受承压水影响的矿井开拓系统.doc

1. 概况承压水一般是指可采煤层顶、底板岩层内赋存的岩溶石灰岩层承压水体。我国60的煤矿与岩溶灰岩有关，30多个煤田存在承压水患威胁造成的平衡表外储量达200多亿t。华北、华东地区开采石炭二叠系煤田，煤系地层基盘是巨厚的奥陶系灰岩，水量大、水压高，东起徐州、淄博，西至陕西渭北，北起辽宁南部，南至淮南、平顶山一带的主要矿区，如：开滦、邢台、邯郸、峰峰、淄博、肥城、新汉、徐州、焦作、鹤壁、淮南等矿区在开采下组煤时多受底板岩溶承压水的威胁，其总产量达2亿t以上。我国南方岩溶类煤矿床以晚二叠系煤田为主，顶板长兴灰岩和底板茅口灰岩的岩溶承压水，对矿井开拓、开采影响很大，据不完全统计，湖南、广东、江西和广西等省（直辖市）受水威胁的煤炭储量约16亿t以上。承压水对矿井开拓造成了巨大影响。常以数倍、数十倍，甚至百倍于排水能力的水量突入矿坑造成水患。进入80年代以来，随意我国煤矿开采强度增加，开采水平的延深，矿井承压水的突水事故较50年代增长了257，淹井次数增长96。如1984-1985年8月全国统配煤矿连续发生重大突水淹井灾害和事故22起，影响产量1475万t，直接经济损失7亿元。淄博矿区在开采下组九、十层煤过程中，先后发生承压水突出事故160次，造成淹井16次，淹水平或采区11次，经济损失6000万元以上。肥城矿务局杨庄矿1985年5月发生徐家庄灰岩水突水淹井事故，井下全部设备被淹没，停产半年，损失2000万元以上。陕西渭北煤田的桑树坪、马沟渠、象山、董家河等矿井曾先后被淹，有的推迟投产，有的被迫更改水平设置和井巷布置方式，报废已开拓的斜井810m、石门378m、井底车800m。华北石炭二叠系的下组煤，受承压水威胁，几十年来主要是开采上组煤总数矿井第一、第二水平的上组煤均已采完或接近采完，致使矿井巷道不能联台布置，开采顺序层层扒皮，薄厚煤层、煤质好坏不能合理配采，被迫往深部开拓，造成采区分散水平接替紧张，采掘布置极不合理的局面。一些老矿区，如井陉、焦作、峰峰等，下组煤受底板岩溶承压水的严重威胁，多列于平衡表外或作为远景储量，影响了这些老井挖掘潜力、经济效益和延长矿井服务年限。井陉矿区受承压水威胁的储量l992年占总储量的85，峰峰、邯郸、邢台矿务局该种储量平均所占比重分别为49.5、52.06、75.36，淄博矿务局据“八五”期间的开拓安排，受水威胁的采区26个，6全局开拓采区的50以上。受承压水影响，矿井排水设备增加，防堵水系统复杂，疏排水费用极高。肥城矿务局东部4个矿主泵房排水能力均达5000m3h以上，1986年以来补建水闸门20道，每个水平、采区形成独立的疏排水系统。邯郸、峰峰等富水矿井，水平的排水能力一般都在3600 m3h左右，装机能力可达7200 m3h，面焦作矿区平均每采1 t煤要排出60 t水，其九里山矿吨煤排水量高达93 m3t。河北临城煤田，承压水的疏排费占开采成本的31.8。40多年来，我国煤矿在承压水上进行了大量的开拓开采试验和经验推广。70年代以来，采用深井强排疏干降压方法，对薄层灰岩及部分厚层灰岩利用各种疏水工程和设备，如开凿专门疏水井巷、大口径钻孔、安设潜水泵等，进行逐层分水平疏水降压；在查清区域水文条件基础上，堵截水源，分水平建立大流量的排水基地；在一些矿井试验设计合理开拓布置，分区域、分水平建立联合泵房和防水线，带（水）压开采综合治理的防治措施等，均取得了相应的成绩。特别近几年来，肥城、徐州、淮南、峰峰、淄博、焦作等矿区，每年果出受承压水威胁影响的煤炭资源600万t以上，并使数亿吨的水患储量得到解放。我国具有代表性的承压水上开拓开采矿井情况列于表1.1：表1-1 我国主要富水矿区具代表性矿区承压水上开拓开采情况矿务局 矿开拓方式开采水平承压含水层名称底板岩柱厚度，m岩柱承受水压，MPa最大排水能力m/min主要技术路径开滦 赵各庄主斜副立1056奥灰120-14010-11100疏水降压焦作 九里山立井上下山250L8奥灰18-243278疏水降压邯郸 王风一坑立井暗斜井多水平分组大巷10奥灰201.3120预疏大青水带压开采肥城 大封立井上下山55五灰13-221.01112底板注浆加固带压开采井陉 一矿立井水平大巷100奥灰332.6-4.623带压开采峰峰 三矿立井分组大巷20奥灰461.5120大青疏干带压开采淄博 双沟矿双斜井水平大巷250徐灰231.18-2.4933疏水降压淮南 新庄孜矿主、副立井集中大巷410太灰12-181.99113疏水降压焦作 王凤矿主井分层大巷暗斜井0L28151.0572疏水降压井陉 三矿主、副斜井顶板大巷100奥灰553.352带压开采新汶 潘西矿双斜井水平大巷350奥灰50530疏水降压肥城 陶阳矿立井、斜井开拓分组联合大巷90五灰221.553疏水降压淄博 夏庄矿立井水平大巷450徐灰345.8-6.145带压开采2. 