矿井采动影响诱发水灾规律及防治技术.ppt

矿井采动诱发水灾规律及防治技术汪理全18902499959,煤矿开采的三性,认识煤矿开采的的特殊性、艰巨性和困难性；,例子1徐州地方煤炭公司（天龙集团）沛城煤徐州西北62km1972年建矿，1981年投产；1980年统计 可采储量1520万t 城下压煤700万t 影响地面建筑面积，49万平方米；1981年江苏省人民政府决定沛城搬迁，征地1500亩，预计搬迁时间20年，搬迁费用2亿元。,例子2徐州矿业集团公司1995年统计：工业储量 13.37亿t；三下压煤 5.11亿t；储量的特点：两多、两少、一快。薄煤层多，三下压煤多后备资源少，生产水平储量少，2.48亿t（分布在深部），2.44亿t动用储量快，每年动用储量2000万t以上,地下开采与地表塌陷,垮落法管理顶板 地表形成大面积塌陷区地表塌陷面积：煤层开采面积的1.2倍左右。每采1万吨煤要塌陷0.2公顷土地塌陷面积平均每年增加2万公顷复垦率为22%,采动治理,采矿的基本特点是具有采动影响。采动影响是地下采矿工程中大面积开采引起的围岩（顶板直至地表、底板及所采矿层本身）位移和变形及其造成的种种损害的统称。对所采煤（矿）层，顶板及底板产生的采动影响可以用“三带”理论描述；而对于地表沉陷及其过程的现象和规律可用地表移动盆地来描述。,“三带”包括顶三带、底三带及边三带。在采煤（矿）工作面上覆顶板岩层内产生的采动影响，谓之“顶三带”。即垮落带、断裂带及弯曲下沉带。在采面边界外侧的煤（矿）层内可形成松弛带、塑性变形带和弹性变形带。在采面边界内侧则可形成矸石堆积带、重新压缩带及矸石压实带。,在煤层底板岩层内产生的采动影响称为“底三带”，即鼓胀带、微裂隙带及应力变化带。若根据承压含水层上采煤的技术要求，采场底板岩层自上而下分为破坏带、保护层带及承压水导升带。采动“三带”的影响范围及程度与采深、开采方法、煤（矿）层及岩层的力学性质等有关。,采煤（矿）引起采场上覆岩层移动波及到地表，使地表产生移动,变形和破坏，并在采空区上方形成一个比采空区大的移动范围，称为地表移动盆地。其下沉与变形的规律可用下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形等指标描述。,采动影响造成的独具矿业特色的生态环境问题有：（1）破坏土地。据不完全统计，全国煤矿地下开采造成的地表沉陷累计已达40余万ha，平均每年沉陷2万ha，平均每采1万t煤炭沉陷农田0.2ha。矸石侵占土地。当前全国大中型煤矿有矸石山1500座（不包括乡填小煤矿），矸石堆放量达30亿t以上，侵占土地约65000ha。,如平顶山矿区，矸石堆积达3900万t，31座矸石山，占土地98ha。露天开采对表土剥离和排土场破坏土地已达1.76万ha。预计到2010年，矸石排放量将每年增加2亿t，年新增占土地约667ha。这显然加剧了我国土地资源短缺的局面。,（2）破坏和污染水体。煤矿开采造成采场覆岩大面积沉陷的同时，也破坏了水体，矿井疏排水造成地下水位下降。平均每采1t煤需排水2t。焦作矿区每采1t煤排水量高达49t华北地区开采每吨煤平均破坏水资源约10t。全国重点煤矿每年矿井排放废水2.2Gt，其中部分为酸性、高盐或高悬浮物矿井水；选煤废水28Mt，其他工业废水30Mt，生活污水4亿t。这些废水严重污染了环境。,（3）污染大气环境。矿井每年排放的瓦斯超过80亿m3。1999年我国SO2排放总量为1857万t，烟尘排放总量为1159万t，其中75%与燃煤有关。以SO2污染导致的酸雨覆盖面积已达国土总面积的30%以上。,综上所述，矿区生态环境的污染已相当严重。这将影响经济建设、社会发展及人类生存环境。就煤炭开采技术而言，必须用高新技术来改造传统的煤炭产业，创新少污染的开采技术体系，中国21世纪议程中称少污染的煤炭开采技术体系的基本要点是：综合防治煤矿开采过程中对环境和其他资源的破坏及污染；并将其技术持续地应用于煤炭开采的全过程中，最大限度地减轻或消除煤炭开采对生态环境及其他资源造成的损害。