CN112818504A - 一种无底柱崩落法采空塌陷区域突水防治方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无底柱崩落法采空塌陷区域突水防治方法，通过地表塌陷与井下采矿动态数值关系、暴雨日最大入渗参数和地表降雨汇水通过塌陷坑运移进入井下的通道的确定，可以合理预测地表降雨汇水通过塌陷坑进入井下日最大涌水量，并在回采出矿作业水平上方进行有效截流，将空区水大部分引入主排水系统，预防井下水害事故。
Description
技术领域
本发明涉及一种方法，具体涉及一种无底柱崩落法采空塌陷区域突水防治方法，属于矿山地表塌陷处理技术领域。
背景技术
无底柱分段崩落法是在覆盖层下进行端部挤压爆破和放矿,覆盖岩层随端部矿石的放出而下降，继而在覆盖层上部产生空区，随着回采工作的进行，顶板跨落和暴露面积逐渐扩大，当顶板中央的拉应力超过岩石的抗拉强度时，岩石即遭破坏，顶板随即开始崩落，随着不停的回采出矿，崩落持续发展逐渐波及至地表，导致地表塌陷。地表的塌陷改变矿体上覆围岩的透水性能,成为地表降水进入井下的天窗,随着地表塌陷范围的扩大,汇水面积的增加,地表降雨汇水短时间大量通过塌陷坑进入井下容易造成采掘工作面突水淹井事故，为了解决上述技术问题，本领域的技术人员不断尝试新的方案，但是现有技术的方案均不理想。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种无底柱崩落法采空塌陷区域突水防治方法，该技术方案合理的预测地表降雨汇水通过塌陷坑进入井下的涌水量和径流通道，在汇水到达采掘工作面之前进行有效截流，减少汇水进入采掘工作面水量，降低采掘工作面突水风险。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种无底柱崩落法采空塌陷区域突水防治方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1:运用Surpac三维建模软件，建立地表塌陷只少10年以上时间的井下采空区域模型和原始地表DTM模型，再将不同时间的塌陷边界线落到原始地表DTM模型上，获得不同年份的塌陷边界三维模型；
步骤2：确定塌陷中心轴；以地表塌陷边界线平面投影的图形中心做为塌陷中心的平面投影点，塌陷中心轴平面坐标的获取是将塌陷边界线ACAD图形转换成SURPAC环境下的线文件后，利用SURPAC软件的线文件创建中心点功能予以实现，读取中心点平面坐标，确定该时间塌陷中心轴；
步骤3：剖面切制和数据采集；将同一时间的地下采空区模型、塌陷边界模型进行合并后，以塌陷中心点为垂直轴，按增量10°方位角进行剖面切制，获得某时间段，某方位的剖面；将剖面进行二维转化后，量取该剖面的塌陷角度A、采空区域最大跨度L和采空区域最大厚度H；
步骤4：建立动态预测数值模型；运用Mintab软件将所采集的数据L、H和A进行概率分析，确定数据是否满足正态分布规律，在数据满足正态分布的前提下进行回归分析，建立回归方程，确定动态预测数值模型，获得地表塌陷角与井下采矿的数值关系：
A＝13.526*L/H+40.720；
步骤5：使用GPS静态方法在地表塌陷区域建立像控标志点，采用无人机对地表塌陷坑进行近景摄影测量，建立与矿区坐标系统一直的立体模型，最终获得地表塌陷坑地形图，确定塌陷坑内降落漏斗位置分布；
