3-2 水体下保水采煤技术.ppt

第三章保水开采技术,煤矿绿色开采技术,,主讲人袁永副教授电话18005212386邮箱yy20062006办公室矿业科学中心B525矿业工程学院B408-1,第二节水体下保水采煤技术,一、概述二、水体下保水采煤技术措施三、水体下保水采煤工程实例,,第三章保水开采技术,第一节开采引起的岩层导水裂隙演化规律第二节水体下保水采煤技术第三节承压含水层上保水采煤技术第四节矿井水的资源化利用,,第二节水体下保水采煤技术,一、水体下保水采煤技术措施二、水体下保水采煤工程实例,,二、水体下保水采煤技术措施,是,,,隔离水体技术措施,,水体下保水采煤技术措施,,,,矿井水文地质勘查,,判别顶板导水裂隙发育高度,,疏降水体技术措施,,,,,,,否,,,,,,,,,,二、水体下保水采煤技术措施,1.隔离水体技术措施留设安全煤岩柱,安全煤岩柱,防水安全煤岩柱,防砂安全煤岩柱,防塌安全煤岩柱,留设安全煤岩柱的实质是确定开采上限，保证断裂带或垮落带不波及水体,目的不允许导水断裂带波及到水体。结果避免上覆水体涌入井下，并要使矿井涌水量不明显增加。适用条件在各种大型地表水体下采煤、需要保护的生产和生活水源地水体下采煤、富水性强且补给充足的松散含水层和基岩含水层下采煤等条件下，需要留设防水安全煤岩柱。,二、水体下保水采煤技术措施,（1）留设防水安全煤岩柱,地表有松散覆盖层时的防水安全煤岩柱留设,二、水体下保水采煤技术措施,,HshHdHb,地层上部无松散层覆盖，且采深较小时的防水安全煤岩柱,二、水体下保水采煤技术措施,,HshHdHbHbi,基岩风化带也含水时的防水安全煤岩柱,二、水体下保水采煤技术措施,,HshHdHbHfe,防砂煤岩柱在松散弱含水层底界面至煤层开采上限之间为防止流砂溃入井下而保留的煤和岩层块段。目的防止上覆弱含水层和粘土层溃入井下。适用条件防砂安全煤岩柱适用于水体和煤层之间有隔水层的条件。,二、水体下保水采煤技术措施,（2）留设防砂安全煤岩柱,HsHkHb,二、水体下保水采煤技术措施,防塌煤岩柱在松散粘土层和已经疏干的松散含水层底界面与煤层开采上限之间为防止泥砂塌入采空区而保留的煤和岩层块段。目的防止上覆弱含水层和粘土层塌入井下。适用条件水体规模小，补给不充分，或地表水体虽然规模大但系季节性水体，并已对补给来源进行了处理的；具有多层结构的第四纪、第三纪厚松散层，且松散层底部为弱含水层，特别是当煤系地层上直接覆盖弱含水层的第四纪、第三纪砂层时。,二、水体下保水采煤技术措施,（3）留设防塌安全煤岩柱,二、水体下保水采煤技术措施,防塌煤岩柱的垂高等于冒落带高度。此时不需要考虑保护层问题。,,除了防塌煤岩柱以外，留设防水安全煤岩柱和防砂安全煤岩柱时都要考虑保护层问题。考虑保护层实际上是增大安全煤岩柱的安全系数。,二、水体下保水采煤技术措施,（4）安全煤岩柱的保护层,054煤层防水安全煤岩柱保护层厚度/m,注AM/n，M-累计采厚，m；n-分层层数；本表不适用于综放开采,054煤层防砂安全煤岩柱保护层厚度/m,注AM/n，M-累计采厚，m；n-分层层数；本表不适用于综放开采,5590煤层防水安全煤岩柱及防砂安全煤岩柱保护层厚度,a松散层底部粘性土层大于累计采厚b松散层底部粘性土层小于累计采厚c松散层全厚为小于累计采厚的粘性土层d松散层底部无粘性土层,某矿在松散富含水层下开采一倾斜煤层。煤层采厚3m。覆岩为中硬岩层，松散层下无粘性土层但有厚为10m含水的基岩风化带。求防水安全煤岩柱高度,二、水体下保水采煤技术措施,（5）水体下采煤安全煤岩柱算例,1松散含水层；2含水风化带,二、水体下保水采煤技术措施,（5）水体下采煤安全煤岩柱算例,,,,,,,,,为了安全起见，防水安全煤岩柱高度为72.6m。,二、水体下保水采煤技术措施,1.隔离水体技术措施降低导水裂隙发育高度,降低导水裂隙发育高度,水体下充填开采,水体下部分开采,水体下限厚开采,二、水体下保水采煤技术措施,1.