水体上开采技术与典型案例分析

煤炭科学研究总院

文学宽研究员1.水体上开采概况1.1水体上水害状况水体上水害约占矿井水害的一半。上世纪80年代与50年代相比，突水频率增长2.57倍。1956-1986年30年间，淹井222起，突水1600次，1318人丧生。1984-1985年一年间，全国因底板突水而淹井事故22起，仅开滦、焦作、肥城就有6对井被淹。峰值水量高达2050m³/min，世界之最。1.2水上威胁矿井数量和煤量目前受水威胁的矿井约300处，约占大型矿井的一半。受水威胁储量近百亿吨。3.水体上开采突水机理早期仅限于突水现象的外表描述和对突水资料归类导出公式，20世纪40年代开始用力学观点探讨过突水机理。3.1相对隔水层概念前苏联的斯列沙运夫提出平安水头的静力学公式。Han=2Kpt/L²+rt式中：Han——平安水值，Mpa；Kp——隔水层抗张强度，Mpa；t——煤层底板隔水层厚度，m；L——巷道宽度或工作面最大控顶距，m；r——隔水岩层的重力密度，N/m³；r当实际水头Hsh＞平安水头Han时那么不平安。3.2突水系数概念

我国上世纪60年代焦作水文地质会战时出，作为突水预测的标准。临界突水系数T。单位隔水层厚度M所能抵抗水压P的极限值。

峰峰焦作淄博井陉0.066~0.0760.06~0.100.06~0.100.06~0.152021年12月1日生效的(煤矿防治水规定)笫七十七条确认了平安隔水层厚度和突水系数计算公式，并规定：底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa/m，正常块段不大于0.1MPa/m。这一公式显然过于简单，未能考虑采矿等诸多因素的影响，后来，煤炭科学研究总院西安研究院通过大量试验研究，提出了有效隔水层厚度的概念，即将煤层开采底板破坏产生“三带〞。如下图。上段为开采对底板隔水层的破坏带；中段为完整保护层带；下段为承压水原始导升高度带。开

基于上述关于隔水底板三带的划分，提出了突水系数计算的修正公式

修正后的公式充分考虑的破坏和影响，应该说更加符合实际情况。

3.3等效隔水层厚度概念

上述公式中只考虑了底板隔水层厚度而未考虑底板隔水层是由不同性质的岩层复合而成，且不同岩石有着完全不同的力学性质和抗水压能力。因此，不能单纯以岩石的实际厚度来计算突水系数，而应根据岩石本身的力学强度和隔水性能对实际厚度进行计算，得出一个假定岩体强度和隔水性能均一的等效隔水层厚度(Me)。为此，提出了等效隔水层厚度的计算公式：

3.

5新的突水系数计算公式

在获得了等效隔水层厚度后，并考虑底板破坏带深度和原始导升高度带等因素，所得到新的突水系数的计算公式如下：上式对底板隔水层的分带性,分层性及其岩性特征都有所考虑,应该说比前述的几种突水系数计算方法有了很大改造.。3.6新突水系数计算公式的判别标准当把底板隔水层划分为多个带，并把突水系的计算公式改进之后，原来建立在统计意义上的临界突水系数巳经不适用于新的计算公式。因为统计意义上的突水系数值是底板突水诸多因素的综合反响指标。突水系数的计算公式修正后，相应的突水系数判别指标也应做相应的调整。否那么，二者之间不具备可比性，也就不能用作突水预测的依据。因此，作用于底板隔水层的水压力成为新突水系数计算公式的判别标准。

3.7作用于底板隔水层的水压力在实际工作中所获得的水压力往往是含水层中的水压值，但当下伏含水层高压水在底板隔水层下部劈裂导升一定高度后，其在导升段的能量消耗很大，这时作用于有效隔水层段下部的实际水压巳远远小于含水层中的观测水压(图2-21)。从图2-21，真正作用于有效隔水层带底部的水压力是导升水的剩余压力pc，而非含水层的原始压力p0；如果采用新的有效隔水层计算突水系数，对应的水压应该采用剩余压力pc。由此可见，考虑多种因素的底板隔水层突水系数的计算公式应为上式计算了单位有效隔水层厚度上的水压力，要判定是否突水还需要正确选择临界突水系数。

