第八章+水體下采煤

水體下采煤水體下采煤第一節(jié)概述 第二節(jié)覆巖破壞規(guī)律 第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施

第四節(jié)承壓水上采煤 水體下采煤

水體下采煤:地表水體下或地下水體下采煤。由于巖層移動和變形,水和開采空間存在著一種水力聯(lián)系。弱水力聯(lián)系增加排水費用，強水力聯(lián)系可造成突水或透水事故。開灤林西礦時間涌水量Q（t/min）Qmax（t/min）1906-19072.5192815.5196128-341977.637.391977.7.282301983-199840.5(2430t/h)特大涌水礦井張雙樓礦礦井涌水量963m3/h礦井涌水量示例水體類型地表水體：積聚在江、海、河、湖、水庫、沼澤、水渠、坑、塘和塌陷區(qū)中的水。地下水體：積聚在巖石和松散層空隙中的水。松散層水體：第四紀(jì)和第三紀(jì)松散層中的含水基巖含水層水體：砂巖、礫巖、砂礫巖及石灰?guī)r巖溶含水層水體；采空區(qū)積水。水體的類型一、覆巖破壞的分帶

在論述巖層與地表移動一般規(guī)律時，將采空區(qū)上覆巖層按破壞程度劃分為冒落帶、裂縫帶和整體彎曲帶。采空區(qū)上方的冒落帶和裂縫帶都是透水的，為了適應(yīng)水體下采煤的需要，把它們合稱為導(dǎo)水裂縫帶。按照巖層開裂的程度，導(dǎo)水裂縫帶又可分為四個區(qū)，即：冒落性破壞區(qū)：煤層頂板在采動影響下發(fā)生變形、離層、斷裂后脫離原生巖體而下落到采空區(qū)的破壞。由于該區(qū)的巖層完全失去了原有的連續(xù)性和層狀結(jié)構(gòu)，不但透水而且流砂也極易從中穿過。顯然位于該區(qū)內(nèi)的水體和井巷將遭受十分嚴重的破壞。覆巖破壞規(guī)律

冒落性破壞區(qū)：煤層頂板在采動影響下發(fā)生變形、離層、斷裂后脫離原生巖體而下落到采空區(qū)的破壞。由于該區(qū)的巖層完全失去了原有的連續(xù)性和層狀結(jié)構(gòu)，不但透水而且流砂也極易從中穿過。顯然位于該區(qū)內(nèi)的水體和井巷將遭受十分嚴重的破壞。嚴重開裂區(qū)：煤層頂板在采動影響下只發(fā)生變形、離層、斷裂但未脫離原生巖體的破壞。既透水又透砂。一般開裂區(qū)：巖層未全部斷開且層次完整，裂縫間連通性較好，透水性一般，基本不透砂。該區(qū)如果波及水體會發(fā)生透水事故。微小開裂區(qū)：

巖層有微小裂縫，連通性不好，透水性微弱。該區(qū)如果觸及水體會增加礦井涌水量。覆巖破壞規(guī)律

影響覆巖破壞的因素覆巖力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征：對水體下采煤而言，軟弱的覆巖比堅硬的有利。采煤方法和頂板管理方法：分層開采有利；全部陷落法-充填法-條帶法。煤層傾角：傾角越大巖層破壞高度越大。開采強度：開采面積與厚度與導(dǎo)高的關(guān)系。時間因素：對于中硬巖層，工作面放頂1-2月后導(dǎo)高發(fā)育至最大，之后減小。重復(fù)采動：巖層“變軟”，對水體下采煤有利。水體下采煤技術(shù)措施

