专题-承压水与安全开采的技术与施工.doc

1、专题部分承压水与安全开采的技术与施工摘要：以煤矿在承压水体间安全开采为背景，通过研究，建立矿井工程地质与水文地质模型，揭示承压水条件下开采过程中顶底板岩层变形破坏规律和渗流场分布，对煤矿突水威胁危险性做出科学评价，提出开采方案，开采参数和防水技术措施，保障下组煤开采在技术上、经济上、安全上的合理性和可靠性。关键词：承压水体；安全开采；防水措施引言矿井突水灾害是煤矿生产中重大灾害之一，但随着矿井开采深度的逐年增加，深部矿压对煤层底板的破坏活动加剧，地层深部承压水由于势能较高，对煤矿生产的危害程度将有增加的趋势。由于各个区域的矿井地质条件千差万别，突水影响因素众多，因此突水发生形式以及机制也各不相

2、同。欲在承压水体上安全地进行开采，必须对该区域地质、工程地质、水文地质进行综合分析和研究，系统研究安全开采方法，设计开采参数和防治水措施，正确指导采煤设计和防治水设计，做到有的放矢，确保安全生产。1承压水概述充满于上、下两个相对稳定隔水层之间的含水层中，对顶板产生静水压力的地下水，称为承压水。承压水由于有隔水顶板存在，其补给区和分布区不一致，与水文因素季节变化的关系不甚明显，动态稳定，不易受污染。又因受上、下隔水层的限制，其有一定的承压水头，运动方式不是在重力作用下的自由流动，而是以传递静水压力的方式进行水的交替，当地形条件适宜时，经钻孔揭露承压含水层后，承压水会喷出地表（承压水因此又称自流水

3、）。最适宜承压水形成的构造形式有向斜和单斜。储存承压水的向斜构造，在水文地质学上通常称为承压水盆地或自流盆地。自流盆地按其水文地质特征可分为补给区、承压区及排泄区3部分，如图1-1所示。在含水层出露较高，并且直接接受大气降水或地表水补给的地段，称为补给区。补给区的地下水，具有潜水性质。含水层出露较低，且以泉的形式出露地表，或补给潜水和地表水的地段，称为排泄区。在补给区和排泄区之间，含水层上部具有隔水层且承受静水压力的地段，成为承压区。在承压区，当钻孔打穿隔水顶板时，承压水便涌入钻孔内，水沿钻孔上升，当水位上升到一定高度且稳定后，此时的水面标高称为承压水的测压水位或静水水位。从静水水位到隔水顶板

4、地面的垂直距离称为承压水头；上、下两隔水层之间的垂直距离，称为含水层厚度。图1-1 自流盆地构造示意图在向斜构造的自流盆地中，往往有几个含水层存在，每个含水层分别有自己的补给区、承压区和排泄区。当地表形态与构造形态一致时，称为正地形自流盆地。在正地形自流盆地中，下部含水层的测压水位一般较上部含水层高，含水层之间若有水力联系，往往是下部含水层补给上部含水层。地表形态与构造形态相反的自流盆地，称为负地形自流盆地。负地形自流盆地中，下部含水层的测压水位一般较上部含水层低，若含水层之间发生水力联系，往往是上部含水层补给下部含水层。储存承压水的单斜构造，称承压水斜地或自流斜地。自流斜地通常是因含水层岩相

5、变化或尖灭，以及含水层被断裂错开或被各种侵入体阻挡而形成。由断裂构造形成的承压水斜地，见图1-2。当断裂带导水时，则各含水层将通过断层发生水力联系或通过断层以泉水的形式排泄于地表，构成承压水的排泄区，此时承压区介于补给区和排泄区之间，情况与自流盆地相同，见图1-2a；若断裂带隔水而不导水时，则含水层的补给区接受地表水或大气降水的补给，当补给量超过含水层可能容纳的水量时，在含水层暴露地带的低洼处呈泉水形式出露于地表，形成排泄区，此时补给区和排泄区位于承压区的同一侧，见图1-2b。当地下水未充满两个隔水层之间时，称为无压层间水，其特征除具有自由水面而不承压外，基本上与承压水相同。承压水含水层的水面

