矿山地质灾害

矿山地质灾害概述•矿山是人类工程活动对地质环境影响最为强烈的场所之一。矿山地质灾害•因大规模采矿活动而使矿区自然地质环境发生变化，产生影响人类正常生活和生产的灾害性地质作用或现象。采矿对矿区环境的影响主要表现在矿坑疏干排水造成地面塌陷，泉水枯竭，河水断流和区域地下水位下降；深井排水或注水诱发地震；地面开挖，地下采掘引起崩塌，滑坡，地面开裂与沉陷；矿山地质灾害种类环境因素作用形式主要地质灾害种类地表环境地下采空地面及边坡开挖爆破及震动地下水位降低废水排放废渣，尾矿排放尾矿库溃坝煤层自燃采空区地面塌陷山体开裂崩塌，滑坡，泥石流水土流失与土地荒漠化岩溶塌陷采矿诱发地震水环境地下水位降低废水排放废渣，尾矿排放水质污染水动力条件改变井，泉枯竭海水入侵采场环境地下采空地面及边坡开挖爆破及震动地下水位降低地下热害坑道变形露采边坡失稳粉尘煤与瓦斯突出突水，崩泥岩爆矿山与地下工程地质灾害•冒顶垮帮•岩爆•煤与瓦斯突出•矿井突水冒顶垮帮•特征及其影响因素：地下洞室开挖后，由于御荷回弹，应力和水分的重新分布常使围岩的性状发生变化。如果围岩岩体曾受不了回弹应力或重新分布应力的作用，就会发生变形或破坏。•征兆：顶板掉渣由小而大，又稀变密，裂隙数量增多、宽度加大，煤帮煤质在高压下变软，支架压坏、折断瓦斯涌出量突然增多，淋水量增大等。脆性围岩掩体结构变形破坏形式产生机制块体状结构及厚层状结构张裂塌落拉应力集中造成的张裂劈裂剥落压应力集中造成的拉裂剪切滑移及剪切碎裂压应力集中造成的剪切破坏及滑移拉裂岩爆压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破坏塑性围岩岩体结构变形破坏形式产生机制中薄层状弯折内鼓御荷回弹应力集中造成的弯曲拉裂碎裂碎裂松动压应力集中造成的剪切松动层状塑性挤出压应力集中作用下的塑性流动膨胀内鼓水分重新分布造成的剪切松动散体塑性挤出压应力作用下的塑流塑流涌出松散饱和水岩体的悬浮流塑中立坍塌重力下作用的坍塌采空区处理方法1.填充法：及时用碎石、尾矿砂、水沙、混凝土等物质填充采空区，从而起支撑顶板，减小其承受上覆岩土体压力的作用。2.崩落法：利用深孔爆破的方法将采空区围岩崩落，填充采空区。3.支撑法：以矿柱或支架等支撑采空区，防止其发生危险变形。4.封闭法：封闭不影响主矿体开采、主矿道的小采空区。岩爆•岩爆又称冲击地压，是指承受强大地压的脆性煤、矿体或岩体，在其极限平衡状态下受到破坏时向自由空间突然释放能量的动力现象，是一种采矿或隧道开挖活动诱发的地震。在煤矿、金属矿和各种人工隧道中均有发生。岩爆的类型和特点•围岩表部岩石破裂引起的岩爆：在深埋隧道或其它类型地下洞室中发生的中小型岩爆多属于这种。岩爆发生时常发出如机枪射击的噼噼啪啪响声，故被称为岩石射击。一般发生在新开挖的工作面附近，掘进爆破后2~3h，围岩表部岩石发生爆破声，同时有中间厚、边部薄的不规则片状岩块自洞壁围岩中弹出或剥落。这类岩爆多发生于表面平整、有硬质结核或软弱面的地方，且多平行于岩壁发生，事先无明显的预兆。岩爆的类型和特点•矿柱围岩破坏引起的岩爆：在埋深较大的矿坑中，由于围岩应力大，常常使矿柱或围岩发生破坏而引起岩爆。这类岩爆发生时通常伴有剧烈的气浪和巨声，甚至还伴有周围岩体的强烈振动，破坏力极大，对地下采掘工作常造成严重的危害，被称为矿山打击或冲击地压。在煤矿中，这类岩爆多发生于距坑道壁有一定距离的区域内。岩爆的类型和特点•断层错动引起的岩爆：当开挖的洞室或坑道与潜在的活动断层以较小的角度相交时，由于开挖使作用于断层面上的正应力较小，降低了断面的摩擦阻力，常引起断层突然活动而形成岩爆，这类岩爆一般发生在活动构造区的深矿井中，破坏性大，影响范围广。岩爆的产生条件与发生机制•岩爆条件①内在条件：存在高储能体及其应力接近于岩体极限强度。②外在条件：某些因素•围岩内高储能体的形成条件：①岩体能够储聚较大的弹性应变能。②在岩体内部应力高度集中。岩爆的预测及防治•岩爆的监测预报：•在实验室内测量煤岩或岩块的力学参数，依据弹性变形能量指数判断岩爆的发生几率和危险程度。