解決水體下來煤問題可以來取三種技術(shù)措施：留設(shè)安全煤巖柱、處理水體和采取開采措施。有時單獨選用其中的一種即可解決問題，有時則需要其中的二種或三種措施配合使用，這要視具體條件而定。例如，當(dāng)煤層直接頂和老頂均為含水層則談不上留設(shè)安全煤巖柱，必須先處理水體然后再考慮開采，否則會出現(xiàn)適水事故或者導(dǎo)致工作面條件惡化而影響生產(chǎn)。當(dāng)煤層遠離含水層或煤層與含水層之間有良好隔水層時，不論是直接在松散含水層下采煤還是直接在基巖含水層下來煤，都可以通過留設(shè)安全煤巖柱的方法達到安全回采的目的，而不必首先處理水體。當(dāng)預(yù)計的導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)同時有含水層和隔水層時，就應(yīng)該處理水體相采取開采措施。一、留設(shè)安全煤巖柱（防水、防砂、防塌）1、留設(shè)防水安全煤巖柱適用條件：各種大型地表水體下來煤；各類地表水體和第四紀(jì)、第三紀(jì)松散含水層下開采急傾斜煤層；厚度大、富水性強、補給充足的第四紀(jì)、第三紀(jì)松散含水層下開采緩傾斜或傾斜煤層；水體與基巖間無隔水層或隔水層極薄條件下開采緩傾斜或傾斜煤層；含水豐富、補給充足的基巖含水層特別是巖溶水體下來煤；在水庫、水源、水渠相池塘等生產(chǎn)和生活要求保護的水體下采煤；水體下采煤技術(shù)措施防水安全煤巖柱的高度：水體下采煤技術(shù)措施一般條件下：考慮地表裂縫深度：考慮基巖風(fēng)化帶高度：水體下采煤技術(shù)措施導(dǎo)水裂隙帶高度：水體下采煤技術(shù)措施2、留設(shè)防砂安全煤巖柱適用條件：

在松散弱含水層底界面至煤層開采上限之間為防止流砂潰入井下而保留的煤和巖層塊段稱為防砂安全煤巖柱。留設(shè)防砂安全煤巖柱的前提是，允許導(dǎo)水裂縫帶波及松散層但不能讓其中的冒落帶觸及松散層底部。防砂安全煤巖柱適用于水體和煤層之間有隔水層的條件。在防砂安全煤巖柱下開采時，可能會導(dǎo)致礦井涌水量增加，但由于隔水層的作用，不會發(fā)生潰水潰沙事故。防沙安全煤巖柱等于冒落帶高度加上保護層厚度，即：水體下采煤技術(shù)措施水體下采煤技術(shù)措施防砂安全煤巖柱3、留設(shè)防塌安全煤巖柱

在松散粘土層和已經(jīng)疏干的松散含水層底界面與煤層開采上限之間為防止泥砂塌入采空區(qū)而保留的煤和巖層塊段稱為防塌煤巖柱。留設(shè)防塌煤巖柱時是允許導(dǎo)水裂縫帶和冒落帶波及松散弱含水層底部的，所以在開采過程中采區(qū)涌水量會有所增加，但不會發(fā)生災(zāi)害性的后果。適用條件：(1)水體規(guī)模小，補給不充分。(2)具有多層結(jié)構(gòu)的第四紀(jì)、第三紀(jì)厚松散層，且松散層底部為弱含水層，特別是當(dāng)煤系地層上直接覆蓋弱含水層的第四紀(jì)、第三紀(jì)砂層時。防塌煤巖柱的垂高等于冒落帶高度：水體下采煤技術(shù)措施水體下采煤技術(shù)措施防塌安全煤巖柱二、水處理措施1、疏降水體措施當(dāng)回采上限接近松散含水層或煤層直接頂板即為含水層時，必須適時地對水體采取硫降措施。常常采用大口徑鉆孔和巷道等方式疏干水體或降低水位。疏降水體措施的優(yōu)點是煤炭回收率高，生產(chǎn)安全，缺點是必須增加疏排水設(shè)備及必要的輔助工程，增加煤炭成本。有時由于疏降水體改變了水體的自然循環(huán)，以致影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活。主要手段有：鉆孔疏降、巷道疏降、聯(lián)合疏降、回采疏降和多礦井分區(qū)排水聯(lián)合疏降。水體下采煤技術(shù)措施二、水處理措施2、處理水體補給來源

處理水體補給來源，就是在回采前用水文地質(zhì)、工程地質(zhì)方法對補給水體的主要來源進行處理。一般采取培截、防滲防透、改道泄水等措施。采用這些措施時一定要因地制宜，一方面要根據(jù)水體自身的特點一方面要根據(jù)礦區(qū)的地形、地層的特點等確定方案。主要手段：河流改道、帷幕注漿堵水、地面防水。水體下采煤技術(shù)措施三、地下開采措施1、分層（分階段）間歇開采2、充填開采3、分區(qū)開采

