43承压含水层上采煤

1、4-34-3 承压含水层上采煤承压含水层上采煤 主要是安全问题，同时兼顾水的综合利用主要是安全问题，同时兼顾水的综合利用 一、底板突水的影响因素一、底板突水的影响因素 二、承压含水层上采煤的理论依据二、承压含水层上采煤的理论依据 三、承压含水层上安全煤岩柱留设三、承压含水层上安全煤岩柱留设 四、承压含水层上采煤的技术措施四、承压含水层上采煤的技术措施 五、承压含水层上采煤工程实例五、承压含水层上采煤工程实例 承压含水层上采煤承压含水层上采煤 太原群灰岩、奥陶系灰岩、茅口灰岩太原群灰岩、奥陶系灰岩、茅口灰岩 灰岩岩溶发育，含水丰富。灰岩岩溶发育，含水丰富。 底板承压水底板承压水有一定水压、贮存和

2、流动于煤有一定水压、贮存和流动于煤 层底板灰岩中的水体层底板灰岩中的水体 奥陶系灰岩厚奥陶系灰岩厚200 200 80800 0m m， 奥灰水的水压奥灰水的水压1.47 1.47 3.43 3.43 mpampa，深部可达深部可达9.819.81mpampa 至石炭系最下部可采煤层至石炭系最下部可采煤层 的距离通常仅有的距离通常仅有20 60m 承压含水层上采煤承压含水层上采煤 煤层底板突水：煤层底板突水： 灰岩灰岩水穿越了开采水穿越了开采 煤层和含水层之间煤层和含水层之间 的煤岩柱，以突然的煤岩柱，以突然 的方式大量地涌入的方式大量地涌入 采掘空间的现象采掘空间的现象 一、一、 影响底板突

3、水的主要因素影响底板突水的主要因素 （一）底板突水类型（一）底板突水类型 1、按突水地点、按突水地点 巷道突水巷道突水 多以构造破坏为主，承压水通过断裂或构多以构造破坏为主，承压水通过断裂或构 造破碎带进入底板，形成充水，一旦巷道造破碎带进入底板，形成充水，一旦巷道 揭露出来后，承压水就迅速涌入。揭露出来后，承压水就迅速涌入。 底板突水类型底板突水类型 采场突水采场突水 多以采矿破坏为主，矿山压力破坏和削弱了多以采矿破坏为主，矿山压力破坏和削弱了 底板隔水层的厚度和强度，造成与含水层的底板隔水层的厚度和强度，造成与含水层的 密切水力联系。密切水力联系。 巷道突水和采场突水巷道突水和采场突水的比

4、例几乎相等的比例几乎相等 底板突水类型底板突水类型 2、按突水量大小、按突水量大小 特大型特大型 50m3/m; 大型大型 20-49 m3/m ； 中型中型 5-19 m3/m； 小型小型 5 m3/m （二）影响底板突水的主要因素（二）影响底板突水的主要因素 1 1、水源条件、水源条件 水量愈丰富，突水量愈大，危害也愈大。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，破坏愈水层进入底板隔水层，水压愈大，破坏愈 严重。严重。

5、 影响底板突水的主要因素影响底板突水的主要因素 2 2、地质构造、地质构造 底板突水事故的底板突水事故的80%以以 上发生在断裂构造附近上发生在断裂构造附近 构造既可以充水，又可构造既可以充水，又可 以导水以导水 有效厚度和实际强度降有效厚度和实际强度降 低低 煤层与含水层之间的相煤层与含水层之间的相 对位置变化对位置变化 ) ) s - 6 0 0 - 5 0 0 - 4 0 0 k o 2 3 1 4 s s 1 2 9 s 7 + 2 7 - 3 0 0 5 s 影响底板突水的主要因素影响底板突水的主要因素 3 3、隔水层的阻水能力、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、

6、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分层厚度和裂隙发育程度 底板采动导水破坏带 承压水导升带 阻水带 h 1 2 h 3 h w h khkh 影响底板突水的主要因素影响底板突水的主要因素 4 4、矿山压力、矿山压力 支承压力诱发底板突水支承压力诱发底板突水 初次来压或周期来压期间初次来压或周期来压期间易易突水突水 工作面后部采空区边缘附近工作面后部采空区边缘附近易易突水突水 开切眼附近底板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或在停采线处易突水 区段或分带煤柱附近易突水区段或分带煤柱附近

