矿井突水及其预测评价

1、矿井突水及其预测评价 第一节 采掘活动对顶地板岩层的破坏及顶板突水评价 第二节 采掘活动对底板岩层的破坏及地板突水预测评价 第三节 突水预测实例矿井突水及其预测评价 矿井突水及其预测评价 凡因井巷、工作面与含水层、被淹井巷、地表水体或含凡因井巷、工作面与含水层、被淹井巷、地表水体或含水的裂隙带、溶洞、陷落柱、顶板冒落带、构造破碎带水的裂隙带、溶洞、陷落柱、顶板冒落带、构造破碎带等接近或沟通而突然产生的出水事故等接近或沟通而突然产生的出水事故,称为矿井突水称为矿井突水(简简称突水称突水)。 矿井突水分为掘进突水与回采突水矿井突水分为掘进突水与回采突水; 按突水点与开采煤层所处的相对位置按突水点与

2、开采煤层所处的相对位置,可分为顶板突水、可分为顶板突水、底版突水与煤柱突水底版突水与煤柱突水; 按突水相对于采掘工程进行的时间可分为即时突水与滞按突水相对于采掘工程进行的时间可分为即时突水与滞后突水等。矿井水害类型通常按水源的不同后突水等。矿井水害类型通常按水源的不同,分为地表水分为地表水体水害、松散层孔隙水水害、老空水水害、薄层灰岩水体水害、松散层孔隙水水害、老空水水害、薄层灰岩水水害、厚层灰岩水水害与砂岩裂隙水水害等六种。水害、厚层灰岩水水害与砂岩裂隙水水害等六种。 依据突水点的水量大小依据突水点的水量大小,可将突水点分为小突水点可将突水点分为小突水点(Q60m/h)、中等突水点、中等突水

3、点(Q=60m/h600m/h)、大突水点大突水点(Q=600m/h1800m/h)和特大突水点和特大突水点(Q1800m/h)。矿井突水及其预测评价图图9-19-1覆岩破坏分带示意图覆岩破坏分带示意图-冒落带；-裂隙带；-弯曲带；a-垂向裂隙；b-离层裂隙；c-地表裂隙；1-不规则冒落带；2-规则冒落带矿井突水及其预测评价 煤层采出后煤层采出后,上覆岩层失去平衡上覆岩层失去平衡,由直接顶岩层开始逐层向由直接顶岩层开始逐层向上冒落上冒落,直到开采空间被冒落岩块充满为止。下部直到开采空间被冒落岩块充满为止。下部,岩层呈岩层呈不规则的岩块杂乱堆积于采空区内不规则的岩块杂乱堆积于采空区内,称称不规则

4、冒落带；向；向上冒落岩块渐大上冒落岩块渐大,甚至过渡为似层状断块，不连续地覆盖甚至过渡为似层状断块，不连续地覆盖于不规则冒落带之上于不规则冒落带之上,称称规则冒落带。 冒落带最高点至回采上边界的垂直高度称为冒落带最高点至回采上边界的垂直高度称为冒落带高度。冒落带内岩块之间空隙多冒落带内岩块之间空隙多,连通性强连通性强,是水体和泥砂溃入井是水体和泥砂溃入井下的通道。下的通道。 冒落岩石由于碎胀冒落岩石由于碎胀,体积增大，增大的比率称为体积增大，增大的比率称为碎胀系数。煤层直接顶岩性愈坚硬、煤层采厚愈大煤层直接顶岩性愈坚硬、煤层采厚愈大,碎胀系数愈大；碎胀系数愈大；反之则小。厚煤层分层开采时反之则

5、小。厚煤层分层开采时,冒落岩块因受重复破坏冒落岩块因受重复破坏,岩岩块碎度增大块碎度增大,碎胀系数减小碎胀系数减小矿井突水及其预测评价裂隙带冒裂带或导水裂隙带导水裂隙带高度矿井突水及其预测评价 弯曲带矿井突水及其预测评价 塌陷坑。图图9-29-2冒落带、裂隙带的形态特征冒落带、裂隙带的形态特征a-a-水平、缓倾斜煤层；水平、缓倾斜煤层；b-b-倾斜煤层；倾斜煤层；c-c-急倾斜煤急倾斜煤层层矿井突水及其预测评价1覆岩性质及组合特征覆岩性质及组合特征2煤层赋存及开采因素煤层赋存及开采因素矿井突水及其预测评价1覆岩性质及组合特征类型特点坚硬一坚硬型 一般不易冒落、不易弯曲，但冒落后岩块大，碎胀系数

