11 矿井突水及其预测评价.ppt

第十一章矿井突水及其预测评价,概述突水凡因井巷、工作面与含水层、被淹井巷、地表水体或含水的裂隙带、溶洞、陷落住、顶板冒落带、构造破碎带等接近或沟通而突然产生的出水事故，称为矿井突水。危害影响生产、威胁安全、增加成本、造成水害,矿井突水的分类,按采掘工作所处的阶段分掘进突水巷道回采突水工作面按突水点与开采煤层所处的相对位置分顶板突水底板突水煤柱突水按突水相对于采掘工程进行的时间分即时突水滞后突水,断层活化、地震作用,按水源的不同分地表水体水害松散层孔隙水水害老空水水害薄层灰岩水水害厚层灰岩水水害砂岩裂隙水水害依据突水点的水量大小分小突水点Q≤60m3/h中等突水点Q＝60m3/h～600m3/h大突水点Q＝600m3/h～1800m3/h特大突水点Q≥1800m3/h,由于突水或煤矿水害事故都发生在采掘过程中，突水的发生除决定于突水点附近的地质、水文地质条件外，都与采掘活动对井巷围岩的破坏有关，着重讨论采掘活动对煤层顶板岩层、底板岩层的破坏及其与突水的关系和评价预测方法。,自然因素-------人为因素,内容安排第一节采掘活动对顶板岩层的破坏及顶板突水评价第二节采掘活动对底板岩层的破坏及底板突水预测评价,一、采动条件下覆岩破坏的规律◆“三带”的形成及其形态特征煤层采出后，上覆岩层要发生破坏和位移，并具有明显的分带性。在采用走向长壁全部冒落法开采缓倾斜中厚煤层时，覆岩的破坏会出现三个带。,,,层状岩层,1．冒落带,煤层采出后，上覆岩层失去平衡，由直接顶岩层开始逐层向上冒落，直到开采空间被冒落岩块充满为止。冒落带下部，岩层呈不规则的岩块杂乱堆积于采空区内，称不规则冒落带；向上，冒落岩块渐大，甚至过渡为似层状断块，不连续地覆盖于不规则冒落带之上，称规则冒落带。,冒落岩石由于碎胀，体积增大，增大的比率称为碎胀系数。,冒落带最高点至回采上边界的垂直高度称为冒落带高度。冒落带内岩块之间空隙多，连通性强，是水体和泥沙溃入井下的通道。,,,,2．裂隙带,煤层顶板岩石自由冒落后，冒落带上方的岩层继续下沉弯曲，当其弯曲超过本身强度时，便产生离层裂隙或垂直张裂隙，以至断裂。这一过程逐层向上发展，直到上覆岩层整体下沉为止，这部分称为裂隙带。裂隙带导水能力较强，当其波及水体时可将水导入井下，但一般不导砂。,一般将冒落带和裂隙带称为冒裂带或导水裂隙带。裂隙带最高点到回采上边界的垂直距离，称为冒裂带高度或导水裂隙带高度。导水裂隙带发育的规律及其最大高度的确定，是地表水体及富含水层下采煤的重要工作之一，也是决定防水煤柱尺寸的主要依据。,,,,弯曲带是指导水裂隙带顶界到地表的那部分岩层。弯曲带基本呈整体移动，又称整体移动带。其上部很少出现离层裂隙，其下部可能出现离层裂隙，但仅局部充水，不与导水裂隙带连通。,3．弯曲带,,,,,,,弯曲带上方的地表，一般会形成下沉盆地，盆地边缘出现张裂隙，其深度约3～5m，一般不超过10m，上宽下窄，直至闭合消失。因此，弯曲带具有隔水保护层的作用。,,,,,,NOTE“三带”仅对层状岩层有意义，岩浆岩不存在；“三带”发育是否完整取决于采深，采深较小时发育不完整；煤层倾角不同时，“三带”的形态有所不同。