水體上開采技術(shù)與典型案例分析

水體上開采技術(shù)與典型案例分析第1頁/共60頁1.水體上開采概況1.1水體上水害狀況水體上水害約占礦井水害的一半。上世紀(jì)80年代與50年代相比，突水頻率增長2.57倍。

1956-1986年30年間，淹井222起，突水1600次，1318人喪生。

1984-1985年一年間，全國因底板突水而淹井事故22起，僅開灤、焦作、肥城就有6對井被淹。峰值水量高達(dá)2050m3/min，世界之最。1.2水上威脅礦井?dāng)?shù)量和煤量目前受水威脅的礦井約300處，約占大型礦井的一半。受水威脅儲量近百億噸。第2頁/共60頁

2.水體上開采方案

長期以來，對受承壓水威脅煤層的安全開采主要采取兩種方案。

2.1、強排深降

能確保安全，但存在一定的問題，所用的較少。

2.2、帶壓開采

成本低，對環(huán)境危險小，但技術(shù)復(fù)雜，有一定的風(fēng)險。若措施得力，能防止突水，保水采煤。第3頁/共60頁

3.水體上開采突水機理

早期僅限于突水現(xiàn)象的表面描述和對突水資料歸類導(dǎo)出公式，20世紀(jì)40年代開始用力學(xué)觀點探討過突水機理。

3.1相對隔水層概念前蘇聯(lián)的斯列沙運夫提出安全水頭的靜力學(xué)公式。Han=2Kpt/L2+rt式中：Han——安全水值，Mpa；

Kp——隔水層抗張強度，Mpa；

t——煤層底板隔水層厚度，m；

L——巷道寬度或工作面最大控頂距，m；

r——隔水巖層的重力密度，N/m3；r

當(dāng)實際水頭Hsh＞安全水頭Han時則不安全。第4頁/共60頁3.2突水系數(shù)概念

我國上世紀(jì)60年代焦作水文地質(zhì)會戰(zhàn)時出，作為突水預(yù)測的標(biāo)準(zhǔn)。臨界突水系數(shù)T。單位隔水層厚度M所能抵抗水壓P的極限值。

峰峰焦作淄博井陘0.066~0.0760.06~0.100.06~0.100.06~0.15第5頁/共60頁2009年12月1日生效的(煤礦防治水規(guī)定)笫七十七條確認(rèn)了安全隔水層厚度和突水系數(shù)計算公式，并規(guī)定：底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06MPa/m，正常塊段不大于0.1MPa/m。第6頁/共60頁

這一公式顯然過于簡單，未能考慮采礦等諸多因素的影響，后來，煤炭科學(xué)研究總院西安研究院通過大量試驗研究，提出了有效隔水層厚度的概念，即將煤層開采底板破壞產(chǎn)生“三帶”。如圖所示。上段為開采對底板隔水層的破壞帶；中段為完整保護層帶；下段為承壓水原始導(dǎo)升高度帶。開第7頁/共60頁

基于上述關(guān)于隔水底板三帶的劃分，提出了突水系數(shù)計算的修正公式

修正后的公式充分考慮的破壞和影響，應(yīng)該說更加符合實際情況。

第8頁/共60頁

3.3

等效隔水層厚度概念

上述公式中只考慮了底板隔水層厚度而未考慮底板隔水層是由不同性質(zhì)的巖層復(fù)合而成，且不同巖石有著完全不同的力學(xué)性質(zhì)和抗水壓能力。因此，不能單純以巖石的實際厚度來計算突水系數(shù)，而應(yīng)根據(jù)巖石本身的力學(xué)強度和隔水性能對實際厚度進行計算，得出一個假定巖體強度和隔水性能均一的等效隔水層厚度(Me)。為此，提出了等效隔水層厚度的計算公式：第9頁/共60頁

3.

4巖石強度比值系數(shù)

確定有效隔水層厚度的關(guān)鍵在于如何確定不同性質(zhì)巖層的強度比值系數(shù)。目前還缺乏系統(tǒng)的理論與實驗研究。根據(jù)邯鄲地區(qū)的現(xiàn)場壓水試驗資料獲得了表2-2斫列的強度比值系數(shù)。第10頁/共60頁

3.