影响底板突水的主要原因2.1 底板突水类型（1）按突水地点可分为巷道突水和采场突水。巷道突水多以构造破坏为主，承压水通过断裂或构造破碎带进入底板巷道揭露出来后，承压水就迅速涌入。采场突水多以采矿破坏为主，矿山压力破坏和削弱了底板隔水层的厚度和强度造成与含水层的密切水力联系。（2）按突水量大小按突水量大小可分为特大型突水、大型突水、中型突水和小型突水，它们的突水量如表2.1所列。表2-1 按突水量大小底板突水分类突水类型特大型突水大型突水中型突水小型突水突水量（m3/min）5020-495-195（3）按突水动态表现 可分为爆发型、缓冲型和滞后型。构造破坏是爆发型突水的主要原因，该类突水直接在采掘工作地点附近发生，一旦突水，突水量瞬间达到峰值，峰值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，排水不及时可淹没采区、水平或整个矿井。缓冲型突水发生在采掘工作地点附近，突水量由小到大逐渐增加，经几小时、几天甚至几个月才达到峰值，地质构造、矿山压力、水压或它们的综合作用都可能是这类突水的原因。滞后型突水发生在采掘工作面推进到一定距离后，滞后时间为几天、几个月甚至几年。这类突水多由于矿山压力或水压力长期作用，隔水层逐渐破坏而发生。随着采深增加，底板突水量有加大的趋势。2.2 底板突水原因分析 （1）煤层底板的受力与变形 在长壁工作面开切眼附近，煤层底板应力处于下降或卸压状态，岩体处于膨胀变形状态。如图2.1所示，工作面开采期间和停采后，底板岩层按应力状态和变形不同，分为底板压缩区、底板不均匀隆起区和底板均匀隆起区。图2-1 煤层底板应力及变形分区前支承压力作用下，煤壁前方的煤层底板承受kH的铅应力，呈三向受力状态，以压缩变形为主。随着工作面推进，工作面控顶范围内煤层底板承受的铅垂应力几乎接近于零，进入采空区的煤层底板承受的铅垂应力至多恢复到H。长壁工作面控顶范围内的煤层底板呈膨胀变形状态，向上隆起，出现底鼓，伴随着底鼓，底板岩层中将出现顾岩层层理的裂隙。在支承压力作用下，从工作面煤壁到采空区一定距离和一定深度范围内的底板中出现水平拉应力，在压缩区和隆起区，分界处的底板中出现剪应力，拉应力和剪应力使底板出现一系列垂直于层面的断裂。垂直断裂和顺层断裂交叉，形成底板破坏带。在采空区下方隆起区内，断裂呈松弛和张开状态，成为底板突水的通道。（2）煤层底板岩层中的下三带根据煤层底板破坏情况和岩溶水的导升情况，在工作面连续推进后，采空区下方煤层底板岩层中也可以分为三带，即所谓的下三带，如图2.2所示。（1）破坏带：邻接工作面的直接底板受到破坏，出现一系列沿层面和垂直于层面的断裂，使其导水能力增强，其厚度称底板破坏深度。（2）完整岩层带：位于破坏带之下，岩层虽然受到支承压力的作用，甚至产生弹性或塑性变形，但仍然能保持连续性，其阻水能力未发生变化。因此，称完整岩层带或保护层带。（3）地下水导升带：地下水导升带指底板含水层中的承压水沿隔水层裂隙上升的高度，即由含水层顶面至承压水导升标高之间的部分，其厚度为h3（上图）。地下水导升带的厚度，取决于承压水的压力及隔水层裂隙的发育程度和受开采影响的剧烈程度。底板采动导水破坏带是煤层底板岩层受采动影响而产生的采动导水断裂范围，该范围内出现一系列沿层面和垂直于层面的裂缝，其深度为从煤层底板至采动破坏带最深处的法线距离。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面影响底板采动导水破坏带深度。工作面长度愈大，矿山压力显现愈充分，底板破坏深度愈大。图2-2 下三带示意图1-破坏带；2-完整岩层带；3-地下水导升带h1-破坏带深度；h2-完整岩层带厚度；h3-地下水导升带厚度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板和基本顶的悬顶及冒落面积。顶板悬顶愈大，前支承压力峰值愈大，对底板破坏愈严重。煤层厚度或采高是影响顶板垮落高度和采空区充填的重要因素，采高大，则底板破坏较深。采深加大后前支承压力的绝对量随采深加大面加大，底板破坏深度也随之加大。