煤矿水害现状及防治对策课件.ppt

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1、煤矿水害现状及防治对策,山东科技大学特殊开采研究所,工学博士、教授、博导、所长科技部与山东省科技计划与奖励评审专家教育部优秀博士论文评审专家国土部矿山地质灾害与环境保护评审专家山东科技大学水文学与水资源学科带头人山东省安全工程泰山学者学术骨干国际岩石力学与工程学会中国小组成员山东岩石力学与工程学会理事兼任中国民建泰安市委员会副主委、泰安市政协常委,张文泉,主讲人：,(青)(泰)7(办),一 我国煤矿水害现状及特点 二 我国煤矿水害的基本概念及理论 三 煤矿水害防治水技术研究现状 四 矿井水害防治技术工作内容及对策 五 正在从事的煤矿水害防治新技术研究 工作,我国煤矿水害的基本现状与特点,第一部

2、分,概况我国煤炭资源丰富 2000m深度5.57万亿吨；1000m深度2.8万亿吨煤炭占能源比重大 当前67%；本世纪50%开采条件复杂 井工开采比重95%；开采深度 400m安全情况不好 百万吨死亡率6人，居世界之首； 每年死亡总数6000人，超过世界的总合。煤矿重大灾害事故预测与控制的重要性,我国许多煤田水文地质条件十分复杂，煤层开采过程中受到多种水体的威胁，矿井防治水是煤矿生产与科研中的一大难题。我国煤矿区主要受三类水害的威胁:第一类是巨厚强含水冲积层对其下伏煤层开采的威胁，例如，华东、华北、东北平原地区的煤系地层普遍被第四纪、第三纪含水松散层覆盖，淮南、潘集、淮北、皖北、枣庄、兖州、淄

3、博、龙口、大屯、苏南、焦作、郑州、邯郸、峰峰、邢台、开滦、沈北、沈南、梅河、鹤岗、石嘴山等矿区，都有含水层下采煤及顶板岩体突水问题；第二类是具有强含水层或地表水体补给的太原群岩溶含水层，对其上下煤层的威胁；第三类是厚层灰岩岩溶强含水层对上覆煤层开采的威胁。,第二、三类水害对煤矿开采威胁最大的是厚层灰岩岩溶水，其中包括：我国北方石炭二迭纪煤系底部的奥灰强含水层，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140170米，煤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

4、南桐、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。 尤其是地方煤矿开采地质条件非常复杂，顶、底板水及老空水的不利因素更显得十分突出。对于水害的各种信息的处理也只处于散乱和不完善状态，不能科学地分析和处理各种水害信息。 近几年来，随着煤矿生产在开采深度和广度上的不断增加，矿井水的危害日趋严重，淹井伤人事故频繁发生，给人民的生命与财产带来了极大的损失，水的不利因素严重制约着煤炭工业的发展。,川滇构造带,阴山构造带,贺兰山构造带,昆仑,秦岭,构造带,1,2,3,4,5,6,1-华北石炭二叠纪煤田的岩溶-裂隙水水害区； 2-华南晚二叠世煤田的岩溶水水害区； 3-东北侏罗纪

5、煤田的裂隙水水害区； 4-西北侏罗纪煤田的裂隙水水害区； 5-西藏-滇西中生代煤田的裂隙水水害区； 6-台湾第三纪煤田的岩溶-裂隙水水害区；,我国是世界上煤矿灾害最为严重之一的国家，煤矿水害事故频频发生，据不完全统计，在过去的20年里，有220多个矿井被水淹没，死亡8000多人，经济损失高达300多亿元人民币。下表反映1996年2004年煤矿水害事故情况。,下面的图表反映了1996年2004年煤矿水害事故情况。,2004年全国各类煤矿水害事故及死亡人数统计,死亡总数286,2004年全国煤矿重大突水事故突水类型分布,2005年全国煤矿重大突水事故,死亡总数593人,广东兴宁123人,2005年