3.8.底板突水事故分析我国煤矿主要底板突水事故见表2-3。从表2-3的资料反映出：不管隔水底板承受的水压如何，不管是巷道突水或工作面突水，其底板隔水层厚度95%都在20m之内，而很少发现在较厚隔水层和高水压作用下发生底板突水。上述现象说明：〔1〕发生底板突水的核心因素是矿压破坏带与高压水导升带之间是否相互沟通，而不是作用在底板有效隔水层单位厚度中剩余水压力的大小；〔2〕剩余水头压力巳经非常小，仅在这一残佘水压的作用下很难鼓破一定的有效隔水岩柱而发生突水。3.9.水体上开采突水系数分析结论实践与测试资料说明，矿压作用下的底板破坏深度一般为6-14m，灰岩水的导升高度一般为3-7m，上下两个破坏带厚度之和为9-21m。由此可见，准确查明矿压破坏带和导升断裂带厚度是预测底板突水条件的关键因素。上述认识的建立，对于正确解释为什么大量在传统突水系数概念下认为是突水危险区的煤炭资源得以平安开采具有重要意义。4.煤层底板“下三带〞破坏开采煤层顶板破坏产生“三带〞，而煤层底板也存在“三带〞，即“下三带〞。“下三带〞从煤层底面至含水层顶面分为：4.1第Ⅰ带——煤层底板导水破坏带〔h1〕

煤层底板导水破坏带主要影响因素是工作面得斜长，开采方法，煤层厚度及倾角、采深和岩性有关。4.2第Ⅱ带——保护层带〔h2〕岩层保持采前的完整状态及其原有阻水性能根本不变的局部，位于第Ⅰ、Ⅲ带之间。岩层虽然受矿压作用，或许有弹性甚至塑性变形，但仍保持采前的连续性，其阻水性能未发生明显变化。可起到阻水保护作用。称之为有效保护层带或阻水带。4.3第Ⅲ带——承压水导升带〔h3〕承压水可沿含水层顶面以上隔水岩层中的裂隙导升，导升承压水的充水裂隙分布的范围称为承压导升带。含水层顶层至上部边界的最大法线距称：含水层的原始导升高压h3，简称承压水原始导高。据煤矿平安手册：灰岩水的导升高度一股为3-7m。开采矿压作用原始导高有可能在导升，但上升值很小；断裂可使导升很高，甚至接近或穿过煤层；隔水软岩、无导水裂隙，导高为零；含水层顶部岩溶充填带，不含水并起隔水作用，可视为隔水层；5.煤层底板“下三带〞确定的方法5.1现场观测法采用底板钻孔注放水验法，辅以钻孔岩移及物探方法。开滦赵各庄矿，以1237和2137两个工作面，其采深900m、1000m，煤厚10m，分5个分层开采。图2.2井下仰斜钻孔双端堵水器导高观测原理系统图图2.3双端堵水器结构示意图1)仪器结构整个观测仪器由三局部组成：双端堵水器、连接管路、控制台，如图2.2和图2.3。双端堵水器由两个起胀胶囊和注水探管组成。连接管路有两条：起胀管路和注水管路。控制台也是对应两个：起胀控制台和注水控制台。起胀控制台、起胀管路和双端堵水器的两个胶囊相连通，构成控制胶囊膨胀和收缩的控制系统。注水控制台，注水管路和双端堵水器的注水探管相连通，构成一个控制和观测岩层导水性的注水观测系统。2)井下仰斜钻孔双端堵水器导高观测原理与方法〔1〕仰斜钻孔穿过导水裂隙带。在回采工作面周边的适当位置，向采空区上方打仰斜钻孔，该钻孔要穿透覆岩导水裂隙带，并进入其上方的弯曲带一定距离，一般5～10m那么可，该钻孔就是导高观测钻孔。〔2〕使用双端堵水器测试各段岩层的透水性。使用双端堵水器，由孔口起自下而上逐段〔每段1米〕测试每段岩层的导水性能，一直测试到孔底实测到的透水岩层的最大高度，就是采场覆岩的导水裂隙带高度。〔3〕双端堵水器的控制与岩层透水性观测。起胀控制台和注水控制台的一端分别连接起胀管路和注水管路，另一端那么连着高压水源。要观测某一高度位置的岩层的透水性，首先，操作起胀控制台，使双端堵水器的两个胶囊处于无压收缩状态；第二步，使用钻机钻杆〔或使用推杆，人力推动〕将双端堵水器推移到位；第三步那么是操作起胀控制台，对双端堵水器的两个胶囊注水加压，使之处于承压膨胀状态，从而封堵分隔一段钻孔；最后，那么是操作注水控制台，对分隔出的一段钻孔进行注水观测，通过注水控制台上的流量表，观测出这段岩层单位时间的注水渗流量，从而测试出这段岩层的透水性能。5.2底板导水破坏深度经验公式计算法根据大量实测资料，用实测的底板导水破坏深度与关系最密切的工作面斜长、采深、倾角等因素的数据经回归分析，拟合公式。h1=0.7007+1.1079L或或式中：h1=底板导水破坏深度，m；L——工作面长度，m；H——开采深度，m；α——煤层倾角，〔°〕。5.3有效保护层带〔阻水带〕厚度计算有效保护层带厚度的计算必须有底板隔水层总厚度。采动底板破坏带深度，承压水导升带高度。h2=h-〔h1+h3〕式中：h2——有效保护层带厚度，m；h——隔水层总厚度，m；h1——底板导水破坏带深度，m；h3——承压水导升高度，m；6.水体上开采阻水系数判别法6.1阻水系数

