实用矿井水防治理论与技术探讨

1、实用矿井水防治理论与技术探讨.主要内容 中国煤矿水害现状 矿井水防治存在的主要问题 关于顶板突水机理 关于底板突水理论 关于断层突水机理 关于突水系数 三维高密度探水技术.1 中国煤矿水害现状 按水源划分 地表水体水害事故 4.9% 冲积层水水害事故1.4 % 砂岩类含水层水害事故1.4% 灰岩类岩溶水水害事故92.3% .按空间位置划分 地表水害地表水害4.9% 老窑水害老窑水害0.8% 老空水害老空水害1.6% 顶板水害顶板水害4.6% 底板水害底板水害88.1%.2 矿井水防治存在的主要问题 顶板突水机理及突水量预测问题 “上三带”理论理论；导水裂隙带高度 底板突水机理理论研究方面“下三

2、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 富水性探测技术方面二维物探手段不能解决工作面内部底板富水性问题.3、关于顶板突水机理、关于顶板突水机理 “上三带上三带”理论理论 “上四带上四带”理论理论 顶板水量增大因素顶板水量增大因素 顶板水量预计顶板水量预计.“上三带上三带”理论理论 开采煤层之上存在三带：冒落带、导开采煤层之上存在三带：冒落带、导水裂缝带、弯曲带。水裂缝带、弯曲带。 冒落带和导水裂缝带统称冒裂带。冒落带和导水裂缝带统称冒裂带。.hh 1h 2h 3.导水裂隙带高度计算方法导水裂隙带高度计算方法 按照规程按照规程 类比法类

3、比法 经验公式法经验公式法 理论计算理论计算 现场实测现场实测 .建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程设与压煤开采规程（20002000第第1818号）号） HbHhHs hHbHhHs h( b )( a )9 . 80 . 22 . 1100MMHli1030MHli.类比法类比法1khh 1221coscoskk兖州鲍店煤矿兖州鲍店煤矿3煤层综采放顶煤实测资料，该矿岩层倾角为时，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

4、工作面所开采的煤层就是相当于鲍井田的所开采的煤层就是相当于鲍井田的3煤层，因此，可以根据鲍店井田煤层，因此，可以根据鲍店井田k1系数，来推测华丰井田的系数，来推测华丰井田的k2。已知鲍店井田的。已知鲍店井田的3煤层开采时岩层的倾角煤层开采时岩层的倾角为为5，华丰矿，华丰矿1409工作面岩层的倾角为，则：工作面岩层的倾角为，则：5322 . 8732cos5coscoscos1212kk华丰矿华丰矿1409工作面的在采厚为工作面的在采厚为的情况下，冒落带的情况下，冒落带h1的高度为的高度为。mkhh2 .9673.102 . 81.经验公式法经验公式法 h aL ah bL b( a )( b

5、)61. 52Lh.现场实测现场实测压力表压力表进气阀放气阀 调压阀堵孔操作台压力表调压阀接高压气源放水阀接高压水源注水操作台流量表进水阀巷道钻机钻窝岩体钻杆钻孔探管耐压软管高压胶管.顶板水量增大主要影响因素顶板水量增大主要影响因素 含水层厚度 顶板岩体的构造发育度 离层空间 斑裂线 矿山压力 .含水层厚度.2煤4煤二灰5煤6煤6煤6煤二灰一灰6煤4煤3煤1C1P11P1P2P21P4煤6煤3煤6煤3煤2煤4煤2煤1C1PP1P112PP123上煤3下煤P1C111P1P2122221PP2三灰三灰三灰三灰三灰三灰北2PP122P1P111C1PX-6142L-62591441452603煤S

6、89E0200m10mP1C1PP11P2P12新汶矿业集团巨野煤田龙固井田2线沉积断面图编 制描 图审 核科 长总工程师刁玉杰刁玉杰魏久传图 号资料来源日 期比 例 尺矿 长2本矿2006.091:100003煤L-6X-6142259144145260.3煤G-2L-17G-291533煤4煤二 灰6煤11PCPP1121P2C121P11PP12P11C三 灰6 煤二 灰4 煤3煤12PP121P221P21PP113煤C1P1二 灰6 煤三 灰三 灰6煤二 灰1P1C4煤3煤11PP12P122P15 煤2煤5煤5煤10m200m0S89 E熊 探 宇熊 探 宇3煤4煤5煤6煤三 灰2