7、易突水 周期来压期间周期来压期间。煤体内的支承压力达到最。煤体内的支承压力达到最 大，对底板破坏严重。大，对底板破坏严重。 初次来压期间初次来压期间。煤体内的支承压力达到最。煤体内的支承压力达到最 大，对底板破坏严重。大，对底板破坏严重。 开切眼附近开切眼附近。老顶大面积显露，直接顶不。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。能充分垮落，底板形成较大的自由面。 支承压力诱发底板突水支承压力诱发底板突水 工作面推进速度慢工作面推进速度慢 工作面突然停止推进工作面突然停止推进 工作面停采线处工作面停采线处 支承压力作用时间长，底板破坏严重，推进快支承压力作用时间长，底板破坏严重

8、，推进快 时，未形成较大裂隙就会由膨胀状态变为压缩时，未形成较大裂隙就会由膨胀状态变为压缩 状态；状态； 区段煤柱附近：顶板垮落不充分，固定支承压区段煤柱附近：顶板垮落不充分，固定支承压 力作用下底鼓力作用下底鼓 支承压力作用时间支承压力作用时间 支承压力诱发底板突水支承压力诱发底板突水 二、承压含水层上采煤的理论依据二、承压含水层上采煤的理论依据 （一）（一）“下三带下三带”理论理论 （二）突水系数法（二）突水系数法 （三）底板隔水关键层理论（三）底板隔水关键层理论 1 1、煤层底板应力及变形分区、煤层底板应力及变形分区 h =kh v h h 0 v h v （一）（一）“下三带下三带”理

9、论理论 2、煤层底板岩层中的下三带、煤层底板岩层中的下三带 底板采动导水破坏带 承压水导升带 阻水带 h 1 2 h 3 h w h khkh 底板采动导水破坏带底板采动导水破坏带 煤层底板岩层受采煤层底板岩层受采 动影响而产生的采动影响而产生的采 动导水断裂范围动导水断裂范围 由沿层面和垂直于由沿层面和垂直于 层面的裂缝层面的裂缝 形成形成 底板采动导水破坏带 承压水导升带 阻水带 h 1 2 h 3 h w h khkh 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，工作面长度愈大， 矿山压力显现愈充分，矿山压力显现愈充分， 底板破坏深度愈大底板破坏深度愈大 顶板悬顶愈大，

10、前顶板悬顶愈大，前 支承压力峰值愈大，支承压力峰值愈大， 对底板破坏愈严重。对底板破坏愈严重。 采深加大后前支承采深加大后前支承 压力的绝对量随采深压力的绝对量随采深 加大而加大加大而加大 320 底板破坏深度 16 0 40 8 4 12 l(m)工作面斜长 12080 p5-3 160 200240 280 h(m) 20 24 28 32 （2）底板阻水带）底板阻水带 位于煤层底板采动位于煤层底板采动 导水破坏带以下、导水破坏带以下、 底部含水体以上具底部含水体以上具 有阻水能力的岩层有阻水能力的岩层 范围范围 底板采动导水破坏带 承压水导升带 阻水带 h 1 2 h 3 h w h k

11、hkh 底板阻水带厚度底板阻水带厚度h2 实验法实验法 h2=p/z p底板上的水压力，底板上的水压力，mpa； z阻水系数，阻水系数，mpa/m。 钻孔水力压裂法钻孔水力压裂法 实测单位底板隔水岩层平均阻水能力的系数实测单位底板隔水岩层平均阻水能力的系数 z=z=p pb b / r/ r p pb b使岩体破裂时的临界水压力，使岩体破裂时的临界水压力，mpampa； r r裂缝扩展半径，一般取裂缝扩展半径，一般取40405050m m 岩层阻水系数岩层阻水系数z z 岩性岩性中、粗粒砂中、粗粒砂 岩岩 细砂岩细砂岩粉砂岩粉砂岩 阻水系数（阻水系数（mpa/mmpa/m）0.30.50.50

12、.30.2 岩性岩性泥岩泥岩石灰岩石灰岩断层带断层带 阻水系数（阻水系数（mpa/mmpa/m） 0.1 0.30.3 0.4 0.05 0.100.10 底板承压水导升带底板承压水导升带 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裂隙，岩溶承压水进入后成为导水层 底板承压水导升带底板承压水导升带 底板采动导水破坏带 承压水导升带 阻水带 h 1 2 h 3 h w h khkh 煤层底板承压含水煤层底板承压含水 层的水在水压力和层的水在水压力和 矿压作用下上升到矿压作用下上升到 其顶板岩层中的范其顶板岩层中的范 围围 底板承

