专题-承压水上安全开采技术分析.doc

1、专题部分承压水上安全开采技术分析摘要：综上所述，我国煤矿底板岩溶水的突水频率日趋上升，突水水量日趋增大，造成的损失也日趋严重。因此，为适应煤炭生产的迅速发展，加强煤矿地板岩溶水的研究，具有十分显要的现实与深远麓义。关键词：灰岩溶；承压水；短壁工作面；条带开采；1绪论（Exordium）1.1问题的提出与研究意义（TheRaiseofPromblemandtheMeaningofResearch）我国灰岩溶(Karst)的分布很广，面积大约有2Mkm2，约占全国总面积的五分之一。这些地区也正重要的煤产地，有60的煤矿不问程度地受到底板岩溶承压水的威胁，受水害的面积和严重程度均居世界各主要采煤国家

2、的首位。 在突水形式方面， 由于断层而引起的开采工作而或掘进巷道中的突水占突水总数的80以上。达就是说，煤矿开采的突水事牧主要是内构造原因引起的，滞后型突水多于突发型突水，工作面开采突水多于掘进巷道灾水。煤矿灾水事故频繁，造成的经济损失大，其原因是至今人们对煤层底板岩体结构的采动力学效应还缺乏研究，对突水征兆认识不足，探测手段落后，不能对煤层底板突水做迅速、准确、超前预报。加1984一1985年，全国煤矿发生重大淹井停产事故就19起，几乎平均每个月一次，影响煤炭产量12.66Mt，造成经济姬失约64亿元。开滦范各庄矿1984年突水淹井后，出于矿井边界煤柱校破坏，致使吕家坨矿被淹。突水还通过吕家

3、坨地矿和林西矿边界煤柱渗入林西矿，造成该矿停产，赵各庄矿、堂家庄矿也受到威胁。矿井恢复正常生产用了两年时间，造成直接经济损失近5亿元。80年代以来，发生的突水事故的次数和造成的经济损失足惊人的，教训也是十分深刻的。综上所述，我国煤矿底板岩溶水的突水频率日趋上升：突水水量日趋增大，造成的损失也日趋严重。因此，为适应煤炭生产的迅速发展，加强煤矿底板岩溶水的研究，具有十分重要的现实与深远意义。1.2研究现状（Current Research States）1.2.1国内研究现状（Internal Current Research States）我国主要煤产地华北石炭二叠纪煤田和南方晚二叠世煤田属于岩

4、溶水文地质类型，受底板岩溶承压水威胁的煤矿总产量达100Mta，占全国煤炭年产量的十分之一。开采煤矿底板岩溶水的研究已有30多年的历史，但主要还是在70年代以后。由于矿井突水跋繁，淹并事故严重，给国民经济造成巨大损失。因此，我国的科学工作各开展了广泛的科学研究与现场测试工作，对煤矿底板突水有了较深入的认识，并取得了可喜的成果。煤炭科学研究总院北京开采所在鹤壁八矿、邯郸王风矿等矿区进行了煤层采动底板岩体破坏形态与破坏规律的现场观测研究；西安地质勘探分院水文所与山东矿业学院地质系也分别在淮商、峰岭等矿区进行了类似的底板岩体采动破坏深度的观测积累了一些可靠的资料，为进一步的理论研究打下了基础。特别是

5、80年代后，人们开始采用理论计算、物理力学模拟等方法验证观测资料，预测底板突水，并逐步形成了以系统工程方法为理论基础的综合研究体系。 1 ) 基本理论。基于淄博、肥城、邯郸、霍县等矿区的实测资料与以前的资料，初步建立了承压水上采煤科学，提出了采动应力场与承压水运动场的耦合作用效应理论和基本规律，底板岩体移动的“零位破坏”与“原位张裂”理论，顶底板岩体移动应力一致性规锦，双向剪切破坏及有限应力作用原理等。这些理论和规律奠定了承压水上采煤的理论基础。 2 ) 预测系统工程方法。运用拟合方法建立采前地质模型与采动模型，分析与评价底板突水条件、突水特征、突水规律。预测采动底板突水的可靠度，系统研究底板

