第八章+水体下采煤

水体下采煤水体下采煤第一节概述 第二节覆岩破坏规律 第三节水体下采煤的技术措施

第四节承压水上采煤 水体下采煤

水体下采煤:地表水体下或地下水体下采煤。由于岩层移动和变形,水和开采空间存在着一种水力联系。弱水力联系增加排水费用，强水力联系可造成突水或透水事故。开滦林西矿时间涌水量Q（t/min）Qmax（t/min）1906-19072.5192815.5196128-341977.637.391977.7.282301983-199840.5(2430t/h)特大涌水矿井张双楼矿矿井涌水量963m3/h矿井涌水量示例水体类型地表水体：积聚在江、海、河、湖、水库、沼泽、水渠、坑、塘和塌陷区中的水。地下水体：积聚在岩石和松散层空隙中的水。松散层水体：第四纪和第三纪松散层中的含水基岩含水层水体：砂岩、砾岩、砂砾岩及石灰岩岩溶含水层水体；采空区积水。水体的类型一、覆岩破坏的分带

在论述岩层与地表移动一般规律时，将采空区上覆岩层按破坏程度划分为冒落带、裂缝带和整体弯曲带。采空区上方的冒落带和裂缝带都是透水的，为了适应水体下采煤的需要，把它们合称为导水裂缝带。按照岩层开裂的程度，导水裂缝带又可分为四个区，即：冒落性破坏区：煤层顶板在采动影响下发生变形、离层、断裂后脱离原生岩体而下落到采空区的破坏。由于该区的岩层完全失去了原有的连续性和层状结构，不但透水而且流砂也极易从中穿过。显然位于该区内的水体和井巷将遭受十分严重的破坏。覆岩破坏规律

冒落性破坏区：煤层顶板在采动影响下发生变形、离层、断裂后脱离原生岩体而下落到采空区的破坏。由于该区的岩层完全失去了原有的连续性和层状结构，不但透水而且流砂也极易从中穿过。显然位于该区内的水体和井巷将遭受十分严重的破坏。严重开裂区：煤层顶板在采动影响下只发生变形、离层、断裂但未脱离原生岩体的破坏。既透水又透砂。一般开裂区：岩层未全部断开且层次完整，裂缝间连通性较好，透水性一般，基本不透砂。该区如果波及水体会发生透水事故。微小开裂区：

岩层有微小裂缝，连通性不好，透水性微弱。该区如果触及水体会增加矿井涌水量。覆岩破坏规律

影响覆岩破坏的因素覆岩力学性质和结构特征：对水体下采煤而言，软弱的覆岩比坚硬的有利。采煤方法和顶板管理方法：分层开采有利；全部陷落法-充填法-条带法。煤层倾角：倾角越大岩层破坏高度越大。开采强度：开采面积与厚度与导高的关系。时间因素：对于中硬岩层，工作面放顶1-2月后导高发育至最大，之后减小。重复采动：岩层“变软”，对水体下采煤有利。水体下采煤技术措施

解决水体下来煤问题可以来取三种技术措施：留设安全煤岩柱、处理水体和采取开采措施。有时单独选用其中的一种即可解决问题，有时则需要其中的二种或三种措施配合使用，这要视具体条件而定。例如，当煤层直接顶和老顶均为含水层则谈不上留设安全煤岩柱，必须先处理水体然后再考虑开采，否则会出现适水事故或者导致工作面条件恶化而影响生产。当煤层远离含水层或煤层与含水层之间有良好隔水层时，不论是直接在松散含水层下采煤还是直接在基岩含水层下来煤，都可以通过留设安全煤岩柱的方法达到安全回采的目的，而不必首先处理水体。当预计的导水裂缝带内同时有含水层和隔水层时，就应该处理水体相采取开采措施。一、留设安全煤岩柱（防水、防砂、防塌）1、留设防水安全煤岩柱适用条件：各种大型地表水体下来煤；各类地表水体和第四纪、第三纪松散含水层下开采急倾斜煤层；厚度大、富水性强、补给充足的第四纪、第三纪松散含水层下开采缓倾斜或倾斜煤层；水体与基岩间无隔水层或隔水层极薄条件下开采缓倾斜或倾斜煤层；含水丰富、补给充足的基岩含水层特别是岩溶水体下来煤；在水库、水源、水渠相池塘等生产和生活要求保护的水体下采煤；水体下采煤技术措施防水安全煤岩柱的高度：水体下采煤技术措施一般条件下：考虑地表裂缝深度：考虑基岩风化带高度：水体下采煤技术措施导水裂隙带高度：水体下采煤技术措施2、留设防砂安全煤岩柱适用条件：