目标是寻求最佳经济效益和社会效益。,第一章 开采引起的岩层移动,第一节 开采引起的岩层移动,一、充分采动区、岩石压缩区、最大弯曲区和底板隆起区1、围岩根据变形分区：岩层移动形式，变形特性、移动的原因,充分采动区最大弯曲区：岩层向下弯曲的程度最大顶板压缩区支承压力引起沿垂直方向压缩工作面区域以外地层下沉,底板压缩区不均匀隆起区应力降低水平挤压均匀隆起区,岩层移动和变形分区,充分采动区最大弯曲区：岩层向下弯曲的程度最大顶板压缩区底板压缩区 支承压力引起沿垂直方向压缩工作面区域以外地层下沉不均匀隆起区 底鼓 应力降低均匀隆起区 水平挤压,煤体下方 采空区下方（高应力压缩）低应力 h侧向水平应力,h,h,KH,H,h,h,底板,二、垮落带、断裂带和弯曲带,1、三带的形成,（1）垮落带,垮落带 不规则垮落带，呈杂乱堆积。规则垮落带，岩块堆积排列较整齐碎胀性：1.3 1.5,体积增大导水：水、水砂和泥浆容易通过高度:,（2）断裂带,曾称：裂隙带。断裂带特点：左右断裂，上下离层一般导水，又称导水断裂带,厚煤层第一分层以后的分层开采时，断裂带高度上升，但上升的幅度较初次采动大为减小,（3）弯曲带,断裂带之上至地表又称：弯曲下沉带或整体移动带,采深较大，弯曲带的高度可能大大超过断裂带高度,特点：保持整体性和层状结构，不存在或极少存在离层裂隙。隔水，岩性较软时，隔水性能更好。,不出现三带的可能性,浅部无弯曲下沉带充填开采无垮落带,2三带的空间轮廓形状,（1）0 35垮落带开采期间，垮落带的高度基本上是相同开采完毕，中间较低，两端较高的枕形轮廓断裂带两端边界超出，呈马鞍形，最高点位于采空区斜上方。,（）36 54,垮落带上部岩块下滑或滚动上部继续离层、断裂、破碎和垮落，下部垮落带高度较小。,断裂带上大下小，上部的轮廓大致呈抛物线，与采空区边界齐或略偏外。,（3）=5590,岩块滚动下滑，迅速充填下部上部：边界煤柱片帮、碎裂、抽冒，垮落带和断裂带上边缘急剧向上发展，大大超出上边界垮落带、断裂带呈耳形或上大下小的不对称拱形,3、垮落带与断裂带的高度,垮落带与断裂带的高度（1）主要影响因素顶板岩性 煤层倾角 采高及厚煤层分层次数采空区范围采空区处理方法,顶板岩性对两带的影响,顶板坚硬，两带高度较大，之和可达18 28倍采高顶板松软破碎时，两带高度较低，采厚的9 12倍。,煤层倾角对两带的影响,倾角小于35时，岩块就地堆积。垮落带和断裂带上边界离煤层的高度基本上是相等倾角35 54时，垮落岩块下滑。倾角大于54时，岩块下滚，下部垮落的发展很小，上部发展很高,采高及厚煤层分层次数对两带的影响,一次采全高或分层初次开采时，两带高度与采高呈近似直线关系分层或近距离煤层群重复开采，两带高度随分层次数增加而递减,采空区范围对两带的影响,采空区范围大时，两带充分发展，反之受到限制,采空区处理方法对两带的影响,全部垮落法：上覆岩层破坏发展最充分，弯曲、离层、断裂、垮落，达到一定高度充填法：无垮落带，断裂带高度也明显降低煤柱支撑法：两带高度介于之间,垮落带高度的计算公式（倾角为035及3654）单一煤层的垮落带最大高度,覆岩为极坚硬岩层公式,w 垮落过程中顶板下沉值,覆岩为坚硬、中硬、软弱岩层或其互层公式,垮落带高度公式（倾角为035及3654，厚煤层分层开采）,导水断裂带高度计算公式（倾角为035及3654）（单一薄及中厚煤层或厚煤层分层开采）,急斜煤层,h,垮落带及导水断裂带高度(倾角为5590),注：h区段或分段垂高，m；M煤层法线厚度，m。,近距离煤层垮落带和断裂带高度,层间距大于下煤层开采形成的垮落带高度 上下煤层的垮落带高度不重合，而断裂带高度可能重合,上下煤层的断裂带最大高度可按近距离上下煤层的厚度分别计算，取其中标高值大者作为两层煤的断裂带高度；上下煤层的垮落带高度则取上煤层的垮落带高度。