5

新的突水系數(shù)計算公式

在獲得了等效隔水層厚度后，并考慮底板破壞帶深度和原始導(dǎo)升高度帶等因素，所得到新的突水系數(shù)的計算公式如下：上式對底板隔水層的分帶性,分層性及其巖性特征都有所考慮,應(yīng)該說比前述的幾種突水系數(shù)計算方法有了很大改造.。第11頁/共60頁

3.

6新突水系數(shù)計算公式的判別標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)把底板隔水層劃分為多個帶，并把突水系的計算公式改進之后，原來建立在統(tǒng)計意義上的臨界突水系數(shù)巳經(jīng)不適用于新的計算公式。因為統(tǒng)計意義上的突水系數(shù)值是底板突水諸多因素的綜合反應(yīng)指標(biāo)。突水系數(shù)的計算公式修正后，相應(yīng)的突水系數(shù)判別指標(biāo)也應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整。否則，二者之間不具備可比性，也就不能用作突水預(yù)測的依據(jù)。因此，作用于底板隔水層的水壓力成為新突水系數(shù)計算公式的判別標(biāo)準(zhǔn)。第12頁/共60頁

3.7作用于底板隔水層的水壓力在實際工作中所獲得的水壓力往往是含水層中的水壓值，但當(dāng)下伏含水層高壓水在底板隔水層下部劈裂導(dǎo)升一定高度后，其在導(dǎo)升段的能量消耗很大，這時作用于有效隔水層段下部的實際水壓巳遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于含水層中的觀測水壓(圖2-21)。第13頁/共60頁

從圖2-21，真正作用于有效隔水層帶底部的水壓力是導(dǎo)升水的殘余壓力pc，而非含水層的原始壓力p0；如果采用新的有效隔水層計算突水系數(shù)，對應(yīng)的水壓應(yīng)該采用殘余壓力pc。由此可見，考慮多種因素的底板隔水層突水系數(shù)的計算公式應(yīng)為上式計算了單位有效隔水層厚度上的水壓力，要判定是否突水還需要正確選擇臨界突水系數(shù)。第14頁/共60頁

3.8.底板突水事故分析我國煤礦主要底板突水事故見表2-3。第15頁/共60頁第16頁/共60頁

從表2-3的資料反映出：不管隔水底板承受的水壓如何，不管是巷道突水或工作面突水，其底板隔水層厚度95%都在20m之內(nèi)，而很少發(fā)現(xiàn)在較厚隔水層和高水壓作用下發(fā)生底板突水。上述現(xiàn)象表明：（1）發(fā)生底板突水的核心因素是礦壓破壞帶與高壓水導(dǎo)升帶之間是否相互溝通，而不是作用在底板有效隔水層單位厚度中殘余水壓力的大?。唬?）殘余水頭壓力巳經(jīng)非常小，僅在這一殘佘水壓的作用下很難鼓破一定的有效隔水巖柱而發(fā)生突水。第17頁/共60頁

3.9.水體上開采突水系數(shù)分析結(jié)論

實踐與測試資料表明，礦壓作用下的底板破壞深度一般為6-14m，灰?guī)r水的導(dǎo)升高度一般為3-7m，上下兩個破壞帶厚度之和為9-21m。由此可見，準(zhǔn)確查明礦壓破壞帶和導(dǎo)升斷裂帶厚度是預(yù)測底板突水條件的關(guān)鍵因素。上述認(rèn)識的建立，對于正確解釋為什么大量在傳統(tǒng)突水系數(shù)概念下認(rèn)為是突水危險區(qū)的煤炭資源得以安全開采具有重要意義。第18頁/共60頁

