中国煤矿水害现状及防治理论和技术-培训.ppt

中国煤矿水害现状及防治水理论和技术 施龙青 博士后 教授 博士生导师 山东科技大学地质学院 内容 前言煤矿水害现状中国水害频发的根本原因矿井水害类型及特点各类水害发生机理矿井水害防治对策与方法物探技术在煤矿水害防治中的应用底板突水预测预报 前言 我国三大能源在世界能源结构中比例 我国能源结构分布 可燃冰 可燃冰 在世界范围内分布广 资源量大 据科学家预测 可燃冰 储量是现有天然气 煤炭 石油全球储量的两倍 是常规天然气的50倍 有科学家估计 海底 可燃冰 的储量够人类使用1000年 据推算 目前已经发现的石油储备量还可用40年 天然气还可用70年 煤炭还可用190年 也正是如此 后石油时代 用什么作为能源成了各国致力研究和勘探的问题 可燃冰 的发现让陷入能源危机的人类看到了希望 早在19世纪30年代 可燃冰 即进入人类视野 1965年 苏联首次在西西伯利亚永久冻土带发现 可燃冰 矿藏 并引起多国科学家关注 率先开始勘测研究的是日本 如今 已拥有7口钻井 属于领先水平 美国则从2000年起将 可燃冰 作为政府项目 与各大学和私营公司合作 进行勘测和实地研究 据称到目前为止 美国政府已花费超过1500万美元 另外 加拿大 印度 韩国 挪威等国也纷纷开始投入勘探项目 目前 世界上已经有30多个国家和地区开展 可燃冰 的研究勘探 我国于2002年同时启动海域和陆域 可燃冰 的研究和勘探 于2007年在南海发现了 可燃冰 据介绍 我国 可燃冰 的资源潜力为803 44亿吨油当量 仅占全球资源量的0 4 接近于我国常规石油资源量 约是我国常规天然气的2倍 2009年6月 在海拔4000多米的祁连山南缘 一簇火苗的燃烧 成为一个足以令亿万国人为之沸腾的消息 地质工作者在此成功钻获 可燃冰 样品 我国成为世界上第一个在中低纬度冻土区发现 可燃冰 的国家 能源政策一是立足国内 二是节能优先 三是优化结构 坚持煤为基础 多元发展 形成煤炭为主体 电力为中心 油气 新能源全面发展的能源结构 四是保护环境 五是增强合作 一 煤矿水害现状 全国煤矿水害概况2001年 104起 死亡4262002年 159起 死亡5122003年 137起 死亡5512004年 141起 死亡5622005年 120起 死亡5612006年 138起 死亡6232007年 145起 死亡632 煤矿死人在中国早已经不是新闻 没有死人才是新闻 根据一份统计显示 从2001年起 中国煤矿平均每7 4天发生一起死亡10人以上的事故 中国煤炭产量约占全球的35 死亡人数则占近80 山东省水害情况国有重点煤矿 1949 2004 重特大水害事故55起 死亡25起 死亡431人 透古空水占47 3 死亡425人 透含水层38 2 无死亡 地面水占14 5 死亡6人 地方煤矿 1972 2004 重特大水害事故41起 死亡351人 透古空水事故35起 占85 4 死亡230人 透含水层占4 9 死亡16人 地面水占9 7 死亡105人 中华人民共和国国务院第446号令 国务院关于预防煤矿生产安全事故的特别规定 已经2005年8月31日国务院第104次常务会议通过 现予公布 自公布之日起施行 总理温家宝 停止生产 排除隐患 一 超能力 超强度或者超定员组织生产 二 瓦斯超限作业的 三 煤与瓦斯突出矿井 未依照规定实施防突出措施的 四 高瓦斯矿井未建立瓦斯抽放系统和监控系统 或者瓦斯监控系统不能正常运行的 五 通风系统不完善 不可靠的 六 有严重水患 未采取有效措施的 七 超层越界开采的 八 有冲击地压危险 未采取有效措施的 九 自然发火严重 未采取有效措施的 十 使用明令禁止使用或者淘汰的设备 