总工课件导水裂隙带发育规律及防水煤柱留设

导水裂隙带发育规律及防水煤柱留设文学宽研究员煤科总院安全分院总工程师联系电话 136815694252013 7 10 1 覆岩 三带 型破坏特征 长壁工作面煤层采出采用全部垮落法处理采空区 从煤层直接顶板开始 由下向上依次垮落 开裂 离层 弯曲 经过若干时间终止移动 移动期间和移动稳定后的上覆岩层 按其破坏程度的不同 大致可分为 垮落带 裂隙带 弯曲带 1 垮落带破坏特征1 不规则性垮落带下部为不规则垮落 垮落带内岩块不能传递水平力 控顶范围内垮落带的岩层重量由支柱或支架支撑 2 膨胀性岩石的碎胀性使垮落带岩石的体积增大 使垮落带与未垮落顶板岩层下方的自由空间逐渐变小 使垮落不再继续 2 裂隙带破坏特征1 岩层破坏有规则 无论是垂直岩层面或平行岩层面的裂缝均使岩层保持原有的层状 2 破坏程度分带明显 裂隙带在垂直剖面上分为 严重断裂 一般开裂和微小开裂 3 弯曲带破坏特征1 垂直弯曲 水平受压 隔水性增强岩层在自上而下沿层面法向弯曲 在水平处于双向受压 当岩性较软时 隔水性能增强 2 岩层完整不存在破坏岩层移动连续有规律 保持整体性和层状结构 不存在或极少存在离层裂隙 3 地表形成下沉盆地盆地边缘要出现长裂隙 其深度3 5m 一般小于10m 裂隙宽度向下渐窄 至一定深度后闭合消失 2 覆岩 三带 型破坏的最终形态 覆岩 三带 型破坏形态不仅决定覆岩的破坏范围 而且决定破坏的最大高度 以前认为采场与掘进巷道的覆岩破坏形态类似 均为中间高 四周低的拱形形态 通过现场实测 长壁全陷开采缓倾斜煤层 当工作面初次放顶后 一般不再出现垮落拱 其形态与煤层倾角有关 按倾角划分为3种态 近水平 缓倾斜煤层 0 35 大倾角煤层 36 54 急倾斜煤层 55 90 1 近水平 缓倾斜煤层覆岩破坏最终形态 0 35 裂隙带两端边界一般会超出开采边界 呈马鞍形 采空区四周边界略高 中间较低 两端较高 最高位于采空区斜方 采空区中央破坏高度一致 采空区面积相当大 且采厚大体相等时 中央破坏高度基本一致 马鞍形产生原因 煤层倾角小 开采边界区和采区中央区的变形值不同 工作面端部和中部下沉量和下沉速度不一样 冒落角 导水裂隙角大于岩层移动角 2 大倾角煤层覆岩破坏范围最终形态 36 54 垮落带 裂隙带破坏范围在倾斜方向上呈上大下小的抛物线拱形形态 但在走向方向上仍为马鞍形形态 产生原因 当煤层倾角为36 54 时 采后垮落岩块落到采空区底板后 向采空区下部滚动 使采空区下部被垮落岩块填满 从而不再继续垮落 而采空区上部 由于垮落岩块的流失 等于增加了开采空间 故破坏高度大 3 急倾斜煤层覆岩破坏范围最终形态 55 90 垮落带呈耳形或上大下小的不对称拱形 裂隙带形状与垮落带类似 其特点 破坏性影响更加偏向于采空区上边界 破坏范围有顶板 底板及所采煤层本身 随煤层倾角的加大 垮落带 裂隙带范围逐渐转变为椭圆拱形形态 产生原因 开采倾角较大的急倾斜煤层时 由于垮落带岩块滚动下滑加剧 迅速充填采空区下部空间 限制了下部的垮落带和裂隙带向上发展 采空区上部 边界煤柱片帮 破碎 抽冒 使垮落带和裂隙带急剧向上发展 3 覆岩破坏最大高度 1 影响覆岩最大高度的主要因素1 岩层软硬程度覆岩直接顶和基本顶都比较坚硬的条件下 下沉量小 使垮落过程充分发展 覆岩破坏高度大 而软弱岩层顶板松软破碎 随采随落 采空区易充满 覆岩下沉量大 覆岩破坏变化小 为了便于进行覆岩破坏最大高度的计算 按覆岩单向抗压强度划分为4类 为了便于进行覆岩破坏最大高度的计算 按覆岩单向抗压强度划分为4类 2 采高一次采全高或厚煤层分层初次开采时 两带 高度与采高呈近似直线关系 3 厚煤层分层次数水平至倾斜厚煤层分层开采或近距离煤层群重复开采条件下 两带 高度随分层次数的增加呈分式函数的关系增长 其增加的幅度越来越小 4 