防排水技术(2010-3)

第一部分充水条件分析(续)第二节充水途径引言•两种情况导致充水水源进入矿坑：–地下工程开挖直接揭露含水层或水体；–矿坑周围存在与水体相连的导水通道——充水途径；•根据充水途径形成条件，可以分为两类：1.地质历史过程中形成的，如岩溶、断裂、陷落柱等；2.开采过程中，人为产生的途径，如顶板破坏、底板突破、施工钻孔、岩溶塌陷等如何分析、评判上述各种类型充水途径对地下工程的危害是本课程学习的中心内容充水途径1.断裂构造2.底板突破3.顶板破坏4.岩溶地面塌陷与岩溶陷落柱充水途径—断裂构造•断裂构造是地下工程充水的主要途径–对一般地下工程而言，涌水量的大小、突水频率的高低与该区断裂构造的密集程度有重要关系。–大量采矿实践与地下隧道工程等充分证明：突水事故有90%以上是与断裂有关。•断裂常常是突水的“帮凶”–一般认为：一个矿区的水大与否并不十分可怕，怕的是“突水”，其来势凶猛，防不胜防。–矿区十分重视对断裂构造的勘查、研究(煤层的稳定，对隔水层力学性质的破坏，错开含水层、隔水层等)1.充水途径之一断裂构造•[例]李金凯曾对发生于1919-1984年间华北煤田奥灰水突水实例进行统计，结果显示：28次大型突水实例中–断层导致的有21次，占75%；–巨型裂隙导致的有4次，占14.3%；–合计89.3%；–陷落柱导致的有3次，占0.7%•对断裂构造研究具有十分重要意义；•如何分析、判断断裂构造的水文地质意义？这是一个十分简单、又是十分复杂的问题。–简单：在于有时可以直接从地质图上分析判定。–复杂：有时你投入了大量工作量后也难以下定论。断裂水文地质意义的分析方法、步骤•研究、判断断裂构造特征的方法和手段：–室内分析(地质图、遥感图片等)–野外工作（Q：断层识别的野外标志有哪些？）•步骤上应遵循的原则：–先室内定性(甚至定量)分析、判断之后，通过野外具体手段来验证，做到有的放矢。–在达到目的情况下，力使经济成本最低。比如钻孔(勘查孔)抽水孔，观察孔的布置，抽水试验过程的设计，要预测分析可能出现的不同情况。山西省区域水文地质图断裂构造水文地质意义分析实例•郭庄泉群是临汾盆地岩溶大泉，6-8m3/s；•该泉水是郭庄80万千瓦发电厂的唯一水源，而且拟扩建至120万千瓦；•泉口附近有团柏煤矿，下游为待开发万安煤矿；•万安煤矿煤层受O2水危胁，要开采必须先疏水降压。•疏水降压结果能否导致郭庄泉流量衰减，成为矿区疏干和电厂用水之间的主要矛盾；而下团柏断层能否导水成为关键。•勘查资料显示：两盘水位差异不大；水质有较为明显的不同,岩溶泉出露在下团柏断层以北;•从图上条件分析下团柏断层能否导水？(提问)汾河Є-OC-PQ-N下团柏断层万安断层郭庄泉团柏矿万安矿断裂构造水文地质意义分析实例•我们利用已有的资料作了大量室内分析，做了地质剖面图和许多断层两壁投影图以及大量实地调查，包括取水样样分析。勾绘出一个清晰的水文地质概念模型•结论是：郭庄泉目前是一全排型岩溶大泉(基本无其它出口)，但下团伯断层为一导水性能较好的断层。两壁投影图分析发现：上、下两盘的含水层之间存在接触，有导水的途径。因此，疏水将导致下游水头降低，郭庄泉流量必将减少，有可能被袭夺光。为此，针对条件提出了下一步工作的建议和解决问题的相应对策。Є-OЄ-O下团柏断层万安断层郭庄泉万安煤矿团柏煤矿N2分析断层水文地质特征时应注意的问题•断层两盘的岩性及其组合条件是影响断裂水文地质意义的关键–一般来说，断层的透水性往往与两盘岩层的透水性一致；–当两盘均为软塑性地层时，正、逆断层往往表现为“隔水”特征(无水可导)；–当两盘均为脆性地层时，正、逆断层均可能表现为导水或透水断层，只不过透水、导水的性能表现出差异(力学性质的影响)；分析断层水文地质特征时应注意的问题•断层导水(阻水)性能在空间上的变化和差异–差异是指一条断层的导水性在方向上变化。即在同一地点，表现上横的和垂向上的不同。出现垂向上阻水、横的导水；或者垂向导水，横向阻水。