工艺的 十一 年产6万吨以上的煤矿没有双回路供电系统的 十二 新建煤矿边建设边生产 煤矿改扩建期间 在改扩建的区域生产 或者在其他区域的生产超出安全设计规定的范围和规模的 十三 煤矿实行整体承包生产经营后 未重新取得安全生产许可证和煤炭生产许可证 从事生产的 或者承包方再次转包的 以及煤矿将井下采掘工作面和井巷维修作业进行劳务承包的 十四 煤矿改制期间 未明确安全生产责任人和安全管理机构的 或者在完成改制后 未重新取得或者变更采矿许可证 安全生产许可证 煤炭生产许可证和营业执照的 十五 有其他重大安全生产隐患的 水害频发的根本原因1 复杂的地质构造 天灾 2 松懈的安全意识 人祸 二 矿井水害类型及特点 我国八大聚煤期早寒武世早石炭世 C1 北方晚石炭世 早二叠世 C3 P1 南方二叠纪 P 晚三叠世 T3 早中侏罗世 J1 2 早白垩世 K1 第三纪 E 聚煤特征1 从浅海海湾逐步向滨海 沿海地区并最后向陆地内部迁移 2 聚煤作用的气候条件随着植物界的发展演化 由热带 亚热带迁移扩展至温带 古生代多为热带 亚热带 中生代以后多为温带 3 各聚煤期植物不同 早古生代菌藻植物 晚古生代蕨类 中生代裸子植物 蕨类 新生代被子植物 煤炭资源的地理分布特点分布广泛 西多东少 北多南少 相对集中 既广泛又相对集中 是我国煤炭资源地理分布的重要特征 水害类型 按水源划分 地表水害第四系松散层孔隙水害侏罗系 第三系孔隙 裂隙水害煤系砂岩裂隙 孔隙水害煤系薄层灰岩水害厚层灰岩水害 北方奥灰 南方茅口灰岩 老空 老窑水害其他水害 导水陷落柱 断层 封闭不良钻孔 防水设施 边界煤柱等 水害特点 地表水害包括河流 水库 湖泊 海洋 雨季洪水等 其危害为 通过井眼 矿井安全出口 采后塌陷坑 煤系含水层露头 喀斯特塌陷等直接或间接透入矿井而造成事故 地表水体底部渗漏增大矿井涌水量 第四系松散层孔隙水害 分布面积广 广泛接受大气降水 地表水补给 为孔隙水 连通性好 与其他含水层露头接触 或其他方式发生水力联系 可成为其他含水层的补给水源 侏罗系 第三系孔隙 裂隙水害 一般分布面积局限 与第四系水有广泛的水力联系或直接接受大气降水 地表水补给 为孔隙 裂隙水 连通性较差 局部富水性较强 与其他含水层露头接触 可成为其他含水层的补给水源 煤系砂岩裂隙 孔隙水害 具有成层性 一般具多层特点 为裂隙 孔隙水或裂隙水 具有较强的方向性 在某些方向上连通性好 裂隙发育部位富水性较强 在没有地表水 第四系水及其他水源补给条件下 其动 静储量往往不大 距离煤层近 影响较大 煤系薄层灰岩水害 灰岩厚度较小 静储量不大 在有充足补给水源条件下 动储量较大 一般为岩溶 裂隙含水层水或裂隙 岩溶含水层水 富水性不均匀 岩溶裂隙的发育程度与埋藏深度 构造发育程度 构造部位有关 夹在可采煤层之间或煤层与奥灰之间 距离煤层较近 甚至直接成为煤层顶 底板 对煤层开采影响大 厚层灰岩水害 奥陶系灰岩出露广泛 接受大气降水 地表水或第四系等水的补给 总体补给水源充足 动 静储量巨大 一般为岩溶 裂隙含水层水或岩溶含水层水 发育两套岩溶系统 古岩溶和近代岩溶 具有强径流带和分支径流带 水力系统复杂 不均匀性显著 岩溶裂隙的发育程度与埋藏深度 构造发育程度 构造部位有关 含水性强 可疏降性差 对近距离煤层开采影响大 老空 老窑水害 积存于生产或开拓水平之上 水量不大 一般不会造成淹井危害 一旦揭露 水量集中 来势猛 往往以 有压管道流 的形式突然溃出 具有很大的冲击力和破坏力 对人身安全危害极大 老窑水积存时间长 水的酸性强 腐蚀性强 危害大 其他水害 岩溶陷落柱 突水通道 危害大 断层 导水 活化 断层影响带 封闭不良钻孔 导水通道 