【采矿课件】05承压含水层上采煤

第五章承压含水层上采煤太原群灰岩、奥陶系灰岩、茅口灰岩灰岩岩溶发育，含水丰富。底板承压水—有一定水压、贮存和流动于煤层底板灰岩中的水体奥陶系灰岩厚200800m，奥灰水的水压1.473.43MPa，深部可达9.81MPa至石炭系最下部可采煤层的距离通常仅有2060m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措施开采邻近承压含水层上的煤层煤层底板突水：灰岩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已发生过300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第一节影响底板突水的主要因素一、底板突水类型1、按突水地点•巷道突水多以构造破坏为主，承压水通过断裂或构造破碎带进入底板，形成充水，一旦巷道揭露出来后，承压水就迅速涌入。底板突水类型•采场突水多以采矿破坏为主，矿山压力破坏和削弱了底板隔水层的厚度和强度，造成与含水层的密切水力联系。巷道突水和采场突水的比例几乎相等二、底板突水原因分析1、煤层底板的受力与变形GK33EFⅠⅢψβⅣVC0241ⅥM3Ⅱo′ψV2′ⅣDγ0H23Ⅱ′N′Ⅲ1L1、煤层底板应力及变形分区hσσ=kγHvⅣhσhσσ≈0Ⅴvσ≈γHvⅥ底板破坏带—底板突水的通道2、煤层底板岩层中的下三带底板采动导水破坏带Ⅲ承压水导升带Ⅱ阻水带Ⅰh12h3hwγHkγHkγH底板采动导水破坏带煤层底板岩层受采动影响而产生的采动导水断裂范围由沿层面和垂直于层面的裂缝形成底板采动导水破坏带Ⅲ承压水导升带Ⅱ阻水带Ⅰh12h3hwγHkγHkγH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•工作面长度愈大，矿山压力显现愈充分，底板破坏深度愈大•顶板悬顶愈大，前支承压力峰值愈大，对底板破坏愈严重。•采深加大后前支承压力的绝对量随采深加大而加大320底板破坏深度160408412L(m)工作面斜长12080p5-3160200240280h(m)20242832不同采煤方法的底板破坏深度采煤方法及面长长壁80100m短壁50m条带20m房柱15m×15m底板破坏深度(m)10173.572.5335注：根据数值计算结果（2）底板阻水带位于煤层底板采动导水破坏带以下、底部含水体以上具有阻水能力的岩层范围底板采动导水破坏带Ⅲ承压水导升带Ⅱ阻水带Ⅰh12h3hwγHkγHkγH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厚度h2实验法h2=p/Zp—底板上的水压力，MPa；Z—阻水系数，MPa/m。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Z=pb/Rpb—使岩体破裂时的临界水压力，MPa；R—裂缝扩展半径，一般取4050m岩层阻水系数Z岩性中、粗粒砂岩细砂岩粉砂岩阻水系数（MPa/m）0.30.50.30.2岩性泥岩石灰岩断层带阻水系数（MPa/m）0.10.30.40.050.10底板承压水导升带与石灰岩邻接的岩层中原始就存在着节理和裂隙，岩溶承压水进入后成为导水层底板承压水导升带底板采动导水破坏带Ⅲ承压水导升带Ⅱ阻水带Ⅰh12h3hwγHkγHkγH煤层底板承压含水层的水在水压力和矿压作用下上升到其顶板岩层中的范围底板承压水导升带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，有些矿区可能无底板承压水导升带。底板采动导水破坏带Ⅲ承压水导升带Ⅱ阻水带Ⅰh12h3hwγHkγHkγHh3用物探和钻探方法巷道中用电测，钻探根据下三带预测承压含水层上采煤的安全情况底板阻水带厚度和强度均大安全正常开采底板阻水带薄或强度不够不够安全缩短工作面长度，减少破坏深度，增加底板阻水带厚度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底板采动导水破坏带与底板承压水导升带沟通不安全底板采动导水破坏带与含水层相接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断裂构造带处导升高度与底板承压水导升带接近或切穿煤层很危险留煤柱，改变采煤方法，对破坏带以下断裂封堵加固三、影响底板突水的主要因素1、水源条件水量愈丰富，突水量愈大，危害也愈大。水压是突水的动力，处于封闭状态的岩溶水不断溶蚀、冲刷裂隙，形成通道，由含水层进入底板隔水层，水压愈大，破坏愈严重。影响底板突水的主要因素2、地质构造底板突水事故的80%以上发生在断裂构造附近•构造既可以充水，又可以导水•有效厚度和实际强度降低•煤层与含水层之间的相对位置变化))岩溶陷落柱s-600-500-400KO2314ss129s7+27-3005s少数岩溶陷落柱既充水，又导水，在与强含水层沟通的条件下，对安全生产威胁极大开滦范各庄矿21小时后将年产300万t的大型矿井淹没，突水峰期平均涌水量为2053m3/min影响底板突水的主要因素3、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、分层厚度和裂隙发育程度底板采动导水破坏带Ⅲ承压水导升带Ⅱ阻水带Ⅰh12h3hwγHkγHkγH影响底板突水的主要因素4、矿山压力支承压力诱发底板突水初次来压或周期来压期间易突水工作面后部采空区边缘附近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或在停采线处易突水区段或分带煤柱附近易突水周期来压期间。煤体内的支承压力达到最大，对底板破坏严重。初次来压期间。煤体内的支承压力达到最大，对底板破坏严重。开切眼附近。