底板水害防治技术与方法(中国矿业大学)

1、资源与地球科学学院资源与地球科学学院底板水害防治技术与方法底板水害防治技术与方法主讲人：朱术云主讲人：朱术云2014年年11月月24日日中国矿业大学中国矿业大学专题交流专题交流资源与地球科学学院资源与地球科学学院第一节第一节 底板水的疏水降压底板水的疏水降压 第二节第二节 带压开采水害防治带压开采水害防治 主要内容：主要内容：资源与地球科学学院资源与地球科学学院v疏水降压：借助于各种不同的疏水工程(钻孔、巷道等)和相应的疏排水设备，迫使含水层水位(水压)降低到一定水平，造成不同规模的降落漏斗，使采掘工作得以在水量尽可能小甚至完全疏干的条件下进行。( (一一) )地表疏水降压地表疏水降压( (二

2、二) )井下疏水降压井下疏水降压( (三三) )井上下联合疏水降压井上下联合疏水降压资源与地球科学学院资源与地球科学学院（一）地表疏水降压（一）地表疏水降压地表疏降模式地表疏降模式资源与地球科学学院资源与地球科学学院地表疏降钻孔地表疏降钻孔( (井井) )平面布置方式平面布置方式地表疏降钻孔地表疏降钻孔( (井井) )平面布置方式平面布置方式资源与地球科学学院资源与地球科学学院（二）井下疏水降压（二）井下疏水降压 下行式井下疏水降压钻孔下行式井下疏水降压钻孔n注意注意! !当下伏含水层的水头压力过高（大于当下伏含水层的水头压力过高（大于4 45MPa5MPa）时，）时，井下放水钻孔施工就很困难

3、，此时此法不宜采用。井下放水钻孔施工就很困难，此时此法不宜采用。(a) (a) 底板疏水降压孔平面布置示意图底板疏水降压孔平面布置示意图 (b)(b)底板疏水降压孔剖面示意图底板疏水降压孔剖面示意图资源与地球科学学院资源与地球科学学院n压力传递式井下疏降钻孔压力传递式井下疏降钻孔压力传递式井下疏水孔压力传递式井下疏水孔n兖州、济宁煤田开采下组煤疏兖州、济宁煤田开采下组煤疏放十下灰水。放十下灰水。 资源与地球科学学院资源与地球科学学院（三）井上下联合疏水降压（三）井上下联合疏水降压n井上下联合疏水降压井上下联合疏水降压n当地面或井下单一疏降方式效果不好或不够经济合理当地面或井下单一疏降方式效果不

4、好或不够经济合理时，可采用井上下联合疏水，或采用供疏结合的联合疏水。时，可采用井上下联合疏水，或采用供疏结合的联合疏水。当矿区一方面地面供水当矿区一方面地面供水( (工业、农业、居民饮用工业、农业、居民饮用) )紧张，另紧张，另一方面井下水害严重，矿区供水与矿井排水之间严重矛盾一方面井下水害严重，矿区供水与矿井排水之间严重矛盾时，可利用矿区供水水源地直接作为矿井疏放水系统，或时，可利用矿区供水水源地直接作为矿井疏放水系统，或者将矿井疏水系统直接用作矿区供水水源地，实现疏供水者将矿井疏水系统直接用作矿区供水水源地，实现疏供水结合。结合。资源与地球科学学院资源与地球科学学院第二节第二节 带压开采水

5、害防治带压开采水害防治一、带压开采的概念一、带压开采的概念奥 灰 水 位 线非 带 压 开 采 区带 压 开 采 区奥 灰 含 水 层ABCFED轨 道 巷运 输 巷轨 道 巷运 输 巷上 组 煤下 组 煤资源与地球科学学院资源与地球科学学院二二 、 “下三带下三带”的概念的概念)(312hhhh 底板隔水层在开采条件下三带分布示意图底板隔水层在开采条件下三带分布示意图 设煤层隔水底板总厚度为设煤层隔水底板总厚度为h，底板矿压破坏带、完整岩层带底板矿压破坏带、完整岩层带与承压水导高带的厚度依次为与承压水导高带的厚度依次为h1、h2和和h3，则：，则：资源与地球科学学院资源与地球科学学院三三 、

