断层陷落柱水害防治技术课件

1、淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011陷落柱与断层诱发矿井水害陷落柱与断层诱发矿井水害及其防治技术及其防治技术中煤科工集团西安研究院中煤科工集团西安研究院虎维岳虎维岳 博士博士陷落柱水害防治技术陷落柱水害防治技术淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011陷落柱的形成机理与形成条件陷落柱的形成机理与形成条件形成条件：形成条件： 1、巨厚层可溶岩地层、巨厚层可溶岩地层 2、强侵蚀性地下水流、强侵蚀性地下水流 3、地下水强径流带及大型溶

2、蚀空洞暗河、地下水强径流带及大型溶蚀空洞暗河 4、往往与区域性地质构造相关、往往与区域性地质构造相关淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011陷落柱的形成机理与形成条件陷落柱的形成机理与形成条件形成机理：形成机理：溶 洞煤 层煤 层煤 层煤 层初期构造控制与岩溶分异作用初期构造控制与岩溶分异作用水流与溶蚀的互馈作用水流与溶蚀的互馈作用根部的生成深度与多期垮塌作用根部的生成深度与多期垮塌作用形成过程的渐进性形成过程的渐进性水文地质特征的多变性与分带性水文地质特征的多变性与分带性淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-201

3、1cab煤 层图 2-25 陷 落 柱 垂 向 导 水 性 分 析 示 意 图陷落柱垂向水文地质特征陷落柱垂向水文地质特征A A 全通式导水全通式导水B B 下通式导水下通式导水C C 上通式导水上通式导水淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011cba核 部 (a)图 2-26 陷 落 柱 横 断 面 导 水 性 分 析 示 意 图接 触 带 (b)影 响 带 (c)陷落柱切面水文地质特征陷落柱切面水文地质特征淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011五 煤八 煤十 二 煤太 灰奥 灰图 2-27 范 各 庄 矿

4、 2171工 作 面 陷 落 柱 突 水 剖 面 示 意 图陷落柱直接导水模式陷落柱直接导水模式陷落柱陷落柱导水通道作用导水通道作用淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011陷落柱间接导水模式陷落柱间接导水模式工作面O2陷落柱陷落柱导水通道作用导水通道作用淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011塑性变形带陷落柱水压关键层采空区采动破坏区煤层岩层岩层裂隙薄隔水层直接破断突水模式薄隔水层直接破断突水模式- - 浅隐伏陷落柱浅隐伏陷落柱陷落柱诱发矿井水害模式陷落柱诱发矿井水害模式淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南

5、矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011隔水保护层剪切破裂突水模式隔水保护层剪切破裂突水模式 深隐伏陷落柱深隐伏陷落柱塑性变形带陷落柱水压关键层采空区采动破坏区岩层岩层煤层陷落柱诱发矿井水害模式陷落柱诱发矿井水害模式峰峰九龙矿峰峰九龙矿淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011塑性变形陷落柱p水压岩层采空区采空区rarbp煤柱侧壁揭露或破断突水模式侧壁揭露或破断突水模式-切穿式陷落柱切穿式陷落柱陷落柱诱发矿井水害模式陷落柱诱发矿井水害模式东庞与范各庄矿东庞与范各庄矿淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011 突水

6、水源的水量充沛：突水水源的水量充沛：根据陷落柱的基本成根据陷落柱的基本成因条件可知，只要有陷落柱存在，则必然在其因条件可知，只要有陷落柱存在，则必然在其根部存在有厚层的可溶岩（如石灰岩），而厚根部存在有厚层的可溶岩（如石灰岩），而厚层可溶岩又往往构成富水含水层，该类含水层层可溶岩又往往构成富水含水层，该类含水层不仅有丰富的静贮量，也往往具有较大的补给不仅有丰富的静贮量，也往往具有较大的补给量。所以一旦发生陷落柱型突水，其突水水量量。所以一旦发生陷落柱型突水，其突水水量往往较大。往往较大。 陷落柱水文地质特点之一陷落柱水文地质特点之一淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技

