底板水害防治技術(shù)與方法中國(guó)礦業(yè)大學(xué)

1、底板水害防治技術(shù)與方法,主講人：朱術(shù)云2014年11月24日中國(guó)礦業(yè)大學(xué),專(zhuān)題交流,第一節(jié) 底板水的疏水降壓 第二節(jié) 帶壓開(kāi)采水害防治,主要內(nèi)容：,第一節(jié) 底板水的疏水降壓,疏水降壓：借助于各種不同的疏水工程(鉆孔、巷道等)和相應(yīng)的疏排水設(shè)備，迫使含水層水位(水壓)降低到一定水平，造成不同規(guī)模的降落漏斗，使采掘工作得以在水量盡可能小甚至完全疏干的條件下進(jìn)行。,(一)地表疏水降壓,(二)井下疏水降壓,(三)井上下聯(lián)合疏水降壓,（一

2、）地表疏水降壓,地表疏降模式,地表疏降鉆孔(井)平面布置方式,地表疏降鉆孔(井)平面布置方式,（二）井下疏水降壓,下行式井下疏水降壓鉆孔注意!當(dāng)下伏含水層的水頭壓力過(guò)高（大于4～5MPa）時(shí)，井下放水鉆孔施工就很困難，此時(shí)此法不宜采用。,(a) 底板疏水降壓孔平面布置示意圖 (b)底板疏水降壓孔剖面示意圖,壓力傳遞式井下疏降鉆孔,壓力傳遞式井下疏水孔,兗州、濟(jì)寧煤田開(kāi)采下組煤疏放十下灰水。,（三）井上下聯(lián)合疏水降

3、壓,井上下聯(lián)合疏水降壓　　當(dāng)?shù)孛婊蚓聠我皇杞捣绞叫Ч缓没虿粔蚪?jīng)濟(jì)合理時(shí)，可采用井上下聯(lián)合疏水，或采用供疏結(jié)合的聯(lián)合疏水。當(dāng)?shù)V區(qū)一方面地面供水(工業(yè)、農(nóng)業(yè)、居民飲用)緊張，另一方面井下水害嚴(yán)重，礦區(qū)供水與礦井排水之間嚴(yán)重矛盾時(shí)，可利用礦區(qū)供水水源地直接作為礦井疏放水系統(tǒng)，或者將礦井疏水系統(tǒng)直接用作礦區(qū)供水水源地，實(shí)現(xiàn)疏供水結(jié)合。,第二節(jié) 帶壓開(kāi)采水害防治,一、帶壓開(kāi)采的概念,二 、 “下三帶”的概念,底板隔水層在開(kāi)采條件下三帶

4、分布示意圖,設(shè)煤層隔水底板總厚度為h，底板礦壓破壞帶、完整巖層帶與承壓水導(dǎo)高帶的厚度依次為h1、h2和h3，則：,三 、 “突水系數(shù)”的概念及內(nèi)涵,關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,底板帶壓開(kāi)采的安全條件取決于充水含水層（奧灰）水動(dòng)力條件與底板隔水能力的對(duì)比關(guān)系—目前較普遍采用突水系數(shù)（Ts）作為量化參數(shù),,—2009年最新頒布的《煤礦防治水規(guī)定》中，建議對(duì)構(gòu)造擾動(dòng)底板和正常塊段底板的臨界突水系數(shù)分別按0.06MPa/m和0.10MPa/m取值。,突水

5、系數(shù)（Ts）的物理意義明確，但量化依據(jù)不科學(xué),=,實(shí)際上，對(duì)應(yīng)于這兩種底板條件的帶壓開(kāi)采安全性不能等同視之,因M、P相同，則按突水系數(shù)法評(píng)價(jià)：,關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,底板灰?guī)r含水層壓力水頭：Pw,煤層與灰?guī)r含水層間隔厚度：,宏觀原因：錯(cuò)斷使煤層與灰?guī)r間隔距離縮短，L< M,正常部位底板突水系數(shù)：,斷層部位底板突水系數(shù)：,內(nèi)在機(jī)理：斷層帶是抗?jié)B透破壞的薄弱部位斷層部位奧灰水易通過(guò)斷層破碎帶向上產(chǎn)生漸進(jìn)性滲透破壞，并進(jìn)而導(dǎo)致突水,突水系數(shù)

6、：Ts2>Ts1—斷層破碎帶是最易發(fā)生突水的危險(xiǎn)部位！,正常底板：M,斷層帶：L,對(duì)于構(gòu)造部位,四、帶壓開(kāi)采安全度評(píng)價(jià),1、掘進(jìn)巷道底板隔水層安全隔水厚度,2、回采工作面底板隔水層突水系數(shù),3、安全水頭值,1、掘進(jìn)巷道底板隔水層安全隔水厚度,計(jì)算公式：式中：t—安全隔水厚度(m)； L—巷道底板寬度(m)； γ—底板隔水層的平均容重(t/m3)； Kp—底板隔水層的

