水體下與承壓水上采煤-理工大

開采損害與保護(hù)Miningdamageandprotection第六章水體下與承壓水上采煤Chapter6Miningunderwaterbodiesandminingaboveconfinedwater

342地表移動(dòng)和變形觀測保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)5建筑下采煤7鐵路下采煤地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)6水體下采煤

1地表移動(dòng)和變形規(guī)律概述覆巖破壞規(guī)律12第六章水體下與承壓水上采煤水體下采煤的技術(shù)措施3承壓水上采煤4第一節(jié)概述

地下開采導(dǎo)致覆巖移動(dòng)破壞，當(dāng)破裂巖體接觸到地下、地面水體時(shí)，使水進(jìn)入井下淹沒礦井。同時(shí)導(dǎo)致含水層水位下降，地面河流、水庫干涸。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國600處國有重點(diǎn)煤礦中受水害嚴(yán)重威脅的礦井大約285對(duì)，占礦井總數(shù)的47.5%，受水威脅儲(chǔ)量超過250億噸。

如2005年全國煤礦共發(fā)生水害事故109起，死亡605人。其中發(fā)生一次死亡10人以上特大水害事故13起，死亡360人，分別占全國煤礦特大事故起數(shù)、死亡人數(shù)的22.4%和20.7%。

第一節(jié)概述第一節(jié)概述2005年至2006年初發(fā)生的16起特大透水事故，屬透老空水的有12起、死亡382人；屬斷層突水的2起、死亡26人；屬溶洞突水的2起、死亡48人。

礦井水害防治和近水體煤層的安全開采已成為礦區(qū)生產(chǎn)中急需解決的重大實(shí)際和理論問題。第一節(jié)概述

對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)采礦條件下的覆巖破壞高度預(yù)測尚不能滿足生產(chǎn)的需要。今后應(yīng)進(jìn)一步努力的方向?yàn)椋航⒘严稁r體應(yīng)力—滲流耦合關(guān)系；研究斷層對(duì)巖體破壞規(guī)律的影響；研究工作面底板破壞規(guī)律；研究高效、廉價(jià)的覆巖破壞范圍探測儀器、手段和方法等。第一節(jié)概述

我國從二十世紀(jì)六十年代初開始開展覆巖破壞規(guī)律及水體下（上）采煤的研究，進(jìn)行了大量的覆巖破壞高度現(xiàn)場實(shí)測，建立了適合我國實(shí)際情況的覆巖破壞高度計(jì)算理論和方法。在理論研究方面，已從經(jīng)驗(yàn)方法向理論方法轉(zhuǎn)變，開展了力學(xué)方法預(yù)測巖體破壞高度的研究；初步建立了裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流理論；提出了“下三帶”理論和水體上、下采礦的措施。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了河下、海下、含水砂層下及奧灰承壓水上等采煤。第一節(jié)概述

我國水體下采煤不僅解放了大量水下煤炭資源，還獲得了豐富經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展了理論，形成了一套具有我國特點(diǎn)的理論體系。即，從分析水體類型、特征、賦存條件及上覆巖層的水文地質(zhì)條件、地層結(jié)構(gòu)入手，并根據(jù)地質(zhì)采礦條件預(yù)計(jì)覆巖冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶的高度、空間形態(tài)，掌握覆巖的移動(dòng)破壞規(guī)律及兩帶與上覆水體之間的聯(lián)系，從而確定煤層合理的開采上限。在確保礦井生產(chǎn)安全的條件下，實(shí)現(xiàn)資源利用的最大化和水資源的保護(hù)。第一節(jié)概述一、近水體采煤的特點(diǎn)近水體采煤不僅可能對(duì)礦井生產(chǎn)的威脅，而且會(huì)對(duì)水資源的破壞。根據(jù)水體位于煤層的位置不同，將近水體礦層開采分為水體下開采和水體上開采。當(dāng)煤層位于水體下方時(shí)，稱為水體下開采。當(dāng)煤層位于承壓水體上方時(shí)，稱為水體上開采。

水體下（上）采煤與建筑物下采煤相比具有自身的特點(diǎn)：（1）水體下（上）采煤對(duì)變形量的大小關(guān)心較少，主要關(guān)心破裂巖體是否觸及到水體；（2）保護(hù)對(duì)象一般來說不是水體而是礦井本身；（3）水體是一整體，只要破裂帶觸及到水體，就會(huì)使整個(gè)水體潰入井下，淹沒礦井，因此水體必須作為整體加以保護(hù)。第一節(jié)概述第一節(jié)概述二、水體類型礦區(qū)水體主要分為地表水和地下水體兩大類。（一）地表水(Surfacewater)

賦存在地球水圈中，有江河湖海、水庫、灌渠、山谷沖溝、稻田、洪區(qū)、沼澤、坑塘以及地面沉陷積水區(qū)等。地表水屬單一型水體。

（二）地下水(Undergroundwater)