水體下采煤技術(shù)措施4、安全煤巖柱保護層厚度位于導(dǎo)水?dāng)嗔褞线吔缁蚩迓鋷线吔缗c水體底界面之間的巖層

覆巖巖性松散層底部粘性土層厚度大于累計采厚松散層底部粘性土層厚度小于累計采厚松散層全厚小于累計采厚松散層底部無粘性土層堅硬4A5A6A7A中硬3A4A5A6A軟弱2A3A4A5A極軟弱2A2A3A4A

注：A=M/n，M-累計采厚，m；n-分層層數(shù)；本表不適用于綜放開采054煤層防水安全煤巖柱保護層厚度/m054煤層防砂安全煤巖柱保護層厚度（m）覆巖巖性

松散層底部粘性土層或弱含水層厚度大于累計采厚

松散層全厚大于累計采厚

堅硬4A2A中硬3A2A軟弱2A2A極軟弱2A2A注：A=M/n，M-累計采厚，m；n-分層層數(shù)；本表不適用于綜放開采

5590煤層防水安全煤巖柱及防砂安全煤巖柱保護層厚度

覆巖巖性保護層厚度（m）55707190abcdabcd堅硬1518202217202224中硬1013151712151719軟弱5810127101214a—

松散層底部粘性土層大于累計采厚

b—

松散層底部粘性土層小于累計采厚

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松散層全厚為小于累計采厚的粘性土層

d—

松散層底部無粘性土層承壓水上采煤 一、底板突水類型及底板破壞規(guī)律(一)基本概念

1．煤層底板巖溶水賦存和運動于煤層底板巖溶地層空間中的水體和水流叫做煤層底板巖溶水，又稱底板承壓水。

2．隔水層與等值隔水層存在于含水層與開采煤層底板、巷道和采空區(qū)之間的能阻礙或減弱水流動的巖層。該巖層內(nèi)的孔隙不連通，地下水無運動條件，稱其為隔水層，亦稱保護層。由于隔水層的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)不同，其隔水—阻水性能也不同。兩個質(zhì)量不同的而單位厚度相同的巖層，在相同的水文地質(zhì)邊界條件下，隔水—阻水作用相等時，稱之為等值隔水層。承壓水上采煤

3．突水系數(shù)突水系數(shù)是水壓值與隔水層厚度的比值：式中T—突水系數(shù)，Mpa/m；

p—水壓力值，MPa；

m—隔水層厚度，m。

當(dāng)突水系數(shù)超過表中數(shù)值時，即有可能發(fā)生突水事故。承壓水上采煤 （二）底板突水的類型

1．按突水地點分，底板突水有巷道突水與采煤工作面突水。2．按突水的動態(tài)表現(xiàn)形式有：（1）爆發(fā)型：直接在采掘工作地點附近發(fā)生，一旦突水，突水量在瞬間即達到峰值，突水峰值過后，突水量趨于穩(wěn)定或逐漸減小。爆發(fā)型突水來勢猛、速度快、沖擊力大，常有巖塊碎屑伴水沖出。（2）緩沖型：直接在采掘工作地點附近發(fā)生，突水量由小到大逐漸增長，經(jīng)幾小時、兒天甚至幾個月才達到峰值。（3）滯后型：采掘工作面推進到一定距離后，在巷道或采空區(qū)內(nèi)發(fā)生突水，其滯后時間為幾天、幾個月甚至幾年，突水可急可緩。承壓水上采煤

3．按突水量的大小可分為：(1)特大型突水事故，突水量為50m3/min以上；(2)大型突水事故，突水量為20～49m3/min；(3)中型突水事故，突水量為5～19m3/min；(4)小型突水事故，突水量小于5m3/min。（三）開采后煤層底板巖層的破壞規(guī)律在開采過程中，煤層底板應(yīng)力重新分布造成底板巖層的變形與破壞，削弱了底板巖層的阻水能力，甚至形成突水通道。因此，研究開采后煤層底板的應(yīng)力重新分布、變形與破壞的規(guī)律，是防止底板突水的基礎(chǔ)。承壓水上采煤

