在承壓水體上安全采煤問題
作者：中國礦業商務網
2006-09-26 00:00
來源：不詳
我國華北及華東地區的主要礦區如開灤礦區、兗州礦區、新汶礦區、棗莊礦區，開采石炭二疊系煤層。煤系基底為奧陶系石灰巖，厚度大、巖溶裂隙發育、富水性強、水壓大。當遇有地質構造（如斷裂構造）時，奧陶系石灰巖與上覆的本溪組或太原組的石灰巖連通，發生水力聯系，造成底板突水事故。有些煤層由于受奧陶系石灰巖承壓水的威脅而不能開采。因此，研究和解決受奧陶系石灰巖承壓水威脅煤層的安全開采問題，對于煤礦的安全生產和解放呆滯的煤炭資源具有重大的現實意義。
一、底板突水類型
1、按底板突水地點分：巷道突水、采煤工作面突水。
2、按突水的動態表現形式分：
（1）爆發型：突然爆發，即達峰值，過后突水近于穩定、減小。來勢猛、速度快、沖擊力大，常有巖石碎屑伴水突出。
（2）緩沖型：水量由小到大逐漸增大，經幾小時、幾天、甚至幾月才達到峰值。
（3）滯后型：采掘工作面推過后，在巷道、采空區內發生突水，滯后時間幾天、幾個月、幾年，突水量可急可緩。
3、按突水量大小分：
（1）特大型：突水量等于或大于50 ；
（2）大型：2049 ；
（3）中型：519 ；
（4）小型：小于5 。
二、開采后底板巖層破壞規律
在開采過程中，煤層底板應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力重新分布、變形與破壞規律，是研究煤層底板突水問題的基礎。
1、開采過程中工作面底板應力變形特征
采煤工作面周圍應力的分布情況：按應力大小分升高應力區(增壓區)、降低應力區（減壓區）和原始應力區（穩壓區）（見圖1）。
采煤工作面底板應力與變形情況：按應力與變形性質分壓縮區（壓應力）、膨脹區（拉應力）、壓縮區與膨脹區之間（剪應力）。拉應力與剪應力使底板出現一系列垂直于層面的斷裂。垂直斷裂與層理、順層斷裂交叉，形成底板破碎帶（見圖1）。
2、煤層底板“下三帶”
根據煤層底板的破壞情況及地下水的導升情況，采煤工作面連續推進后，工作面及采空區煤層底板可分為三帶（見圖2）：
（1）破壞帶：直接與工作面鄰接的底板，出現一系列沿層面和垂直于層面的斷裂，使底板導水能力增強，因此又稱為導水破壞帶，其厚度稱底板破壞深度h1，可達幾米到十幾米。
（2）保護層帶：位于破壞帶之下的完整巖層，巖層在支承壓力作用下產生彈性變形或塑性變形，但仍保持連續性，其阻水能力未發生變化。因此，又稱完整巖層帶或阻水帶。其厚度為h2。
（3）地下水導升帶：位于保護層帶之下，底板承壓水，沿底板隔水層裂隙上升的高度，其厚度為h3。
（4）底板含水層頂部充填隔水帶：有時底板含水層頂部存在泥質物的充填，具有隔水作用，其厚度以h4表示。
根據下三帶理論，預測承壓水體上采煤有四種情況，（見圖3）
三、影響底板突水因素
1、水源條件
水源條件包括水壓和水量。水量是突水的物質基礎；水壓是突水的動力。水量越豐富，突水量越大，其危害性也越大。水壓大，一方面沖破力大；另一方面在隔水層裂隙中導升高度增大，水壓越大其破壞性越大。
2、礦山壓力
（1）有周期來壓的采煤工作面，在初次來壓、周期來壓時，支承壓力大，對底板破壞嚴重，易發生底板突水事故。
（2）在采煤工作面后部采空區附近的底板處于降低應力區或變形膨脹區，頂板垮落不充分，斷裂張開，阻水能力最弱，易于突水。
（3）初次來壓前，在開切眼附近，老頂大面積懸露、且直接頂垮落不接頂，底板形成較大的自由面，易于突水；
（4）工作面推進速度太慢或停止時，在停采線處由于支承壓力的長時
期作用，使底板破壞嚴重，易于突水。工作面推進速度快，采空區底板還來不及形成較大的斷裂，就會由膨脹狀態變為壓縮狀態，有利于防止底板突水；