在松散弱含水层底界面至煤层开采上限之间为防止流砂溃入井下而保留的煤和岩层块段称为防砂安全煤岩柱。留设防砂安全煤岩柱的前提是，允许导水裂缝带波及松散层但不能让其中的冒落带触及松散层底部。防砂安全煤岩柱适用于水体和煤层之间有隔水层的条件。在防砂安全煤岩柱下开采时，可能会导致矿井涌水量增加，但由于隔水层的作用，不会发生溃水溃沙事故。防沙安全煤岩柱等于冒落带高度加上保护层厚度，即：水体下采煤技术措施水体下采煤技术措施防砂安全煤岩柱3、留设防塌安全煤岩柱

在松散粘土层和已经疏干的松散含水层底界面与煤层开采上限之间为防止泥砂塌入采空区而保留的煤和岩层块段称为防塌煤岩柱。留设防塌煤岩柱时是允许导水裂缝带和冒落带波及松散弱含水层底部的，所以在开采过程中采区涌水量会有所增加，但不会发生灾害性的后果。适用条件：(1)水体规模小，补给不充分。(2)具有多层结构的第四纪、第三纪厚松散层，且松散层底部为弱含水层，特别是当煤系地层上直接覆盖弱含水层的第四纪、第三纪砂层时。防塌煤岩柱的垂高等于冒落带高度：水体下采煤技术措施水体下采煤技术措施防塌安全煤岩柱二、水处理措施1、疏降水体措施当回采上限接近松散含水层或煤层直接顶板即为含水层时，必须适时地对水体采取硫降措施。常常采用大口径钻孔和巷道等方式疏干水体或降低水位。疏降水体措施的优点是煤炭回收率高，生产安全，缺点是必须增加疏排水设备及必要的辅助工程，增加煤炭成本。有时由于疏降水体改变了水体的自然循环，以致影响工农业生产及人民生活。主要手段有：钻孔疏降、巷道疏降、联合疏降、回采疏降和多矿井分区排水联合疏降。水体下采煤技术措施二、水处理措施2、处理水体补给来源

处理水体补给来源，就是在回采前用水文地质、工程地质方法对补给水体的主要来源进行处理。一般采取培截、防渗防透、改道泄水等措施。采用这些措施时一定要因地制宜，一方面要根据水体自身的特点一方面要根据矿区的地形、地层的特点等确定方案。主要手段：河流改道、帷幕注浆堵水、地面防水。水体下采煤技术措施三、地下开采措施1、分层（分阶段）间歇开采2、充填开采3、分区开采

水体下采煤技术措施4、安全煤岩柱保护层厚度位于导水断裂带上边界或垮落带上边界与水体底界面之间的岩层

覆岩岩性松散层底部粘性土层厚度大于累计采厚松散层底部粘性土层厚度小于累计采厚松散层全厚小于累计采厚松散层底部无粘性土层坚硬4A5A6A7A中硬3A4A5A6A软弱2A3A4A5A极软弱2A2A3A4A

注：A=M/n，M-累计采厚，m；n-分层层数；本表不适用于综放开采054煤层防水安全煤岩柱保护层厚度/m054煤层防砂安全煤岩柱保护层厚度（m）覆岩岩性

松散层底部粘性土层或弱含水层厚度大于累计采厚

松散层全厚大于累计采厚

坚硬4A2A中硬3A2A软弱2A2A极软弱2A2A注：A=M/n，M-累计采厚，m；n-分层层数；本表不适用于综放开采

5590煤层防水安全煤岩柱及防砂安全煤岩柱保护层厚度

覆岩岩性保护层厚度（m）55707190abcdabcd坚硬1518202217202224中硬1013151712151719软弱5810127101214a—

松散层底部粘性土层大于累计采厚

b—

松散层底部粘性土层小于累计采厚

c—

松散层全厚为小于累计采厚的粘性土层

d—

松散层底部无粘性土层承压水上采煤 一、底板突水类型及底板破坏规律(一)基本概念

1．煤层底板岩溶水赋存和运动于煤层底板岩溶地层空间中的水体和水流叫做煤层底板岩溶水，又称底板承压水。

2．隔水层与等值隔水层存在于含水层与开采煤层底板、巷道和采空区之间的能阻碍或减弱水流动的岩层。该岩层内的孔隙不连通，地下水无运动条件，称其为隔水层，亦称保护层。由于隔水层的性质和结构不同，其隔水—阻水性能也不同。两个质量不同的而单位厚度相同的岩层，在相同的水文地质边界条件下，隔水—阻水作用相等时，称之为等值隔水层。承压水上采煤