,近距离煤层垮落带和断裂带高度,层间距小于下煤层开采形成的垮落带高度 上下煤层的垮落带高度重合,上煤层的断裂带高度按该层的厚度计算，下煤层断裂带最大高度按综合开采厚度计算，取其中标高最大值作为两层煤的断裂带最大高度。,Mz=M1+M2,y2=H2k/M2,第二节 开采引起的地表移动,地表移动-因地下采矿使地表产生移动、变形和破坏的现象和过程 一、地表移动和破坏的形式 非连续型 裂缝或塌陷坑 煤层埋藏较浅，采厚较大或受构造影响连续型 地表移动盆地或下沉盆地煤层埋藏较深，采厚较小,鹤岗富力矿浅部开采引起的地表漏斗状塌陷坑,非连续型地表移动,地表漏斗形塌陷坑,非连续型地表移动,地表台阶状裂缝,非连续型地表移动,图1-6 地表塌陷漏斗,急倾斜煤层开采后煤层露头处附近漏斗状塌陷坑,非连续型下沉,地表的裂缝、台阶或塌陷坑，对位于其上的建筑物、铁路和水体危害极大，应避免其出现。,连续型地表移动,地表移动盆地采空区上方地表形成的沉陷区域，又称地表下沉盆地。,在时间上和空间上是连续的，渐变的，有明显的规律，变形的基本指标可用数学方法表示,二、地表移动盆地的形成及其特征,1、地表移动盆地的形成,开采空间宽度称为起动距,H,1,(0.25-0.5)H,W1,2,W2,3,W3,4,5,W4,W5,地表移动盆地,动态盆地推进过程中形成的地表移动盆地 静态盆地最终地表移动盆地,地表移动盆地,1、充分采动,把地表最大下沉值不再随开采区域尺寸增大而增加的开采状态称为充分采动 特点：地表下沉值达到该地质条件下应有的最大值，此后开采范围再继续扩大时，地表的影响范围相应扩大，但地表最大下沉值不再增加,临界开采,达到充分采动时的地表移动盆地,超充分采动,地表下沉盆地出现平底或有多个点的下沉值达到最大下沉值的采动状态,超充分采动,非充分采动,非充分采动地表最大下沉值随开采区域尺寸增大而增加的开采状态,非充分采动,3、地表移动盆地特征,主断面指通过盆地内最大下沉点沿煤层倾向或走向的垂直剖面主断面内表现为通过最大下沉点的地表下沉曲线。,1、近水平煤层地表移动盆地,近水平煤层地表移动盆地,下沉曲线,主断面上的地表下沉曲线分为三段或两段采空区上方的内缘区下沉曲线呈凹形 煤柱上方的外边缘区下沉曲线呈凸形,下沉曲线的凹凸或内外边缘区分界点称为拐点,非充分采动的近水平煤层地表移动盆地,缓倾斜和中倾斜煤层地表移动盆地,移动盆地在倾向方向上与采空区不对称 盆地、最大下沉值 和拐点均下移,急倾斜煤层地表移动盆地,非对称性更加明显，整个盆地及最大下沉值向采空区下边界方向偏移，地表最大水平移动值大于最大下沉值，煤层底板岩层也移动,地表移动盆地的充分采动角,在移动盆地主断面上，将地表下沉曲线上的最大下沉点或盆地平底边缘点投影在地表水平线上，该投影点和采空区边界的连线与煤层底板在采空区一侧的夹角叫充分采动角,地表移动盆地的充分采动角,下山方向的充分采动角1上山方向的充分采动角2走向方向的充分采动角以3表示,边界角、移动角和裂隙角,边界角,边界角在充分或接近充分采动条件下，移动盆地主断面上的边界点和采空区边界点的连线与水平线在煤壁一侧的夹角,下沉盆地外边界,移动盆地最外的边界理论上：以地表移动和变形都为零实际处理：一般取下沉为10mm的点为边界点。,下沉盆地边界角,基岩走向边界角0下山边界角0上山边界角0,下沉盆地移动角,在充分或接近充分采动条件下，在移动盆地的主断面上，地表最外的临界变形点和采空区边界点连线与水平线在煤壁一侧的夹角,下沉盆地移动角,临界变形值 受保护的建筑物和构筑物不需修理能保持正常使用所允许的地表最大变形值,下沉盆地移动角,倾斜i=3mm/m水平变形=2mm/m曲率K=0.2mm/m2大致相当于地表下沉值为80mm之点处基岩 走向移动角；下山移动角；上山移动角,松散层移动角,松散层 第四纪、第三纪未成岩的冲积层、洪积层和残积层的统称松散层移动角,裂隙角,地表最大的一条裂缝和采空区边界点与水平线在煤壁一侧的夹角 走向裂缝角上山裂缝角下山裂缝角,急倾斜煤层边界角、移动角、裂隙角,急倾斜煤层的顶板、底板边界角移动角和裂隙角,最大下沉角,在移动盆地倾向主断面上，采空区中点和地表最大沉点在地表水平线上投影点的连线与水平线在下山方向的夹角,=90-K