（5）區段煤柱在側向支承壓力的作用下，邊緣處破壞；煤柱邊緣處頂板垮落不充分，易于突水。
3、隔水層（保護層）阻力
隔水層的強度、厚度及裂隙發育程度，影響隔水層阻力的大小。隔水層阻力系數(Z)，以Mpa/m表示，在一般情況下Z=0.10.3Mpa/m 。
4、地質構造
地質構造，特別是斷裂構造，是造成煤層底板突水的主要原因。我國絕大部分（80%以上）的底板突水，是由斷裂構造引起的。
（1）斷裂錯距的存在，縮短了含水層與煤層之間的距離，使底板隔水
層厚度減小甚至消失（見圖4）。
（2）斷裂錯動時，斷裂影響范圍內的巖石比較破碎，極大地破壞了隔水層巖石的完整性，降低了隔水層的阻水能力。
（3）斷裂錯動時，斷裂影響范圍內的巖石比較破碎，具有良好的儲水和導水特征，當采煤工作面揭露到斷裂構造時，即會發生底板突水。
（4）采煤工作面底板巖體中存在斷裂構造時，使底板的破壞帶深度增大。
四、承壓水體上采煤防水安全媒巖柱的留設
1、防水安全煤巖柱的類型
承壓水體上采煤，對于不同采動等級的水體，都必須留設安全媒巖柱。
表1為承壓水體上采煤的采動等級、允許采動程度及留設的安全煤巖柱類型。
2、防水安全煤巖柱的設計
原則：不允許底板采動導水破壞帶波及水體，或與承壓水導升帶溝通。
計算公式：
(1) 含水層頂部無泥質物充填
ha=h1+h2＋h3 ，m
式中 ha － 防水安全煤巖柱厚度，m
h1 － 導水破壞帶厚度，m
h2 － 阻水帶或保護層帶厚度，m
h3 － 承壓水導升帶厚度，m
（2）含水層頂部有泥質物充填
ha=h1+h2＋h4 ，m
式中 h4－ 充填隔水帶厚度，m
3、防水安全煤巖柱基本參數的確定
（1）導水破壞帶厚度確定
根據現場觀測，破壞帶厚度主要取決與工作面長度、開采深度、煤層傾角、煤層開采厚度以及開采方法和頂板管理方法等因素，其次是底板巖層的抗破壞能力，包括巖石強度、巖層組合和原始裂隙發育狀況。根據實測結果，采用回歸分析，得出以下統計公式：
h1=0.7007+0.1079L
h1=0.3030.8
h1=0.0085H+0.1665a+0.1079L -4.3579
式中 h1 － 破壞帶厚度，m
L － 工作面長度，m
H － 開采深度，m
a － 煤層傾角，°
（2）阻水帶或保護層帶厚度確定
根據現場鉆孔水力壓裂法實測的表示單位底板隔水巖層平均阻水能力的系數，可用下式表達：
Z=Pb/R
式中 Z－阻水系數，Mpa/m
R－裂縫擴展半徑，一般取40－50m
Pb－巖體破裂壓力，與地應力和巖體抗拉強度有關。
Pb＝3sb-sH+T-P0
式中 Pb－使巖體破裂時的臨界水壓力，Mpa
sb－作用于巖體的最小水平主應力，Mpa
sH－作用于巖體的最大水平主應力，Mpa
T －巖體的抗拉強度，Mpa
P0 －巖體空隙中的水壓力，Mpa
阻水帶帶厚度等于作用在底板上的水壓力（P）除以阻水系數（Z），即
h2=P/Z
根據我國部分礦區鉆孔水力壓力試驗，不同巖層阻水系數一般是：
中、粗粒砂巖0.3~0.5Mpa/m；細粒砂巖約0.3Mpa/m；粉砂巖約0.2Mpa/m；泥巖0.1~0.3 Mpa/m；石灰巖約0.4Mpa/m；斷層帶因其中充填物性質及膠結或密實程度不同，其阻水能力變化很大，按弱強度充填物考慮，其阻水系數為0.05~0.10Mpa/m 。
（3）地下水導升帶高度確定
地下水導升帶的高度（h3）可采用物探和鉆探方法確定，一般可在井下巷道中用電測深方法進行探測，必要時用鉆探驗證。當井下物探與鉆探條件受限制時，也可通過以往勘探鉆孔資料分析確定。斷層帶附近的地下水導升帶高度一般比正常巖層中增大，有時甚至可達到或超過煤層。