6、 “突水系数突水系数”的概念及内涵的概念及内涵MPT 奥 灰 水 位 线奥 灰 含 水 层PM可 采 煤 层薄 层 灰 岩薄 层 灰 岩奥 陶 系 灰 岩资源与地球科学学院资源与地球科学学院u关键技术问题关键技术问题底板带压开采的安全条件取决于底板带压开采的安全条件取决于充水含水层（奥灰）水动力充水含水层（奥灰）水动力条件条件与与底板隔水能力底板隔水能力的对比关系的对比关系目前较普遍采用突水系数（Ts）作为量化参数MPTSPSCMPT压力水头底板岩层厚度/有效隔水厚度2009年最新颁布的煤矿防治水规定中，建议对构造扰动底板和正常块段底板的临界突水系数分别按0.06MPa/m和0.10MPa/m

7、取值。 资源与地球科学学院资源与地球科学学院P突水系数（Ts）的物理意义明确，但量化依据不科学P MMPTS=MPTS实际上，对应于这两种底板条件的带压开采安全性不能等同视之实际上，对应于这两种底板条件的带压开采安全性不能等同视之 因M、P相同，则按突水系数法评价：u关键技术问题关键技术问题资源与地球科学学院资源与地球科学学院煤层 灰岩含水层底板灰岩含水层压力水头：底板灰岩含水层压力水头：PwMPTsw1煤层与灰岩含水层间隔厚度：煤层与灰岩含水层间隔厚度：宏观原因：错断使煤层与灰岩间隔距离缩短，宏观原因：错断使煤层与灰岩间隔距离缩短，LTs1断层破碎带是最易发生突水的危险部位！断层破碎带是最易

8、发生突水的危险部位！正常底板：正常底板：M MPwPwML断层带：断层带：L对于构造部位对于构造部位资源与地球科学学院资源与地球科学学院四、带压开采安全度评价四、带压开采安全度评价1 1、掘进巷道底板隔水层安全隔水厚度掘进巷道底板隔水层安全隔水厚度2 2、回采工作面底板隔水层突水系数回采工作面底板隔水层突水系数3 3、安全水头值安全水头值资源与地球科学学院资源与地球科学学院1 1、掘进巷道底板隔水层安全隔水厚度、掘进巷道底板隔水层安全隔水厚度n计算公式：计算公式：n式中：式中：t t安全隔水厚度安全隔水厚度(m)(m)； L L巷道底板宽度巷道底板宽度(m)(m)； 底板隔水层的平均容重底板隔

9、水层的平均容重(t/m(t/m3 3) )； KpKp底板隔水层的平均抗张强度底板隔水层的平均抗张强度(10-2MPa)(10-2MPa)； H H底板隔水层承受的水头压力底板隔水层承受的水头压力 (10-2MPa)(10-2MPa)。 如底板隔水层实际厚度小于计算值时，就是不安全的！如底板隔水层实际厚度小于计算值时，就是不安全的！ pKLKpHLLt4)8(22奥 水 水 位安 全 水 位煤 层巷 道L隔 水 层奥 灰 含 水 层（） tP=（水）h（水） H资源与地球科学学院资源与地球科学学院2 2、回采工作面底板隔水层突水系数、回采工作面底板隔水层突水系数 底板受构造破坏块段突水系数一般

10、不大于底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa/m就可认为是安全的，正常块段就可认为是安全的，正常块段(隔水层完整无断裂构造破坏隔水层完整无断裂构造破坏)不大于不大于0.1 MPa/m就可认为是安全的。就可认为是安全的。MPTs临界突水系数：临界突水系数：资源与地球科学学院资源与地球科学学院3 3、安全水头值、安全水头值(1)(1)掘进巷道安全水头值掘进巷道安全水头值 式中式中 H H底板隔水层能够承受的安全水压底板隔水层能够承受的安全水压(10-2MPa)(10-2MPa)； t t底板隔水层厚度底板隔水层厚度(m)(m)； L L巷道宽度巷道宽度(m)(m)； 底板隔水层的平均