有现场钻孔水力压裂法实测的单位底板隔水岩层的平均阻水能力，阻水系数。Z=Pb/R式中：Z——阻水系数，MPa/m；R——裂缝扩展半径，一般取40～50m；Pb——岩层破裂压力，与地应力和岩体抗拉强应有关。Pb=3σh-σH+T-Po式中：Pb——使岩体破裂时的临界水压力，MPa；σh——作用于岩体的最小水平主应力，MPa；σH——作用于岩体的最大水平主应力，MPa；T——岩体的抗拉强度，MPa；Po——岩体空隙中的水压力，MPa。作用在底板上的水压力〔P〕除以阻水系数〔Z〕，即：h2=P/Z阻水系数，“三下〞采煤规程中有表可查。由表中资料可知岩层的阻水系数：中、粗粒砂岩0.3～0.5Mpa/m，细砂岩0.3MPa/m粉砂岩0.2MPa/m泥岩0.1～0.3MPa/m石灰岩0.4MPa/m断层带按弱强度填充物考虑0.05～0.10MPa6.2.带压开采的平安水压预测公式通过对底板隔水层中不同分带岩石的阻水能力，抗水压能力试验，认为底板破坏导水带的底部尚有一定的阻水能力，底板下部构造导水带应属于含水层的一局部而无阻水能力。根据这一特点，建立了带水压开采的平安水压预测公式：上式不仅考虑了底板岩层的分带性，同时还充分考虑了不同带对底板水压的阻抗能力，将不同带岩层对水压的阻抗能力分别计算后求和，形成整个底板岩层对水压的总阻抗能力。通过比较实际水压与底板整体的总阻抗水压能力，到达判断预测底板突水的可能性。6.3阻水系数法平安性评价原那么用水压〔Pw〕与有效保护层总阻水能力〔Z总〕比较，假设Z总>Pw那么平安。Z总等于各分层阻水系数Z；乘以各分层有效保护厚度〔hi〕之和。隔水岩层破裂压力〔Pb〕大于水压〔Pw〕,那么水压不具备压裂条件，故平安；开滦赵各庄矿五水平的12煤层底板有效隔水层的阻水系数及阻水能力表7.水体上采煤平安性评价7.1.“三下〞采煤规程对水体上采煤等级允许采动的规定水体采动等级水体类型允许采动程度要求留设的安全煤岩柱类型Ⅰ1．位于煤系地层之下的巨厚灰岩强含水体2．位于煤层之下的薄层灰岩具有强水源补给的含水体3．位于煤层之下的作为重要水源或旅游资源保护的水体不允许底板采动导水破坏带波及水体，或与承压水导升带勾通，并有能起到强阻水作用的有效保护层底板强防水安全煤岩柱Ⅱ1．位于煤系地层之下的弱含水体，或已疏降的强含水体2．位于煤层之下的无强水源补给的薄层灰岩含水体3．位于煤系地层或煤系地层底部其它岩层中的中、弱含水体允许采取安全措施后底板采动导水破坏带波及水体，或与承压水导升带勾通，但防水安全煤岩柱仍能起到安全阻水作底板弱防水安全煤岩柱7.2.水体上采煤防水平安煤岩柱设计方法根据“三下〞采煤规程，水上采动等级Ⅰ的规定：底板防水平安煤岩柱厚度〔hs〕应大于或等于导水破坏带〔h1〕和保护层带〔阻水带h2〕之和，hs≥h1+h2