连通含水层 防水设施 主要是挡水墙 有水或无水 围岩 墙体稳定性 静水或动水 边界煤柱 破坏 不稳定 易引发突发性事故 三 各类水害发生机理 1顶板水害发生机理 顶板水害发生主要是由于开采煤层顶板运动产生 上覆岩层的移动和破坏 形成了充水通道 使上部水体中的水渗入或溃入井下 形成灾害 上三带理论 开采煤层之上存在三带 冒落带 导水裂缝带 弯曲带 冒落带和导水裂缝带统称冒裂带 水经覆岩涌入矿井机理 1 开采煤层距离含水层 水体 较远 冒裂带触及不到含水层 水体 且含水层水压不足以破坏冒裂带之上的隔水层 弯曲带内的岩层虽然也可能存在伸张裂隙或离层 但这些裂隙互不连通 不会发生溃水 2 开采煤层距离含水体近 冒裂带直接进入含水层 则含水层水会溃入井下 3 开采煤层距离含水层 水体 较近 导水裂缝带达到含水层 但冒落带距离含水层有一定距离 含水层中的水会渗漏到井下 如果涌水量较大 则危险性大 如果含水层为松散沉积物 且底部发育粘土层 导水裂缝带只到达粘土层底部 由于粘土层隔水 则不会导致水沙溃入 如果导水裂缝带穿过粘土层 如果粘土层较厚 一般不会导致水沙溃入 如果较薄 则有一定危险性 导水裂隙带高度计算方法 按照规程类比法经验公式法理论计算现场实测 建筑物 水体 铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 2000 第18号 保护层厚度 导水裂隙带到含水层厚度 例子 华丰煤矿1409工作面 采厚M 6 5m 水压p 4 2Mpa 突水系数v 0 07 1409工作面至砾岩最小距离135m 砂岩风化带厚5m 相当于砾岩含水层底界最小距离应下降5m 所以工作面至砾岩含水层应视为130m 类比法 兖州鲍店煤矿3煤层综采放顶煤实测资料 该矿岩层倾角为时 k 7 由于华丰井田地层结构与鲍店井田十分类似 同时华丰矿1409工作面所开采的煤层就是相当于鲍井田的3煤层 因此 可以根据鲍店井田k1系数 来推测华丰井田的k2 已知鲍店井田的3煤层开采时岩层的倾角为5 华丰矿1409工作面岩层的倾角为 则 华丰矿1409工作面的在采厚为6 50m的情况下 冒落带h1的高度为10 73m 经验公式法 理论计算 上四带 顶板峰值衰减系数 Cx 岩梁之间力的传递系数 L 工作面跨度 1 未破裂岩层的最大抗压强度 顶板岩层加权平均比重 H 未破裂岩层的埋深 现场实测 底板突水机理 早在20世纪初 国外就有人注意到底板隔水层的作用40年代至50年代 匈牙利韦格弗伦斯第一次提出底板相对隔水层的概念 60年代至70年代 匈牙利国家矿业技术鉴定委员会将相对隔水层厚度的概念列入 矿业安全规程 70年代至80年代末期 很多国家的岩石力学工作者在研究矿柱的稳定性时 研究了底板的破坏机理 我国在底板突水规律研究方面起始于60年代 70年代中期 国家派科技人员去匈牙利考察 70年代后期 修改了原有的突水系数概念 并应用于实践 80年代开始 以煤炭科学研究总院西安分院 山东科技大学及煤炭科学研究总院特采所为代表 不仅各自独特的理论 而且具有一个完整的研究梯队 如 下三带 理论 90年代 山东科技大学 下四带 理论目前 我国防治水的研究工作处于世界领先地位 关于突水系数 T P MT P M C 关于突水理论 下三带 理论 下三带 的理论观点最早是由原山东矿业学院一批科技人员在实践中提出的 并在实践中进行应用和发展 底板破坏带 完整岩层带 承压水导高带 原位张裂与零位破坏理论煤炭科学总院北京开采所王作宇 刘鸿泉提出板模型理论煤科总院北京开采所刘天泉院士 张金才等关键层理论中国矿业大学钱鸣高院士 四带 理论施龙青 水害防治研究存在的问题 底板突水机理理论研究方面 下三带 