煤矿防治水规定》培训-防隔水煤柱留设专题讲座2

防隔水煤（岩）柱的留设,2012年3月14日,中煤科工集团西安研究院研究员、博士生导师李竞生,第一部分防隔水煤（岩）柱的种类和留设原则,防隔水煤（岩）柱的留设,一、概述,二、防隔水煤（岩）柱的种类,三、防隔水煤（岩）柱的留设原则,三、防隔水煤（岩）柱的留设原则,三、防隔水煤（岩）柱的留设原则,7.多煤层地区，各煤层的防隔水煤（岩）柱必须统一考虑确定，以免某一煤层开采影响和破坏另一煤层的煤柱。8.防隔水煤（岩）柱中必须要有一定厚度的粘土质隔水岩层或含水性能弱的岩层，否则防隔水煤（岩）柱将无隔水作用。9.严禁在水体下通过留设防隔水煤（岩）柱的方法开采急倾斜煤层，以避免发生煤层抽冒，造成重大透水事故。10.相邻井田的分界处，应当留设防隔水煤（岩）柱，防隔水煤（岩）柱的尺寸在矿井设计时确定。,第二部分防隔水煤（岩）柱的留设和计算,防隔水煤（岩）柱的留设,概述,一、煤层露头防隔水煤（岩）柱的留设和计算,图17-1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,Hf防隔水煤（岩）柱高度；HL导水裂缝带高度；Hb保护层厚度；煤层倾角,一、煤层露头防隔水煤（岩）柱的留设和计算,二、含水或导水断层防隔水煤（岩）柱的留设和计算,含水或导水断层防隔水煤柱的留设（图17-2）可参照经验公式（17-3）计算：,20m（17-3）,式中L煤柱留设的宽度，m；K安全系数，一般取25；M煤层厚度或采高，m；p水头压力，MPa；Kp煤的抗拉强度，MPa。,式中：L煤柱留设的宽度；p水头压力；M煤层厚度或采高,图17-2含水或导水断层防隔水煤（岩）柱留设图,公式（17-3）用于防隔水岩柱计算时，M为巷道高度，Kp为岩层抗拉强度,二、含水或导水断层防隔水煤（岩）柱的留设和计算,三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算,L防隔水煤（岩）柱宽度；L1、L2、L3防隔水煤(岩)柱各分段宽度；HL导水裂缝带高度；Ha断层安全防隔水岩柱的宽度；断层倾角；岩层塌陷角；H煤层底板以上的静水位高度；M断层上盘含水层层面高出下盘煤层底板的高度,图17-3煤层与强含水层或导水断层接触时防隔水煤（岩）柱留设图,当含水层顶面高于导水裂缝带上限时，防隔水煤（岩）柱可按图17-3a、图17-3b留设。其计算公式为：L=L1+L2+L3=Hacsc+HLcot+HLcot（17-4）,导水裂缝带上限高于断层上盘含水层且断层不导水时，防隔水煤（岩）柱按图17-3c留设。其计算公式为：,L=L1+L2+L3=Ha（sincoscot）+（Hacos+M）（cot+cot）20m（17-5）,三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算,上式中：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断层安全防隔水岩柱的宽度，m。,三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算,公式（17-5）推导过程：将图17-3c从a点引平行于煤层的直线ad，可得图17-4。,图17-4防隔水煤（岩）柱尺寸L计算示意图,三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算,在直角aec中，aec=所以，ac=Hasin在直角ebc中，bc=eccot=HacoscotL1=ac-bc=Hasin-Hacoscot=Ha（sin-coscot）在直角egf中，ef=M+ec=M+Hacos在直角egf中，gf=L2=efcot=（M+Hacos）cot在直角efh中，fh=L3=efcot=（M+Hacos）cotL2+L3=（M+Hacos）（cot+cot）因此，L=L1+L2+L3=Ha（sin-coscot）+（M+Hacos）（cot+cot）,三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算,图17-3c所示防隔水煤（岩）柱尺寸也可用另一种方法计算（如图17-5所示）：将图17-3c转化为图17-5形状，可得防隔水煤（岩）柱尺寸计算公式：L=L1+L2+L3=+（17-6）,三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算,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、水文地质资料来确定。,图17-5防隔水煤（岩）柱尺寸L计算示意图,三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算,Ha值也可以按公式（17-7）计算：,三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算,式中p防隔水岩柱所承受的静水压力，MPa；Ts临界突水系数，MPam；A保护层厚度，一般取10m。,（17-7）,临界突水系数Ts应根据本矿区实际突水资料确定。本矿区如无实际突水系数，可参考其他矿区资料，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。我国某些矿区的临界突水系数见表17-1。,三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算,表17-1某些矿区的临界突水系数,三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算,安全防隔水岩柱Ha也可以用斯列萨列夫公式和保护层厚度A确定，计算公式为：,l巷道底宽或回采工作面最大控顶距离（一般为2030m）；隔水层的平均重度，MN/m3；Kp隔水层的平均抗拉强度，MPa；p隔水层承受的水头压力，MPa。,三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设和计算,四、煤层位于含水层上方且断层导水和不导水时防隔水煤（岩）柱的留设和计算,在煤层位于含水层上方且断层导水的情况下（图17-6），防隔水煤（岩）柱的留设应当考虑2个方向上的压力：一是煤层底部隔水层能否承受下部含水层水的压力；二是断层水在顺煤层方向上的压力。,断层倾角；Ha断层安全防隔水岩柱的宽度；L防隔水煤（岩）柱宽度,图17-6煤层位于含水层上方且断层导水时防隔水煤（岩）柱留设图,当考虑底部压力时，应当使煤层底板到断层面之间的最小距离（垂距），大于安全岩柱的宽度Ha的计算值，并不得小于20m。其计算公式（17-9）为：,20m（17-9）,式中断层倾角，（）；其余参数同前。,四、煤层位于含水层上方且断层导水和不导水时防隔水煤（岩）柱的留设和计算,当考虑断层水在顺煤层方向上的压力时，按公式（17-3）计算煤柱宽度。根据以上两种方法计算的结果，取用较大的数字，但仍不得小于20m。,如果断层不导水（图17-7），断层安全防隔水岩柱Ha应当是含水层顶面与断层交点至煤层采空区的距离。如图17-7a所示，顺层防隔水煤柱的宽度按下式计算（但不得小于20m）：,（17-10）,四、煤层位于含水层上方且断层导水和不导水时防隔水煤（岩）柱的留设和计算,对于图17-7b所示情形，防隔水煤柱的宽度按下式计算（但不得小于20m）：,在公式（17-10）、（17-11）中，hc为含水层至煤层的层间距，m。,（17-11）,四、煤层位于含水层上方且断层导水和不导水时防隔水煤（岩）柱的留设和计算,（a）,（b）,断层倾角；Ha断层安全防隔水岩柱的宽度；L防隔水煤（岩）柱宽度,图17-7煤层位于含水层上方且断层不导水时防隔水煤（岩）柱留设图,四、煤层位于含水层上方且断层导水和不导水时防隔水煤（岩）柱的留设和计算,在上述各种情况下，断层安全防隔水岩柱宽度Ha按公式（17-12）计算：,式中Cp煤层底板破坏深度，m；其余参数同前。