水體上開采技術(shù)與典型案例分析

煤炭科學(xué)研究總院

文學(xué)寬研究員1.水體上開采概況1.1水體上水害狀況水體上水害約占礦井水害的一半。上世紀(jì)80年代與50年代相比，突水頻率增長2.57倍。1956-1986年30年間，淹井222起，突水1600次，1318人喪生。1984-1985年一年間，全國因底板突水而淹井事故22起，僅開灤、焦作、肥城就有6對井被淹。峰值水量高達(dá)2050m3/min，世界之最。1.2水上威脅礦井?dāng)?shù)量和煤量目前受水威脅的礦井約300處，約占大型礦井的一半。受水威脅儲(chǔ)量近百億噸。3.水體上開采突水機(jī)理早期僅限于突水現(xiàn)象的外表描述和對突水資料歸類導(dǎo)出公式，20世紀(jì)40年代開始用力學(xué)觀點(diǎn)探討過突水機(jī)理。3.1相對隔水層概念前蘇聯(lián)的斯列沙運(yùn)夫提出平安水頭的靜力學(xué)公式。Han=2Kpt/L2+rt式中：Han——平安水值，Mpa；Kp——隔水層抗張強(qiáng)度，Mpa；t——煤層底板隔水層厚度，m；L——巷道寬度或工作面最大控頂距，m；r——隔水巖層的重力密度，N/m3；r當(dāng)實(shí)際水頭Hsh＞平安水頭Han時(shí)那么不平安。3.2突水系數(shù)概念

我國上世紀(jì)60年代焦作水文地質(zhì)會(huì)戰(zhàn)時(shí)出，作為突水預(yù)測的標(biāo)準(zhǔn)。臨界突水系數(shù)T。單位隔水層厚度M所能抵抗水壓P的極限值。

峰峰焦作淄博井陘0.066~0.0760.06~0.100.06~0.100.06~0.152021年12月1日生效的(煤礦防治水規(guī)定)笫七十七條確認(rèn)了平安隔水層厚度和突水系數(shù)計(jì)算公式，并規(guī)定：底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06MPa/m，正常塊段不大于0.1MPa/m。這一公式顯然過于簡單，未能考慮采礦等諸多因素的影響，后來，煤炭科學(xué)研究總院西安研究院通過大量試驗(yàn)研究，提出了有效隔水層厚度的概念，即將煤層開采底板破壞產(chǎn)生“三帶〞。如下圖。上段為開采對底板隔水層的破壞帶；中段為完整保護(hù)層帶；下段為承壓水原始導(dǎo)升高度帶。開

基于上述關(guān)于隔水底板三帶的劃分，提出了突水系數(shù)計(jì)算的修正公式

修正后的公式充分考慮的破壞和影響，應(yīng)該說更加符合實(shí)際情況。

3.3等效隔水層厚度概念

上述公式中只考慮了底板隔水層厚度而未考慮底板隔水層是由不同性質(zhì)的巖層復(fù)合而成，且不同巖石有著完全不同的力學(xué)性質(zhì)和抗水壓能力。因此，不能單純以巖石的實(shí)際厚度來計(jì)算突水系數(shù)，而應(yīng)根據(jù)巖石本身的力學(xué)強(qiáng)度和隔水性能對實(shí)際厚度進(jìn)行計(jì)算，得出一個(gè)假定巖體強(qiáng)度和隔水性能均一的等效隔水層厚度(Me)。為此，提出了等效隔水層厚度的計(jì)算公式：

3.

5新的突水系數(shù)計(jì)算公式

在獲得了等效隔水層厚度后，并考慮底板破壞帶深度和原始導(dǎo)升高度帶等因素，所得到新的突水系數(shù)的計(jì)算公式如下：上式對底板隔水層的分帶性,分層性及其巖性特征都有所考慮,應(yīng)該說比前述的幾種突水系數(shù)計(jì)算方法有了很大改造.。3.6新突水系數(shù)計(jì)算公式的判別標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)把底板隔水層劃分為多個(gè)帶，并把突水系的計(jì)算公式改進(jìn)之后，原來建立在統(tǒng)計(jì)意義上的臨界突水系數(shù)巳經(jīng)不適用于新的計(jì)算公式。因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)意義上的突水系數(shù)值是底板突水諸多因素的綜合反響指標(biāo)。突水系數(shù)的計(jì)算公式修正后，相應(yīng)的突水系數(shù)判別指標(biāo)也應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整。否那么，二者之間不具備可比性，也就不能用作突水預(yù)測的依據(jù)。因此，作用于底板隔水層的水壓力成為新突水系數(shù)計(jì)算公式的判別標(biāo)準(zhǔn)。

