《保水开采技术》PPT课件

1,第一部分绿色开采技术,1绿色开采概况2绿色开采体系3保水开采技术4充填开采技术5煤炭地下气化、液化技术6煤与瓦斯协调开采技术,煤矿安全生产形势仍然十分严峻,煤炭在能源生产与消费中的比例,煤炭是我国的主体能源；煤矿生产中的群死群伤事故仍然十分严重；百万吨死亡率是美国的近200倍，南非的30倍，印度的12倍。,3.1概况,我国煤矿突水灾害事故十分严重,我国煤矿群死群伤特大事故主要由瓦斯和突水灾害造成，遏制瓦斯和突水事故是我国煤矿安全控制的主攻目标。并且，突水造成的直接经济损失一直排各类煤矿灾害之首。过去20年间，有250多对矿井被水淹没，直接经济损失高达350多亿元。,3.1概况,煤矿开采严重破坏矿区水资源与环境,为治理煤矿水害，我国每年排出矿井水56亿m3，只利用30%，造成矿区水源枯竭、水与生态环境的破坏。,3.1概况,研究现状,矿井突水的地质特征及条件：安全水头预测法、隔水层厚度判别法、“下三带”理论(中国)等。采动裂隙演化与渗流理论：“横三区”与“竖三带”裂隙分布规律(中国)、非线性Darcy渗流理论、裂隙演化与应力耦合渗流理论(中国)等。矿井突水的中长期预报方法：突水系数法、GIS模型法(中国)、斯列萨烈夫法等。矿井突水的治理方法：疏水降压法、注浆堵水法等。,3.1概况,研究不足,针对中国煤矿开采面临特别复杂的构造地质与水文地质条件，例如：奥陶系高承压、强富水岩溶含水层底板，研究不深入。采动裂隙场演化规律、采动岩体渗流突变理论、临突预报理论等研究不足。控制矿井突水的水资源保护性采煤理论与方法等研究才起步。,3.1概况,问题1：矿井突水的含导水构造地质特征与条件,我国大部分矿区水文地质与构造地质条件十分复杂，65%左右的矿井受严重突水危胁。现有研究对陷落柱和断层等导水构造的发育规律、地下水的赋存和运移规律等认识不足。,3.1概况,陷落柱突水实例,开滦范各庄煤矿2171工作面发生特大陷落柱突水,造成全矿被淹，最大突水量达2053m3/min，为目前世界上水量最大的突水。,陷落柱,富含水层,工作面,3.1概况,问题2：采动岩体结构破坏与裂隙演化及渗流突变规律,采动引起的应力场和裂隙场变化是导通陷落柱和断层，以及形成新的导水通道的前提条件。渗流突变是突水致灾的根源，现有的基础研究还不能揭示渗流突变的机理。,3.1概况,采动裂隙直接导通含水层突水实例,广东兴宁大兴煤矿，下层煤开采时，采动裂隙扩展破坏了上层煤开采所留设的防水煤柱，导致特大突水，死亡123人。,3.1概况,问题3：矿井突水预测与控制的基础理论与方法,目前没有建立针对不同突水类型的预测预报理论模型，还不能实现临突预报。传统采煤理论强调了矿井水的灾害性，忽视了水的资源性，并把水作为灾害的根源加以处理，“疏干”、“排水”等矿井防治水方法造成大量水资源浪费。,3.1概况,矿井突水的含导水构造的成因及分布规律地下水的赋存及运移规律矿井导水断裂的地质动矿井导水陷落柱中的水动力学特征及规律,矿井突水的水文地质结构特征及形成条件,主要内涵是阐明矿井突水的水文地质形成条件、地质动力学特征，建立矿井突水的基本模式。,3.1概况,采动岩体破裂结构运动及渗流突变理论,采动岩体结构破坏与裂隙时空演化规律断层构造裂隙的采动活化机理,主要内涵是揭示采动裂隙通道的形成过程和渗流突变机理、给出隔水关键层的形成条件。,隔水关键层形成条件及控制机理采动岩体的渗透性及渗流演化规律,3.1概况,矿井突水的预测预报理论与方法,矿井突水控制因素的量化理论与方法不同突水模式的预报模型及水量预测方法,矿井突水前兆信息特征及演化规律基于突水前兆因素变化的矿井突水识别模型,主要内涵是发展和完善矿井突水的中长期预报理论，建立矿井突水的临突预报理论基础。