隔离水体技术措施注浆堵截水源,,隔离水体技术措施,,,,,,,注浆堵截水源采用水泥、粘土或其他粘结性材料注入含水层的孔洞中，形成地下挡水帷幕，以切断地下水的补给通道，然后进行局部疏水采煤。,二、水体下保水采煤技术措施,2.疏降水体技术措施,条件根据我国水体下开采的经验，疏降水体技术措施适应于煤层上覆水体为弱或中弱含水层，水体的水量不太大且水源补给有限，且能够实现预先疏干的条件。优点煤炭回收率高，生产安全。缺点必须增加疏排水设备及必要的辅助工程，增加煤炭成本。有时由于疏降水体改变了水体的自然循环，以致影响工农业生产及人民生活和生态环境。,二、水体下保水采煤技术措施,2.疏降水体技术措施矿井水资源化利用,二、水体下保水采煤技术措施,2.疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,开采后，随着地表的沉陷将改变地表水的流向，同时随着上覆岩层中关键层的破断，在该区域内地下水将形成下降漏斗。地下水位的能否恢复，则决定于，随着工作面的推进，上覆岩层中有否软弱岩层事实上它是研究地下水渗漏的关键层）经重新压实导致裂隙闭合而形成隔水带。若有隔水带，则随着雨水的再次补给，下降漏斗也将随之消失。而它对地面生态的影响则决定于漏斗形成与消失的时间间隔。,黄县煤矿副井西翼1201工作面观测孔布置,黄县煤矿在进行含水砂层下采煤试验中，曾在长壁全部垮落采煤法工作面上方的冲积层和基岩内布置一组观测钻孔，岩层在-14米以上为砂岩；砂质黏土以及表土层）在回采前后及整个回采过程中进行了为期一年的水位观测。,二、水体下保水采煤技术措施,2.疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,图黄县煤矿副井西翼1201工作面观测孔水位动态曲线,二、水体下保水采煤技术措施,黄县煤矿1201工作面观测孔水位动态,二、水体下保水采煤技术措施,2.疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,1孔水位变化曲线,水位下降是暂时的,,二、水体下保水采煤技术措施,2.疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,3孔水位变化曲线,水位已经下降但还有恢复的可能,,二、水体下保水采煤技术措施,2.疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,陕西煤田地质局对大柳塔开采的观测也有同样的结果发现在初次放顶后水位迅速下降，而后曾经一度回升，但随着回采面积的扩大，逐渐下降，最终稳定在基岩界面附近。地下水位下降10-12米另外，对神华地区，水流与基岩界面有关，而开采将直接影响基岩地形的变化，从而影响水流的集聚与流向。,二、水体下保水采煤技术措施,2.疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,二、水体下保水采煤技术措施,2.疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,水位已没有恢复的可能,,6孔水位变化曲线,二、水体下保水采煤技术措施,2.疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,钻孔已堵塞，“”表示工作面过钻孔的位置,二、水体下保水采煤技术措施,2.疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,1号孔水位无变化；2、3、4、5号孔水位发生了短暂的变化，但始终保持孔中有水位；6号孔（孔底离开采层10米）内的水全部漏失。上述结果说明，由于有隔水层1号孔水位有2-3米的变化，而对于其他各孔则有10-16米变化以致全部漏失，而且经过一年的观察水位并没有回升也没有再漏失。6号孔全部漏失是否与当时离冒落带太近，以及观察时间太短，岩层尚未压实有关。显然，与钻孔所到开采层上覆岩层是否重新压实有关。