13、压水导升带底板承压水导升带 底板承压水导升带上界参差不齐，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，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。有些矿区可能无底板承压水导升带。 底板采动导水破坏带 承压水导升带 阻水带 h 1 2 h 3 h w h khkh h h3 3用物探用物探 和钻探方和钻探方 法法 巷道中用巷道中用 电测，钻电测，钻 探探 根据下三带预测承压含水层上采煤的安根据下三带预测承压含水层上采煤的安 全情况全情况 底板阻水带底板阻水带 厚度和强度厚度和强度 均大均大 安全安全 正常开采正常开采 底板阻水带底板阻水带 薄或强

14、度不薄或强度不 够够 不够安全不够安全 缩短工作面缩短工作面 长度，减少长度，减少 破坏深度，破坏深度， 增加底板阻增加底板阻 水带厚度水带厚度 根据下三带预测承压含水层上采煤的安全情况根据下三带预测承压含水层上采煤的安全情况 无底板阻水带无底板阻水带 底板采动导水破坏带与底板采动导水破坏带与 底板承压水导升带沟通底板承压水导升带沟通 不安全不安全 底板采动导水破坏带底板采动导水破坏带 与含水层相接与含水层相接 易突水易突水 根据下三带预测承压含水层上采煤的安全情况根据下三带预测承压含水层上采煤的安全情况 断裂构造带处导升高断裂构造带处导升高 度与底板承压水导升度与底板承压水导升 带接近或切穿

15、煤层带接近或切穿煤层 很危险很危险 留煤柱，改变采煤方留煤柱，改变采煤方 法，对破坏带以下断法，对破坏带以下断 裂封堵加固裂封堵加固 （二）突水系数法（二）突水系数法 t s突水系数， 突水系数，mpa/ m； p实际水压力，实际水压力，mpa； h d底板隔水岩层厚 底板隔水岩层厚 度度，m； h1底板采动导水破坏底板采动导水破坏 带深度，带深度，m 1 hh p t cm p t d s p s 或 突水系数法突水系数法 底板突水预测底板突水预测 经验曲线经验曲线 以往带压开采过以往带压开采过 程中的突水与未程中的突水与未 突水的采掘工作突水的采掘工作 面水压与底板岩面水压与底板岩 层厚度

16、的关系，层厚度的关系， 制成突水临界曲制成突水临界曲 线线 5 65 底板隔水层厚度ha(m) 35 55 45 25 15 (e)焦作矿区突水统计关系曲线 突水区 掘进安全区 回采安全区 采煤工面突水点 掘进工面突水点 o p水压（mpa) 123456 三、三、 承压含水层上安全煤岩柱留设承压含水层上安全煤岩柱留设 （一）煤层下方水体采动等级和允许采动程度（一）煤层下方水体采动等级和允许采动程度 水体类型水体类型允许采动程度允许采动程度要求留设的安要求留设的安 全煤岩柱类型全煤岩柱类型 1位于煤系地层之下的巨厚灰岩位于煤系地层之下的巨厚灰岩 强含水体强含水体 2位于煤层之下的薄层灰岩具有位

17、于煤层之下的薄层灰岩具有 强含水源补给的含水体强含水源补给的含水体 3位于煤层之下的作为重要水源位于煤层之下的作为重要水源 或旅游资源保护的水体或旅游资源保护的水体 不允许底板采动不允许底板采动 导水破坏带波及导水破坏带波及 水体，或与承压水体，或与承压 水导升带沟通，水导升带沟通， 并有能起到强阻并有能起到强阻 水作用的有效保水作用的有效保 护层护层 底板强防水安底板强防水安 全煤岩柱全煤岩柱 煤层下方水体采动等级和允许采动程度煤层下方水体采动等级和允许采动程度 1位于煤系地层之下的弱含位于煤系地层之下的弱含 水体，或已疏降的强含水体水体，或已疏降的强含水体 2位于煤层之下的无强水源位于煤层

18、之下的无强水源 补给的薄层灰岩含水体补给的薄层灰岩含水体 3位于煤系地层或煤系地层位于煤系地层或煤系地层 底部其它岩层中的中弱、含水底部其它岩层中的中弱、含水 体体 允许采取安全允许采取安全 措施后底板采措施后底板采 动导水破坏带动导水破坏带 涉及水体，或涉及水体，或 与承压水导升与承压水导升 带沟通，但防带沟通，但防 水安全煤岩柱水安全煤岩柱 仍能起到安全仍能起到安全 阻水作用阻水作用 底 板 弱底 板 弱 防 水 安防 水 安 全 煤 岩全 煤 岩 柱柱 （二）水体上采煤防水安全煤岩柱设计方法（二）水体上采煤防水安全煤岩柱设计方法 设计防水安全煤岩柱的原则是：不允许底板设计防水安全煤岩柱的

