承压含水层上保水采煤技术.ppt

3 保水开采技术,3-1 开采引起的岩层导水裂隙演化规律 3-2 水体下保水采煤技术 3-3 承压含水层上保水采煤技术 3-4 矿井水的资源化利用,3-3 承压含水层上保水采煤技术,一、承压含水层上采煤技术概述 二、底板突水类型 三、底板突水的影响因素 四、承压含水层上采煤的理论依据 五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例,我国华北、华东和西北的广大矿区石炭系之中和之下，普遍存在着太原群灰岩和奥陶系灰岩，南方一些矿区煤层之下的茅口灰岩。这些灰岩岩溶发育，含水丰富。 在主要产煤的华北型矿区，东起徐州、淄博，西至陕西渭北；北起辽宁南部，南至淮南、平顶山一带，有数十个矿区受到灰岩岩溶水的影响。如焦作、峰峰、邯郸、邢台、开滦、淄博、肥城、新汶、枣庄、徐州、淮南等矿区，灰岩岩溶水资源丰富，含水性强，补给条件充沛。,一、概述,底板承压水,把有一定水压、贮存和流动于煤层底板灰岩中的水体叫做底板岩溶水，又称底板承压水。,承压水的分布,目前，不少矿井已进入深部开采，有些矿井下组煤的开采标高已经达到-600m，最深的已超过-1000m。煤层底板承受岩溶承压水的压力很大，水压值已经达到2.06.5MPa。底板突水的几率增大。 目前，我国有数十亿吨煤炭资源因受底板岩溶水突水威胁而成为呆滞煤量。,一、概述,承压水上采煤意义,二、底板突水类型,工作面突水,巷道突水,缓冲型突水,爆发型突水,滞后型突水,按突水动态,按突水地点,断层突水,陷落柱突水,小型(5),中型(519),大型(2049),按突水量(m3/min),采动裂隙突水,特大型(50),底板 突水,按突水通道,构造揭露型,断层采动型,底板破坏型,底板突水机理及与采掘工作的关系,三、底板突水的影响因素,底板突水影响因素,水量愈丰富，突水量愈大，危害也愈大。 水压是突水的动力，处于封闭状态的岩溶水不断溶蚀、冲刷裂隙，形成通道，由含水层进入底板隔水层，水压愈大，破坏愈严重。,三、底板突水的影响因素,1.水源条件,底板突水事故的80%以上发生在断裂构造附近 构造既可以充水，又可以导水 有效厚度和实际强度降低 煤层与含水层之间的相对位置变化,三、底板突水的影响因素,2.地质构造断层,少数岩溶陷落柱既充水，又导水，在与强含水层沟通的条件下，对安全生产威胁极大 开滦范各庄矿 21小时后将年产300万t的大型矿井淹没，突水峰期平均涌水量为2053m3/min,2.地质构造岩溶陷落柱,三、底板突水的影响因素,陷落柱,富含水层,工作面,隔水层的阻水能力取决于隔水层的强度、分层厚度和裂隙发育程度,3.隔水层的阻水能力,三、底板突水的影响因素,初次来压或周期来压期间易突水 工作面后部采空区边缘附近易突水 开切眼附近底板易突水 工作面推进速度慢，工作面突然停止推进或在停采线处易突水 区段或分带煤柱附近易突水,4.矿山压力,三、底板突水的影响因素,周期来压期间。煤体内的支承压力达到最大，对底板破坏严重。 初次来压期间。煤体内的支承压力达到最大，对底板破坏严重。 开切眼附近。老顶大面积显露，直接顶不能充分垮落，底板形成较大的自由面。,三、底板突水的影响因素,4.矿山压力,工作面推进速度慢 工作面突然停止推进 工作面停采线处 支承压力作用时间长，底板破坏严重，推进快时，未形成较大裂隙就会由膨胀状态变为压缩状态； 区段煤柱附近：顶板垮落不充分，固定支承压力作用下底鼓,支承压力作用时间长,三、底板突水的影响因素,4.矿山压力,5.开采方法工作面斜长,三、底板突水的影响因素,斜长越长，抗水能力越弱！,5.开采方法工作面回采面积,三、底板突水的影响因素,底板突水与回采面积关系十分密切，不同的矿区有各自不同的突水面积。 以淄博石谷矿的930采区9304面与9306面为例。 该工作面倾斜长65m，走向长220m，煤厚0.85m，构造简单，缓倾斜，石灰岩顶板。在回采过程中发生了三次底板突水，第一次发生在自开切眼始至45m，采空面积达2935m3；后留1015m煤柱，另开切眼，在4045m发生第二次底板突水，采空区面积与前次基本相同；又留煤柱开采的第三次底板突水与前两次条件相同。三次突水的水量分别为1.452m3/min、1.216 m3/min、0.120 m3/min。总结矿区内28次的工作面底板突水资料，获得了采9号煤突水时的回采面积一般为25003000m2，小于此数工作面未出现底板突水。,四、承压含水层上采煤的理论依据,理论依据,底板突水系数,底板突水的“下三带”理论,底板突水的隔水关键层理论,1.底板突水系数理论,四、承压含水层上采煤的理论依据,2.底板突水的“下三带”理论,四、承压含水层上采煤的理论依据,2.底板突水的“下三带”理论底板采动导水破坏带,四、承压含水层上采煤的理论依据,煤层底板岩层受采动影响而产生的采动导水断裂范围 由沿层面和垂直于层面的裂缝形成,采煤工作面长度、采煤方法、煤层厚度、开采深度、顶底板岩性及结构通过影响前支承压力而影响底板采动导水破坏带深度。,2.底板突水的“下三带”理论底板采动导水破坏带,四、承压含水层上采煤的理论依据,采煤方法对底板破坏深度的影响主要表现在是增大还是减小直接顶和基本顶的悬顶距和冒落面积。顶板悬顶距越大，超前支承压力峰值越大，对底板破坏越严重。,（1）采煤方法,2.底板突水的“下三带”理论底板采动导水破坏带,四、承压含水层上采煤的理论依据,工作面越长，矿山压力显现越充分，底板破坏深度越大。,（2）工作面长度,或,（3）煤层采高和采深,2.底板突水的“下三带”理论底板采动导水破坏带,四、承压含水层上采煤的理论依据,煤层采高是影响顶板垮落高度和采空区充实的重要因素，底板破坏深度随采高的增大而增加。 