-承压含水层上采煤.pptx

我国主要产煤的华北型矿区，东起徐州、我国主要产煤的华北型矿区，东起徐州、淄博，西至陕西渭北，北起辽宁南部，南至淮淄博，西至陕西渭北，北起辽宁南部，南至淮南、平顶山一带几乎都受其影响。我国南方煤南、平顶山一带几乎都受其影响。我国南方煤田，煤层下方茅口灰岩厚度达田，煤层下方茅口灰岩厚度达140140170170米，煤米，煤层底板至灰岩之间的隔水层厚度仅数米。例如层底板至灰岩之间的隔水层厚度仅数米。例如湖南的涟邵、煤炭坝、韶山、资兴；四川的南湖南的涟邵、煤炭坝、韶山、资兴；四川的南桐、中梁山、松藻、永荣；广西的合山；江西桐、中梁山、松藻、永荣；广西的合山；江西的丰城、八景；浙江的长广等数十个煤田。的丰城、八景；浙江的长广等数十个煤田。我国北方石炭二迭纪煤系底部的奥灰强含水层承压含水层上采煤承压含水层上采煤承压含水层上采煤承压含水层上采煤:采用专门的技术和安全采用专门的技术和安全措施开采邻近承压含水措施开采邻近承压含水层上的煤层层上的煤层煤层底板突水：煤层底板突水：灰岩灰岩水穿越了开采煤层和含水层之间的煤岩柱，水穿越了开采煤层和含水层之间的煤岩柱，以突然的方式大量地涌入采掘空间的现象以突然的方式大量地涌入采掘空间的现象已发生过已发生过300300多次底板突水事故，并造成多次多次底板突水事故，并造成多次淹没矿井、开采水平和采区的严重后果淹没矿井、开采水平和采区的严重后果 第一节第一节影响底板突水的主要因素影响底板突水的主要因素一、底板突水类型一、底板突水类型1、按突水地点、按突水地点巷道突水巷道突水多以构造破坏为主，承压水通过断裂或构造多以构造破坏为主，承压水通过断裂或构造破碎带进入底板，形成充水，一旦巷道揭露破碎带进入底板，形成充水，一旦巷道揭露出来后，承压水就迅速涌入。出来后，承压水就迅速涌入。底板突水类型底板突水类型采场突水采场突水多以采矿破坏为主，矿山压力破坏和削弱了多以采矿破坏为主，矿山压力破坏和削弱了底板隔水层的厚度和强度，造成与含水层的底板隔水层的厚度和强度，造成与含水层的密切水力联系。密切水力联系。巷道突水和采场突水巷道突水和采场突水的比例几乎相等的比例几乎相等二、底板突水原因分析二、底板突水原因分析1、煤层底板的受力与变形、煤层底板的受力与变形1 1、煤层底板应力及变形分区、煤层底板应力及变形分区底板破坏带底板破坏带底板突水的通道底板突水的通道2、煤层底板岩层中的下三带、煤层底板岩层中的下三带底板采动导水破坏带底板采动导水破坏带煤层底板岩层受采煤层底板岩层受采动影响而产生的采动影响而产生的采动导水断裂范围动导水断裂范围由沿层面和垂直于由沿层面和垂直于层面的裂缝层面的裂缝形成形成采煤工作面长度、采煤方法、煤层厚度、采煤工作面长度、采煤方法、煤层厚度、开采深度、顶底板岩性及结构通过影响前开采深度、顶底板岩性及结构通过影响前支承压力而影响底板采动导水破坏带深度。支承压力而影响底板采动导水破坏带深度。底板采动导水破坏带深度底板采动导水破坏带深度工作面长度愈大，工作面长度愈大，矿山压力显现愈充分，矿山压力显现愈充分，底板破坏深度愈大底板破坏深度愈大顶板悬顶愈大，前顶板悬顶愈大，前支承压力峰值愈大，支承压力峰值愈大，对底板破坏愈严重。对底板破坏愈严重。