6、78月份我国煤矿水害事故情况,如震惊国内外的2005年“8.7”大兴矿难就是水淹区下采煤发生的。大兴煤矿埋深约700m，地层倾角在45至70之间。160至260m标高的范围为水淹的采空区，蓄水量为1500至2000万立方米；矿井的生产区为230m至440m。防水煤柱高度为70至110m。2005年8月7日发生淹井后，人员伤亡达121人，造成事故的原因一方面是急倾斜煤层不适宜留设防水煤柱，另一方面是井下偷采了防水煤柱。再一方面可能是早期煤柱本身就不完整。虽然出水后采用多种物探手段，但效果不理想，未能查明煤柱厚度。,2006年13月份我国煤矿水害事故情况,2007-2008 我国煤矿事故类型分布统

7、计,2.1 地表水体及大气降水造成的水害,我国煤矿水害的类型,2. 2 松散层水(冲积层水)水害,2. 3 老窑水造成的水害,2. 4 含水层突水水害,2. 5 小煤窑造成的水害,突水频率呈现上升趋势,废弃矿井与小窑诱发突水明显上升,矿井突水与矿井防治水管理水平密切相关,突水频率与生产发展速度关系密切,新时期我国煤矿水害的新特点,突水引起的灾害和社会影响越来越大,相对落后的水害防治技术不能满足新的生产条件,隐蔽型导水构造的精细探查技术与装备不足,对人类活动诱发的突水事故防范措施不到位,缺乏专门的防治水队伍和规范化的水害监管体系,现有防治水技术手段利用不够，防治水工作规范化程度低,煤矿水害新特点

8、产生的原因,新的采矿条件下矿井突水机理研究,煤层底板隔水层采动场效应研究,突水条件适时监控与预警技术研究,废弃矿井诱发突水条件及防范技术研究,隐伏导水构造精细探查技术与装备研究,新形式下煤矿水害防治技术面临的研究问题,高压强含水层水文地质条件勘探技术研究,复合含水层分层富水性定量评价技术研究,矿井水文地质条件探查和水文地质信息分析管理技术要能满足高产高效矿井建设与生产的时间与空间要求,矿井含导水构造的探查精度和探查深度要能满足矿井巷道掘进与工作面回采速度和空间尺度的要求,矿井水害条件的监测与预警分析要具备实时性和定量性,新形式下矿井生产对水害防治技术的基本要求,煤矿水害的基本概念及理论,第二部

9、分,煤矿水害的基本概念及控制因素,煤矿水害是指煤矿在建设开发过程中，不同形式、不同水源的水通过特定的途径进入矿,当矿井涌水超过正常排水能力并给矿山建设或生产带来影响或灾害的过程与结果。从 灾害 影响范围划分：淹井、淹采区、淹工作面影响程度 :一般 大水害 特大水害,影响煤矿水害的四大因素,煤矿水害,充水水源,充水途径,充水水量,A、 充水水源是否存在，如果存在，有何特征。B、 充水途径是否存在，如果存在，属何类型。C、 充水强度如何，一旦出水有何后果。D 突然来水还是缓慢性涌水。,充水方式,常见的矿坑充水水源,间接充水水源,直接充水水源,自身充水水源,间接顶板水,间接底板水,直接顶板水,直接底

10、板水,工作面位于含水层之中,常见的矿井充水水源,常见的充水途径,天然通道,人工通道,导水裂隙,导水断层,陷 落 柱,岩溶塌洞,顶板三带,底板三带,防水煤岩柱,不良钻孔,点状通道,线状通道,面状通道,常见矿井充水途径,正常水量,最大水量,灾害水量,常见的水量类型,矿井充水因素的不同组合会形成不同类型的矿井水文地质条件和矿井水害类型,常见的矿井涌水量类型,煤矿水害事故与岩层运动和应力场应力分布间的关系,开采活动行进过程中，覆岩逐渐转化的三种岩层结构，作者称之为覆岩运动结构,工作面开采覆岩拱形冒落对采场围岩的影响示意,新时期煤矿水害防治工作的有关文件,1、李毅中、王显政、赵铁锤在全国煤矿 防治水会议