另外还应该进一步观察水位变化对地表生物根系的影响。,二、水体下保水采煤技术措施,2.疏降水体技术措施含水层采动破坏后的恢复与再造,三、水体下保水采煤工程实例,龙口矿区海下采煤工程实例微山湖下采煤工程实例神东矿区含水层下采煤工程实例锦界煤矿松散含水层下采煤工程实例活鸡兔井烧变岩含水层下采煤工程实例补连塔煤矿四盘区顶板异常突水灾害机理及防治高水压松散含水层下采煤工程实例顶板砂岩含水层下采煤工程实例巨厚火成岩下离层区水害防治工程实例,龙口矿区北皂煤矿海域下首采面是我国第1个海域下采煤工作面,也是世界上第1个海域下综放开采工作面。该矿位于龙口矿区西北部，滨临渤海，其海域扩大区处于井田北部渤海海域内，矿区海域煤田是陆地煤田的延伸。海域下首采面H2101工作面位于海域暗斜井以东见图，处于海域下首采区煤层埋深最大的块段。,渤海,,H2101面,渤海边界,暗斜井,,三、水体下保水采煤工程实例龙口矿区海下采煤,概述,首采面走向长530m，倾斜长度为150m煤层平均厚度4.5m，倾角为04.6，硬度系数f1.5首采面范围内海水深度为35m第四系厚度为95110m,QN地层大部分厚度小于150m，仅局部厚度大于150m。煤2上距QN地层底界距离为110115m最大采深为350m左右,含水地层,含煤地层,三、水体下保水采煤工程实例龙口矿区海下采煤,基本条件,Q十N含水层水对海域下首采面开采无直接影响QN含（隔）水层存在于第四系地层中，第四系自上而下可分为I含、I隔和II含，为二含一隔结构。I隔位于I含、II含之间，厚度大于3m，全区分布稳定，岩性为隔水性能良好的黏土、砂质黏土，为良好的隔水层，在垂向上可以完全阻隔I含、II含之间的水力联系。海域内钻孔揭露QN厚度为65.00-113.00m，平均98.16m，上第三系N岩性以黏土岩为主。由于下第三系E地层上部有较厚的泥质岩类隔水层组阻隔。煤系地层中的含（隔）水层上部含煤段一般情况下可有效地阻隔煤系地层含水层与其上部第四系和第三系含水层的水力联系，是首采面开采有利因素。各含水层均为富水性弱，补给条件差。开拓与生产过程中仅有淋水和渗水。,三、水体下保水采煤工程实例龙口矿区海下采煤,海域下含（隔）水层对开采的影响,三、水体下保水采煤工程实例龙口矿区海下采煤,龙口矿区导水裂隙带高度实测,龙口矿区覆岩破坏具有非常典型的软弱覆岩类型的特点，主要表现为覆岩破坏过程较快，导水裂缝带最大高度形成的时间短，覆岩破坏高度低等。,三、水体下保水采煤工程实例龙口矿区海下采煤,防水安全煤岩柱留设,根据实测结果海下综放开采裂采比为8.33。当开采厚度为4.5m时，预计在正常覆岩条件下导水裂缝带高度为37.5m，按断层影响条件下导水裂缝带增大22.2计算，导水裂缝带最大高度为Hli45.7m。保护层厚度取5倍采厚，则Hb22.5m。防水煤岩柱厚度为Hsh68.2m。煤2距海底350m，远大于要求的水体下安全煤岩柱高度。因此，开采后不会沟通海水。,三、水体下保水采煤工程实例龙口矿区海下采煤,安全保障技术,建立地质保障技术体系建立海溃预警系统构建海域开采防治水综合技术体系,海下采煤效果,北皂矿海下首采面H2101工作面于2005年6月10日投产，于2005年8月12日开采结束，共采出煤炭8.92万t。截止2009年，先后完成了3个海下采煤工作面的开采，累计产出原煤160多万t，没有发生一次大的突水事故。海下采煤的成功为龙口矿区海下10亿t煤炭地质储量的开发开创了道路。,微山湖位于鲁西南及江苏北部，湖水覆盖面积约1470km2，湖下煤炭储量丰富。殷庄煤矿位于微山湖东南水域岸边，井田西翼在微山湖大面积水域之下，是整个微山湖四周最先进行湖下采煤的矿井。,三、水体下保水采煤工程实例微山湖下采煤,概述,煤层条件,可采层是七、八层煤。七层煤厚度1.2m左右。八煤层厚度2m左右，比较稳定。煤层底板由砂岩、闪长玢岩、砂质泥岩和泥岩组成。本矿井湖区试采区是八层煤。,微山湖是鲁南四湖的总称，常年水位标高31～33m，最高洪水位标高36.99m。