步骤6：将地表塌陷坑地形图与井下构造分布和采矿现状进行叠加，确定地表塌陷汇水运移进入井下的通道位置；
步骤7：采用水均衡理论，建立降雨入渗参数计算公式；
矿山水均衡方程为：Q＝△Q+Q1+Q2
其中：△Q—降雨渗入量(m3)；
Q—矿坑排水量(m3)；
Q1—矿坑井下生产用水量(m3)；
Q2—动、静储量(m3)；
Q、Q1，Q2为矿山日常统计观测数据,为已知数据，可以求得△Q值,根据塌陷面积、汇水面积、降雨量及渗入率的相关关系建立降雨入渗参数计算公式
(k为日入渗率；N为渗入持续天数；M1+M2为塌陷汇水面积；∑Y降雨量)；
步骤8：最大日暴雨入渗率确定，选择1990～2018年间降雨渗入现象比较明显的降雨过程数据，由公式
进行计算，所得结果在6％～12％之间，根据趋势分析，确定日暴雨最大入渗率为8％；分析排水高峰持续天数确定N值为(2～3天)；
使用步骤4所获得的地表塌陷角与井下采矿的数值关系公式，以采矿规划(5年)为依据预测5年内地表塌陷边界范围，设计施工地面塌陷区域截洪排水工程，减少地表汇水进入塌陷坑的水量。
步骤9：使用步骤8所得的暴雨日最大入渗率k值，运用公式Q＝k.Hp.F，按照暴雨量100mm、150mm、200m三个级别(汇水面积采用矿山设计最终塌陷面积)，计算设定暴雨值的日最大涌水量值Q(k-入渗率,Hp-日暴雨量,F-塌陷汇水面积)；
步骤10：根据预测涌水量，在回采作业水平的上方，与采空区连通的废弃巷道内布置施工与预测涌水量相匹配的截水分流系统工程。
截水分流系统工程具体为：回采作业水平出矿结束后，距离出矿迎头10m处，用砖砌墙将通往采空区的所有废弃巷道进行封闭，在涌水通道附近的巷道封闭墙底部预留放水孔。在本分层与主排水系统巷道相对应的位置按步骤9设定暴雨量100mm、150mm、200mm三个级别预测的涌水量，施工孔口标高与巷道底板平行、施工孔口标高比巷道底板高20cm、孔口标高比巷道底板高50cm的泄水孔，每个级别泄水孔的数量和孔径按预测涌水量大小确定。最后，将施工截水工程的巷道在通往其他分层和竖井的所有通道砌墙封闭，保障涌水通过泄水孔进入主排水系统。
模型建立时间范围必须限定在地表出现塌陷到井下采矿停止之间时间段内，采集的数据变化用于步骤4建立动态预测数值模型才有效。
该研究仅适用于采用无底柱分段崩落法的地下矿山在地表塌陷以后中深部采矿期间预测地表降雨汇水通过塌陷坑进入井下的突水防治，不适用采矿方法不同的同行；采矿方法相同的新成立矿山可以采用该方案用于中深部采矿期间的防治水。
该方案通过地表塌陷与井下采矿动态数值关系、暴雨日最大入渗参数和地表降雨汇水通过塌陷坑运移进入井下的通道的确定，可以合理预测地表降雨汇水通过塌陷坑进入井下日最大涌水量，并在回采出矿作业水平上方进行有效截流，将空区水大部分引入主排水系统，预防井下水害事故。
相对于现有技术，本发明具有如下优点，1)剖面绘制方法：传统剖面绘制靠手动方式，在二维环境下完成，工作量大，效率低，绘制的剖面有限，本方案通过三维建模和三维环境下设置任意方位角剖面切制，可以短时间完成大量剖面的绘制，获取任意方向井下采矿与地表塌陷数据，与传统剖面绘制相比，绘图效率高，采集的数据更丰富全面；2)塌陷中心轴的确定：以往了解采矿过程中塌陷角变化情况，都是在原地质勘探剖面上或者大致确定塌陷中心位置，再手动绘制剖面获得，地质勘探剖面基本是按矿体走向和倾向上布置的，大部分剖面并不通过塌陷中心，同时塌陷中心随采矿变化是动态发展的，因此上述两种情况获得的塌陷角数据基本上都是视倾角。