K=0.50.8,四、地表移动和变形的主要指标及变化规律,研究方法地面点的运动时间 垂直移动空间 水平移动 空间问题 平面问题在主剖面上用数学方法研究,运动,横向纵向,一点的移动矢量是空间位置（x、y、z）和时间（t）的函数,采厚比(连续型地表下沉条件)常规开采条件 长壁垮落理想地质条件 无大的地质构造（大断层）单煤层开采,典型化和理想化条件,一定倾角的煤层沿走向（水平煤层）主断面内移动和变形规律（充分采动）,1,2,3,4,5,6,7,8,9,x,0,3,3,0,2,3,4,5,6,7,8,9,1,主断面内移动和变形规律,1、下沉 主断面内地表移动向量的铅直分量,用W表示。,坐标O点:最大下沉值处的地表点W坐标轴向下为正，单位为mmx坐标轴向右为正，单位为m,下沉变化规律,W=W（x）最大下沉值在盆地中央，Wo=W5；x增加，W由零增加到最大，而后又趋于零,W（-x）=W（x）；边界点由0决定；下沉曲线凹凸分界的拐点处，下沉值约为最大值的一半。,2、倾斜,倾斜是指地表单位长度内下沉的变化，用i表示单位为mm/m，i坐标轴向下为正,倾斜,倾斜是地表下沉的一阶导数，i(x),i=tg 正负号的决定：i=tg下沉曲线的切线与x轴正向所夹锐角为+时,倾斜为正;下沉曲线的切线与x轴正向所夹锐角为-时倾斜为负。左侧w0 右侧w0,x,倾斜的正负号,倾斜的正负号,有两组方向不同的倾斜边界点和最大下沉点之间的倾斜必然有正极值和负极值存在。,倾斜的正负号的物理意义,垂直于地表下沉曲线的杆状物倾倒的趋向与x轴正向相同时，倾斜为正；杆状物倾倒的趋向与x轴负向相同时倾斜为负。,水平移动,水平移动-地表移动向量的水平分量,用U表示，单位为mm，,U=U（x）,有两组方向不同的水平移动规定:正值的水平移动与x轴的正方向一致负值的水平移动与x轴的负方向一致,水平移动,1点 U1=05点 U5=09点 U9=0U坐标向下为正,边界点和采空区中点的水平移动为零；边界点和采空区中点之间有极值。,水平移动U（x）和倾斜i（x）的变化趋势同步,水平移动U（x）和倾斜i（x）,B一个有单位的比例系数,曲率,地表单位长度内倾斜的变化，用K表示，单位为mm/m2或10-3/m。曲率坐标轴向上为正.,曲率,数学上曲率严格定义,地表移动和变形得出的曲率是数学上曲率严格定义的近似。,正负号倾斜曲线的切线与x轴正向所夹锐角为+时,曲率为正;倾斜曲线的切线与x轴正向所夹锐角为-时曲率为负。大小K1=0 K3=0 K5=0 K7=0 中间必有极值K3=0 K5=0 K7=0 K9=0,曲率,曲率正负号的物理意义,正曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向凸起或在煤层方向下凹负曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向下凹或在煤层方向凸起,水平变形,水平变形单位长度上水平移动的变化用 表示，坐标向上为正，单位：mm/m,水平变形,U,o,x,+,-,正负号：用tg，水平移动曲线的切线与x轴正向所夹锐角为+时,水平变形为正;水平移动曲线的切线与x轴正向所夹锐角为-时水平变形为负。大小 1=0 3=0 5=0 7=0 中间必有极值 3=0 5=0 7=0 9=0,水平变形,水平变形正负号的物理意义,水平变形正值的物理意义为地表受拉伸变形负值的物理意义为地表受压缩变形。