11、上的讲话,2、关于加强煤矿水害防治工作的指导意见 （安监总煤矿200698号）,3、煤矿水害防治工作规范（讨论稿）,4、煤矿安全规程,新时期煤矿水害防治工作的有关要求,十六字原则：预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采。,五字措施：防、堵、疏、排、截,基本要求：责任落实到位，人员落实到位，资金落实到位，规划预案到位，制度措施到位。,顶板透水事故控制及相关信息基础,原因及实现条件 事故原因：工作面推进断裂破坏的岩层波及到含水岩层，特别是原有构造破坏的富水区域。 事故实现条件： 顶板存在富水区间； 采场推进裂断破坏岩层沟通富水区； 透水量超限 透水时间超限,透水可能性预测和控制 预测模型及相关参数

12、 h= K h L K h =0.50.7 L=L L h =0.5L,判断准则,即：,即：,即：,即：,控制关键（开切眼相对富水区位置和工作面长度）,透水量预测和控制 预测模型及相关参数 相关参数： 工作面长度 ， 含水层高度 ， 厚度 ， 推进方向过水断面长度 ， 工作面长度方向过水断面长度 ， 渗流半径R。,透水量预计式中：为煤层倾角 K渗透系数。,近水平煤层；倾斜煤层。,近水平煤层；倾斜煤层。,其中,影响半径R，根据实测钻孔位置和水压推断含水层渗透系数,顶板透水事故预测和控制的信息基础 顶板透水事故预测控制的信息，包括水源信息、构造运动破坏情况、采动顶板运动破坏信息及采动支承压力分布信

13、息四个方面。 (1)水源信息，包括： 顶板含水层数目位置，厚度含水特征（包括含水性质、面积、富水区域分布、水压力及补给水源情况等）。 顶板隔水层位置、厚度； 顶板褶曲、断层。 (2)构造破坏情况，包括： 褶曲破坏情况； 断层破坏情况。 正是构造破坏沟通了各含水层及补给水源的联系，形成富水区域。 (3)采动顶板运动破坏信息，包括在不同工作面长度条件下，上覆岩层运动破坏情况及随采场推进的发展变化规律等。关键的信息有： 在既定工作面长度下，进入破坏的上覆岩层范围，包括直接顶厚度、老顶厚度导水裂隙带高度等。 直接顶导水裂隙带各岩梁，在重力作用下的运动步距，特别是第一次裂断步距等。 可能进入导水裂隙带的

14、含水层,在重力作用下第一次裂断和周期性裂断步距。 (4)采动支承压力分布信息的重点是采场四周煤壁进入破坏的“内应力场”宽度。,防水安全矿（岩）柱的留设方法为了使导水裂缝带不波及水体，防水安全矿（岩）柱最小尺寸应当等于导水裂缝带的最大高度加上保护层的高度，即：,(5-1)式中,防水安全矿（岩）柱高度；,导水裂隙带的最大高度；,保护层厚度。,突水事故原因及实现条件 事故原因： 采动（采掘工作面推进）支承压力及围岩破坏波及承压水源。 事故实现的条件： 煤层底板存在富集储水溶洞的巨厚灰岩层。 采动围岩破坏沟通水源。 矿井排水能力不足，安全撤离时间不够。 其中： （n1及n2） （n）,底板突水事故控制

15、及相关信息基础,第一节 底板突水事故概述,80年代与50年代相比，突水频率增长2.57倍。5060年代突水量一般为520m3/min，个别达50m3/min，60年代突水涌水量一般上升至2040m3/min，19561986年30年间，其发生淹井222起，突水1600次，1318人丧生，直接经济损失高达30亿元。特别严重的是1984年到1985年一年间，全国共发生因底板突水而淹井事故22起，仅开滦、焦作、肥城等三个大水矿务局就有6对矿井被淹，峰值水量高达2050m3/min，形成世界之最，直接经济损失约8亿元。目前受水威胁的矿井约300处，约占大矿总数近50%，受水威胁储量近百亿吨。,1、按突