本方案对地表塌陷中心进行了动态确定，通过塌陷中心轴的合理确定可以保障获得的塌陷角为真倾角，避免采集视倾角数据所带来的误差；3)确定地表塌陷与井下采矿的数值关系：本方案确定了地表塌陷与井下采矿的数值关系，可以根据不同方位采动关系预测其塌陷角度，进而反演预测某时间地表塌陷边界，合理设计地表防洪工程位置，节约工程费用；4)汇水运移通道确定：以往采矿地表塌陷的测量主要是运用岩移观测或者GPS定位肉眼可见的地表裂缝来圈测塌陷外围边界线，对人员无法到达的塌陷区域内部，一直是测量盲区，内部地形变化根本无法掌握，对塌陷坑汇水进入井下的通道只能估测大概的范围；5)本方案将无人机摄影技术测量用于采矿地表塌陷坑测量，可以获得详细的塌陷坑地形图，对坑内汇水径流和运移通道有了精准的定位。本方案通过设计多级控制防泄水孔堵塞的方法：设计具有放水功能的密闭墙控制汇水涌出流速，防止水流过大量泥砂带出堵塞泄水孔；设计不同标高、不同孔口过滤装置防泄水孔全部堵塞。保障泄水孔长期、有效、自动排水，实现在回采工作面上方将水进行有效分流，减少回采工作面突水风险。
附图说明
图1：地表塌陷坑DTM(降落漏斗分布)
图2：回采工作面上方截流剖面示意图
图3：密闭墙结构示意图
图4：泄水孔防堵塞装置1；
图5：泄水孔防堵塞装置2。
图中：1-塌陷坑导水塌陷漏斗，2-采空塌陷区松散覆盖岩层，3-围岩，4-泄水孔，5-泄水孔防堵塞装置(1)，6-泄水孔防堵塞装置(2)；7-回采工作面，8-封闭墙，9-废弃巷道，10-主排水系统巷道。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
实施例1：参见图1、图2，一种无底柱崩落法采空塌陷区域突水防治方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1:运用Surpac三维建模软件，建立地表塌陷只少10年以上井下采空区域模型和原始地表DTM模型，再将不同时间的塌陷边界线落到原始地表DTM模型上，获得不同年份的塌陷边界三维模型。
步骤2：确定塌陷中心轴；以地表塌陷边界线平面投影的图形中心做为塌陷中心的平面投影点，塌陷中心轴平面坐标的获取是将塌陷边界线ACAD图形转换成SURPAC环境下的线文件后，利用SURPAC软件的线文件创建中心点功能予以实现，读取中心点平面坐标，确定该时间塌陷中心轴；
步骤3：剖面切制和数据采集；将同一时间的地下采空区模型、塌陷边界模型进行合并后，以塌陷中心点为垂直轴，按增量10°方位角进行剖面切制，获得某时间段，某方位的剖面；将剖面进行二维转化后，量取该剖面的塌陷角度A、采空区域最大跨度L和采空区域最大厚度H；
步骤4：建立动态预测数值模型；运用Mintab软件将所采集的数据L、H和A进行概率分析，确定数据是否满足正态分布规律，在数据满足正态分布的前提下进行回归分析，建立回归方程，确定动态预测数值模型，获得地表塌陷角与井下采矿的数值关系：
A＝13.526*L/H+40.720；
步骤5：使用GPS静态方法在地表塌陷区域建立像控标志点，采用无人机对地表塌陷坑进行近景摄影测量，建立与矿区坐标系统一直的立体模型，最终获得地表塌陷坑地形图，确定塌陷坑内图1和图2中1所示降落漏斗位置分布；