6、大,冒落充分,冒落带、裂隙带均发育较高，冒落带高度可达采厚的56倍，裂隙带高度可达采厚的1828倍。软弱软弱型 易弯曲、冒落、下沉快、幅度大。直接顶冒落快，采空区极易被岩块充满而中止冒落，冒落带发育不充分，加之软弱不利于裂隙发育，两带高度均较低，冒高约采厚的23倍，裂高约为采厚的912倍。软弱坚硬型直接顶易冒落，老顶不易弯曲下沉。若直接顶薄，则冒落不充分，冒高、裂高均小；若直接顶厚，则冒落充分，冒高可达采厚的810倍，裂高约为采厚的1316倍。坚硬软弱型直接顶冒落后，老顶很快弯曲下沉，占据采空区上部空间，冒落、裂隙发育都不充分，两带高度均较低。矿井突水及其预测评价2.煤层赋存及开采因素矿井突水

7、及其预测评价 1）采厚 开采水平、缓倾斜及倾斜煤层时，开采单一薄煤层及中厚煤层或厚煤层第一分层所形成的导水裂隙带高度与采厚基本呈直线关系直线关系； 开采急倾斜煤层时，在回采垂高、走向长度、顶板岩性大体相同的条件下，导水裂隙带高度与采厚也大体呈近似直线关系(图9-3b)。图图9-3 9-3 导水裂隙带高度与采厚关导水裂隙带高度与采厚关系图系图矿井突水及其预测评价 急倾斜煤层分阶段开采时，在覆岩中硬、稳定性较好的情况下，一次连续回采的阶段垂高2）分层数及回采垂高 水平至倾斜的煤层分层开采或近距离煤层群重复采动条件下，裂隙高度随分层数增加而递减(图9-4)，与开采总厚呈近似分式函数关系(图9-5)。

8、 越大，覆岩破坏高度越高。当阶段垂高增至某一数值后（如淮南矿区为60m），裂隙带高度的增加比率减小，阶段垂高继续增大，裂隙带高度即不再增加(图9-6)。图图9-4 9-4 裂高采厚比与开采分裂高采厚比与开采分 图图9-5 9-5 水平至倾斜煤层分层开采时中水平至倾斜煤层分层开采时中层数的关系图层数的关系图 硬覆岩裂隙带高度与累计采厚的关系曲线硬覆岩裂隙带高度与累计采厚的关系曲线 1-中硬覆岩; 2-软弱覆岩 1-第一分层；2-第二分层；3-第三分层 4-第四分层2)分层数矿井突水及其预测评价3 3）开采面积）开采面积 开采倾斜、缓开采倾斜、缓倾斜煤层时，裂隙随采区扩大倾斜煤层时，裂隙随采区扩大

9、而向上发展。当采区扩大到一而向上发展。当采区扩大到一定范围，裂隙带高度达最大值定范围，裂隙带高度达最大值后，采区继续扩大，裂隙带基后，采区继续扩大，裂隙带基本上不再发展。当岩层移动趋本上不再发展。当岩层移动趋于稳定后，原有的冒裂隙带将于稳定后，原有的冒裂隙带将逐渐趋于压缩状态，裂隙带高逐渐趋于压缩状态，裂隙带高度甚至会随之降低。开采急倾度甚至会随之降低。开采急倾斜煤层时，如阶段垂高和采厚斜煤层时，如阶段垂高和采厚不变，走向长度小于不变，走向长度小于100m100m，裂，裂高与走向长度大致呈近似的直高与走向长度大致呈近似的直线关系；若走向长度超过线关系；若走向长度超过100m100m，冒落带、裂