賦存在地球巖石圈中，積聚在巖石空隙中的水稱為地下水。主要有第三、第四系沖積層內(nèi)的砂層水、砂礫巖水及砂石層水（統(tǒng)稱松散含水層）；基巖內(nèi)的砂巖、礫巖、砂礫巖、石灰?guī)r巖溶含水層及老采空區(qū)積水（稱基巖含水層）。第一節(jié)概述第一節(jié)概述

從采礦工程角度出發(fā)，可將地下含水層按埋藏條件分為松散層內(nèi)的含水層和基巖內(nèi)的含水層兩種。松散含水層的特點(diǎn)是流速小、流量小。基巖含水層的特點(diǎn)是含水層位于兩個(gè)隔水層之間并承受靜水壓力，所以稱為承壓水。有時(shí)承壓水位于開采煤層的底板巖層內(nèi)，對(duì)開采構(gòu)成威脅。

一般條件下，地表水特別是大型地表水儲(chǔ)存量大，補(bǔ)給充分，且常?；ハ噙B通，較大的地表水體一旦與礦井采空區(qū)溝通，將嚴(yán)重威脅井下生產(chǎn)及人身安全或造成淹井事故。同時(shí)開采疏漏地表及近地表水，將損害區(qū)域生態(tài)環(huán)境，加劇荒漠化程度。地下水比地表水距開采煤層更近一些，且賦存情況不易搞清，其具有隨機(jī)性、突發(fā)性和不可預(yù)測性，因此常對(duì)其下方開采的安全威脅更大。第一節(jié)概述第二節(jié)覆巖破壞規(guī)律一、覆巖破壞的分帶隔水層位于冒落帶內(nèi)時(shí)，其隔水性將會(huì)完全被破壞；隔水層位于裂縫帶內(nèi)時(shí)，其隔水性也被破壞，破壞的程度由導(dǎo)水裂縫帶的下部向上部逐漸減弱；隔水層位于上覆巖層的彎曲帶下部時(shí)，其隔水性可能受到微小影響；隔水層位于覆巖彎曲帶中部或上部時(shí)，其隔水性不受采動(dòng)影響。一般將采動(dòng)破壞的頂板冒落帶和裂縫帶合稱為導(dǎo)水裂縫帶。Fracturedzone

Cavingzone

Continuousdeformationzone

采礦活動(dòng)對(duì)上覆水體的影響有兩方面：一是上覆巖層的移動(dòng)和破壞，形成了充水通道，使水體中的水滲透和潰入井下，影響礦井的安全生產(chǎn)；二是地表的移動(dòng)、變形與破壞，使地表水體的附屬建筑物受到影響，如堤壩下沉量很大或斷裂時(shí)，河湖中的水就要出槽漫流。

水體下采煤的重點(diǎn)之一，是要分析開采后覆巖冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶對(duì)水體的影響。這種影響由于地質(zhì)采礦條件不同而不同。第二節(jié)覆巖破壞規(guī)律第六章水體下與承壓水上采煤第一節(jié)概述 第二節(jié)覆巖破壞規(guī)律 第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施

第四節(jié)承壓水上采煤 第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施

水體下采煤的安全技術(shù)措施有：留設(shè)安全煤巖柱、處理水體和采取開采措施。有時(shí)單純采用一種方法不能解決問題，而必須多種方法聯(lián)合使用。一、留設(shè)安全煤巖柱地下開采后，覆巖及地表產(chǎn)生移動(dòng)破壞，在覆巖內(nèi)部產(chǎn)生導(dǎo)水裂縫帶，在地表出現(xiàn)裂縫，當(dāng)導(dǎo)水裂縫帶與地表裂縫連通后，地表水體經(jīng)采動(dòng)裂縫進(jìn)入井下，淹沒礦井。留設(shè)安全煤巖柱的目的就是使導(dǎo)水裂縫帶不觸及水體或觸及水體但不會(huì)使水大量涌入井下，達(dá)到安全采煤的目的。

在水體和煤層開采上限之間留設(shè)一定垂深的巖層塊段和煤層，稱為安全煤巖柱。根據(jù)保護(hù)目的不同，安全煤巖柱可分為：防水安全煤巖柱、防砂安全煤巖柱和防塌安全煤巖柱。

1．防水安全煤巖柱在水體底界面至煤層開采上限之間所留設(shè)的防止水體中的水潰入井下的煤和巖層塊段稱為防水安全煤巖柱。防水安全煤巖柱適用于以下條件：含水層上工作面下工作面煤柱采動(dòng)裂隙第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施（1）各種水體下采煤；（2）各類地表水體和第四紀(jì)、第三紀(jì)松散含水層下開采急傾斜煤層；（3）厚度大、富水性強(qiáng)、補(bǔ)給充足的第四紀(jì)、第三紀(jì)松散含水層下開采緩傾斜或傾斜煤層；（4）水體與基巖間無隔水層或隔水層極薄條件下開采緩傾斜或傾斜煤層；（5）含水豐富、補(bǔ)給充足的基巖含水層特別是巖溶水體下采煤；（6）在水庫、水源、水渠和池塘等生產(chǎn)、生活要求保護(hù)的水體下采煤；（7）礦井排水能力有限或礦井涌水量增加會(huì)惡化工作面作業(yè)環(huán)境的條件下采煤。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施