1．開采過程中底板應(yīng)力與變形情況在開采過程中，工作面前方的煤壁和底板處在增壓區(qū)內(nèi)，支承壓力使煤層底板壓縮。當(dāng)工作面推進跨過此處時，采空區(qū)處在減壓區(qū)內(nèi)，底板巖層從壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)為膨脹狀態(tài)，產(chǎn)生底鼓，可能出現(xiàn)斷裂。隨工作面推進，采空區(qū)中的垮落巖塊壓實，底板重新處于增壓區(qū)內(nèi)，又從膨脹狀態(tài)轉(zhuǎn)為壓縮狀態(tài)。在工作面推進過程中，底板各處都要經(jīng)受壓縮、膨脹和再壓縮作用的過程。底板沿工作面推進方向受到壓縮、膨脹和再壓縮的作用。在支承壓力的作用下，底板中出現(xiàn)水平拉應(yīng)力；在壓縮區(qū)和膨脹區(qū)分界處的底板中出現(xiàn)剪應(yīng)力。拉應(yīng)力和剪應(yīng)力使底板出現(xiàn)斷裂。垂直斷裂與順層斷裂交叉，形成底板破壞帶。成為底板突水的誘發(fā)因素。第四節(jié)承壓水上采煤 2．煤層底板的“下三帶”

根據(jù)煤層底板破壞情況及地下水的導(dǎo)升情況，在工作面連續(xù)推進后，煤層底板可分為“下三帶”。1）破壞帶;2）完整巖層帶;3）地下水導(dǎo)升帶.第四節(jié)承壓水上采煤 二、影響底板突水的因素

底板阻水帶的厚度、承壓水的壓力是決定底板突水的關(guān)鍵因素。國內(nèi)有的學(xué)者提出底板突水的“六因素說”:1）煤層底板含水層的富水性；2）含水層的水頭壓力；3）地質(zhì)構(gòu)造；4）底板隔水層的厚度與結(jié)構(gòu)；5）礦山壓力；6）開采方法。這是人可控的，具體如下：第四節(jié)承壓水上采煤

開采方法對底板突水的影響主要表現(xiàn)在兩方面：

（1）工作面斜長。工作面斜長對底板突水的影響比采深、煤層傾角、底板巖層強度等都明顯。工作面斜長越大，底板巖層破壞深度越大，工作面越容易突水，反之亦然。

（2）開采面積。工作面底板突水與開采面積關(guān)系十分密切，不同礦區(qū)有各自不同的突水面積。當(dāng)開采面積大于突水面積后，底板要產(chǎn)生突水。因此，控制開采面積是控制底板突水的有效方法。一些礦區(qū)采用條帶開采、巷式開采等方法減小開采面積，防止底板突水。第四節(jié)承壓水上采煤 三、底板破壞深度底板破破深度與采深H、工作面長度L、煤層傾角α有關(guān)：理論分析給出的公式如下：式中:h1為底板采動導(dǎo)水破壞深度，m；

H為采深，m；

α為煤層傾角，（°）；

L為工作面斜長，

γ為底板巖體平均容重，MN/m2；

Rc為巖體抗壓強度，一般取巖石單軸抗壓強度的0.15倍，Mpa；。第四節(jié)承壓水上采煤 四、承壓水上采煤方案

根據(jù)我國歷年來的實踐，主要有以下幾種方案。

1．深降強排方案所謂深降強排方案，就是設(shè)置各種疏水工程，如疏水井巷、疏水鉆孔等，將巖溶水水位人為地降低到開采水平以下，以確保安全地進行開采。這種方案的優(yōu)點是：防止底板突水效果最好，能確保礦井安全生產(chǎn)。其缺點是：疏水工程量大、設(shè)備多、電耗大，因而投資大、成本高；由于疏水引起的水位降低，使附近的工農(nóng)業(yè)用水缺乏，并造成地表下沉。此外，當(dāng)井田內(nèi)奧灰水量極為豐富、補給來源充足時，深降強排方案難以實現(xiàn)。第四節(jié)承壓水上采煤 2．外截內(nèi)排方案實質(zhì)是在井田內(nèi)某一區(qū)域外圍的集中徑流帶采用鉆孔注漿的方法建立人工帷幕，截斷礦井的補給水，然后在開采范圍內(nèi)進行疏水，將承壓水的水位降低到開采水平以下。這種方案可以確保礦井的安全生產(chǎn)，而且克服了深降強排的缺點。但這種方案只能適用于特定的條件，如水文地質(zhì)條件清楚，補給徑流區(qū)集中，帷幕截流工程易于施工等。第四節(jié)承壓