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来影响前支承压力。而底板的岩性和结构反映了阻止底板破坏的能力。从1992年开始，我国对壁式工作面底板采动破坏深度进行了实测，通过统计分析，得出了底板采动导水破坏带深度与工作面斜长的关系，如图2.3和式（2-1）。 h1=0.303L0.8或 h1=0.7007+0.1079L （2-1）式中 L壁式工作面倾斜长度，m； h1底板采动导水破坏带深度。若考虑采深、倾角和工作面斜长，可得（2-2）式。 h10.0085H0.16650.1079L4.3579 （2-2）式中 H开采深度，m； 煤层倾角，（）。图2-3 工作面底板采动导水破坏带深度与工作面斜长的关系断层带附近的采动导水破坏带深度比正常岩层中增大约0.5-1.0倍。原苏联对煤层采动后底板危险区深度进行了观测研究，底板危险区深度与岩性有关结果如表2.3所列。表2-3 底板危险区深度 注：Rc为岩石单轴抗压强度。采深m底板危险区深度mRc=20-70MPaRc=70MPa2506-102-3200-5008-133-6500-750136我国对不同采煤方法的底板破坏深度也进行了研究，根据数值计算，并对照现场实测结果，得出4种采煤方法的底板破坏结果，如表2.4所列。表2-4 不同采煤方法的底板破坏深度采煤方法及面长长壁80-100m短壁50m条带20m房柱15m15m底板破坏深度/m10-173.5-72.5-33-5 底板阻水带底板阻水带是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。此带内岩层虽然受到支承压力作用，甚至产生弹性或塑性变形，但仍然能保持连续性。一定厚度的底板阻水带可以阻止底板突水，因此，该带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，少数工作面开采后，该带很薄，甚至可能不存在。我国部分矿区用钻孔水力压裂试验实测的岩层阻水系数如表2.5所列。表2-5 岩层阻水系数岩性中、粗粒砂岩细砂岩粉砂岩泥岩石灰岩断层带阻水系数（MPa/m）0.3-0.50.30.20.1-0.30.40.05-0.10 底板承压水导升带与石灰岩邻接的岩层中存在着原始节理和裂隙，岩溶承压水进2、人后成为导水层，底板承压水导升带指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，其上升的高度为h3。由于裂隙发育的不均匀性，底板承压水导升带上界是参差不齐的，断层附近的承压水导升带高度一般比正常岩层中大，少数断裂可能使承压水导升很高，甚至接近或穿过煤层，有些矿区可能无底板承压水导升带。底板承压水导升带高度h3可采用物探和钻探方法确定，一般可在井下巷道中用电测方法进行探测，必要时采用钻探验证。2.3 影响底板突水的主要因素煤层底板突水有两个必要条件，一是要有突水的水源条件，二是要有能形成突水的通道条件，二者缺一不可。影响底板突水的主要原因有以下几点：（1）水源条件 水源条件包括水量和水压，水量愈丰富，突水量愈大，危害也就愈大。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。（2）地质构造底板突水事故的80以上发生在断裂构造附近，一般来讲，隔水层的岩体强度要比底板岩溶水的压力大几倍到几十倍，断裂构造附近底板突水的通道往往是断裂构造本身，这些构造既可以充水，又可以导水，大大降低了隔水层的有效厚度和实际强度。如图2.4所示，由于断层改变了煤层与含水层之间的相对位置，使隔水层的有效厚度变薄或消失。为防止底板承压水沿断层面进入煤层、断层两侧需留设断层防水煤柱。图2-4 断层改变了煤层与含水层的相对位置岩溶陷落柱是容易引起底板突水另外的一种地质构造。煤系地层之下的厚层可溶性岩层，在岩溶水作用下形成大溶洞，当溶洞顶部的自然拱不能支撑其上覆岩层时，则覆岩相继垮落，并逐步向上发展，其顶部可能切割煤系地层，形成几十至几百米的柱状陷落体，因而称岩溶陷落柱。岩溶陷落柱的存在给开采造成了困难。华北地区揭露的岩溶陷落柱多数导水性和充水性不强，对突水影响不大。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。我国开滦范各庄矿217l工作面推进到隐存的陷落柱附近时，高压水突破煤壁，在21小时后将年产300万t的大型矿井淹没，突水蜂朗平均涌水量为2053mmin。