1、水体上开采技术与典型案例分析,煤炭科学研究总院 文学宽 研究员,1.水体上开采概况 1.1 水体上水害状况水体上水害约占矿井水害的一半。上世纪80年代与50年代相比，突水频率增长2.57倍。1956-1986年30年间，淹井222起，突水1600次，1318人丧生。1984-1985年一年间，全国因底板突水而淹井事故22起，仅开滦、焦作、肥城就有6对井被淹。峰值水量高达2050m/min，世界之最。 1.2 水上威胁矿井数量和煤量目前受水威胁的矿井约300处，约占大型矿井的一半。受水威胁储量近百亿吨。,2.水体上开采方案长期以来，对受承压水威胁煤层的安全开采主要采取两种方案。2.1、强排深降能
2、确保安全，但存在一定的问题，所用的较少。2.2、带压开采成本低，对环境危险小，但技术复杂，有一定的风险。若措施得力，能防止突水，保水采煤。,3.水体上开采突水机理早期仅限于突水现象的表面描述和对突水资料归类导出公式，20世纪40年代开始用力学观点探讨过突水机理。3.1 相对隔水层概念前苏联的斯列沙运夫提出安全水头的静力学公式。Han=2Kpt/L+rt 式中：Han安全水值，Mpa；Kp隔水层抗张强度，Mpa；t煤层底板隔水层厚度，m；L巷道宽度或工作面最大控顶距，m；r隔水岩层的重力密度，N/m；r当实际水头Hsh安全水头Han时则不安全。,3. 2 突水系数概念我国上世纪60年代焦作水文地
3、质会战时出，作为突水预测的标准。临界突水系数T。单位隔水层厚度M所能抵抗水压P的极限值 。,2009年12月1日生效的(煤矿防治水规定)笫七十七条确认了安全隔水层厚度和突水系数计算公式，并规定：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。,这一公式显然过于简单，未能考虑采矿等诸多因素的影响，后来，煤炭科学研究总院西安研究院通过大量试验研究，提出了有效隔水层厚度的概念，即将煤层开采底板破坏产生“三带”。 如图所示。上段为开采对底板隔水层的破坏带；中段为完整保护层带；下段为承压水原始导升高度带。,开,基于上述关于隔水底板三带的划分，提出了突水系数计算的修
4、正公式修正后的公式充分考虑的破坏和影响，应该说更加符合实际情况。,3. 3 等效隔水层厚度概念上述公式中只考虑了底板隔水层厚度而未考虑底板隔水层是由不同性质的岩层复合而成，且不同岩石有着完全不同的力学性质和抗水压能力。因此，不能单纯以岩石的实际厚度来计算突水系数，而应根据岩石本身的力学强度和隔水性能对实际厚度进行计算，得出一个假定岩体强度和隔水性能均一的等效隔水层厚度(Me)。为此，提出了等效隔水层厚度的计算公式：,3. 4 岩石强度比值系数确定有效隔水层厚度的关键在于如何确定不同性质岩层的强度比值系数。目前还缺乏系统的理论与实验研究。根据邯郸地区的现场压水试验资料获得了表2-2斫列的强度比值
5、系数。,3. 5 新的突水系数计算公式在获得了等效隔水层厚度后，并考虑底板破坏带深度和原始导升高度带等因素，所得到新的突水系数的计算公式如下：上式对底板隔水层的分带性,分层性及其岩性特征都有所考虑,应该说比前述的几种突水系数计算方法有了很大改造.。,3. 6 新突水系数计算公式的判别标准当把底板隔水层划分为多个带，并把突水系的计算公式改进之后，原来建立在统计意义上的临界突水系数巳经不适用于新的计算公式。因为统计意义上的突水系数值是底板突水诸多因素的综合反应指标。突水系数的计算公式修正后，相应的突水系数判别指标也应做相应的调整。否则，二者之间不具备可比性，也就不能用作突水预测的依据。因此，作用于