理论理论基础为弹性力学理论 为浅部开采理论底板突水的预测预报方法一直束缚于 突水系数 的概念 原因 一是人们对深部煤层开采突水机理研究的认识不足 二是研究人员受到专业限制 三是有效的探测手段限制 采场底板 下四带 划分理论 1 第 带 h 矿压破坏带是指矿山压力对底板的破坏作用显著 底板岩石的弹性性能遭到明显伤失的层带 其特点为 岩石处于粘弹性状态 各种裂隙不仅交织成网 而且惯通性好 导水性能很强 岩层的连续性彻底破坏 完全伤失了隔水能力 承压水沿该带突出所消耗的能量仅仅用于克服突水通道中的沿程阻力 2 第 带 h2 新增损伤带是指受矿山压力破坏的影响作用明显 岩石弹性性能发生了明显改变的层带 其特点为 底板岩层的原有抗压强度明显降低 但岩层的弹性性能尚未完全伤失 即岩石乃处于弹性状态 岩层的原有裂隙得到了明显地扩展 但尚未相互贯通 岩层具有一定的连续性和隔水能力 承压水要沿该带突出 其消耗的能量主要用于贯通裂隙 3 第 带 h3 原始损伤带是指不受矿山压力破坏作用的影响或影响甚微 岩石弹性性能保持不变的层带 其特点为 岩石保持原有弹性性能 岩层内的裂隙保持原先的非相互贯通状态 岩层的连续性和隔水能力良好 底板水要沿该带突出 其消耗的能量主要用于破坏岩石及贯通裂隙 4 第 带 h4 原始导高带是指不受矿山压力作用的影响 并发育有承压水的原始导高的层带 其特点为 因水化学作用 岩石处于弹塑性 塑性状态 裂隙发育差参不齐 并已成为突水通道 岩层的连续性差 底板水从该带突出只需克服沿程阻力 各带厚度的确定 矿压破坏带 新增损伤带 原始导高带及原始损伤带 底板破坏型突水条件 1 若h3 0 则不突水 2 若h3 0 h2 且P 1 D 则突水 4 若h3 0 h2 0 则突水 3 1底板破坏深度的计算方法 经验公式 下四带 理论 损伤底板破坏深度预测 白庄煤矿7105工作面为 430m水平的第一个工作面 开采深度平均为520m 工作面斜长80m 煤层的倾角为10 坚固性系数为3 底板损伤度0 33 根据 下三带 理论10 66m 根据 规程 10 36m 根据无损伤经验公式13 8m 根据损伤经验公式21 23m 现场实测22 47m 底板破坏深度实测设备 双端封堵侧漏仪 计算机数值模拟 非线性预测理论公式 神经网络理论信息融合理论 四 矿井水害防治对策与方法 地表水害防治 矿井设计时 要符合煤矿安全规程 如井口 工业广场标高要高于当地最高洪水位 建拦洪坝 截水沟等防洪工程 防止地表水从主井 副井 风井井口直接灌入井下 山区或丘陵区 上游 拦洪坝 植被 鱼鳞坑 沟谷排水 中游 加深 拓宽主洪道 下游 清淤 排障 加快水流下泄速度 平原区 开挖和延展主 支网排洪渠 加速向矿区外疏导水 必要时建立排洪站 防止内涝和河水倒灌 基岩裸露或表土覆盖层较薄区 整铺河底 填平积水坑 防漏处理 第四系松散层孔隙水害防治 查明冲积层本身的富水性 分层结构 特别要查明冲积层底部含水层 隔水层厚度及其变化 根据冲积层的富水性和分层结构 尤其是底部有无良好的隔水层 地层倾角 采高和顶板岩组的力学性质等 按规程留设相应的安全煤 岩 柱 防水 防沙 防塌煤岩柱 采用能够控制采高 防止抽冒的采煤方法 控制开采标高 上下层 或阶段 间歇开采等 在冲积层含水性弱 地下水动 静储量有限的地区 段 采用疏干开采 冲积层富水性中等 地下水动 静储量不太大 预计矿井中后期可能疏干的地区 前期仍按规程留足保护煤柱 后期再根据水位疏降情况另行对待 需解决的关键问题 含水层富水性 底粘 冒裂带高度 冒落带高度 要采用探测手段 查明 煤系砂岩裂隙孔隙水的防治对策 没有地表水 第四系水及其他含水层补给情况下 动 静储量往往不大 