16、水地点 （1）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。,第二节 “下三带”理论的概念,一、底板突水类型,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, （2）采场突水,但目前，我国煤矿底板突水类型的划分尚没有一个统一的标准，早在1987年李白英等就对我国底板突水进行过综合分类，较有代表性的单因素分类方案有：,（1）按突水与断层的关系分,（2）按突水量的大小分：,（3）按突水动态特征划分,（4）按含水层性质划分,高延法教授研究了底板突水的条件和特点

17、，按采掘关系将底板突水划分为三大类,黎良杰博士按采动影响将长壁工作面底板突水划分为二大类六小类,王作宇、刘鸿泉根据突水发生部位和突水形式的不同，将断裂突水分为4种类型，即突发型、跳跃型、缓冲型、滞后型。并总结出各型断裂的突水过程和断裂发育特点（见表1）。,表1 断裂突水统计表Tab.1 The statistical table of rupturing water-inrushing,我在参考前人分类的基础上，根据采场覆岩开采过程中的运动结构特征，从底板突水的途径与机理角度，提出以下的突水类型划方案。,煤层底板岩层经历长期、多次的地质作用，经受过变形，遭受过破坏，不仅存在大量构造结构面，而且

18、岩体中一般都存在大量岩体节理裂隙，真正均质的完整底板是不存在的（只有在薄隔水层条件下，局部可能存在单一岩性岩层，其节理很小，分布密度又少，可近似视为均质正常底板），这就是煤层底板岩层的基本结构特征，也是底板突水的主要通道和影响底板岩层阻抗突水性能的主要因素。据文献和的资料，断层型底板突水占总突水次数的75%（其中导水断层型占断层型突水的53%，采动影响型占47%），陷落柱型占5%，底板裂隙型17%，薄隔水层型占3%。,较大的构造（断层与岩溶陷落柱）和裂隙一般大都切穿煤系地层，张开性的构造和裂隙，则容易造成原始通道直接沟通型突水，闭合性的构造和裂隙，则容易造成构造和裂隙活化导通型突水，而部分隐伏

19、的构造裂隙，则可能与底板上部采动破坏产生的裂隙造成采动破坏导通型突水。含有较小和非穿透断续性节理裂隙（这里为了区分明确，以下统称为节理）的底板岩层，其突水的产生则是由于采动影响下断续性节理断裂扩展，形成裂缝沟通承压水造成采动破坏导通型突水。完整底板（薄隔水层）则是在矿山压力作用或承压水水力联合作用下，产生采动破坏裂缝直接沟通承压水造成采动破坏导通型突水。以上分析正是本分类方案的依据。,图6-1 开采影响范围内各影响带的划分,二、底板突水机理研究,1地表下沉曲线；2支承压力分布曲线；3沿层面法向岩石变形曲线；4垮落带充分采动区；、最大弯曲区；、顶板压缩区；、地板压缩区；、底板不均匀隆起区；底板均

20、匀隆起区,1.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 应力降低 均匀隆起区 底鼓 水平挤压,2、煤层底板应力及变形分区,图13-1 煤层底板应力及变形分区,底板破坏带底板突水的通道,3、煤层底板岩层中的下三带,图13-2 下三带示意图 底板采动导水破坏带；底板阻水带；底板承压水导升带,a倾斜的正常岩层情况b水平岩层并有断层切割情况c底板含水层顶部存在充填隔水带情况,底板采动导水破坏带是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

21、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。影响底板采动导水破坏带深度的因素： 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,图13-3 工作面底板采动导水破坏带深度与工作面斜长的关系,（I）底板采动导水破坏带,表13-1 不同采煤方法的底板破坏深度,注：根据数值计算结果,（II）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

22、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。,顶板初次来压之前煤层底板内应力及破坏区计算,顶板初次来压之前煤层底板应力增量计算简化图,第一、二、三阶段应力计算公式,底板阻水带厚度h2 的计算方法：,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 / RPb使岩体破裂时的临界水压力，MPa；R裂缝扩展半径，一般取4050m,表13-2 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。底板承压水导升带指煤层底板承压含水层的水

