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1、我国煤矿特殊地质采矿条件下的顶板水害及其防治,康永华2012.11,提 纲,前言1 半固结砂岩含水层下综放开采溃水溃砂防治技术 2 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育煤系覆岩条件下综合机械化采煤的异常突水及其防治 3 大面积老空积水区的突水危害及其防治途径 4 离层带蓄水的危害及其防治途径 5 特殊地质采矿条件下顶板水害问题的思考,前 言,我国地大物博，矿产资源十分丰富，煤层赋存条件千变万化，除靠近灰岩尤其是奥陶系灰岩强含水体开采时存在着较严重的安全威胁外，某些特殊地质采矿条件下的水体下采煤所发生的突水灾害则更让人心有余悸。特殊地质采矿条件下发生的顶板水害往往有一个共同的特点，就是大都具有特殊性
2、、偶然性、隐蔽性、突发性，往往有背常理，不易被人察觉，有时甚至超出现有技术、知识水平的认知程度，较难预测，令人防不胜防。,前 言,所以，更容易酿成灾害，损失更加难以预防，后果常常触目惊心，教训极为惨痛。因此，研究解决该类条件下的水害问题，对于保证矿井安全有序开采具有十分重要的现实意义，其技术难度也更大，任务更艰巨。近年来，对该类条件下顶板水害的认知程度和防治水平也在不断提高。,1 白垩系半固结砂岩含水层下综放开采溃水溃砂防治技术,1.1 半固结砂岩含水层下采煤的技术特点1.2 白垩系半固结砂岩含水层下综放开采的实践1.3 白垩系半固结砂岩含水层下开采技术的应用前景,1.1 半固结砂岩含水层下采
3、煤的技术特点,半固结砂岩含水层是一种比较特殊的基岩含水层水体，其特点是，砂岩的固结程度一般较差，当含水层处于饱水状态时，含水砂岩中的泥砂具有一定的流动性，这样的砂岩处于煤层顶板位置时，有时会出现水砂溃决现象，从而对井下安全构成严重威胁。为了消除溃泥、溃砂威胁，则一般要求在开采前将含水层水予以疏干或疏降。,1.2 白垩系半固结砂岩含水层下综放开采的实践,白垩系半固结砂岩含水层往往直接赋存于煤层顶板之上，对煤层开采的威胁十分严重，常常出现溃水、溃砂现象。如扎赉诺尔矿区，铁北煤矿在白垩系半固结砂岩含水层下进行普采或综采时就曾多次发生溃水、溃砂现象，而且特殊的软岩地层以及煤层赋存条件，使得所采厚煤层采
4、完一分层后剩余煤厚的开采十分困难，甚至由于出现顶、底板管理和溃水、溃砂以及自然发火等难题而不再具备开采条件。,1.2 白垩系半固结砂岩含水层下综放开采的实践,因此，防止采掘工作面溃水、溃砂和解决煤水混流等问题以及能否进行综放开采等就成为铁北矿安全生产中亟待解决的难题。通过综合试验研究，首先在铁北煤矿成功地进行了综放开采，实现了综放控水安全采煤，改善了采煤作业环境和矿井安全生产状况，提高了煤炭资源回收率。接着，在新建矿井灵东煤矿又成功地进行了综放开采，并进行了水害预测预警研究，按计划实现了矿井正常投产和达产。,1.2 白垩系半固结砂岩含水层下综放开采的实践,白垩系半固结砂岩含水层下综放开采所采取
5、的总体方案为“顶水开采与疏干或疏降开采相结合、先疏后采与边采边疏相结合、钻孔疏干或疏降与回采疏干或疏降相结合、分段控制放顶煤开采厚度与分步实施疏水截流相结合”。,1.3 白垩系半固结砂岩含水层下开采技术的应用前景,在蒙东地区，普遍存在着白垩系煤系地层，有的矿区在开采煤层的顶板上赋存着富水性较强的半固结砂岩含水层，存在着严重的溃水、溃砂威胁。为此，可以借鉴扎赉诺尔矿区的经验和教训。需要说明，对于该类条件进行合理可行的开采设计尤为重要。为此，往往在矿井设计阶段就需要进行合理可行的采煤工艺方法以及安全可靠的防治水措施等专题研究和论证。,2 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育煤系覆岩条件下综合机械化采煤