湖床标高30m左右，水深2～4m。煤系地层被第四系松散层湖积物覆盖，主要为砂层、粘土和钙质砂姜，富水性强，并与湖水发生直接的水力联系。二迭系下石盒子组多为粘土岩、铝土质页岩和砂岩。山西组主要为砂岩、砂质泥岩互层、岩浆岩，含水导水性均较弱。上石炭系太原组灰岩含水，一般在标高-10m以上富水性较强，-10m以下逐渐减弱，其补给来源主要是第四系松散层和湖水，太原组和奥灰水无直接联系。总之，可采煤层距底板含水层较远，一般不受其威胁，顶板岩层含水性弱。对湖下开采有明显影响的是第四系松散层水和微山湖水。,三、水体下保水采煤工程实例微山湖下采煤,水文地质条件,三、水体下保水采煤工程实例微山湖下采煤,开采上限的确定,考虑到风化带以及应留出安全系数，故取湖下开采上限定为-60m，即安全煤岩柱垂高为80～85m，采深为90m。,三、水体下保水采煤工程实例微山湖下采煤,试采工作面开采技术条件,殷庄煤矿湖下试采工作面位于矿井的西翼，距微山湖西南岸边1600m，开采的煤层为二迭系山西组八层煤。煤层厚1.6～3.0m，平均2.3m；煤层倾角25左右。煤炭不易自燃，煤层无爆炸危险，瓦斯含量较小。煤层顶部砂岩含水性弱，仅局部有少量淋水。该区上方湖水深1.5～3.5m，第四纪厚0～6m。工作面采用单一走向长壁炮采全部垮落法。工作面走向长120～200m，斜长80～100m。一次采全高，平均采厚2m。控顶距2～4m，放顶距2m。,三、水体下保水采煤工程实例微山湖下采煤,湖下采煤效果,试采期间，湖下5个正规工作面和3个非正规工作面均实现了安全开采，采出煤炭28万t。殷庄煤矿原有开采范围处于微山湖畔的陆地下方。湖下采煤试验以前，矿井储量已经枯竭，濒临关闭，由于湖下采煤试验研究的进行，累计已从湖下安全采煤50余万t，服务年限延长25年以上。,三、水体下保水采煤工程实例神东矿区,神东矿区水文地质条件,神东矿区位于内蒙古南部与陕西北部，地处毛乌素沙漠和陕北黄土高原的接壤地带，属于水资源贫乏的干旱半干旱矿区，矿区为风积砂地貌和黄土粱峁丘陵地貌。矿区主要含水层为松散沙层孔隙潜水含水（风积沙和萨拉乌苏）和烧变岩孔隙含水层，都位于开采煤层上部。主采煤层一般3～6层，由浅到深为1-2，2-2，3-1，4-2，4-3，5-2，5-3煤。煤层近水平，倾角一般小于3。开采对上部砂层水造成影响最大的是最上部一层煤，神东矿区主要为1-2和2-2，平均厚度分别为2.81m和4.10m。,三、水体下保水采煤工程实例神东矿区,神东矿区水文地质条件,萨拉乌苏组含水层水位埋藏较浅，约0.9～9.27m。由于受地形地貌及岩性、厚度及补给范围的制约，其渗透性与富水性各地差异很大。萨拉乌苏组沉积厚度受古地形的制约，各沟槽之间有相对的分水岭。各沟槽或泉域均具独立的水文地质单元，各沟槽或泉域之间的分界，与现在地表分水岭一致，有继承性。补给直接接受大气降水补给。排泄以泉水排泄为主，在乌兰木伦河两岸常形成线状排泄山泉群。,三、水体下保水采煤工程实例神东矿区,神东矿区水文地质条件煤层与含水层组合特征,神东矿区煤与水赋存空间组合总的特点是“煤水共生，水在上、煤在下，煤、水间隔水岩组厚度变化大”，大部分区域为50150m。煤层顶板基岩厚度与含水层厚度负相关基岩变薄区含水层厚度大、富水性强；基岩增厚区往往是地下水分水岭，含水层厚度小、富水性弱。,三、水体下保水采煤工程实例神东矿区,神东矿区含水层下采煤技术,基岩较薄,导水裂隙波及含水层,留设防水煤柱,水平煤层，不现实,房柱、限厚、充填,限制高产高效,井上下疏排上吐下泄,三、水体下保水采煤工程实例神东矿区,神东矿区含水层下采煤技术,水文地质勘察井下放水孔地面抽水井直通式泄水孔水位、水量监测铺设导流明渠薄基岩区注浆加固合理安设排水系统施工地面强排孔,三、水体下保水采煤工程实例神东锦界矿,锦界煤矿松散含水层下采煤概况,锦界煤矿位于秃尾河流域东部，于2006年投产出煤，地下水资源比较丰富。目前矿井已开采完3个工作面，矿井总涌水量超过2500m3/h，随着矿井开采面积的增大，矿井涌水量呈继续增加的趋势，为了确保第4个工作面93208的安全开采，在防治水方面采取了综合治理措施，取得了良好效果。