19、原则是：不允许底板 采动导水破坏带涉及水体，或与承压水导升采动导水破坏带涉及水体，或与承压水导升 带沟通带沟通 1 1、无导升带的正常底板、无导升带的正常底板 h2 h h a 1 水体上采煤防水安全煤岩柱设计方法水体上采煤防水安全煤岩柱设计方法 2 2、承压水附近存在导、承压水附近存在导 升带升带 底板安全煤岩柱高度底板安全煤岩柱高度 haha应大于或等于导水应大于或等于导水 破坏带深度破坏带深度h h1 1、阻水带阻水带 厚度厚度h h2 2和承压水导升带和承压水导升带 高度高度h h3 3之和之和 h h a ah h1 1+h+h2 2 +h +h3 3 h3 h ha 2 h 1 导

20、升带 阻水带 水体上采煤防水安全煤岩柱设计方法水体上采煤防水安全煤岩柱设计方法 h a h h 4 2 h1 h d h a h d 煤层底板至含水层顶之间的实际厚度煤层底板至含水层顶之间的实际厚度 h a 计算的安全煤岩柱尺寸计算的安全煤岩柱尺寸 承压水上采煤的安全度符合要求。承压水上采煤的安全度符合要求。 h d h a h d 煤层底板至含水层顶之间的实际厚度煤层底板至含水层顶之间的实际厚度 h a 计算的安全煤岩柱尺寸计算的安全煤岩柱尺寸 当计算所得的安全煤岩柱尺寸当计算所得的安全煤岩柱尺寸ha大于煤层大于煤层 底板至含水层顶之间的实际厚度底板至含水层顶之间的实际厚度h d时，需时，需

21、 进一步评定进一步评定 四、承压含水层上安全采煤的技术措施四、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（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 采水平以下采水平以下 疏水井巷、疏水钻孔疏水井巷、疏水钻孔 防止底板突水效果最好。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、成疏水工程量大、设备多、电耗大，因而投资大、成 本高；本高； 由于疏水引起的水位降低，使附近工农业用水缺乏，由于疏水引起的水位降低，使附近工

22、农业用水缺乏， 并造成地表下沉。并造成地表下沉。 承压含水层上安全采煤的技术措施承压含水层上安全采煤的技术措施 （二）外截内排（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，截断采用钻孔注浆的方法建立人工帷幕，截断 矿井的补给水矿井的补给水 然后在开采范围内进行疏水，将承压水的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，补给径流特定条件，水文地质条件清楚，补给径流 区集中区集中 （三）带压开采（三）带压开采 带压开采带压开采在煤层和含水层之间

23、保留足够厚度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，在有一定水压条件和阻水能力的隔水层岩柱，在有一定水压条件 下开采。下开采。 带压开采无需事先专门排水，在经济上花费带压开采无需事先专门排水，在经济上花费 较少，特别是在水文地质条件复杂的地区，较少，特别是在水文地质条件复杂的地区， 底板突水的危险性更大。底板突水的危险性更大。 开采技术要求高，要防止发生突出事故，保开采技术要求高，要防止发生突出事故，保 护采掘空间本身。护采掘空间本身。 带压开采时的技术措施带压开采时的技术措施 1、缩短工作面长度、缩短工作面长度 缩小到跨度缩小到跨度60m时效果明显，时效果明显， 降低了最大应

24、力，底臌量减少降低了最大应力，底臌量减少 底板裂隙带深度减少底板裂隙带深度减少 井陉、邯郸隔水层最薄处井陉、邯郸隔水层最薄处10多米；多米； 不同采煤方法的底板破坏深度不同采煤方法的底板破坏深度 采煤方法及面采煤方法及面 长长 长壁长壁 80 100100m m 短壁短壁 50m 条带条带 20m 房柱房柱 15m15m15m 底板破坏深度底板破坏深度 ( (m)m) 101717 3.5 7 7 2.5 3 3 3 5 5 2、缩小来压步距、缩小来压步距 挑顶和软化顶板，强制放顶（降低了挑顶和软化顶板，强制放顶（降低了 最大支承压力，改善了底板受力状态，最大支承压力，改善了底板受力状态， 变