此外，由于断层的断距在空间上是变化的，因而将可能出现两盘岩性的组合情况发生改变，甚至引起断层性质改变。因而沿断层走向，断层的导水性可能出现变化。分析断层水文地质特征时应注意的问题•断层导水性可能随时间变化–这是地下施工将可能遇到的特殊的变化；–在自然状态下，断层表现为一阻水断层；然而开采、揭露后，人工开采破坏其天然状态下的应力平衡，降低围岩力学强度，阻水断裂很有可能转化为突水的途径，因此要特别注意断裂是否与强含水岩层相通；–我国北方各大矿采矿实例统计，当开采井巷穿过断裂时，可能遇到干燥无水或涌水量没有改变，但经过一段时间回采后，底板可能发生底鼓，沿断层突水。分析断层水文地质特征时应注意的问题•断裂是矿坑系统突水的主要通道之一，它在其它水文地质、工程地质问题中也是主要的研究对象。上面我们主要从断裂水文地质意义的角度，提出了分析断层特征时应注意的几个方面，这些关键问题也同样适用于其他情况下对断层构造分析。充水途径之二——底板突破•概念–底板突破：埋藏在巷道隔水底板之下的承压含水层，以一定的水头压力作用在底板上，当压力超过底板的综合抗张强度（综合抵抗强度，含自重和强度）时，底板被破坏，地下水溃入矿坑的现象。HP承压水头承压含水层隔水底板地下巷道底板稳定性评价目的与意义概念–底板稳定性评价：指对底板突破的危险性进行评价和预测–不仅是一个水文地质问题，也是一个工程地质问题，或者是二者的混合问题。–底板稳定性评价研究，关系到我国深部矿产资源开发问题，对我国矿产安全生产具有重要的意义。–我国煤炭资源经过长时间开采，许多老矿区上层煤已开采贻尽，现主要开采对象是下部煤层，但下部煤层承受底部巨大水压威胁；–底板稳定性评价在城市地下工程建设中，则关系到水资源与城市地质环境保护等问题。底板稳定性评价的意义•底板突破问题在北方煤田更为集中、突出，底板稳定性评价成为多数矿区需要解决的重要课题。–上石炭统太原组（C3t）煤层占石炭、二迭系煤层储量的40%。下伏为强大岩溶含水层，十几米-几十米厚的隔水底板上承受的水压值高达1.5-3.5Mpa（1Mpa=10个大气压=100m水柱高）–对于开采深度大的煤田(如淄博、开滦等)，已高达4.5Mpa，因上层煤开采完毕，下层煤已为主要的开采对象。Є-ONC－T北方煤系地层结构底板稳定性评价深基坑开挖过程中，底部帷幕注浆厚度的选择，也可进行底板稳定性评价，确定安全开挖深度：如图所示，基坑开挖深度预计在隔水层之上，下部为承压水。此时，应预留多厚的隔水层才能保证承压水不会冲溃底板，或者要采用喷浆预处理，注浆厚度应多大？底板稳定性评价•底板稳定性评价，国内外水文地质，工程地质工作者（尤其在煤炭系统）已经进行了大量探索研究；从力学角度，结合地质、工程地质条件等提出了一些方法；•但由于突水问题涉及到众多因素和参数取值难题：包括岩层本身力学强度、水压值大小，应力分布特征等各方面；•机理不是难点，而困难在于实际条件下这些参数的获取，所以这些方法在应用时，仍有一定的局限性。底板稳定性评价基本方法•底板稳定性评价应抓住的两个关键：–含水层地下水水压的破坏能力--体现在水压值大小–隔水底板的抗破坏能力--体现在岩层的力学强度及厚度•2种经典的评价方法：–理论方法——斯列萨列夫公式–经验公式——突水系数法•该方法是前苏联学者В.П.斯列萨列夫推导出来，故称斯列萨列夫公式•方法的理论基础是材料力学中“超静定梁原理”；•把巷道揭露或开采揭露的隔水顶，底板视为超静定梁(即一个两端固定，荷载均匀分布的梁），当处于极限状态时，根据受力平衡状况得到隔水顶底板能承受的极限水压值HL(N/m2)•计算公式为：底板突破评价的理论方法斯列萨列夫公式单位面积底板柱体的受力状况分析：自重＝rR×tp水压力＝rw×HrR×tprw×H底板抵抗水压力保持平衡状态：)(222底板pRppLtrltKH2)(2ltKptHppRw–rR——岩层容重（N/m3）–Kp——岩层的抗张经度(MPa)–tp——隔水底板厚度（m）–l——开采区底宽（m）HL=当隔水底板的厚度为tp,抗张强度为KP时，所能承受的极限水压大小－临界水压值•该公式同样适于顶板稳定性评价，不过此时水压作用方向自上向下，方向与底板自重压力同向，顶板的稳定仅靠岩层本身的抗张强度大小维持，故上述公式可表示为：斯列萨列夫公式该依靠公式，在已知底板隔水层厚度tp，Kp,l等参数条件下，能够初步确定底板能承受的最大水压值HL根据HL判断底板稳定性.