10、隙带高度增加的幅冒落带、裂隙带高度增加的幅度很小。若走向长度过小（如度很小。若走向长度过小（如30m30m50m50m），出煤量不加控制），出煤量不加控制时，冒落带、裂隙带高度会随时，冒落带、裂隙带高度会随阶段垂高的增加而急剧增大，阶段垂高的增加而急剧增大，甚至直达地表。甚至直达地表。图图9-6 9-6 开采急倾斜煤层时裂隙带高度开采急倾斜煤层时裂隙带高度与阶段垂高的关系曲线与阶段垂高的关系曲线矿井突水及其预测评价4 4）地质构造）地质构造 由于构造由于构造破碎带岩石的力学强度降破碎带岩石的力学强度降低，在采动条件下会加剧低，在采动条件下会加剧冒落带、裂隙带的发展。冒落带、裂隙带的发展。通常，

11、采空区上部的高角通常，采空区上部的高角度张性或导水断层会引起度张性或导水断层会引起裂隙带沿断层向上发展，裂隙带沿断层向上发展，甚至抽冒使地面形成塌陷甚至抽冒使地面形成塌陷坑。位于正常冒落带、裂坑。位于正常冒落带、裂隙带以上的断层，可能会隙带以上的断层，可能会使冒落带、裂隙带发展至使冒落带、裂隙带发展至该断层该断层( (图图9-7)9-7)。位于正。位于正常冒裂带范围内倾角比较常冒裂带范围内倾角比较平缓的断层，一般对冒落平缓的断层，一般对冒落带、裂隙带糕度的影响不带、裂隙带糕度的影响不大大( (图图9-89-8)。图图9-7 9-7 断层位于导水裂隙带范围外断层位于导水裂隙带范围外图图9-8 9

12、-8 断层位于导水裂隙带范围内断层位于导水裂隙带范围内矿井突水及其预测评价 正确选择采煤方法和顶板管理方法是控制两带高度正确选择采煤方法和顶板管理方法是控制两带高度及覆岩沉降的重要手段。及覆岩沉降的重要手段。 选择采煤方法时，应有利于限制导水裂隙带高度，选择采煤方法时，应有利于限制导水裂隙带高度，使上覆岩层形成均衡破坏。应控制工作面长度、采使上覆岩层形成均衡破坏。应控制工作面长度、采厚和阶段垂高不宜过大，分层采厚应小些，分层间厚和阶段垂高不宜过大，分层采厚应小些，分层间接续宜采用间歇式回采等；对缓倾斜煤层宜采用单接续宜采用间歇式回采等；对缓倾斜煤层宜采用单一长壁全部垮落法和倾斜分层长壁下行垮落

13、法采煤；一长壁全部垮落法和倾斜分层长壁下行垮落法采煤；对急倾斜煤层宜采用走向推进的伪倾斜柔性掩护支对急倾斜煤层宜采用走向推进的伪倾斜柔性掩护支架法（阶段垂高架法（阶段垂高303035m35m）或水平分层人工假顶下行）或水平分层人工假顶下行垮落法采煤。垮落法采煤。 局部集中超限采煤，如挑煤皮、落垛式、仓房式及局部集中超限采煤，如挑煤皮、落垛式、仓房式及沿倾斜下放等非正规采煤方法易于破坏上方预留的沿倾斜下放等非正规采煤方法易于破坏上方预留的煤柱，引起煤层抽冒，形成塌陷漏斗。煤柱，引起煤层抽冒，形成塌陷漏斗。 常用顶板管理方法有：全部陷落法、全部充填法和常用顶板管理方法有：全部陷落法、全部充填法和煤

14、柱支撑法（条带开采）等。采用全部充填法和煤煤柱支撑法（条带开采）等。采用全部充填法和煤柱支撑法管理顶板，有利于控制两带高度的发展。柱支撑法管理顶板，有利于控制两带高度的发展。5）采煤方法及顶板管理矿井突水及其预测评价 覆岩破坏高度的发展是个时间函数。当裂隙高度未覆岩破坏高度的发展是个时间函数。当裂隙高度未达最大值时，其随时间的延长而增大。达最大值时，其随时间的延长而增大。导导水裂隙带水裂隙带达到最大高度的时间与覆岩性质有关。达到最大高度的时间与覆岩性质有关。 一般中硬岩层为回采放顶后一般中硬岩层为回采放顶后12个月；坚硬岩层长个月；坚硬岩层长些；软弱岩层短些，约些；软弱岩层短些，约0.51个月