步骤6：将地表塌陷坑地形图与井下构造分布和采矿现状进行叠加，确定图2中箭头所示地表塌陷汇水运移进入井下的通道位置；
步骤7：采用水均衡理论，建立降雨入渗参数计算公式；
矿山水均衡方程为：Q＝△Q+Q1+Q2
其中：△Q—降雨渗入量(m3)；
Q—矿坑排水量(m3)；
Q1—矿坑井下生产用水量(m3)；
Q2—动、静储量(m3)；
Q、Q1，Q2为矿山日常统计观测数据,为已知数据，可以求得△Q值,根据塌陷面积、汇水面积、降雨量及渗入率的相关关系建立降雨入渗参数计算公式
(k为日入渗率；N为渗入持续天数；M1+M2为塌陷汇水面积；∑Y降雨量)；
步骤8：最大日暴雨入渗率确定，选择1990～2018年间降雨渗入现象比较明显的降雨过程数据，由公式
进行计算，所得结果在6％～12％之间，根据趋势分析，确定日暴雨最大入渗率为8％。分析排水高峰持续天数确定N值为(2～3天)；
使用步骤4所获得的地表塌陷角与井下采矿的数值关系公式，以采矿规划(5年)为依据预测5年内地表塌陷边界范围，设计施工地面塌陷区域截洪排水工程，减少地表汇水进入塌陷坑的水量。
步骤9：使用步骤8所得的暴雨日最大入渗率k值，运用公式Q＝k.Hp.F，按照暴雨量100mm、150mm、200m三个级别(汇水面积采用矿山设计最终塌陷面积)，计算设定暴雨值的日最大涌水量值Q(k-入渗率,Hp-日暴雨量,F-塌陷汇水面积)；
步骤10：根据预测涌水量，在回采作业水平的上方，与采空区连通的废弃巷道内布置施工与预测涌水量相匹配的截水分流系统工程。
截水分流系统工程：在图2中9所示的回采作业水平出矿结束后的废弃巷道中，距离出矿迎头10m处，用图2中8所示的砖砌墙将通往图2中2所示的采空区的所有废弃巷道进行封闭，在图2中箭头所示涌水通道附近的巷道封闭墙底部预留图3所示放水孔。在图2中9所示的回采作业水平出矿结束后的废弃巷道中与图2中10所示的主排水系统巷道相对应的位置按步骤9设定暴雨量100mm、150mm、200mm三个级别预测的涌水量，施工图2中5所示孔口标高与巷道底板平行、图2中6所示孔口标高比巷道底板高20cm、图2中11所示孔口标高比巷道底板高50cm的泄水孔，每个级别泄水孔的数量和孔径按预测涌水量大小确定。最后，将施工截水工程的巷道在通往其他分层和竖井的所有通道砌墙封闭，保障涌水通过泄水孔进入主排水系统,降低图2中7所示回采作业水平的突水风险。
模型建立时间范围必须限定在地表出现塌陷到井下采矿停止之间时间段内，采集的数据变化用于步骤4建立动态预测数值模型才有效。
该研究仅适用于采用无底柱分段崩落法的地下矿山在地表塌陷以后中深部采矿期间预测地表降雨汇水通过塌陷坑进入井下的突水防治，不适用采矿方法不同的同行；采矿方法相同的新成立矿山可以采用该方案用于中深部采矿期间的防治水。
回采工作面上方截流系统工程主要由图2中8所示的封闭墙和图2中4所示一组孔口高度不同的泄水孔组成。图2中2所示采空区与图2中9所示废弃巷道之间设置图3所示封闭墙，封闭墙主体为砖混结构，封闭墙底部预留一定数量的放水孔。设置封闭墙的目的是控制空区水流入废弃巷道速度、阻止大量泥沙从空区涌入巷道堵塞泄水孔。废弃巷道内设置一定数量泄水孔(泄水孔数量根据涌水量大小设置)，泄水孔孔口高度按孔口标高与巷道底板平行、孔口标高比巷道底板高20cm、孔口标高比巷道底板高50cm分级设置。孔口安装防堵塞装置，防堵塞装置分两种，一种是图4所示钢材料套管一端焊接隔水网，另一种是图5所示钢材料滤水管一端焊接隔水网。孔口标高与巷道底板平行的泄水孔使用图4所示钢材料套管一端焊接隔水网，孔口标高比巷道底板高20cm和孔口标高比巷道底板高50cm的泄水孔使用图5所示钢材料滤水管一端焊接隔水网。