6、特征，可用等水压线图来描述。承压水等水压线图即承压水测压水位等高线图，见图1-3。根据等水压线图可以测定承压水的流向、水力坡度及每一点的承压水位，判定各承压含水层之间以及与潜水的相互补给关系，为矿井疏干降压提供资料。承压水虽是很好的供水水源，但是对矿井开采来说，地下水过大，会使大量的地下水流入井下，甚至造成淹井事故，必须引起高度重视。图1-2 断裂构造形成的自流斜地图1-3 承压水等水压线图2研究的关键问题针对煤矿开采过程中遇到的承压水突水威胁，其关键问题包括：（1）对影响煤层底板突水的水文地质与工程地质主控指标的勘察探测和分析，如含水层含水性、渗透性、系统性；隔水层厚度、分布、完整性；所在地

7、区的地质构造；地应力大小等相关指标。（2）承压水体上的下组煤开采后，岩体内引起的移动变形和破坏特征，特别是在遇有特殊地质构造（断层、陷落柱、破碎带、隔水层变异等），在流固耦合作用下煤层开采引起的底板渗流变异规律，包括初次开采、重复开采与扩大开采范围后的底板岩层变形破坏异常规律。（3）对底板隔水层、陷落柱、破碎带遭到突然破坏和扰动，形成矿井突水危险性及潜在危害的评价。（4）对承压水体上开采的技术可行性、经济合理性和安全性做出科学地评价。3巷道的承压水水害隐患预测及防治研究现状3.1概述对于华北型煤田，由于深部矿床水文地质条件复杂，奥陶纪灰岩含水层富水性强,水压值大，可达到2.06.5MPa。下组

8、煤层与其下伏的灰岩岩溶含水层之间的隔水层厚度一般只有1020m，最大5060m。此类煤田有河北的井径、临城、邢台、邯郸、峰峰、开滦，河南的安阳、鹤壁、焦作、平顶山、新密、豫西，山东的淄博、月巴城、莱芜、新汉、枣庄，江苏的徐州、大屯，安徽的淮南、淮北，山西的霍州、轩岗、潞安，陕西的渭北，辽宁的本溪、南票，吉林的通化等30多个。目前，北方主要矿区受岩溶水威胁的煤炭储量达150多亿吨，如何将这些煤炭从承压水上解放出来，实现安全高效煤矿的生产，一直是中国煤炭行业的主要攻关课题之一。3.2矿井开拓工程突水实例据统计，矿井井巷涌水量约占矿井总涌水量的50%以上，特别是在井巷通过有水力联系的松软破碎带、断层

9、裂隙带或直接揭露含水层时，常因掘进中巷道围岩等卸压加载等引起的矿压现象，使巷道围岩产生变形、破坏、坍塌、冒落，当抗压岩柱小于动水压力时，会造成突水灾变事故，危及生产安全。目前，国内煤矿开采过程中，各种巷道开拓突水事故时有发生，甚至在建井期间即发生突水，造成淹井或停产事故。大量实践表明，巷道突水在煤矿水害事故中占有很高的比率，以下列举几例巷道开拓时发生突水的实例。1993年1月15日，某煤矿在开采太原群下部煤层时，受底部承压灰岩水的严重威胁，在巷道掘进时发生32970m3/h特大突水淹井事故。（突水原因是巷道超压掘进，底板奥灰岩存在富水区及强迳流带，q=0.85101L/（sm）。2006年8月

10、28日，某铁矿发生突水，瞬时最大水量928m3/h。造成井巷被淹，矿井治水停建（突水原因分析是巷道接近F4导水断层所致）。2010年3月1日，某煤矿在矿井建设巷道开拓时，发生72000m3/h底板奥灰岩溶水特大突水事故，涌水量为新中国建国以来第二大（突水原因是对巷道底板奥灰承压水危险性认识不足，巷道盲目超前掘进所致）。2010年3月28日，某岭矿在矿井建设开拓中，发生重大突水事故，事故发生当时被困153人，经过煤矿历史上最大规模抢救，但仍造成38人死亡（突水原因是巷道盲目超前掘进导通老空水)。部分开拓工程突水实例见表3-1。表3-1 部分开拓工程突水实例序号工程概况突水时间突水量m3/h突水原