,两个相等的正极值和两个相等的负极值 正极值为最大拉伸值，位于边界点和拐点之间；负极值为最大压缩值，位于两个拐点之间；盆地边界点、拐点和中点处水平变形为零；盆地边缘区为拉伸区，中部为压缩区盆地边界点和拐点处水平变形为零,水平变形的变化规律,地表移动盆地内五项指标变化规律,五项指标之间的关系,非充分和 超充分采动条件下水平煤层(或有一定倾角的煤层沿走向)主断面内地表移动与变形规律,第二章 水体下采煤,水体下采煤地表水体下或地下水体下采煤开采 煤体上的水体开采空间（由于岩层移动和变形）水和开采空间存在着一种水力联系弱水力联系 增加排水费用 强水力联系 突水或透水事故,开滦 林西矿时间 涌水量Q（t/min）Qmax（t/min）1906-1907 2.51928 15.51961 28-341977.6 37-391977.7.28 2301983-1998 40.5(2430t/h)特大涌水矿井张双楼矿 矿井涌水量 963m3/h,矿井涌水量示例,第一节 影响水体下安全开采的因素,地表水体：积聚在江、海、河、湖、水库、沼泽、水渠、坑、塘和塌陷区中的水 地下水体：积聚在岩石和松散层空隙中的水 松散层水体 第四纪和第三纪松散层中的含水 基岩含水层水体 砂岩、砾岩、砂砾岩及石灰岩岩溶含水层水体 采空区积水孔隙水、裂隙水及岩溶水,一、水体的类型,隔水层-导水性能很差的岩层导水层-能被水透过的岩层含水层-透水性能好且含地下水的岩层隔水性和导水性能取决于颗粒大小和矿物成份（主要取决于粘土的含量）,颗粒愈细，隔水性能愈好粉土 0.005mm砂 0.052mm砾 2mm,二、煤岩的隔水和导水性能,煤岩的隔水和导水性能,隔水性 粘土的含量（%）良好 30 弱 1130 差 10,煤岩的隔水和导水性能,砂砾 含水且导水，导水性能好节理裂隙 含水且导水断层、陷落柱 导水或不导水垮落带、裂隙带 导水煤 开采前为隔水层，开采后不易风化、泥化，是导水层或弱导水层,三、地表水、地下水涌入开采空间的机理,充水通道开采使上覆岩层移动和破坏，形成充水通道，使水体渗透或溃入井下。影响程度使矿井的涌水量增加（水体的水量少或补给不足）淹井（充水通道沟通的是地表水、采空区水、溶洞水或地下暗河等大型水体，井下排水能力难以满足）,水体下开采需要了解的问题,水体的类型（水源、水量）煤岩的隔水性能、是导水层还是隔水层可能的水力联系,四、水体下采煤的理论依据,1、“三带”理论对于地面水体、松散层底部和基岩中的强、中含水层水体、要求保护的水源等水体，不容许导水断裂带波及；对于松散层底部的弱含水层水体，允许导水断裂带波及；对于厚松散层底部为极弱含水层或可以疏干的含水层，允许导水断裂带进入，同时允许垮落带波及。,水体下采煤的理论依据,2、隔水层理论水体底面与煤层之间应有相应厚度的隔水层，才能实现水体下安全采煤。一定厚度的泥岩和粘土层是水体下安全采煤的良好隔水层。,五、水体下的采煤方式,1、顶水采煤对水体不处理，直接在水体下方采煤，水体与煤层之间保留一定厚度或垂高的安全煤岩柱。顶水采煤适应条件：水量大、补给充足、水体距开采煤层较远,2、疏水采煤,利用排水系统，开掘疏水巷道或钻孔，疏降上部水体，再在水体下方采煤。先疏水后采煤 水量有限可以预先疏 干小窑积水、采空区积水边疏水边采煤 水量不太大，而水体的 分布范围很大,3、顶疏结合采煤,受多种水体或多层含水层水体威胁间距大于导水断裂带高度的水体，顶水采煤；间距在垮落带和导水断裂带范围内的水体，疏水采煤。顶水和疏水取决于水体与煤层的间距和水体的类型,单纯的地表水（河流、水库、湖泊）难疏干，顶水采煤，留防隔水煤岩柱。单纯的松散含水层水体 冲积层中的水 一般顶水采煤，留防隔水煤岩柱冲积层厚度愈大，水源补给愈丰富，离煤层愈近，威胁愈大。,砂层砂砾,水体下采煤,单纯的基岩含水层水体 砂岩水 孔隙水 砾岩水 裂隙水 石灰岩水 岩溶水对水体的处理取决于煤层至水体的距离，高于断裂带时，顶水采煤；低于断裂隙带，疏水采煤。,水体下采煤,地表水+松散含水层水松散含水层水+基岩水 地表水+松散含水层水+基岩水 采煤方法由具体情况而定隔水层的厚度隔水层的性能水体至煤层的距离采厚水量大小水源,水体下采煤,4、堵截水源与疏水结合采煤,采用粘结性材料注入含水层的孔洞中，形成地下挡水帷幕，切断水的补给通道，然后疏水采煤。