山西焦煤西安講稿-帶壓開采

1、帶（水）壓開采防治水技術(shù)與方法帶（水）壓開采防治水技術(shù)與方法靳德武靳德武博士、研究員、博士生導(dǎo)師博士、研究員、博士生導(dǎo)師提提 綱綱 基本概念 帶壓開采定義 煤層底板突水預(yù)測u突水系數(shù)法u理論計算法u“下三帶”理論 采場底板突水規(guī)律提提 綱綱l含水層水文地質(zhì)條件研究含水層水文地質(zhì)條件研究u放水試驗放水試驗u水化學(xué)方法水化學(xué)方法l隔水層阻水能力研究隔水層阻水能力研究u帶壓系數(shù)測定帶壓系數(shù)測定u垂向?qū)畼?gòu)造預(yù)防措施垂向?qū)畼?gòu)造預(yù)防措施l礦井水文地質(zhì)條件改造技術(shù)礦井水文地質(zhì)條件改造技術(shù)l防排水設(shè)施防排水設(shè)施l突水監(jiān)測突水監(jiān)測u多參數(shù)監(jiān)測多參數(shù)監(jiān)測u原位應(yīng)力監(jiān)測原位應(yīng)力監(jiān)測l帶壓開采防治水技術(shù)體系帶壓開

2、采防治水技術(shù)體系力源與突水類型力源與突水類型 巷道底板突水的力源u水壓、礦壓水壓、礦壓、地應(yīng)力 底板突水類型u巷道突水和采場突水（按工程類型）u實時突水和滯后突水（按突水時間）u按突水量峰值n50m3/min， 特大突水n2050m3/min 大型突水n520m3/min 中型突水n5m3/min 小型突水基本概念基本概念再論底板突水的力源再論底板突水的力源“水源水源” 靜水壓力越大，底板突水機率越高u峰峰二礦采-90m以上“山青”煤時，隔水底板（4045m）承受靜水壓力2.15MPa，但采至-90-170m水平的“山青”煤時，靜水壓力增至2.152.94MPa，發(fā)生6次突水l徑流強度越大，突

3、水量峰值越大u華北21個礦區(qū)突水資料表明，強徑流帶及邊界大斷層中多發(fā)生大或特大型突水；中等徑流帶斷層中多發(fā)生中、小型突水；弱徑流帶中小斷層多發(fā)生小型突水基本概念基本概念基基本本概概念念MPaMPa與水柱高度之間的換算關(guān)系與水柱高度之間的換算關(guān)系按按1kg=10N1kg=10N進(jìn)行近似計算進(jìn)行近似計算 2245252661010101010101cmkgcmkgmkgmNPaMPammcmcmkgcmkgcmkgcmkgmtMPaPh100101010101010001011243323623按按1kg=9.8N1kg=9.8N進(jìn)行精確計算進(jìn)行精確計算 2245262662 .101002. 1

4、108 . 91010101cmkgcmkgmkgmNPaMPammcmcmkgcmkgcmkgcmkgmtMPaPh102102 .10102 .10102 .101010002 .101133323623基本概念基本概念標(biāo)準(zhǔn)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1 1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=101325Pa=0.101325MPa=101325Pa=0.101325MPa =0.101325MPa =0.101325MPa100m/MPa100m/MPa =10.1325m =10.1325m 10m 10m1 1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=76=76厘米高水銀柱所產(chǎn)生的壓強厘米高水銀柱所產(chǎn)生的壓強 =1033.6=1

5、033.6厘米高水柱所產(chǎn)生的壓強厘米高水柱所產(chǎn)生的壓強 =1.013=1.013巴（巴（barbar）基本概念基本概念帶壓開采的定義帶壓開采的定義 帶（水）壓開采帶（水）壓開采( (簡稱簡稱“帶壓開采帶壓開采”) )，是指當(dāng)煤層底板隔，是指當(dāng)煤層底板隔水層承受較高水壓時，在不進(jìn)行或很少降低含水層水頭壓水層承受較高水壓時，在不進(jìn)行或很少降低含水層水頭壓力的情況下，確定能否安全采煤的技術(shù)力的情況下，確定能否安全采煤的技術(shù) 帶壓開采的核心問題帶壓開采的核心問題u研究巖溶水形成、賦存和動運動規(guī)律，預(yù)測巖溶水突入礦坑的途研究巖溶水形成、賦存和動運動規(guī)律，預(yù)測巖溶水突入礦坑的途徑以及可能可能發(fā)生突水的部位

