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煤矿的特殊开采3-3


3 保水开采技术
3-1 开采引起的岩层导水裂隙演化规律

3-2 水体下保水采煤技术 3-3 3-4 承压含水层上保水采煤技术 矿井水的资源化利用

3-3 承压含水层上保水采煤技术
一、承压含水层上采煤技术概述
二、底板突水类型

三、底板突水的影响因素
四、承压含水层上采煤

的理论依据

五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例

一、概述
?底板承压水
?把有一定水压、贮存和流动于煤层底板灰岩中的水体叫做 底板岩溶水,又称底板承压水。

?承压水的分布
?我国华北、华东和西北的广大矿区石炭系之中和之下,普 遍存在着太原群灰岩和奥陶系灰岩,南方一些矿区煤层之下 的茅口灰岩。这些灰岩岩溶发育,含水丰富。 ?在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,有数十个矿区 受到灰岩岩溶水的影响。如焦作、峰峰、邯郸、邢台、开滦、 淄博、肥城、新汶、枣庄、徐州、淮南等矿区,灰岩岩溶水 资源丰富,含水性强,补给条件充沛。

一、概述
?承压水上采煤意义
?目前,不少矿井已进入深部开采,有些矿井下组煤的开采 标高已经达到-600m,最深的已超过-1000m。煤层底板承受岩 溶承压水的压力很大,水压值已经达到2.0~6.5MPa。底板突 水的几率增大。

?目前,我国有数十亿吨煤炭资源因受底板岩溶水突水威胁
而成为呆滞煤量。

二、底板突水类型
缓冲型突水 工作面突水 爆发型突水 滞后型突水 底板 突水 按突水动态 按突水地点

巷道突水

小型(<5) 中型(5~19) 按突水量(m3/min) 大型(20~49)

断层突水

按突水通道

陷落柱突水

底板突水机理及与采掘工作的关系 特大型(>50) 采动裂隙突水

构造揭露型

断层采动型

底板破坏型

三、底板突水的影响因素

水源条件 地质构造

底板突水影响因素

隔水层的阻水能力 开采活动引起的矿山压力
开采方法

三、底板突水的影响因素
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。

三、底板突水的影响因素
2.地质构造——断层
?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

三、底板突水的影响因素
2.地质构造——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
陷落柱 工作面

年产300万t的大型矿井淹没,
突水峰期平均涌水量为 2053m3/min
富含水层

三、底板突水的影响因素
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
w kγ H
γ H Ⅰ 底板采动导水破坏带 Ⅱ 阻水带

kγ H

h h

1 2

h3

Ⅲ 承压水导升带

三、底板突水的影响因素
4.矿山压力
?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

三、底板突水的影响因素
4.矿山压力
?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。

三、底板突水的影响因素
4.矿山压力
?工作面推进速度慢

?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

?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

三、底板突水的影响因素
5.开采方法——工作面斜长

?斜长越长,抗水能力越弱!

三、底板突水的影响因素
5.开采方法——工作面回采面积
?底板突水与回采面积关系十分密切,不同的矿区有各自不同的突
水面积。 ?以淄博石谷矿的930采区9304面与9306面为例。 ?该工作面倾斜长65m,走向长220m,煤厚0.85m,构造简单,缓倾 斜,石灰岩顶板。在回采过程中发生了三次底板突水,第一次发生 在自开切眼始至45m,采空面积达2935m3;后留10~15m煤柱,另开 切眼,在40~45m发生第二次底板突水,采空区面积与前次基本相同; 又留煤柱开采的第三次底板突水与前两次条件相同。三次突水的水 量分别为1.452m3/min、1.216 m3/min、0.120 m3/min。总结矿区 内28次的工作面底板突水资料,获得了采9号煤突水时的回采面积 一般为2500~3000m2,小于此数工作面未出现底板突水。

四、承压含水层上采煤的理论依据

底板突水系数

理论依据

底板突水的“下三带”理论

底板突水的隔水关键层理论

四、承压含水层上采煤的理论依据
1.底板突水系数理论
Ts ? p M ? Cp

四、承压含水层上采煤的理论依据
2.底板突水的“下三带”理论
w kγ H
γ H Ⅰ 底板采动导水破坏带 Ⅱ 阻水带

kγ H

h h h

1 2 3

Ⅲ 承压水导升带

四、承压含水层上采煤的理论依据
2.底板突水的“下三带”理论——底板采动导水破坏带
w kγ H
γ H Ⅰ 底板采动导水破坏带 Ⅱ 阻水带

?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

kγ H

h h

1 2

h3

Ⅲ 承压水导升带

?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。

四、承压含水层上采煤的理论依据
2.底板突水的“下三带”理论——底板采动导水破坏带
(1)采煤方法
?采煤方法对底板破坏深度的影响主要表现在是增大还
是减小直接顶和基本顶的悬顶距和冒落面积。顶板悬顶 距越大,超前支承压力峰值越大,对底板破坏越严重。

四、承压含水层上采煤的理论依据
2.底板突水的“下三带”理论——底板采动导水破坏带
(2)工作面长度
?工作面越长,矿山压力显现越充分,底板破坏深度越
大。 或

四、承压含水层上采煤的理论依据
2.底板突水的“下三带”理论——底板采动导水破坏带
(3)煤层采高和采深
?煤层采高是影响顶板垮落高度和采空区充实的重要因
素,底板破坏深度随采高的增大而增加。 ?采深增加后前支承压力的绝对量随之增大,底板破坏 深度也就越大。

四、承压含水层上采煤的理论依据
2.底板突水的“下三带”理论——底板采动导水破坏带
(4)顶底板岩性及结构
?顶板的岩性和结构通过影响悬顶状况、冒落面积、冒
落高度和来压步距影响超前支承压力,从而影响底板破 坏深度;而底板的岩性和结构影响阻止底板破坏的能力。