采深加大后前支承采深加大后前支承压力的绝对量随采深压力的绝对量随采深加大而加大加大而加大不同采煤方法的底板破坏深度不同采煤方法的底板破坏深度采煤方法及面采煤方法及面长长长壁长壁80 100100m m短壁短壁50m条带条带20m房柱房柱15m15m15m底板破坏深度底板破坏深度(m)m)10 17173.5 7 72.5 3 33 5 5注：根据数值计算结果注：根据数值计算结果注：根据数值计算结果注：根据数值计算结果 （2）底板阻水带）底板阻水带位于煤层底板采动位于煤层底板采动导水破坏带以下、导水破坏带以下、底部含水体以上具底部含水体以上具有阻水能力的岩层有阻水能力的岩层范围范围此带内岩层仍然能保持连续性，一定厚度的底板阻水此带内岩层仍然能保持连续性，一定厚度的底板阻水此带内岩层仍然能保持连续性，一定厚度的底板阻水此带内岩层仍然能保持连续性，一定厚度的底板阻水带可以阻止底板突水带可以阻止底板突水带可以阻止底板突水带可以阻止底板突水也称为保护层带或完整岩层带也称为保护层带或完整岩层带也称为保护层带或完整岩层带也称为保护层带或完整岩层带底板阻水带的厚度可能大小不一，甚至可能不存在底板阻水带的厚度可能大小不一，甚至可能不存在底板阻水带的厚度可能大小不一，甚至可能不存在底板阻水带的厚度可能大小不一，甚至可能不存在底板阻水带厚度底板阻水带厚度h2实验法实验法h2=p/Zp底板上的水压力，底板上的水压力，MPa；Z阻水系数，阻水系数，MPa/m。钻孔水力压裂法钻孔水力压裂法实测单位底板隔水岩层平均阻水能力的系数实测单位底板隔水岩层平均阻水能力的系数Z=pZ=pb b/R/R p pb b使岩体破裂时的临界水压力，使岩体破裂时的临界水压力，MPaMPa；R R裂缝扩展半径，一般取裂缝扩展半径，一般取4040 5050m m岩层阻水系数岩层阻水系数Z Z岩性岩性中、粗粒砂中、粗粒砂岩岩细砂岩细砂岩粉砂岩粉砂岩阻阻水水系系数数（MPa/mMPa/m）0.3 0.50.50.30.2岩性岩性泥岩泥岩石灰岩石灰岩断层带断层带阻水系数（阻水系数（MPa/mMPa/m）0.1 0.30.30.40.05 0.100.10底板承压水导升带底板承压水导升带与与石石灰灰岩岩邻邻接接的的岩岩层层中中原原始始就就存存在在着着节节理理和和裂隙，岩溶承压水进入后成为导水层裂隙，岩溶承压水进入后成为导水层底板承压水导升带底板承压水导升带煤煤层层底底板板承承压压含含水水层层的的水水在在水水压压力力和和矿矿压压作作用用下下上上升升到到其其顶顶板板岩岩层层中中的的范范围围底板承压水导升带底板承压水导升带底板承压水导升带上界参差不齐，底板承压水导升带上界参差不齐，断层附近的承压水导升带高度一般较大，有断层附近的承压水导升带高度一般较大，有些矿区可能无底板承压水导升带。些矿区可能无底板承压水导升带。h h3 3用物探用物探和钻探方和钻探方法法巷道中用巷道中用电测，钻电测，钻探探根据下三带预测承压含水层上采煤的安根据下三带预测承压含水层上采煤的安全情况全情况底板阻水带底板阻水带厚度和强度厚度和强度均大均大安全安全正常开采正常开采 底板阻水带底板阻水带薄或强度不薄或强度不够够不够安全不够安全缩短工作面缩短工作面长度，减少长度，减少破坏深度，破坏深度，增加底板阻增加底板阻水带厚度水带厚度 根据下三带预测承压含水层上采煤的安全情况根据下三带预测承压含水层上采煤的安全情况无底板阻水带无底板阻水带底板采动导水破坏带与底板采动导水破坏带与底板承压水导升带沟通底板承压水导升带沟通不安全不安全 底板采动导水破坏带底板采动导水破坏带与含水层相接与含水层相接易突水易突水 