,三、水体下保水采煤工程实例神东锦界矿,锦界煤矿松散含水层下采煤工作面地质条件,93208工作面推进长度2168m，宽度294m。煤层采高3.3m；倾角1。上覆松散层厚度25～45m，基岩厚度55～80m。工作面切眼区域基岩厚度65m左右，含水层厚度在26m左右。煤层埋深90.49～112.59m，属于典型的浅埋煤层。工作面预计最大涌水量为465m3/h。工作面采动后涌水主要为松散含水层潜水和风化基岩裂隙水。按规程估算顶板导水裂隙带直接发育至松散层含水层，必需采用疏降水技术措施。,三、水体下保水采煤工程实例神东锦界矿,锦界煤矿松散含水层下采煤工作面排水方案,巷道排水方案93208回风巷道设计6个水仓，每个水仓容积为80m3，每个水仓内配备型号为MD280-434流量为280m3／h离心泵1台；93209回风巷道设计9个水仓，每个水仓容积为80m3，每个水仓内配备型号为MD280-43X4流量为280m3／h离心泵1台。每个水仓均设有单独管路与巷道DN200主排水管路对接。工作面排水方案在93208工作面低洼处安设型号为MDl55-305流量为155m3／h移动变电站离心泵10台，工作面布置3趟φ159胶管，其中两趟布置在电缆槽内，1趟布置在支架内，工作面的设防能力达到1200m3／h，应急时可以直接向工作面两巷道排水。,三、水体下保水采煤工程实例神东锦界矿,锦界煤矿松散含水层下采煤工作面疏放水方案,93208工作面共施工探放水钻孔53个。其中切眼内施工9个，93208回风巷道施工14个，93208回撤通道施工6个，93209回风巷道施工24个，均向工作面方向倾斜50，开口孔径113mm，,三、水体下保水采煤工程实例神东锦界矿,锦界煤矿松散含水层下采煤工作面疏放水方案,上覆含水层厚度随着疏放水时间增加而减小，二者基本上成线性关系。,三、水体下保水采煤工程实例神东锦界矿,锦界煤矿松散含水层下采煤疏放水效果,工作面的涌水量在老顶初次来压位置附近出现了异常，但不是最大涌水量，工作面涌水量随着开采面积的增大出现整体增加趋势，说明工作面涌水量与采空区面积关系密切。,三、水体下保水采煤工程实例神东活鸡兔井,活鸡兔井烧变岩含水层下采煤概况,活鸡兔井是神东公司的一个特大型矿井。首采工作面205面的走向长度2400m，宽度230m；采2-2煤，采厚4～5m。上覆1-2煤（厚9～11m），距主采煤层21～30m，自燃后形成了10余平方公里的烧变岩区，首采面几乎全部位于烧变岩之下。2-2煤层开采过程中，其导水裂隙带将发育到烧变岩中。经计算，突水量可达1200m3/h以上，对矿井安全生产将造成致命性的灾害。,三、水体下保水采煤工程实例神东活鸡兔井,活鸡兔井烧变岩含水层下采煤烧变岩含水层富水性分区,三、水体下保水采煤工程实例神东活鸡兔井,活鸡兔井烧变岩含水层下采煤沿250走向烧变岩储水剖面,三、水体下保水采煤工程实例神东活鸡兔井,活鸡兔井烧变岩含水层下采煤钻孔疏排水方案,本工作面总的地下水储存量达129.43万m3。按照85的疏干率，应该疏排水126.44万m3。泄水钻孔平均泻水量为30m3/h。按工期5个月要求，泄水钻孔数量12个。孔距为250～300m。采用地面直通式泄水孔，从地面施工钻孔至工作面顺槽。,三、水体下保水采煤工程实例神东活鸡兔井,活鸡兔井烧变岩含水层下采煤工程效果,经过5个多月的疏排水，5号孔区总疏排量为8.27万m3，占补给和储存量的93；1、2号钻孔区总疏排水量为124.88万m3，占补给和储存量的90，局部残留含水层厚度仅0.7m左右。泄水量较大的钻孔开始时的两个月泄水强度较大，之后逐渐衰弱，泄水150d后，只有1、2、10、12号钻孔仍然有水排出，总量为39m3/d,基本上为补给量。本次疏排水效果比较显著，为高产高效矿井的投产创造了条件。在消除水害的同时，本次所排出的水，全部进入矿区供水系统。开创了烧变岩矿区地下水排供结合的先例，为今后矿井安全生产和资源合理开发利用积累了经验。