可提前疏干开采 积层补给 顺层 且补给量不大 砂岩位于煤层上方 在本水平第一个可采煤层最下方先掘一条煤巷作为疏水巷 或采用钻探方法打钻放水 提前形成降落漏斗 给上方采掘工作创造条件 动 静储量都丰富的砂岩水 在查明其补给水源和主要补给通道后 采取有针对性措施 如封堵水力联系通道 截断其补给水源后在进行有效的疏放 煤层底板砂岩水 如果压力大 要提前疏水降压 关键问题 含水层富水性 水力联系通道 构造部位 导水构造 水文物探探测 煤系薄层灰岩水防治对策 位于煤层上方 其防治方法与砂岩水相同 位于煤层下方 承压水 如徐灰 作为承压水上采煤对待富水性及导水构造探查隔水层性能评价水压问题疏降开采含水层改造分区隔离 采区煤柱 防水闸墙 关键问题 富水性 隔水层 水压 构造 矿压破坏 奥灰水防治对策 基本要点与薄层灰岩水相同 特殊对策 建立含水层长期动态观测系统 采用物探 化探 钻探和放水 连通试验等综合探查方法 查明 断层及其导水性 断层两盘对接关系 奥灰与中间层的水力联系 主要补给通道和可能补给量 原始导高带高度 局部地段注浆堵水 切断其与其他含水层的补给关系 改造 中间层 扩大隔水岩组厚度和阻水能力 疏水降压开采 少 局部地段 如潘西 疏堵结合 老空 老窑水防治 基本对策 有疑必探 先探后掘 不探不掘老窑积水 年代久远 情况复杂 用物探方法查明其积水大致范围 划出 缓冲安全带 边探边掘 生产矿井本身的老空 老巷积水 认真核实图纸资料 弄清积水可能的范围 估计水量 查明最低 最高点的位置和标高 进行探放水设计和探放水工作 断层水防治 导水断层 留设断层煤柱 按规程 注浆封堵非导水断层 注意活化后导水问题断层带及附生断层 或同期小断层 导水 断层防水煤柱留设 导水陷落柱水害防治 资料分析 寻找异常区 如水位异常部位 通过物探手段 查清陷落柱的位置和边界 打钻注浆 注骨料 周边留设防水煤柱 按压力计算煤柱尺寸 封闭不良钻孔导水的防范与处理 封闭不良钻孔排查 含水层等水位线图 寻找异常点 启封处理 留设防水煤柱 不良防水设施突水的防范与处理 防水墙的监测 应力 应变 位移 围岩注浆加固 墙体加固 加厚 测压孔处理 煤柱引起的水害问题 煤柱尺寸不足 一侧水压力大 煤柱强度不够 煤柱尺寸探测 煤柱加固加厚 钻孔放水降压 五 物探技术在煤矿水害防治中的应用 一 电法勘探的分类 瞬变电磁应用 瞬变电磁探底板水瞬变电磁探顶板水瞬变电磁探测煤柱 瞬变电磁探测深部奥灰水 以新汶潘西矿为例 瞬变电磁设计图 奥灰顶面下10m富水区分布图 奥灰顶面下30m富水区分布图 奥灰顶面下50m富水区分布图 瞬变电磁探测顶板水 以新汶华丰矿为例 瞬变电磁探测煤柱 以新汶汶南矿为例 三维高密度探水技术 底板水探测 良庄煤矿31108工作面底板地层电阻率三维数据体 良庄煤矿31108工作面底板下80米 徐灰层位 良庄煤矿31108工作面底板下120米 奥灰顶界面深度 良庄煤矿31108工作面底板地层底板下130米 奥灰顶界面下10米深度 良庄煤矿31108工作面底板地层下140米 奥灰顶界面下20米深度 良庄煤矿31108工作面底板下150米 奥灰顶界面下30米深度 良庄煤矿31108工作面底板下160米 奥灰顶界面下40米深度 良庄煤矿31108工作面底板下170米 奥灰顶界面下50米深度 良庄煤矿31108工作面底板底板下180米 奥灰顶界面下60米深度 良庄煤矿31108工作面底板下220米 奥灰顶界面下100米深度 垂直切片 沿轨道巷 距轨道巷30米 距轨道巷60米 距轨道巷90米 距轨道巷120米 距轨道巷150米 沿运煤巷 倾向垂直切片平行切眼60间距 顶板水探测 滕东生建煤矿3下107工作面顶板地层电阻率三维数据体 顶