6、的异常突水及其防治,以往的松散含水层下采煤实践中，一般开采深度较浅，含水层水头压力较低，或者松散含水层底部赋存一定厚度的粘土隔水层，或者松散含水层的富水性较弱，或者基岩风化带基本上是隔水的，或者煤系基岩中的原岩裂隙尤其是高角度纵向原岩裂隙不发育，所以，在设计安全煤岩柱时一般不考虑含水层水头压力作用问题。,2 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育煤系覆岩条件下综合机械化采煤的异常突水及其防治,但近年来在松散含水层水头压力达到3.6MPa以上和开采煤层上覆煤系基岩中原生纵向裂隙发育条件下进行综合机械化采煤时，留设的防水煤柱尺寸均是按照有关规程、规范的规定选取的，却发生了突水并淹没矿井的异常现象。如位于
7、安徽省宿南矿区的祁东煤矿就发生了首采工作面实际最小防水煤柱垂高较原设计大3m条件下十分罕见的异常突水现象。,2 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育煤系覆岩条件下综合机械化采煤的异常突水及其防治,2.1 高水压松散含水层及原生纵向裂隙发育覆岩的特征2.2 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育覆岩条件下综合机械化采煤的异常突水2.3 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育覆岩条件下综合机械化采煤异常突水原因的分析2.4 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育覆岩条件下异常突水的防治,2.1 高水压松散含水层及原生纵向裂隙发育覆岩的特征,高水压松散含水层是指具有一定富水性的松散承压含水层埋深较大、水头压力较高(一般应
8、超过3MPa)的情况；原生纵向裂隙发育覆岩则是指开采煤层的上覆岩体在未受采动影响前就发育着较明显的以高角度纵向为主的原生裂隙，该类裂隙受到采动破坏性影响时极易扩展为导水裂缝。,2.1 高水压松散含水层及原生纵向裂隙发育覆岩的特征,以安徽省宿州煤田祁东煤矿为例，其新生界松散层厚度约235453m，底部的四含直接覆盖于煤系地层之上，首采区内四含平均厚度40m左右，主要由砾石、砂砾、粘土砾石、砂、粘土质砂等组成，底部没有粘土层，含水砂砾层直接作用于煤系地层基岩风化带上。四含单位涌水量0.0340.219l/s.m，渗透系数0.1143.282m/d，富水性中等，水头压力一般超过3.3MPa，对浅部煤
9、层的安全开采构成了直接威胁。,2.1 高水压松散含水层及原生纵向裂隙发育覆岩的特征,开采煤层上覆岩层以泥岩和砂岩交互沉积为主，泥岩及粉砂岩类岩层所占比例较高，力学特征属中硬类型，基岩风化带厚度薄，覆岩中的岩石多为硅质胶结，性脆易裂，通过实测发现，岩体中原生裂隙尤其是高角度纵向裂隙发育（图1图4），隔水性能较差，在采动破坏性影响下极易扩展为导水裂缝。,2.1 高水压松散含水层及原生纵向裂隙发育覆岩的特征,图1 细砂岩内的高角度原生纵向裂隙(祁东矿71煤采前对比孔彩色钻孔电视图片),2.1 高水压松散含水层及原生纵向裂隙发育覆岩的特征,图2 粉砂岩内的高角度原生纵向裂隙(祁东矿71煤采前对比孔彩色