,三、水体下保水采煤工程实例神东补连塔,补连塔煤矿四盘区顶板异常突水机理及防治水文地质条件,补连塔煤矿四盘区南北走向约5.0km，东西倾向约5.6km，面积28.53km2。四盘区1-2煤属稳定煤层，煤层倾角1～30。在北部边界分叉，西部煤层较厚且稳定，煤厚在4.29～6.8m之间；北部边界区域煤层较薄，在3.09～3.8m之间。四盘区首采煤层为1-2煤层，共设计综采工作面15个（31401～31415），设计工作面长度一般为300m（除31401和31415），设计采高4.5～5.2m，设计推进长度2878～4720m。煤层埋藏深度为180～250m，地表大多被第四系松散层覆盖，松散层厚度5～25m，基岩厚度120～190m。基岩上部存在厚度不等的砂砾含水层，厚度30～120m。四盘区内含水层主要由地表水、松散风积沙含水层以及砂砾含水层组成。,补连塔煤矿四盘区顶板异常突水机理及防治,补连塔煤矿四盘区31401综采面出水位置与出水量,三、水体下保水采煤工程实例神东补连塔矿,补连塔煤矿31401面顶板导水裂隙高度实测结果,三、水体下保水采煤工程实例神东补连塔矿,补连塔煤矿四盘区内各钻孔主关键层位置与突水危险性评价,,,,,,,,,,,,,,,,,三、水体下保水采煤工程实例神东补连塔矿,补连塔煤矿四盘区1-2煤突水危险区域预测结果,补连塔煤矿四盘区顶板异常突水机理及防治,三、水体下保水采煤工程实例神东补连塔矿,补连塔煤矿四盘区顶板异常突水机理及防治工程效果,三、水体下保水采煤工程实例神东补连塔矿,补连塔煤矿于2007年6月24日颁布的矿发48号文件（关于31401工作面剩余煤量开采方案）中提出31401工作面进行跳采，留设一定宽度的煤柱后重开切眼，更换为小采高支架开采31401工作面剩余煤量，以避免顶板突水问题。根据对31401工作面突水危险区域的预测结果，发现31401工作面剩余煤量段已处于顶板突水危险区域以外。神东公司据此否定了补连塔煤矿的跳采方案，31401工作面仍然连续推采，后续开采过程中，没有发生一次顶板突水，安全回采通过3个顶板富水区。由此，避免了一次拆面搬家，不仅节约了搬家费用，消除了跳采煤柱损失，保证了工作面的正常回采。,三、水体下保水采煤工程实例祁东煤矿,高水压松散含水层下采煤概述,三、水体下保水采煤工程实例祁东煤矿,高水压松散含水层下采煤试验矿井水文地质条件,祁东煤矿位于安徽省宿州煤田，设计年生产能力为150万t。井田内煤系地层普遍为新生界巨厚松散含水层覆盖。煤系地层为石炭二叠系,含可采煤层6层,可采煤层总厚15.15m,现开采煤层分别为32、61、71煤。祁东煤矿新生界松散层厚度为235～453m，其底部的第四含水层组（简称“四含”直接覆盖于煤系地层之上，厚度0～59.10m,平均35～40m。现有采区位于谷口冲洪积扇沉积区内，四含平均厚度一般40m左右。该冲洪积扇主要由砾石、砂砾、黏土砾石、砂、黏土质砂等组成,夹多层薄层黏土或砂质黏土。对浅部煤层的安全开采构成了直接威胁。水压3-4mpa。原来按规程规定设计防水煤岩柱垂高60m。,邻近松散含水层开采示意图,祁东矿基岩顶部松散承压含水层（俗称“四含”，厚40m，水压3.8MPa,,松散承压含水层,三、水体下保水采煤工程实例祁东煤矿,高水压松散含水层下采煤试验矿井水文地质条件,案例1祁东煤矿3222工作面压架突水,3222工作面宽150m，煤层厚度平均2.5m，最小防水煤岩柱厚度为63m，预计导水裂隙高度42m。工作面推进48m时，老顶来压，工作面中部5060架支柱活塞被压死，卡环压裂，56分钟后渗水处水量增加到10m3/h；3个半小时后水量增大到80m3/h，然后逐步增加，6个半小时后猛增到1300m3/h，最大水量达1670m3/h。终因矿井排水能力不足，水泵房进水，矿井被淹。,三、水体下保水采煤工程实例祁东煤矿,高水压松散含水层下采煤突水事故,案例2祁东煤矿7114工作面压架突水事故,7114工作面宽176m，煤层厚度平均3.0m，最小防水煤岩柱厚度为70m，预计导水裂隙高度45m。