,3.1概况,控制矿井突水的水资源保护性采煤理论与方法,保水采煤学理论与方法煤水共采的理论与方法矿井水资源化理论与方法,主要内涵是建立缺水矿区保水采煤、大水矿区煤水共采的基础理论，形成矿井突水控制与水资源保护利用一体化的采煤理论与方法。,3.1概况,地下水的来源与分类绝大部分的地下水来自于降水。当水分下渗达到某一深度，遇到不透水的地层如黏土、页岩等时就贮存起来，逐渐往上充填于土壤或岩石的间隙中形成饱和状态。地下水面之上称不饱和带。地下水面之下的土壤或岩石孔隙充满水的成为饱和带。由于岩浆上升，温度、压力降低，分离出的氢气和氧气直接结合成温度高的地下水。高山冰雪融化后渗入岩石裂隙形成。,3.2开采对地下水分布的影响,地下水的来源与分类按含水空隙的类型，地下水被分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。孔隙水指赋存于松散沉积物颗粒间孔隙中的地下水潜水、承压水,3.2开采对地下水分布的影响,地下水的来源与分类裂隙水指赋存于岩体裂隙中的地下水（风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙）潜水、承压水岩溶水又称喀斯特水，指存在于可溶岩石（如石灰岩、白云岩等）的洞隙中的地下水。,3.2开采对地下水分布的影响,地下水的来源与分类根据地下埋藏条件的不同，地下水可分为包气带水、上层滞水、潜水、自流水和承压水五大类。,3.2开采对地下水分布的影响,开采对地下水的影响对浅、中层地下水的影响：煤系地层的水快速向下渗透，形成区域性地下水位降落漏斗，浅、中层地下水逐年被疏干,造成煤矿周围村民吃水困难；对深层地下水的影响：导致对深层地下水位逐年下降，所形成的地下水降落漏斗范围和幅度越来越大，很难在短时间内得到恢复；,3.2开采对地下水分布的影响,开采对地下水的影响矿井疏排地下水的影响：有害的地下水导致次生污染；改变了地下水系统的自然的物理和化学格局，对地下水系统产生反作用（水量和地下水水质的影响）,3.2开采对地下水分布的影响,开采引起含水层水位变化岩层中的水位下降与覆岩破裂密切相关非充分采动：含水层水位下降最大位于采空区中央充分采动：含水层水位下降最大位于采空区边界大采高小采深，水直流入采空区，形成以开采边界为边界的扩散降落漏斗,3.2开采对地下水分布的影响,开采与地下水的分布开采后，随着地表的沉陷将改变地表水的流向；同时随着上覆岩层移动破坏和地下水渗漏，在该区域内地下水将形成下降漏斗。地下水能否恢复，则决定于上覆岩层中是否有软弱岩层。随着工作面的推进，经重新压实并导致裂隙闭合而形成隔水带。随着雨水的再次补给，下降漏斗也将随之消失。采煤不可能不造成一定的地下水渗漏，但保水开采到底保到什么程度，才算是保了水？一般认为，保水程度至少应考核以下两个指标：首先是对地下水的影响不大，最起码应该不使地下水干涸而最终导致河流的大面积断流；其次是植被的生长状态问题。地下水位埋深增大时，部分植被不适合生长，一些植被出现病态，甚至枯萎，尤其是对乔木的影响最大。,3.3保水开采技术的主要影响因素,保水开采注意的问题保水开采与防止溃水是两个概念西部地区主要考虑是否有隔水带以及地下水的恢复过程地下水是全部流失还是保存在更深的岩层内形成地下水库,3.3保水开采技术的主要影响因素,主要影响因素地质构造地质构造对地下水、地面水起着重要的控制与导水作用，局部也起着阻溢作用，地质构造愈复杂，断裂愈多，开采煤层离断层愈近，补给充分，则排水量就愈大。水文地质条件主要是含水层的厚度、富水性、节理、裂隙、岩溶发育程度和补给来源影响保水开采难易程度,3.3保水开采技术的主要影响因素,主要影响因素煤矿开采阶段煤矿开采初期，揭露的含水层相对多，各含水层处于自然饱和状态，含水性强，随着开采面积的增大，就会逐步发生顶板冒落，勾通裂隙导水带，煤系顶部含水层中地下水就会直接渗入矿坑，造成保水开采难度的加大。