四、承压含水层上采煤的理论依据
2.底板突水的“下三带”理论——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
w kγ H
γ H Ⅰ 底板采动导水破坏带 Ⅱ 阻水带

kγ H

h h

1 2

范围

h3

Ⅲ 承压水导升带

?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。

四、承压含水层上采煤的理论依据
2.底板突水的“下三带”理论——底板阻水带
? 实验法

? 阻水系数测定——钻孔水力压裂法

四、承压含水层上采煤的理论依据
2.底板突水的“下三带”理论——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。
w

?煤层底板承压含水层

kγ H

γ H Ⅰ 底板采动导水破坏带 Ⅱ 阻水带

kγ H

h h

1 2

的水在水压力和矿压作
用下上升到其顶板岩层 中的范围。

h3

Ⅲ 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!

四、承压含水层上采煤的理论依据
3.底板突水的隔水关键层理论
?应用关键层理论分析采场底板破坏与突水,取得了进 展.很好地解释了底板突水点位置分布特点。

初次来压时底板关键层载荷特征

四、承压含水层上采煤的理论依据
3.底板突水的隔水关键层理论

底板关键层破断后的一般状态

五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例
1.承压含水层上安全煤岩柱留设
2.承压含水层上断层防水煤柱留设

3.帷幕注浆截流技术
4.减少采动底板破坏深度 5.底板注浆加固技术 6.疏降底板水技术

承压含水层上保水采煤技术措施

矿井底板水文地质勘查

判别采动底板突水危险性

否 是否存在底板突水危险 是 隔离底板承压水体 疏降底板承压水体

底 板 承 压 含 水 层 上 安 全 煤 岩 柱 留 设

减 少 采 动 底 板 破 坏

注 浆 加 固 底 板

帷 幕 注 浆 截 流

疏 排 底 板 承 压 水 的 资 源 化 利 用

正 常 开 采

消除底板突水灾害 保护水资源 实现承压含水层上保水采煤

五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例
1.承压含水层上安全煤岩柱留设

无导升带的正常底板

存在导升带底板

底板含水层顶部 存在充填隔水带

五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例
2.承压含水层上断层防水煤柱留设——传统方法
?承压水从断层或彼侧的强含水层直接突破煤层进入采空区 ? ?

?
4

?

?0
2

3P a ? 0.5 Am K

五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例
2.承压含水层上断层防水煤柱留设——传统方法
?承压水从断层或彼侧的强含水层沿最短距离突入采空区 ? ?

?
4

?

?0
2

防止的方法不仅应使煤柱的宽度a符合要求,还应使由采掘 边界至导水断层带或强含水层的最短距离大于按公式计算 的安全煤柱a值。

五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例
2.承压含水层上断层防水煤柱留设——传统方法
?煤层采后向上冒裂波及含水断层或断层彼侧的强含水层

其防止的方法是,使a值符合煤柱边界至导水断层内强含水 层的铅垂距离大于水体下采煤的防水煤柱高度(预计或该区 实测的导水裂隙带高度加防护层厚度) :

五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例
2.承压含水层上断层防水煤柱留设——经验方法
在许多矿区,采用经验公式来设计断层煤柱的合理尺寸取得 了成功。如肥城矿业集团对断层煤柱的留设采用了如下方法: (1)上组煤 对落差大于或等于30m的断层,在断层两侧各留30m的煤柱; 对落差小于30m的断层不留煤柱。 (2)下组煤 对落差大于或等于30m的断层,两侧各留50m的煤柱;对落差 20~30m的断层,两侧各留30m的煤柱;落差在20m以下的断层 一般不留煤柱。

五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例
3.帷幕注浆截流技术
帷幕注浆截流方案的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。

肥城曹庄煤矿帷幕截流工程平面图

五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例
4.减少采动底板破坏深度
(1)缩小来压步距

?通过人工挑顶、软化顶板和及时放顶的方法,缩小初次来 压和周期来压步距,一方面降低前支承压力峰值,另一方面 尽快使垮落矸石作用在采空区底板上。
(2)改变采煤方法和开采参数 ?采用充填采煤法可减小支承压力对煤层底板的破坏,能有

效地防止底鼓和底板裂隙扩张;条带开采也可减轻支承压力 对煤层底板的破坏程度。

五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例
5.底板注浆加固技术
?肥城大封矿10403工作面走向长度290m,回采标高23.2~39.7m,倾向宽度平均65m,储量8.1万t。 ?水压0.75~0.93MPa,底板厚度14.95~25m,平均19.69m,而 东部和北部分别是F206和F401断层,面内有小断层7条,共 施工29个孔,其中23个孔发现有导水裂隙,导高9.5~12.8m,

五灰单孔水量40~240m3/h,平均120 m3/h。
?该面进行注浆改造,共注水泥1437.2t,实现了安全生产。 在回采过程中,只发现裂隙出水91 m3/h,对生产无大影响。本 面平均吨煤改造费用4.3元。若改用疏水降压采煤,使水头降 低到18.5m所需吨煤电费为13.46元。

五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例
5.底板注浆加固技术

工作面注浆改造工程示意图

五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例
6.疏降底板水技术
?深降强排方案,就是设置各种疏水工程,如疏水井巷、疏

水钻孔等,将岩溶水水位人为地降低到开采水平以下,以确 保安全开采。 ?深降强排方案防止底板突水效果最好,但同时有一些缺点: 疏水工程量大、设备多、电耗大,因而投资大、成本高;井 下排水使地下水大幅下降、泉井干枯、地表塌陷,甚至严重 影响生态平衡,危及国民生计;当井田内奥灰水量极为丰富、 补给来源充足时,该方案难以实现。


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