防水安全煤巖柱的高度等于預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂縫帶最大高度加上適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)層厚度（圖6-4），即：H水=H導(dǎo)+Hb式中，H水-防水安全煤巖柱的高度，m；

H導(dǎo)-導(dǎo)水裂縫帶最大高度，m；按前述公式計(jì)算。

Hb-保護(hù)層厚度，m。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施

如果上覆巖層無松散層覆蓋或采深較小，在留設(shè)防水安全煤巖柱時(shí)還應(yīng)考慮地表裂縫的深度，即：

H水=H導(dǎo)+Hb+Hd

（6-19）式中，Hd─地表裂縫的深度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。如果松散層為強(qiáng)或中等含水層，且直接與基巖接觸，而基巖風(fēng)化帶也含水，在留設(shè)防水安全煤巖柱時(shí)應(yīng)考慮基巖風(fēng)化帶的深度，則有

H水=H導(dǎo)+Hb+Hf

（6-20）式中，Hf─基巖風(fēng)化帶厚度，m，根據(jù)勘探資料確定。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施2．防砂安全煤巖柱在松散弱含水層底界面至煤層開采上限之間為防止流砂潰入井下而保留的煤層和巖層塊段稱為防砂安全煤巖柱。其作用是防止冒落帶進(jìn)入或接近松散層，確保泥砂不潰入井下，防砂安全煤巖柱等于冒落帶高度加上保護(hù)層厚度（圖6-5），即

Hs=H冒+Hb

（6-21）式中，H冒──冒落帶高度，按本節(jié)前述公式計(jì)算。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施

防砂安全煤巖柱適用條件：（1）地表僅有規(guī)模較小的水體，補(bǔ)給有限，容易疏干或滲入量不大；（2）地表雖有規(guī)模大的水體，但水體和基巖之間有厚度較大的粘土、亞粘土層等；（3）第三、第四紀(jì)松散層較厚，含水層和隔水層交錯(cuò)沉積。松散層中，下部僅有富水性弱、補(bǔ)給有限的弱含水層；或整個(gè)松散層為單一結(jié)構(gòu)的弱含水層；（4）在基巖中有含水性弱、補(bǔ)給量小的含水層，并且其底界面至開采煤層頂面的隔水層最小厚度大于冒落帶高度，小于裂縫帶高度的情況下，這時(shí)的煤巖柱也屬防砂安全煤巖柱。（5）礦井排水能力富裕時(shí)，允許礦井涌水量有遞增的趨勢，但其最大涌水量不超過實(shí)際的排水能力。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施3．防塌安全煤巖柱在松散粘土層和已經(jīng)疏干的松散含水層底界面與煤層開采上限之間為防止泥砂潰入采空區(qū)而保留的煤層和巖層塊段稱為防塌安全煤巖柱。防塌安全煤巖柱也稱煤皮煤柱，留設(shè)防塌安全煤巖柱時(shí)是允許導(dǎo)水裂縫帶和冒落帶波及松散弱含水層底部，礦井的涌水量會(huì)增大。防塌安全煤巖柱的垂高接近或等于冒落帶高度（圖6-6），即

Ht=H冒（6-22）第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施

防塌安全煤巖柱的適用條件為：

（1）地表水體小，補(bǔ)給不充分或無經(jīng)常性補(bǔ)給，且水體與煤層基巖之間全部或底部為厚度大的弱含水層與隔水層互層；（2）地表水體雖大，但系季節(jié)性或非經(jīng)常性的，補(bǔ)給水源又進(jìn)行了處理，且水體與基巖之間為厚度大的弱含水層隔水層互層的松散層；（3）具有多層結(jié)構(gòu)的松散層，且底部為厚層弱含水層；（4）當(dāng)煤層頂板為弱含水層，且補(bǔ)給不足，含水層與煤層的距離接近于冒落帶高度時(shí)。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施4．保護(hù)層厚度的確定

由于冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)測存在一定的偏差，因此在留設(shè)各類安全煤巖柱時(shí)，均要加進(jìn)保護(hù)層厚度?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，不同性質(zhì)的覆巖應(yīng)增加不同的保護(hù)層厚度。各種條件下保護(hù)層厚度選取方法如下：（1）在緩傾斜煤層開采條件下，保護(hù)層厚度見表6-1和表6-2。（2）在急傾斜煤層開采條件下防水安全煤巖柱和防砂安全煤巖柱中的保護(hù)層厚度按表6-3選取。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施

表6-4為水體采動(dòng)程度，賦存狀態(tài)及煤巖柱類型表，可供參考。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施二、處理水體處理水體是水體下（上）采煤的一項(xiàng)有效而又不得已的措施。主要包括兩方面：疏降水體和處理水體補(bǔ)給來源。

1．疏降水體措施（Drainage)