上述方案确定地表塌陷与井下采矿的数值关系，对塌陷角与采矿指标之间关系进行量化。矿山采矿过程中一直采用设计院提供塌陷角来作为预测地表塌陷范围的依据来指导地面土地征用、阶段性防洪工程的设计。设计院提供塌陷角是采矿结束后的最终稳定状态下的塌陷角度，而且是大致分区域确定的统一的角度，而实际地表塌陷是跟井下采矿活动范围相关的，各个方位的塌陷角是随间空不断发展变化的，采用设计塌陷角作为矿山阶段性防洪工程的设计依据不合理。本课题确定了地表塌陷与井下采矿的数值关系，可以根据不同方位采动关系预测其塌陷角度，进而反演预测某时间地表塌陷边界，合理设计地表防洪工程位置，节约工程费用。
回采出矿作业水平上方进行有效截流，多级控制防泄水孔堵塞的方法的设计，将空区水大部分引入主排水系统，降低回采工作面突水风陷。以往采矿过程中施工的泄水孔在该分层回采结束后几年就会因堵塞而失去泄水功能，汇水只能跟随回采工作面的下降而下降，水全部由采掘工作面泄出后，再安装水泵排水，渗水严重的区域只能暂时停止作业。本方案通过设计多级控制防泄水孔堵塞的方法，设计具有放水功能的密闭墙控制汇水涌出流速，防止水流过大量泥砂带出堵塞泄水孔；设计不同标高、不同孔口过滤装置防泄水孔全部堵塞。保障泄水孔长期、有效、自动排水，实现在回采工作面上方将水进行有效分流，减少回采工作面突水风险。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。
Claims (9)
1.一种无底柱崩落法采空塌陷区域突水防治方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1:运用Surpac三维建模软件，建立地表塌陷只少10年以上时间的井下采空区域模型和原始地表DTM模型，再将不同时间的塌陷边界线落到原始地表DTM模型上，获得不同年份的塌陷边界三维模型；
步骤2：确定塌陷中心轴；
步骤3：剖面切制和数据采集；
步骤4：建立动态预测数值模型；
步骤5：使用GPS静态方法在地表塌陷区域建立像控标志点，
步骤6：将地表塌陷坑地形图与井下构造分布和采矿现状进行叠加，确定地表塌陷汇水运移进入井下的通道位置；
步骤7：采用水均衡理论，建立降雨入渗参数计算公式；
步骤8：最大日暴雨入渗率确定，
步骤9：使用步骤8所得的暴雨日最大入渗率k值，运用公式Q＝k.Hp.F，计算设定暴雨值的日最大涌水量值Q(k-入渗率,Hp-日暴雨量,F-塌陷汇水面积)；
步骤10：根据预测涌水量，在回采作业水平的上方，与采空区连通的废弃巷道内布置施工与预测涌水量相匹配的截水分流系统工程。
2.根据权利要求1所述的无底柱崩落法采空塌陷区域突水防治方法，其特征在于，所述步骤2：确定塌陷中心轴；以地表塌陷边界线平面投影的图形中心做为塌陷中心的平面投影点，塌陷中心轴平面坐标的获取是将塌陷边界线ACAD图形转换成SURPAC环境下的线文件后，利用SURPAC软件的线文件创建中心点功能予以实现，读取中心点平面坐标，确定该时间塌陷中心轴。
