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1、第六章 水体下与承压水上采煤,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,概 述,地下开采引起的岩层与地表移动，能使开采煤层围岩中的含水层里的水、溶洞水以及位于开采影响范围内的地表水和泥砂溃入井下，威胁煤矿安全生产。因此，在水体下采煤时必须采取适当措施，保证开采过程中不发生灾害性透水、溃砂事故，避免因矿井涌水量突然增大而严重地恶化井下工作环境。多年来，我国比较广泛地进行了水体下采煤的研究和实践，采出了大量水体下压煤，而且对水体下采煤的理论作了深入的研究，形成了一套具有我国特色的论理体系和计算方法。,概 述,水体下采煤地表水体下或地下水体下采煤开采 煤体上的
2、水体开采空间（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 突水或透水事故,我国各类水体下采煤的典型实例,近水体采煤的特征,进行水体下采煤首先要分析开采引起的覆岩中的裂缝是否互相连通以及互相连通的裂缝是否波及到水体。因此，研究覆岩破坏规律，特别是能够导水的冒落带和裂缝带的高度及其分布形态至关重要。在许多情况下，尽管地表产生较大的移动和变形、甚至出现裂缝，但只要这些裂缝在某个深度上自行闭合而不构成井下涌水的通道，就不会发生透水事故。水体下采煤时的保护对象主要是矿井本身，即保证在水体下开采时矿井的安全。只有在必要时(如水体为地面灌溉用的水库)才考虑水体及其
3、附属设施的保护。因此，在进行水体下采煤时应着重研究如何防止水体和采区之间形成透水的通道、造成井下突水事故；在水体与采区之间构成水力联系无法避免时，如何使其引起的矿井涌水量小于矿井排水能力。由于水具有流动性，覆岩破坏一旦波及水体的边缘，就可能导致水体全部流入井下；因此，水体必须作为一个整体加以保护，有时还不得不将水体下方的部分岩层块段一起进行保护。,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 孔隙水、裂隙水及岩溶水复
4、合型水体 地表水和地下水联通,水体的基本类型,水体下采煤的可行性,进行水体下采煤，除要考虑开采引起的覆岩中的裂缝是否互相连通以及互相连通的裂缝是否波及到水体外，还要分析在受开采影响后，防水煤岩柱是否还具有足够的隔水性能。合理地确定煤层的开采上限，正确地选择开采方法和防护措施，以期做到既能最大限度地采出煤炭资源又能确保矿井的安全。,覆岩的隔水性,覆岩的隔水性与其岩性、岩相及结构面等因素有关。(1)覆岩的岩性 岩性是评价覆岩隔水性的最重要依据。影响覆岩隔水性能的主要因素是岩石颗粒的大小及其胶结形式。颗粒越小，级配越适当，隔水性能就越好。粘土比例大于30的岩层是良好的隔水层；粘土含量为1130的岩层
5、可作为相对隔水层；粘土含量少于10的岩层隔水性能很差；粘土页岩和泥质页岩等塑性岩层隔水性能较好。,覆岩的隔水性,(2)岩相 岩相是指沉积岩生成的条件和环境。岩相特征是评价沉积岩隔水性的依据之一。就隔水性而言，其优劣顺序是：海相、湖泊相、风成沉积相、河流冲积相、冰水沉积相。,覆岩的隔水性,(3)结构面结构面主要指原生结构面、构造结构面和次生结构面。它们既是评价岩层物理力学特征的重要因素，又是评价岩层体系隔水性的重要因素。有时一个结构面能单独成为隔水层。原生结构面如层面，一般是层状分布，其延续性强，导水性不好。构造结构面如断层面，有的断层面本身有含水性和导水性，并成为岩层强度的薄弱环节，有的断层本
6、身能隔水，且能把统一型水体分割成彼此独立的分散型水体。断层的导水性和隔水性，主要取决于断层所切割的岩层的力学性质和断层面间的充填程度。次生结构面一般指风化岩层中的界面。有些风化带是良好的隔水层，即使受到重复采动仍能保持其隔水性能，但也有一些风化带隔水性能不好。因此，对风化带的隔水性，需要具体分析。,地下开采对覆岩隔水性的影响,在大面积开采的影响下，覆岩的天然隔水性遭到不同程度的破坏，破坏程度首先取决于隔水岩层与采空区的相对位置。隔水层与煤层紧贴或邻近，且位于冒落带时，其隔水性被完全破坏。隔水层远离煤层，位于整体弯曲带内时，除了隔水层下部的隔水性会受到暂时的影响之外，整个隔水层的隔水性基本不受破