3.7作用于底板隔水層的水壓力在實(shí)際工作中所獲得的水壓力往往是含水層中的水壓值，但當(dāng)下伏含水層高壓水在底板隔水層下部劈裂導(dǎo)升一定高度后，其在導(dǎo)升段的能量消耗很大，這時(shí)作用于有效隔水層段下部的實(shí)際水壓巳遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于含水層中的觀測水壓(圖2-21)。從圖2-21，真正作用于有效隔水層帶底部的水壓力是導(dǎo)升水的剩余壓力pc，而非含水層的原始?jí)毫0；如果采用新的有效隔水層計(jì)算突水系數(shù)，對應(yīng)的水壓應(yīng)該采用剩余壓力pc。由此可見，考慮多種因素的底板隔水層突水系數(shù)的計(jì)算公式應(yīng)為上式計(jì)算了單位有效隔水層厚度上的水壓力，要判定是否突水還需要正確選擇臨界突水系數(shù)。

3.8.底板突水事故分析我國煤礦主要底板突水事故見表2-3。從表2-3的資料反映出：不管隔水底板承受的水壓如何，不管是巷道突水或工作面突水，其底板隔水層厚度95%都在20m之內(nèi)，而很少發(fā)現(xiàn)在較厚隔水層和高水壓作用下發(fā)生底板突水。上述現(xiàn)象說明：〔1〕發(fā)生底板突水的核心因素是礦壓破壞帶與高壓水導(dǎo)升帶之間是否相互溝通，而不是作用在底板有效隔水層單位厚度中剩余水壓力的大??；〔2〕剩余水頭壓力巳經(jīng)非常小，僅在這一殘佘水壓的作用下很難鼓破一定的有效隔水巖柱而發(fā)生突水。3.9.水體上開采突水系數(shù)分析結(jié)論實(shí)踐與測試資料說明，礦壓作用下的底板破壞深度一般為6-14m，灰?guī)r水的導(dǎo)升高度一般為3-7m，上下兩個(gè)破壞帶厚度之和為9-21m。由此可見，準(zhǔn)確查明礦壓破壞帶和導(dǎo)升斷裂帶厚度是預(yù)測底板突水條件的關(guān)鍵因素。上述認(rèn)識(shí)的建立，對于正確解釋為什么大量在傳統(tǒng)突水系數(shù)概念下認(rèn)為是突水危險(xiǎn)區(qū)的煤炭資源得以平安開采具有重要意義。4.煤層底板“下三帶〞破壞開采煤層頂板破壞產(chǎn)生“三帶〞，而煤層底板也存在“三帶〞，即“下三帶〞?！跋氯龓Ж晱拿簩拥酌嬷梁畬禹斆娣譃椋?.1第Ⅰ帶——煤層底板導(dǎo)水破壞帶〔h1〕