7、PP112P21P三 灰C1121P1P1P1211P2P11522煤巨 野 煤 田 龙 固 煤 矿5线 沉 积 断 面 图编 制描 图审 核科 长总 工 程 师图 号资 料 来 源日 期比 例 尺矿 长本 矿2006.091:10000（ a） 沉 积 断 面 图（ b） 钻 孔 平 面 示 意 图北1P1G-2152L-17G-291532煤.XYZ.顶板岩体的构造发育度顶板岩体的构造发育度 断层断层 节理节理 溶洞溶洞 孔隙孔隙.离层空间离层空间. “上四带上四带”hh 1h 2h 3h 4离 层 带.顶板峰值衰减系数顶板峰值衰减系数 ；Cx岩梁之间力的传递系数岩梁之间力的传递系数 ；

8、L工作面跨度；工作面跨度；1未破裂岩层的最大抗压强度；未破裂岩层的最大抗压强度；顶板岩层加权平均比重；顶板岩层加权平均比重；H H未破裂岩层的埋深；未破裂岩层的埋深；。mHLChx36.75)106525146150375. 11 (75. 21)1 (11.斑裂线斑裂线.华丰煤矿地表斑裂线.斑裂线造成的下平巷涌水量增大机理岩层裂隙水流方向上平巷斑裂纹上平巷砾岩泥岩砾岩下平巷斑裂纹下平巷.矿山压力矿山压力 周期性矿山压力周期性矿山压力 冲击地压冲击地压.周期性矿山压力周期性矿山压力21333覆 岩 初 次 周 期 运 动 阶 段 L1C2覆 岩 周 期 性 运 动 阶 段12A.离层形成的冲击

9、地压离层形成的冲击地压离层形成的矿山压力采空区.冲击地压形成斑裂线冲击地压形成斑裂线采空区斑裂线 7070.4、关于底板突水理论、关于底板突水理论 “下三带下三带”理论理论 “下三带下三带”的理论观点最早是由原山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。出的，并在实践中进行应用和发展。 底板破坏带；底板破坏带；完整岩层带；完整岩层带；承承压水导高带。压水导高带。 .阻水带导升带hh1h2h3.采场底板采场底板“下四带下四带”划分理划分理论论 .底板破坏深度的计算方法底板破坏深度的计算方法 经验公式经验公式Lh11. 0

10、86. 113579. 41079. 01665. 00085. 01LHh.“下四带下四带”理论理论AFP *AAFP.DfLHh13113. 0)24ln(9291. 70448. 000911. 01. 白庄煤矿白庄煤矿7105工作面为工作面为-430m水平的第一个水平的第一个工作面，开采深度平均为工作面，开采深度平均为520m，工作面斜，工作面斜长长80m，煤层的倾角为，煤层的倾角为10，坚固性系数为，坚固性系数为3。底板损伤度底板损伤度。 . 根据根据“下三带下三带”理论理论， 根据根据“规程规程”， 根据损伤经验公式根据损伤经验公式21.23m, 现场实测现场实测22.47m.压力

11、表压力表进气阀放气阀调压阀堵孔操作台压力表调压阀接高压气源放水阀接高压水源注水操作台流量表进水阀巷道钻机岩体钻杆钻孔探管耐压软管高压胶管底板破坏深度实测设备底板破坏深度实测设备 双端封堵侧漏仪双端封堵侧漏仪.5、关于断层突水机理、关于断层突水机理x3xgzAa含水层高峰应力线.hha3cossin)cos(1断层防水煤柱留设公式.6、关于突水系数、关于突水系数. 早在早在2020世纪初，国外就有人注意到底板隔水世纪初，国外就有人注意到底板隔水层的作用层的作用 4040年代至年代至5050年代，匈牙利韦格弗伦斯第一次年代，匈牙利韦格弗伦斯第一次提出底板相对隔水层的概念。即：提出底板相对隔水层的概

12、念。即： PMH . 不突水临界值不突水临界值 统计发现统计发现80%80%突水小于此值突水小于此值 欧洲国家采用欧洲国家采用atmmH/5 . 1atmmH/0 . 2. 6060年代至年代至7070年代，匈牙利国家矿业技年代，匈牙利国家矿业技术鉴定委员会将相对隔水层厚度的概术鉴定委员会将相对隔水层厚度的概念列入念列入矿业安全规程矿业安全规程 同时对应用条件做了一些规定，其中同时对应用条件做了一些规定，其中要求采深不超过要求采深不超过300m300m . 我国在底板突水规律研究方面起始于我国在底板突水规律研究方面起始于6060年代年代 7070年代中期，国家派科技人员去匈牙年代中期，国家派科

13、技人员去匈牙利考察，带回相对隔水层厚度的概念利考察，带回相对隔水层厚度的概念 焦作矿区水文地质大会战中，提出了焦作矿区水文地质大会战中，提出了突水系数概念突水系数概念. 实际上相对隔水层概念的倒数！实际上相对隔水层概念的倒数！ 严格讲不是中国人提出的。严格讲不是中国人提出的。MPTs/. 规定突水系数的临界值规定突水系数的临界值 实质上实质上临界值也不是中国人提出的临界值也不是中国人提出的mMPaTs/06. 0.1个标准大气压力。mMPamMPaHTs/06. 0/0666. 05 . 11 . 01. 严格讲，突水系数预测底板突严格讲，突水系数预测底板突水只能适用于采深小于水只能适用于采深