在水體下（上）采煤時(shí)，有時(shí)水體距離煤層很近，不可能采取留設(shè)防水煤巖柱和采取開采措施的方法進(jìn)行開采，必須對(duì)水體進(jìn)行疏降，以降低含水層水壓和水量。疏降水體的方法有鉆孔疏降、巷道疏降、聯(lián)合疏降、回采疏降和多礦井分區(qū)排水聯(lián)合疏降。

鉆孔疏降、巷道疏降就是通過鉆孔和巷道直接抽排含水層中的水，使含水層疏干或水位降低，然后進(jìn)行開采。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施

聯(lián)合疏降是根據(jù)地質(zhì)采礦條件、含水層特點(diǎn)，采用巷道、鉆孔聯(lián)合疏降水體。具體為先掘進(jìn)疏水巷道和石門，然后再在其中打鉆孔穿過含水層放水進(jìn)行疏降。

回采疏降就是通過開采離含水層遠(yuǎn)的工作面，使含水層水通過這些工作面的采動(dòng)影響緩慢流出，以降低含水層水位，達(dá)到疏降的目的?；夭墒杞颠m合于弱含水層和補(bǔ)給來源有限的含水層。

多礦井分區(qū)排水聯(lián)合疏降是根據(jù)地下水連通的特點(diǎn)，采用多個(gè)礦井排水聯(lián)合疏降，以達(dá)到快速疏水的目的。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施2．處理水體補(bǔ)給來源（Waterresourceprocessing)

處理水體補(bǔ)給來源就是在回采前用水文地質(zhì)、工程地質(zhì)的方法對(duì)補(bǔ)給水體的主要來源進(jìn)行處理。具體的方法有：（1）河流改道。使其不流經(jīng)采空區(qū)上方，達(dá)到安全開采的目的；（2）帷幕注漿堵水。就是通過成排的鉆孔將水泥、粘土等材料注入含水層中，形成地下?lián)跛∧唬袛嗟叵滤a(bǔ)給的通道。該法適用于含水層厚度較小但流量較大、水文地質(zhì)條件清楚并具備可靠的隔水邊界的含水層下開采。（3）巷道截水。對(duì)于山地礦區(qū)或露天礦區(qū)，在巖層內(nèi)開掘?qū)ｉT巷道截水，是切斷含水層補(bǔ)給的一種有效方法。另外，還可通過地面修筑攔洪壩、建水庫、填裂縫、鋪河床、修水渠等，使地面水與井下不連通。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施三、開采技術(shù)措施采用開采措施的目的是減小頂?shù)装鍘r體的破壞范圍，以達(dá)到安全采礦的目的。開采措施主要有：試探開采、充填開采、柱式開采、分區(qū)開采、間歇式開采、協(xié)調(diào)開采等，下面分別敘述。

1.試探開采（Probingmining)

試探開采是水體下開采的一個(gè)重要技術(shù)原則。試探開采就是先采遠(yuǎn)離水體、后采近鄰水體下面的煤層；先采隔水層厚、后采隔水層薄的煤層；先采地質(zhì)條件簡單、后采地質(zhì)條件復(fù)雜的煤層；先采較深部，后采較淺部的煤層。通過先易后難地試探性開采，逐步接近水體。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施2.充填開采（Backfillingmining)

充填開采通過外來材料對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，以減少采出空間，減小覆巖移動(dòng)破壞范圍，從而達(dá)到安全采煤的目的。對(duì)水體上采煤而言，充填開采可減小支承壓力、增加底板的壓力、減少底板上鼓量和破壞深度，使承壓水上開采安全?，F(xiàn)場實(shí)測表明：充填開采頂板壓力集中系數(shù)是全部垮落法開采的1/5～1/12，壓力變化幅度值為1/6～1/15，底板破壞最大深度為5m左右。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施3.部分開采(Partialmining)

部分開采包括條帶開采、房柱式開采、刀柱式開采等短壁開采方法。其目的是減小工作面的開采寬度，從而減小頂、底板的破壞范圍，使破裂范圍不觸及含水層，達(dá)到安全采煤的目的。理論和實(shí)踐表明：在工作面條件基本相同的條件下，工作面斜長增加3.3倍，底板破壞深度增加4倍，在底板隔水層厚度不變的前提下，減小工作面斜長可減小底板破壞深度，增大相對(duì)隔水層厚度，增強(qiáng)抵抗水壓的能力。目前國內(nèi)在水體上采煤時(shí)大多采用條帶開采，有時(shí)也采用柱式開采。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施4.分區(qū)開采（Sectionalmining)

分區(qū)開采是水體下開采減少災(zāi)害損失的一個(gè)重要措施。分區(qū)開采有兩種方法，一是在同一礦井（或井田）內(nèi)隔離采區(qū)進(jìn)行開采；二是建立若干單獨(dú)礦井同時(shí)開采或分別開采。該方法的目的就是使各采區(qū)相互獨(dú)立，防止礦井突水時(shí)淹沒整個(gè)礦井。在淺部開采和水源補(bǔ)給充足的條件下常采用此方法。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施5.分層（分階段）間歇開采（Slicingmining)

