水体下承压水上采煤的理论依据.docx

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水体下承压水上采煤的理论依据

“上三带”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。

1、三带的形成

（1）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，似层状断块

碎胀性：

1.3~1.5，体积增大；碎胀系数的选取

导水：

水、水砂和泥浆容易通过

高度:

覆岩为极坚硬岩层公式

（2）断裂带，曾称做裂隙带

裂隙带（左右断裂，上下离层）

弯曲，整体断裂，大致垂直于层面的裂隙，离层

一般导水，又称导水断裂带。

（一般将垮落带、裂隙带称为导水裂隙带）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，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。

采深较大，弯曲带的高度可能大大超过垮落带和断裂带高度之和

弯曲带上方地表一般要形成地表下沉盆地，盆地边缘往往要出现张裂隙，其深度约3~5m，一定深度后闭合消失。

浅部无弯曲下沉带

充填开采无垮落带

2、垮落带与断裂带的高度

垮落带与断裂带的高度

所谓覆岩破坏规律，在研究水体下采煤问题时主要就是指导水裂缝带的分布形态和最大高度。

影响覆岩破坏规律的因素有许多，其中有些因素的影响可以定量地描述，有些只能定性地加以说明。

（1）主要影响因素

覆岩力学性质和结构特征

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。

覆岩破坏高度与覆岩力学性质密切相关。

但是，要想全面考虑变形特性和强度特性等力学性质对覆岩破坏的影响是极为复杂和困难的。

因此只能把问题简化，主要考察岩石的强度性质律的影响。

如果采区上覆岩层为脆性岩层，受开采影响后很容易断裂，所以覆岩破坏高度大。

如覆岩为塑性（应力增加不大，应变增加很大）岩层，受开采影响后不易断裂但容易下沉，能使冒落岩块充分压实，最终表现为覆岩破坏高度降低。

所以对水体下采煤来说，软弱的覆岩要比坚硬的覆岩有利。

当然，覆岩不可能是由单一的软弱或坚硬的岩层构成，它必然是软硬相间的。

不同性质岩层自下而上的不同组合，便是覆岩的结构特征。

为了简便起见，将覆岩大致分为两种强度，于是有四种组合形式，下面分别研究其对覆岩破坏规律的影响。

坚硬—坚硬型

此时煤层的直接顶板弯向采空区并发生块状冒落，上部的老顶岩层由于坚硬不易弯曲下沉，开采空间几乎全部靠冒落岩块的碎胀来补充，加之坚硬岩石断裂后不易闭合，覆岩破坏高度最大。

据观测，这种条件下导水裂缝带的高度可达开采厚度的18-28倍。

如果直接顶和老顶岩石的碎胀系数都小，冒落过程发展得最充分，则导水裂缝带的高度可达采出厚度的30-35倍。

软弱—坚硬型

这时煤层直接顶板为软弱岩层而上部为坚硬岩层。

直接顶随着开采及时冒落，但坚硬的老顶像板梁一样横跨在直接顶板之上，老顶下沉量小于直接顶下沉，开采空间主要由冒落岩块的碎胀补充，冒落发育充分，导水裂缝带一般能达到老顶的底面。

坚硬—软弱型

与软弱—坚硬型的情况相反，工作面放顶后直接顶首先冒落，而软弱的老顶随之下沉压实冒落岩块，因此导水裂缝带高度较小。

在巨厚冲积层下开采时顶板条件属于这种类型。

软弱—坚硬型和坚硬—软弱型覆岩，哪一种较为有利于水体下采煤，要看软弱岩层所占的比例，软弱岩层比例越大越有利。

软弱—软弱型

此时煤层直接顶板软弱，容易冒落，工作面放顶后采空区立即被冒落岩块充填。

在冒落过程中，老顶也随之迅速弯曲下沉并坐落于冒落岩块之上，开采空间和已冒落的空间不断缩小。

因此，冒落过程得不到充分发展。

导水裂缝带的高度较小，一般为采厚的9-11倍。

煤层上方有含水松散层覆盖，同时工作面又接近基岩风化带的情况，以及厚煤层分层开采出现重复采动后的顶板也应属于软弱—软弱型。

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

时间因素

覆岩破坏一般滞后于回采，而冒落岩块的压实又滞后于冒落过程。

（2）两带计算方法

垮落带高度的计算公式

（倾角为0~35°及36~54°）

单一煤层的垮落带最大高度

覆岩为极坚硬岩层公式

覆岩为坚硬、中硬、软弱岩层或其互层公式w—垮落过程中顶板下沉值

导水断裂带高度计算公式

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。

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1.47~3.43MPa，深部可达9.81MPa

至石炭系最下部可采煤层的距离通常仅有20~60m

1、煤层底板应力及变形分区

2、煤层底板岩层中的下三带

（1）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。

不同采煤方法的底板破坏深度

（2）底板阻水带

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

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40~50m

岩层阻水系数Z

0.05~0.10

（3）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。

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

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；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

