煤矿防治水规定》培训-防隔水煤柱留设专题讲座2

防隔水煤（岩）柱的留设2012年3月14日中煤科工集团西安研究院研究员、博士生导师李竞生第一部分防隔水煤（岩）柱的种类和留设原则防隔水煤（岩）柱的留设一、概述防隔水煤（岩）柱是煤矿井下的重要防水设施之一，其主要作用有二：一是防止地表水、地下水、老空水和断层水等大量溃入井下，发生水患事故；二是在水文地质条件复杂和极复杂矿区与防水闸门和闸墙联合使用实现分水平或分采区隔离开采，以便发生突水时能够控制水势，减少灾情，保证矿井安全。防隔水煤（岩）柱的种类很多，但总的来说可以划分为纵向防隔水煤（岩）柱和横向防隔水煤（岩）柱两大类。在水体下采煤所留设的煤柱是典型的纵向煤柱（也称垂向煤柱），其主要尺寸用煤柱高度表示；而在断层附近留设的一般是横向煤柱，其尺寸用宽度表示。二、防隔水煤（岩）柱的种类根据《煤矿防治水规定》和《煤矿安全规程》，防隔水煤（岩）柱主要有以下7种。1.煤层露头防隔水煤（岩）柱；2.断层防隔水煤（岩）柱；3.水淹区和老空积水区下防隔水煤（岩）柱；4.地表水体防隔水煤（岩）柱；5.钻孔和陷落柱防隔水煤（岩）柱；6.相邻井田边界防隔水煤（岩）柱；7.上下水平、相邻采区或相邻工作面防隔水煤（岩）柱。三、防隔水煤（岩）柱的留设原则1.煤矿防隔水煤（岩）柱的留设必须与矿井地质构造、水文地质条件、煤层赋存条件及其组合结构方式、围岩物理力学性质等自然因素密切结合，还应与开采方法、开采强度和顶板管理方法等人为因素一致。2.煤矿防隔水煤（岩）柱留设应在开采设计中确定。应当与开采方式和井巷布局以及防水闸门的留设相适应，否则会给以后煤柱的留设造成极大困难，甚至造成无法留设的后果。3.在受突水威胁，但又不宜采用疏放或注浆封堵等其它防治水方法的地区采掘时，必须留设防隔水煤（岩）柱。4.防隔水煤（岩）柱一般不能再利用，故应在安全可靠的基础上把煤柱的宽度和高度降低到最低限度，以提高资源利用率。也可以采用充填法、条带法，疏水降压和含水层改造等方法，消除水患威胁，创造少留煤柱的条件。5.煤矿防隔水煤（岩）柱一经确定，不能随意变动，严禁在各类防隔水煤（岩）柱中进行采掘活动。在水体下开采，提高采煤上限的必须经省级煤炭行业管理部门审批。6.防隔水煤（岩）柱留设和计算所需要的数据，必须在本地区通过试验确定，邻区或外地的数据只能参考。如果需要采用，应结合本地情况适当加大安全系数。三、防隔水煤（岩）柱的留设原则三、防隔水煤（岩）柱的留设原则7.多煤层地区，各煤层的防隔水煤（岩）柱必须统一考虑确定，以免某一煤层开采影响和破坏另一煤层的煤柱。8.防隔水煤（岩）柱中必须要有一定厚度的粘土质隔水岩层或含水性能弱的岩层，否则防隔水煤（岩）柱将无隔水作用。9.严禁在水体下通过留设防隔水煤（岩）柱的方法开采急倾斜煤层，以避免发生煤层抽冒，造成重大透水事故。10.相邻井田的分界处，应当留设防隔水煤（岩）柱，防隔水煤（岩）柱的尺寸在矿井设计时确定。第二部分防隔水煤（岩）柱的留设和计算防隔水煤（岩）柱的留设概述防隔水煤（岩）柱的留设和计算方法主要有四种。一是经验类比法，参照工程地质和水文地质条件相似矿井安全采掘的防隔水煤（岩）柱尺寸，作为本矿区开采防隔水煤（岩）柱的留设依据；二是利用理论公式进行计算，如匈牙利的埃斯茨公式和查姆保公式等；三是依据《煤矿防治水规定》中的传统方法留设；四是利用数值法计算或相似模拟试验确定防隔水煤（岩）柱的合理尺寸。煤层露头防隔水煤（岩）柱的留设，按公式（17-1）和（17-2）计算。煤层露头无覆盖或被黏土类微透水松散层覆盖时：Hf=Hk+Hb（17-1）煤层露头被松散富水性强的含水层覆盖时（图17-1）：Hf=HL+Hb（17-2）式中Hf——防隔水煤（岩）柱高度，m；Hk——采后垮落带高度，m；HL——导水裂缝带高度，m；Hb——保护层厚度，m。一、煤层露头防隔水煤（岩）柱的留设和计算根据公式（17-1）或（17-2）计算的值，不得小于20m。式中Hk、HL和Hb的计算，参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的相关规定。