3.根据权利要求1所述的无底柱崩落法采空塌陷区域突水防治方法，其特征在于，所述步骤3剖面切制和数据采集；将同一时间的地下采空区模型、塌陷边界模型进行合并后，以塌陷中心点为垂直轴，按增量10°方位角进行剖面切制，获得某时间段，某方位的剖面；将剖面进行二维转化后，量取该剖面的塌陷角度A、采空区域最大跨度L和采空区域最大厚度H。
4.根据权利要求1所述的无底柱崩落法采空塌陷区域突水防治方法，其特征在于，所述步骤4建立动态预测数值模型；运用Mintab软件将所采集的数据L、H和A进行概率分析，确定数据是否满足正态分布规律，在数据满足正态分布的前提下进行回归分析，建立回归方程，确定动态预测数值模型，获得地表塌陷角与井下采矿的数值关系：
A＝13.526*L/H+40.720。
5.根据权利要求1所述的无底柱崩落法采空塌陷区域突水防治方法，其特征在于，所述步骤5使用GPS静态方法在地表塌陷区域建立像控标志点，采用无人机对地表塌陷坑进行近景摄影测量，建立与矿区坐标系统一直的立体模型，最终获得地表塌陷坑地形图，确定塌陷坑内降落漏斗位置分布。
6.根据权利要求1所述的无底柱崩落法采空塌陷区域突水防治方法，其特征在于，所述步骤7：采用水均衡理论，建立降雨入渗参数计算公式；
矿山水均衡方程为：Q＝△Q+Q1+Q2
其中：△Q—降雨渗入量(m3)；
Q—矿坑排水量(m3)；
Q1—矿坑井下生产用水量(m3)；
Q2—动、静储量(m3)；
Q、Q1，Q2为矿山日常统计观测数据,为已知数据，可以求得△Q值,根据塌陷面积、汇水面积、降雨量及渗入率的相关关系建立降雨入渗参数计算公式
(k为日入渗率；N为渗入持续天数；M1+M2为塌陷汇水面积；∑Y降雨量)。
7.根据权利要求1所述的无底柱崩落法采空塌陷区域突水防治方法，其特征在于，所述步骤8最大日暴雨入渗率确定，选择1990～2018年间降雨渗入现象比较明显的降雨过程数据，由公式
进行计算，所得结果在6％～12％之间，根据趋势分析，确定日暴雨最大入渗率为8％，分析排水高峰持续天数确定N值为(2～3天)；使用步骤4所获得的地表塌陷角与井下采矿的数值关系公式，以采矿规划(5年)为依据预测5年内地表塌陷边界范围，设计施工地面塌陷区域截洪排水工程，减少地表汇水进入塌陷坑的水量。
8.根据权利要求1所述的无底柱崩落法采空塌陷区域突水防治方法，其特征在于，所述步骤9使用步骤8所得的暴雨日最大入渗率k值，运用公式Q＝k.Hp.F，按照暴雨量100mm、150mm、200m三个级别(汇水面积采用矿山设计最终塌陷面积)，计算设定暴雨值的日最大涌水量值Q(k-入渗率,Hp-日暴雨量,F-塌陷汇水面积)。
9.根据权利要求1所述的无底柱崩落法采空塌陷区域突水防治方法，其特征在于，所述步骤10截水分流系统工程，具体如下：截水分流系统工程具体为：回采作业水平出矿结束后，距离出矿迎头10m处，用砖砌墙将通往采空区的所有废弃巷道进行封闭，在涌水通道附近的巷道封闭墙底部预留放水孔。在本分层与主排水系统巷道相对应的位置按步骤9设定暴雨量100mm、150mm、200mm三个级别预测的涌水量，施工孔口标高与巷道底板平行、施工孔口标高比巷道底板高20cm、孔口标高比巷道底板高50cm的泄水孔，每个级别泄水孔的数量和孔径按预测涌水量大小确定。最后，将施工截水工程的巷道在通往其他分层和竖井的所有通道砌墙封闭，保障涌水通过泄水孔进入主排水系统。
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