3、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。

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

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

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。

4、底板突水预测

hd≥ha

hd—煤层底板至含水层顶之间的实际厚度

ha—计算的安全煤岩柱尺寸

承压水上采煤的安全度符合要求。

hd＜ha

hd—煤层底板至含水层顶之间的实际厚度

ha—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hd时，需进一步评定

5、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。

幻灯片37

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。

矿井突水预兆

1、一般预兆

（1）煤层变湿、松软，煤帮滴水，顶板淋水；

（2）工作面气温降低，雾化，有硫化氢味；

（3）听到水的“嘶嘶”声；

（4）矿压增大：

冒顶，片帮，底鼓。

2、工作面底板突水预兆

（1）底鼓，有时可达500mm以上；

（2）底板裂缝；

（3）沿裂缝或煤帮渗水；

（4）底板破裂，并喷出高压水，“嘶嘶”声；

（5）底板产生“底爆”，巨响，大量涌水。

3、松散含水层突水预兆

（1）突水部位发潮，滴水；

（2）发生局部冒顶，水量突增，有流砂；

（3）顶板发生溃水、溃砂，地表塌陷。

专业词语解释

老空：

采空区、老窑和已经报废井巷的总称。

采空区：

回采以后不再维护的空间。

水淹区域：

被水淹没的井巷和被水淹没的老空的总称。

矿井正常涌水量：

矿井开采期间，单位时间内流入矿井的水量。

矿井最大涌水量：

矿井开采期间，正常情况下矿井涌水量的高峰值。

安全水头值：

隔水层能承受含水层的最大水头压力值。

防隔水煤（岩）柱：

为确保近水体下安全采煤而留设的煤层开采上（下）限至水体底（顶）界之间的煤岩层区段。

水害防治十六字原则：

是指“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”。

“预测预报”是指查清矿井水文地质条件，对水害做出分析判断；“有疑必探”是指对可能构成水害威胁的区域，采用钻探、物探、化探等综合技术手段查明或排除水害；“先探后掘”是指先综合探放，确定巷道掘进没有水害威胁后再掘进；“先治后采”是指根据查明的水害情况，采取有针对性的治理措施排除水害隐患后，再安排回采。

“防、堵、疏、排、截”五项综合治理措施：

“防”主要指合理留设各类防水煤柱；“堵”主要指注浆封堵具有突水威胁的含水层；“疏”主要指探放老空水和对承压含水层进行疏水降压；“排”主要指完善矿井排水系统；“截”主要指加强地表水的截流治理。