7、坏。覆岩内水的渗透性是有规律地变化的。这是因为煤层围岩的隔水性与采动程度和和岩层变形性质有关。在水平拉伸区，岩层会发生竖向的张开裂缝，从而隔水性遭到破坏。在水平压缩区，其隔水性基本不改变。在采动影响下，岩层本身的物理力学性质对隔水性的影响表现为：刚性和脆性的岩层隔水性易遭破坏；具有韧塑性的岩层隔水性不易被破坏，或者破坏后能重新得到恢复。,覆岩破坏规律,1冒落带2裂缝带3整体弯曲带,覆岩破坏分带,1冒落带 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区域称为冒落性破坏区或称冒落带。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
8、于该区内的水体和井巷将遭受十分严重的破坏。,覆岩破坏分带,2裂缝带煤层覆岩在采动影响下只发生移动、变形和断裂，但仍保持原有层次的覆岩区称为裂缝带。根据岩层开裂的严重程度，裂缝带又可细分为严重开裂区、一般开裂区和微小开裂区。严重开裂区。该区内岩层大部分断开，但仍保持原有层次。裂缝间连通性极好，既透水又透砂。该区一旦波及水体将发生透水透砂的重大事故；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。这3个区域的透水性是渐变的，其间并无明确的界线。人们常
9、根据钻孔观测时冲洗液漏失量的大小划定出它们的界线。,覆岩破坏分带,3整体弯曲带 一般说来，整体弯曲带内的岩层在受开采影响后仍保留其原始的完整性。如整体弯曲带内岩层的原始隔水性能较好(渗透系数很小、没有断层、陷落柱等涌水通道)，水体下的整体弯曲带又有足够的厚度(大于保护层厚度)，则可认为整体弯曲带可有效地阻隔水体内的水流入开采区，防止井下突水事故的发生。,影响覆岩破坏及其导水性的因素,1覆岩力学性质和结构特征2采煤方法和顶板管理方法3煤层倾角4开采强度5时间因素6重复采动,不同煤层倾角围岩破坏形态图,覆岩破坏高度的计算,根据覆岩性质的不同，冒落带高度计算有下列几种情况：a)煤层顶板覆岩内有极坚硬
10、岩层，采后能形成悬顶，冒落带最大高度采用下式计算：HmM/(K1)cos式中M煤层开采厚度；K冒落岩石碎胀系数，根据实测求得，一般为1.101.40；煤层倾角,覆岩破坏高度的计算,b)煤层顶板覆岩内为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层互或其互层时，开采单一煤层的冒落带最大高度可采用下式计算：Hm(MW)/(K1)cos式中W为冒落过程中顶板下沉值，由实测得到。,覆岩破坏高度的计算,c)厚煤层分层开采时冒落带最大高度采用下表中给出的经验公式计算。,注：公式中后面的数字为中误差；M为累计开采厚度。,覆岩破坏高度的计算,导水裂缝带高度计算(适用于倾角为054的煤层)煤层覆岩内为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层
11、或其互层及厚煤层分层开采时，导水裂缝带最大高度均可选择下表中给出的两种经验公式计算。,覆岩破坏高度的计算,开采急倾斜煤层(倾角为5590)时冒落带高度和导水裂缝带高度计算 煤层顶底板岩层内为坚硬、中硬、软弱岩层，用垮落法开采时的冒落带高度和导水裂缝带高度可用下表中给出的经验公式计算。,覆岩破坏高度的计算,开采近距离煤层时冒落带和导水裂缝带高度 a)上、下两层煤的垂距h大于回采下层煤时所产生的冒落带高度Hxm时，下层冒落带对上层开采影响很小，可按上、下煤层的厚度分别计算各自的导水裂缝带高度和冒落带高度，取其中标高值大者作为两层煤的导水裂缝带高度；冒落带高度则取上层煤的冒落带高度.,覆岩破坏高度的
12、计算,开采近距离煤层时冒落带和导水裂缝带高度 b)下层煤的冒落带接触到或完全进入上层煤时，上层煤的导水裂缝带最大高度按本层煤的厚度计算，下层煤的导水裂缝带最大高度则采用上、下层煤的综合开采厚度计算，取其中标高值大者作为两层煤的导水裂缝带最大高度。上、下煤的综合开采厚度可按下式计算：Mx1-2M2(M1h1-2/y2)式中h1-2上、下煤层之间的法线距离；y2上层煤的冒落带高度与采厚之比。,覆岩破坏高度的计算,开采近距离煤层时冒落带和导水裂缝带高度 c)如果上、下煤的间距很小，则综合开采厚度取两层煤厚之和。求出综合开采厚度后，即可按照单一煤层开采时的冒落带高度和导水裂缝带高度的计算公式，计算出多