缩短工作面长度，改变采煤方法，降低采出率，减小底板缩短工作面长度，改变采煤方法，降低采出率，减小底板缩短工作面长度，改变采煤方法，降低采出率，减小底板缩短工作面长度，改变采煤方法，降低采出率，减小底板破坏深度，甚至对底板注浆加固破坏深度，甚至对底板注浆加固破坏深度，甚至对底板注浆加固破坏深度，甚至对底板注浆加固 根据下三带预测承压含水层上采煤的安全情况根据下三带预测承压含水层上采煤的安全情况断裂构造带处导升高断裂构造带处导升高度与底板承压水导升度与底板承压水导升带接近或切穿煤层带接近或切穿煤层很危险很危险留煤柱，改变采煤方留煤柱，改变采煤方法，对破坏带以下断法，对破坏带以下断裂封堵加固裂封堵加固三、影响底板突水的主要因素三、影响底板突水的主要因素1 1、水源条件、水源条件水量愈丰富，突水量愈大，危害也愈大。水量愈丰富，突水量愈大，危害也愈大。水水压压是是突突水水的的动动力力，处处于于封封闭闭状状态态的的岩岩溶溶水水不不断断溶溶蚀蚀、冲冲刷刷裂裂隙隙，形形成成通通道道，由由含含水水层层进进入入底底板板隔隔水水层层，水水压压愈愈大大，破破坏坏愈愈严重。严重。影响底板突水的主要因素影响底板突水的主要因素2 2、地质构造、地质构造底板突水事故的底板突水事故的80%以以上发生在断裂构造附近上发生在断裂构造附近构造既可以充水，又可构造既可以充水，又可以导水以导水有效厚度和实际强度降有效厚度和实际强度降低低煤层与含水层之间的相煤层与含水层之间的相对位置变化对位置变化岩溶陷落柱岩溶陷落柱少数岩溶陷落柱既充少数岩溶陷落柱既充水，又导水，在与强水，又导水，在与强含水层沟通的条件下，含水层沟通的条件下，对安全生产威胁极大对安全生产威胁极大开滦范各庄矿开滦范各庄矿 21 21小小时后将年产时后将年产300300万万t t的的大型矿井淹没，突水大型矿井淹没，突水峰期平均涌水量为峰期平均涌水量为20532053m m3 3/min/min 影响底板突水的主要因素影响底板突水的主要因素3 3、隔水层的阻水能力、隔水层的阻水能力隔水层的阻水能力取决于隔水层的强度、隔水层的阻水能力取决于隔水层的强度、分层厚度和裂隙发育程度分层厚度和裂隙发育程度 影响底板突水的主要因素影响底板突水的主要因素4 4、矿山压力、矿山压力支承压力诱发底板突水支承压力诱发底板突水初次来压或周期来压期间初次来压或周期来压期间易易突水突水工作面后部采空区边缘附近工作面后部采空区边缘附近易易突水突水开切眼附近是底板易突水开切眼附近是底板易突水工作面推进速度慢，工作面突然停止推进工作面推进速度慢，工作面突然停止推进或在停采线处易突水或在停采线处易突水区段或分带煤柱附近易突水区段或分带煤柱附近易突水 周周期期来来压压期期间间。煤煤体体内内的的支支承承压压力力达达到到最最大，对底板破坏严重。大，对底板破坏严重。初初次次来来压压期期间间。煤煤体体内内的的支支承承压压力力达达到到最最大，对底板破坏严重。大，对底板破坏严重。开开切切眼眼附附近近。老老顶顶大大面面积积显显露露，直直接接顶顶不不能充分垮落，底板形成较大的自由面。能充分垮落，底板形成较大的自由面。