图17-1煤层露头被松散富水性强含水层覆盖时防隔水煤（岩）柱留设图Hf—防隔水煤（岩）柱高度；HL—导水裂缝带高度；Hb—保护层厚度；α—煤层倾角一、煤层露头防隔水煤（岩）柱的留设和计算二、含水或导水断层防隔水煤（岩）柱的留设和计算含水或导水断层防隔水煤柱的留设（图17-2）可参照经验公式（17-3）计算：P35.0KpKML≥20m（17-3）式中L——煤柱留设的宽度，m；K——安全系数，一般取2～5；M——煤层厚度或采高，m；p——水头压力，MPa；Kp——煤的抗拉强度，MPa。式中：L—煤柱留设的宽度；p—水头压力；M——煤层厚度或采高图17-2含水或导水断层防隔水煤（岩）柱留设图公式（17-3）用于防隔水岩柱计算时，M为巷道高度，Kp为岩层抗拉强度二、含水或导水断层防隔水煤（岩）柱的留设和计算三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算煤层与强含水层或导水断层接触，并局部被覆盖时（图17-3），防隔水煤（岩）柱的留设要求如下：L—防隔水煤（岩）柱宽度；L1、L2、L3—防隔水煤(岩)柱各分段宽度；HL—导水裂缝带高度；Ha—断层安全防隔水岩柱的宽度；θ—断层倾角；δ—岩层塌陷角；H—煤层底板以上的静水位高度；M—断层上盘含水层层面高出下盘煤层底板的高度图17-3煤层与强含水层或导水断层接触时防隔水煤（岩）柱留设图当含水层顶面高于导水裂缝带上限时，防隔水煤（岩）柱可按图17-3a、图17-3b留设。其计算公式为：L=L1+L2+L3=Hacscθ+HLcotθ+HLcotδ（17-4）导水裂缝带上限高于断层上盘含水层且断层不导水时，防隔水煤（岩）柱按图17-3c留设。其计算公式为：L=L1+L2+L3=Ha（sinδ－cosδcotθ）+（Hacosδ+M）（cotθ+cotδ）≥20m（17-5）三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算上式中：L——防隔水煤（岩）柱宽度，m；L1，L2，L3——防隔水煤（岩）柱各分段宽度，m；HL——导水裂缝带高度，m；θ——断层倾角，（°）；δ——岩层塌陷角，（°）；M——断层上盘含水层层面高出下盘煤层底板的高度，m；Ha——断层安全防隔水岩柱的宽度，m。三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算公式（17-5）推导过程：将图17-3c从a点引平行于煤层的直线ad，可得图17-4。图17-4防隔水煤（岩）柱尺寸L计算示意图三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算在直角△aec中，∠aec=∠δ所以，ac=Hasinδ在直角△ebc中，bc=eccotθ=HacosδcotθL1=ac-bc=Hasinδ-Hacosδcotθ=Ha（sinδ-cosδcotθ）在直角△egf中，ef=M+ec=M+Hacosδ在直角△egf中，gf=L2=efcotθ=（M+Hacosδ）cotθ在直角△efh中，fh=L3=efcotδ=（M+Hacosδ）cotδL2+L3=（M+Hacosδ）（cotθ+cotδ）因此，L=L1+L2+L3=Ha（sinδ-cosδcotθ）+（M+Hacosδ）（cotθ+cotδ）三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算图17-3c所示防隔水煤（岩）柱尺寸也可用另一种方法计算（如图17-5所示）：将图17-3c转化为图17-5形状，可得防隔水煤（岩）柱尺寸计算公式：L=L1+L2+L3=++（17-6）tanMsinaHtanM三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算Ha值应当根据矿井实际观测资料来确定，即通过总结本矿区在断层附近开采时发生突水和安全开采的地质、水文地质资料来确定。