15、。个月。 裂隙高度达最大值后，覆岩仍在移动。覆岩坚硬时，裂隙高度达最大值后，覆岩仍在移动。覆岩坚硬时，导水裂隙带高度一般不再随时间变化；对于中硬或导水裂隙带高度一般不再随时间变化；对于中硬或软弱覆岩，裂隙带高度随时间延续略有减小。厚煤软弱覆岩，裂隙带高度随时间延续略有减小。厚煤层分层开采时，随分层数增加，裂隙带高度达最大层分层开采时，随分层数增加，裂隙带高度达最大值的时间逐层加快。值的时间逐层加快。6） 覆岩破坏的延续时间矿井突水及其预测评价二.覆岩破坏对顶板突水的影响及其评价“三带三带” 中的冒落和裂隙带是采动破坏形成的人中的冒落和裂隙带是采动破坏形成的人工导水通道。冒落带、裂隙带高度大于地

16、表水或工导水通道。冒落带、裂隙带高度大于地表水或含水层等水体与工作面之间的距离时，就会引起含水层等水体与工作面之间的距离时，就会引起顶板突水。评价覆岩破坏是否会引起顶板突水，顶板突水。评价覆岩破坏是否会引起顶板突水，关键在于确定冒落带、裂隙带的最大高度。方法关键在于确定冒落带、裂隙带的最大高度。方法有有:（一）类比法（一）类比法 选用地质条件（煤层倾角、覆岩性质及组合结构等）、开采选用地质条件（煤层倾角、覆岩性质及组合结构等）、开采活动（采厚、分层或回采垂高、采煤方法和顶板管理方法等）活动（采厚、分层或回采垂高、采煤方法和顶板管理方法等）相似矿区的数据，通过对比分析比拟确定两带高度。相似矿区的

17、数据，通过对比分析比拟确定两带高度。（二）经验公式法（二）经验公式法矿井突水及其预测评价表表9-1 冒落带与导水裂隙带最大高度的经验公式冒落带与导水裂隙带最大高度的经验公式2 .111 . 24 . 2100nMHf1 . 58 . 33 . 3100nMHf1 . 52 . 51 . 5100nMHf4 . 81331 . 4100hmhHf3 . 72935 . 7100hmhHf煤层倾角()岩石抗压强度kg/cm2岩石名称顶板管理方法冒落带最大高度（m）导水裂隙带（包括冒落带最大高度）（m）054400600辉绿岩、石灰岩、硅质石英岩、砾岩、砂砾岩、砂质页岩等全部陷落He=（45）M20

18、0400砂质页岩、泥质砂岩、页岩等全部陷落He=（34）M200风化岩石、页岩、泥质砂岩、粘土岩、第四系和第三系松散层等全部陷落He=（12）M5585400600辉绿岩、石灰岩、硅质石英岩、砾岩、砂质页岩等全部陷落400砂质页岩、泥质砂岩、页岩、粘土岩、风化岩石、第三系和第四系松散层等全部陷落He=0.5M注：注：1表中表中M累计（累计（m）；）；n煤层层数煤层层数;m煤层厚度（煤层厚度（m）；）；h采煤工作面小阶段垂高（采煤工作面小阶段垂高（m）。）。2冒落带、导水裂隙带最大高度，对于缓倾斜和倾斜煤层，系指从煤层面算起的法向高度，对于冒落带、导水裂隙带最大高度，对于缓倾斜和倾斜煤层，系指从

19、煤层面算起的法向高度，对于及倾斜煤层，系指从开采上算起的垂向高度。及倾斜煤层，系指从开采上算起的垂向高度。3岩石抗压强度为饱和单轴极限强度。岩石抗压强度为饱和单轴极限强度。矿井突水及其预测评价矿井突水及其预测评价 1 1含水层富水性及水压含水层富水性及水压 2 2隔水层是底板突水的抑制因素隔水层是底板突水的抑制因素3 3断裂构造断裂构造矿井突水及其预测评价矿井突水及其预测评价图图9-9 9-9 随采煤工作面推随采煤工作面推进底板受力过程示意图进底板受力过程示意图矿压对底板的破坏可简述为，随着回采工作面推进，其底板任一断面都要经受采前超前支承压力而压缩、采后悬顶减压而膨胀及后期顶板冒落再压缩的过