分層間歇開采是將厚煤層分成幾個(gè)分層進(jìn)行開采的方法。從前面的冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算式中可見，冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度隨煤層采動(dòng)次數(shù)的增加，其增加幅度逐漸減小。即分層開采時(shí)覆巖的冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度比一次采全厚時(shí)要小的多，同時(shí)使整個(gè)覆巖破壞均衡，對(duì)水體下采煤有利。對(duì)于厚松散層下淺部煤層的開采或安全煤巖柱中基巖厚度較小的條件，分層間歇開采具有明顯的效果。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施

應(yīng)用分層間歇開采應(yīng)注意：第一，要先探后采；第二，應(yīng)盡量避免上、下煤層(或分層)開采邊界的重疊，以消除變形值的疊加和減小對(duì)其原有隔水性的破壞程度；第三，分層開采的間歇時(shí)間要合理，間歇時(shí)間應(yīng)根據(jù)采區(qū)地質(zhì)條件和巖層移動(dòng)規(guī)律來確定。當(dāng)覆巖是中等硬度的巖層時(shí)，冒落帶，導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)的巖層，一般在采后3～4個(gè)月就基本上趨于穩(wěn)定，此后便可開采下一個(gè)分層。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施6.協(xié)調(diào)開采（Harmonicmining)

協(xié)調(diào)開采是水體上采煤減小底板采動(dòng)破壞的有效方法。其目的就是通過適當(dāng)?shù)夭贾脙擅簩拥墓ぷ髅?，以減小采動(dòng)的支承壓力和底板巖體破壞的深度。協(xié)調(diào)可分為不同煤層的協(xié)調(diào)開采和同一煤層的協(xié)調(diào)開采。除了以上方法外，還有減小開采厚度、底板加固采煤法等等。各種方法都具有一定的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，在實(shí)際中應(yīng)結(jié)合具體的條件，選取適當(dāng)?shù)姆椒ú⒉扇《喾N方法，以達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)目的。第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施

水體下開采除了做好上覆水體的防治和選擇合理的井下開采措施外，還必須建立完善的防排水系統(tǒng)。首先，礦井排水設(shè)備能力、排水管理系統(tǒng)、水倉儲(chǔ)水能力以及下山開采的排水工程設(shè)施都要配套，能夠適應(yīng)疏水降壓或增加礦井涌水量的需要，并保持一定的后備能力，防止突發(fā)事件發(fā)生；其次，要建立突水搶險(xiǎn)制度，規(guī)定水害避災(zāi)路線，設(shè)置完備的安全出口，開采前應(yīng)進(jìn)行避災(zāi)演習(xí)。同時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)職工的安全教育以及嚴(yán)格執(zhí)行安全規(guī)程和各項(xiàng)條例的教育。第六章水體下與承壓水上采煤第一節(jié)概述 第二節(jié)覆巖破壞規(guī)律

第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施 第四節(jié)承壓水上采煤 第四節(jié)承壓水上采煤 一、底板突水類型及底板破壞規(guī)律(一)基本概念

1．煤層底板巖溶水（Karstwaterfrombedbottom)

賦存和運(yùn)動(dòng)于煤層底板巖溶地層空間中的水體和水流叫做煤層底板巖溶水，又稱底板承壓水。它不同于松散層內(nèi)的孔隙水和基巖裂隙水，具有本身的逕流特征和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2．隔水層（Water-resistinglayer)與等值隔水層(Equivalencewater-resistinglayer)

存在于含水層與開采煤層底板、巷道和采空區(qū)之間的能阻礙或減弱水流動(dòng)的巖層。該巖層內(nèi)的孔隙不連通，地下水無運(yùn)動(dòng)條件，稱其為隔水層，亦稱保護(hù)層。第四節(jié)承壓水上采煤 3．突水系數(shù)（Waterinrushcoefficient)突水系數(shù)是水壓值與隔水層厚度的比值：(6-23)式中T—突水系數(shù)，Mpa/m；

p—水壓力值，MPa；

m—隔水層厚度，m。

部分礦區(qū)極限突水系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6-5。當(dāng)突水系數(shù)超過表中數(shù)值時(shí)，即有可能發(fā)生突水事故。第四節(jié)承壓水上采煤 （二）底板突水的類型