10、钻孔电视图片),2.1 高水压松散含水层及原生纵向裂隙发育覆岩的特征,图3 炭质泥岩内的高角度原生纵向裂隙(祁东矿71煤采前对比孔彩色钻孔电视图片),2.1 高水压松散含水层及原生纵向裂隙发育覆岩的特征,图4 泥岩内的高角度原生纵向裂隙(祁东矿71煤采前对比孔彩色钻孔电视图片),2.2 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育覆岩条件下综合机械化采煤的异常突水,高水压松散含水层原生纵向裂隙发育覆岩等特殊地质采矿条件下发生的突水往往出人意料。如宿南矿区祁东煤矿首采区内32煤的3222首采工作面，采用综合机械化采煤方法，工作面长度150m，推进至距切眼28.8m时老顶初次来压，推进至距开切眼42m时再次来
11、压，工作面发现少量渗水，在不足一天的时间内水量持续增大至1520m3/h，因矿井排水能力不足而淹井。,2.2 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育覆岩条件下综合机械化采煤的异常突水,其出人意料之处主要表现在两个方面：一是该工作面开采范围内的最小防水煤柱垂高63m，大于原设计的60m，却发生了严重的突水现象，超出了人们的认知程度；二是松散含水层的富水性属中等，但突水量最大值达到1520 m3/h，超过了现有知识预计的可能。,2.3 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育覆岩条件下综合机械化采煤异常突水原因的分析,实践结果表明，造成高水压松散含水层原生纵向裂隙发育覆岩条件下综采异常突水的原因主要是对于该类特
12、殊地质采矿条件的特殊性及其可能产生的异常结果等认识不足。,2.3 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育覆岩条件下综合机械化采煤异常突水原因的分析,以祁东煤矿首采工作面的异常突水现象为例，其原因主要在于：开采煤层上覆岩层属于高角度原生纵向裂隙发育的中硬类型，但其覆岩破坏高度却异常偏大，与国内一般坚硬覆岩的数值相当；覆岩破坏程度异常加剧，与坚硬难冒顶板的切冒型破坏特征有一定的相似性。,2.3 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育覆岩条件下综合机械化采煤异常突水原因的分析,松散含水层较厚，水头压力较大，超过3.6MPa，水体底部无粘土层，含水层水易于沿隐伏裂隙下渗并扩展，使得实际需要的保护层厚度明显加大。如
13、祁东煤矿32煤的条件，有关规程规定按照6倍采厚选取保护层厚度，但实现无四含涌水条件下安全开采实际需要的保护层厚度却约为采厚的12倍，约增大1倍。,2.3 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育覆岩条件下综合机械化采煤异常突水原因的分析,矿井设计时由于对祁东煤矿的特殊地质采矿条件认识不够，而且缺少相应的设计依据，致使所留设的防水煤柱尺寸明显偏小，从而导致首采工作面回采时四含水通过采动裂缝直接溃入井下，造成淹井事故。,2.4 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育覆岩条件下异常突水的防治,针对松散层水体一般赋存于煤系地层露头之上的特点，首先应留设足够的防水煤柱以保证生产安全，然后再逐步提高回采上限以解放压煤储
14、量。在矿井生产初期，由于对具体地质采矿条件的特殊性尚缺乏全面、深入的了解，从保证安全角度出发，应留设足够的防水煤柱。,2.4 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育覆岩条件下异常突水的防治,而为了降低资源损失率，减少防水煤柱压煤储量，随着矿井生产经验的不断积累和认识水平的不断深入，应逐步提高回采上限。,2.4 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育覆岩条件下异常突水的防治,以祁东煤矿为例，3222 首采工作面突水淹井后，先后采取了快速强排复矿、建筑防水闸墙封闭突水区和注浆封堵采动破坏形成的四含突水通道等技术措施和治水工程，约经历了近1年时间，对突水灾害进行了综合治理，撤出了被淹没的综采设备，达到了根治水害