采空区面积采空区面积的扩大会导致 两带 高度的增加 但在工作面放顶线后方垮落岩石堆已经接顶的地方 垮落带最大高度就达到了最大值 顶板极坚硬的除外 其距离为 中硬岩石自煤壁到岩石堆接顶处5 15m 导水裂缝带高度则在经过回采工作面第一次放顶和老顶周期来压以及地表出现最大下沉速度时出现 以后再扩大采空面积则不再增加了 此时采空区走向长度 中硬20 60m 5 时间过程时间过程在两个方面起作用 导水裂缝带发展到最大高度以前 导水裂缝带的高度随着时间而增长 中硬覆岩在回柱放顶后1 2个月时间内达到最大值 坚硬覆岩 比中硬要长一些 软弱覆岩 比中硬要短一些 导水裂缝带发展到最大高度以后 导水裂缝带的发展过程出现稳定和导水裂缝带高度并有可能降低 坚硬覆岩 随时间 导水裂缝带最大高度基本没有变化 最多96 240个月 软弱覆岩 随时间的增加 导水裂缝带最大高度有所下降 导水裂缝带的稳定时间 最少0 37个月 一般6 9个月 最多12 17个月 下降速度为 0 4m 月 6 采煤方法和顶板管理方法采煤方法和顶板管理方法是控制覆岩破坏性影响最大高度的重要因素 特别是顶板管理方法 它决定着覆岩破坏性影响的基本特征和最大高度 常见有全部陷落法 全部充填 条带法 不同的顶板管理方法形成不同的覆岩破坏高度 全部陷落法是采用最普遍的 使覆岩破坏最严重的一种顶板管理方法 采用全陷法管理顶板 除了采厚极小 0 5 0 7m以下 时 顶板会缓慢下沉和顶板极为坚硬时不发生破坏以外 一般都发生垮落性和开裂性破坏 并且有 三带 的性质 2 覆岩破坏高度计算为实际应用方便及统一起见 均以开采上限 或回风巷顶 至 两带 形态曲线的最高点作为破坏的高度 水平 缓倾斜及中倾斜单一煤层 两带 最大高度的计算 坚硬 中硬 软弱 极软 1 垮落带高度根据岩石的强度 其垮落带计算公式如下 2 导水裂缝带高度 式中 煤层累计采厚 m 单层采厚不超过3m 累计采厚不超过15m 3 近距离煤层导水裂缝带高度计算 上 下两层煤的最小垂距大于下层煤的垮落带高度 分别进行计算 取其中标高最高者作为两层煤的导水裂缝带最大高度 上 下两层煤的最小垂距小于下层煤的垮落带高度 上层煤采用本层煤的开采厚度计算 下层煤则应用上 下层煤的综合开采厚度计算 取其中标高最高者为两层煤的导水裂缝带最大高度 上 下煤层综合开采厚度 式中 M1 上煤层开采厚度 M2 下煤层开采厚度 h1 2 上 下层煤距离 y2 下煤层冒高与采厚之比 如果上 下层煤之间的距离很小时 则综合开采厚度为累计厚度 4 综放开采导水裂缝带高度计算我国上世纪八十年代从法国引进的厚煤层综采放顶煤一次采全厚的技术在国内已得到广泛推广应用 据测定厚煤层综放开采覆岩破坏的高度与 三下 采煤规程中通过厚煤层分层开采 且单煤层采厚不超过3m的计算公式得出的结果相比较 前者要大 见下表 综放开采覆岩破坏高度实测值与规程规定公式计算值比较 根据国内为数不多的观测资料得出厚煤层综放开采条件下的导水裂缝带最大高度与采厚虽然也近似分式函数关系 但其关系曲线上升速度高于分层开采 说明随着采厚的增加 综放开采导水裂缝带最大高度增加更快 导水裂缝带高度与开采方法关系曲线1 薄煤层或中厚及厚煤层顶分层开采 2 中厚及厚煤层分层开采 3 中厚及厚煤层综放开采 兴隆庄煤矿综放开采两带高度计算公式山东兴隆庄煤矿通过综放开采导水裂隙带高度的实测拟合出 综放开采 两带 破坏高度计算公式 垮落带高度的计算式为 100 MHk 3 155 45 M 5 82导水裂缝带的计算式为 100 MHL 3 150 84 M 4 57 综放开采两带高度计算公式 冒落带高度计算公式 导水裂隙带高度计算公式 5 急倾斜煤层覆岩破坏最大高度计算 4矿井防水煤 岩 柱留设 煤矿在水体下 含水层下 承压含水层上或在导水断层附近进行采掘工程时 为了防止地表水或地下水突出 溃入工作地点 