23、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。还有的矿区含水层顶部有厚度不等的岩溶充填带，不含水，并起隔水作用，若其厚度分布稳定则可与底板隔水层合并看待。因此有人将此现象比喻为“负导高” h4。 底板承压水导升带高度h3可用物探和钻探方法确定，一般可在井下巷道中用电测方法进行探测，必要时采用钻探试验。,1、水源条件 煤层底板含水层的富水性是突水的物质基础，其富水程度和初给条件决定了底板突水的水量大小和突水点能否持久涌水。水量愈丰富，突水量愈大，危害也愈大。但由于岩溶发育的不均一性，其富水性无论在水

24、平方向上或垂直方向上均具有较大的差异。水平方向上，在岩溶发育的主要径流带，富水性强且动储量丰富，位于该处的采区易出大水。在垂直方向上，往往在某一标高和范围内，岩溶发育，含水丰富，位于此深度的采区突水频率及突水量均较高。 水压是突水的动力，底板含水层具有的水头压力是底板发生突水的力学前提条件。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。在煤层底板地质条件相似的情况下，承压水水压越高，越容易突水。煤层底板突水过程中的水头压力作用主要表现在以下几个方面：,三、影响底板突水的主要因素,（1）具有较高水头压力的地下水容易克服上覆隔水层内部的软弱结构面中

25、的阻力和面上的摩擦力，沿结构面上升，使承压水的势能变为动能，成为底板突水的动力源之一。（2）水在动态渗流条件下不断潜蚀、冲刷，破坏隔水层的结构面，降低隔水层的完整性，减弱岩层的抵抗强度并扩大隔水层内部的裂缝，形成贮水空间，一旦与回采空间连通，即可引发突水。（3）水压、矿压联合作用，加速了底板岩体的破坏，使底板隔水层中的原生裂隙重新活动并形成新的裂隙，使底板隔水层阻水能力下降，底板承压水容易通过破坏裂隙进入回采工作面造成突水。有关研究表明，单纯的水压作用对完整底板岩体的突破是有限的。水压的作用是在多种因素综合作用中体现出来的，尤其与地质构造条件、矿压作用相结合，就显示出其巨大的能动作用。因此，研

26、究底板含水层的岩溶裂隙发育状况及地下水网络的分布规律，正确认识底板含水层的富水程度，进行富水区划分，对底板突水预测预报至关重要。,图13-4 断层改变了煤层与含水层的相对位置,2、地质构造 底板突水事故的80%以上发生在断裂构造附近，这些构造既可以充水，又可以导水，大大降低了有效厚度和实际强度。断层改变了煤层与含水层之间的相对位置变化。所以，从某种意义上也可称其为突水的控制因素。 断裂构造在突水中的作用表现在以下几个方面：断裂带是岩体内的薄弱带，易形成突水通道，尤其是导水断层，本身就是突水通道；断裂构造（包括断层和裂隙）破坏底板的完整性，降低了岩体的强度，使之更易于受到矿压和水压的破坏；断层缩

27、短了煤层和含水层的距离，甚至造成含水层与煤层的对接，工作面靠近断层时易发生突水；构造的控水作用，尤其是新构造对地下水的赋存和运移起控制作用。 因此，查明开采地段的地质构造，包括断层发育状况、性质及导水性，裂隙的发育规律、成因、密度等采取适当的措施预防底板突水，是承压水上采煤的关键内容之一。,岩溶陷落柱是容易引起底板突水另外的一种地质构造。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1271工作面推进到阴存的陷落柱附近时，高压水突破煤壁，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。,图13-5 2171工作面陷

28、落柱剖面图,3、隔水层的阻水能力底板隔水层是阻抗突水的因素。其阻抗能力取决于底板隔水层的岩性、厚度、组合特征及地质构造发育程度等。评价底板隔水层的阻抗水能力是一个非常复杂的工程岩体水力学问题，任何突水预测预报方法都不能脱开这项内容。底板隔水层阻抗能力主要与下列因素有关：（1）隔水层的厚度、岩性及组合特征：隔水层厚度越大，阻抗水能力越强。不同岩性具有不同的力学强度。阻抗水能力也各不相同。不同岩石力学性质岩层的组合其总体力学效应不同，同时也影响到裂隙的扩展。（2）地质结构效应：从岩层的沉积成岩到后期的构造变动决定了现在的隔水层从微细观上看已不是一个完整的、连续的岩体，但从宏观上可将隔水层划分为两种