支承压力诱发底板突水支承压力诱发底板突水工作面推进速支度慢工作面推进速支度慢工作面突然停止推进工作面突然停止推进工作面停采线处工作面停采线处支支承承压压力力作作用用时时间间长长，底底板板破破坏坏严严重重，推推进进快快时时，未未形形成成较较大大裂裂隙隙就就会会由由膨膨胀胀状状态态变变为为压压缩缩状态；状态；区区段段煤煤柱柱附附近近：顶顶板板垮垮落落不不充充分分，固固定定支支承承压压力作用下底鼓力作用下底鼓支承压力作用时间问题支承压力作用时间问题支承压力诱发底板突水支承压力诱发底板突水第二节第二节煤层下方承压水体采动等级及防水安全煤层下方承压水体采动等级及防水安全煤岩柱留设方法煤岩柱留设方法一、煤层下方水体采动等级和允许采动程度一、煤层下方水体采动等级和允许采动程度水体类型水体类型允许采动程度允许采动程度要求留设的安要求留设的安全煤岩柱类型全煤岩柱类型1位位于于煤煤系系地地层层之之下下的的巨巨厚厚灰灰岩岩强含水体强含水体2位位于于煤煤层层之之下下的的薄薄层层灰灰岩岩具具有有强含水源补给的含水体强含水源补给的含水体3位位于于煤煤层层之之下下的的作作为为重重要要水水源源或旅游资源保护的水体或旅游资源保护的水体不不允允许许底底板板采采动动导导水水破破坏坏带带波波及及水水体体，或或与与承承压压水水导导升升带带沟沟通通，并并有有能能起起到到强强阻阻水水作作用用的的有有效效保保护层护层底底板板强强防防水水安安全煤岩柱全煤岩柱煤层下方水体煤层下方水体煤层下方水体煤层下方水体I I I I级采动等级和允许采动程度级采动等级和允许采动程度级采动等级和允许采动程度级采动等级和允许采动程度 煤层下方水体采动等级和允许采动程度煤层下方水体采动等级和允许采动程度1位位于于煤煤系系地地层层之之下下的的弱弱含含水水体，或已疏降的强含水体体，或已疏降的强含水体2位位于于煤煤层层之之下下的的无无强强水水源源补补给的薄层灰岩含水体给的薄层灰岩含水体3位位于于煤煤系系地地层层或或煤煤系系地地层层底底部其它岩层中的中弱、含水体部其它岩层中的中弱、含水体允允许许采采取取安安全全措措施施后后底底板板采采动动导导水水破破坏坏带带涉涉及及水水体体，或或与与承承压压水水导导升升带带沟沟通通，但但防防水水安安全全煤煤岩岩柱柱仍仍能能起起到到安安全全阻水作用阻水作用底底 板板 弱弱防防 水水 安安全全 煤煤 岩岩柱柱煤层下方水体煤层下方水体IIII级采动等级和允许采动程度级采动等级和允许采动程度 二、水体上采煤防水安全煤岩柱设计方法二、水体上采煤防水安全煤岩柱设计方法设计防水安全煤岩柱的原则是：不允许底板设计防水安全煤岩柱的原则是：不允许底板采动导水破坏带涉及水体，或与承压水导升采动导水破坏带涉及水体，或与承压水导升带沟通带沟通1 1、无导升带的正常底板、无导升带的正常底板底板防水安全煤岩底板防水安全煤岩柱高度柱高度h h a a应大于或应大于或等于导水破坏带深等于导水破坏带深度度h h1 1和阻水带厚度和阻水带厚度h h2 2之和之和h h a ah h1 1+h+h2 2 水体上采煤防水安全煤岩柱设计方法水体上采煤防水安全煤岩柱设计方法2 2、承压水附近存在导、承压水附近存在导升带升带底板安全煤岩柱高度底板安全煤岩柱高度haha应大于或等于导水破坏应大于或等于导水破坏带深度带深度h h1 1、阻水带厚度阻水带厚度h h2 2和承压水导升带高度和承压水导升带高度h h3 3之和之和 h h a ah h1 1+h+h2 2+h+h3 3 水体上采煤防水安全煤岩柱设计方法水体上采煤防水安全煤岩柱设计方法底板含水层顶部存底板含水层顶部存在充填隔水带在充填隔水带充填隔水带厚度充填隔水带厚度h h4 4可以作为底板防水可以作为底板防水安全煤岩柱厚度的安全煤岩柱厚度的组成部分组成部分 h h a ah h1 1+h+h2 2+h+h4 4 第三节第三节底板突水预测底板突水预测hdhahd煤层底板至含水层顶之间的实际厚度煤层底板至含水层顶之间的实际厚度ha计算的安全煤岩柱尺寸计算的安全煤岩柱尺寸承压水上采煤的安全度符合要求。