矿井水害及防治技术

矿井水害及防治技术山东科技大学泰安校区连传杰教授13805486835华北型煤田典型柱状图（济宁）•第一部分•水体下采煤概况一、概述•1、水体类型•（1）地表水（江河湖海）•（2）松散层水（第四系、第三系砂砾层）•（3）(顶板、底板)基岩水(砂岩、石灰岩)•（4）地表水＋松散层水•（5）松散层水＋基岩水•（6）地表水＋基岩水•（7）地表水＋松散层水＋基岩水•（8）特殊水体：老空水（木石煤矿、淄博）•断层水（很多矿井出现）•岩溶陷落柱（开滦范家庄）2、煤柱的类型•（1）防水安全煤岩柱（水量大）•（2）防砂安全煤岩柱（补给小）•（3）防塌安全煤柱（隔水层好）•（4）各类隔离（保护）煤柱•矿界隔离煤柱•断层保护煤柱•各类防水隔离煤柱防水安全煤岩柱设计•（a）缓倾斜煤层（b）急倾斜煤层煤系地层无松散层覆盖时防水安全煤柱设计基岩风化带含水时防水安全煤岩柱设计防砂安全煤岩柱设计防塌安全煤岩柱设计3、水体下采煤原则•（1）安全性（第一）•（2）经济性•开采上限与涌水量增大的问题4、水体下采煤的技术措施（地面）•改变补给条件（安全与经济）：•河流改道（章丘玉山煤矿）•夯填地表补给来源（朝阳煤矿）4、水体下采煤的技术措施（井下）•（1）采煤方法•①分层开采（减小破坏高度）•②充填（水砂）开采（新汶、临沂）•③条带开采（淄博）•（2）安全措施及设施•①留设安全防水煤柱（断层、水体）•②建立安全隔离设施与管理（受水威胁的建立水闸门、水闸墙）•水闸墙为什么出现事故？•③分区开采（四川达竹局工程实例）二、开采上限确定的主要技术问题与探测技术•1、开采上限的确定方法•（1）《建筑物、铁路、水体及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》•坚硬顶板裂缝带高度：•（中误差较大）•（2）实测方法（准确度高）•传统方法（地面钻探）费用高；•井下仰孔探测准确、费用低•（3）类比方法（可靠性差）•（4）力学计算•9.80.22.1100MMHli提高开采上限确定的意义•倾角越小，煤量越大，科学确定（提高开采上限）的意义越大（安全、多采煤）2、采动覆岩破坏的探测方法•（1）地面或井下巷道向下打钻观测•水文观测为主（冲洗液消耗量、钻孔水位观测）•物探观测为辅（测井方法很多）阜新平安矿•①位置：依据煤层倾角定•倾向：一般在倾斜边界上方附近•走向：开切眼或停采线附近•②个数：3—5个•③钻孔直径：一般直径89—127mm，开孔或表土层钻孔直径较大，并下套管保护。•④观测内容•1）钻孔冲洗液消耗量•1L/min或0.1l/s.m时，则进入了导水裂缝带•2）钻孔水位观测•在钻孔冲洗液正常循环过程中以及冲洗液完全漏失前，应对水位进行测定，以确定裂缝带顶点（水位显著降低，水位下降快，甚至干孔——进入裂缝带顶点）•3）岩芯鉴定，记录钻进过程中的异常现象（如掉钻、卡钻…吸风现象等）。