11、因危害后果1主、副井联络巷1995.12.333996地板奥灰水上超压掘进，断层淹井2北大巷掘进迎头-2101993.1.1532970地板奥灰水上超压掘进，奥灰为富水区及强迳流带淹井3采区轨道上山1973.3.19480底板五灰水上超压掘进，断层停掘4溜子道掘进1994.1.162100断层位置不准掘进到断层奥灰突水淹没巷道5掘进迎头1999.1.165273超压掘进诱发奥灰水突破带淹井6轨道下山车场1985.5.1719200超压掘进诱发奥灰水突破带淹井7风井，-390m水平回风石门2006.8.28928砂砾岩水，断层淹井8副井临时水仓1958.3.236540底板灰岩水、断层淹巷道9东

12、大巷掘进1972.1.214515底板奥灰水、断层淹井10掘进巷道放炮1995.12.8600底板奥灰水上超压掘进淹井11胶带暗斜井向下掘进 132m2007.5.8220砂砾岩，小断层停掘122条暗斜井2003.8.11360K砂岩裂隙含水淹面停掘13北进风井筒施工到404.4m2007.7.19202断层导通多层砂岩水淹井14斜井开拓1992.8.41600灰岩水淹井15西一采区-390m石门2007.1.22000底板灰岩水上超压掘进停掘关闭采区闸门16四采区进风井2007.8.21127中砂岩水淹井17主井掘进到806.6m2006.12.27180断层导通2层砂岩水淹井18皮带巷掘至

13、369m2002.8.15120陷落柱导水停掘19下巷掘至750m2003.4.1270000奥灰突水淹井因此，延深受承压水威胁的矿井时，为适应其水压高、水量大的特点，在延深设计与施工中必须充分考虑防水、排水、治水的需要。必须高度重视水害预报、探水、治水工作，否则，由于延深开拓时还未形成强大的排水系统，而发生灾害事故。3.3巷道开拓突水机理而对于深部矿井巷道开拓工程，突水特征是过程发张快，峰值高，衰减快。其具体突水过程具有明显4个阶段：（1）前兆段，井巷发现淋水、底鼓、顶板来压、水色变黄等，时间一般一天以上。（2）突水段，出水量1t/min，水量逐渐增大，直至大水突出。时间2h14d不等。（3

14、）快速发展段，大水突出，常伴有巨响，岩石崩裂，混浊水冲出，水量急剧发展到最大值。时间222h，这是最具淹井威胁的时段。（4）水量衰减段，突水影响半径达到补给边界，含水层水力坡度逐渐平稳，水量逐步减少，直到稳定。一般346d，水量衰减程度与含水层补给条件有关，一般补给条件良好，衰减值30%50%，补给条件差的，衰减值60%90%。掘进巷道引发的突水事故比较多，与其它类型的突水事故相比，巷道突水有其明显的特点，就是迟到（或滞后）突水，其前兆往往被人忽视，没有及时采取措施而造成了严重的突水事故，即：岩石破碎遇水膨胀；上下岩层或本岩层富含水；突水点与断裂构造带连通；支护不及时或支护结构后面有空隙，能允

15、许围岩很快产生大变形；出水时间滞后,即均在围岩被揭露一定时间后发生；突水时有明显的诱导因素；初时突水为集中涌水，水量较小，之后伴随围岩或支护的破坏，水量逐渐增大，最后出现大面积淋水；涌水量增加是渐次递增，并数次突变，在达到稳定涌水量前一阶段递增突变尤为迅速；在达到一定涌水量后，水量趋于稳定。3.4巷道高承压突水国内研究现状（1）巷道高承压突水因素的研究从统计资料来看，巷道底板发生的突水事故占有相当部分，其主要机理是巷道开挖引起底板破坏，产生裂隙与底板含水层直接或间接沟通，并采动影响导致底板突水并引发突水事故。对于深部巷道延伸开拓工程，由于受底板高承压水的威胁最大，一旦巷道底板突水，其表现往往水压高、水流急、水量大等特点，所以对巷道掘进施工中的危害也是最大，故在巷道施工中也是最优先要考虑的突水因素。（2）巷道开拓突水预测的研究突水预测预报是近年来矿井突水灾害防治研究的一个重要方面，很多学者致力于这方面的研究工作，取得了重大进展，形成了不同的