25、两向应力状态为三向应力状态）变两向应力状态为三向应力状态） 带压开采时的技术措施带压开采时的技术措施 3、改变顶板管理方法和采煤方法、改变顶板管理方法和采煤方法 充填采煤法充填采煤法可减少支承压力对底板可减少支承压力对底板 的破坏、可防止底鼓和底板裂隙张的破坏、可防止底鼓和底板裂隙张 开。开。 条带采煤法条带采煤法可减轻对底板的破坏。可减轻对底板的破坏。 分层采煤法分层采煤法以后各分层周期来压不以后各分层周期来压不 明显。明显。 带压开采时的技术措施带压开采时的技术措施 4、改革采区巷道布置、改革采区巷道布置 巷道布置要少穿断层，特别要注意交岔点和工巷道布置要少穿断层，特别要注意交岔点和工 作

26、面上下出口要避开断层。作面上下出口要避开断层。 巷道应尽可能和断层正交，避免巷道与断层平巷道应尽可能和断层正交，避免巷道与断层平 行和长距离斜交。行和长距离斜交。 减少交岔点数目和交岔点的面积。减少交岔点数目和交岔点的面积。 采区间隔离开采，采区四周要留煤柱，之间要采区间隔离开采，采区四周要留煤柱，之间要 设置水闸门，以缩小底板突设置水闸门，以缩小底板突 水影响范围。水影响范围。 带压开采时的技术措施带压开采时的技术措施 5、处理断层和陷落柱、处理断层和陷落柱 突水与断层有关突水与断层有关 ，特别与多条断层交叉，特别与多条断层交叉 有密切关系有密切关系 峰峰峰峰 76% 井陉井陉 97% 淄博

27、淄博 70% 焦作焦作 55% 带压开采时的技术措施带压开采时的技术措施 注浆加固注浆加固 留断层和陷落柱煤柱留断层和陷落柱煤柱 6、注浆加固底板，提高保护层强度、注浆加固底板，提高保护层强度 对于底板破碎带及薄层石灰岩含水层，通对于底板破碎带及薄层石灰岩含水层，通 过钻孔注浆，堵塞石灰岩溶洞，加固破碎过钻孔注浆，堵塞石灰岩溶洞，加固破碎 带和裂隙带，并封闭奥陶系石灰岩的补给带和裂隙带，并封闭奥陶系石灰岩的补给 通道。通道。 注浆注浆 对局部地点对局部地点 注固结剂注固结剂 带压开采时的技术措施带压开采时的技术措施 7、其它、其它 易突水地点要少掘巷，少钻孔，提高工作易突水地点要少掘巷，少钻孔

28、，提高工作 面推进速度，并保持匀速推进，避免工作面推进速度，并保持匀速推进，避免工作 面长期停采。面长期停采。 带压开采时的技术措施带压开采时的技术措施 8 8、综合治理同时带压开采、综合治理同时带压开采 m1m2m3 h1 h2 水平采m1 、 、m2，水位为h1 在 水平水位为h2时，再采 水平的m3 降低水位，采降低水位，采 用疏水措施用疏水措施 灰岩类 矿井 岩柱承受的 水压mpa 岩柱 高m 采厚 m 技术措施 薄层灰岩 焦作冯营 矿 0.65-1.5738-404.5疏水降压 厚层灰岩 淄博 黑山矿 2.2-3.1835-46留断层煤 柱 厚层奥灰 邯郸王 凤一矿 0.4419-2

29、51预疏邻近 灰岩水 厚层茅口 灰岩 涟邵 桥头河矿 2.38-101.8 疏水降压 引起局部 突水 薄层徐灰 淄博 双沟矿 0.9533-38 疏水降压 留断层煤柱 五、承压含水层上带压开采工程实例五、承压含水层上带压开采工程实例 921采区设计开采区域采区设计开采区域 9112 9112 9112 9110 9110 居民楼 邮电局镇卫生院 法院 20 8 10 23 山 后 寨 17.5 23 2008 2008 2007 9111 4060200 4060400 4060600 4060800406100040612004061400 20537200 2053720020537400 20537600 20537600 20537800 20537800 20538000 20538000 20538200 20538200 20538400 20538400 2053860020538800 20538800 20539000 20539000 20539200 20539200 2007 2008 2008 2009 2009 冠军花苑小区 敬老院 圣井幼 儿园 圣井中学 9211工作面 9212工作面 9214