矿井开采中期，由于一般不会大面积揭露新的含水层，随着开采时间的增长，含水层水位不断降低，以矿井为中心的降落漏斗趋于稳定，部分含水层由承压转为无压，矿井排水量靠入渗量补给，处于补、径、排平衡状态。矿井开采后期，由于含水层部分被疏干，导水裂隙带和节理裂隙逐步被充填，地表入渗补给量逐步减少，则矿井渗水量逐步衰减。矿井开采末期（停采），在其影响范围内，矿坑渗水变小或不排水。但由于煤系底部有隔水层存在，采空区逐步积水成为“地下水库”。在这种情况下，实施保水开采是必要的。,3.3保水开采技术的主要影响因素,保水开采的目标是在防治采场突水的同时，对水资源进行有意识的保护，使煤炭开采对矿区水文环境的扰动量小于区域水文环境容量。研究在开采后上覆岩层的破断规律和地下水漏斗的形成机理，从采矿方法、地面注浆等方面采取措施，实现矿井水资源的保护和综合利用。实现保水开采的主要途径有：合理选择开采区域；适当留设防水（砂）煤（岩）柱；应用合理的开采方法,3.4保水开采技术,保水开采的目标是在防治采场突水的同时，对水资源进行有意识的保护，使煤炭开采对矿区水文环境的扰动量小于区域水文环境容量。研究在开采后上覆岩层的破断规律和地下水漏斗的形成机理，从采矿方法、地面注浆等方面采取措施，实现矿井水资源的保护和综合利用。实现保水开采的主要途径有：合理选择开采区域；适当留设防水（砂）煤（岩）柱；应用合理的开采方法,3.4保水开采技术,水体类型,3.4保水开采技术,1潜水面；2松散含水层；3隔水层；4基岩含水层；5煤层；6大地水准面；7地表水；H潜水位；h1潜水埋藏深度；h2潜水层厚度,砂砾含水且导水，导水性能好节理裂隙含水且导水断层、陷落柱导水或不导水垮落带、裂隙带导水煤开采前为隔水层，开采后不易风化、泥化，是导水层或弱导水层,3.4保水开采技术,煤岩层的隔水性能和采动导水性能,3.4保水开采技术,合理选择开采区域对不同的地质环境条件应该区别对待，并分为以下几种类型：对于不存在含水层或煤层埋藏适中、有含水层、同时其底部有厚度较大的隔水层的地区。该区域煤层开采的冒裂带和导水裂隙带发育不到含水层底部，不至于破坏含水层结构，可以实现保水开采。有隔水层分布，但隔水层的厚度有限，煤层开采后，需要采取一定的措施，才可以保护地下水不受破坏的地区。（有条件保水）对于煤层埋藏浅、又富含水，煤层开采会造成地下水全部渗漏地区。一旦开采，矿井突水可以通过提前疏降水工程保证，但不能保证地下水含水结构、生态环境不受破坏，在没有彻底解决地下水渗漏问题之前，暂缓开发。,3.4保水开采技术,防水（砂）煤（岩）柱留设目前在松散含水层等水体下采煤，一般是根据开采区域岩煤地质及水文地质条件、煤（岩）柱两侧的开采状况及采矿技术条件等因素，采取留设防水（砂）煤（岩）柱的方法进行开采。首先研究确定导水裂隙带高度，其次，厚松散层下近风化带保水开采的GIS研究，可用于保水条件下的安全煤柱留设设计。,3.4保水开采技术,保水开采方法减小导水裂隙带高度的开采方法以底板加固为主导技术的保水开采技术浅埋煤层长壁工作面保水开采方法,3.4保水开采技术,浅埋煤层长壁工作面保水开采方法。工作面长度200m；液压支架的工作阻力8000kN；工作面日推进速度15m；在开切眼区域附近1050m范围和基本顶初次来压区域附近1050m范围内局部充填或局部降低采高，以减少采动覆岩贯通裂缝，使基岩不发生整体错动式破坏，而形成较为稳定的砌体梁结构，增强采动覆岩阻水作用。该方法水资源保护效果好，能实现安全生产、减少浪费、环保、煤炭资源回收率高。条带采煤法是目前实现保水采煤的一种行之有效的方法，关键技术是根据具体的水文地质条件，科学设计所采煤层的采留比。