15、的预期效果。,2.4 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育覆岩条件下异常突水的防治,随后又降低回采上限重开切眼，对剩余块段继续回采。随着矿井的持续开采和不断探索研究，又逐步提高了开采上限，如71煤7114工作面就在最小防水安全煤岩柱垂高71m、最大涌水量169m3/h、四含水间接进入采空区条件下实现了安全开采。,3 大面积老空积水区的突水危害及其防治途径,3.1 大面积老空积水区的形成及其突水危害3.2 大面积老空水体突水危害的防治途径,3.1 大面积老空积水区的形成及其突水危害,由于小煤窑乱采乱挖和突水而造成大面积老空积水区的现象具有一定的普遍性，这类老空水体对周围矿井以及未开采区域构成的威胁一
16、般都十分严重。如山东枣庄矿区的陶枣煤田，因小煤窑开采破坏井田边界煤柱和突水，不仅造成了枣庄、朱子埠煤矿被淹而提前关闭，而且构成了对整个陶枣煤田内其它各矿井的严重水害威胁。为了治理水害，枣矿集团又投入了大量的人力、物力，耗时约2年时间，才控制了水害威胁，使得周围其它矿井能够继续生产。,3.1 大面积老空积水区的形成及其突水危害,发生在广东大兴煤矿的老空突水淹井事故则更加触目惊心。广东四望嶂矿区的4对民营矿井于1999年因小煤矿开采破坏和连降暴雨而引发各矿井被淹，为恢复生产，各矿相继构筑防水闸墙、留设防水煤柱。随后，相继在延深水平开始试采，大部分区域内的煤层倾角都较小，仅大兴煤矿等个别矿井开采范围
17、内的煤层倾角较大，属急倾斜煤层。随着大兴煤矿井下开采面积的不断扩大，由于急倾斜煤层发生抽冒引起防水煤柱失效而造成了突水淹井灾害，来势凶猛的老空突水迅速淹没了矿井，造成了极为严重的生命财产损失，教训惨痛。,3.2 大面积老空水体突水危害的防治途径,发生大面积老空突水所应具备的基本条件：一是要有较充足的老空水体作为突水水源；二是要形成较畅通的突水通道，二者缺一不可。所以，防止大面积老空水体突水也应从处理突水水源和隔离老空水体两个方面着手，同时还应强化管理。,3.2 大面积老空水体突水危害的防治途径,处理老空水体，疏干突水水源，是从根本上消除老空突水威胁的行之有效的措施，有条件时应优先考虑。隔离老空
18、水体是在无法处理老空水体或者疏干老空水体在经济上不合理时才不得不采取的措施。采取有效措施隔离老空水体，一般也可起到基本上消除老空突水威胁的作用。,3.2 大面积老空水体突水危害的防治途径,设计老空水体隔离边界时，既要考虑围岩破坏影响范围问题，同时也要考虑岩层移动、下沉影响等问题。除需要留设足够尺寸的防水保护煤岩柱外，有时还需要建立一定数量的防水闸墙，甚至还需要采取适当的注浆封堵措施。其关键是要确保隔离边界具有长期、可靠的隔水保护性能，同时还需要保证隔离边界不再遭受新的采动破坏性影响和不再出现新的损坏。,3.2 大面积老空水体突水危害的防治途径,针对急倾斜煤层易出现顺煤层抽冒现象的特点和大面积老
19、空水体突水异常迅猛的特征，大面积老空水体下的急倾斜煤层应尽可能地避免沿垂直方向留设防水煤岩柱。当非留设不可时，则应充分考虑急倾斜煤层的顺层抽冒和安全防范等问题，同时还应注意到生产单位的技术水平、管理能力等相关问题，以做到万无一失。,4 离层带蓄水的危害及其防治途径,4.1 离层带的特征及分布4.2 离层带蓄水及罕见的突水灾变4.3 离层带突水灾害的防治途径,4.1 离层带的特征及分布,离层是指岩层顺层面脱开的现象。它是由于所采煤层上覆层状沉积岩层的非同步沉降而产生的，并存在于整个覆岩破坏过程中，具有动态发育特征。但离层位置有高有低，离层空间有大有小，持续时间有长有短，有的稍纵即逝；有的甚至一直