图17-5防隔水煤（岩）柱尺寸L计算示意图三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算Ha值也可以按公式（17-7）计算：三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算式中p——防隔水岩柱所承受的静水压力，MPa；Ts——临界突水系数，MPa／m；A——保护层厚度，一般取10m。ATpHsa（17-7）临界突水系数Ts应根据本矿区实际突水资料确定。本矿区如无实际突水系数，可参考其他矿区资料，但选用时应当综合考虑隔水层的岩性、物理力学性质、巷道跨度或工作面的空顶距、采煤方法和顶板控制方法等一系列因素。我国某些矿区的临界突水系数见表17-1。三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算表17-1某些矿区的临界突水系数矿区名称峰峰焦作淄博井陉临界突水系数MPa/m0.066～0.0760.060～0.1000.060～0.1400.060～0.150三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算安全防隔水岩柱Ha也可以用斯列萨列夫公式和保护层厚度A确定，计算公式为：AKlpKllHapp224)8(l——巷道底宽或回采工作面最大控顶距离（一般为20～30m）；——隔水层的平均重度，MN/m3；Kp——隔水层的平均抗拉强度，MPa；p——隔水层承受的水头压力，MPa。三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算四、煤层位于含水层上方且断层导水和不导水时防隔水煤（岩）柱的留设和计算在煤层位于含水层上方且断层导水的情况下（图17-6），防隔水煤（岩）柱的留设应当考虑2个方向上的压力：一是煤层底部隔水层能否承受下部含水层水的压力；二是断层水在顺煤层方向上的压力。α—断层倾角；Ha—断层安全防隔水岩柱的宽度；L—防隔水煤（岩）柱宽度图17-6煤层位于含水层上方且断层导水时防隔水煤（岩）柱留设图当考虑底部压力时，应当使煤层底板到断层面之间的最小距离（垂距），大于安全岩柱的宽度Ha的计算值，并不得小于20m。其计算公式（17-9）为：sinaHL≥20m（17-9）式中α——断层倾角，（°）；其余参数同前。四、煤层位于含水层上方且断层导水和不导水时防隔水煤（岩）柱的留设和计算当考虑断层水在顺煤层方向上的压力时，按公式（17-3）计算煤柱宽度。根据以上两种方法计算的结果，取用较大的数字，但仍不得小于20m。如果断层不导水（图17-7），断层安全防隔水岩柱Ha应当是含水层顶面与断层交点至煤层采空区的距离。如图17-7a所示，顺层防隔水煤柱的宽度按下式计算（但不得小于20m）：tghhHLLLcca2212（17-10）四、煤层位于含水层上方且断层导水和不导水时防隔水煤（岩）柱的留设和计算对于图17-7b所示情形，防隔水煤柱的宽度按下式计算（但不得小于20m）：tghhHaaLLcca22)(在公式（17-10）、（17-11）中，hc为含水层至煤层的层间距，m。（17-11）四、煤层位于含水层上方且断层导水和不导水时防隔水煤（岩）柱的留设和计算（a）（b）α—断层倾角；Ha—断层安全防隔水岩柱的宽度；L—防隔水煤（岩）柱宽度图17-7煤层位于含水层上方且断层不导水时防隔水煤（岩）柱留设图四、煤层位于含水层上方且断层导水和不导水时防隔水煤（岩）柱的留设和计算在上述各种情况下，断层安全防隔水岩柱宽度Ha按公式（17-12）计算：psaCTpH式中Cp——煤层底板破坏深度，m；其余参数同前。（17-12）公式（17-12）是一个近似公式，突出的考虑了煤层底板的破坏深度对Ha的影响。四、煤层位于含水层上方且断层导水和不导水时防隔水煤（岩）柱的留设和计算安全防隔水岩柱Ha也可以用斯列萨列夫公式和煤层底板破坏深度Cp确定，计算公式为：paCKlpKllHpp224)8(（17-13）式中参数同前。四、煤层位于含水层上方且断层导水和不导水时防隔水煤（岩）柱的留设和计算五、水淹区