1．按突水地點(diǎn)分，底板突水有巷道突水與采煤工作面突水。

2．按突水的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形式有：（1）爆發(fā)型：直接在采掘工作地點(diǎn)附近發(fā)生，一旦突水，突水量在瞬間即達(dá)到峰值，突水峰值過后，突水量趨于穩(wěn)定或逐漸減小。爆發(fā)型突水來勢猛、速度快、沖擊力大，常有巖塊碎屑伴水沖出。（2）緩沖型：直接在采掘工作地點(diǎn)附近發(fā)生，突水量由小到大逐漸增長，經(jīng)幾小時(shí)、兒天甚至幾個(gè)月才達(dá)到峰值。（3）滯后型：采掘工作面推進(jìn)到一定距離后，在巷道或采空區(qū)內(nèi)發(fā)生突水，其滯后時(shí)間為幾天、幾個(gè)月甚至幾年，突水最可急可緩。第四節(jié)承壓水上采煤 3．按突水量的大小可分為：(1)特大型突水事故，突水量為50m3/min以上；(2)大型突水事故，突水量為20～49m3/min；(3)中型突水事故，突水量為5～19m3/min；(4)小型突水事故，突水量小于5m3/min。（三）開采后煤層底板巖層的破壞規(guī)律在開采過程中，煤層底板應(yīng)力重新分布造成底板巖層的變形與破壞，削弱了底板巖層的阻水能力，甚至形成突水通道。因此，研究開采后煤層底板的應(yīng)力重新分布、變形與破壞的規(guī)律，是防止底板突水的基礎(chǔ)。第四節(jié)承壓水上采煤 1．開采過程中底板應(yīng)力與變形情況

在開采過程中，工作面前方的煤壁和底板處在增壓區(qū)內(nèi)，支承壓力使煤層底板壓縮。當(dāng)工作面推進(jìn)跨過此處時(shí)，采空區(qū)處在減壓區(qū)內(nèi)，底板巖層從壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)為膨脹狀態(tài)，產(chǎn)生底鼓，可能出現(xiàn)斷裂。隨工作面推進(jìn)，采空區(qū)中的垮落巖塊壓實(shí)，底板重新處于增壓區(qū)內(nèi)，又從膨脹狀態(tài)轉(zhuǎn)為壓縮狀態(tài)。在工作面推進(jìn)過程中，底板各處都要經(jīng)受壓縮、膨脹和再壓縮作用的過程。底板沿工作面推進(jìn)方向受到壓縮、膨脹和再壓縮的作用(圖6-7)。第四節(jié)承壓水上采煤 在支承壓力的作用下，底板中出現(xiàn)水平拉應(yīng)力；在壓縮區(qū)和膨脹區(qū)分界處的底板中出現(xiàn)剪應(yīng)力。拉應(yīng)力和剪應(yīng)力使底板出現(xiàn)斷裂。垂直斷裂與順層斷裂交叉，形成底板破壞帶。成為底板突水的誘發(fā)因素。第四節(jié)承壓水上采煤 2．煤層底板的“下三帶”（Floorthreezones)

根據(jù)煤層底板破壞情況及地下水的導(dǎo)升情況，在工作面連續(xù)推進(jìn)后，煤層底板可分為“下三帶”。第四節(jié)承壓水上采煤

（1）破壞帶：鄰接工作面的直接底板受到破壞，出現(xiàn)一系列沿層面和垂直于層面的斷裂，使其導(dǎo)水能力增強(qiáng)，其厚度稱底板破壞深度（Failuredepthofcoalseamfloor)。（2）完整巖層帶：位于破壞帶之下，巖層雖然受到支承壓力的作用，甚至產(chǎn)生彈性或塑性變形，但仍然能保持連續(xù)性，其阻水能力未發(fā)生變化。因此，稱完整巖層帶或保護(hù)層帶。（3）地下水導(dǎo)升帶：地下水導(dǎo)升帶指底板含水層中的承壓水沿隔水層裂隙上升的高度，即由含水層頂面至承壓水導(dǎo)升標(biāo)高之間的部分，其厚度為h3（上圖）。地下水導(dǎo)升帶的厚度，取決于承壓水的壓力及隔水層裂隙的發(fā)育程度和受開采影響的劇烈程度。第四節(jié)承壓水上采煤 根據(jù)“下三帶”理論，對(duì)承壓水體上采煤進(jìn)行安全預(yù)測，存在四種情況(參見表6-6)。第四節(jié)承壓水上采煤

二、影響底板突水的因素在采動(dòng)附加應(yīng)力和底板水壓力作用下，底板巖體產(chǎn)生移動(dòng)、破壞，在底板形成底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶、底板阻水帶和底板承壓水導(dǎo)升帶。底板阻水帶的厚度、承壓水的壓力是決定底板突水的關(guān)鍵因素。國內(nèi)有的學(xué)者提出底板突水的“六因素說”，即煤層底板含水層的富水性、含水層的水頭壓力、地質(zhì)構(gòu)造、底板隔水層的厚度與結(jié)構(gòu)、礦山壓力以及開采方法。第四節(jié)承壓水上采煤 1．水源條件水源條件包括水量和水壓，水量是突水的物質(zhì)基礎(chǔ)，水壓是突水的動(dòng)力。水量越豐富，突水量越大，危害性也大。水壓的作用表現(xiàn)為：處于封閉狀態(tài)的巖溶水不斷地溶蝕、沖刷構(gòu)造裂隙，形成通道，由含水層上升進(jìn)入到底板隔水層，從而破壞了底板隔水層。水壓越大，這種破壞作用越嚴(yán)重，地下水導(dǎo)升帶就越大。第四節(jié)承壓水上采煤 2．礦山壓力絕大部分工作面底板突水與礦壓作用有直接關(guān)系，影響礦壓作用的因素有頂板巖體結(jié)構(gòu)、支護(hù)方式、控頂距等。礦山壓力誘發(fā)底板突水，有如下規(guī)律：（1）無周期來壓或周期來壓不明顯的頂板，支承壓力較小，對(duì)底板破壞輕，突水事故較少；有周期來壓的頂板，突水多發(fā)生在初次來壓或周期來壓期間，因?yàn)樵诔醮蝸韷夯蛑芷趤韷浩陂g，對(duì)底板破壞嚴(yán)重。在時(shí)間上，突水多發(fā)生在工作面初次來壓和正常推進(jìn)中二次來壓或周期來壓。第四節(jié)承壓水上采煤