4.煤層底板“下三帶”破壞開采煤層頂板破壞產(chǎn)生“三帶”，而煤層底板也存在“三帶”，即“下三帶”。“下三帶”從煤層底面至含水層頂面分為：

4.1第Ⅰ帶——煤層底板導(dǎo)水破壞帶（h1）

第19頁/共60頁

煤層底板導(dǎo)水破壞帶主要影響因素是工作面得斜長，開采方法，煤層厚度及傾角、采深和巖性有關(guān)。第20頁/共60頁4.2第Ⅱ帶——保護層帶（h2）

巖層保持采前的完整狀態(tài)及其原有阻水性能基本不變的部分，位于第Ⅰ、Ⅲ帶之間。巖層雖然受礦壓作用，或許有彈性甚至塑性變形，但仍保持采前的連續(xù)性，其阻水性能未發(fā)生明顯變化?？善鸬阶杷Ｗo作用。稱之為有效保護層帶或阻水帶。第21頁/共60頁

4.3

第Ⅲ帶——承壓水導(dǎo)升帶（h3）

承壓水可沿含水層頂面以上隔水巖層中的裂隙導(dǎo)升，導(dǎo)升承壓水的充水裂隙分布的范圍稱為承壓導(dǎo)升帶。含水層頂層至上部邊界的最大法線距稱：含水層的原始導(dǎo)升高壓h3，簡稱承壓水原始導(dǎo)高。據(jù)煤礦安全手冊：灰?guī)r水的導(dǎo)升高度一股為3-7m。開采礦壓作用原始導(dǎo)高有可能在導(dǎo)升，但上升值很?。粩嗔芽墒箤?dǎo)升很高，甚至接近或穿過煤層；隔水軟巖、無導(dǎo)水裂隙，導(dǎo)高為零；含水層頂部巖溶充填帶，不含水并起隔水作用，可視為隔水層；第22頁/共60頁第23頁/共60頁5.煤層底板“下三帶”確定的方法

5.1現(xiàn)場觀測法

采用底板鉆孔注放水驗法，輔以鉆孔巖移及物探方法。開灤趙各莊礦，以1237和2137兩個工作面，其采深900m、1000m，煤厚10m，分5個分層開采。第24頁/共60頁圖2.2井下仰斜鉆孔雙端堵水器導(dǎo)高觀測原理系統(tǒng)圖第25頁/共60頁圖2.3雙端堵水器結(jié)構(gòu)示意圖1)儀器結(jié)構(gòu)

整個觀測儀器由三部分組成：雙端堵水器、連接管路、控制臺，如圖

2.2和圖2.3。雙端堵水器由兩個起脹膠囊和注水探管組成。連接管路有兩條：起脹管路和注水管路?？刂婆_也是對應(yīng)兩個：起脹控制臺和注水控制臺。起脹控制臺、起脹管路和雙端堵水器的兩個膠囊相連通，構(gòu)成控制膠囊膨脹和收縮的控制系統(tǒng)

。注水控制臺，注水管路和雙端堵水器的注水探管相連通，構(gòu)成一個控制和觀測巖層導(dǎo)水性的注水觀測系統(tǒng)。

第26頁/共60頁2)井下仰斜鉆孔雙端堵水器導(dǎo)高觀測原理與方法（1）仰斜鉆孔穿過導(dǎo)水裂隙帶。在回采工作面周邊的適當(dāng)位置，向采空區(qū)上方打仰斜鉆孔，該鉆孔要穿透覆巖導(dǎo)水裂隙帶，并進入其上方的彎曲帶一定距離，一般5～10m則可，該鉆孔就是導(dǎo)高觀測鉆孔。（2）使用雙端堵水器測試各段巖層的透水性。使用雙端堵水器，由孔口起自下而上逐段（每段1米）測試每段巖層的導(dǎo)水性能，一直測試到孔底實測到的透水巖層的最大高度，就是采場覆巖的導(dǎo)水裂隙帶高度。第27頁/共60頁