20、存在。当煤层上覆各岩层的力学性质差异很大、煤层开采后在垂直方向的运动呈现明显的空间不连续时，离层现象将更加突出。,4.2 离层带蓄水及罕见的突水灾变,离层带能否蓄水以及蓄水的能力等都是有条件的，主要受离层空间的大小、离层带本身的封闭条件、与周围含水层的水力联系、含水层的富水性等因素影响。导水裂缝带内发育的离层与采空区之间有着较好的连通性，一般难以蓄水。弯曲带内存在刚度性质差异很大的岩层时，在下软上硬的岩层之间有可能形成与采空区相互不连通的离层，一般具备一定的蓄水、储水条件，一旦有水注入，就会出现离层带蓄水现象。,4.2 离层带蓄水及罕见的突水灾变,我们在兖州矿区兴隆庄煤矿进行第四系底部松散含水
21、层下压煤提高回采上限研究时，就曾发现过离层带蓄水现象。淮北矿区海孜煤矿发生的瞬时突水量高达3887m3/h的顶板突水灾害，就是一例十分罕见的离层带突水现象，它证明了离层带蓄水不仅存在，而且还有可能发生可怕的突水灾变。,4.3 离层带突水灾害的防治途径,防止离层带突水危害的技术途径主要分为两个方面：其一是处理水体，即疏放已经出现的离层带水体，或者避免出现明显的离层带蓄积水体；其二是实现有效隔离，防止采动破坏性影响突然波及离层带水体。而疏放或阻止离层带蓄积水体则是避免离层带突水最为有效的办法，如探放水甚至充填离层空间等。此外，还要提高认识，重视离层带突水的隐蔽性、突发性和危害性，加强防范和管理等。
22、,5 特殊地质采矿条件下顶板水害问题的思考,5.1 导致特殊地质采矿条件下顶板水害发生的人为因素5.2 影响顶板水害问题的几个重要环节,5.1 导致特殊地质采矿条件下顶板水害发生的人为因素,特殊地质采矿条件下顶板水害的发生虽然有其不易被人察觉和令人防不胜防等特征，但其人为因素也不可忽视。这主要表现在基础工作不足、犯经验主义错误、相关知识不够、防范意识不强、存在侥幸心理等几个方面。这里所说的人为因素，并不等同于人为责任，这里有着知识欠缺、经验不足和认识差异等方面的一些实际问题，,5.1 导致特殊地质采矿条件下顶板水害发生的人为因素,比如，对于有关严重突水淹井威胁的水体下采煤技术难题，如若交给具有
23、丰富的水体下采煤研究经历和实践经验的专家去处理，很有可能会得到圆满的解决，但若交给一个不懂水体下采煤技术的门外汉去处理，则极有可能造成突水淹井灾害。所以，开展研究、提高认识、强化管理等等，都是有效避免突水、溃砂灾害的重要内容。,5.2 影响顶板水害问题的几个重要环节,顶板水害问题实际上就是水体下采煤的安全问题。水体下采煤是一个十分复杂的、专业性很强的技术问题，不仅关系到矿井与人身安全，也关系到井下生产环境和经济效益。水体下采煤安全与否，不单纯是一个技术问题，更是一个涉及到设计、生产、研究以及管理等多个方面的综合性问题，并贯穿于矿井设计、建设、生产甚至矿井报废后的整个过程中。,5.2 影响顶板水
24、害问题的几个重要环节,能否实现水体下安全开采，不仅取决于水体类型、岩体结构及开采技术途径与措施等技术方面，更与设计、审批以及贯彻落实等各个环节密不可分，需要给予充分的注意和重视。所以，严把“三关”，即在设计中严把技术关、在管理中严把审批关、在生产中严把落实关，对于确保水体下压煤的安全合理开采有着至关重要的作用。,5.2 影响顶板水害问题的几个重要环节,5.2.1 设计环节在水体下安全采煤中的作用5.2.2 审批环节在水体下安全采煤中的作用5.2.3 贯彻落实环节在水体下安全采煤中的作用,5.2.1 设计环节在水体下安全采煤中的作用,搞好水体下采煤设计是正确解决水体下压煤问题和确保矿井安全合理生