3．突水系数突水系数是水压值与隔水层厚度的比值：式中T—突水系数，Mpa/m；

p—水压力值，MPa；

m—隔水层厚度，m。

当突水系数超过表中数值时，即有可能发生突水事故。承压水上采煤 （二）底板突水的类型

1．按突水地点分，底板突水有巷道突水与采煤工作面突水。2．按突水的动态表现形式有：（1）爆发型：直接在采掘工作地点附近发生，一旦突水，突水量在瞬间即达到峰值，突水峰值过后，突水量趋于稳定或逐渐减小。爆发型突水来势猛、速度快、冲击力大，常有岩块碎屑伴水冲出。（2）缓冲型：直接在采掘工作地点附近发生，突水量由小到大逐渐增长，经几小时、儿天甚至几个月才达到峰值。（3）滞后型：采掘工作面推进到一定距离后，在巷道或采空区内发生突水，其滞后时间为几天、几个月甚至几年，突水可急可缓。承压水上采煤

3．按突水量的大小可分为：(1)特大型突水事故，突水量为50m3/min以上；(2)大型突水事故，突水量为20～49m3/min；(3)中型突水事故，突水量为5～19m3/min；(4)小型突水事故，突水量小于5m3/min。（三）开采后煤层底板岩层的破坏规律在开采过程中，煤层底板应力重新分布造成底板岩层的变形与破坏，削弱了底板岩层的阻水能力，甚至形成突水通道。因此，研究开采后煤层底板的应力重新分布、变形与破坏的规律，是防止底板突水的基础。承压水上采煤

1．开采过程中底板应力与变形情况在开采过程中，工作面前方的煤壁和底板处在增压区内，支承压力使煤层底板压缩。当工作面推进跨过此处时，采空区处在减压区内，底板岩层从压缩状态转为膨胀状态，产生底鼓，可能出现断裂。随工作面推进，采空区中的垮落岩块压实，底板重新处于增压区内，又从膨胀状态转为压缩状态。在工作面推进过程中，底板各处都要经受压缩、膨胀和再压缩作用的过程。底板沿工作面推进方向受到压缩、膨胀和再压缩的作用。在支承压力的作用下，底板中出现水平拉应力；在压缩区和膨胀区分界处的底板中出现剪应力。拉应力和剪应力使底板出现断裂。垂直断裂与顺层断裂交叉，形成底板破坏带。成为底板突水的诱发因素。第四节承压水上采煤 2．煤层底板的“下三带”

根据煤层底板破坏情况及地下水的导升情况，在工作面连续推进后，煤层底板可分为“下三带”。1）破坏带;2）完整岩层带;3）地下水导升带.第四节承压水上采煤 二、影响底板突水的因素

底板阻水带的厚度、承压水的压力是决定底板突水的关键因素。国内有的学者提出底板突水的“六因素说”:1）煤层底板含水层的富水性；2）含水层的水头压力；3）地质构造；4）底板隔水层的厚度与结构；5）矿山压力；6）开采方法。这是人可控的，具体如下：第四节承压水上采煤

开采方法对底板突水的影响主要表现在两方面：

（1）工作面斜长。工作面斜长对底板突水的影响比采深、煤层倾角、底板岩层强度等都明显。工作面斜长越大，底板岩层破坏深度越大，工作面越容易突水，反之亦然。

（2）开采面积。工作面底板突水与开采面积关系十分密切，不同矿区有各自不同的突水面积。当开采面积大于突水面积后，底板要产生突水。因此，控制开采面积是控制底板突水的有效方法。一些矿区采用条带开采、巷式开采等方法减小开采面积，防止底板突水。第四节承压水上采煤 三、底板破坏深度底板破破深度与采深H、工作面长度L、煤层倾角α有关：理论分析给出的公式如下：式中:h1为底板采动导水破坏深度，m；

H为采深，m；

α为煤层倾角，（°）；

L为工作面斜长，

γ为底板岩体平均容重，MN/m2；

Rc为岩体抗压强度，一般取岩石单轴抗压强度的0.15倍，Mpa；。第四节承压水上采煤 四、承压水上采煤方案

根据我国历年来的实践，主要有以下几种方案。

1．深降强排方案所谓深降强排方案，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，以确保安全地进行开采。这种方案的优点是：防止底板突水效果最好，能确保矿井安全生产。其缺点是：疏水工程量大、设备多、电耗大，因而投资大、成本高；由于疏水引起的水位降低，使附近的工农业用水缺乏，并造成地表下沉。此外，当井田内奥灰水量极为丰富、补给来源充足时，深降强排方案难以实现。第四节承压水上采煤 2．外截内排方案实质是在井田内某一区域外围的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。这种方案可以确保矿井的安全生产，而且克服了深降强排的缺点。但这种方案只能适用于特定的条件，如水文地质条件清楚，补给径流区集中，帷幕截流工程易于施工等。第四节承压