（4）底板含水層頂部充填隔水帶厚度確定
底板含水層頂部充填隔水帶厚度（h4）可以采用物探和鉆探方法綜合確定，表2為現場實測結果。
五、承壓水體上采煤方案
1、深降強排
采用疏水井巷、疏水鉆孔，將含水層水位降低至開采水平以下，以保證安全開采。但疏水工程量大，設備多，電耗大，投資大；使附近工農業用水缺乏；若井田內有奧灰，水量大、補給充足，難以實現深降強排方案。
2、外截內排
先采用帷幕注漿，截堵補給水源。再疏干降壓，將承壓水水位降至開采水平以下。要求水文地質條件清楚，補給徑流集中，帷幕截流工程易施工。
3、帶壓開采
在開采過程中利用隔水層阻力，防止底板突水。承壓水水位高于開采水平，底板要有足夠的強度能承受承壓水的壓力。帶壓開采方案經濟，但要探明水文地質條件，進行論證，并采取安全措施。
4、帶壓開采，綜合治理
帶壓開采，開采前，堵截地下水補給水源；開采過程中，疏水降壓。該方案既安全又經濟。
六、承壓水體上采煤安全技術措施。
1、防探水安全技術措施
（1）做好水文地質及構造地質工作：了解含水層、隔水層、巖溶、斷層、裂隙分布、承壓水徑流、補給水源通路等情況。
（2）加強防探水工作：超前探明底板隔水層厚度、底板含水層含水性能、地下水導升高度、斷層含水性能及裂隙富水程度。
（3）設置井上下水文工程設施：設置水文觀測孔，建立水文觀測制度，及時收集和整理水文觀測資料，必要時設置專門的疏水巷道和疏水鉆孔，增加排水設備，提高排水能力。
（4）必要時對底板破碎帶進行注漿加固。
2、開采安全技術措施
（1）選擇開采：按先易后難、由淺入深、先簡單后復雜的原則進行開采；對條件相同的煤層，先進行試采，總結經驗，找出規律，再逐步推廣應用。。
（2）分區隔離開采：用留設隔離采區煤柱、設置水閘門等方法，縮小底板突水的影響范圍。
（3）改革采區巷道布置：減少過斷層，減少巷道交叉點數目，縮小巷道交叉點面積，巷道交叉點和采煤工作面上下出口要盡量避開小斷層，無法避開時要對小斷層進行加固。
（4）采煤方法：采用充填開采、部分開采、仰斜長壁開采、分層開采；縮短工作面長度，提高工作面推進速度；正確確定工作面推進方向。
一、底板突水類型
1、按底板突水地點分：巷道突水、采煤工作面突水。
2、按突水的動態表現形式分：
（1）爆發型：突然爆發，即達峰值，過后突水近于穩定、減小。來勢猛、速度快、沖擊力大，常有巖石碎屑伴水突出。
（2）緩沖型：水量由小到大逐漸增大，經幾小時、幾天、甚至幾月才達到峰值。
（3）滯后型：采掘工作面推過后，在巷道、采空區內發生突水，滯后時間幾天、幾個月、幾年，突水量可急可緩。
3、按突水量大小分：
（1）特大型：突水量等于或大于50 ；
（2）大型：2049 ；
（3）中型：519 ；
（4）小型：小于5 。
二、開采后底板巖層破壞規律
在開采過程中，煤層底板應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力重新分布、變形與破壞規律，是研究煤層底板突水問題的基礎。
1、開采過程中工作面底板應力變形特征
采煤工作面周圍應力的分布情況：按應力大小分升高應力區(增壓區)、降低應力區（減壓區）和原始應力區（穩壓區）（見圖1）。
采煤工作面底板應力與變形情況：按應力與變形性質分壓縮區（壓應力）、膨脹區（拉應力）、壓縮區與膨脹區之間（剪應力）。拉應力與剪應力使底板出現一系列垂直于層面的斷裂。垂直斷裂與層理、順層斷裂交叉，形成底板破碎帶（見圖1）。
2、煤層底板“下三帶”
根據煤層底板的破壞情況及地下水的導升情況，采煤工作面連續推進后，工作面及采空區煤層底板可分為三帶（見圖2）：