6、底板隔水层的水压力成为新突水系数计算公式的判别标准。,3.7 作用于底板隔水层的水压力在实际工作中所获得的水压力往往是含水层中的水压值，但当下伏含水层高压水在底板隔水层下部劈裂导升一定高度后，其在导升段的能量消耗很大，这时作用于有效隔水层段下部的实际水压巳远远小于含水层中的观测水压( 图2-21 )。,从图2-21，真正作用于有效隔水层带底部的水压力是导升水的残余压力pc，而非含水层的原始压力p0；如果采用新的有效隔水层计算突水系数，对应的水压应该采用残余压力pc。由此可见，考虑多种因素的底板隔水层突水系数的计算公式应为上式计算了单位有效隔水层厚度上的水压力，要判定是否突水还需要正确选择临界突
7、水系数。,3.8 . 底板突水事故分析我国煤矿主要底板突水事故见表2-3。,从表2-3的资料反映出：不管隔水底板承受的水压如何，不管是巷道突水或工作面突水，其底板隔水层厚度95%都在20m之内，而很少发现在较厚隔水层和高水压作用下发生底板突水。上述现象表明：（1）发生底板突水的核心因素是矿压破坏带与高压水导升带之间是否相互沟通，而不是作用在底板有效隔水层单位厚度中残余水压力的大小；（2）残余水头压力巳经非常小，仅在这一残佘水压的作用下很难鼓破一定的有效隔水岩柱而发生突水。,3.9.水体上开采突水系数分析结论实践与测试资料表明，矿压作用下的底板破坏深度一般为6-14m，灰岩水的导升高度一般为3-
8、7m，上下两个破坏带厚度之和为9-21m。由此可见，准确查明矿压破坏带和导升断裂带厚度是预测底板突水条件的关键因素。上述认识的建立，对于正确解释为什么大量在传统突水系数概念下认为是突水危险区的煤炭资源得以安全开采具有重要意义。,4. 煤层底板“下三带”破坏开采煤层顶板破坏产生“三带”，而煤层底板也存在“三带”，即“下三带”。“下三带”从煤层底面至含水层顶面分为：4.1 第带煤层底板导水破坏带（h1）,煤层底板导水破坏带主要影响因素是工作面得斜长，开采方法，煤层厚度及倾角、采深和岩性有关。,4.2 第带保护层带（h2）岩层保持采前的完整状态及其原有阻水性能基本不变的部分，位于第、带之间。岩层虽然
9、受矿压作用，或许有弹性甚至塑性变形，但仍保持采前的连续性，其阻水性能未发生明显变化。可起到阻水保护作用。称之为有效保护层带或阻水带。,4. 3 第带承压水导升带（h3）承压水可沿含水层顶面以上隔水岩层中的裂隙导升，导升承压水的充水裂隙分布的范围称为承压导升带。含水层顶层至上部边界的最大法线距称：含水层的原始导升高压h3，简称承压水原始导高。据煤矿安全手册：灰岩水的导升高度一股为3-7m。开采矿压作用原始导高有可能在导升，但上升值很小；断裂可使导升很高，甚至接近或穿过煤层；隔水软岩、无导水裂隙，导高为零；含水层顶部岩溶充填带，不含水并起隔水作用，可视为隔水层；,5. 煤层底板“下三带”确定的方法
10、5.1 现场观测法采用底板钻孔注放水验法，辅以钻孔岩移及物探方法。开滦赵各庄矿，以1237和2137两个工作面，其采深900m、1000m，煤厚10m，分5个分层开采。,图2.2 井下仰斜钻孔双端堵水器导高观测原理系统图,图2.3 双端堵水器结构示意图,1) 仪器结构整个观测仪器由三部分组成：双端堵水器、连接管路、控制台，如图 2.2和图2.3。双端堵水器由两个起胀胶囊和注水探管组成。连接管路有两条：起胀管路和注水管路。控制台也是对应两个：起胀控制台和注水控制台。起胀控制台、起胀管路和双端堵水器的两个胶囊相连通，构成控制胶囊膨胀和收缩的控制系统 。注水控制台，注水管路和双端堵水器的注水探管相连