（3）雙端堵水器的控制與巖層透水性觀測。起脹控制臺和注水控制臺的一端分別連接起脹管路和注水管路，另一端則連著高壓水源。要觀測某一高度位置的巖層的透水性，首先，操作起脹控制臺，使雙端堵水器的兩個膠囊處于無壓收縮狀態(tài)；第二步，使用鉆機鉆桿（或使用推桿，人力推動）將雙端堵水器推移到位；第三步則是操作起脹控制臺，對雙端堵水器的兩個膠囊注水加壓，使之處于承壓膨脹狀態(tài)，從而封堵分隔一段鉆孔；最后，則是操作注水控制臺，對分隔出的一段鉆孔進行注水觀測，通過注水控制臺上的流量表，觀測出這段巖層單位時間的注水滲流量，從而測試出這段巖層的透水性能。

第28頁/共60頁

5.2底板導(dǎo)水破壞深度經(jīng)驗公式計算法

根據(jù)大量實測資料，用實測的底板導(dǎo)水破壞深度與關(guān)系最密切的工作面斜長、采深、傾角等因素的數(shù)據(jù)經(jīng)回歸分析，擬合公式。h1=0.7007+1.1079L或h1=0.0085H+0.1644α1+0.1079L-4.3579或h1=0.303L0.8

式中：h1=底板導(dǎo)水破壞深度，m；L——工作面長度，m；H——開采深度，m；α——煤層傾角，（°）。第29頁/共60頁

5.3

有效保護層帶（阻水帶）厚度計算

有效保護層帶厚度的計算必須有底板隔水層總厚度。采動底板破壞帶深度，承壓水導(dǎo)升帶高度。h2=h-（h1+h3）式中：h2——有效保護層帶厚度，m；h——隔水層總厚度，m；h1——底板導(dǎo)水破壞帶深度，m；

h3——承壓水導(dǎo)升高度，m；第30頁/共60頁6.水體上開采阻水系數(shù)判別法

6.1阻水系數(shù)

有現(xiàn)場鉆孔水力壓裂法實測的單位底板隔水巖層的平均阻水能力，阻水系數(shù)。

Z=Pb/R

式中：Z——阻水系數(shù)，MPa/m；

R——裂縫擴展半徑，一般取40～50m；

Pb——巖層破裂壓力，與地應(yīng)力和巖體抗拉強應(yīng)有關(guān)。第31頁/共60頁Pb=3σh-σH+T-Po式中：Pb——使巖體破裂時的臨界水壓力，MPa；

σh——作用于巖體的最小水平主應(yīng)力，MPa；

σH——作用于巖體的最大水平主應(yīng)力，MPa；

T——巖體的抗拉強度，MPa；

Po——巖體空隙中的水壓力，MPa。第32頁/共60頁

作用在底板上的水壓力（P）除以阻水系數(shù)（Z），即：

h2=P/Z

阻水系數(shù)，“三下”采煤規(guī)程中有表可查。由表中資料可知巖層的阻水系數(shù)：中、粗粒砂巖0.3～0.5Mpa/m，細(xì)砂巖0.3MPa/m

粉砂巖0.2MPa/m

泥巖0.1～0.3MPa/m

石灰?guī)r0.4MPa/m

斷層帶按弱強度填充物考慮0.05～0.10MPa第33頁/共60頁

6.2.帶壓開采的安全水壓預(yù)測公式

通過對底板隔水層中不同分帶巖石的阻水能力，抗水壓能力試驗，認(rèn)為底板破壞導(dǎo)水帶的底部尚有一定的阻水能力，底板下部構(gòu)造導(dǎo)水帶應(yīng)屬于含水層的一部分而無阻水能力。根據(jù)這一特點，建立了帶水壓開采的安全水壓預(yù)測公式：第34頁/共60頁

上式不僅考慮了底板巖層的分帶性，同時還充分考慮了不同帶對底板水壓的阻抗能力，將不同帶巖層對水壓的阻抗能力分別計算后求和，形成整個底板巖層對水壓的總阻抗能力。通過比較實際水壓與底板整體的總阻抗水壓能力，達(dá)到判斷預(yù)測底板突水的可能性。第35頁/共60頁