需要进行“围岩-煤柱群”整体力学模型计算，只有煤柱群的长时稳定，才能保证水体(含水层)不受破坏,以达到保水采煤的目的。,隔离水体技术措施留设安全煤岩柱,3.4保水开采技术,留设安全煤岩柱的实质是确定开采上限，保证断裂带或垮落带不波及水体,留设防水安全煤岩柱目的：不允许导水断裂带波及到水体。结果：避免上覆水体涌入井下，并要使矿井涌水量不明显增加。适用条件：在各种大型地表水体下采煤、需要保护的生产和生活水源地水体下采煤、富水性强且补给充足的松散含水层和基岩含水层下采煤等条件下，需要留设防水安全煤岩柱。,3.4保水开采技术,地表有松散覆盖层时的防水安全煤岩柱留设,3.4保水开采技术,HshHd+Hb,地层上部无松散层覆盖，且采深较小时的防水安全煤岩柱,3.4保水开采技术,HshHd+Hb+Hbi,基岩风化带也含水时的防水安全煤岩柱,3.4保水开采技术,HshHd+Hb+Hfe,留设防砂安全煤岩柱防砂煤岩柱：在松散弱含水层底界面至煤层开采上限之间为防止流砂溃入井下而保留的煤和岩层块段。目的：防止上覆弱含水层和粘土层溃入井下。适用条件：防砂安全煤岩柱适用于水体和煤层之间有隔水层的条件。,3.4保水开采技术,Hs=Hk+Hb,留设防塌安全煤岩柱防塌煤岩柱：在松散粘土层和已经疏干的松散含水层底界面与煤层开采上限之间为防止泥砂塌入采空区而保留的煤和岩层块段。目的：防止上覆弱含水层和粘土层塌入井下。适用条件：水体规模小，补给不充分，或地表水体虽然规模大但系季节性水体，并已对补给来源进行了处理的；具有多层结构的第四纪、第三纪厚松散层，且松散层底部为弱含水层，特别是当煤系地层上直接覆盖弱含水层的第四纪、第三纪砂层时。,3.4保水开采技术,3.4保水开采技术,防塌煤岩柱的垂高等于冒落带高度。此时不需要考虑保护层问题。,安全煤岩柱的保护层除了防塌煤岩柱以外，留设防水安全煤岩柱和防砂安全煤岩柱时都要考虑保护层问题。考虑保护层实际上是增大安全煤岩柱的安全系数。,3.4保水开采技术,054煤层防水安全煤岩柱保护层厚度/m,注：A=M/n，M-累计采厚，m；n-分层层数；本表不适用于综放开采,3.4保水开采技术,注：A=M/n，M-累计采厚，m；n-分层层数；本表不适用于综放开采,3.4保水开采技术,5590煤层防水安全煤岩柱及防砂安全煤岩柱保护层厚度,a松散层底部粘性土层大于累计采厚b松散层底部粘性土层小于累计采厚c松散层全厚为小于累计采厚的粘性土层d松散层底部无粘性土层,3.4保水开采技术,某矿在松散富含水层下开采一倾斜煤层。煤层采厚3m。覆岩为中硬岩层，松散层下无粘性土层但有厚为10m含水的基岩风化带。求防水安全煤岩柱高度？,水体下采煤安全煤岩柱算例,1松散含水层；2含水风化带,3.4保水开采技术,为了安全起见，防水安全煤岩柱高度为72.6m。,3.4保水开采技术,隔离水体技术措施降低导水裂隙发育高度,3.4保水开采技术,隔离水体技术措施注浆堵截水源,注浆堵截水源：采用水泥、粘土或其他粘结性材料注入含水层的孔洞中，形成地下挡水帷幕，以切断地下水的补给通道，然后进行局部疏水采煤。,3.4保水开采技术,疏降水体技术措施,条件：根据我国水体下开采的经验，疏降水体技术措施适应于煤层上覆水体为弱或中弱含水层，水体的水量不太大且水源补给有限，且能够实现预先疏干的条件。优点：煤炭回收率高，生产安全。缺点：必须增加疏排水设备及必要的辅助工程，增加煤炭成本。有时由于疏降水体改变了水体的自然循环，以致影响工农业生产及人民生活和生态环境。,3.4保水开采技术,疏降水体技术措施矿井水资源化利用,3.4保水开采技术,疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,开采后，随着地表的沉陷将改变地表水的流向，同时随着上覆岩层中关键层的破断，在该区域内地下水将形成下降漏斗。