6、突水性和预防方法。 3 ) 观测系统工程方法。以方法为基础采用全空间一全方位的观测方法从岩体超声波特性、层间水动态规律、顶底板应力变化、煤柱及采交区力变化等方面系统观测采动应力场与承压水运动场的耦合效应，形成综合观测系统。 4)治理与监洲系统工程方法。采用客观方法与主观方法相结合的承压水，采煤油理与监测建立综合开采体系，提供采动突水性监测方以并提出综合防治底板突水的基本原则与途径。这些研究成果为承压水上采煤学科奠定基础，并把煤矿底板岩溶水的研究工作进一步引向深入，对指导安全生产起到一定的推动作用。1.2.2国外研究现状（Current Research States abroad）就世界范围而

7、论，岩溶地层分布面积占世界大陆面积的四分之一，有些国家，如匈牙利、南斯拉夫、四班牙等，岩溶地的覆盖面积更大。因而在煤矿开发中都程度不同地受到底板岩溶水的影响。国外煤矿底板岩溶水的研究已有l00多年的历史，在底板岩体结构的研究、探测技术及防排水措施等积累了丰富的经验。早在20世纪初，国外就有人注意到底板隔水层的作用，并从若次底板突水资料中认识到，只要煤层底板有隔水层，突水次数就少，突水水量也小，隔水层越厚则突水量越少。直到1944年，例牙利韦格弗伦斯第一次提山底板相对隔水层的概念。他指出，煤层底板突水不仅与隔水层厚度有关，还与水压力有关。突水条件受相对隔水层浮度(相对隔水层厚度是等值隔水层厚度与

8、水压力值之比)的制约。同时，相对隔水层厚度大于15matm的情况下，开采过况中基本不突水。80一88的突水都是相对隔水层小于此值。1952年以后，许岩溶水采煤的国家引用了只要相对隔水层厚度大于2matm就不会引起煤层底板突水的概念。以后，现场和实验室相结合研究了隔水层的作用，研究的主要问题有两个一是岩体结构阻水能力，二是岩体强度抗破坏能力。前者主要研究岩石的地质特征，如层间断层、裂隙密度、岩溶发育、水流特征及岩石限制水流能力等，有人根据现场观测，提出运用阻水系数表示隔水的突水条件、隔水层的水力阻抗程度。后者指在巷道或采空区形成的情况隔水层抗破坏则能力，并从能量平衡观点解释底板隔水后的破坏条件。

9、 1974年，匈汁利国家矿业技术鉴定委员会已将相对隔水层深度的概念列入矿业安全规程，并对不同条件矿井条件作了规定和说明。70年代后，苏联等国家也升始研究相对隔水层得外用，包括采空区引起的应力变化对相对隔水层厚度的影响，以及水流和岩石结构关系等。 1 ) 水害的防治方法。在研究的同时，世界各国还十分重视水害的防治和岩溶及断裂的探测技术等。目前水害的防治主要有三种方法：传统的消积方法、以预防为主的治水方法(又称防、排、堵、三位一体法）、积极的治水方法(又称为强排降压方法)。 2 ) 探测仪器。随着电子工业的发展，国外岩溶探测技术有了很大进步，尤其是80年代，探测仪器的先进性、实用性主要表现在，能准

10、确探查采前煤层底板岩溶发育特点及分布规律，超前探测构造的导水行，并且向“无损”探测技术发展。1.3研究内容及研究方法（Research Contents and Approach）赵家寨煤矿所属的郑煤集团公司自1999年至今,共发生底板突水事故4起,见表1,经济损失达数千万元。因此,认真研究承压水体上煤层开采技术,并总结出一套适合郑州矿区的开采技术是十分有意义的。1.3.1影响底板突水的因素1水源条件水源包括水量和水压,水量是突水的物质基础,水压是突水的动力。水量越丰富,突水量越大,危害性越大。水压的作用表现为:处于封闭状态的岩溶水不断地溶蚀、冲刷构造裂隙,形成通道,由含水层上升进入到底板隔水

11、层,从而破坏了底板隔水层。水压越大,这种破坏作用越严重。2矿山压力在支承压力作用下,从煤体边缘到采空区一定距离和一定深度范围内的底板出现水平拉应力;在压缩区和膨胀区分界处的底板中出现剪应力。拉应力和剪应力使底板出现了一系列垂直于层面的裂隙缝。垂直裂隙缝交叉,形成底板破坏带,从而在煤层底板形成了下三带。当h2=0时极易使破坏带与含水层或导升带相接发生突水事故。3隔水层的阻水能力隔水层的阻水能力取决于隔水层的强度、厚度和裂隙发育程度。强度越大、厚度越大、裂隙越少,隔水层阻力越大,突水的危险性就越小,反之,突水的危险性就越大。14地质构造大量统计资料表明,底板突水事故80%以上发生在断裂构造附近。底