老顶大面积显露，直接顶不能充分垮落，底板形成较大的自由面。支承压力诱发底板突水工作面推进速支度慢工作面突然停止推进工作面停采线处支承压力作用时间长，底板破坏严重，推进快时，未形成较大裂隙就会由膨胀状态变为压缩状态；区段煤柱附近：顶板垮落不充分，固定支承压力作用下底鼓支承压力作用时间问题支承压力诱发底板突水第二节煤层下方承压水体采动等级及防水安全煤岩柱留设方法一、煤层下方水体采动等级和允许采动程度水体类型允许采动程度要求留设的安全煤岩柱类型1．位于煤系地层之下的巨厚灰岩强含水体2．位于煤层之下的薄层灰岩具有强含水源补给的含水体3．位于煤层之下的作为重要水源或旅游资源保护的水体不允许底板采动导水破坏带波及水体，或与承压水导升带沟通，并有能起到强阻水作用的有效保护层底板强防水安全煤岩柱煤层下方水体I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1．位于煤系地层之下的弱含水体，或已疏降的强含水体2．位于煤层之下的无强水源补给的薄层灰岩含水体3．位于煤系地层或煤系地层底部其它岩层中的中弱、含水体允许采取安全措施后底板采动导水破坏带涉及水体，或与承压水导升带沟通，但防水安全煤岩柱仍能起到安全阻水作用底板弱防水安全煤岩柱煤层下方水体II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，或与承压水导升带沟通1、无导升带的正常底板h2hha1底板防水安全煤岩柱高度ha应大于或等于导水破坏带深度h1和阻水带厚度h2之和ha≥h1+h2水体上采煤防水安全煤岩柱设计方法2、承压水附近存在导升带底板安全煤岩柱高度ha应大于或等于导水破坏带深度h1、阻水带厚度h2和承压水导升带高度h3之和ha≥h1+h2+h3h3hha2h1导升带阻水带水体上采煤防水安全煤岩柱设计方法hahh42h1底板含水层顶部存在充填隔水带充填隔水带厚度h4可以作为底板防水安全煤岩柱厚度的组成部分ha≥h1+h2+h4第三节底板突水预测•hd≥hahd—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承压水上采煤的安全度符合要求。底板突水预测•hd＜hahd—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当计算所得的安全煤岩柱尺寸ha大于煤层底板至含水层顶之间的实际厚度hd时，需进一步评定底板突水预测一、突水系数法TS—突水系数，MPa/m；P—实际水压力，MPa；M—底板隔水岩层厚度，即hd，m；Cp—底板采动导水破坏带深度，即h1，m1hhpTCMpTdsps或突水系数法突水系数小于临界突水系数时，可以实现安全开采，否则要采取措施部分矿区临界突水系数矿区突水系数Ts（MPa/m）峰峰0.0660.076焦作0.060.10淄博0.060.10井陉0.060.15底板突水预测二、经验曲线以往带压开采过程中的突水与未突水的采掘工作面水压与底板岩层厚度的关系，制成突水临界曲线565底板隔水层厚度ha(m)3555452515(e)焦作矿区突水统计关系曲线突水区掘进安全区回采安全区采煤工面突水点掘进工面突水点oP水压（MPa)123456第四节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采水平以下疏水井巷、疏水钻孔防止底板突水效果最好。疏水工程量大、设备多、电耗大，因而投资大、成本高；由于疏水引起的水位降低，使附近工农业用水缺乏，并造成地表下沉。承压含水层上安全采煤的技术措施二、外截内排（堵水开采）在井田或井田内某一区域外围集中径流带采用钻孔注浆的方法建立人工帷幕，截断矿井的补给水然后在开采范围内进行疏水，将承压水的水位降低到开采水平以下特定条件，水文地质条件清楚，补给径流区集中三、带压开采带压开采—在煤层和含水层之间保留足够厚度和阻水能力的隔水层岩柱，在有一定水压条件下开采。带压开采无需事先专门排水，在经济上花费较少，特别是在水文地质条件复杂的地区，底板突水的危险性更大。开采技术要求高，要防止发生突出事故，保护采掘空间本身。带压开采时的技术措施1、缩短工作面长度缩小到跨度60m时效果明显，降低了最大应力，底臌量减少底板裂隙带深度减少井陉、邯郸隔水层最薄处10多米；2、缩小来压步距挑顶和软化顶板，强制放顶（降低了最大支承压力，改善了底板受力状态，变两向应力状态为三向应力状态）带压开采时的技术措施3）改变顶板管理方法和采煤方法充填采煤法—可减少支承压力对底板的破坏、可防止底鼓和底板裂隙张开。条带采煤法—可减轻对底板的破坏。分层采煤法—以后各分层周期来压不明显。带压开采时的技术措施4、改革采区巷道布置•巷道布置要少穿断层，特别要注意交岔点和工作面上下出口要避开断层。•巷道应尽可能和断层正交，避免巷道与断层平行和长距离斜交。•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，之间要设置水闸门，以缩小底板突水影响范围。带压开采时的技术措施5、处理断层和陷落柱突水与断层有关，特别与多条断层交叉有密切关系峰峰76%井陉97%淄博70%焦作55%带压开采时的技术措施注浆加固留断层和陷落柱煤柱6、注浆加固底板，提高保护层强度对于底板破碎带及薄层石灰岩含水层，通过钻孔注浆，堵塞石灰岩溶洞，加固破碎带和裂隙带，并封闭奥陶系石灰岩的补给通道。注浆对局部地点注固结剂带压开采时的技术措施7、其它易突水地点要少掘巷，少钻孔，提高工作面推进速度，并保持匀速推进，避免工作面长期停采。带压开采时的技术措施8、综合治理同时带压开采m1m2m3ⅠⅡH1H2Ⅰ水平采m1、m2，水位为H1在Ⅱ水平水位为H2时，再采Ⅰ水平的m3降低水位，采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