3-3 承压含水层上保水采煤技术

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承压含水层上保水采煤技术3-4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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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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。一、概述承压水上采煤意义二、底板突水类型工作面突水巷道突水缓冲型突水爆发型突水滞后型突水按突水动态按突水地点断层突水陷落柱突水小型(5)中型(5~19)大型(20~49)按突水量(m3/min)采动裂隙突水特大型(50)底板突水按突水通道构造揭露型断层采动型底板破坏型底板突水机理及与采掘工作的关系三、底板突水的影响因素底板突水影响因素地质构造水源条件隔水层的阻水能力开采活动引起的矿山压力开采方法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1.水源条件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——断层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小时后将年产300万t的大型矿井淹没，突水峰期平均涌水量为2053m3/min2.地质构造——岩溶陷落柱三、底板突水的影响因素陷落柱富含水层工作面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底板采动导水破坏带Ⅲ承压水导升带Ⅱ阻水带Ⅰh12h3hwγHkγHkγH3.隔水层的阻水能力三、底板突水的影响因素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4.矿山压力三、底板突水的影响因素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，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支承压力作用时间长三、底板突水的影响因素4.矿山压力5.开采方法——工作面斜长三、底板突水的影响因素斜长越长，抗水能力越弱！5.开采方法——工作面回采面积三、底板突水的影响因素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、1.216m3/min、0.120m3/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理论依据底板突水系数底板突水的“下三带”理论底板突水的隔水关键层理论1.底板突水系数理论四、承压含水层上采煤的理论依据psCMpT2.底板突水的“下三带”理论四、承压含水层上采煤的理论依据底板采动导水破坏带Ⅲ承压水导升带Ⅱ阻水带Ⅰh12h3hwγHkγHkγH2.底板突水的“下三带”理论——底板采动导水破坏带四、承压含水层上采煤的理论依据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底板采动导水破坏带Ⅲ承压水导升带Ⅱ阻水带Ⅰh12h3hwγHkγHkγH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。2.底板突水的“下三带”理论——底板采动导水破坏带四、承压含水层上采煤的理论依据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。（1）采煤方法2.底板突水的“下三带”理论——底板采动导水破坏带四、承压含水层上采煤的理论依据工作面越长，矿山压力显现越充分，底板破坏深度越大。（2）工作面长度或（3）煤层采高和采深2.底板突水的“下三带”理论——底板采动导水破坏带四、承压含水层上采煤的理论依据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。2.底板突水的“下三带”理论——底板采动导水破坏带四、承压含水层上采煤的理论依据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。（4）顶底板岩性及结构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范围底板采动导水破坏带Ⅲ承压水导升带Ⅱ阻水带Ⅰh12h3hwγHkγHkγH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。2.底板突水的“下三带”理论——底板阻水带四、承压含水层上采煤的理论依据2.底板突水的“下三带”理论——底板阻水带四、承压含水层上采煤的理论依据实验法阻水系数测定——钻孔水力压裂法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。底板采动导水破坏带Ⅲ承压水导升带Ⅱ阻水带Ⅰh12h3hwγHkγHkγH煤层底板承压含水层的水在水压力和矿压作用下上升到其顶板岩层中的范围。2.底板突水的“下三带”理论——承压水导升带四、承压含水层上采煤的理论依据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!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3.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底板关键层破断后的一般状态四、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是否存在底板突水危险是否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隔离底板承压水体疏降底板承压水体疏排底板承压水的资源化利用五、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042KPAma35.0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。042承压水从断层或彼侧的强含水层沿最短距离突入采空区五、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）：煤层采后向上冒裂波及含水断层或断层彼侧的强含水层五、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120m3/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91m3/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。