承压水上采煤的安全度符合要求。底板突水预测底板突水预测hdhahd煤层底板至含水层顶之间的实际厚度煤层底板至含水层顶之间的实际厚度ha计算的安全煤岩柱尺寸计算的安全煤岩柱尺寸当当计计算算所所得得的的安安全全煤煤岩岩柱柱尺尺寸寸ha大大于于煤煤层层底底板板至至含含水水层层顶顶之之间间的的实实际际厚厚度度hd时时，需需进一步评定进一步评定底板突水预测底板突水预测一、突水系数法一、突水系数法TS突突水水系系数数，MPa/m；P实实际际水水压压力力，MPa；M底底板板隔隔水水岩岩层层厚厚度，即度，即hd，m；Cp底板采动导水破坏底板采动导水破坏带深度，即带深度，即h1，m突水系数法突水系数法突突水水系系数数小小于于临临界界突突水水系系数数时时，可可以以实实现现安全开采，否则要采取措施安全开采，否则要采取措施部分矿区临界突水系数部分矿区临界突水系数部分矿区临界突水系数部分矿区临界突水系数矿区矿区矿区矿区突水系数突水系数突水系数突水系数T T T Ts s s s（MPa/mMPa/mMPa/mMPa/m）峰峰峰峰峰峰峰峰0.0660.0660.0660.066 0.0760.0760.0760.076焦作焦作焦作焦作0.060.060.060.06 0.100.100.100.10淄博淄博淄博淄博0.060.060.060.06 0.100.100.100.10井陉井陉井陉井陉0.060.060.060.06 0.150.150.150.15底板突水预测底板突水预测二、经验曲线二、经验曲线以往带压开采过以往带压开采过程中的突水与未程中的突水与未突水的采掘工作突水的采掘工作面水压与底板岩面水压与底板岩层厚度的关系，层厚度的关系，制成突水临界曲制成突水临界曲线线 第四节第四节承压含水层上安全采煤的技术措施承压含水层上安全采煤的技术措施采煤方法主要是指开采过程对岩溶水的处理方法采煤方法主要是指开采过程对岩溶水的处理方法一、深降强排（一、深降强排（疏水开采）设置各种疏水工程，将岩溶水水位人为地降低到开设置各种疏水工程，将岩溶水水位人为地降低到开采水平以下采水平以下疏水井巷、疏水钻孔疏水井巷、疏水钻孔防止底板突水效果最好。防止底板突水效果最好。疏疏水水工工程程量量大大、设设备备多多、电电耗耗大大，因因而而投投资资大大、成成本高；本高；由由于于疏疏水水引引起起的的水水位位降降低低，使使附附近近工工农农业业用用水水缺缺乏乏，并造成地表下沉。并造成地表下沉。承压含水层上安全采煤的技术措施承压含水层上安全采煤的技术措施二、外截内排（二、外截内排（堵水开采）在在井井田田或或井井田田内内某某一一区区域域外外围围集集中中径径流流带带采采用用钻钻孔孔注注浆浆的的方方法法建建立立人人工工帷帷幕幕，截截断断矿井的补给水矿井的补给水然然后后在在开开采采范范围围内内进进行行疏疏水水，将将承承压压水水的的水位降低到开采水平以下水位降低到开采水平以下特特定定条条件件，水水文文地地质质条条件件清清楚楚，补补给给径径流流区集中区集中三、带压开采三、带压开采带带压压开开采采在在煤煤层层和和含含水水层层之之间间保保留留足足够够厚厚度度和和阻阻水水能能力力的的隔隔水水层层岩岩柱柱，在在有有一一定定水水压压条条件件下开采。下开采。带带压压开开采采无无需需事事先先专专门门排排水水，在在经经济济上上花花费费较较少少，特特别别是是在在水水文文地地质质条条件件复复杂杂的的地地区区，底板突水的危险性更大。