7、平均抗張強(qiáng)度(10-2MPa)； H—底板隔水層承受的水頭壓力 (10-2MPa)。 如底板隔水層實(shí)際厚度小于計(jì)算值時(shí)，就是不安全的！,,2、回采工作面底板隔水層突水系數(shù),底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m就可認(rèn)為是安全的，正常塊段(隔水層完整無(wú)斷裂構(gòu)造破壞)不大于0.1 MPa/m就可認(rèn)為是安全的。,臨界突水系數(shù)：,,3、安全水頭值,(1)掘進(jìn)巷道安全水頭值

8、 式中 H—底板隔水層能夠承受的安全水壓(10-2MPa)； t—底板隔水層厚度(m)； L—巷道寬度(m)； γ—底板隔水層的平均容重(t/m3)； Kp—底板隔水層的平均抗張強(qiáng)度(10-2MPa) 當(dāng)掘進(jìn)巷道工作區(qū)段的水壓值大于所計(jì)算出的安全水壓值時(shí)，巷道有底板突水的危險(xiǎn)；反之，可以安全掘進(jìn)。,(2)回采工作面安全水頭值

9、 式中 P—底板隔水層能夠承受的安全水壓(MPa)； M—底板隔水層厚度(m)；

10、 T—突水系數(shù)(MPa/m) 當(dāng)回采工作面隔水底板的實(shí)際水頭值大于安全水頭值，則有底板突水的危險(xiǎn)；反之，可以安全回采。,五、利用隔水層帶壓開(kāi)采,(一)劃分突水性分區(qū),(二)帶壓開(kāi)采水害防治措施,（一）劃分突水性分區(qū)1、編制突水系數(shù)圖（5圖雙系數(shù)法）,突水系數(shù)的應(yīng)用是通過(guò)突水系數(shù)圖來(lái)體現(xiàn)的。有兩種突水系數(shù)圖，一種是礦區(qū)或井田突水系

11、數(shù)圖(比例尺1:5000～10000)，第二種是采區(qū)突水系數(shù)圖(比例尺1:1000～2000或更大)。,1）以煤層底板等高線(xiàn)圖為底圖，將已知斷層和開(kāi)采上部煤層新發(fā)現(xiàn)的斷層以及有用的礦井水文地質(zhì)資料標(biāo)于圖上。,某礦1718采區(qū)底板等高線(xiàn)圖,2）根據(jù)水位資料編制等水位線(xiàn)圖,某礦1718采區(qū)底板含水層放水等水位線(xiàn)圖,3）根據(jù)以上兩種資料繪制底板等水壓線(xiàn)圖,某礦1718采區(qū)放水等水壓線(xiàn)圖,4）編制有效保護(hù)層厚度等值線(xiàn)圖,某礦1718采區(qū)有效隔水

12、層等厚線(xiàn)圖,5）根據(jù)底板等水壓線(xiàn)圖和有效保護(hù)層厚度等值線(xiàn)圖，繪出突水系數(shù)等值線(xiàn)圖,某礦1718采區(qū)底板放水突水系數(shù)圖,2、劃分突水危險(xiǎn)性分區(qū),①安全區(qū)：是指當(dāng)煤層底板位于奧灰水位以下，此區(qū)不存在突水危險(xiǎn)性；②較安全區(qū)：是指突水系數(shù)小于0.06MPa/m，存在底板突水的可能性，需采取防治水措施，進(jìn)行帶壓開(kāi)采；③危險(xiǎn)區(qū)：是指突水系數(shù)介于0.06-0.1 MPa/m，突水的危險(xiǎn)性較大，在巖層完整構(gòu)造簡(jiǎn)單地帶采取安全措施的情況下可進(jìn)行帶壓開(kāi)

13、采；④最危險(xiǎn)區(qū)：是指突水系數(shù)大于0.1MPa/m，是底板突水的最危險(xiǎn)地段。,3、編制帶壓開(kāi)采地質(zhì)、水文地質(zhì)說(shuō)明書(shū),開(kāi)采受水威脅地區(qū)的煤層，在編制開(kāi)拓、掘進(jìn)與回采設(shè)計(jì)之前，必須編制該范圍的地質(zhì)、水文地質(zhì)說(shuō)明書(shū)，以作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。,(1)說(shuō)明書(shū)的工作范圍應(yīng)按開(kāi)采范圍所在的水文地質(zhì)單元或以構(gòu)造為邊界的地質(zhì)塊段來(lái)圈定，這便于分析含水層的補(bǔ)給、排泄以及含水層間的水力聯(lián)系，更便于水文地質(zhì)勘探及疏放降壓鉆孔的設(shè)計(jì)。 (2)說(shuō)明書(shū)除應(yīng)具備煤層