29、基本类型：完整型和断裂型，完整型又分为均质完整型和断续节理加权平均弱化强度完整型两个亚型；断裂型又分为贯通性断裂结构型和断续节理结构型两个亚型。显然，在相同的地质结构条件下，完整型阻抗水能力较强，贯通性断裂结构型易形成集中的突水通道，而断续节理结构型易形成滞后突水。（3）水的物理化学作用效应：水岩作用可使结构面和岩体的力学性质恶化。（4）应力作用效应：底板的失稳破坏是在矿压、承压水及地应力作用共同作用下发生的。（5）时间效应：岩体的流变、突水通道的扩展畅通，底板的破坏等等随着时间发生质的变化。工作面快速推进使突水减小的概率，就是使时间效应不能充分发挥作用的缘故。,4、矿山压力 矿山压力是底板突

30、水的诱导因素，其主要作用是对底板的破坏。矿山压力的作用强度与开采空间的大小，如采面长度、开采厚度等，顶板管理方式，上覆岩层状况，煤层倾角等因素有关。开采方法主要包括顶板管理方法、充填非充填、留煤柱与无煤柱、机采与炮采、单层与分层开采、长壁或短壁（沿走向或倾向），支护方式及控顶面积等方面的影响。总而言之，开采方法的影响主要表现在是否有利于增大或减小悬顶及冒落的面积和是否有利于增大、集中或减小、分散矿压的作用。矿压增大和集中，有利于底板破坏，减小和分散则反之。 开采引起的支承压力诱发底板突水，有以下规律： （1）初次来压或周期来压期间易突水 ； （2）工作面后部采空区边缘附近易突水； （3）开切眼

31、附近是底板易突水； （4）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； （5）区段或分带煤柱附近易突水。,5、地应力 地应力是底板突水的附加力源。地应力对底板突水的影响表现在两个方面：（1）导致突水的附加力源，主要是指构造应力，构造应力是地壳中岩层发生断裂和褶皱作用的主要驱动力。古构造应力场及其更迭形成了各煤田的基本构造特征，新构造应力场迭加其上，对其进行改造并形成新的构造。在应力集中区，地应力加剧了煤层底板变形和破坏，成为导致煤层底板突水的附加力源。突水发生频率与地震发生频率一致性就是很好的说明。（2）阻抗突水的附加力源：主要指自重应力。随埋深增加，自重应力增大，断裂的闭合性变好

32、，对底板突水起抑制作用。承压水要突破隔水层，除需克服岩体的抗张能力外，还要克服地应力的作用。目前，对地应力与底板突水关系的定量研究尚显不足。,四、中间岩层带的进一步划分 在经典“下三带”理论中的第带，即完整岩层带或称其为保护层带。在大厚度的底板隔水层中，由于地质沉积和构造的不均质性决定其不可能是绝对完整岩层。因此，在“下三带”理论中将完整岩层带或保护层带定义为中间岩层带（）更为严谨合理，其阻水性能与保护作用的程度尚需视其原始地质结构、结构与采动矿压作用等具体条件分析确定。 我们认为：厚度较大的保护层带其内部岩性、结构、构造等可能有所不同，对其中若有一定厚度的岩层，关键是判断裂隙是否发育、导通？

33、是否充水？且其水压水量是否对煤层开采有威胁？是否可能与下部主要含水层有水力联系？若有威胁或有联系，则应把它作为含水层看待，“下三带”划分则不包括此层。若不含水、无威胁，则仍看作保护层中的一部分，但在阻水强度计算时可据实际情况予以扣除考虑。,4.1 矿压损伤带（ ）,大量底板研究资料表明采动附加支承压力影响深度可达80100m左右，采动底板导水破坏带深度仅为其一小部分，该带裂隙已基本贯通，渗透性明显增加，基本失去了阻水隔水能力。但在其下的中间岩层带中，其上部存在一个裂隙起裂甚至扩展的亚临界带，可进一步定义为矿压损伤带，矿压损伤带在工作面正常推进的情况下，裂隙没有足够的时间扩展贯通，其渗透性无显著