25、产的基本前提。一个好的水体下采煤设计是保障矿井安全合理建设和生产、防止发生灾害性事故、确保矿井顺利开采的最基本保证；一个不合格的水体下采煤设计则后患无穷，它不仅会对矿井安全合理生产带来不利影响，甚至还会酿成灾害事故的不断发生。因此，要在设计环节严把技术关。,5.2.1 设计环节在水体下安全采煤中的作用,水体下采煤设计工作不仅存在于矿井设计阶段，更多的还存在于生产阶段。一般而言，矿井生产阶段的水体下采煤设计工作大多都由研究机构来完成，设计阶段的水体下采煤问题一般是简单的由矿井设计部门单独完成，而复杂的则大多需要研究机构的参与。如对于整体或首采区位于水体下压煤区的井田，在矿井设计阶段就应该全面考虑
26、水体下采煤问题，原则上应当有研究机构的参与。,5.2.1 设计环节在水体下安全采煤中的作用,鉴于水体下采煤问题的特殊性及其复杂性，所以，水体下采煤设计工作应该由正确、熟练掌握水体下采煤专业知识的技术人员来完成。由于落实设计的是煤矿生产者，因此，在设计中不仅要有排除或降低风险以及确保安全生产的切实可行的相应措施，同时也要考虑到生产者的管理水平、技术水平、抗灾能力以及周围环境等方面的多种因素，,5.2.1 设计环节在水体下安全采煤中的作用,所提出的方案还要具有可靠的安全保证，并留有一定的安全系数，为生产者留有一定的回旋余地。此外，对生产者一旦违反设计可能出现的严重后果也要有清楚的说明。总之，在水体
27、下采煤设计环节中严格把好技术关，对于正确处理水体下压煤问题和确保水体下压煤的安全合理开采有着至关重要的作用。,5.2.2 审批环节在水体下安全采煤中的作用,有关上级在管理过程中把好审批关是正确解决水体下压煤问题和确保矿井安全合理生产的重要屏障。我国煤层赋存条件十分复杂，地质采矿条件千变万化；从事水体下采煤技术工作的专业人员对有关知识的掌握程度和处理有关问题的能力大小不一；从事水体下采煤技术研究及设计的有关单位和机构的资质和实际水平高低有别；,5.2.2 审批环节在水体下安全采煤中的作用,存在水体下采煤问题的煤矿企业的管理水平、技术水平、生产规模、抗灾能力、井下作业人员素质以及周围环境等存在着明
28、显差异；煤矿管理者自身的知识水平以及对水体下采煤问题的灾害性后果和管理的重要性的认知程度等也参差不齐，等等。面对如此复杂的局面和诸多问题，都需要上级管理部门统一协调和管理。因此，审批环节在水体下采煤中的作用不容忽视。,5.2.3 贯彻落实环节在水体下安全采煤中的作用,处理好水体下压煤问题以及安全合理地采出水体下压煤是最终目的。完善的生产管理、对安全隐患的充分重视和清醒认识以及切实可行的安全技术措施等是确保矿井安全生产的重要保证和关键环节。所以，贯彻落实环节在水体下安全采煤中的作用是最直接的、不容忽视的，也是最重要的。,5.2.3 贯彻落实环节在水体下安全采煤中的作用,贯彻落实的关键是要体现在行
29、动上，而且要注意发现和解决新问题。首先，煤矿生产者要严格按照设计及其审批意见执行，并应在执行过程中时刻注意对设计进行必要的检查，一旦存在问题时要对设计进一步补充、修改和完善，并履行报批手续；其次，要对可能存在的安全隐患有清醒的认识和足够的重视，防范措施要切实可行，并落实到每一个人，做好防范万一的准备；,5.2.3 贯彻落实环节在水体下安全采煤中的作用,再次，对生产过程中随时可能出现的水体下采煤新问题、新隐患要给予高度的关注和重视，必要时应与专门从事水体下采煤技术研究工作的科研单位或机构合作开展相应的专项研究；最后，要建立严格的管理制度和上报制度，必须严格按照有关规程、规范及标准等的规定和要求进行煤矿生产和管理，属于试采的，必须严格履行试采管理程序，一丝不苟地按照有关规程等的规定完成相应的试采工作内容。,谢谢！,