6.3阻水系數(shù)法安全性評價原則用水壓（Pw）與有效保護層總阻水能力（Z總）比較，若Z總>Pw則安全。Z總等于各分層阻水系數(shù)Z；乘以各分層有效保護厚度（hi）之和。隔水巖層破裂壓力（Pb）大于水壓（Pw）,則水壓不具備壓裂條件，故安全；第36頁/共60頁開灤趙各莊礦五水平的12煤層底板有效隔水層的阻水系數(shù)及阻水能力表第37頁/共60頁7.水體上采煤安全性評價7.1.“三下”采煤規(guī)程對水體上采煤等級允許采動的規(guī)定

水體采動等級水體類型允許采動程度要求留設(shè)的安全煤巖柱類型Ⅰ1．位于煤系地層之下的巨厚灰?guī)r強含水體2．位于煤層之下的薄層灰?guī)r具有強水源補給的含水體3．位于煤層之下的作為重要水源或旅游資源保護的水體不允許底板采動導(dǎo)水破壞帶波及水體，或與承壓水導(dǎo)升帶勾通，并有能起到強阻水作用的有效保護層底板強防水安全煤巖柱Ⅱ1．位于煤系地層之下的弱含水體，或已疏降的強含水體2．位于煤層之下的無強水源補給的薄層灰?guī)r含水體3．位于煤系地層或煤系地層底部其它巖層中的中、弱含水體允許采取安全措施后底板采動導(dǎo)水破壞帶波及水體，或與承壓水導(dǎo)升帶勾通，但防水安全煤巖柱仍能起到安全阻水作底板弱防水安全煤巖柱第38頁/共60頁7.2.水體上采煤防水安全煤巖柱設(shè)計方法

根據(jù)“三下”采煤規(guī)程，水上采動等級Ⅰ的規(guī)定：底板防水安全煤巖柱厚度（hs）應(yīng)大于或等于導(dǎo)水破壞帶（h1）和保護層帶（阻水帶h2）之和，hs≥h1+h2

第39頁/共60頁

如底板含水層上部存在承壓水導(dǎo)升帶（h3）時，則：hs≥h1+h2+h3

第40頁/共60頁

如果底板含水層頂部存在被泥質(zhì)充填，且厚度穩(wěn)定的隔水帶時（h4）時，可作為安全巖柱厚度（hs）的組成部分：hs≥h1+h2+h4第41頁/共60頁7.3水體上采煤的安全性評價應(yīng)用“下三帶”理論對開采的安全性評價。第42頁/共60頁7.4承壓水體上采煤安全技術(shù)措施（1）強排深降（2）外截內(nèi)排（3）帶壓開采（4）綜合治理同時帶壓開采

縮短工作面長度；縮小來壓步距；改變采空區(qū)處理方法；改革采區(qū)或帶區(qū)巷道布置；處理斷層與陷落柱；注漿加固底板；其它第43頁/共60頁8..應(yīng)用實例分析某礦煤厚10m，傾角25°～27°，分5個層開采。采深1000m，工作面斜長180m，走向長壁陷落開采。奧灰含水層距煤130m，水壓最高達(dá)10MPa。現(xiàn)場實測和室內(nèi)實驗綜合確定：5個分層采完累計第Ⅰ帶（h1）底板導(dǎo)水破壞深度30m，第Ⅲ帶承壓導(dǎo)高區(qū)5m，第Ⅱ帶（h2）有效保護層厚度為（65～95）m，總阻水能力最小為21MPa,巖石破裂壓力為13.3MPa。第44頁/共60頁