（2）突水點(diǎn)的位置多數(shù)在工作面后部采空區(qū)邊緣附近。因?yàn)樵撎庬敯蹇迓洳怀浞?，底板處于膨脹狀態(tài)，斷裂張開，阻水能力最弱。突水點(diǎn)多位于采空區(qū)周邊，靠近煤壁4～7m處或最外一排支柱的外側(cè)。這主要由于采空區(qū)周圍煤柱上產(chǎn)生支承壓力，采空區(qū)周圍底板巖體卸載，在支承壓力的作用下向采空區(qū)突出、膨脹，產(chǎn)生豎向裂隙和層間裂隙（離層），導(dǎo)致突水。

（3）頂板初次來壓之前，在開切眼附近，由于老頂大而較長時(shí)間的懸露，或直接頂巖層垮落后不接頂，使底板巖層形成較大的自由面，給底板巖層的移動(dòng)與破壞創(chuàng)造了條件。因此，開切眼附近是底板最易突水的位置之一。第四節(jié)承壓水上采煤 第四節(jié)承壓水上采煤

（4）工作面推進(jìn)速度慢、工作面突然停止推進(jìn)或在工作面停采線處，容易發(fā)生突水事故。這是由于工作面推進(jìn)速度慢或停止推進(jìn)時(shí)，支承壓力作用的時(shí)間較長，底板巖層破壞嚴(yán)重。工作面推進(jìn)速度快時(shí)，采空區(qū)底板還來不及形成較大的斷裂就會(huì)由膨脹狀態(tài)變?yōu)閴嚎s狀態(tài)，有利于防止底板突水。慢推進(jìn)較快推進(jìn)易突水，突然停止推進(jìn)也易形成突水。推進(jìn)速度慢，底板變形充分，裂隙發(fā)育，破壞深度大。（5）區(qū)段煤柱承受工作面?zhèn)认蛑С袎毫?，隨工作面推進(jìn)側(cè)向支承壓力越來越大，再加上區(qū)段煤柱邊緣處采空區(qū)頂板垮落不充分。因此，區(qū)段煤柱附近也是發(fā)生底板突水的最可能位置之一。第四節(jié)承壓水上采煤 3、隔水層的阻水能力隔水層的阻水能力取決于隔水層的強(qiáng)度、厚度和裂隙發(fā)育程度。強(qiáng)度越大、厚度越大、裂隙越少，其阻水能力越大。阻水能力一般以單位厚度所能承受的水壓值表示，其單位為MPa/m。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際資料，一般約為0.1～0.3Mpa/m。底板隔水層厚度越大，抵抗水壓、礦壓的破壞能力越強(qiáng)，礦井開采底板突水的幾率越小。隔水層巖體的強(qiáng)度越大，受采動(dòng)影響后越不容易破壞，底板突水的可能性越小。底板突水除了與底板隔水層厚度、強(qiáng)度有關(guān)外，還與底板隔水層巖體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。底板巖層結(jié)構(gòu)對(duì)底板突水有較大的影響，在承壓水上開采時(shí)，應(yīng)對(duì)底板巖體結(jié)構(gòu)仔細(xì)分析，根據(jù)不同情況，采取不同的處理方法。第四節(jié)承壓水上采煤 4．地質(zhì)構(gòu)造地質(zhì)構(gòu)造尤其是斷層，是造成底板突水的主要原因之一。國內(nèi)四個(gè)礦區(qū)163個(gè)底板突水工作面的統(tǒng)計(jì)，由地質(zhì)構(gòu)造引起的突水事故占67.5%。斷層之所以成為底板突水的主要因素，有以下原因：（1）斷層的存在，使地板巖體的連續(xù)遭到破壞，在采動(dòng)附加應(yīng)力的作用下，巖體易沿?cái)鄬右苿?dòng)，從而使采動(dòng)破壞深度增大，造成突水。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，斷層破碎帶巖體的導(dǎo)水裂隙帶深度是正常巖體的2倍左右。