煤層底板導(dǎo)水破壞帶主要影響因素是工作面得斜長，開采方法，煤層厚度及傾角、采深和巖性有關(guān)。4.2第Ⅱ帶——保護(hù)層帶〔h2〕巖層保持采前的完整狀態(tài)及其原有阻水性能根本不變的局部，位于第Ⅰ、Ⅲ帶之間。巖層雖然受礦壓作用，或許有彈性甚至塑性變形，但仍保持采前的連續(xù)性，其阻水性能未發(fā)生明顯變化。可起到阻水保護(hù)作用。稱之為有效保護(hù)層帶或阻水帶。4.3第Ⅲ帶——承壓水導(dǎo)升帶〔h3〕承壓水可沿含水層頂面以上隔水巖層中的裂隙導(dǎo)升，導(dǎo)升承壓水的充水裂隙分布的范圍稱為承壓導(dǎo)升帶。含水層頂層至上部邊界的最大法線距稱：含水層的原始導(dǎo)升高壓h3，簡稱承壓水原始導(dǎo)高。據(jù)煤礦平安手冊：灰?guī)r水的導(dǎo)升高度一股為3-7m。開采礦壓作用原始導(dǎo)高有可能在導(dǎo)升，但上升值很小；斷裂可使導(dǎo)升很高，甚至接近或穿過煤層；隔水軟巖、無導(dǎo)水裂隙，導(dǎo)高為零；含水層頂部巖溶充填帶，不含水并起隔水作用，可視為隔水層；5.煤層底板“下三帶〞確定的方法5.1現(xiàn)場觀測法采用底板鉆孔注放水驗(yàn)法，輔以鉆孔巖移及物探方法。開灤趙各莊礦，以1237和2137兩個(gè)工作面，其采深900m、1000m，煤厚10m，分5個(gè)分層開采。圖2.2井下仰斜鉆孔雙端堵水器導(dǎo)高觀測原理系統(tǒng)圖圖2.3雙端堵水器結(jié)構(gòu)示意圖1)儀器結(jié)構(gòu)整個(gè)觀測儀器由三局部組成：雙端堵水器、連接管路、控制臺(tái)，如圖2.2和圖2.3。雙端堵水器由兩個(gè)起脹膠囊和注水探管組成。連接管路有兩條：起脹管路和注水管路?？刂婆_(tái)也是對應(yīng)兩個(gè)：起脹控制臺(tái)和注水控制臺(tái)。起脹控制臺(tái)、起脹管路和雙端堵水器的兩個(gè)膠囊相連通，構(gòu)成控制膠囊膨脹和收縮的控制系統(tǒng)。注水控制臺(tái)，注水管路和雙端堵水器的注水探管相連通，構(gòu)成一個(gè)控制和觀測巖層導(dǎo)水性的注水觀測系統(tǒng)。2)井下仰斜鉆孔雙端堵水器導(dǎo)高觀測原理與方法〔1〕仰斜鉆孔穿過導(dǎo)水裂隙帶。在回采工作面周邊的適當(dāng)位置，向采空區(qū)上方打仰斜鉆孔，該鉆孔要穿透覆巖導(dǎo)水裂隙帶，并進(jìn)入其上方的彎曲帶一定距離，一般5～10m那么可，該鉆孔就是導(dǎo)高觀測鉆孔?！?〕使用雙端堵水器測試各段巖層的透水性。使用雙端堵水器，由孔口起自下而上逐段〔每段1米〕測試每段巖層的導(dǎo)水性能，一直測試到孔底實(shí)測到的透水巖層的最大高度，就是采場覆巖的導(dǎo)水裂隙帶高度?！?〕雙端堵水器的控制與巖層透水性觀測。起脹控制臺(tái)和注水控制臺(tái)的一端分別連接起脹管路和注水管路，另一端那么連著高壓水源。要觀測某一高度位置的巖層的透水性，首先，操作起脹控制臺(tái)，使雙端堵水器的兩個(gè)膠囊處于無壓收縮狀態(tài)；第二步，使用鉆機(jī)鉆桿〔或使用推桿，人力推動(dòng)〕將雙端堵水器推移到位；第三步那么是操作起脹控制臺(tái)，對雙端堵水器的兩個(gè)膠囊注水加壓，使之處于承壓膨脹狀態(tài)，從而封堵分隔一段鉆孔；最后，那么是操作注水控制臺(tái)，對分隔出的一段鉆孔進(jìn)行注水觀測，通過注水控制臺(tái)上的流量表，觀測出這段巖層單位時(shí)間的注水滲流量，從而測試出這段巖層的透水性能。5.2底板導(dǎo)水破壞深度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法根據(jù)大量實(shí)測資料，用實(shí)測的底板導(dǎo)水破壞深度與關(guān)系最密切的工作面斜長、采深、傾角等因素的數(shù)據(jù)經(jīng)回歸分析，擬合公式。h1=0.7007+1.1079L或或式中：h1=底板導(dǎo)水破壞深度，m；L——工作面長度，m；H——開采深度，m；α——煤層傾角，〔°〕。5.3有效保護(hù)層帶〔阻水帶〕厚度計(jì)算有效保護(hù)層帶厚度的計(jì)算必須有底板隔水層總厚度。采動(dòng)底板破壞帶深度，承壓水導(dǎo)升帶高度。h2=h-〔h1+h3〕式中：h2——有效保護(hù)層帶厚度，m；h——隔水層總厚度，m；h1——底板導(dǎo)水破壞帶深度，m；h3——承壓水導(dǎo)升高度，m；6.水體上開采阻水系數(shù)判別法6.1阻水系數(shù)