11、容重底板隔水层的平均容重(t/m3)(t/m3)； KpKp底板隔水层的平均抗张强度底板隔水层的平均抗张强度(10-2MPa) (10-2MPa) 当掘进巷道工作区段的水压值大于所计算出的安全水当掘进巷道工作区段的水压值大于所计算出的安全水压值时，巷道有底板突水的危险；反之，可以安全掘进。压值时，巷道有底板突水的危险；反之，可以安全掘进。tLtKHp222资源与地球科学学院资源与地球科学学院 (2) (2)回采工作面安全水头值回采工作面安全水头值 式中式中 P P底板隔水层能够承受的安全水压底板隔水层能够承受的安全水压(MPa)(MPa)； M M底板隔水层厚度底板隔水层厚度(m)(m)； T

12、 T突水系数突水系数(MPa/m)(MPa/m) 当回采工作面隔水底板的实际水头值大于安全水头值，当回采工作面隔水底板的实际水头值大于安全水头值，则有底板突水的危险；反之，可以安全回采。则有底板突水的危险；反之，可以安全回采。MTP资源与地球科学学院资源与地球科学学院五、利用隔水层带压开采五、利用隔水层带压开采( (一一) )划分突水性分区划分突水性分区( (二二) )带压开采水害防治措施带压开采水害防治措施资源与地球科学学院资源与地球科学学院（一）划分突水性分区（一）划分突水性分区1 1、编制突水系数图（、编制突水系数图（5 5图双系数法）图双系数法）n突水系数的应用是通过突水系数图来体现的

13、。有两种突水系数的应用是通过突水系数图来体现的。有两种突水系数图，一种是矿区或井田突水系数图突水系数图，一种是矿区或井田突水系数图(比例尺比例尺1:500010000)，第二种是采区突水系数图，第二种是采区突水系数图(比例尺比例尺1:10002000或更大或更大)。资源与地球科学学院资源与地球科学学院1 1）以煤层底板等高线图为底图，将已知断层）以煤层底板等高线图为底图，将已知断层和开采上部煤层新发现的断层以及有用的矿和开采上部煤层新发现的断层以及有用的矿井水文地质资料标于图上。井水文地质资料标于图上。某矿某矿17181718采区底板等高线图采区底板等高线图资源与地球科学学院资源与地球科学学院

14、2 2）根据水位资料编制等水位线图）根据水位资料编制等水位线图 某矿某矿17181718采区底板含水层放水等水位线图采区底板含水层放水等水位线图资源与地球科学学院资源与地球科学学院3 3）根据以上两种资料绘制底板等水压线图）根据以上两种资料绘制底板等水压线图某矿某矿17181718采区放水等水压线图采区放水等水压线图资源与地球科学学院资源与地球科学学院4 4）编制有效保护层厚度等值线图）编制有效保护层厚度等值线图 某矿某矿17181718采区有效隔水层等厚线图采区有效隔水层等厚线图资源与地球科学学院资源与地球科学学院5 5）根据底板等水压线图和有效保护层厚度等值）根据底板等水压线图和有效保护层

15、厚度等值线图，绘出突水系数等值线图线图，绘出突水系数等值线图 某矿某矿17181718采区底板放水突水系数图采区底板放水突水系数图资源与地球科学学院资源与地球科学学院2 2、划分突水危险性分区、划分突水危险性分区安全区安全区：是指当煤层底板位于奥灰水位以下，此区不存在突：是指当煤层底板位于奥灰水位以下，此区不存在突水危险性；水危险性；较安全区较安全区：是指突水系数小于：是指突水系数小于0.06MPa/m，存在底板突水的，存在底板突水的可能性，需采取防治水措施，进行带压开采；可能性，需采取防治水措施，进行带压开采；危险区危险区：是指突水系数介于：是指突水系数介于0.06-0.1 MPa/m，突水

16、的危险性较，突水的危险性较大，在岩层完整构造简单地带采取安全措施的情况下可进行大，在岩层完整构造简单地带采取安全措施的情况下可进行带压开采；带压开采；最危险区最危险区：是指突水系数大于：是指突水系数大于0.1MPa/m，是底板突水的最危，是底板突水的最危险地段。险地段。 资源与地球科学学院资源与地球科学学院3 3、编制带压开采地质、水文地质说明书、编制带压开采地质、水文地质说明书n开采受水威胁地区的煤层，在编制开拓、掘进与回采设计之开采受水威胁地区的煤层，在编制开拓、掘进与回采设计之前，必须编制该范围的地质、水文地质说明书，以作为设计前，必须编制该范围的地质、水文地质说明书，以作为设计的依据。