条件：含水层厚度较小、补给通道集中、水文地质条件清楚，具备可靠隔水边界,六、水体下采煤的特点,主要考虑煤层与水体之间有无隔水层，开采后隔水层能否破坏，开采引起的上覆岩层裂隙是否波及水体 水体下采煤的保护对象是矿井本身，为保护矿井本身必须保护水体下方的岩层水体下采煤的主要对策是隔离和疏降,第二节 水体下采煤的安全煤岩柱留设,一、水体的采动等级及允许采动程度级 不允许导水断裂带波及到水体 级 允许导水断裂带波及松散孔隙弱含水层水体，但不允许垮落带波及该水体 级 允许导水断裂带进入松散孔隙弱含水层，同时允许垮落带波及该弱含水层水体,级水体采动等级允许采动程度,级水体采动等级允许采动程度,级水体采动等级允许采动程度,二、安全煤岩柱的留设方法,留设安全煤岩柱的实质是确定开采上限，保证断裂带或垮落带不波及水体1、防水安全煤岩柱目的：不允许导水断裂带波及到水体结果：避免上覆水体涌入井下，并要使矿井涌水量不明显增加。,地表有松散覆盖层 时的防水安全煤岩柱留设,HshHd+Hb,地层上部无松散层覆盖，且采深较小时的防水安全煤岩柱,HshHd+Hb+Hbi,基岩风化带也含水时的防水安全煤岩柱,HshHd+Hb+Hfe,2、防砂安全煤岩柱,目的：是允许导水断裂带波及松散弱含水层或已疏降的松散层强含水层，但不容许垮落带接近松散层底部 结果：泥砂不会溃入井下，矿井涌水量会略有增加，或只是短时间增加。,防砂安全煤岩柱,Hs=Hk+Hb,3、防塌安全煤岩柱,防塌煤岩柱松散层底界面与煤层开采上限之间为防止泥砂塌入采空区而保留的煤和岩体目的：防止上覆弱含水层和粘土层塌入井下,防塌安全煤岩柱的垂高应等于或接近于垮落带的最大高度,4、安全煤岩柱保护层厚度,位于导水断裂带上边界或垮落带上边界与水体底界面之间的岩层,注：A=M/n，M-累计采厚，m；n-分层层数；本表不适用于综放开采,054煤层防水安全煤岩柱保护层厚度/m,054煤层防砂安全煤岩柱保护层厚度（m）,注：A=M/n，M-累计采厚，m；n-分层层数；本表不适用于综放开采,5590煤层防水安全煤岩柱及防砂安全煤岩柱保护层厚度,a 松散层底部粘性土层大于累计采厚b 松散层底部粘性土层小于累计采厚c 松散层全厚为小于累计采厚的粘性土层d 松散层底部无粘性土层,第三节 水体下采煤的安全技术措施,一、水体下采煤的井下安全技术措施 试探开采 先远后近（水体）先厚后薄（隔水层）先简单后复杂（地质条件）先较深后较浅（煤层）,水体下采煤的井下安全技术措施,分区隔离开采 采区四周均设防水隔离煤柱 绕道和石门内设永久性的防水闸门 全部充填法开采、部分开采和分层间歇开采 降低覆岩破坏高度 坚持有疑必探，先探后采的原则 正确设计防水隔离煤柱 防水、防砂和防塌安全煤岩柱 采区间的防隔水煤柱 断层和陷落柱防隔水煤柱,二、水体下采煤的地面措施,切断和改变地面补给水源河流改道河流铺底建立上游水库筑拦洪坝修拦洪沟填渗水裂缝架渡槽设围沟排除内涝,第三章 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 3.43 MPa，深部可达9.81MPa至石炭系最下部可采煤层的距离通常仅有2060m,第三章 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 3.43 MPa，深部可达9.81MPa至石炭系最下部可采煤层的距离通常仅有2060m,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,1、煤层底板应力及变形分区,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,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,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,底板破坏深度:H1=0.303L0.8 或 H1=0.7007+0.1079L(1)H2=0.0085H+0.1665+0.1079L-4.3579(2)H-采深，m L-工作面倾斜长度,m-煤层倾角(0).,不同采煤方法的底板破坏深度,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,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/Z p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/R pb使岩体破裂时的临界水压力，MPa；R裂缝扩展半径，一般取4050m,岩层阻水系数Z,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,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。,h3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,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,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,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,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,底板防水安全煤岩柱高度h a应大于或等于导水破坏带深度h1和阻水带厚度h2之和h ah1+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 h ah1+h2+h3,水体上采煤防水安全煤岩柱设计方法,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 h ah1+h2+h4,第三节 底板突水预测,h d h a h d 煤层底板至含水层顶之间的实际厚度h a 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,h d h a h d 煤层底板至含水层顶之间的实际厚度h a 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h d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h d，m；Cp底板采动导水破坏带深度，即h1，m,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 0.0660.076焦作 0.060.10淄博 0.060.10井陉 0.060.15,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隔水岩层厚度的关系，制成突水临界曲线,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）,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。,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。,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%,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,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。,8、综合治理同时带压开采,m1,m2,m3,H1,H2,水平采m1、m2，水位为H1在 水平水位为H2时，再采 水平的m3,降低水位，采用疏水措施,我国承压水上带压开采的情况,