,,,,,,,水平、缓倾斜煤层,倾斜煤层,急倾斜煤层,采空区下部由于随着煤层倾角的增大，在倾斜方向上产生冒落岩块的向下滚动加剧，采空区下部易被充填，从而限制了冒落带、裂隙带下边缘的向上发展；采空区上部冒落岩块的向下滚动加剧，煤柱片帮、开裂、冒落，使冒落带、裂隙带的上边缘扩展加剧，大大超过采空区上边界，冒落带、裂隙带的高度随之增大。当煤层倾角很大，顶、底板岩性坚硬，煤层厚且松软时，则可能沿煤层抽冒，高度可超过百米，形成地表塌陷，如徐州新河矿曾煤层抽冒，在地面形成一个直径42m～59m的大塌陷坑。,◆影响冒落带、裂隙带发展的因素1．覆岩岩性及组合特征覆岩破坏与覆岩性质的关系极为密切。按覆岩岩性及其组合，可将直接顶老顶简化、归纳为以下四种类型直接顶老顶冒落带裂隙带高度1坚硬坚硬型5-618-282软弱软弱型2-39-123软弱坚硬型8-1013-164坚硬软弱型较低较低,,,,2．煤层赋存及开采因素煤层开采是覆岩开裂破坏的根本原因。采厚、分层数、回采垂高、走向长度、开采方法、顶板管理方法、延续时间和地质构造等因素都对冒落带、裂隙带的发育有重要影响。,1采厚开采水平的、缓倾斜的及倾斜的煤层时，开采单一薄煤层及中厚煤层或厚煤层第一分层所形成的导水裂隙带高度与采厚基本呈直线关系。,开采急倾斜煤层时，在回采垂高、走向长度、顶板岩性大体相同的条件下，导水裂隙带高度与采厚也大体呈近似直线关系。,2分层数及回采垂高水平至倾斜的煤层分层开采或近距离煤层群重复采动条件下裂隙带高度随分层数增加而递减，与开采总厚呈近似分式函数关系。,分层数,裂隙带高度,,,急倾斜煤层分阶段开采时，在覆岩中硬、稳定性较好的情况下，一次连续回采的阶段垂高越大，覆岩破坏高度越高；当阶段垂高增至某一数值后，裂隙带高度的增加比率减小，阶段垂高继续增大，裂隙带高度即不再增加。,,,3开采面积开采倾斜、缓倾斜煤层时，裂隙随采区扩大而向上发展。当采区扩大到一定范围，裂隙带高度达最大值后，采区继续扩大，裂隙带基本上不再发展。当岩层移动趋于稳定后，原有的冒裂带将逐渐趋于压缩状态，裂隙带高度甚至会随之降低。,,,,开采急倾斜煤层时阶段垂高和采厚不变走向长度超过100m，冒落带、裂隙带高度增加的幅度很小。走向长度为50m～l00m，裂高与走向长度大致呈近似的直线关系；走向长度过小，如30m～50m，出煤量不加控制时，冒落带、裂隙带高度会随阶段垂高的增加而急剧增大，甚至直达地表。,4地质构造由于构造破碎带岩石的力学强度降低，在采动条件下会加剧冒落带、裂隙带的发展。通常，在采空区上部的高角度张性或导水断层会引起裂隙带沿断层向上发展，甚至抽冒而使地面形成塌陷坑。,,,5）采煤方法及顶板管理--控制作用选择采煤方法时，应考虑有利于限制导水裂隙带高度和使上覆岩层得到均衡破坏。常用顶板管理方法有全部陷落法、全部充填法和煤柱支承法条带开采等。,6覆岩破坏的延续时间覆岩破坏高度的发展是个时间过程。导水裂隙带达到最大高度的时间坚硬岩层长些，回采放顶后2个月左右；一般中硬岩层，回采放顶后1～2个月软弱岩层短些，回采放顶后0．5～1个月。,裂隙高度达最大值后，覆岩仍在移动。覆岩坚硬时，导水裂隙带高度一般不再随时间变化；对于中硬或软弱覆岩，裂隙带高度随时间延续略有减小。厚煤层分层开采时，随分层数增加，裂隙带高度达最大值的时间逐层加快。