按以上數(shù)據(jù)對正常底板區(qū)安全評價如下：

按突水系數(shù)評價正常開采區(qū)安全性水壓為10MPa，底板隔水巖層厚度65～95m，則Ts=0.109～0.16

大于臨界突水系數(shù)（0.06～0.10焦作）屬不安全開采。

按阻水系數(shù)預(yù)測評價正常開采區(qū)安全性（1）壓裂條件：破裂壓力Pb=13.3MPa，水壓Pa=10MPa

因Pw<Pb，故水層不具備壓裂條件。第45頁/共60頁（2）阻水條件：

最小保護層厚度的的總阻水能力為21MPa，大于水壓10MPa的Z總>Pw，故有足夠的阻水能力。所以，在正常區(qū)開采能保證安全。第46頁/共60頁

按阻水系數(shù)預(yù)測評價構(gòu)造帶安全性

構(gòu)造帶附近地應(yīng)力及構(gòu)造斷裂帶的巖體或充填物的抗張強度比正常區(qū)低（30%～50%），故其破裂壓力Pb由正常區(qū)的13.3MPa下降為7～9MPa，小于水壓10MPa；構(gòu)造帶整體總阻水能力（含水及導(dǎo)水?dāng)嗔殉猓?，由于阻水系?shù)Z一般為0.1MPa/m，斷裂帶斜長最小為140m，若不留煤柱，導(dǎo)水破壞深度可達(dá)50m，下部導(dǎo)高10m，則有效阻水體斜長約為80m，其總阻水能力為8MPa，小于水壓10MPa。由于Pw>Pb，Z總<Pw。故構(gòu)造區(qū)為開采危險區(qū)。第47頁/共60頁9.山東淄博北大井奧灰突水治理淄博北大井于1935年5月13日透水淹井，突水地點是第三水平10-1煤層第二上風(fēng)道與橫風(fēng)道交叉處（-81.5m標(biāo)高），距周瓦莊斷層10m左右。開采10-1煤層時發(fā)生透水，突水量44.3m3/min，三天內(nèi)礦井全部淹沒，有538名礦在井下遇難，為世界罕見的突水事故。第48頁/共60頁9.1突水經(jīng)過

礦井在-117m的第三水平沿10-1煤層向北開拓，遇周瓦莊斷層，掘進迎頭已有水從斷層破碎帶中流出，被迫退回7～8m，向南北兩翼開順槽掘進8m左右，又遇此斷層，而且也有水從斷層破碎帶向外流出，停止掘進；向南開拓70m后，于上山起每隔20m開一條長20m的回風(fēng)上山。

13日，第一條與第二條回風(fēng)上山之間的10-2層煤采完后，已轉(zhuǎn)入采上層的10-1煤層。上午6點開始在第二風(fēng)道與橫向風(fēng)道交叉處采煤，半小時后，該處頂板發(fā)生落石繼而滴水，又過半小時，頂板陷落，涌水加大，在場工人外撤至風(fēng)道中間時，即聞轟隆一聲巨響，水量驟然加大，水勢兇猛，僅40min井底泵房就被淹沒，1h后淹沒了-117m水平，78h后淹沒了第二水平。第49頁/共60頁

9.2突水原因（1）底板水壓大

10-2煤層以下26m是本溪組徐家莊灰?guī)r，厚19m，巖溶裂隙發(fā)育，含水性強；10-2煤層以下67m為奧陶系灰?guī)r，是礦區(qū)富水性最強的含水層。在有斷層條件下，徐灰和奧灰常有水力聯(lián)系。突水10-2煤層底板隔水層的靜水壓力2MPa，突水時礦區(qū)范圍內(nèi)的徐灰和奧灰水位顯著下降，距突水點12km的奧灰上升泉豐水泉被疏干，證明突水水源為徐灰和奧灰。第50頁/共60頁

（2）斷層影響

突水地段有一條走向EW的周瓦莊斷層，是張性正斷層，落差為28～30m。斷層上盤10-1斷層與斷層下盤徐家莊灰?guī)r含水層對接，同時上盤的徐家莊灰?guī)r與下盤的奧陶系灰?guī)r強含水層也發(fā)生水平水力聯(lián)系，突水點在該斷層的上盤，在掘進過程中三次揭露該斷層，兩次有出水象征。說明突水處在天然條件下，徐灰、奧灰和斷層裂縫破壞帶三者已有相互溝通。第51頁/共60頁（3）斷層附近采煤在斷層附近回采了面積近900m2的10層煤，通過煤壁傳給頂、底板使采區(qū)邊緣巖體也受到采動破壞的影響，斷層帶巖層進一步松動、破壞，奧灰高壓水便乘虛集中突水。第52頁/共60頁9.3水害治理（1）解放前礦井被淹后，日本人為減少損失，曾采取以下措施進行水害治理。