11、通，构成一个控制和观测岩层导水性的注水观测系统。,2) 井下仰斜钻孔双端堵水器导高观测原理与方法（1）仰斜钻孔穿过导水裂隙带。在回采工作面周边的适当位置，向采空区 上方打仰斜钻孔，该钻孔要穿透覆岩导水裂隙带，并进入其上方的弯曲带一定距离，一般510m则可，该钻孔就是导高观测钻孔。（2）使用双端堵水器测试各段岩层的透水性。使用双端堵水器，由孔口起自下而上逐段（每段1米）测试每段岩层的导水性能，一直测试到孔底 实测到的透水岩层的最大高度，就是采场覆岩的导水裂隙带高度。,（3）双端堵水器的控制与岩层透水性观测。起胀控制台和注水控制台的一端 分别连接起胀管路和注水管路，另一端则连着高压水源。要观测某一
12、高度位置的岩层的透水性，首先，操作起胀控制台，使双端堵水器的两个胶囊处于无压收缩状态；第二步，使用钻机钻杆（或使用推杆，人力推动）将双端堵水器推移到位；第三步则是操作起胀控制台，对双端堵水器的两个胶囊注水加压，使之处于承压膨胀状态，从而封堵分隔一段钻孔；最后，则是操作注水控制台，对分隔出的一段钻孔进行注水观测，通过注水控制台上的流量表，观测出这段岩层单位时间的注水渗流量，从而测试出这段岩层的透水性能。,5.2 底板导水破坏深度 经验公式计算法根据大量实测资料，用实测的底板导水破坏深度与关系最密切的工作面斜长、采深、倾角等因素的数据经回归分析，拟合公式。h1=0.7007+1.1079L或 h1
13、=0.0085H+0.16441+0.1079L-4.3579或 h1=0.303L0.8式中： h1=底板导水破坏深度，m；L工作面长度，m；H开采深度，m；煤层倾角，（）。,5.3 有效保护层带（阻水带）厚度计算有效保护层带厚度的计算必须有底板隔水层总厚度。采动底板破坏带深度，承压水导升带高度。 h2=h-（h1+ h3）式中：h2有效保护层带厚度，m；h隔水层总厚度，m；h1底板导水破坏带深度，m；h3承压水导升高度，m；,6.水体上开采阻水系数判别法6.1阻水系数有现场钻孔水力压裂法实测的单位底板隔水岩层的平均阻水能力，阻水系数。Z=Pb/R式中：Z阻水系数，MPa/m；R裂缝扩展半径
14、，一般取4050m；Pb岩层破裂压力，与地应力和岩体抗拉强应有关。,Pb =3h-H+T-Po式中 ：Pb使岩体破裂时的临界水压力，MPa；h作用于岩体的最小水平主应力， MPa；H作用于岩体的最大水平主应力，MPa；T岩体的抗拉强度，MPa；Po岩体空隙中的水压力，MPa。,作用在底板上的水压力（P）除以阻水系数（Z），即： h2=P/Z阻水系数，“三下”采煤规程中有表可查。由表中资料可知岩层的阻水系数：中、粗粒砂岩 0.30.5Mpa/m，细砂岩 0.3 MPa/m粉砂岩 0.2 MPa/m泥 岩 0.10.3MPa/m石灰岩 0.4 MPa/m断层带按弱强度填充物考虑 0.050.10
15、MPa,6. 2. 带压开采的安全水压预测公式通过对底板隔水层中不同分带岩石的阻水能力，抗水压能力试验，认为底板破坏导水带的底部尚有一定的阻水能力，底板下部构造导水带应属于含水层的一部分而无阻水能力。根据这一特点，建立了带水压开采的安全水压预测公式：,上式不仅考虑了底板岩层的分带性，同时还充分考虑了不同带对底板水压的阻抗能力，将不同带岩层对水压的阻抗能力分别计算后求和，形成整个底板岩层对水压的总阻抗能力。通过比较实际水压与底板整体的总阻抗水压能力，达到判断预测底板突水的可能性。,6.3 阻水系数法安全性评价原则用水压（Pw）与有效保护层总阻水能力（Z总）比较，若Z总 Pw则安全。Z总等于各分层