（1）破壞帶：直接與工作面鄰接的底板，出現一系列沿層面和垂直于層面的斷裂，使底板導水能力增強，因此又稱為導水破壞帶，其厚度稱底板破壞深度h1，可達幾米到十幾米。
（2）保護層帶：位于破壞帶之下的完整巖層，巖層在支承壓力作用下產生彈性變形或塑性變形，但仍保持連續性，其阻水能力未發生變化。因此，又稱完整巖層帶或阻水帶。其厚度為h2。
（3）地下水導升帶：位于保護層帶之下，底板承壓水，沿底板隔水層裂隙上升的高度，其厚度為h3。
（4）底板含水層頂部充填隔水帶：有時底板含水層頂部存在泥質物的充填，具有隔水作用，其厚度以h4表示。
根據下三帶理論，預測承壓水體上采煤有四種情況，（見圖3）
三、影響底板突水因素
1、水源條件
水源條件包括水壓和水量。水量是突水的物質基礎；水壓是突水的動力。水量越豐富，突水量越大，其危害性也越大。水壓大，一方面沖破力大；另一方面在隔水層裂隙中導升高度增大，水壓越大其破壞性越大。
2、礦山壓力
（1）有周期來壓的采煤工作面，在初次來壓、周期來壓時，支承壓力大，對底板破壞嚴重，易發生底板突水事故。
（2）在采煤工作面后部采空區附近的底板處于降低應力區或變形膨脹區，頂板垮落不充分，斷裂張開，阻水能力最弱，易于突水。
（3）初次來壓前，在開切眼附近，老頂大面積懸露、且直接頂垮落不接頂，底板形成較大的自由面，易于突水；
（4）工作面推進速度太慢或停止時，在停采線處由于支承壓力的長時
期作用，使底板破壞嚴重，易于突水。工作面推進速度快，采空區底板還來不及形成較大的斷裂，就會由膨脹狀態變為壓縮狀態，有利于防止底板突水；
（5）區段煤柱在側向支承壓力的作用下，邊緣處破壞；煤柱邊緣處頂板垮落不充分，易于突水。
3、隔水層（保護層）阻力
隔水層的強度、厚度及裂隙發育程度，影響隔水層阻力的大小。隔水層阻力系數(Z)，以Mpa/m表示，在一般情況下Z=0.10.3Mpa/m 。
4、地質構造
地質構造，特別是斷裂構造，是造成煤層底板突水的主要原因。我國絕大部分（80%以上）的底板突水，是由斷裂構造引起的。
（1）斷裂錯距的存在，縮短了含水層與煤層之間的距離，使底板隔水
層厚度減小甚至消失（見圖4）。
（2）斷裂錯動時，斷裂影響范圍內的巖石比較破碎，極大地破壞了隔水層巖石的完整性，降低了隔水層的阻水能力。
（3）斷裂錯動時，斷裂影響范圍內的巖石比較破碎，具有良好的儲水和導水特征，當采煤工作面揭露到斷裂構造時，即會發生底板突水。
（4）采煤工作面底板巖體中存在斷裂構造時，使底板的破壞帶深度增大。
四、承壓水體上采煤防水安全媒巖柱的留設
1、防水安全煤巖柱的類型
承壓水體上采煤，對于不同采動等級的水體，都必須留設安全媒巖柱。
表1為承壓水體上采煤的采動等級、允許采動程度及留設的安全煤巖柱類型。
2、防水安全煤巖柱的設計
原則：不允許底板采動導水破壞帶波及水體，或與承壓水導升帶溝通。
計算公式：
(1) 含水層頂部無泥質物充填
ha=h1+h2＋h3 ，m
式中 ha － 防水安全煤巖柱厚度，m
h1 － 導水破壞帶厚度，m
h2 － 阻水帶或保護層帶厚度，m
h3 － 承壓水導升帶厚度，m
（2）含水層頂部有泥質物充填
ha=h1+h2＋h4 ，m
式中 h4－ 充填隔水帶厚度，m
3、防水安全煤巖柱基本參數的確定
（1）導水破壞帶厚度確定
根據現場觀測，破壞帶厚度主要取決與工作面長度、開采深度、煤層傾角、煤層開采厚度以及開采方法和頂板管理方法等因素，其次是底板巖層的抗破壞能力，包括巖石強度、巖層組合和原始裂隙發育狀況。根據實測結果，采用回歸分析，得出以下統計公式：
h1=0.7007+
h1=0.0085H+0.1665a+
式中 h1 － 破壞帶厚度，m