17、的依据。 (1)说明书的工作范围应按开采范围所在的水文地质单元或以构造为边界的地质块段来圈定，这便于分析含水层的补给、排泄以及含水层间的水力联系，更便于水文地质勘探及疏放降压钻孔的设计。 (2)说明书除应具备煤层底板等高线图、剖面图等图件外，还应编制1：1000、1：2000或更大比例尺的有关带压开采的专门水文地质图，如等水压线图、煤层底板隔水层等厚线图以及突水系数等值线图。 (3)对开采区内的所有断层进行分析。 （4）要对开采区所在地质块段或水文地质单元的主要含水层进行水文地质条件分析。资源与地球科学学院资源与地球科学学院（二）带压开采水害防治措施（二）带压开采水害防治措施n具体防治方法：具

18、体防治方法：(1)(1)注浆注浆改造含水层为隔水层，增加隔水层厚度改造含水层为隔水层，增加隔水层厚度(2)(2)超前钻探和物探方法超前钻探和物探方法(3)(3)超前预警监测方法超前预警监测方法(4)(4)其它防治方法其它防治方法资源与地球科学学院资源与地球科学学院（1 1）注浆改造含水层为隔水层，增加隔水层厚度）注浆改造含水层为隔水层，增加隔水层厚度底板含水层注浆改造技术示意图底板含水层注浆改造技术示意图资源与地球科学学院资源与地球科学学院n减少矿井生产过程中的排水电费，降低吨煤生产成本。n有利于在矿产资源开发过程中有效地保护矿区地下水资源。n有利于在矿产资源开发过程中有效地防止地下水系统环境

19、扰动而诱发的生态环境恶化和其他相关的地质灾害发生。n改善井下采掘工作环境和劳动条件。n快速恢复被淹矿井或采掘工作面注浆防治矿井水害技术优点：注浆防治矿井水害技术优点：资源与地球科学学院资源与地球科学学院 断层带或小断层密集带及附近区域： 地下水径流集中带及其附近地段： 褶皱构造核部或转折区及不同类型构造交汇区。 隔水层厚度显著变薄区域。 存在底板水原始导升高度区域。 煤层底板隔水层破碎带注浆加固示意图煤层底板隔水层破碎带注浆加固示意图重点改造的区段一般位于：资源与地球科学学院资源与地球科学学院(2)(2)超前钻探和物探方法超前钻探和物探方法钻探方法钻探方法轨 道 顺 槽 超 前 探 查 2 号

20、 钻 孔 平 面 布 置 图H = 5 6 3 n 8- 5 0 5 . 3- 5 5 4 . 4胶 带 上 山轨 道 上 山M 2 - 5 3 8 . 3M 12 0 10H = 0 . 1 0. 55 50H = 4 . 2 653 - 5 2 9 . 9n 2H = 4 . 7 62n 3- 5 2 6 . 8n 4- 5 1 9 . 2n 5- 5 1 5 . 5H = 1 . 5 40H = 0 . 8 5 0 n 7幼 儿 园大 务 屯 小 学H 1 0H 1 2n 1- 5 3 6 . 8n- 5 4 5 . 38 MD F1 0 H 0 7m 82D F9 H =0 5 m 7

21、3D F 8 H 0 5 m 7 1 D F4 8 H 0 12 m 60H =6 . 5m 70H = 2 m 5 1 M 72 0 11M 8- 5 1 5 . 3皮 带 顺 槽轨 道 顺 槽K3-528. 9-533. 9F4F3-533. 8皮 带 顺 槽- 5 6 6 . 8 =+ 1. 5资源与地球科学学院资源与地球科学学院轨顺皮顺十三灰奥灰60303060909011605工作面物探方法物探方法资源与地球科学学院资源与地球科学学院资源与地球科学学院资源与地球科学学院(3)(3)超前预警监测方法超前预警监测方法老城保护煤柱北煤层变薄带375580037559003755700375