7、术交流材料-2011 突水水压大、流速高：突水水压大、流速高：北方型煤田厚层灰岩含北方型煤田厚层灰岩含水层主要是奥陶系灰岩含水层，该含水层赋存于水层主要是奥陶系灰岩含水层，该含水层赋存于煤系地层之下一定的深度，且在煤层和含水层之煤系地层之下一定的深度，且在煤层和含水层之间存在有一定厚度的隔水层，奥陶系灰岩含水层间存在有一定厚度的隔水层，奥陶系灰岩含水层往往在平面上延展的范围较大，其主要在地势较往往在平面上延展的范围较大，其主要在地势较高处的裸露露头区接受大气降水或地表水补给，高处的裸露露头区接受大气降水或地表水补给，在煤层之下的含水层水往往处于高承压状态，一在煤层之下的含水层水往往处于高承压状

8、态，一旦发生突水，往往呈现出突水点水压大，突水流旦发生突水，往往呈现出突水点水压大，突水流速高的特点。速高的特点。陷落柱水文地质特点之二陷落柱水文地质特点之二淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011 突水通道具有隐蔽性和难以探知性：突水通道具有隐蔽性和难以探知性：陷落柱的陷落柱的形成原因决定了其具有点状导水构造的特点，尽形成原因决定了其具有点状导水构造的特点，尽管有些陷落柱的直径可达数百米，但和整个地质管有些陷落柱的直径可达数百米，但和整个地质结构体相比，其仍具有很强的局部性，特别是在结构体相比，其仍具有很强的局部性，特别是在陷落柱的周边区域，地层层序

9、仍保持着正常状态，陷落柱的周边区域，地层层序仍保持着正常状态，这就形成了通过地层层序和构造形态分析预测陷这就形成了通过地层层序和构造形态分析预测陷落柱变的十分困难，甚至不可能，陷落柱的隐蔽落柱变的十分困难，甚至不可能，陷落柱的隐蔽性和难以探知性，决定了陷落柱突水具有突发性性和难以探知性，决定了陷落柱突水具有突发性和难以防范性。和难以防范性。陷落柱水文地质特点之三陷落柱水文地质特点之三淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011 陷落柱型导水通道除了上述特点外，还应注陷落柱型导水通道除了上述特点外，还应注意到并不是所有的陷落柱都具有导水性，可意到并不是所有的

10、陷落柱都具有导水性，可以说百分之八九十以上的陷落柱因在长期的以说百分之八九十以上的陷落柱因在长期的地质作用过程中已被压实和胶结，其本身并地质作用过程中已被压实和胶结，其本身并不具备导水的能力。对于一些导水陷落柱，不具备导水的能力。对于一些导水陷落柱，其导水特点在平、剖面上也不完全一样。其导水特点在平、剖面上也不完全一样。 陷落柱水文地质特点之四陷落柱水文地质特点之四陷落柱水文地质性质探查方法陷落柱水文地质性质探查方法专门水文地质试验专门水文地质试验寻找水位水温异常点寻找水位水温异常点水文动态记录分析水文动态记录分析寻找水位水温异常点寻找水位水温异常点化学示踪试验化学示踪试验确定水力联系通道位置

11、确定水力联系通道位置三维地震勘探三维地震勘探寻找地质异常寻找地质异常区域地质构造及区域地质构造及地下水流场分析地下水流场分析从成因机制上预从成因机制上预测其发育规律测其发育规律淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011综合方法：综合方法：通过垂向上不同含水层的试通过垂向上不同含水层的试验孔对不同含水层进行相互验孔对不同含水层进行相互干扰试验（相互之间分别作干扰试验（相互之间分别作为激励孔和接收孔）为激励孔和接收孔）查明垂向不同含水层之间水力联系查明垂向不同含水层之间水力联系查明垂向不同含水层水力联系位置与强度查明垂向不同含水层水力联系位置与强度为最优防治

12、水工程设计提供依据为最优防治水工程设计提供依据QQ21淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011陷落柱水文地质性质探查方法陷落柱水文地质性质探查方法水力干扰试验方法：水力干扰试验方法：封水注浆体承压含水层突水点定向导斜注浆孔导水陷落柱地面导斜地面导斜注浆封堵注浆封堵陷落柱突陷落柱突水原理示水原理示意图意图 陷落柱水害防治陷落柱水害防治淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011注浆改造技术：注浆改造技术：陷落柱水害防治陷落柱水害防治淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011 导