20、程 矿井突水及其预测评价图图9-10 9-10 采煤工作面底板受力分采煤工作面底板受力分 布及剪布及剪切带分布图切带分布图a-平面图；b- A-A剖面图矿井突水及其预测评价矿井突水及其预测评价根据矿压对底板的破坏，矿压诱发采根据矿压对底板的破坏，矿压诱发采场底板突水有以下规律：场底板突水有以下规律：矿井突水及其预测评价图图9-11 9-11 焦作矿区地应力与突水关系图焦作矿区地应力与突水关系图1月震次数曲线；2月突水次数曲线地应力是导致底板地应力是导致底板突水的突水的附加力源。地震活动对唐山矿地震活动对唐山矿区矿井充水的影响。区矿井充水的影响。从焦作矿区从焦作矿区196019601970197

21、0年矿区突水与年矿区突水与地震统计资料的对地震统计资料的对比分析也可发现，比分析也可发现，二者之间有一定的二者之间有一定的联系（图联系（图9-119-11）。）。5 地应力地应力矿井突水及其预测评价上述因素（含水层富水性及水压、隔水层、断裂构造、矿上述因素（含水层富水性及水压、隔水层、断裂构造、矿压破坏、地应力）并非同时作用于每一个突水点，更不可压破坏、地应力）并非同时作用于每一个突水点，更不可能起同等重要的作用。能起同等重要的作用。概括地说，水压大小和隔水层的稳定性是决定底板能否突概括地说，水压大小和隔水层的稳定性是决定底板能否突水的一对基本矛盾。水的一对基本矛盾。水压为主，底板下没有承压含

22、水层或承压力水的水头低于水压为主，底板下没有承压含水层或承压力水的水头低于煤层底板，隔水层再不稳定也不会造成底板突水；煤层底板，隔水层再不稳定也不会造成底板突水；如果底板下含水层具有一定的水压，隔水层的稳定性就成如果底板下含水层具有一定的水压，隔水层的稳定性就成了控制底板突水的决定因素。了控制底板突水的决定因素。当水压和隔水层的稳定性处于相对平衡时，构造（主要是当水压和隔水层的稳定性处于相对平衡时，构造（主要是断裂）和矿压的作用将促使矛盾由不突水向突水转化。断裂）和矿压的作用将促使矛盾由不突水向突水转化。当自然条件下的水压与受构造影响削弱的隔水层稳定性处当自然条件下的水压与受构造影响削弱的隔水

23、层稳定性处于相对平衡状态时，矿压则成为诱发底板突水的主要因素。于相对平衡状态时，矿压则成为诱发底板突水的主要因素。地应力大时，更会加剧底板突水的发生。地应力大时，更会加剧底板突水的发生。矿井突水及其预测评价 tLtKHp222安图图9-12 9-12 巷道安全水头计算示意巷道安全水头计算示意图图矿井突水及其预测评价 ppKLHKLLt4)8(22安矿井突水及其预测评价2. 突水系数法突水系数法 用突水系数评价底板稳定性的关键在于确定临界突用突水系数评价底板稳定性的关键在于确定临界突水系数水系数Ts。临界突水系数。临界突水系数Ts可定义为每可定义为每m隔水层厚隔水层厚度所能承受的最大水压。度所能

24、承受的最大水压。 若若TTs说明底板不稳定，发生底板突水的可能性大。说明底板不稳定，发生底板突水的可能性大。 MPT矿井突水及其预测评价临界突水系数是对矿区大量突水资料统计分析后得临界突水系数是对矿区大量突水资料统计分析后得出的，依突水资料丰富矿区总结出的出的，依突水资料丰富矿区总结出的Ts值见表值见表9-2 我国一些矿区的临界突水系数我国一些矿区的临界突水系数矿区矿区 临界突水系数临界突水系数Ts Ts （MPa/ mMPa/ m） 矿区矿区 临界突水系数临界突水系数Ts Ts （MPa/ mMPa/ m） 峰峰、邯郸峰峰、邯郸 0 00660660 0067 067 淄博淄博 0 0060