有現(xiàn)場鉆孔水力壓裂法實(shí)測的單位底板隔水巖層的平均阻水能力，阻水系數(shù)。Z=Pb/R式中：Z——阻水系數(shù)，MPa/m；R——裂縫擴(kuò)展半徑，一般取40～50m；Pb——巖層破裂壓力，與地應(yīng)力和巖體抗拉強(qiáng)應(yīng)有關(guān)。Pb=3σh-σH+T-Po式中：Pb——使巖體破裂時(shí)的臨界水壓力，MPa；σh——作用于巖體的最小水平主應(yīng)力，MPa；σH——作用于巖體的最大水平主應(yīng)力，MPa；T——巖體的抗拉強(qiáng)度，MPa；Po——巖體空隙中的水壓力，MPa。作用在底板上的水壓力〔P〕除以阻水系數(shù)〔Z〕，即：h2=P/Z阻水系數(shù)，“三下〞采煤規(guī)程中有表可查。由表中資料可知巖層的阻水系數(shù)：中、粗粒砂巖0.3～0.5Mpa/m，細(xì)砂巖0.3MPa/m粉砂巖0.2MPa/m泥巖0.1～0.3MPa/m石灰?guī)r0.4MPa/m斷層帶按弱強(qiáng)度填充物考慮0.05～0.10MPa6.2.帶壓開采的平安水壓預(yù)測公式通過對底板隔水層中不同分帶巖石的阻水能力，抗水壓能力試驗(yàn)，認(rèn)為底板破壞導(dǎo)水帶的底部尚有一定的阻水能力，底板下部構(gòu)造導(dǎo)水帶應(yīng)屬于含水層的一局部而無阻水能力。根據(jù)這一特點(diǎn)，建立了帶水壓開采的平安水壓預(yù)測公式：上式不僅考慮了底板巖層的分帶性，同時(shí)還充分考慮了不同帶對底板水壓的阻抗能力，將不同帶巖層對水壓的阻抗能力分別計(jì)算后求和，形成整個(gè)底板巖層對水壓的總阻抗能力。通過比較實(shí)際水壓與底板整體的總阻抗水壓能力，到達(dá)判斷預(yù)測底板突水的可能性。6.3阻水系數(shù)法平安性評價(jià)原那么用水壓〔Pw〕與有效保護(hù)層總阻水能力〔Z總〕比較，假設(shè)Z總>Pw那么平安。Z總等于各分層阻水系數(shù)Z；乘以各分層有效保護(hù)厚度〔hi〕之和。隔水巖層破裂壓力〔Pb〕大于水壓〔Pw〕,那么水壓不具備壓裂條件，故平安；開灤趙各莊礦五水平的12煤層底板有效隔水層的阻水系數(shù)及阻水能力表7.水體上采煤平安性評價(jià)7.1.“三下〞采煤規(guī)程對水體上采煤等級(jí)允許采動(dòng)的規(guī)定水體采動(dòng)等級(jí)水體類型允許采動(dòng)程度要求留設(shè)的安全煤巖柱類型Ⅰ1．位于煤系地層之下的巨厚灰?guī)r強(qiáng)含水體2．位于煤層之下的薄層灰?guī)r具有強(qiáng)水源補(bǔ)給的含水體3．位于煤層之下的作為重要水源或旅游資源保護(hù)的水體不允許底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶波及水體，或與承壓水導(dǎo)升帶勾通，并有能起到強(qiáng)阻水作用的有效保護(hù)層底板強(qiáng)防水安全煤巖柱Ⅱ1．位于煤系地層之下的弱含水體，或已疏降的強(qiáng)含水體2．位于煤層之下的無強(qiáng)水源補(bǔ)給的薄層灰?guī)r含水體3．位于煤系地層或煤系地層底部其它巖層中的中、弱含水體允許采取安全措施后底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞帶波及水體，或與承壓水導(dǎo)升帶勾通，但防水安全煤巖柱仍能起到安全阻水作底板弱防水安全煤巖柱7.2.水體上采煤防水平安煤巖柱設(shè)計(jì)方法根據(jù)“三下〞采煤規(guī)程，水上采動(dòng)等級(jí)Ⅰ的規(guī)定：底板防水平安煤巖柱厚度〔hs〕應(yīng)大于或等于導(dǎo)水破壞帶〔h1〕和保護(hù)層帶〔阻水帶h2〕之和，hs≥h1+h2