14、小于300m300m，至多到至多到500m500m！. 7070年代至年代至8080年代，人们发现利用突水系数年代，人们发现利用突水系数进行突水预测预报不准确，究其原因，一进行突水预测预报不准确，究其原因，一个根本问题是未考虑矿压对底板的破坏因个根本问题是未考虑矿压对底板的破坏因素。因此西安分院水文所对突水系数的表素。因此西安分院水文所对突水系数的表达式经过两次修改后确定为：达式经过两次修改后确定为：CMPTs. 列入列入19841984年年5 5月月1515日原煤炭工业部颁发日原煤炭工业部颁发的的矿井水文地质规程矿井水文地质规程及及19891989年年9 9月月9 9日原煤炭工业部颁发的日原

15、煤炭工业部颁发的煤矿防治水煤矿防治水工作条例工作条例 规定了两个临界值：规定了两个临界值：、 值得注意的是那时的采深有的达到了值得注意的是那时的采深有的达到了500m500m. 20092009年年8 8月月1717日国家安全生产监日国家安全生产监督管理总局局长办公会议审议督管理总局局长办公会议审议通过的通过的煤矿防治水规定煤矿防治水规定使使得突水系数回到上世纪得突水系数回到上世纪7070年代。年代。.建议建议 在采深小于在采深小于300m300m时，可以使用。时，可以使用。 在采深在采深300m500m300m500m时慎用，如果构时慎用，如果构造不发育可以用，如果构造发育，造不发育可以用，

16、如果构造发育，则小心。则小心。 在采深大于在采深大于500m500m时，必须考虑底板时，必须考虑底板破坏深度。破坏深度。.突水概率指数突水概率指数.0 . 50 . 10 . 30 . 0 50 . 0 5富 水 指 数 （ W ）构 造 指 数 （ S ）隔 水 层 指 数 （ R ） 水 压 指 数 （ P ）矿 压 指 数 （ G ）突 水 概 率 指 数 （ E ）（ PW）（ PS）（ PR）（ PP）（ PG）GPPPRPSPWPEGPRsw.强1.0富水性指数（W）较强0.8较弱0.6 弱0.4. 2 0 12 01 0 0 . 8 7 01 . 0倾 角 指 数 （ r )0

17、7 00 . 50断 层 指 数 （ F )一 般0 . 6好1 . 0差0 . 1张 开 度 指 数 （ O )发 育 度 指 数 （ g )好1 . 0一 般0 . 6差0 . 1裂 隙 指 数 （ J )构 造 指 数 （ S )0 . 60 . 40 . 50 . 30 . 1 50 . 0 50 . 60 . 4. 1 8 m含 砂 岩无 砂 岩强较 强较 弱弱1 . 00 . 41 . 00 . 80 . 51 . 00 . 2.较强1510 弱15水压指数（P）1.00.80.60.42较弱105.矿压指数（G）开采深度（h）0.7顶板组合（f）0.31.00.60.41.00.

18、4深中浅砂灰岩粉泥岩-150-150-50-50. E0.6 不突水不突水 E=0.60.8 突水可能性较大突水可能性较大 E=0.81.0 肯定突水肯定突水.7、三维高密度探水技术、三维高密度探水技术.底板水探测底板水探测.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3

19、1108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 .顶板上10米 .3煤顶板富水区分布图14-879.615-884.113 -870.716-888.96-8

20、865-879.4一采区轨道下山一采区胶带下山一采区回风下山7-891.28-896.718-904.49-905.29-856.62-884.53-882.74-87710-859.819-910.110-911.811-868.31-903.612-876.411-912.821-920.212-919.213-876.42-904.114-881.915-890.83-903.34-895.216-895.2117-899.35-894.918-905.06-893.21-876.82-876.07-891.33-876.28-880.01-876.82-877.23-867.78-88

21、7.49-881.34-873.15-867.16-865.810-880.57-866.011-875.35812-872.2638-865.64413-870.89-870.814-868.86715-868.06513-867.617-862.018-860.015-851.216-849.017-853.615-867.916-869.214-855.119-856.83120-858.09918-876.5543872400387260038728003873000387320038734005150005152005154005156003872400387260038728003

22、8730003873200387340020-858.09921-869.26919-881.50420-873.98322-879.41322-876.12423-879.68821-872.07223-886.10724-893.66824-884.55825-880.18326-880.324H=6.8m50H=1m65H=1.3m39H=2m60H=2.8m70H=1.3m70H=1.2m65H=1.1m65H=1.0m75H=1.6m80H=1.8m70H=0.6m7027-888.8591-890.74829-898.30030-897.82228-895.093B-905.135