如底板含水层上部存在承压水导升带〔h3〕时，那么：hs≥h1+h2+h3

如果底板含水层顶部存在被泥质充填，且厚度稳定的隔水带时〔h4〕时，可作为平安岩柱厚度〔hs〕的组成局部：hs≥h1+h2+h47.3水体上采煤的平安性评价应用“下三带〞理论对开采的平安性评价。8..应用实例分析某矿煤厚10m，倾角25°～27°，分5个层开采。采深1000m，工作面斜长180m，走向长壁陷落开采。奥灰含水层距煤130m，水压最高达10MPa。现场实测和室内实验综合确定：5个分层采完累计第Ⅰ带〔h1〕底板导水破坏深度30m，第Ⅲ带承压导高区5m，第Ⅱ带〔h2〕有效保护层厚度为〔65～95〕m，总阻水能力最小为21MPa,岩石破裂压力为13.3MPa。按以上数据对正常底板区平安评价如下：按突水系数评价正常开采区平安性水压为10MPa，底板隔水岩层厚度65～95m，那么Ts=0.109～0.16大于临界突水系数〔0.06～0.10焦作〕属不平安开采。按阻水系数预测评价正常开采区平安性〔1〕压裂条件：破裂压力Pb=13.3MPa，水压Pa=10MPa因Pw<Pb，故水层不具备压裂条件。〔2〕阻水条件：最小保护层厚度的的总阻水能力为21MPa，大于水压10MPa的Z总>Pw，故有足够的阻水能力。所以，在正常区开采能保证平安。按阻水系数预测评价构造带平安性构造带附近地应力及构造断裂带的岩体或充填物的抗张强度比正常区低〔30%～50%〕，故其破裂压力Pb由正常区的13.3MPa下降为7～9MPa，小于水压10MPa；构造带整体总阻水能力〔含水及导水断裂除外〕，由于阻水系数Z一般为0.1MPa/m，断裂带斜长最小为140m，假设不留煤柱，导水破坏深度可达50m，下部导高10m，那么有效阻水体斜长约为80m，其总阻水能力为8MPa，小于水压10MPa。由于Pw>Pb，Z总<Pw。故构造区为开采危险区。9.山东淄博北大井奥灰突水治理淄博北大井于1935年5月13日透水淹井，突水地点是第三水平10-1煤层第二上风道与横风道交叉处〔-81.5m标高〕，距周瓦庄断层10m左右。开采10-1煤层时发生透水，突水量44.3m³/min，三天内矿井全部淹没，有538名矿在井下遇难，为世界罕见的突水事故。9.1突水经过矿井在-117m的第三水平沿10-1煤层向北开拓，遇周瓦庄断层，掘进迎头已有水从断层破碎带中流出，被迫退回7～8m，向南北两翼开顺槽掘进8m左右，又遇此断层，而且也有水从断层破碎带向外流出，停止掘进；向南开拓70m后，于上山起每隔20m开一条长20m的回风上山。13日，第一条与第二条回风上山之间的10-2层煤采完后，已转入采上层的10-1煤层。上午6点开始在第二风道与横向风道交叉处采煤，半小时后，该处顶板发生落石继而滴水，又过半小时，顶板陷落，涌水加大，在场工人外撤至风道中间时，即闻轰隆一声巨响，水量骤然加大，水势凶猛，仅40min井底泵房就被淹没，1h后淹没了-117m水平，78h后淹没了第二水平。

9.2突水原因〔1〕底板水压大10-2煤层以下26m是本溪组徐家庄灰岩，厚19m，岩溶裂隙发育，含水性强；10-2煤层以下67m为奥陶系灰岩，是矿区富水性最强的含水层。在有断层条件下，徐灰和奥灰常有水力联系。突水10-2煤层底板隔水层的静水压力2MPa，突水时矿区范围内的徐灰和奥灰水位显著下降，距突水点12km的奥灰上升泉丰水泉被疏干，证明突水水源为徐灰和奥灰。〔2〕断层影响突水地段有一条走向EW的周瓦庄断层，是张性正断层，落差为28～30m。断层上盘10-1断层与断层下盘徐家庄灰岩含水层对接，同时上盘的徐家庄灰岩与下盘的奥陶系灰岩强含水层也发生水平水力联系，突水点在该断层的上盘，在掘进过程中三次揭露该断层，两次有出水象征。说明突