如图2.5。（3）隔水层的阻水能力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。强度愈大、分层厚度愈大、裂隙愈少，其阻水能力愈大。阻水能力一般以单位厚度所能承受的水压值表示。图2-5 2172工作面陷落柱剖面图（4）矿山压力开采引起的支承压力诱发底板突水，有以下规律：（1）无周期来压或周期来压不明显的顶板，支承压力较小，对底板破坏较轻；有周期来压的顶板，底板突水多发生在初次来压或周期来压期间，这是由于来压期间支承压力较正常推进时大，对底板破坏严重。（2） 突水点位置多数在工作面后部采空区边缘附近。这些位置处顶板垮落不充分，底板处于膨胀状态，断裂张开，阻水能力最弱。5开采方法的影响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、矿层倾角、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。6底板破坏深度底板破坏深度与开采深度、煤层开采厚度、煤层倾角、工作面长度、顶底板岩石性质（抗破坏能力）、采煤方法、顶板管理方法以及是否有断层等因素有关。根据现场实测资料，底板破坏深度一般从几米到十几米（现场实测最小的为3.5m，最大的达到38m）。3. 开采方式我国众多受承压水影响的矿区，通过数十年的试验研究，在水用煤层的开拓系统布置方面取得下列许多重要经验。（1）选择开采我国一些富水矿井，根据承压含水层的富水性、隔水层的厚度及底（顶）板所承受的水压、构造情况、突水的难易程度，把井田或水平进行分区，本着先简后难、先浅后深的原则，先集中开采井田中的部分区域，待取得经验后再开采其它区域，统筹规划开采程序，以保证首采区域的开采为主，再兼顾后采区域的开采，并考虑到部分区域可能丢弃不采，合理设计开拓布置，选择开采。例如，开滦矿务局赵各庄矿l200m水平开拓，分成正常区、危险区和非常危险区；邯郸王风矿在+10m水平，对大青煤仅选择开采大青灰岩涌水量小于550 m3h的采区，对下架煤只选择开采突水系数了Ts小于0.5的区域；峰峰二矿把井田划分为南区、北区及东南区，并首先选择条件较好的东南区，分期疏降大青水，带（水）压开采深部山青煤层，取得了良好的安全经济效益。（2）分区隔离开采分区隔离开采是我国受岩溶承压水影响的矿井减少灾害损失的一个重要开拓措施。目前，绝大多数矿井仍采用井下卧式水泵排水方式，当矿井突水量超过排水能力时，容易发生淹井事故。因此，凡水患威胁严重的矿井，都应将煤田或井田合理分区，分区间留设隔离煤柱，在适当地点设置防水闸门和防水墙等，将矿井分区隔离。分区隔离开采有以下两种做法。 在同一矿井（或井田）内隔离采区、水平、煤层（组）进行开采。这种方法适用于可能突然发生涌水的矿井或采区。例如，肥城矿务局杨庄矿、曹庄矿实现了上下组煤之间的隔离，大封矿实现了井底车场与生产采区之间的隔离；井陉矿务局三矿曾用3道水闸门、10余道水闸墙将东西两大生产区隔开；焦作矿区各矿水文地质条件复杂的地区基本上实现了分采区、分水平、分翼的隔离开采，在多次矿井突水事故中取得了较好的防水用效果。 建立若干单独矿井同时开采或分别开采。这种方法适用于单独水文地质单元或由于构造因素分隔同一含水体的情况。这样可建立独立排水系统，分别采取相应的技术措施开拓开采水患煤层。徐州贾汪矿区、肥城矿务局东部四矿、湖南煤炭坝煤矿都曾采用多井分区同时开采、同时排水的方式，收到了缩短疏降时间、减少突水危险、降低排水费用的效果。（3）分层间歇开采在开拓开采受顶板水体影响的缓倾斜煤层，特别是隔水层较小时，倾斜分层间歇开采方法，覆岩破坏程度较小，对水体下安全采煤是有利的。采用这种方法要求注意控制第一、二分层的采厚，一般上分层采完后，下分层间歇3-5个月待项板基本稳定局进行回来。大屯煤电公司徐庄矿、枣庄矿务局柴里矿、邢台矿务局邢台矿等水体下应用分层间歇开采，均取得了较好效果。在含水层下开拓开采急倾斜煤层时，可以采用小阶段、长定向、间歇开采方法，即将全水平分为3-4个小阶段沿定向全长一次采完，每采完一个小阶段停采3-4个月后再采下一小阶段。例如，淮北矿务局孔集矿应用此方法，安全采出了顶板含水砂层下厚5m、倾角75-83的急斜厚煤层。（4）疏水降压开采疏水降压就是利用矿井排水能力，采用疏水巷道、放水钻孔或两者结合的办法局部疏于承压水体或降低含水层水位（水压）。