工作面推进44m时，顶板来压，压死支架74架，顶板涌水量由15m3/h逐步增大到60m3/h。此次采场压架突水事故造成了近千万元的直接经济损失，严重影响了矿井的正常生产计划。,三、水体下保水采煤工程实例祁东煤矿,高水压松散含水层下采煤突水事故,祁东煤矿松散承压含水层下采煤压坏支架的照片,三、水体下保水采煤工程实例祁东煤矿,,,松散承压含水层载荷传递作用模拟实验装置示意图1－模拟台；2－承压含水层；3－压力传感器；4－水阀；5－水压表；6－水压传感器；7－注水管；8－溢水管；9－上水管；10－上水箱；11－下水箱；12－伺服水泵；13－上水箱升降架,该实验装置能模拟不同埋深、不同厚度、不同水压的松散承压含水层条件下，开采过程中基岩顶部压力变化规律，适用于研究松散承压含水层载荷传递作用下关键层复合破断机制及导水裂隙发育规律。模拟的松散承压含水层最大厚度为60m、最大水压为5MPa，伺服水泵最大供水能力为100l/min。,三、水体下保水采煤工程实例祁东煤矿,高水压松散含水层下采煤突水事故机理,,松散承压含水层载荷传递作用下关键层复合破断机制的实验方案,,,,三、水体下保水采煤工程实例祁东煤矿,高水压松散含水层下采煤突水事故机理,,松散承压含水层载荷传递作用的实验结果,,,,三、水体下保水采煤工程实例祁东煤矿,高水压松散含水层下采煤突水事故机理,,,,有松散承压含水层,无松散承压含水层,松散承压含水层对关键层复合破断影响的实验结果,松散承压含水层,,三、水体下保水采煤工程实例祁东煤矿,高水压松散含水层下采煤突水事故机理,关键层复合破断对导水裂隙发育影响的实验结果,有松散承压含水层,无松散承压含水层,三、水体下保水采煤工程实例祁东煤矿,高水压松散含水层下采煤突水事故机理,三、水体下保水采煤工程实例祁东煤矿,高水压松散含水层下采煤突水事故机理,,三、水体下保水采煤工程实例祁东煤矿,祁东煤矿71煤开采压架突水危险区域预测图,三、水体下保水采煤工程实例祁东煤矿,高水压松散含水层下采煤突水防治,通过压架突水危险区域的预测，为矿井合理布置工作面提供了依据，避免了在设计初期就将工作面布置在危险区域之内；在开采过程中可以起到提前警示作用，提前采取了相应的防范措施，避免了压架突水事故的发生。实现了7114工作面压架复面的安全生产。通过支护质量监测，保障了支架的可靠性和实际支护质量，防止了再次压架的可能性，实现了剩余段的安全回采。促进了工作面正常生产的顺利进行，避免了因跳采方案留设2.5万t煤柱资源的损失，安全开采煤炭35万t，直接经济效益近1.4亿元。实现了7121工作面压架复面的安全生产。通过7121工作面实施支护质量监测、合理推进速度控制、顶板超前预爆破等措施，保证了7121工作面累计安全推进695m，避免了压架突水事故的再次发生，累计安全回采煤炭约31.2万t，直接经济效益约1.2亿元。,三、水体下保水采煤工程实例祁东煤矿,高水压松散含水层下采煤工程效果,顶板砂岩含水层下采煤试验矿井水文地质条件,三、水体下保水采煤工程实例刘桥一矿,刘桥一矿地处淮北矿区境内，主采二迭系下石盒子组和山西组的4、6煤层。煤厚分别为1.8m和2.85m，全区分布较稳定，倾角1045，平均28。煤系上覆新生界松散层，厚105155m,平均120m；下伏石炭系太原群灰岩组累厚130m。矿井地面标高30m,生产水平标高-330-120m。开采四煤层时矿井的直接充水源是开采煤层的顶板砂岩含水层，即四煤层顶板砂岩裂隙水（七含）。矿井的正常涌水量为300580m3/h，其中七含水占70以上。七含水威胁生产安全。,顶板砂岩含水层下采煤试验矿井水文地质条件,三、水体下保水采煤工程实例刘桥一矿,刘桥一矿煤层水文地质剖面图,顶板砂岩含水层下采煤七含分布及富集规律,三、水体下保水采煤工程实例刘桥一矿,七含主要分布于4煤层顶板，一般为中细粒砂岩，多层结构，北厚南薄（一般186m），北硬南软，富水性北强南弱。