13、水陷落柱防水煤柱厚度的确定方法。与断层防水煤柱的留设方法一样，对于陷落导水陷落柱防水煤柱厚度的确定方法。与断层防水煤柱的留设方法一样，对于陷落柱防水煤柱的留设，必须要考虑其周边垮落影响破裂带宽度及煤层与陷落柱的空间产柱防水煤柱的留设，必须要考虑其周边垮落影响破裂带宽度及煤层与陷落柱的空间产状关系，首先要确定采掘停头距陷落柱影响带外边界的最近距离位置或采空冒落带与状关系，首先要确定采掘停头距陷落柱影响带外边界的最近距离位置或采空冒落带与陷落柱影响带外边界的最近距离位置，根据水压和岩层的阻水能力计算该位置的安全陷落柱影响带外边界的最近距离位置，根据水压和岩层的阻水能力计算该位置的安全煤柱厚度（如图

14、中的煤柱厚度（如图中的L LR R），然后根据煤层与陷落柱空间位置关系、陷落柱外围导水裂），然后根据煤层与陷落柱空间位置关系、陷落柱外围导水裂隙带的宽度及回采工作面上覆地层的垮裂角计算煤柱留设厚度隙带的宽度及回采工作面上覆地层的垮裂角计算煤柱留设厚度L L。 防水煤岩柱留设技术：防水煤岩柱留设技术：断层水害防治技术断层水害防治技术淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011图 2-11 底 板 灰 岩 水 通 过 断 层 突 水 煤 矿 坑 示 意 图突 水 点山 青 煤小

15、青 煤大 青 灰 岩大 青 灰 岩小 青 煤2671工 作 面1-1=7m图 2-15 峰 峰 二 矿 2671工 作 面 断 面 导 通 突 水 结 构 示 意 图断层断层直接导水通道模式直接导水通道模式断层断层导水通道作用导水通道作用淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011断层间接断层间接导水通道模式导水通道模式O2工作面断层断层导水通道作用导水通道作用淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011Hp推进方向 含水层 断层 导升带 断裂直通式导通突水模式断裂直通式导通突水模式 断层诱发矿井水害模式断层诱发矿井水

16、害模式淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011Hp推进方向 含水层 断层 Hy导升带 断裂诱发承压水导升带突变突水模式断裂诱发承压水导升带突变突水模式 断层诱发矿井水害模式断层诱发矿井水害模式淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011Hp推进方向 含水层 断层 导升带 Hp1Hy断裂诱发底板破坏带突变突水模式断裂诱发底板破坏带突变突水模式断层诱发矿井水害模式断层诱发矿井水害模式淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011Hp推进方向 含水层 断层 裂隙带 导升带 Hp1Hy组

17、合断裂诱发隔水层厚度突变突水模式组合断裂诱发隔水层厚度突变突水模式 断层诱发矿井水害模式断层诱发矿井水害模式淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011断断 层层 面面煤煤 层层含含 水水 层层煤煤 层层断断 层层 面面含含 水水 层层图图1.煤层与含水层因断层带対接式接触示意图煤层与含水层因断层带対接式接触示意图 对接式：对接式：是指由于断层的错是指由于断层的错动，使得煤层与含水层以断层面为动，使得煤层与含水层以断层面为接触面在横向上直接对接。如图所接触面在横向上直接对接。如图所示，因断层倾角和产状的不同，煤示，因断层倾角和产状的不同，煤层与断层之间的対

18、接关系又可分为层与断层之间的対接关系又可分为上対接式和下対接式，上对接式指上対接式和下対接式，上对接式指越过断层面，含水层处于断层上盘，越过断层面，含水层处于断层上盘，煤层位于断层的下盘（图煤层位于断层的下盘（图1.B1.B），），随着断层倾角的变小，含水层对煤随着断层倾角的变小，含水层对煤层影响的范围变大。下対接式指越层影响的范围变大。下対接式指越过断层面，煤层处于断层上盘，含过断层面，煤层处于断层上盘，含水层位于断层的下盘（图水层位于断层的下盘（图1.A1.A），），随着断层倾角的变小，含水层对煤随着断层倾角的变小，含水层对煤层影响的范围变随之变小。两种不层影响的范围变随之变小。两种不同的

19、对接方式所对应的防治水技术同的对接方式所对应的防治水技术思路及防水煤柱留设计算方法也会思路及防水煤柱留设计算方法也会不同。不同。断层水文地质类型断层水文地质类型淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011含含 水水 层层断断 层层 面面煤煤 层层煤煤 层层断断 层层 面面含含 水水 层层煤层与含水层因断层带错位式接触示意图煤层与含水层因断层带错位式接触示意图 错位式：错位式：是指由于断层的是指由于断层的错动，使得煤层与含水层在断层两错动，使得煤层与含水层在断层两侧错开一定距离而非直接对接。如侧错开一定距离而非直接对接。如图所示，因断层倾角和产状的不同，图所