根据我国煤矿的实践经验，这种方法主要适应于以静压储量为主的水源和煤层直接顶底板为石灰岩含水层的条件。河北峰峰、井陉、邯郸和河南鹤壁、平顶山等矿区的太原组薄层灰岩，以及山东淄博、肥城、枣庄等矿区的徐家庄灰岩，多采用钻孔及巷道（穿层石门）揭露含水层，根据开拓进程、水体逐层分水平不断泄出，而在降压的后期，常进行与开拓平行的疏放，见图3.1。80年代后期，淮南矿区完成了几个生产矿井疏水降压工程，安全采出50个工作面受水患威胁的煤层，并在谢一、二、三等矿实现了多井多水平群孔疏水降压。图3-1 分水平疏干顺序示意图1石门或斜石门；2斜的的钻孔；3第一疏干层；4第二疏干层；5第一疏干层的第一水平疏干漏斗；6第二疏干层的第一水平疏干漏斗；7第一疏干层的第二水平疏干漏斗；8第二疏干层的第二水平疏干漏斗；9第一疏干层的原静水位；10第二疏干层的原静水位（5）深降强排方案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，将岩溶水位人为地降低到开采水平以下，以确保安全地进行开采。告成煤矿13071轨道巷底板突水后就是采用这种方案，在相邻的13081工作面的底板布置了1#底板疏水巷，进行人为疏放，使水位降到了开采水平以下，解除了13采区受底板承压水的威胁，确保了矿井安全生产。这种方案虽说效果最好，但存在着疏水工程量大、设备多、电耗大、使水位降低造成工农业用水缺乏和地表下沉等缺点。此外，当井田内承压水水量极为丰富、补给来源充足时，深降强排方案难以实现。（6）外截内排方案外截内排方案的实质，是在井田或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放，将承压水的水位降低到开采水平以下。超化矿22081工作面突水后，就是利用这种方案在突水点四周进行钻孔注浆，有效封堵截断了出水点的补给水，同时加大该采区的疏水排水强度，目前该采区已恢复生产，突水点的水量由原来的2700 m3 /h降到300 m3 /h，确保了整个矿井的安全生产。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。（7）带压开采方案带压开采方案就是在开采过程中利用隔水层的阻水能力，防止底板突水。带压开采无需事先专门排水，也能做到安全开采，且在经济上花费较少。但带压开采不能确保不发生底板突水事故，特别是在水文地质条件复杂的地区，带压开采时底板突水的可能性更大。因此，在采用带压开采方案时，首先要对其可能性进行论证，并要采取一系列安全措施，还要有足够的备用排水能力，最好是在水文地质条件清楚、隔水层厚度达到防水要求的情况下采用。近几年来，我国部分富水矿区还采用大口径深孔、高场程大流量潜水泵排水降压技术，例如焦作演马庄矿采用直径1.5m，深322m的深孔把承压含水层的水直接硫排至地面，取得了较好的较果。这类大口径钻孔不仅仅用于排水，还可兼供分区通风和输电。4. 主要井巷布置特点目前，矿用大流量高扬程排水泵均为固定基座的卧式泵，在建井期不可采用。受建井期排水设备能力限制，为避免发生重大突水事故导致掩井，有承压水威胁的矿井常以立井、穿层斜井井底车场的最大深度不致破坏隔水层，作为选择井筒位置和开拓方式的重要原则之一。因此，这类矿井多采用将井筒布置于隔水层顶部并以顶板石门、暗立井或暗斜井开拓其深部水平的开拓方式。例如，开滦矿区的唐山、唐家庄、林西、赵各庄等矿，在；50-70年代时，受当时建井排水能力限制，以井筒和井底车场不破坏其底部的唐山灰岩作为选定井位的原则，并均采用了以顶板石门加多段暗立井开采深部水平的开拓方式。目前开滦矿区虽不再以唐山灰岩限定井位，却仍将距奥灰顶板5080 m划为设置井筒或井底车场的禁区，大量采用以暗立井或暗斜井开采深部井田的开拓方式。又如，峰峰矿区以小青灰岩为界，其井筒、井底车场均建于小青灰岩的顶部。并以下山暗斜井开采深部水平。为避免开拓井巷穿越强含水层，受底板承压水威胁的矿井主要巷道一般不布置在受承压水威胁的底板岩层中。例如，焦作矿区为了避开l8灰岩，灰l8灰岩的水压高于2MPa或l8水疏放效果不好的地区，将水平大巷、泵房、变电所、水仓及泄水巷等主要巷道均布置在l8灰岩的顶板岩层中。井陉、肥城等矿区开拓下组煤时，主要开拓巷道及硐室均避免触动受承压水影响煤层的顶、底板岩层。徐州矿区的旗山、权台等矿为了不破坏隔水层，目前只开采其不受承压水影响的上组煤，而将受承压水影响的下组煤留待技术发展后再予开拓、开采。随开采深度增大，承压水的水压增高，强含水层发生突水的机率和突水量也相应增大。