探放水：

包括探水和防水两个方面。

探水是指采矿过程中用超前勘探方法，查明采掘工作面顶底板、侧帮和前方等水体的具体空间位置和状况等，其目的是为有效地防治矿井水做好必要的准备。

放水是指为了预防水害事故，在探明情况后采取钻孔等安全方法将水体放出。

冒落带：

由采煤引起的上覆岩层破裂并向采空区垮落的岩层范围。

导水裂缝带：

冒落带上方一定范围内的岩层发生断裂，产生裂缝，且具有导水性的岩层范围。

抽冒：

在浅部厚煤层、急倾斜煤层及断层破碎带和基岩风化带附近采煤或掘巷时，顶板岩层或煤层本身在较小范围内垮落超过正常高度的现象。

带压开采：

在具有承压水压力的含水层上进行的采煤。

隔水层厚度：

是指开采煤层底板至含水层顶面之间隔水的完整岩层的厚度。

若隔水层为某些原生或次生构造裂隙穿切，造成一定的原始导水高度带时，隔水层的厚度（m）值应该是煤层底板至含水层之间的隔水地层厚度减去原始导高之后的数值。

由于原始导高的值受不同构造与岩性的影响而变化，故要实际探测确定。

“三图—双预测法”：

它是解决煤层顶板充水水源、通道和强度三大问题的顶板水害评价方法。

“三图“是指：

煤层顶板充水含水层富水性分区图、顶板冒裂安全性分区图和顶板涌（突）水条件综合分区图；“双预测“是指：

顶板充水含水层预处理前、后回采工作面分段和整体工程涌水量预测。

“五图双系数法”：

五图指底板保护层破坏深度等值线图、底板保护层厚度等值线图、煤层底板上水头等值线图、有效保护层厚度等值线图、带水压开采评价图，双系指带压系数和突水系数。

“脆弱性指数法”：

它是将可确定底板突水多种主控因素权重系数的信息集成与具有强大空间信息分析处理功能的GIS耦合于一体的煤层底板水害评价方法。

含水层富水性的等级标准

按钻孔单位涌水量（q）富水性[注]分为以下四级：

a、弱富水性：

q＜0.1L/s·m；

b、中等富水性：

0.1L/s·m＜q≤1.0L/s·m；

c、强富水性：

1.0L/s·m＜q≤5.0L/s·m；

d、极强富水性：

q＞5.0L/s·m。

注：

评价含水层的富水性，钻孔单位涌水量以口径91mm、抽水水位降深10m为准，若口径、降深与上述不符时，应进行换算再比较富水性。

突水点突水量的等级标准

一、小突水点：

Q≤60m3/h。

二、中等突水点：

60＜Q≤600m3/h。

三、大突水点：

600＜Q≤1800m3/h。

四、特大突水点：

Q＞1800m3/h。

各类防隔水煤（岩）柱的留设

一、煤层露头防隔水煤（岩）柱的留设，按以下公式计算：

1、煤层露头无覆盖或被粘土类微透水松散层覆盖时：

Ｈ防=Ｈ冒+Ｈ保

2、煤层露头被松散富含水层覆盖时（见附图7-1）：

Ｈ防=Ｈ裂+Ｈ保

根据上两式计算的值，不得小于20m。

式中冒高（H冒）、裂高（H裂）的计算参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的相关规定。

式中：

H防-----防隔水煤（岩）柱高度（m）；

H冒-----采后冒落带高度（m）；

H裂-----垂直煤层的导水裂隙带最大高度（m）；

H保-----保护层厚度（m）；

α------煤层倾角（°）。

附图7-1

二、含水或导水断层防隔水煤柱的留设（附图7-2）可参照以下经验公式计算：

≥20m

式中：

L----煤柱留设的宽度（m）

K----安全系数（一般取2-5）；

M-----煤层厚度或采高（m）；

P-----水头压力（kgf/cm2）；

KP----煤的抗张强度,即抗拉强度（kgf/cm2）。

附图7-2

三、煤层与强含水层或导水断层接触，并局部被覆盖时（附图7-3），防水煤柱的留设：

附图7-3

1.当含水层顶面高于最高导水裂隙带上限时，防水煤柱可按附图7-3a、b留设。

计算公式为：

2.最高裂隙带上限高于断层上盘含水层时，防水煤柱按附图7-3c留设。

计算公式为：

≥20m

以上两式中：

L-----防隔水煤（岩）柱宽度（m）,L1、L2、L3为分段宽度；

H裂-----最大导水裂隙带高度（m）；

θ----断层倾角（°）；

α----岩层塌陷角（°）；

M-----断层上盘含水层层面高出下盘煤层底板的高度（m）；

H安----导水裂隙带至含水层间防水岩柱的厚度（m）。

H安值应根据矿井实际观测资料来确定，即通过总结本矿区在断层附近开采时发生突水和安全开采的地质、水文地质资料，计算其水压（kgf/cm2）与防隔水煤（岩）柱厚度（m）的比值（Ts=P/M）,并将各点之值标到以Ts=P/M为横轴，以埋藏深度Ｈ０（m）为纵轴的坐标纸上，找出Ts值的安全临界线（附图7-4）。

H安值也可以按下列公式计算

Ｈ安＝

式中：

Ｐ----防水煤柱所承受的静水压力（kgf/cm2）；

Ts---突水系数；

10---保护带厚度（一般取10m）。

附图7-4

本矿区如无实际突水系数，可参考其它矿区资料，但选用时必须综合考虑隔水层的岩性、物理力学性质、巷道跨度或工作面的空顶距、采煤方法和顶板管理方法等一系列因素。

四、在煤层位于含水层上方（图7-5）,断层又导水的情况下，防隔水煤（岩）柱的留设原则，主要应考虑两个方向上的压力。

1.煤层底部隔水层能否抗住下部含水层水的压力；

2.断层水在顺煤层方向上的压力。

附图7-5

当考虑底部压力时，应使煤层底板到断层面之间的最小距离（垂距），大于安全煤柱的高度（H安）的计算值，并不得小于20m。

计算公式为：

≥20m式中：

α---断层倾角（°）。

其余同前。

当考虑断层水在顺煤层方向上的压力时，按附录六之二计算煤柱宽度。

根据以上两种方法计算的结果，取用较大的数字，但仍不得小于是20m。

如果断层不导水，防水煤柱的留设，使（在垂直于断层走向的剖面上）含水层顶面与断层面交点至煤层底板间的最小距离，大于安全煤柱的高度H安时即可（附图7-6）,但仍不得小于20m。