底板突水的危险性更大。开开采采技技术术要要求求高高，要要防防止止发发生生突突出出事事故故，保保护采掘空间本身。护采掘空间本身。带压开采时的技术措施带压开采时的技术措施1、缩短工作面长度、缩短工作面长度缩小到跨度缩小到跨度60m时效果明显，时效果明显，降低了最大应力，底臌量减少降低了最大应力，底臌量减少底板裂隙带深度减少底板裂隙带深度减少井陉、邯郸隔水层最薄处井陉、邯郸隔水层最薄处10多米；多米；2、缩小来压步距、缩小来压步距挑挑顶顶和和软软化化顶顶板板，强强制制放放顶顶（降降低低了了最最大大支支承承压压力力，改改善善了了底底板板受受力力状状态态，变两向应力状态为三向应力状态）变两向应力状态为三向应力状态）带压开采时的技术措施带压开采时的技术措施3）改变顶板管理方法和采煤方法）改变顶板管理方法和采煤方法充充填填采采煤煤法法可可减减少少支支承承压压力力对对底底板板的的破破坏坏、可可防防止止底底鼓鼓和和底底板板裂裂隙隙张张开。开。条带采煤法条带采煤法可减轻对底板的破坏。可减轻对底板的破坏。分分层层采采煤煤法法以以后后各各分分层层周周期期来来压压不不明显。明显。带压开采时的技术措施带压开采时的技术措施4、改革采区巷道布置、改革采区巷道布置巷巷道道布布置置要要少少穿穿断断层层，特特别别要要注注意意交交岔岔点点和和工工作面上下出口要避开断层。作面上下出口要避开断层。巷巷道道应应尽尽可可能能和和断断层层正正交交，避避免免巷巷道道与与断断层层平平行和长距离斜交。行和长距离斜交。减少交岔点数目和交岔点的面积。减少交岔点数目和交岔点的面积。采区间隔离开采，采区四周要留煤柱，之间要采区间隔离开采，采区四周要留煤柱，之间要设置水闸门，以缩小底板突设置水闸门，以缩小底板突水影响范围。水影响范围。带压开采时的技术措施带压开采时的技术措施5、处理断层和陷落柱、处理断层和陷落柱突突水水与与断断层层有有关关，特特别别与与多多条条断断层层交交叉叉有密切关系有密切关系峰峰峰峰76%井陉井陉97%淄博淄博70%焦作焦作55%带压开采时的技术措施带压开采时的技术措施注浆加固注浆加固留断层和陷落柱煤柱留断层和陷落柱煤柱6、注浆加固底板，提高保护层强度、注浆加固底板，提高保护层强度对对于于底底板板破破碎碎带带及及薄薄层层石石灰灰岩岩含含水水层层，通通过过钻钻孔孔注注浆浆，堵堵塞塞石石灰灰岩岩溶溶洞洞，加加固固破破碎碎带带和和裂裂隙隙带带，并并封封闭闭奥奥陶陶系系石石灰灰岩岩的的补补给给通道。通道。注浆注浆对局部地点对局部地点注固结剂注固结剂带压开采时的技术措施带压开采时的技术措施7、其它、其它易易突突水水地地点点要要少少掘掘巷巷，少少钻钻孔孔，提提高高工工作作面面推推进进速速度度，并并保保持持匀匀速速推推进进，避避免免工工作作面长期停采。面长期停采。带压开采时的技术措施带压开采时的技术措施8 8、综合治理同时带压开采、综合治理同时带压开采m1m2m3H1H2 水平采m1、m2，水位为H1在 水平水位为H2时，再采 水平的m3降降低低水水位位，采采用疏水措施用疏水措施灰岩类矿井岩柱承受的水压MPa岩柱高m采厚m技术措施薄层灰岩焦作冯营矿0.65-1.5738-404.5疏水降压厚层灰岩淄博黑山矿2.2-3.1835-46留断层煤柱厚层奥灰邯郸王凤一矿0.4419-251预疏邻近灰岩水厚层茅口灰岩涟邵桥头河矿2.38-101.8疏水降压引起局部突水薄层徐灰淄博双沟矿0.9533-38疏水降压留断层煤柱我国承压水上带压开采的情况我国承压水上带压开采的情况