因此，我国富水矿井多采用暗斜井或暗立井的延伸方式来开采其保持水平。同时为了疏水降压，减轻突水的威胁多采取两个或数个水平同时生产，而将受承压水影响煤层的开采工作限于其已疏水降压后的上部水平。例如，峰峰矿区的一些矿井，在其生产水平先只采上组煤，受承压水威胁的下组煤则留待延深至下水平时再予开采。又如，湖南省煤炭坝煤矿以分阶段多次延伸深的办法开拓开采保部受承压水影响的煤层。该矿在井田中部选择无构造、岩石完整的层位延深暗斜井，采用小阶段多水平的开拓方式开采深部，水平垂高一般3050 m，大巷直接开掘在茅口灰岩中。田于开采中逐渐疏降了含水层的水位且段高小，水压不高，不致造成严重突水事故，从而取得了较好的经济效益，并实现了安全生产。多水平的暗斜井或暗立井开拓方式在采区深部水平时需用多段排水，使排水系统分散，排水费用增高，并给深部地区排水造成一定得困难。我国焦作矿区的各矿井，多年来采用大直径钻孔，将深部水平的涌水一次排至地面，简化了开拓巷道布置，也解决了深部排水问题。富水矿井主要开拓巷道的布置应便于实行分区隔离开采。例如，峰峰矿区开拓涌水更富的下三层煤时，多采用顶板集中大巷分区石门的布置方式，并在石门中设置防水闸门，将下三层煤及全井田的下组煤与上组煤之间隔离开采，开滦矿务局林西矿将阶段大巷布置在涌水巨大的14号煤层顶板中，在水平行将结束时再以分区石门集中开采14号层，且采完一区封闭一区，以减少排水费用。开掘专门的疏排水巷。例如，焦作矿务局冯营矿，九里山矿等在水平运输大巷下部与大巷平行开掘有专供排水用的集中输水巷；南桐矿务局红岩矿+370m水平建有专供排水的疏水平硐；淮北矿务局朱仙庄矿、开滦矿务局范各庄矿，峰峰矿务局一矿等开掘有直接揭露含水层或构造的专用泄水石门，如图4.1所示。图4-1 淮北矿务局朱仙庄矿疏水石门布置图18煤层上山；210煤层上山；3420m疏水石门；4放水钻孔；5直通排水钻孔；68煤层；710煤层；8北大巷；9含水层；10地表含水层静水位留设足够的防水隔离煤柱。对于多水平多采区开拓的矿井，水平及采区之间需留设足够的煤柱，以隔离开采。合理设置开拓巷道，保证每区均有可靠的避灾路线及封堵设施，以防发生大型突水，人员可应急撤离。应建有较完善的疏排水系统及设施。优化采区巷道布置。在设计采区巷道布置时，要注意采掘巷道与断裂构造的空间位置关系。尽可能地少穿过断层，尽量减少巷道交叉点并缩小交叉点的悬顶面积。交叉点和回采工作面上下出口要尽量避开小断层。减小工作面长度，提高工作面推进速度。减小工作面长度，可以减小底板的破坏深度，提高工作面推进速度，可使采动后的裂隙不能得到充分扩展，从而减小底板的破坏深度。合理地确定工作面推进方向。在布置回采工作面时，应尽量避免工作面的周边与高角度断层靠近和平行，避免工作面推进方向与高角度的断层走向垂直，但可以与断层走向斜交。总结我国水灾事故经验，富水矿井应待输排水基地及有关防水设施和措施齐备后，方能进行水患煤层的开拓。疏排水系统包括水泵、管路、水仓、疏水巷、排水孔等，防水设施主要有水闸门，水闸墙等。峰峰矿务局二矿为开采涌水量很大的小青，大青煤时建立的+3 m疏排水系统，最大排水能力可达14400 m2/h，其井巷、设施工程布置见图4.2所示。图4-2 峰峰矿务局二矿疏排水井巷工程布置示意图1一泵房；2一变电所；3一入风小井；4一大巷；5一备用水仓；6一清理斜巷；7一野青大巷8一山青大巷；9一疏水巷水闸门；10一疏水石门；11一小青正巷；12一小青副巷；13一疏水巷；14一放水钻孔；15一沉淀池；16一过水巷A；17一大苍至小青石门；18一过水巷B；19一第二期工程预留位置；20一入水道；21一吸水井；22一过水硐近几年来，在一些大中型的富水矿井，为了适应分区排水，简化排水系统，扩大排水能力的需要，推广应用了大直径直通式钻孔分散排水的方式，收到了良好的技术经济效果。在我国煤矿中，钢制水闸门的设计，有平板形、圆弧形和膜型扁壳形三种，其中膜型扁壳水闸门具有门扇重量轻、抗压能力大、结构合理等优点，新建水闸门应优先使用这种形式。徐州矿务局青山泉、焦作矿务局王封等矿，生产水平主排水泵房以水闸门与其它巷道硐室隔绝开，泵房通过专用管子斜井与地面相通，建成自成系统的封闭泵房，这也是防治富水矿井岩溶水患的有效设施。5. 断层防水煤柱留设断层构造带是承压水上开采底板突水的主要地段，据我国主要富水矿区统计，80以上的突水事故与断层构造带有关。因此，在导水或易于突水的断层带留设防水煤柱是常用的防水方法，也是矿井防治水患的一项重要措施。