•现场观测，通过观测声响、震动，在掘进面上钻进时观察测量钻屑数量等进行预测预报。•预测预报方法：•钻屑法或岩心饼化法、地球物理法、位移测试法、水分法、温度变化法、统计法、地震波预测法、声发射（A-E）法。岩爆的预测及防治•设计阶段的防治对策：洞轴线的选择、洞室断面形状选择•施工阶段策：超前应力解除法、喷水或钻孔注水促进围岩软化、选择合适的开挖方式、减少岩体暴露的时间和面积、岩爆发生的处理措施•合理选择围岩的支护加固措施：喷混凝土或钢纤维喷混凝土加固、钢筋网喷混凝土加固、周边锚杆加固、格栅钢架加固、必要时可采取超前支护。煤与瓦斯突出•在煤矿地下开采过程中，从煤（岩石）壁向采掘工作面瞬间突然喷出大量煤（岩）粉和瓦斯（CH₄,CO₂）的现象，称为煤与瓦斯突出。大量承压状态下的瓦斯从煤或围岩裂缝中高速喷出的现象称为瓦斯突出。煤与瓦斯突出特征及影响因素•煤与瓦斯突出是地应力和瓦斯气体体积膨胀力联合作用的结果，通常以地应力为主，瓦斯气体为辅。煤与瓦斯突出的基本特征是固体煤块（煤）在瓦斯气流作用下发生远距离快速运移，煤、碎块和粉尘呈现分选性堆积，颗粒越小被抛得越远。•特点：瓦斯扩散速度大、湿度小，煤的力学强度低且变化大、透气性差。影响因素•矿区的地质构造条件•地应力分布条件•煤质软硬程度•煤层产状以及厚度和埋深•一般来说，煤层埋深大，突出的次数多，强度也大。煤与瓦斯突出的预防措施a)首先开采没有突出危险或突出危险性较小的煤层。b)在有突出危险的煤层内均匀布置钻孔并预先抽放一定时间的瓦斯以降低瓦斯压力与瓦斯含量，并使地应力下降、煤层强度增加。c)在工作面前方一定距离的煤体内，超前钻探一定数量的大口径钻孔，使煤层内的瓦斯得以提前释放。d)利用封堵、引排、抽放等综合方法处理洞穴内积存的瓦斯。为防止煤与瓦斯突出造成严重危害，必须加强煤层顶板管理和地应力监测，加强职工安全教育。瓦斯爆炸与煤层自燃•瓦斯爆炸：1瓦斯的生成与聚集2瓦斯爆炸的危害方式3瓦斯爆炸灾害的预防措施•煤层自燃：1影响煤层自燃的因素2煤层自燃的危害3预防煤层自燃的技术措施瓦斯爆炸•瓦斯突出后，若遇有燃火点则极易发生瓦斯爆炸。•瓦斯主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。•瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。在高温、高压的环境中，在成煤的同时，由于物理和化学作用，继续生成瓦斯。瓦斯爆炸的条件•瓦斯爆炸有一定的浓度范围，我们把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限为5％～16％•瓦斯的引火温度，即点燃瓦斯的最低温度。一般认为，瓦斯的引火温度为650℃～750℃。•实践证明，空气中的氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小，当氧气浓度减少到12％以下时，瓦斯混合气体即失去爆炸性瓦斯爆炸的危害•瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，造成人员伤亡，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒死亡。防止瓦斯爆炸1.防止瓦斯积聚的措施①加强通风。使瓦斯浓度降低到《煤矿安全规程》规定的浓度以下，即采掘工作面的进风风流中不超过0.5％，回风风流不超过1％，矿井总回风流中不超过0.75％。②加强检查工作。及时检查各用风地点的通风状况和瓦斯浓度，查明隐患进行处理，是日常进行瓦斯管理的重要内容。我国20世纪80年代所用的甲烷检查仪器有：光学甲烷检定器、热放式甲烷检定器、甲烷警报器和甲烷遥测警报仪等。90年代以后使用比较先进的TX系列智能便携式气体监测仪和遥测仪器等。③对瓦斯含量大的煤层，进行瓦斯抽放，降低煤层及采空区的瓦斯涌出量。防止瓦斯爆炸2.防止瓦斯引燃的措施①井口房、瓦斯抽放站及主要通风机房周围20m内禁止使用明火。