23、2-890.748H=1.3m80H=0.6m75H=0.7m75H=0.7m75H=0.6m50H=0.7m35H=1.4m75H=2.3m753-885.86011-868.429515000515200515400515600北山 东 省 滕 东 生 建 煤 矿制 图审 校主 任1:2000比例尺日 期校 核3下107工作面顶板砂岩富水程度分布平面图H=1.9m40(0,0)(0,130)(1200,0)(1200,130)1#富水区2#富水区3#富水区.动态监测动态监测以龙固矿为例.龙固矿1301N工作面采前富水性分布图H=1.45m80H=0.7m80H=0.5m80H=1m70H=

24、1.4mH=3.2m70-748.664-745.781-735.082H=7.31m30-739.119H=3.0m60-725.755-726.245-734.205H=1.45m80H=1.3m80H=0.7m80H=0.5m80H=1m70H= 2.7m25-735.622H=1.1m35H=1.4mH=3.2m70-743.918H=7.31m30H=3.0m60H=10.0m30-751.184G12H25G11A23A24A25A26A27A28A29A30A31A32A33A34A35A36A37A38A39A40A41A42A43A44A45A46A47A48A49A50A5

25、1A52A53A54-752.59-751.20-749.92-746.25-742.64-754.8-757.565-759.005-759.443-764.282-766.147-766.298-765.435-766.03-766.527-764.688-762.857-761.794-765.626-765.244-762.549-761.268-760.735B21B22L1L2L3L4-765.434-769.523-769.188-752.308-753.9-745.196-744.42-746.111-748.00-750.09-751.336-752.362-753.93-7

26、49.8G1G2G2G3G4G5G6G7G8G9G10B1Y1B2B3B4B5B6B7B8B9B10B11B12B13B14B15B16B17B18B19B20B21B22B24B25B26B27B28B29B30-774.957-776.674-779.504-779.524-779.524-781.335-779.521-775.847-775.482-775.951-777.058-776.322-774.734-774.188-774.404-774.299-773.668-773.816-773.966-773.722-773.614-768.027-766.66-764.158-7

27、59.0-755.60-755.08-753.85-750.141-749.49-757.904H30A55-759.845A56-760.46-774.921-775.881B31B32Y3-743.089-739.538H= 2.4m43N1-761.86N2-763.399-769.809-771.158Y2-746.949Y5-764.75H32-770.395H33P1-744.214P2-743.538P3-742.66-776.671B33-775.727B34-776.712B35-776.622B36-775.213B37A57-762.437A58-765.519A59-7

28、66.019A60-768.199J31-743.945B39B40-774.919-774.836A63-761.934A64-760.896-783.246B38A62-772.353-770.395H33-772.099H34-773.6H35P4-737.639P5-732.293R1-736.877Y7-729.219Y6Y7C2-750.554-729.219J32-745.128H= 2.7m25J33-744.777Y8-773.6H35-766.385-764.463C3-750.179 C4-750.633CC-753.82F17-793.31208-B41-780.235

29、B42-780.619-779.192B43A65-763.583A66-764.071-763.44A67A68-762.992-780.221B44B45-780.774B46A69-762.766A7009-09-B47-779.29B48-780.074A71-755.244A72H=2m50Y9-728.23408-Y1009-J36-757.738L3-763.6142F18-786.508 2F1909-J36-757.738L409-769.022H31-768.3H31-764.8921-768.87H39-780.904H38-781.46H4009-A71-758.644

30、A72B47-779.29B48-754.693A73-750.245A74-779.042B49-778.026B50B51-776.08909-A75-746.963H36-780.9408-H=1.2m75H=3.0m42H37-781.1709-H38-781.46Y11-717.4Y1209-H=1.0m5.0m65K2K309-2H1二采边界回风上山K4K509-713.695 H=1.2m702H22H309-751.714-756.589-758.284A78B55A79-729.83A80-730.32-759.70B5635#N3N4H=1.6m75-764.324J39J

31、40-763.633J41-763.8634#3#9-1#13#14#15#16#9-2#12#1#2#3333333333333333333333333333333.第第1次次2009年年10月月6日日 .工作面迎头前方390m富水区.第二次第二次 .迎头390m富水区.第三次探测.迎头390m富水区.迎头前方390m富水区.采空区探测采空区探测.焦家B区电阻率三维数据体 .采空区立体图 . 寺庄C区电阻率三维数据体 .C区采空区立体图.巷道富水性超前探测技术巷道富水性超前探测技术.-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050607080-90-80-70-60-50-40-30-20-1001020304050607080102030102030 在桩号1030米位置为低阻显示，说明该位置顶板