如果HP为实际水压力，出现：HPHL,)(222顶板pRppLtrltKH–底板安全，稳定；底板有突破危险出现：HPHL：•如果对斯列萨列夫公式作一变化，则得临界隔水层厚度计算公式：斯列萨列夫公式临界隔水层厚度tL——在实际水压力（HP）的作用下，保持底板稳定所需最小隔水层厚度（m）；如果tP为实际水压力，则：)(4)8(2底板取负，顶板取正PRPPRLKlrHKrlttPtL——底板安全，稳定；tPtL————底极有突破危险。•对于第四系松散土层，深基坑底板稳定性评价同样可以用斯列萨列夫公式进行初步评价：–松散层一般认为其抗张强度为零，即Kp=0；–设•作用于基坑底板上的水头高度为Hw(m);•粘土层的厚度为t(m);•粘土层的容重为rs＝20(KN/m3)；水的容重rs＝10（KN/m3）–则：斯列萨列夫公式上述结果表明：基坑底板粘土层厚度至少要大于作用其上水头高度的一半才能够稳定lswwtHwwswwlHHHt212010•使用斯列萨列夫公式时应注意的几个问题：–明确临界水压值（HL）、临界隔水层厚度（tL）的物理含义及其与实际水压值（HP）、实际隔水层厚度（tP）的关系：•临界水压值：是在已知底板隔水层厚度等参数前提下计算出来的；是底板能承受的极限水压值；•临界隔水层厚度：是在已知底板承受的实际水压值大小，根据公式计算出的，保持底板稳定所需的最小隔水层厚度；该值可以用来设计预留的底板厚度、或需要处理加厚的人工隔水层厚度。斯列萨列夫公式•使用斯列萨列夫公式时应注意的几方面问题（续）：–注意实际水压值大小的确定：实际水压值是指作用在隔水层底板上的压力水头值大小，故基准面的计算起点应该是隔水底板的下边界与含水层顶部边界的分界面；斯列萨列夫公式HpHp√斯列萨列夫公式哪个正确？√√HpHp•使用斯列萨列夫公式时应注意的几方面问题（续）：–注意公式运用的条件：•公式的假设是：超静定梁，且荷载均匀分布；•这种假设与实际条件存在一些差异：岩层的不均性，受力状况不均匀等；•公式中的抗张强度为一实验室测试结果，与野外实际值存在差异；•作为梁，应该是长条形，故该公式适用于巷道开挖、采准阶段的底板稳定性评价，对大面积回采形成的采空区，不适用。斯列萨列夫公式•突水系数的概念：–突水系数指作用在隔水底板上的水压值与隔水层厚度的比值，即：T=P/M；又称水压比，单位：Pa/m,…–物理含义：单位隔水层厚度所承受的水压力；–临界突水系数：单位厚度的隔水层所能承受的极限水压值，单位同上；–临界突水系数是矿区依据历史上突水资料统计、归纳出来的一种经验统计参数。底板突破评价的经验方法－突水系数法•突水系数T与临界突水系数Ts的区别：–对任何一个底板间接充水的矿区，都可以计算获得不同部位、不同深度任一点的突水系数值；而临界突水系数值仅局部存在、甚至没有。–突水系数仅仅表示某一点(或某一区)单位隔水层厚度承受的水压值大小；而临界突水系数却综合反映了岩性、构造，矿山压力及断裂带等对隔水底板强度的影响。–关键在于：突水系数是一个计算值，而临界突水系数却是根据实际突水资料计算获取的经验参考指标。底板突破——突水系数法•临界突水曲线本身并不过原点，在厚度坐标轴上存在一个截距，这个截距所反映的是隔水层的无效厚度，从物理意义上讲：这就是采矿活动对隔水底板的破坏深度Cp:T=P/(M-Cp)底板突破——突水系数法某矿区底板临界突水临界曲线突水区安全区010203040M（m）P(0.1MPa)突水区安全区