14、底板等高線(xiàn)圖、剖面圖等圖件外，還應(yīng)編制1：1000、1：2000或更大比例尺的有關(guān)帶壓開(kāi)采的專(zhuān)門(mén)水文地質(zhì)圖，如等水壓線(xiàn)圖、煤層底板隔水層等厚線(xiàn)圖以及突水系數(shù)等值線(xiàn)圖。 (3)對(duì)開(kāi)采區(qū)內(nèi)的所有斷層進(jìn)行分析。 （4）要對(duì)開(kāi)采區(qū)所在地質(zhì)塊段或水文地質(zhì)單元的主要含水層進(jìn)行水文地質(zhì)條件分析。,（二）帶壓開(kāi)采水害防治措施,具體防治方法：,(1)注漿改造含水層為隔水層，增加隔水層厚度,(2)超前鉆探和物探方法,(3)超前預(yù)警監(jiān)測(cè)方法,

15、(4)其它防治方法,（1）注漿改造含水層為隔水層，增加隔水層厚度,底板含水層注漿改造技術(shù)示意圖,減少礦井生產(chǎn)過(guò)程中的排水電費(fèi)，降低噸煤生產(chǎn)成本。有利于在礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中有效地保護(hù)礦區(qū)地下水資源。有利于在礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中有效地防止地下水系統(tǒng)環(huán)境擾動(dòng)而誘發(fā)的生態(tài)環(huán)境惡化和其他相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。改善井下采掘工作環(huán)境和勞動(dòng)條件?？焖倩謴?fù)被淹礦井或采掘工作面,注漿防治礦井水害技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：,①斷層帶或小斷層密集帶及附近區(qū)域： ②

16、地下水徑流集中帶及其附近地段： ③褶皺構(gòu)造核部或轉(zhuǎn)折區(qū)及不同類(lèi)型構(gòu)造交匯區(qū)。 ④隔水層厚度顯著變薄區(qū)域。 ⑤存在底板水原始導(dǎo)升高度區(qū)域。,煤層底板隔水層破碎帶注漿加固示意圖,重點(diǎn)改造的區(qū)段一般位于：,(2)超前鉆探和物探方法,,鉆探方法,,物探方法,(3)超前預(yù)警監(jiān)測(cè)方法,煤層位于導(dǎo)水?dāng)鄬由媳P(pán)時(shí)，煤(巖)柱的留設(shè),煤層位于導(dǎo)水?dāng)鄬酉卤P(pán)時(shí)，煤(巖)柱的留設(shè),煤層位于不導(dǎo)水?dāng)鄬由媳P(pán)時(shí)，煤(巖)柱的留設(shè),煤層位于不導(dǎo)水

17、斷層下盤(pán)時(shí)，煤(巖)柱的留設(shè),！斷層防水煤柱不得小于20m！,（4）其它防治方法,留設(shè)放水煤巖柱,煤層位于導(dǎo)水?dāng)鄬由媳P(pán)時(shí)，煤(巖)柱的留設(shè),,≥20,式中 L——順層防水煤柱寬度(m)； A——安全系數(shù)(一般取2～5)； M——煤層厚度或采高(m)； P——隔水層所承受的水壓(MPa)； Kp——煤的抗張強(qiáng)度（MPa）。,底板巖層阻滲強(qiáng)度實(shí)測(cè)法-對(duì)深部,,,兗州礦區(qū)底板阻滲現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)部分結(jié)果

18、,原始狀態(tài)導(dǎo)水破碎帶測(cè)試段壓滲過(guò)程曲線(xiàn),底板測(cè)試段實(shí)測(cè)起始導(dǎo)滲水壓及滲透阻力一覽表,注*）構(gòu)造破碎帶,主要測(cè)試成果,底板測(cè)試段實(shí)測(cè)穩(wěn)態(tài)滲流水壓條件及滲透阻力一覽表,注*）構(gòu)造破碎帶；**）因初次壓滲至壓裂破壞，故取值為重復(fù)壓滲測(cè)試結(jié)果,下組煤底板采動(dòng)狀態(tài)巖層抗?jié)B透破壞強(qiáng)度建議值,注*）RQD>85%；**) RQD=60%；***）RQD<30%,采動(dòng)底板阻滲能力評(píng)價(jià)模型,,,,Pwi為i分層起始導(dǎo)滲水壓力，Mpa；λi為i

19、分層側(cè)壓力系數(shù)；,γ為i分層覆巖平均重度，KN/m3；H為i分層覆巖厚度，m；Mi為i分層厚度，m。,Pm：煤層底板有效隔水層段所具有的阻水抗壓能力，,hi為第i層段底板有效阻水巖層厚度(m),在煤層底板下伏奧灰含水層的露頭部位，如有地面水流（河流、水渠）通過(guò)時(shí)，地面水往往大量漏失而補(bǔ)給含水層。如河流水量很大，但漏失段不很長(zhǎng)時(shí)，可在地面進(jìn)行河床防滲堵漏工作，往往能使礦井突水危險(xiǎn)性或礦井涌水量顯著減小。,地面防滲堵漏法,對(duì)于隔水底板厚度