22、5600375580037559003755700375560039439900394398003943990039439800F1105P-4 4787 49 H=0.51.8m-790-780-770-780F1105P-5 278328 1840 H=4.1m21105下段切眼1105P12-785.01105P13-782.41105P14-782.61105P15-774.721105工作面推进方向测孔1测孔2应变传感器2.1611.3213.487.1720.652.4023.0520.3543.40134526岩性 泥岩砂质泥岩细粒砂岩粉砂岩细粒砂岩泥岩2.16层真厚 （m） 累

23、厚 （m）21105面下巷30煤岩层视倾角应力传感器资源与地球科学学院资源与地球科学学院煤层位于导水断层上盘时，煤煤层位于导水断层上盘时，煤(岩岩)柱的留设柱的留设煤层位于导水断层下盘时，煤煤层位于导水断层下盘时，煤(岩岩)柱的留设柱的留设煤层位于不导水断层上盘时，煤煤层位于不导水断层上盘时，煤(岩岩)柱的留设柱的留设煤层位于不导水断层下盘时，煤煤层位于不导水断层下盘时，煤( (岩岩) )柱的留设柱的留设！断层防水煤柱不得小于！断层防水煤柱不得小于20m20m！（4 4）其它防治方法）其它防治方法留设放水煤岩柱留设放水煤岩柱资源与地球科学学院资源与地球科学学院煤层位于导水断层上盘时，煤煤层位于

24、导水断层上盘时，煤(岩岩)柱的留设柱的留设pKpAML35 . 020 式中 L顺层防水煤柱宽度(m)； A安全系数(一般取25)； M煤层厚度或采高(m)； P隔水层所承受的水压(MPa)； Kp煤的抗张强度（MPa）。资源与地球科学学院资源与地球科学学院底板岩层阻渗强度实测法底板岩层阻渗强度实测法-对深部对深部测试岩组层测试岩组层管路压力传感器水箱记录仪压力传感器流量监测仪压水泵注水钻孔水压测试孔巷道（工作场所）阻渗强度 =（/ ）FN - 6 2 9 7 6 0 8 5 H = 1 0 . 3 m S Y P 2 3S Y P 2 4S Y G 1 5S Y P 2 23 7 5 4 8

25、 0 03 9 4 3 8 9 0 03 9 4 3 9 0 0 03 9 4 3 9 1 0 0二 水 平 南 翼 轨 道 大 巷二 水 平 南 翼 胶 带 大 巷断 层 测 试 孔3754800375490037550003 9 4 3 9 2 0 0S Y P 2 12底 板 岩 层 压 渗 测 试 孔资源与地球科学学院资源与地球科学学院兖州矿区底板阻渗现场实测部分结果兖州矿区底板阻渗现场实测部分结果原始状态导水破碎带测试段压渗过程曲线原始状态导水破碎带测试段压渗过程曲线资源与地球科学学院资源与地球科学学院底板测试段实测起始导渗水压及渗透阻力一览表底板测试段实测起始导渗水压及渗透阻力一览

26、表实测地点实测地点压渗水压压渗水压 /MPa/MPa抗渗阻力抗渗阻力 Mpa/mMpa/m水压梯度水压梯度 Mpa/mMpa/m测试点测试点测试段测试段导渗水压导渗水压测孔水压测孔水压渗透压差渗透压差兴隆庄矿兴隆庄矿/ /铺子支二断层铺子支二断层/ /测试段距测试段距3.5m3.5m第一段第一段 1.521.520.030.031.491.490.430.430.430.43第二段第二段 1.451.450.120.121.331.330.410.410.380.38第三段第三段 1.51.50.020.021.481.480.430.430.420.42鲍店矿鲍店矿/ /十六采十六采区胶带上

27、山区胶带上山/ /测试段距测试段距3.03.0第一段：粉砂岩第一段：粉砂岩9.99.91.451.458.458.453.33.32.822.82第二段：互层第二段：互层6.36.31.61.64.74.72.12.11.571.57第三段：泥岩第三段：泥岩7.17.11.61.65.55.52.372.371.831.83东滩矿东滩矿/ /东翼第东翼第一回风巷一回风巷/ /测试段距测试段距5.0m5.0m第一段：泥岩第一段：泥岩3.53.50.280.283.223.220.70.70.640.64第二段：砂岩第二段：砂岩5.15.11.11.14.04.01.021.020.80.8第三段