L － 工作面長度，m
H － 開采深度，m
a － 煤層傾角，°
（2）阻水帶或保護層帶厚度確定
根據現場鉆孔水力壓裂法實測的表示單位底板隔水巖層平均阻水能力的系數，可用下式表達：
Z=Pb/R
式中 Z－阻水系數，Mpa/m
R－裂縫擴展半徑，一般取40－
Pb＝3sb-sH+T-P0
式中 Pb－使巖體破裂時的臨界水壓力，Mpa
sb－作用于巖體的最小水平主應力，Mpa
sH－作用于巖體的最大水平主應力，Mpa
T －巖體的抗拉強度，Mpa
P0 －巖體空隙中的水壓力，Mpa
阻水帶帶厚度等于作用在底板上的水壓力（P）除以阻水系數（Z），即
h2=P/Z
根據我國部分礦區鉆孔水力壓力試驗，不同巖層阻水系數一般是：
中、粗粒砂巖0.3~0.5Mpa/m；細粒砂巖約0.3Mpa/m；粉砂巖約0.2Mpa/m；泥巖0.1~0.3 Mpa/m；石灰巖約0.4Mpa/m；斷層帶因其中充填物性質及膠結或密實程度不同，其阻水能力變化很大，按弱強度充填物考慮，其阻水系數為0.05~0.10Mpa/m 。
（3）地下水導升帶高度確定
地下水導升帶的高度（h3）可采用物探和鉆探方法確定，一般可在井下巷道中用電測深方法進行探測，必要時用鉆探驗證。當井下物探與鉆探條件受限制時，也可通過以往勘探鉆孔資料分析確定。斷層帶附近的地下水導升帶高度一般比正常巖層中增大，有時甚至可達到或超過煤層。
（4）底板含水層頂部充填隔水帶厚度確定
底板含水層頂部充填隔水帶厚度（h4）可以采用物探和鉆探方法綜合確定，表2為現場實測結果。
五、承壓水體上采煤方案
1、深降強排
采用疏水井巷、疏水鉆孔，將含水層水位降低至開采水平以下，以保證安全開采。但疏水工程量大，設備多，電耗大，投資大；使附近工農業用水缺乏；若井田內有奧灰，水量大、補給充足，難以實現深降強排方案。
2、外截內排
先采用帷幕注漿，截堵補給水源。再疏干降壓，將承壓水水位降至開采水平以下。要求水文地質條件清楚，補給徑流集中，帷幕截流工程易施工。
3、帶壓開采
在開采過程中利用隔水層阻力，防止底板突水。承壓水水位高于開采水平，底板要有足夠的強度能承受承壓水的壓力。帶壓開采方案經濟，但要探明水文地質條件，進行論證，并采取安全措施。
4、帶壓開采，綜合治理
帶壓開采，開采前，堵截地下水補給水源；開采過程中，疏水降壓。該方案既安全又經濟。
六、承壓水體上采煤安全技術措施。
1、防探水安全技術措施
（1）做好水文地質及構造地質工作：了解含水層、隔水層、巖溶、斷層、裂隙分布、承壓水徑流、補給水源通路等情況。
（2）加強防探水工作：超前探明底板隔水層厚度、底板含水層含水性能、地下水導升高度、斷層含水性能及裂隙富水程度。
（3）設置井上下水文工程設施：設置水文觀測孔，建立水文觀測制度，及時收集和整理水文觀測資料，必要時設置專門的疏水巷道和疏水鉆孔，增加排水設備，提高排水能力。
（4）必要時對底板破碎帶進行注漿加固。
2、開采安全技術措施
（1）選擇開采：按先易后難、由淺入深、先簡單后復雜的原則進行開采；對條件相同的煤層，先進行試采，總結經驗，找出規律，再逐步推廣應用。。
（2）分區隔離開采：用留設隔離采區煤柱、設置水閘門等方法，縮小底板突水的影響范圍。
（3）改革采區巷道布置：減少過斷層，減少巷道交叉點數目，縮小巷道交叉點面積，巷道交叉點和采煤工作面上下出口要盡量避開小斷層，無法避開時要對小斷層進行加固。
（4）采煤方法：采用充填開采、部分開采、仰斜長壁開采、分層開采；縮短工作面長度，提高工作面推進速度；正確確定工作面推進方向。
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