采深增加后前支承压力的绝对量随之增大，底板破坏深度也就越大。,2.底板突水的“下三带”理论底板采动导水破坏带,四、承压含水层上采煤的理论依据,顶板的岩性和结构通过影响悬顶状况、冒落面积、冒落高度和来压步距影响超前支承压力，从而影响底板破坏深度；而底板的岩性和结构影响阻止底板破坏的能力。,（4）顶底板岩性及结构,位于煤层底板采动导水破坏带以下、底部含水体以上具有阻水能力的岩层范围,此带内岩层仍然能保持连续性，一定厚度的底板阻水带可以阻止底板突水，也称为保护层带或完整岩层带。 底板阻水带的厚度可能大小不一，甚至可能不存在。,2.底板突水的“下三带”理论底板阻水带,四、承压含水层上采煤的理论依据,2.底板突水的“下三带”理论底板阻水带,四、承压含水层上采煤的理论依据,实验法,阻水系数测定钻孔水力压裂法,与石灰岩邻接的岩层中原始就存在着节理和裂隙，岩溶承压水进入后成为导水层。,煤层底板承压含水层的水在水压力和矿压作用下上升到其顶板岩层中的范围。,2.底板突水的“下三带”理论承压水导升带,四、承压含水层上采煤的理论依据,底板承压水导升带上界参差不齐，断层附近的承压水导升带高度一般较大，有些矿区可能无底板承压水导升带。 h3用物探和钻探方法；巷道中用电测，钻探!,应用关键层理论分析采场底板破坏与突水,取得了进展.很好地解释了底板突水点位置分布特点。,初次来压时底板关键层载荷特征,3.底板突水的隔水关键层理论,四、承压含水层上采煤的理论依据,底板关键层破断后的一般状态,四、承压含水层上采煤的理论依据,3.底板突水的隔水关键层理论,五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例,1.承压含水层上安全煤岩柱留设 2.承压含水层上断层防水煤柱留设 3.帷幕注浆截流技术 4.减少采动底板破坏深度 5.底板注浆加固技术 6.疏降底板水技术,是,否,五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例,1.承压含水层上安全煤岩柱留设,无导升带的正常底板,存在导升带底板,底板含水层顶部 存在充填隔水带,五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例,2.承压含水层上断层防水煤柱留设传统方法,承压水从断层或彼侧的强含水层直接突破煤层进入采空区,五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例,2.承压含水层上断层防水煤柱留设传统方法,防止的方法不仅应使煤柱的宽度a符合要求，还应使由采掘边界至导水断层带或强含水层的最短距离大于按公式计算的安全煤柱a值。,承压水从断层或彼侧的强含水层沿最短距离突入采空区,五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例,2.承压含水层上断层防水煤柱留设传统方法,其防止的方法是，使a值符合煤柱边界至导水断层内强含水层的铅垂距离大于水体下采煤的防水煤柱高度（预计或该区实测的导水裂隙带高度加防护层厚度） ：,煤层采后向上冒裂波及含水断层或断层彼侧的强含水层,五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例,2.承压含水层上断层防水煤柱留设经验方法,在许多矿区，采用经验公式来设计断层煤柱的合理尺寸取得了成功。如肥城矿业集团对断层煤柱的留设采用了如下方法： （1）上组煤 对落差大于或等于30m的断层，在断层两侧各留30m的煤柱；对落差小于30m的断层不留煤柱。 （2）下组煤 对落差大于或等于30m的断层，两侧各留50m的煤柱；对落差2030m的断层，两侧各留30m的煤柱；落差在20m以下的断层一般不留煤柱。,五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例,3.帷幕注浆截流技术,帷幕注浆截流方案的实质是在井田或井田内某一区域外围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。,肥城曹庄煤矿帷幕截流工程平面图,五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例,4.减少采动底板破坏深度,（1）缩小来压步距 通过人工挑顶、软化顶板和及时放顶的方法，缩小初次来压和周期来压步距，一方面降低前支承压力峰值，另一方面尽快使垮落矸石作用在采空区底板上。 （2）改变采煤方法和开采参数 采用充填采煤法可减小支承压力对煤层底板的破坏，能有效地防止底鼓和底板裂隙扩张;条带开采也可减轻支承压力对煤层底板的破坏程度。,五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例,5.底板注浆加固技术,肥城大封矿10403工作面走向长度290m，回采标高-23.239.7m，倾向宽度平均65m，储量8.1万t。 水压0.750.93MPa，底板厚度14.9525m，平均19.69m，而东部和北部分别是F206和F401断层，面内有小断层7条，共施工29个孔，其中23个孔发现有导水裂隙，导高9.512.8m，五灰单孔水量40240m3/h,平均120 m3/h。 该面进行注浆改造，共注水泥1437.2t，实现了安全生产。在回采过程中，只发现裂隙出水91 m3/h,对生产无大影响。本面平均吨煤改造费用4.3元。若改用疏水降压采煤，使水头降低到18.5m所需吨煤电费为13.46元。,五、承压含水层上采煤技术措施与工程实例,5.