16、阻水系数Z；乘以各分层有效保护厚度（hi）之和。隔水岩层破裂压力（Pb）大于水压（Pw）,则水压不具备压裂条件，故安全；,开滦赵各庄矿五水平的12煤层底板有效隔水层的阻水系数及阻水能力表,7.水体上采煤安全性评价 7.1.“三下”采煤规程对水体上采煤等级允许采动的规定,7.2. 水体上采煤防水安全煤岩柱设计方法,根据“三下”采煤规程，水上采动等级的规定：底板防水安全煤岩柱厚度（hs）应大于或等于导水破坏带（h1）和保护层带（阻水带h2）之和， hsh1+ h2,如底板含水层上部存在承压水导升带（h3）时，则： hsh1+ h2+ h3,如果底板含水层顶部存在被泥质充填，且厚度稳定的隔水带时（h
17、4）时，可作为安全岩柱厚度（hs）的组成部分： hsh1+ h2+ h4,7.3水体上采煤的安全性评价 应用“下三带”理论对开采的安全性评价。,7.4 承压水体上采煤安全技术措施 （1）强排深降 （2）外截内排 （3）带压开采 （4）综合治理同时带压开采缩短工作面长度； 缩小来压步距 ；改变采空区处理方法； 改革采区或带区巷道布置 ；处理断层与陷落柱； 注浆加固底板 ；其它,8应用实例分析某矿煤厚10m，倾角2527，分5个层开采。采深1000m，工作面斜长180m，走向长壁陷落开采。奥灰含水层距煤130m，水压最高达10 MPa。现场实测和室内实验综合确定：5个分层采完累计第带（h1）底板导
18、水破坏深度30m，第带承压导高区5m，第带（h2）有效保护层厚度为（6595）m，总阻水能力最小为21 MPa,岩石破裂压力为13.3 MPa。,按以上数据对正常底板区安全评价如下：按突水系数评价正常开采区安全性水压为10 MPa，底板隔水岩层厚度6595m，则Ts=0.1090.16大于临界突水系数（0.060.10焦作）属不安全开采。按阻水系数预测评价正常开采区安全性（1）压裂条件：破裂压力Pb=13.3 MPa，水压Pa=10 MPa因PwPb，故水层不具备压裂条件。,（2）阻水条件：最小保护层厚度的的总阻水能力为21 MPa，大于水压10 MPa的Z总 Pw，故有足够的阻水能力。所以，
19、在正常区开采能保证安全。,按阻水系数预测评价构造带安全性构造带附近地应力及构造断裂带的岩体或充填物的抗张强度比正常区低（30%50%），故其破裂压力Pb由正常区的13.3MPa下降为79MPa，小于水压10MPa；构造带整体总阻水能力（含水及导水断裂除外），由于阻水系数Z一般为0.1 MPa/m，断裂带斜长最小为140m，若不留煤柱，导水破坏深度可达50m，下部导高10m，则有效阻水体斜长约为80m，其总阻水能力为8 MPa，小于水压10 MPa。由于PwPb，Z总Pw。故构造区为开采危险区。,9. 山东淄博北大井奥灰突水治理淄博北大井于1935年5月13日透水淹井，突水地点是第三水平10-1
20、煤层第二上风道与横风道交叉处（-81.5m标高），距周瓦庄断层10m左右。开采10-1煤层时发生透水，突水量44.3m/min，三天内矿井全部淹没，有538名矿在井下遇难，为世界罕见的突水事故。,9. 1 突水经过,矿井在-117m的第三水平沿10-1煤层向北开拓，遇周瓦庄断层，掘进迎头已有水从断层破碎带中流出，被迫退回78m，向南北两翼开顺槽掘进8m左右，又遇此断层，而且也有水从断层破碎带向外流出，停止掘进；向南开拓70m后，于上山起每隔20m开一条长20m的回风上山。13日，第一条与第二条回风上山之间的10-2层煤采完后，已转入采上层的10-1煤层。上午6点开始在第二风道与横向风道交叉处采