20、示，因断层倾角和产状的不同，煤层与断层之间的错位关系又可分煤层与断层之间的错位关系又可分为上错位和下错位，上错位指越过为上错位和下错位，上错位指越过断层面，含水层处于断层上盘，煤断层面，含水层处于断层上盘，煤层位于断层的下盘（图层位于断层的下盘（图2.a2.a），随着），随着断层倾角的变小，含水层对煤层影断层倾角的变小，含水层对煤层影响的范围变大。下错位指越过断层响的范围变大。下错位指越过断层面，煤层处于断层上盘，含水层位面，煤层处于断层上盘，含水层位于断层的下盘（图于断层的下盘（图2.b2.b），随着断），随着断层倾角的变小，含水层对煤层影响层倾角的变小，含水层对煤层影响的范围变随之变小。两

21、种不同的对的范围变随之变小。两种不同的对接方式所对应的防治水技术思路及接方式所对应的防治水技术思路及防水煤柱留设计算方法也会不同。防水煤柱留设计算方法也会不同。断层水文地质类型断层水文地质类型淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011断断 层层 面面煤煤 层层煤煤 巷巷断断 层层 含含 水水 带带疏疏 水水 孔孔专专 门门 疏疏 水水 巷巷疏疏 水水 孔孔 嵌入式：嵌入式：是指煤层直是指煤层直接嵌入到含接嵌入到含水体之中的水体之中的一种结构类一种结构类型，是含水型，是含水型断层所特型断层所特有的一种结有的一种结构类型构类型 煤层与含水层因断层带対接式接触

22、示意图煤层与含水层因断层带対接式接触示意图 断层水文地质类型断层水文地质类型淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011 导水断层：导水断层：是指断层切割含水地层或断层面直接是指断层切割含水地层或断层面直接延伸至地面，且断层面的全部或部分具有一定的张开性和延伸至地面，且断层面的全部或部分具有一定的张开性和导水能力，足以造成含水层水或地表水沿断层面自由流动导水能力，足以造成含水层水或地表水沿断层面自由流动的断层。应该强调的是断层的导水性能与断层形成时的力的断层。应该强调的是断层的导水性能与断层形成时的力学性质、断层形成后的后期演化与受力过程、断层切穿地学性质

23、、断层形成后的后期演化与受力过程、断层切穿地层的岩性特征具有密切的关系，一般地说，张拉性断层、层的岩性特征具有密切的关系，一般地说，张拉性断层、形成后受过多次扰动活化的断层、两盘岩性以硬脆性岩石形成后受过多次扰动活化的断层、两盘岩性以硬脆性岩石为主的断层多具有导水的能力，同时，断层的导水性具有为主的断层多具有导水的能力，同时，断层的导水性具有极强的不均匀性，一条断层经常会出现部分区段导水，而极强的不均匀性，一条断层经常会出现部分区段导水，而其他区段不导水的特性。因此，在探查和确认断层的导水其他区段不导水的特性。因此，在探查和确认断层的导水性能时，决不能一点带面。导水断层对煤矿安全生产具有性能时

24、，决不能一点带面。导水断层对煤矿安全生产具有一定的威胁，由于其导水性的不均匀性，探知难度较大。一定的威胁，由于其导水性的不均匀性，探知难度较大。 断层水文地质特征之一断层水文地质特征之一淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011 含水断层：含水断层：是指断层虽然没有直接切穿是指断层虽然没有直接切穿含水层或其他水源，不能造成不同含水层之含水层或其他水源，不能造成不同含水层之间的水力联系，但断层及其影响带足够宽，间的水力联系，但断层及其影响带足够宽，且断层带具有较强的破碎裂隙发育，具有较且断层带具有较强的破碎裂隙发育，具有较强的含水性，赋存有大量的地下水的断