地下水位的能否恢复，则决定于，随着工作面的推进，上覆岩层中有否软弱岩层(事实上它是研究地下水渗漏的关键层）经重新压实导致裂隙闭合而形成隔水带。若有隔水带，则随着雨水的再次补给，下降漏斗也将随之消失。而它对地面生态的影响则决定于漏斗形成与消失的时间间隔。,3.4保水开采技术,某煤矿副井西翼1201工作面观测孔布置,某煤矿在进行含水砂层下采煤试验中，曾在长壁全部垮落采煤法工作面上方的冲积层和基岩内布置一组观测钻孔，(岩层在-14米以上为砂岩、砂质黏土以及表土层）在回采前后及整个回采过程中进行了为期一年的水位观测。,疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,3.4保水开采技术,某煤矿副井西翼1201工作面观测孔水位动态曲线,某煤矿1201工作面观测孔水位动态,疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,3.4保水开采技术,1#孔水位变化曲线,水位下降是暂时的,疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,3.4保水开采技术,3#孔水位变化曲线,水位已经下降但还有恢复的可能,疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,3.4保水开采技术,水位已没有恢复的可能,6#孔水位变化曲线,疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,3.4保水开采技术,钻孔已堵塞，“”表示工作面过钻孔的位置,疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,3.4保水开采技术,1号孔水位无变化；2、3、4、5号孔水位发生了短暂的变化，但始终保持孔中有水位；6号孔（孔底离开采层10米）内的水全部漏失。上述结果说明，由于有隔水层1号孔水位有2-3米的变化，而对于其他各孔则有10-16米变化以致全部漏失，而且经过一年的观察水位并没有回升也没有再漏失。6号孔全部漏失是否与当时离冒落带太近，以及观察时间太短，岩层尚未压实有关。显然，与钻孔所到开采层上覆岩层是否重新压实有关。另外还应该进一步观察水位变化对地表生物根系的影响。,疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,3.4保水开采技术,陕西煤田地质局对大柳塔开采的观测也有同样的结果：发现在初次放顶后水位迅速下降，而后曾经一度回升，但随着回采面积的扩大，逐渐下降，最终稳定在基岩界面附近。地下水位下降10-12米另外，对神华地区，水流与基岩界面有关，而开采将直接影响基岩地形的变化，从而影响水流的集聚与流向。,疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,3.4保水开采技术,疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,神府矿区鸟瞰图,1、概述陕北侏罗纪煤田榆神府矿区位于鄂尔多斯煤盆地的中部。东西宽约84km，南北长约85km，面积7139.7km2，属陕西神木、府谷、榆林三县。榆神府矿区被划分为榆神与神府两大矿区。,3.5榆神府矿区保水开采实例,2、榆神府矿区保水开采的地质条件（1）矿区地层及岩土类型第四系的风积沙、马兰组、萨拉乌苏组、离石组、三门组，第三系上新统三趾马组，白垩系洛河组，侏罗系安定组、直罗组、延安组和富县组。见表2-1。（2）矿区水文地质条件矿区内对保水开采有意义的主要含水层为砂层(萨拉乌苏和风积沙)和烧变岩