对于断层防水煤校，根据断层性质、落差、倾角、导水性、煤层特征、力学性质与断层的关系，断层两盘岩层接触关系，含水层水压，以及采矿活动引起的围岩压力对断层的破坏作用，我国各矿区建立了各种断层煤柱模式。生产中确定防水煤柱尺寸的常用方法有： （1）经验比拟法 参考矿井地质及水文地质条件相似的已安全回采的防水煤校尺寸，作为设计煤柱尺寸的依据，例如，井径矿区一般规定落差大于20航的断层，下盘的四、五层煤须按有关公式留设防水煤柱；而肥城矿区规定九、十层煤带压开采对于落差大于1.5m的断层都要留设不小于20m的防水煤柱； （2）分析计算法 按照不同类型断层突水机理，利用理论或经验公式计算防水煤柱尺寸，例如，开滦、淄博等矿区在煤层直接和导水断层接触时，常以下述经验公式计算煤柱宽度：20 ma煤住进度，m；m煤层厚度，m；kp煤的抗张强度，MPa；p水压力，MPa；K安全系数，一般取2-5。河北一些矿区利用突水系数经验公式在突水系数临界值之内留设煤柱，通过实践验证也是可行的；（3）当断层倾角比较小的时候，断层上、下盘的煤柱尺寸不仅要符合有关宽度，而且还要使采掘边界至导水断层带或含水层的最短距离，大于按公式计算出的煤柱值。6. 对西峪煤矿受承压水威胁煤层的探讨6.1 9#煤层承压水状况（1）水文地质条件。西峪煤矿属岩溶型矿床水文地质类型，位于太原西山岩溶水系统的晋祠岩溶水亚系蔼统内的非主径流带上。矿区东部X1和X2 孔地段、峰峰组岩溶裂隙水具有滞流状的特征。水文地质勘探资料证实，间接底板峰峰组岩溶裂隙水含水层的富水性在断裂带处为中等富水，其余地段含水层的富水性为弱等级；其水动力场已受控于人为抽水的影响，与区域岩溶水的水动力场不协调。上马家沟组岩溶裂隙水的X1 孔抽水试验结果表明，其单位涌水量（q） 大于10L/（s.m），属强富水的含水层，水位标高与区域岩溶水的水动力场相符。本矿除最南端有很小一部分奥灰水位标高低于9#煤层底板标高外，其余煤层全位于奥灰水位之下。（2）9#煤层底部隔水岩柱的厚度。隔水岩柱的厚度为开采煤层底板至峰峰组（Q2f）含水层顶面之间隔水的完整岩层厚度。若隔水层为某些原生或次生构造穿切造成一定的原始导升高度时，应减去原始导升高度h2。（3）岩溶水的导升高度。导升高度就是指奥灰水依靠水压沿隔水岩柱中的断层或者裂隙上升的高度，在天然状态下能够上升的高度称之为“原始导高”。奥灰水的上升已成为采掘过程中的一大隐患。原始导高存在与否，由矿区内奥灰含水层水压的大小以及9#煤层下隔水岩柱的隔水性能决定。根据邯郸、井陉各矿的测试资料及本矿区的具体地质条件，在计算突水系数时，断裂地带采用h2=10m，作为本矿区断裂带岩溶水的导升高度。6.2“下三带”计算法实测及研究表明，煤层底板在开采条件下，由于受到矿压及岩溶水的共同作用，自上而下分为3个带：矿压对底板的破坏深度带，具有阻隔水能力的有效隔水保护带，岩溶承压水导升带。根据段水云提出的矿压对煤层底板破坏深度的理论可知，矿压对煤层底板破坏深度主要与岩石的坚固性系数、工作面宽度、开采深度、煤层倾角和开采煤层厚度等因素有关。段水云根据目前国内一些煤矿工作面的实测资料，建立了预计煤层地板破坏深度的多元非线性回归方程：h1 =7.9291ln（L/24）+0.0091H+0.0448+0.0003M0.3113F式中，h1为矿压对煤层底板破坏深度，m；L为工作面的倾斜长度，H为煤层开采深度，m；M为开采煤层厚度，m；为底板岩层的坚固系数；为岩层倾角，rad。其有关参数的选取说明如下：（1）工作面的斜长L。本矿区目前工作面斜长为60m-110m，在预测本矿区矿压破坏深度时，选择L=50m-150m。（2）采深H。本矿区内9#煤层底板埋深为284.98m-526.85m，平均为405.9m，计算时选择300m，400m，500m等3个深度段进行。（3）隔水岩柱的坚固系数F及岩层倾角。在正常岩层地段选择F=2.86，岩层倾角=/18rad；断层密集带取F=1.72，岩层倾角=/6rad；断层破碎带F=0.06，岩层倾角=/6rad。采用上述数据利用上公式进行计算，结果分别见表6.1，表6.2，表6.3。