②瓦斯矿井要使用安全照明灯，井下禁止打开矿灯，禁止携带烟草及点火工具下井。③严格管理井下火区。④严格执行放炮制度。⑤严格掘进工作面的局部通风机管理工作，局部通风机要设有风电闭锁装置。⑥瓦斯矿井的电气设备要符合《煤矿安全规程》关于防爆性能的规定。⑦随采矿机械化程度的提高，防止机械摩擦火花引燃瓦斯显得日益重要。煤矿井下由于摩擦火花而引起的瓦斯爆炸事故占有相当的比例，因此不少国家对这个问题进行了研究，并提出，在摩擦部件的金属表面溶敷一层活性小的金属（如铬），使形成的摩擦火花不能引燃瓦斯；在铝合金的表面涂各种涂料，以防止摩擦火花的发生和金属中加入少量的铍，降低摩擦火花的点燃性等。煤层自燃•暴露在空气中的煤，由于氧化放热导致温度逐渐升高，至70～80℃以后温度升高速度骤然加快，当达到煤的着火点(300～350℃)时，引起燃烧，这种现象称为煤层自燃•煤(尤其是煤化程度低的煤)在储存时与空气接触发生氧化，并放出热量，煤层温度升高，氧化作用愈加剧烈，最终发展成燃烧的现象。煤的自燃影响因素煤质1.煤的品级。煤的品级表明了煤的变质程度，常用挥发分含量和含煤量表示。品级低的纯煤自热热敏感性高，而且，随着煤的品能升高其自热敏感性下降。因而，干燥褐煤最易自热而无烟煤几乎不自热。但含有大最水分的褐煤较纯褐煤不易自燃。2.煤的水分含量。煤中水分的含量对煤的自燃性有很大影响。水分含量达饱和的煤，特别是在水分含量高的褐煤和次烟煤被开采和干燥前，煤体不再吸附水分，因而不能放出润湿热。煤氧化放出的热量通常使内在水分温度升高。另一方面，自热时的化学反应需要有少量的水分参加。低口级煤水分含量远远大于化学反应的需要量。因而，对低品级煤来说，水分实际上是煤自热的阻化剂。3.矿物质。煤中的矿物成分也叫灰分。它可与氧反应放热增加煤温，而且使煤分解以增加煤与空气接触的表面积，如黄铁矿，它可以吸收氧化反应放出的部分热量降低煤的氧化反应进程；煤的高灰分使单位质量的氧化热降低。开采和贮运的环境因素•地质因素。断层和裂隙有利于空气和水分与煤接触。因而散热没有明显增加，却增加了煤发生氧化的机会和水的吸附。也就是说断层和裂隙增加了煤自燃的危险性。埋藏深的煤层地面漏风较少。采空区遗煤（特别对于厚煤层）因不能完全回采而增中了煤的自燃危险性。•开采因素。开采因素对煤自燃的影响主要有2个方面，即通风和煤破碎，没有通风或通风充分的地方，煤自燃的可能性较低。而通风不充分地方煤自燃的可能性较大。裂隙漏风是不充分漏分，它创造了煤进一步氧化的条件，而散热条件并未被改善。所以，任何漏风对煤炭自燃来说都是很危险的。•贮运因素。在贮存和运输过程中，影响煤自燃的因素要为通风不充分和干燥的低品级煤因雨淋和喷洒水产生润湿热煤层自燃的危害预防煤层自燃的技术措施煤层自燃的预测预报1.鉴于煤在低温氧化阶段产生CO，因此，CO是早期揭露火灾的敏感指标。在矿井的采煤工作面回风道、综掘煤巷等有自然发火的地点设置CO传感器，若发现CO浓度超限，便可采用便携式CO检测仪追踪监测确定高温点。2.采用红外探测法判断高温点的位置，红外探测法其基本原理是，根据红外辐射场的理论，建立火源与火源温度场的对应关系，从而推断出火源点的位置。3.用钻孔测温辅助监测。对顶煤破碎或有自燃危险的地点，埋设测温探头，定期监测温度变化情况。4.加强漏风检测。定期采用示踪气体法，检查顺槽漏风量。对漏风集中的区域加强观测。预防措施1.均压通风控制漏风供氧。均压通风是控制煤层开采中采空区等漏风的有效措施。首先，要在保证冲淡CH4，风速，气温和人均风量的要求下，全面施行区域性均压通风，其调压措施包括单项调压和多项措施联合调压，具体实施中的形成的工作面均压逐步扩大到邻近工作面采空区的区域性均压。2.喷浆堵漏钻孔灌浆。对煤层开采中的可疑地点或已出现隐患地点进行全封闭喷浆和打浅密集钻孔注浆，是防止自然发火的2个有效措施。3.注凝胶防灭火。采用注凝胶技术处理高温点或自然发火是煤层开采中防灭火的重点措施，其方法是将凝胶注入高温点或火点的周围煤体中，其作用是既可以封堵漏风通道，又可以吸热降温