21、煤，半小时后，该处顶板发生落石继而滴水，又过半小时，顶板陷落，涌水加大，在场工人外撤至风道中间时，即闻轰隆一声巨响，水量骤然加大，水势凶猛，仅40min井底泵房就被淹没，1h后淹没了-117m水平，78h后淹没了第二水平。,9.2 突水原因,（1）底板水压大10-2煤层以下26m是本溪组徐家庄灰岩，厚19m，岩溶裂隙发育，含水性强；10-2煤层以下67m为奥陶系灰岩，是矿区富水性最强的含水层。在有断层条件下，徐灰和奥灰常有水力联系。突水10-2煤层底板隔水层的静水压力2 MPa，突水时矿区范围内的徐灰和奥灰水位显著下降，距突水点12km的奥灰上升泉丰水泉被疏干，证明突水水源为徐灰和奥灰。,（2
22、）断层影响突水地段有一条走向EW的周瓦庄断层，是张性正断层，落差为2830m。断层上盘10-1断层与断层下盘徐家庄灰岩含水层对接，同时上盘的徐家庄灰岩与下盘的奥陶系灰岩强含水层也发生水平水力联系，突水点在该断层的上盘，在掘进过程中三次揭露该断层，两次有出水象征。说明突水处在天然条件下，徐灰、奥灰和断层裂缝破坏带三者已有相互沟通。,（3）断层附近采煤在断层附近回采了面积近900m的10层煤，通过煤壁传给顶、底板使采区边缘岩体也受到采动破坏的影响，断层带岩层进一步松动、破坏，奥灰高压水便乘虚集中突水。,9.3水害治理,（1）解放前矿井被淹后，日本人为减少损失，曾采取以下措施进行水害治理。立井排水在
23、三个立井中安装三个铁缸同时向外排水，排水量11.3m/min，但因排水量和上部涌水量持平，水位下降很慢，被迫放弃。注浆堵水在周瓦庄断层以北施工以斜井至出水点，标高为+24m。在斜井内向出点施工三个钻孔，注入水泥500m，但未见效果，又被迫放弃。,（2）解放后1972年为解放北大井地质储量，在深入分析了突水水源于突水通道的基础上，确定了从地面打钻孔、采用静水注浆、堵截过水通道、节断补给水源、加固断层两盘徐灰与奥灰岩层力学强度、彻底根除水患的原则，沿周瓦庄断层与10煤层交界线布设三排注浆钻孔。注浆范围带到沿断层走向150m、断层上下盘60m的破碎带，以及深入奥灰1520m的空间。, 第一排孔布在断
24、层上盘的9号煤层与断层交接处，穿过断层经下盘的徐灰进入奥灰20m，对下盘的徐灰、奥灰进行注浆加固。 第二排孔布在断层上盘徐灰第一分层与断层交接处，穿过断层进入奥灰20m，对断层破碎带、下盘奥灰进行注浆。此排孔是实现堵截过水通道、进行“卡脖”的重点。, 第三排孔布在断层上盘，穿过上盘徐灰、奥灰上部，过断层进入断层下盘奥灰1520m，对徐灰、断层破碎带及奥灰注浆。该排孔属于断层上盘的徐灰与奥灰的加固孔。每排孔间距为1520m，排距30m共布注浆孔16个，检查孔2个（后期也作为注浆孔），徐灰观测孔1个，外围奥灰观测孔1个，总计20个孔，总工程量6 262.35m。,整个工期于1972年7月开钻，当年9月注浆，1974年4月结束，历时500多天，共注入水泥9 104.25t，水玻璃115.77m，砂子473.63m，石子15.1m，总投资390.92万元。1974年2月证实排水，1975年5月15日排水至井底，实际涌水量742m/h，与突水前矿井正常涌水量600 m/h接近，说明本次注浆堵水效果显著。,谢 谢,