表6-1 正常岩层地段矿压破坏深度h1计算结果表 （单位为m）F=2.86 =/18rad项目H300400500L507.6672113.5772119.487211609.11285810.0228610.932867010.3351311.2451312.155138011.3939212.3039213.213929012.3278313.2378314.1378310013.1632414.0732414.9332411013.9189714.8289715.7389712014.6088915.5188917.0635613015.2435616.1535617.0635614015.8311416.7411717.6511715016.3782217.2882218.19822表6-2 断层密集带矿压破坏深度h1计算结果表 （单位为m）F=1.72 =/6rad项目H300400500L508.0377248.9477239.857723609.4833710.3933711.903377010.7056511.6156512.525658011.7644312.6744313.584459012.69834136083414.5183410013.5837614.4436715.3537611014.2894815.1994816.1094812014.9794015.8894016.7994013015.6140716.5240717.4340714016.2016817.1116818.0216815016.7487317.6587318.56873表6-3 断层破碎带矿压破坏深度h1计算结果表 （单位为m）F=0.06 =/6rad项目H300400500L508.5544819.46448410.374486010.0001210.911311.820137011.2224112.1324113.042408012.2811913.1911914.101199013.2151014.1251015.0351010014.8062415.7162416.6262411014.8062415.7162416.6262412015.4961616.4061617.6161613016.1308317.0408317.9508314016.7184417.6284418.5384415017.2654918.1754919.08549分析计算结果可得出一个结论：工作面底板导水破坏带的深度与工作面的斜长、煤层的开采深度、底板隔水岩柱的岩性组合及岩体结构类型密切相关。工作面的斜长影响最大，根据矿区内的地质条件及目前的开采现状选择H=500，L=110m。利用不同岩层区段的计算值作为各区突水系数的计算参数，即构造简单缓倾斜层状岩层区h1 =15.6；构造复杂断裂密集层状碎裂岩层区h1 =16.0；断裂破碎带h1 =16.6。6.3 突水系数的计算根据突水量提出的计算煤层底板突水系数的经验公式：Ts=P/（Mh1h2）dDh1dy式中，P为奥灰水对底板的压强，MPa；dD 为断层密集带等效厚度，m；dy为断层破碎带等效厚度，Ts为突水系数，MPa/m2。根据表4中9#煤层底部隔水岩柱的厚度M，前述岩溶水的导升高度h2 和矿压对煤层底板破坏深度h1； 计算出突水系数Ts，结果见表6.4。表6-4 带压开采突水系数计算结果统计钻孔所处构造部位及地层区段孔号隔水岩柱厚/m原始导升高度/m矿压破坏地板厚度/m奥灰水对地板的压力/MPa突水系数Mpa/m2结论正常岩层地区（15）X141.54015.63.1000.075不突水10/30331.93015.64.2970.135不突水6/30828.09015.63.9000.139不突水3/31235.90015.62.9400.082不突水1/31434.92015.63.4190.098不突水观637.46015.63.4600.092不突水7/30630.62015.62.4570.080不突水5/-236.37015.62.7670.021不突水3/-134.28015.60.4910.058不突水1/-236.96015.62.1440.148不突水4/-330.77015.64.5110.050不突水14/-532.61015.61.6210.015不突水24/-0156.43015.60.2010.015不突水23/-0136.14015.60.2120.021不突水25/-135.12015.60.8130.037不突水13/-232.05015.61.3310.039不突水断层附近X215.911016.02.5640.161突水X317.661016.02.3960.136突水X423.631016.03.2700.1