13、煤层开采条件下冒落带高度和导水裂缝带高度。,水体下采煤的技术措施,留设安全煤岩柱处理水体开采技术措施,留设安全煤岩柱,在煤层至水体底面垂直距离很近的条件下，必须在水体和煤层开采上限之间留设一定垂深的岩层块段和煤层，称为安全煤岩柱。根据防水、防砂和防塌的不同要求，安全煤岩柱可分为防水安全煤岩柱、防砂安全煤岩柱和防塌煤岩柱。留设安全煤岩柱的实质是确定合理的开采上限，保证导水裂缝带或冒落带不波及水体。这个开采上限，对水平的煤层群来说是某一煤层，对于倾斜煤层来说是煤层的某一标高。,留设安全煤岩柱,留设防水安全煤岩柱在水体底界面至煤层开采上限之间所留设的防止水体中的水溃入井下的煤和岩层块段称为防水安全煤
14、岩柱。目的：不允许导水断裂带波及到水体结果：避免上覆水体涌入井下，并要使矿井涌水量不明显增加。,留设安全煤岩柱,留设防水安全煤岩柱防水安全煤岩柱适用于下列情况：a)各种大型地表水体下采煤；b)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；c)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；,留设安全煤岩柱,留设防水安全煤岩柱d)水体与基岩间元隔水层或隔水层极薄条件下开采缓倾斜或倾斜煤层；e)含水丰富、补给充足的基岩含水层特别是岩溶水体下采煤；f)在水库、水源、水渠和池塘等生产和生活要求保护的水体下采煤；g)矿井排水能力有限或矿井涌水量增加会恶化工作面作业环
15、境的条件下采煤。,留设安全煤岩柱,留设防水安全煤岩柱 防水安全煤岩柱的高度等于预计的导水裂缝带最大高度加上适当的保护层厚度，即：HshHliHb式中：Hli导水裂缝带最大高度，按前述表中给出的经验公式计算；Hb保护层厚度,留设安全煤岩柱,留设防水安全煤岩柱,地表有松散覆盖层 时的防水安全煤岩柱留设,HshHd+Hb,地层上部无松散层覆盖，且采深较小时的防水安全煤岩柱,HshHd+Hb+Hbi,基岩风化带也含水时的防水安全煤岩柱,HshHd+Hb+Hfe,留设安全煤岩柱,留设防砂安全煤岩柱 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。目的：是允
16、许导水断裂带波及松散弱含水层或已疏降的松散层强含水层，但不容许垮落带接近松散层底部 结果：泥砂不会溃入井下，矿井涌水量会略有增加，或只是短时间增加。,防砂安全煤岩柱,Hs=Hk+Hb,式中Hk冒落带高度，按上述表中给出的经验公式计算。,防沙煤岩柱的适用条件？,留设安全煤岩柱,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。,防塌煤岩柱的适用条件？,安全煤岩柱保护层厚度,位于导水断裂带上
17、边界或垮落带上边界与水体底界面之间的岩层,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/m,054煤层防砂安全煤岩柱保护层厚度（m）,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,a 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,水体下采煤的安全煤岩柱留设,一、水体的采动等级及允许采动程度级 不允许导水断裂带波及到水体 级 允许导水断裂带波及松散孔隙弱含水层水体，但不允许垮落带
18、波及该水体 级 允许导水断裂带进入松散孔隙弱含水层，同时允许垮落带波及该弱含水层水体.,级水体采动等级允许采动程度,级水体采动等级允许采动程度,级水体采动等级允许采动程度,处理水体,疏降水体措施钻孔疏降巷道疏降联合疏降回采疏降多矿井分区排水联合疏降,处理水体,处理水体补给来源河流改道帷幕注浆堵水巷道截水地面防水,开采技术措施,一、水体下采煤的井下安全技术措施 试探开采 先远后近（水体）先厚后薄（隔水层）先简单后复杂（地质条件）先较深后较浅（煤层）,开采技术措施,分区隔离开采 采区四周均设防水隔离煤柱 绕道和石门内设永久性的防水闸门 全部充填法开采、部分开采和分层间歇开采 降低覆岩破坏高度 坚持有疑必探，先探后采的原则 正确设计防水隔离煤柱 防水、防砂和防塌安全煤岩柱 采区间的防隔水煤柱 断层和陷落柱防隔水煤柱,