附图7-6

五、在水淹区或老窑积水区下采掘时，隔水煤（岩）柱的留设：

1、巷道在水淹区下或老窑积水区下掘进时，巷道与水体之间的最小距离，不得小于巷道高度的10倍。

2、在水淹区下或老窑积水区下同一煤层中进行开采时，若水淹区或老窑积水区的界线已基本查明，防隔水煤（岩）柱的尺寸应按附录六之二的规定留设。

3、在水淹区下或老窑积水区下的煤层中进行回采时，防隔水煤（岩）柱的尺寸，不得小于导水裂隙带最大高度与保护带高度之和。

六、保护地表水体防隔水煤（岩）柱的留设，可参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》执行。

七、保护通水钻孔防隔水煤（岩）柱的留设：

根据钻孔测斜资料换算钻孔见煤点坐标，按附录六之二的办法留设。

如无测斜资料，必须考虑钻孔可能偏斜的误差。

八、相邻矿（井）人为边界防隔水煤（岩）柱的留设：

1、水文地质简单型到中等型的矿井，可采用垂直法留设，但总宽度不得小于40m。

2、水文地质复杂型到极复杂型的矿井，应根据煤层赋存条件、地质构造、静水压力、开采上覆岩层移动角、导水裂隙带高度等因素确定。

1）多煤层开采，当上、下两层煤的层间距小于下层煤开采后的导水裂隙高度时，下层煤的边界防隔水煤（岩）柱，应根据最上一层煤的岩层移动角和煤层间距向下推算（见图7-7a）。

2）当上、下两层煤之间的垂距大于下煤层开采后的导水裂隙带高度时，上、下煤层的防隔水煤（岩）柱，可分别留设（见图7-7b）。

附图7-7

图中：

Ｈm---导水裂隙带上限；

Ｈ１、Ｈ２---分别为上、下煤层底板以上的静水位高度；

γ---上山岩层移动角；

β---―下山岩层移动角；

Ｌ１岩、Ｌ２岩---分别为导水裂隙带上限岩柱宽度；

Ｌ１、Ｌ２---分别为上、下煤层的煤柱宽度。

导水裂隙带上限岩柱宽度Ｌ岩的计算，可采用以下公式：

≥20m

式中：

V---水压与岩柱宽度的比值，可取１。

九、以断层为界的井田，其边界防隔水岩柱可参照断层煤柱留设，但必须考虑井田另一侧煤层的情况，以不破坏另一侧所留煤（岩）柱为原则（除参照断层煤柱的留设外，尚可参考附图7-8所示的例图）。

附图7-8

“安全隔水厚度”和“突水系数”计算公式

式中：

t——安全隔水厚度（m）；

L——巷道底板宽度（m）；

——底板隔水层的平均容重（t/m3）;

—底板隔水层的平均抗张强度（10-2MPa）;

H——底板隔水层承受的水头压力（10-2MPa）。

式中Ｔs—突水系数〔MPa/m〕;

P——底板隔水层承受的水压（MPa）;

M——底板隔水厚度（m）。

（1）式适用于巷道，

（2）式适用于回采工作面。

按式⑴计算，如底板隔水层实际厚度小于计算值时，就是不安全的。

按式⑵计算，就全国实际资料看，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa/m，正常块段不大于0.1MPa/m。

部分矿区临界突水系数

矿区突水系数Ts（MPa/m）

峰峰0.066~0.076；焦作0.06~0.10

淄博0.06~0.10；井陉0.06~0.15

“安全水头值”的计算公式

一、掘进巷道底板隔水层

式中：

H—底板隔水层能够承受的安全水压（10-2MPa）

t—隔水层厚度（m）

L—巷道宽度（m）

—底板隔水层的平均容重（t／m3）

Kp—底板隔水层的平均抗张强度（10-2MPa）;

二、回采工作面

式中：

M—底板隔水层厚度（m）

P—安全水压（MPa）

Ts—突水系数（MPa/m）

Ts值应根据本区资料确定，一般情况下，在具有构造破坏的地段按0.06MPa/m计算，隔水层完整无断裂构造破坏地段按0.1MPa/m计算。