（2）斷層的存在破壞了底板巖體的完整性，降低了巖體的強(qiáng)度。巖體容易破壞，底板導(dǎo)水破壞帶深度增大。

（3）斷層上下盤錯(cuò)動(dòng)，縮短了煤層與底板含水層之間的距離，有時(shí)甚至使斷層一盤的礦層與另一盤的含水層直接接觸，使工作面易發(fā)生突水。富含水層導(dǎo)水?dāng)鄬庸ぷ髅娴谒墓?jié)承壓水上采煤 第四節(jié)承壓水上采煤 （4）當(dāng)斷層破碎帶或斷層影響帶為充水或?qū)畼?gòu)造，工作面揭露斷層時(shí)即會(huì)發(fā)生突水。斷層是否導(dǎo)水與斷層的性質(zhì)有關(guān)。正斷層較逆斷層易導(dǎo)致工作面突水。當(dāng)斷層面與巖層夾角較小或接近平行時(shí)，其導(dǎo)水性較差；反之則導(dǎo)水性較強(qiáng)。當(dāng)斷層帶兩側(cè)都是堅(jiān)硬巖層時(shí)，導(dǎo)水性強(qiáng)；當(dāng)斷層一側(cè)為堅(jiān)硬巖體，另一側(cè)為軟弱巖體時(shí)，導(dǎo)水性弱；當(dāng)斷層帶兩側(cè)都是軟弱巖體時(shí)，則斷層帶的充填情況較好，其導(dǎo)水性很弱，甚至不導(dǎo)水。第四節(jié)承壓水上采煤 5．開采方法的影響開采方法對(duì)底板突水的影響主要表現(xiàn)在兩方面：（1）工作面斜長。工作面斜長對(duì)底板突水的影響比采深、煤層傾角、底板巖層強(qiáng)度等都明顯。工作面斜長越大，底板巖層破壞深度越大，工作面越容易突水，反之亦然。（2）開采面積。工作面底板突水與開采面積關(guān)系十分密切，不同礦區(qū)有各自不同的突水面積。當(dāng)開采面積大于突水面積后，底板要產(chǎn)生突水。因此，控制開采面積是控制底板突水的有效方法。一些礦區(qū)采用條帶開采、巷式開采等方法減小開采面積，防止底板突水。第四節(jié)承壓水上采煤 6．底板破壞深度底板破壞深度與開采深度、煤層開采厚度、煤層傾角、工作面長度、頂?shù)装鍘r石性質(zhì)（抗破壞能力）、采煤方法、頂板管理方法以及是否有斷層等因素有關(guān)。（現(xiàn)場實(shí)測最小的為3.5m，最大的達(dá)到38m）。統(tǒng)計(jì)資料表明底板破破深度與采深H、工作面長度L、煤層傾角α有關(guān)。理論分析給出的公式如下：式中:h1為底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞深度，m；H為采深，m；α為煤層傾角，（°）；L為工作面斜長，γ為底板巖體平均容重，MN/m2；Rc為巖體抗壓強(qiáng)度，一般取巖石單軸抗壓強(qiáng)度的0.15倍，Mpa；。第四節(jié)承壓水上采煤 三、承壓水上采煤方案在承壓水體上采煤，要根據(jù)具體的地質(zhì)和開采技術(shù)條件，選擇合適的治理方案。根據(jù)我國歷年來的實(shí)踐，主要有以下幾種方案。

1．深降強(qiáng)排方案就是設(shè)置各種疏水工程，如疏水井巷、疏水鉆孔等，將巖溶水水位人為地降低到開采水平以下，以確保安全地進(jìn)行開采。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：防止底板突水效果最好，能確保礦井安全生產(chǎn)。其缺點(diǎn)是：疏水工程量大、設(shè)備多、電耗大，因而投資大、成本高；由于疏水引起的水位降低，使附近的工農(nóng)業(yè)用水缺乏，并造成地表下沉。此外，當(dāng)井田內(nèi)奧灰水量極為豐富、補(bǔ)給來源充足時(shí)，深降強(qiáng)排方案難以實(shí)現(xiàn)。第四節(jié)承壓水上采煤 2．外截內(nèi)排方案

實(shí)質(zhì)是在井田內(nèi)某一區(qū)域外圍的集中徑流帶采用鉆孔注漿的方法建立人工帷幕，截?cái)嗟V井的補(bǔ)給水，然后在開采范圍內(nèi)進(jìn)行疏水，將承壓水的水位降低到開采水平以下。這種方案可以確保礦井的安全生產(chǎn)，而且克服了深降強(qiáng)排的缺點(diǎn)。但這種方案只能適用于特定的條件，如水文地質(zhì)條件清楚，補(bǔ)給徑流區(qū)集中，帷幕截流工程易于施工等。3．帶壓開采方案

實(shí)質(zhì)是在開采過程中利用隔水層的阻水能力，防止底板突水。此時(shí)，承壓水位高于開采水平，煤層底板隔水層要受到承壓水壓力的作用，因此稱帶壓開采。帶壓開采無需事先專門排水，在經(jīng)濟(jì)上花費(fèi)較少，并且也可能做到安全開采。但帶壓開采不能確保不發(fā)生底板突水事故，特別是在水文地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，底板突水的可能性更大。因此，在采用帶壓開采方案時(shí)，首先要進(jìn)行論證，并要采取一系列安全措施，還要有足夠的備用排水能力。第四節(jié)承壓水上采煤 第四節(jié)承壓水上采煤 4．帶壓開采綜合治