七含在北部41、42采区常为煤层的直接顶板，而到南部43采区则与4煤层间夹有几米厚的砂质泥岩等软岩。属中等富水性。4煤层顶板岩性及结构控制着裂隙水的分布与富集。因4煤层直接顶部位普遍沉积有一层27m的泥岩隔水层，七含在采前很难疏放，采动后顶板破坏时又很容易溃入工作面。,顶板砂岩含水层下采煤四煤层开采顶板破坏特征,三、水体下保水采煤工程实例刘桥一矿,刘桥一矿四煤层开采实测冒落带与导水裂隙带高度,顶板砂岩含水层下采煤顶板砂岩水治理,三、水体下保水采煤工程实例刘桥一矿,条带状砂岩裂隙水的治理方法,采前钻孔探放,钻孔截流,预设导流钻孔,网格状砂岩裂隙水的治理方法,提前开拓疏放与钻孔疏放相结合,顶板砂岩含水层下采煤四煤层开采顶板破坏特征,三、水体下保水采煤工程实例刘桥一矿,预设导流钻孔,巨厚火成岩下离层区水害防治矿井水文地质条件,三、水体下保水采煤工程实例海孜煤矿,海孜煤矿主采煤层为下石盒子组7，8煤及山西组10煤。7、8、9煤层平均厚度分别为1.99m、1.77m、2.67m，煤层平均倾角为18。7煤顶板上方62m处为一层厚达96～169m、平均厚度为120m的巨厚火成岩，岩性以闪长玢岩为主。第四系松散层厚为247m，下伏四含厚度为10～14m，直接覆盖在煤系露头之上，四含单位涌水量为92.3～404.1mL/sm，为弱含水层。745工作面为84采区最下部的一个工作面。走向长400m，倾斜长70～120m；平均开采深度为381m；平均采厚为2.2m。745工作面采用炮采，全部垮落法处理采空区。按规程计算的顶板导水裂隙带高度为25.3～36.5m。,巨厚火成岩下离层区水害防治矿井水文地质条件,三、水体下保水采煤工程实例海孜煤矿,,,巨厚火成岩下离层区水害防治矿井水文地质条件,三、水体下保水采煤工程实例海孜煤矿,,2005年5月16日1245，当745工作面推进至150m时，机巷上方20m范围内发生第一次突水，最大涌水量350m3/h，当天下午1800左右降至200m3/h；5月19日水量衰减到35m3/h，当天开始组织井下作业人员维护工作面。5月21日中午1215工作面轨巷以上10m处再次发生顶板突水，前20min涌水量达3887m3，总计突出水量约6620m3，造成了人员伤亡。,巨厚火成岩下离层区水害防治745工作面突水特征,三、水体下保水采煤工程实例海孜煤矿,,突水征兆不明显，来势凶猛。海孜煤矿以往的顶板突水均出现由小到大渐变的规律，而此次突水是瞬间溃出，几乎无任何征兆，当现场人员发现顶板淋水发出撤出信号时，水流迅速涌出，出水点以下的人员来不及撤离。突水初期水量大。前20min出水量达3887m3，形成强大的水流，并伴有约400m3的矸石以泥石流的形式溃出，造成沿途巷道被切割冲刷，将轨道下山底板冲出一条1.2m深的沟槽。水量衰减快。具有封闭水体老采空区积水的突水特征，突水后仅过3.5h水量就衰减了97。,巨厚火成岩下离层区水害防治745工作面突水机理,三、水体下保水采煤工程实例海孜煤矿,水源火成岩下部的离层区水体。,745工作面突水位置前方R455钻孔实测巨厚火成岩底部存在高度达3m的离层破碎带，距7煤层间距59.8m；此外，距7煤34.8，51.3m处分别存在段高为1.2，1.5m的离层破碎带。,巨厚火成岩下离层区水害防治745工作面突水机理,三、水体下保水采煤工程实例海孜煤矿,突水通道覆岩关键层复合破断产生的贯通裂隙,钻孔柱状,巨厚火成岩下离层区水害防治745工作面突水机理,三、水体下保水采煤工程实例海孜煤矿,突水通道覆岩关键层复合破断产生的贯通裂隙,关键层复合破断,关键层非复合破断,,离层区水体载荷传递作用,巨厚火成岩下离层区水害防治措施,三、水体下保水采煤工程实例海孜煤矿,首先采用关键层判别软件对所采区域的覆岩关键层位置进行判别，借此掌握覆岩离层区可能出现的具体位置；其次，结合水文地质条件，确定按传统计算所得导水裂隙带上方的离层区是否存在积水；当判断有离层区积水时，应该在离层区积水上方的关键层初次破断前对其进行疏放，钻孔终孔位置需打至该关键层的底部。,