如底板含水層上部存在承壓水導(dǎo)升帶〔h3〕時(shí)，那么：hs≥h1+h2+h3

如果底板含水層頂部存在被泥質(zhì)充填，且厚度穩(wěn)定的隔水帶時(shí)〔h4〕時(shí)，可作為平安巖柱厚度〔hs〕的組成局部：hs≥h1+h2+h47.3水體上采煤的平安性評價(jià)應(yīng)用“下三帶〞理論對開采的平安性評價(jià)。8..應(yīng)用實(shí)例分析某礦煤厚10m，傾角25°～27°，分5個(gè)層開采。采深1000m，工作面斜長180m，走向長壁陷落開采。奧灰含水層距煤130m，水壓最高達(dá)10MPa?，F(xiàn)場實(shí)測和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)綜合確定：5個(gè)分層采完累計(jì)第Ⅰ帶〔h1〕底板導(dǎo)水破壞深度30m，第Ⅲ帶承壓導(dǎo)高區(qū)5m，第Ⅱ帶〔h2〕有效保護(hù)層厚度為〔65～95〕m，總阻水能力最小為21MPa,巖石破裂壓力為13.3MPa。按以上數(shù)據(jù)對正常底板區(qū)平安評價(jià)如下：按突水系數(shù)評價(jià)正常開采區(qū)平安性水壓為10MPa，底板隔水巖層厚度65～95m，那么Ts=0.109～0.16大于臨界突水系數(shù)〔0.06～0.10焦作〕屬不平安開采。按阻水系數(shù)預(yù)測評價(jià)正常開采區(qū)平安性〔1〕壓裂條件：破裂壓力Pb=13.3MPa，水壓Pa=10MPa因Pw<Pb，故水層不具備壓裂條件。〔2〕阻水條件：最小保護(hù)層厚度的的總阻水能力為21MPa，大于水壓10MPa的Z總>Pw，故有足夠的阻水能力。所以，在正常區(qū)開采能保證平安。按阻水系數(shù)預(yù)測評價(jià)構(gòu)造帶平安性構(gòu)造帶附近地應(yīng)力及構(gòu)造斷裂帶的巖體或充填物的抗張強(qiáng)度比正常區(qū)低〔30%～50%〕，故其破裂壓力Pb由正常區(qū)的13.3MPa下降為7～9MPa，小于水壓10MPa；構(gòu)造帶整體總阻水能力〔含水及導(dǎo)水?dāng)嗔殉狻?，由于阻水系?shù)Z一般為0.1MPa/m，斷裂帶斜長最小為140m，假設(shè)不留煤柱，導(dǎo)水破壞深度可達(dá)50m，下部導(dǎo)高10m，那么有效阻水體斜長約為80m，其總阻水能力為8MPa，小于水壓10MPa。由于Pw>Pb，Z總<Pw。故構(gòu)造區(qū)為開采危險(xiǎn)區(qū)。9.山東淄博北大井奧灰突水治理淄博北大井于1935年5月13日透水淹井，突水地點(diǎn)是第三水平10-1煤層第二上風(fēng)道與橫風(fēng)道交叉處〔-81.5m標(biāo)高〕，距周瓦莊斷層10m左右。開采10-1煤層時(shí)發(fā)生透水，突水量44.3m3/min，三天內(nèi)礦井全部淹沒，有538名礦在井下遇難，為世界罕見的突水事故。9.1突水經(jīng)過礦井在-117m的第三水平沿10-1煤層向北開拓，遇周瓦莊斷層，掘進(jìn)迎頭已有水從斷層破碎帶中流出，被迫退回7～8m，向南北兩翼開順槽掘進(jìn)8m左右，又遇此斷層，而且也有水從斷層破碎帶向外流出，停止掘進(jìn)；向南開拓70m后，于上山起每隔20m開一條長20m的回風(fēng)上山。13日，第一條與第二條回風(fēng)上山之間的10-2層煤采完后，已轉(zhuǎn)入采上層的10-1煤層。上午6點(diǎn)開始在第二風(fēng)道與橫向風(fēng)道交叉處采煤，半小時(shí)后，該處頂板發(fā)生落石繼而滴水，又過半小時(shí)，頂板陷落，涌水加大，在場工人外撤至風(fēng)道中間時(shí)，即聞轟隆一聲巨響，水量驟然加大，水勢兇猛，僅40min井底泵房就被淹沒，1h后淹沒了-117m水平，78h后淹沒了第二水平。

9.2突水原因〔1〕底板水壓大10-2煤層以下26m是本溪組徐家莊灰?guī)r，厚19m，巖溶裂隙發(fā)育，含水性強(qiáng)；10-2煤層以下67m為奧陶系灰?guī)r，是礦區(qū)富水性最強(qiáng)的含水層。在有斷層條件下，徐灰和奧灰常有水力聯(lián)系。突水10-2煤層底板隔水層的靜水壓力2MPa，突水時(shí)礦區(qū)范圍內(nèi)的徐灰和奧灰水位顯著下降，距突水點(diǎn)12km的奧灰上升泉豐水泉被疏干，證明突水水源為徐灰和奧灰。〔2〕斷層影響突水地段有一條走向EW的周瓦莊斷層，是張性正斷層，落差為28～30m。斷層上盤10-1斷層與斷層下盤徐家莊灰?guī)r含水層對接，同時(shí)上盤的徐家莊灰?guī)r與下盤的奧陶系灰?guī)r強(qiáng)含水層也發(fā)生水平水力聯(lián)系，突水點(diǎn)在該斷層的上盤，在掘進(jìn)過程中三次揭露該斷層，兩次有出水象征。說明突