,二、覆岩破坏对顶扳突水的影响及其评价,在采动条件下，覆岩破坏后在采空区上方形成“三带”，其中的冒落带和裂隙带是采动破坏形成的人工导水通道。当其波及采空区上方的地表水体或含水层，即冒落带、裂隙带高度大于地表水或含水层等水体与工作而之间的距离时，就会引起顶板突水。,水体、含水层,,,,,,一类比法选用本矿区或与本矿区的地质条件煤层倾角、覆岩性质及组合结构等、开采条件采厚、分层数或回采垂高、采煤方法和顶板管理方法等相似的其它矿区的数据为依据，通过对比，充分分析拟采用类比值的有利条件和不利条件，以确定本矿区的两带高度。,二经验公式法70年代初期，我国煤矿工作者通过在许多矿区开展水体下采煤的试采研究实践，总结出一套适合我国国情的计算冒落带与导水裂隙带最大高度的经验公式。,第二节采掘活动对底板岩层的破坏及底板突水预测评价,当煤层底板下存在承压含水层时，由于采掘工作破坏了煤层底板隔水层的天然受力状态，底板承压水在静水压力和矿山压力的作用下突破底板隔水层拥入矿井，造成底板突水。据资料统计，煤矿井下突水事故中，主要是底板突水，如焦作矿区，底板突水占全部突水的80。,隔水层,一、影响底板突水的因素,1．含水层富水性及水压含水层的富水性是底板突水发生的内在因素，决定着突水量的大小及其稳定性；水压则是底板突水的基本动力（拓展通道作用）。在煤层底板隔水层条件相同时，水压愈大，底板突水的机率愈高。在我国受奥灰（北）或茅口灰岩（南）水影响的矿井，随着矿井的延深，底板承受的水压愈来愈大，矿井受底板水的威胁也随之增大。,,,,灰岩含水层,煤层,,,,水压,2．隔水层是底板突水的抑制因素阻水能力厚度和稳定性岩性组合--刚柔相间的底板有利于抑制突水3．断裂构造断裂构造是底板突水的重要因素。降低底板隔水层的强度缩短煤层与对盘含水层的间距，减少底板隔水层的厚度构成承压水涌入矿井的导水通道,有效厚度,4．矿压破坏是底板突水的诱发因素矿压对煤层底板的变形破坏主要是在隔水层上部形成矿压破坏带从而直接影响隔水层的有效厚度，为突水的发生创造条件。,隔水层,,,,灰岩含水层,,,,煤层,采空区,冒落带,时间,矿压诱发突水的时间有长有短--滞后效应回采工作面诱发时间较短征兆--作面压力增大、底鼓、裂缝掘进工作面则可能很长掘进后1～2年，征兆不明显,采后悬顶减压,采前超前支承压力,后期顶板冒落来压,,,,,,压缩,膨胀,压缩,,,,,层向裂隙压缩-膨胀-再压缩采空区周边剪切破坏带竖向裂缝底板浅部出现的拉应力和横向位移,,,,,,裂隙的形成及成因,矿压破坏深度的决定因素回采工作面尺寸、开采方法、煤层厚度及倾角、开采深度及顶底板的岩性及结构等，最重要的是工作面斜长。统计值一般为6m～14m,煤层,,,采空区,,,,,工作面斜长,5．地应力地应力是导致底板突水的附加力源。往往被忽视Note含水层富水性及水压、隔水层、断裂构造、矿压和地应力这五个因素并非同时作用于每一个突水点，更不可能起同等重要的作用。概括地说，承压水水压的大小和隔水层的稳定性强弱是决定底板能否突水的一对基本矛盾。当水压和隔水层的稳定性处于相对平衡时，构造和矿压的作用将促使矛盾由不突水向突水转化。,1．