25、0600 0140 140 焦作焦作 0 00600600 0100 100 井陉井陉 0 00600600 0150 150 资料认为，底板受构造破坏块段资料认为，底板受构造破坏块段Ts一般一般0.060PMa/m，正常，正常块段块段Ts不大于不大于0.150MPa/m。考虑矿压对底板破坏，隔水层的。考虑矿压对底板破坏，隔水层的有效厚度会减小，煤炭科学研究总院西安分院修改式有效厚度会减小，煤炭科学研究总院西安分院修改式9-4为：为： 式中式中 Cp矿压破坏深度，矿压破坏深度，m。 pCMPT矿井突水及其预测评价。Ts是通过长期生产实践总结出的一种规律性认识，在是通过长期生产实践总结出的一种规

26、律性认识，在对评价与预测矿底板突水起到了积极的作用。但存在问对评价与预测矿底板突水起到了积极的作用。但存在问题：由于已知突水点的题：由于已知突水点的80%80%90%90%发生在断层带及其附近，发生在断层带及其附近，由这些突水资料总结出的临界突水系数值用于评价和预由这些突水资料总结出的临界突水系数值用于评价和预测构造破坏地段的底板突水较为可靠，评价或预测测构造破坏地段的底板突水较为可靠，评价或预测 正正常地段底板突水则偏于保守；常地段底板突水则偏于保守；根据对大量突水资料的统计分析，临界突水系数随采根据对大量突水资料的统计分析，临界突水系数随采深的增加，在浅部是一条直线，深部则变为曲线，且深的

27、增加，在浅部是一条直线，深部则变为曲线，且TsTs的增量随采深增加而变大，因此用浅部突水资料来预测的增量随采深增加而变大，因此用浅部突水资料来预测或评价深部突水也会偏于保守；在实际突水资料缺乏或或评价深部突水也会偏于保守；在实际突水资料缺乏或较少的矿区，临界突水系数值难以确定。在实际应用中，较少的矿区，临界突水系数值难以确定。在实际应用中，因受专门水文地质孔数量的限制和灰岩含水层岩溶发育因受专门水文地质孔数量的限制和灰岩含水层岩溶发育和富水性的极不均一，在通过内插法编制的等水压线图和富水性的极不均一，在通过内插法编制的等水压线图上确定的水压值很难满足精度要求。上确定的水压值很难满足精度要求。

28、矿井突水及其预测评价山东矿业学院特殊开采所对大量观测资料统计分析后山东矿业学院特殊开采所对大量观测资料统计分析后认为，采动矿压对煤层底板的破坏存在着认为，采动矿压对煤层底板的破坏存在着“三带三带”，即：自上而下依次为底板导水破坏带、完整岩层带与即：自上而下依次为底板导水破坏带、完整岩层带与承压水导高带。承压水导高带。底板导水破坏带是指采动矿压作用，使底板岩层连续底板导水破坏带是指采动矿压作用，使底板岩层连续性遭到破坏，导水性发生明显改变的层带。该带的厚性遭到破坏，导水性发生明显改变的层带。该带的厚度即为度即为“底板导水破坏深度底板导水破坏深度”。完整岩层带：位于底板导水破坏带与承压水导高带之完整岩层带：位于底板导水破坏带与承压水导高带之间，其特点是保持采前岩层的连续性及其阻抗水性能，间，其特点是保持采前岩层的连续性及其阻抗水性能，故称为完整岩层带。因其是阻抗底板突水的关键，故故称为完整岩层带。因其是阻抗底板突水的关键，故又称为有效保护层带。又称为有效保护层带。承压水导高带是承压水导高带是指含水层中的承压水沿隔水底板中的裂隙或指含水层中的承压水沿隔水底板中的裂隙或断裂破碎带上升的高度，也称断裂破碎带上升的高度，也称原始导高。在开采后还可以再导。在开采后还可以再导升，但上升值很小。由于