•轻微吸风：裂缝带•掉钻、漏风：冒落带（孔内无水）•掉钻、漏水（也可能为离层）•主要缺点：•1）工程量大，费用高（钻孔深度、征地费、青苗补偿费、输电…）•2）观测精度相对较低•3）有时条件不适宜观测：•地面条件：海下、湖下（枣庄高庄、殷•庄矿）、河下、老空区积水区下•岩性条件：龙口局(孔变形大,不能保留)（2）井下仰孔分段注水观测新技术•①钻孔直径：最好是89mm（80mm左右）•②位置：•走向：开切眼或停采线附近巷道•倾向：上顺槽外侧巷道或硐室•推广应用方向：•（1）高位瓦斯抽放中确定抽放层位•（2）承压水上开采底板破坏深度（充气）•（3）巷道松动圈观测（小型化）三、水体下采煤实例•四川省达竹矿务局铁山南煤矿•1、概况：两层煤（1m左右），总厚2m•2、由来及现状•3、工作思路•（1）实现分区开采（区间隔离煤柱）•（2）上限防水煤柱留设•（3）防水工程（防水闸墙、防水闸门）•（4）安全系统建立（预警系统、避灾路线、设施管•理）第二部分承压水体上采煤•（华北型煤田：奥陶系灰岩）1－华北石炭二叠纪煤田的岩溶裂隙水水害区；2－华南晚二叠世煤田的岩溶水水害区；3－东北侏罗纪煤田的裂隙水水害区；4－西北侏罗纪煤田的裂隙水水害区；5－西藏－滇西中生代煤田的裂隙水水害区；6－台湾第三纪煤田的裂隙－孔隙水水害区一、概述•1、分布范围广、受威胁储量多•2、研究难度：年代久、断层多•3、目前的研究水平二、采矿设计中应注意的问题•1、分区开采（独立分区、水闸门、水闸墙设计）•2、分析底板隔水层隔水性及开采方法的合理选择3、安全分区（评价）•（1）突水系数法psCMPT部分矿井的临界突水系数值矿区名称峰峰焦作淄博井陉突水系数MPa/m0.066-0.0760.06-0.100.06-0.100.06-0.15•（2）经验类比法•规程附录中列举了淄博矿区、焦作矿区、峰峰矿区底板实际厚度（hd）与底板所能承受的极限水压（Pj）的关系。•当底板所能承受的极限水压力（Pj）大于实际水压力（P）时不会发生突水，否则需要疏降压后才能开采，即实现安全开采应满足以下条件：•PjP•（3）理论计算法•采用下式计算底板岩柱实际承受的极限压力Pj：•式中：h1－底板采动导水破坏带深度，m；•γ－底板岩层平均容重，MN/m3；•L－壁式工作面斜长，m；•Ly－沿推进方向工作面老顶初次来压步距，m；•St－底板岩体抗拉强度，一般取岩石抗拉强度•的0.15倍，MPa。•当计算的极限水压力（Pj）大于实际水压力（P）时不会发生突水，否则需要疏降压、注浆加固后才能开采，即达到：•PjPdtdyyYjhShhLLLLL2122222312•4、合理巷道布置•（一般不开掘底板巷道）•5、加强掘进管理•探水（物探——微地震法。前方落差不准，底板可以）•避灾路线•6、提高排水能力（很重要－专家意见）•7、开采规划（上部煤层开采，探测下部煤层——微地震）第三部分•水灾害防治技术1把好采矿设计关•开采上限的确定（铁矿例子）•断层煤柱的留设•防水设施（水闸门、水闸墙）的设计2保证足够的排水能力•大水矿井•专家意见3加强水文地质研究•查明构造•地震技术（地面三维地震、井下微地震）•物探技术•钻探技术•水文观测网•井上（主要含水层）•井下（灰岩－徐灰、奥灰）4加强防水设施管理•水闸门（关键时刻用得上）•水闸墙（预兆）5严格煤柱管理•断层煤柱•各类隔离煤柱•采空区•矿井边界•工程图纸管理6减少无效排水•明水封堵•底板薄层灰岩改造（肥城）7严格开采掘进管理•超前探水（钻探最准确）•煤柱管理（不准超采－木石）•人员培训（突水征兆及避灾路线）8应急抗灾能力•注浆堵水技术（井上下定位）•排水设施的维护（水闸门、排水设备）