斯列萨列夫公式50年代，前苏联学者斯列萨列夫根据静定梁理论推导出评价巷道底板突水时计算安全水头的公式，虽存在理论假设，但仍为唯一精确理论解。,二、底板突水的评价方法,,t,,L,,H安,,,,,S,,,H实,,,Kp-底板隔水层抗张强度,H安＞H实ort安＜t实，说明巷道底板安全，一般不会发生底板突水；H安＜H实ort安＞t实，说明巷道底极不安全，可能发生底板突水。,评价,2．突水系数法--60年代，焦作水文地质会战提出突水系数指单位隔水层厚度所承受的水压，又称水压比，其表达式为,临界突水系数Ts每米隔水层厚度所能承受的最大水压。,T＜Ts，说明底板稳定，突水可能小；T＞Ts，说明底板不稳定发生底板突水的可能性大。,评价,Ts--突水资料统计分析可得,存在问题①用于评价和预测构造破坏地段的底板突水较为可靠；②临界突水系数随采深的增加，在浅部与深部的变化曲线不一致；,③实际突水资料缺乏或较少的矿区难以确定临界突水系数值；④因受钻孔数量的限制和岩溶发育和富水性的极不均一，内插法编制的等水压线所确定的水压难以适用。,,,,,考虑矿压对底板破坏后，隔水层的有效厚度会减小，煤炭科学研究总院西安分院进行了修改,优点考虑了岩层的岩性、强度和岩组，更符合实际的地层条件,,山东矿院对大量现场实际观测资料进行统计分析后认为，当开采层底板下存在承压含水层时，采动矿压对煤层底板的破坏存在着“三带”，即自上而下依次为底板导水破坏带、完整岩层带与承压水导高带。,3．“下三带”方法,底板导水破坏带，指由于采动矿压的作用，底板岩层连续性遭到破坏，导水性发生明显改变的层带。完整岩层带，保持采前岩层的连续性及其阻抗水性能，是阻抗底板突水的关键，故又称为有效保护层带。承压水导高带，指含水层中的承压水沿隔水底板中的裂隙或断裂破碎带上升的高度，也称“原始导高”。,,动态,h,承压水导高带在开采后还可以再导升，但上升值很小。由于隔水层中裂隙发育的不均匀性，不同矿区或同一矿区不同块段因其底板岩性及地质构造的不同，则原始导高大小不一，少数断裂可使承压水导升很高，甚至接近或超过煤层，有些矿区或同一矿区的正常块段也可能无原始导高存在。,带,设煤层隔水底板总厚度为h，底板导水破坏带、完整岩层带与承压水导高带的厚度依次为h1、h2和h3，则,当h＞h1＋h3时，则保护层存在；当h＜h1＋h3时，则保护层不存在,,h,评价,,4．突水指数法,中国矿业大学应用多因素复合方法和地理信息系统（GIS技术，对华北一些矿区影响煤层底板突水的主要因素进行计算处理借助PC－ARC/INFO软件，得出不同矿区、不同煤层的突水指数，并应用该指数与已知突水点相拟合求出分区阈值，进行预测分区，取得较好的效果。,根据焦作东部矿区、王风煤矿及海蜂二矿实际资料建立的突水模式计算突水指数的通式为,突水指数,断裂构造复杂程度指标,承压含水层岩溶发育程度指标,煤层底板承受的水压,隔水层厚度,,,,,,,突水系数,,应用突水指数来评价或预测底板突水危险性，还需要根据已采区各点突水指数的输出值与已知突水点资料相拟合，确定分区阈值，作为评价或预测底板突水危险性的依据。,评价方法,由此根据突水模式计算的突水指数值对照分区阈值，即可对未知区的底板突水危险性作出预测分区。,安全区,过渡区,危险区,本章结束，谢谢,