,（17-12）,公式（17-12）是一个近似公式，突出的考虑了煤层底板的破坏深度对Ha的影响。,四、煤层位于含水层上方且断层导水和不导水时防隔水煤（岩）柱的留设和计算,安全防隔水岩柱Ha也可以用斯列萨列夫公式和煤层底板破坏深度Cp确定，计算公式为：,（17-13）,式中参数同前。,四、煤层位于含水层上方且断层导水和不导水时防隔水煤（岩）柱的留设和计算,五、水淹区或老空积水区下采掘时防隔水煤（岩）柱的留设和计算,1.巷道在水淹区下或老空积水区下掘进时，巷道与水体之间的最小距离，不得小于巷道高度的10倍。2.在水淹区下或老空积水区下同一煤层中进行开采时，若水淹区或老空积水区的界线已基本查明，防隔水煤（岩）柱的尺寸应当按公式（17-3）计算留设。3.在水淹区下或老空积水区下的煤层中进行回采时，防隔水煤（岩）柱的尺寸，不得小于导水裂缝带高度与保护带厚度之和。,六、地表水体防隔水煤（岩）柱的留设和计算,地表水体防隔水煤（岩）柱的留设，可参照建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程执行。,七、钻孔和陷落柱防隔水煤（岩）柱的留设和计算,根据钻孔测斜资料换算钻孔见煤点坐标，按公式（17-3）计算留设防隔水煤（岩）柱，如无测斜资料，应当考虑钻孔可能偏斜的误差。从陷落柱周边发育的导水裂隙带算起，按公式（17-3）计算留设防隔水煤(岩)柱。,八、相邻井田人为边界防隔水煤（岩）柱的留设和计算,1.水文地质简单型到中等型的矿井，可采用横向法留设，即用公式（17-3）计算，但安全系数K一般应取410，且总宽度不得小于40m。2.水文地质复杂型到极复杂型的矿井，应当根据煤层赋存条件、地质构造、静水压力、开采上覆岩层移动角、导水裂缝带高度等因素确定。,单一煤层边界煤柱留设见图17-8。对水文地质条件复杂和极复杂的矿井也可按以下公式计算导水裂缝带上限岩柱宽度Ly和顺层边界煤柱宽度L，但Ly不应小于20m。,（17-14）,（17-15）,八、相邻井田人为边界防隔水煤（岩）柱的留设和计算,式中：L1、L2、L3部分边界煤柱宽度；HL导水裂缝带高度；H静水位高度；1、2岩移塌陷边与煤层交角；TS突水系数,图17-8相邻井田人为边界防隔水煤（岩）柱留设图,八、相邻井田人为边界防隔水煤（岩）柱的留设和计算,对于多煤层开采的情况：（1）当上、下两层煤的层间距小于下层煤开采后的导水裂缝带高度时，下层煤的边界防隔水煤（岩）柱，应当根据最上一层煤的岩层移动角和煤层间距向下推算，如图17-9a。（2）当上、下两层煤之间的垂距大于下煤层开采后的导水裂缝带高度时，上、下煤层的防隔水煤（岩）柱，可分别留设，如图17-9b。,HL导水裂缝带上限；、3各煤层底板以上的静水位高度；上山岩层移动角；下山岩层移动角；y、y、y导水裂缝带上限岩柱宽度；上层煤防水煤柱宽度；2、3下层煤防水煤柱宽度,图17-9多煤层地区边界防隔水煤（岩）柱留设图,八、相邻井田人为边界防隔水煤（岩）柱的留设和计算,导水裂缝带上限岩柱宽度的计算，可采用公式（17-16）：,20m,（17-16）,式中Ly导水裂缝带上限岩柱宽度，m；H煤层底板以上的静水位高度，m；HL导水裂缝带的高度，m；Ts水压与岩柱宽度的比值，可取0.1MPa/m。,八、相邻井田人为边界防隔水煤（岩）柱的留设和计算,九、以断层为界的井田防隔水煤（岩）柱的留设和计算,以断层为界的井田，其边界防隔水煤（岩）柱可参照断层防隔水煤（岩）柱留设，但应当考虑井田另一侧煤层的情况，以不破坏另一侧所留煤（岩）柱为原则，既不能使断层两盘设计的采空区相互沟通，又要防止强含水层水涌入巷道。除参照断层煤柱的留设外，尚可参考图17-10所示的例图。,L煤柱宽度；Ls、Lx上、下