25、层。强的含水性，赋存有大量的地下水的断层。该类断层不导水但富含水，断层及其影响带该类断层不导水但富含水，断层及其影响带本身就是一个含水体，其含水以静储量为主。本身就是一个含水体，其含水以静储量为主。 断层水文地质特征之二断层水文地质特征之二淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011 隔水断层：隔水断层：是指不具有导水和含水能是指不具有导水和含水能力且能够阻断含水层水在水平或垂向上的力且能够阻断含水层水在水平或垂向上的水力联系的断层。一般地说，压扭性断层、水力联系的断层。一般地说，压扭性断层、形成后未受过多次张拉扰动的断层、两盘形成后未受过多次张拉扰动的断

26、层、两盘岩性以柔软性岩石为主的断层多具有隔水岩性以柔软性岩石为主的断层多具有隔水的能力，该类断层往往形成含水层的隔水的能力，该类断层往往形成含水层的隔水边界。边界。断层水文地质特征之三断层水文地质特征之三淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011 导含水断层：导含水断层：是指断层既切割含水地是指断层既切割含水地层或直接延伸至地面，且断层带具有较强层或直接延伸至地面，且断层带具有较强的破碎裂隙发育，具有较丰富的含水性，的破碎裂隙发育，具有较丰富的含水性，赋存有大量的地下水的断层。他是导水断赋存有大量的地下水的断层。他是导水断层与含水断层的复合体。导含水断层

27、不仅层与含水断层的复合体。导含水断层不仅具有丰富的静态含水量，同时具有丰富的具有丰富的静态含水量，同时具有丰富的动态补给水量，是对煤矿安全生产威胁最动态补给水量，是对煤矿安全生产威胁最大的断层类型大的断层类型 断层水文地质特征之四断层水文地质特征之四淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011PP顶顶板板冒冒裂裂带带采采空空区区采采空空区区水水压压力力作作用用断断层层带带含含水水层层采掘扰动应力作用机理采掘扰动应力作用机理, ,水压力作用机理水压力作用机理, ,渗流潜蚀作用机理渗流潜蚀作用机理 断层带围岩受水压力作用方式示意图断层带围岩受水压力作用方式示意

28、图 断层邻近区域煤炭资源开采的水害形成机理断层邻近区域煤炭资源开采的水害形成机理淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-20111 1、合理留设防水煤岩柱、合理留设防水煤岩柱 断层带H：工作面回采后最大冒裂带高度（：工作面回采后最大冒裂带高度（m）P：断层带水压（：断层带水压（MPa）L：安全煤柱（：安全煤柱（m）LR、Lx：依突水系数理论计算的突水危险区安全距离（：依突水系数理论计算的突水危险区安全距离（m）：断层倾角：断层倾角：工作面顶板覆岩冒裂角：工作面顶板覆岩冒裂角tgHL 1tgPtgLLx07. 006. 02tgtgLHL)(23321LLLL0

29、7. 006. 0PLRsinRLL 断层水害防治技术断层水害防治技术淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料淮南矿业集团煤矿水害防治技术交流材料-2011沿断层与煤层交线定向导斜探测断层含水性示意图沿断层与煤层交线定向导斜探测断层含水性示意图2 2、关键层段导水性能注浆改造技术、关键层段导水性能注浆改造技术 由于大多数断层的导水性不强或者是其只是在局部层段具有导水性，只要在查明断层的空间结构由于大多数断层的导水性不强或者是其只是在局部层段具有导水性，只要在查明断层的空间结构特征及其水文地质性质的基础上，对于威胁煤层安全开采的局部导水层段进行工程改造，变导水介质特征及其水文地质性质的基础上，对于威

30、胁煤层安全开采的局部导水层段进行工程改造，变导水介质为隔水介质，就可以大大减少或去掉防水煤柱的留设量，使宝贵的煤炭资源得以开发利用。由于煤层为隔水介质，就可以大大减少或去掉防水煤柱的留设量，使宝贵的煤炭资源得以开发利用。由于煤层与断层面的交汇区呈线状空间展布，因此，注浆改造工程最好与断层的空间展布形态及其导水性能探与断层面的交汇区呈线状空间展布，因此，注浆改造工程最好与断层的空间展布形态及其导水性能探测工程有效结合起来，以井下定向钻探技术为主体，如图测工程有效结合起来，以井下定向钻探技术为主体，如图9 9所示（红线为钻孔轨迹），沿煤层与断层面所示（红线为钻孔轨迹），沿煤层与断层面的交接线，实施定向导斜探测钻探，使钻孔轨迹呈现出蛇形特征不断地多次穿过断层面，当遇到断层的交接线，