34、变化，故暂时对承压水尚有一定的阻隔作用，但在矿压及承压水的长期耦合作用下亚临界状态的矿压损伤带的裂隙就可进一步起裂和扩展。有时即使矿压不增加，其分支裂隙的扩展仍能继续，只是扩展较慢，如果时间允许，也可发展贯通，从而引发滞后突水（数天、数月、甚至数年）。,4.2 未损伤岩层带（ ）,一般中间岩层带中损伤岩层带之下为未损伤岩层带。当矿压影响很小不足以引起完整岩层损伤，该层岩体即为未损伤带，其为相对长期阻隔水的主要层段。,4.3采动破坏（裂隙贯通）带（ ）,实际由于岩层的非均匀性，无论是原生或原生加后生，无论含水或非含水，在较厚的中间层带中都有可能存在一层或数层亚裂隙带（损伤带）和采动破坏裂隙贯通导

35、水带，前者具有暂时阻水性，而后者透水并不具有阻隔水性，虽然后者不属于第带采动导水破坏带，但应从中间层（第带）总厚度中扣出。,4.4 中间层各带厚度的确定,破坏带,中间带,导升带,中间带中的破坏带,中间带中的损伤带,中间带中的原始带,新“三带”理论划分图,4.5突水判据,第三节 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,表13-3 煤层下方水体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

36、于导水破坏带深度h1和阻水带厚度h2之和hah1+h2,图13-6 无导升带的正常地板防水安全煤岩柱设计示意图,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 即: hah1+h2 +h3,图13-7 存在承压水导升带地板防水安全煤岩柱设计示意图,3、底板含水层顶部存在充填隔水充填隔水带厚度h4可以作为底板防水安全煤岩柱厚度的组成部分,图13-8 地板含水层顶部存在充填隔水带地板防水安全煤岩柱设计示意图,hah1+h2+h4,第四节 底板突水预测,一、突水系数法 式中： TS突水系数，MPa/ m； P实际水压力，MPa

37、； 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,突水系数小于临界突水系数时，可以实现安全开采，否则要采取措施。,表13-4 部分矿区临界突水系数,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。,图13-8 焦作矿区突水统计关系曲线,第五节 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） 所谓升降强排方案，就是设置各种疏水工程，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。 优点：防止底板突水效果最好。 缺点：疏水工程量大、设备多、电耗大，因而投

38、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。二、外截内排（堵水开采） 其实质是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。 此方案只能适用于特定条件，如水文地质条件清楚，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

39、、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与扩展。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、改革采区巷道布置应注意： （1）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。 （2）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。 （3）减少交岔点数目和交岔点的

40、面积。 （4）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。断层和陷落柱要留足够宽度的煤柱，对于不可避免地要穿过时要予以注浆加固。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。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。,视频,合理布置采区和选择开切眼位置 a.有突水危险的工作面，最危险的时空条件是老顶第一次裂断（即采场第一次老顶来压）实现之

41、前。最大的危险时刻是工作面推进至老顶第一次来压的前夕。因此，必须绝对避免采用把断层布置在临近开切眼位置的设计布置。,(a) (b),b.有断层突水可能性的工作面，安全的布置方案是：“工作面遭遇断层的时空条件，放在可能进入导水裂隙带的采场上覆岩层第一次裂断全部实现之后”。最小的遭遇距离不得小于工作面的长度。 c.紧接相临已采工作面推进时，应当采用在已采工作面稳定的内应力场中布置开切眼，直接推过断层的方案。要力戒采用图隔离煤柱推进工作面的错误。合理确定工作面长度 a.掌握工作面长度与支承压力大小分布间的关系。了解底板破坏深度和突水压力随工作面长度增加而增加的规律。 b.要修正“工作面长度大，突水可