需要合理留设一定宽度或高度的防水煤 岩 层不采动 这部分煤 岩 层称为防隔水煤 岩 柱或防水煤 岩 柱 4 1 留设防水煤 岩 柱原则 1 矿井在有突水威胁但又不宜疏放的井下采掘区施工时 必须留设防水煤 岩 柱 2 矿井防水煤 岩 柱的设计必须在确保矿井安全生产的基础上把煤柱的宽度或高度降低到最低限度 以提高资源利用率 4 2矿井防水煤 岩 柱类型 1 煤层露头防隔水煤 岩 柱的留设煤层露头被松散富水性强含水层覆盖时防隔水煤 岩 柱留设图 2 保护地表水体防隔水煤 岩 柱的留设保护地表水体防隔水煤 岩 柱的留设 可参照 建筑物 水体 铁路及主要井巷留设与压煤开采规程 执行 1 防水安全煤岩柱的留设防水安全煤岩柱的目的是 不允许导水裂缝带波及水体地表有松散覆盖层时其垂高应大于或等于导水裂缝带的最大高度加上保护层厚度 HSh HLi Hb式中HSh 防水煤柱垂高 m HLi 导水裂隙带最大高度 m Hb 保护层厚度 m 当煤系地层上部无松散层覆盖和采深较小时应考虑地表裂隙 diLi Hsh Hli Hb Hdili 松散层为强或中等含水层 且直接与基岩接触 而基岩风化带亦含水则应考虑基岩风化带深度 Hfe Hsh Hli Hb Hfe 防水安全煤岩柱保护层厚度 2 防砂安全煤柱留设方法留设目的 允许导水裂隙带波及松散弱含水层或已疏降的散强含水层 其垂高 HS HS Hm Hb 防砂安全煤岩柱保护层厚度 3 防塌安全煤岩柱留设方法留设目的 允许导水裂隙带波及松散弱含水层或已疏干的松散强含水层 同时允许垮落带接近松散层底部 其垂高 Ht 等于或接近于垮落带的最大高度 Hm 即Ht Hm 急倾斜煤层防水及防砂煤岩保护层厚度 式中 L 煤柱留设的宽度 m K 安全系数 一般取2 5 M 煤层厚度或采高 m P 水头压力 MPa KP 煤的抗拉强度 MPa 3 含水或导水断层防隔水煤 岩 柱的留设含水或导水断层防隔水煤 岩 柱的留设可参照下列经验公式计算 图3 2含水或导水断层防隔水煤 岩 柱留设图 4 煤层与强含水层或导水断层接触防隔水煤 岩 柱的留设 图3 3煤层与富水性强的含水层或导水断层接触时防隔水煤 岩 柱留设图 煤层与强含水层或导水断层接触 并局部被覆盖时 图3 3 防隔水煤 岩 柱的留设要求如下 1 当含水层顶面高于最高导水裂缝带上限时 防隔水煤 岩 柱可按图3 3a 图3 3b留设 其计算公式为 2 最高导水裂缝带上限高于断层上盘含水层时 防隔水煤 岩 柱按图3 3c留设 其计算公式为 以上两式中 L 防隔水煤 岩 柱宽度 m L1 L2 L3 防隔水煤 岩 柱各分段宽度 m HL 最大导水裂缝带高度 m 断层倾角 岩层塌陷角 M 断层上盘含水层层面高出下盘煤层底板的高度 m Ha 断层安全防隔水煤 岩 柱的宽度 m Ha值应当根据矿井实际观测资料来确定 即通过总结本矿区在断层附近开采时发生突水和安全开采的地质 水文地质资料 计算其水压 p 与防隔水煤 岩 柱厚度 M 的比值 Ts p M 并将各点之值标到以Ts p M为横轴 以埋藏深度 0为纵轴的坐标纸上 找出Ts值的安全临界线 图3 4 图3 4Ts与H0关系曲线图 本矿区如无实际突水系数 可参考其它矿区资料 但选用时应当综合考虑隔水层的岩性 物理力学性质 巷道跨度或工作面的空顶距 采煤方法和顶板控制方法等一系列因素 Ha值也可以按下列公式计算 式中 p 防隔水煤 岩 柱所承受的静水压力 MPa Ts 临界突水系数 MPa m 10 保护带厚度 一般取10m 5 水淹区下或老窑积水区下采掘时防隔水煤 岩 柱的留设1 巷道在水淹区下或老窑积水区下掘进时 巷道与水体之间的最小距离 不得小于巷道高度的10倍 2 在水淹区下或老窑积水区下同一煤层中进行开采时 若水淹区或老窑积水区的界线已基本查明 防隔水煤 岩 柱的尺寸应当按前面 3 中的方法留设 3 在