论教育 版权反馈
【摘要】:考虑到近松散含水层煤层开采影响的差异性与时空变异性,因此决策准则定为:松散层含水层、地质构造、隔水层、采动覆岩、开采活动。结合定性与定量的方法,可得采动裂隙覆岩突水溃砂危险性决策准则体系,如图6-7所示。

岩体突水风险决策模型研究

隋旺华等通过数值模拟以及“三下”采煤等,基于工程地质模型,对厚松散含水层下采煤进行了研究,并提高了煤矿的安全生产效率煤炭回收率,具有重要的实际应用价值[13]。对于临近风化带的采煤,采动破坏高度的计算,董青红等采用GIS技术对其进行了拟合,并提出了基于GIS的决策模式,同时考虑了保护层[252]。由于采动裂隙覆岩突水溃砂系统的复杂性,影响采动覆岩突水溃砂的因素多且复杂,这些因素即为采动裂隙覆岩突水溃砂的决策准则。这些准则之间相互影响、相互关联,因此在对采动裂隙覆岩突水溃砂进行多准则空间决策时,需要首先建立采动裂隙覆岩突水溃砂的决策准则体系。

裂隙覆岩由于采动的作用,而产生移动、变形甚至破断,由此进一步产生了裂隙的扩展、延伸、贯通与闭合等。当开采煤层上部的覆岩厚度较小时,如果煤层被开采的厚度较大,覆岩受到采动破坏的影响形成裂隙带和垮落带,裂隙带中的裂隙基本上都是导通的,当其与松散含水层导通时,就形成了矿井突水溃砂的通道,因此覆岩厚度与采动破坏高度控制着采动裂隙覆岩突水溃砂的发生,是其重要的控制准则。

隔水层是可以用来隔断含水层与开采煤层之间的水力联系,如果该层的厚度较大,因采动导致的裂隙可以被抵消,此层能够阻止裂隙带的发育,在此层上部的岩层能够基本保持完整,从而导水裂隙带不会与松散含水层导通,如果隔水层厚度较小,无法抵消或阻止采动裂隙的发育,此时其内也会形成裂隙,且规模较大,导致含水层与导水裂隙带很快被贯通,矿井突水溃砂事故易发生。由于含水层的特征不同,甚至会发生淹井事故。因此,隔水层准则对降低矿井突水溃砂灾害具有重要作用。

近年来,矿井水害事故仍然是矿山开采中最严重的问题之一,依旧会造成重大的经济损失和人员伤亡。大约80%的突水与矿井断层有关。根据前文所述,断层构造等可能成为突水溃砂的通道,大量工程实例表明,在原地质条件下,断层直接冲破含水层,其中导水断层引起的突水事故所占比例较小。在初始地质条件下不存在水,但断层突水主要是由于煤层开采导致的断层破坏和变形,进而具有了导水作用,即断层活化。断层复杂程度是影响矿井安全生产的主要因素,常常诱发矿井突水。因此,研究断层与突水的关系具有重要意义。由此可见,如何准确地预测和评价断层安全对采矿的影响,已成为矿山灾害防治工作中最重要的研究内容之一。由于在断层破碎带的附近,其渗透性和含水性比较强,岩石的强度较低,当受到采动破坏的影响,其应力场发生变化时,附近围岩易被破坏,从而导致隔水层厚度减少,水砂容易通过破碎带进入开采煤层,随着工作面开采,形成了突水通道。基岩起伏程度较大时,更容易受到采动破坏的影响,导致隔水层的完整性和连续性降低,其隔水能力降低,裂隙发育更快,根据前文计算,覆岩裂隙场熵会增大,因而易发生突水溃砂事故。

松散含水层是采动覆岩突水溃砂发生的根本原因,松散含水层是主要的突水水源,所以疏放松散层含水层中的地下水也是防治采动覆岩溃砂突水发生的一种有效措施,但当松散含水层富水性较强且含水层规模较大时,含水层的疏放很难达到需求。因此要考虑松散含水层的厚度、渗透性、富水性以及水压力等特征,在进行决策时含水层的稳定性越好,开采覆岩溃砂突水发生的概率越小。

开采活动是导致开采覆岩溃砂突水的根本原因,煤层未开采时,覆岩等均处于稳定状态,采动裂隙覆岩系统处于稳定状态,由于采动的影响,覆岩裂隙场熵总体增加,不同位置应力场熵不同,采动覆岩系统总体的熵一直在增加,说明系统越来越混乱,因此开采煤层厚度与煤层的埋深是影响采动覆岩溃砂突水决策的重要因素。考虑到近松散含水层煤层开采影响的差异性与时空变异性,因此决策准则定为:松散层含水层、地质构造、隔水层、采动覆岩、开采活动。结合定性与定量的方法,可得采动裂隙覆岩突水溃砂危险性决策准则体系,如图6-7所示。本书基于熵,在GIS环境中,建立采动覆岩突水溃砂空间多准则决策模型,其基本流程如图6-8所示。(www.xing528.com)

图6-7 采动裂隙覆岩突水溃砂危险性决策准则体系

图6-8 基于熵的采动覆岩突水溃砂危险性空间多准则决策模型

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