28、：互层第三段：互层16.4616.4615.315.31.161.163.33.30.230.23第四段：泥岩第四段：泥岩13.813.813.513.50.30.32.82.80.060.06杨村矿杨村矿/ /十采区十采区回风下山东段回风下山东段/ /测试段距测试段距4.0m4.0m第一段：泥岩第一段：泥岩* *0.240.240.150.150.090.090.060.060.020.02第二段：砂岩第二段：砂岩5.65.60.180.185.425.421.41.41.361.36第三段：互层第三段：互层2.252.250.50.51.751.750.560.560.440.44注*）构

29、造破碎带主要测试成果主要测试成果资源与地球科学学院资源与地球科学学院 底板测试段实测稳态渗流水压条件及渗透阻力一览表底板测试段实测稳态渗流水压条件及渗透阻力一览表实测地点实测地点压渗水压压渗水压 /MPa/MPa抗渗阻力抗渗阻力 Mpa/mMpa/m水压梯度水压梯度 Mpa/mMpa/m测试点测试点测试段测试段稳态水压稳态水压测孔水压测孔水压渗透压差渗透压差兴隆庄矿兴隆庄矿/ /铺子支二断层铺子支二断层/ /测试段距测试段距3.5m3.5m第一段第一段 2.32.30.120.122.182.180.660.660.620.62第二段第二段 4.64.60.210.214.394.391.31

30、1.311.251.25第三段第三段 5.755.750.340.345.415.411.641.641.551.55鲍店矿鲍店矿/ /十六采十六采区胶带上山区胶带上山/ /测试段距测试段距3.0m3.0m 第一段：粉砂岩第一段：粉砂岩11.9611.961.431.4310.5310.534.04.03.513.51第二段：互层第二段：互层8.728.722.12.16.626.622.912.912.212.21第三段：泥岩第三段：泥岩8.458.451.771.776.686.682.822.822.232.23东滩矿东滩矿/ /东翼第东翼第一回风巷一回风巷/ /测试测试段距段距5.0m

31、5.0m第一段：泥岩第一段：泥岩13.3213.321.351.3511.9711.972.662.662.392.39第二段：砂岩第二段：砂岩* * *12.9812.986.06.06.986.982.602.601.41.4 第三段：互层第三段：互层* * *16.4616.4615.315.31.161.163.293.290.230.23 第四段：泥岩第四段：泥岩* * *13.813.813.513.50.30.32.762.760.060.06杨村矿杨村矿/ /十采区十采区回风下山东段回风下山东段/ /测试段距测试段距4.0m4.0m第一段：泥岩第一段：泥岩* *第二段：砂岩第二

32、段：砂岩第三段：互层第三段：互层0.820.828.18.13.73.70.710.710.320.323.13.10.110.117.787.780.60.60.210.212.032.030.930.930.030.031.951.950.150.15注*）构造破碎带；*）因初次压渗至压裂破坏，故取值为重复压渗测试结果资源与地球科学学院资源与地球科学学院下组煤底板采动状态岩层抗渗透破坏强度建议值下组煤底板采动状态岩层抗渗透破坏强度建议值实测地点及条件实测地点及条件岩层抗渗透破坏能力岩层抗渗透破坏能力测试点测试点测试段测试段/ /段段长长岩性及结构岩性及结构裂隙扩张水压裂隙扩张水压/Mpa/

33、Mpa阻渗强度阻渗强度/Mpa .m/Mpa .m- -1 1东滩矿东滩矿第二段第二段/5m/5m砂岩砂岩/ /块状结块状结构构* *4.64.60.920.92第三段第三段/5m/5m互层互层/ /块状结块状结构构* *3.03.00.60.6杨村矿杨村矿第三段第三段/4m/4m互层互层/ /层状碎层状碎裂裂* * *0.60.60.150.15铺子支二断层铺子支二断层第二段第二段/3.5m/3.5m断层破碎带断层破碎带* * * *0.40.40.110.11注注*）RQD85%；*) RQD=60%；*）RQD30%资源与地球科学学院资源与地球科学学院采动底板阻渗能力评价模型采动底板阻渗能力评价模型