12、板突水,首先要有带压的水体,其次要有突水的通道。隔水层的岩体强度要比底板岩溶水的压力大几倍至几十倍,底板突水的实际通道几乎都是底板隔水层中原有的断裂构造。断裂构造可以充水或导水,大大降低隔水层的实际强度,减小底板隔水层的有效厚度。1.3.2承压水水上开采方案1）深降强排方案深降强排方案就是设置各种疏水工程,如疏水井巷、疏水钻孔等,将岩溶水位人为地降低到开采水平以下,以确保安全地进行开采。告成煤矿1307轨道巷底板突水后就是采用这种方案,在相邻的工作面的底板布置了1底板疏水巷,进行人为疏放,使水位降到了开采水平以下,解除了13采区受底板承压水的威胁,确保了矿井安全生产。这种方案虽说效果最好,但存

13、在着疏水工程量大、设备多、电耗大、使水位降低造成工农业用水缺乏和地表下沉等缺点。此外,当井田内承压水水量极为丰富补给来源充足时,深降强排方案难以实现。2）外截内排方案外截内排方案的实质,是在井田或井田内某一区域外围的集中径流带采用钻孔注浆的方法建立人工帷幕,截断矿井的补给水,然后在开采范围内进行疏放,将承压水的水位降低到开采水平以下。超化矿22081工作面突水后,就是利用这种方案在突水点四周进行钻孔注浆,有效封堵截断了出水点的补给水,同时加大该采区的疏水排水强度,目前该采区已恢复生产,突水点的水量由原来的2700m/h降到300m/h,确保了整个矿井的安全生产。但这种方案只能适用于特定的条件,

14、如水文地质条件清楚补给径流区集中、帷幕截流工程易于施工等。3）带压开采方案带压开采方案就是在开采过程中利用隔水层的阻水能力,防止底板突水。带压开采无需事先专门排水,也能做到安全开采,且在经济上花费较少。但带压开采不能确保不发生底板突水事故,特别是在水文地质条件复杂的地区,带压开采时底板突水的可能性更大。因此,在采用带压开采方案时,首先要对其可能性进行论证,并要采取一系列安全措施,还要有足够的备用排水能力,最好是在水文地质条件清楚、隔水层厚度达到防水要求的情况下采用。4）带压开采综合治理方案带压开采综合治理方案是在查清区域地质、矿井水文地质及构造地质情况的基础上进行带压开采。在开采之前,要在矿区

15、外围堵截地下水的补给水源;在开采的过程中,视矿井涌水量和水压大小,进行适当的疏水降压,从而达到安全开采的目的这种方案具有相对安全、经济等优点,适用范围广但要实现带压开采综合治理方案,还需采取一系列安全措施。1.3.3防探水安全预防技术措施1)做好矿井水文地质及构造地质工作。要查清开采区域内的水文地质情况,并要系统地研究矿区的构造地质,分析开采区域内的断层分布规律与构造体系,同时查明断层的导水性能。2)加强防探水工作。在开采受承压水威胁的煤层时,应坚持超前探水工作,并及时探测底板隔水层厚度及其变化、底板含水层的含水性能及底板隔水层中地下水导升高度、断层的含水层性能、断裂裂隙分布规律及富水程度。3

16、)设置井上下水文工程设施。设置水文观测钻孔,建立水文观测制度,及时搜集和整理水文资料,做到全面掌握底板奥灰承压水的动态和变化规律。必要时在井下开采水平设置专门的疏水巷道和疏水钻孔。4)对底板进行注浆加固。对于底板破碎带及薄层石灰岩含水层,通过钻孔进行注浆,堵塞溶洞,加固破碎带和断裂带,并封闭奥陶系石灰岩的补给通道,以实现在承压水体上安全采煤。1.3.4开采安全技术措施 我国许多煤田水文地质条件十分复杂，煤层开采过程中受多种水体的威胁，因此，煤矿防治水问题是煤矿生产及科研中的一大难题。据初步统计，1988年底，全国统配煤矿中受水害威胁的矿井达285处，占47.5%，受水害威胁的储量达89亿吨，占总储量的31.7%。从近几年的开采情况来着，每年采出受水威胁的煤炭储量还不到总采出量的l0%。因此，尽快解放受水威胁的煤炭储量，将直接