42、能性大”的简单化的陈旧观点，必须清醒的认识。恰恰是工作面长度小于老顶第一次裂断步距的工作面，在整个工作面推进过程中都有发生突水事故的可能性。,正确确定断层隔离煤柱宽度 保证煤柱留设（模型）： 结论： 防止底板破坏深度及构造破坏度。,第三部分,煤矿开采的基本防治水技术,煤矿水害防治的基本技术路线,矿井水害综合防治,采前,采中,采后,矿井水文地质综合勘探,矿井防治水总体规划,矿井涌水量预测评价,矿井防排水系统设计,水害安全保障体系建立,采区采面精细探测,适时监控、预测预警,超前探测、救灾预案,动态分析、动态优化,矿井闭井安全条件评价,矿井关闭过程安全措施,关闭废井与邻井水情监测,废弃矿井水防范措施

43、,注浆技术,疏降技术,截流技术,改造技术,排供技术,输导技术,排水技术,封堵突水点,降低水压,截堵水源,改造含隔水层,排水供水结合,引流改道,矿井排水,预防技术,留设防隔水煤柱,常见矿井水害防治技术,现行常规防治水技术方法,区域水文地质勘探,采区水文地质勘探,工作面水文地质勘探,含水层及其富水性勘探,隔水层及其阻水能力勘探,构造及其控水特征勘探,遥感,物探,钻探,化探,试验,测试,计算,矿井水文地质条件基本勘探技术,矿井突水条件基本监测内容,水源含水层监测,矿井充水特征监测,工作面围岩扰动监测,水位,水压,水量,水质,顶板,底板,断层,水温,动态监测与动态分析预报,第四部分,常规矿井水害防治技

44、术工作内容及其主要目的,矿区水文地质条件综合勘探,为您的矿井设计提供基础水文地质信息,技术之一：,矿井涌水量计算预测,告诉您矿井的最大涌水量、正常涌水量及其它们的组成、来源和变化规律，为您的矿井防排水系统设计提供信息。,技术之二：,我们新研究：模糊理论综合评判预测法；可拓学物元模型预测法,原有方法：大井法、积水廊道法、类比法、经验公式法,采区及工作面精细水文地质勘探与水害预测预报,为您的工作面设计、开采方法优选、防治水技术措施配套提供信息,技术之三：,为您的工作面设计、开采提供底板突水预测方法,技术之四：,底板突水预测预报技术,为您的工作面带压开采 分区提供配套技术， 五 图、双系数,技术之五

45、 ：,带压安全开采配套技术,“五图” “双系数”法,底板保护层破坏深度等值线图底板保护层厚度等值线图底板保护层上水头等值线图有效保护层厚度等值线图带水压开采分区评价图带压系数突水系数,采区底板突水综合防治技术方案,加强物探和资料分析工作力度，确定底板裂隙发育及富水性区域；提前注浆加固底板，提高裂隙结构面强度，堵塞裂缝，减小承压水的软化效应；及时减少顶板悬顶距离和面积，减弱矿山压力对底板岩层破坏作用以及对底板岩层内原生裂隙扩展损伤作用，提高底板岩层阻水厚度和能力；适当打钻放水降低煤层底板深部承压含水层水压，减少承压水的动力作用。 实践证明底板突水综合防治技术方案是正确和可行的。,矿井、工作面、采

46、区防治水规划水文地质安全保障体系建立,为您提供不同阶段防治水工作思路、为您构筑适合您矿特点的水害防范体系、为您建立适合您矿特点的水害安全规程规范,技术之六：,废弃矿井环境预测与评价,废弃矿井诱发的水害预测 废弃矿井水环境预测评价 废弃矿井淹没过程模拟预测 废弃矿井对临矿水害威胁预测与防治,技术之七：,矿山水害治理与抢险救灾,当您的矿井出现水害时，为您提供及时、科学、具操作性的水害原因诊断、抢险救灾技术方案和救灾工程设计,技术之八：,第五部分,正在从事的煤矿水害防治新技术研究工作,正在从事的煤矿水害防治新技术研究工作,研究底板突水机理与突水系数,研究水害通道综合探测技术及水害监测系统,研究围岩破坏的层次结构和构造结构内在关联,研究单孔多含水层水文地质试验技术,研究水害发生过程时变性与环境模糊性，建立可靠的预测预报系统,希望密切合作，攻克难关！,谢谢！,