6、徑以及可能可能發(fā)生突水的部位u對斷裂構(gòu)造的導(dǎo)水性、隔水層薄弱帶進(jìn)行預(yù)測和探查對斷裂構(gòu)造的導(dǎo)水性、隔水層薄弱帶進(jìn)行預(yù)測和探查n測繪法、壓水試驗、放水試驗、示蹤試驗、地下水動態(tài)觀測與分析測繪法、壓水試驗、放水試驗、示蹤試驗、地下水動態(tài)觀測與分析帶壓開采定義帶壓開采定義帶壓開采的作用帶壓開采的作用 延長老礦井的服務(wù)年限，節(jié)約大量新井基建經(jīng)費延長老礦井的服務(wù)年限，節(jié)約大量新井基建經(jīng)費 節(jié)約排水費用，降低噸煤生產(chǎn)成本節(jié)約排水費用，降低噸煤生產(chǎn)成本 避免因大量排水引起的地面塌陷現(xiàn)象避免因大量排水引起的地面塌陷現(xiàn)象 保護(hù)水資源保護(hù)水資源帶壓開采定義帶壓開采定義突水系數(shù)MPT PCMPT21hhMPT突水系數(shù)

7、法突水系數(shù)法煤層底板突水預(yù)測煤層底板突水預(yù)測部分礦區(qū)臨界突水系數(shù)部分礦區(qū)臨界突水系數(shù)注：臨界突水系數(shù)已經(jīng)包括礦山壓力對底板的破壞作用，是一個綜合性指標(biāo)注：臨界突水系數(shù)已經(jīng)包括礦山壓力對底板的破壞作用，是一個綜合性指標(biāo)煤層底板突水預(yù)測煤層底板突水預(yù)測突水系數(shù)法突水系數(shù)法臨界突水系數(shù)臨界突水系數(shù) 臨界突水系數(shù)隨深度增加注：注：1 1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=101325Pa=101325Pa突水系數(shù)法突水系數(shù)法煤層底板突水預(yù)測煤層底板突水預(yù)測臨界隔水層厚度臨界隔水層厚度 臨界隔水層厚度隨深度減小煤層底板突水預(yù)測煤層底板突水預(yù)測突水系數(shù)法突水系數(shù)法等效隔水層厚度等效隔水層厚度 同一厚度而巖性不同的底

8、板隔水層，其抵抗水壓的能力是有差別的 不能單純地按照巖層的實際厚度計算突水系數(shù) 應(yīng)該根據(jù)巖石本身的力學(xué)強度和隔水性能對實際厚度進(jìn)行換算，得出一個假定巖層強度和隔水性能均一的等效隔水層厚度（Me）peMMniiiN1niiiniiippnipiipniiippeMMMMMMMNMMM11111突水系數(shù)法突水系數(shù)法煤層底板突水預(yù)測煤層底板突水預(yù)測巖石強度比值系數(shù)煤層底板突水預(yù)測煤層底板突水預(yù)測突水系數(shù)法突水系數(shù)法斷裂帶底板突水系數(shù)計算斷裂帶底板突水系數(shù)計算LPT sinMMLLPT35. 0突水系數(shù)法突水系數(shù)法煤層底板突水預(yù)測煤層底板突水預(yù)測突水系數(shù)等值線圖突水系數(shù)等值線圖 用于評價煤層底板在承壓

9、水作用下巖體的穩(wěn)定性用于評價煤層底板在承壓水作用下巖體的穩(wěn)定性 根據(jù)鉆孔的水壓值和隔水層厚度，通過內(nèi)插法繪制根據(jù)鉆孔的水壓值和隔水層厚度，通過內(nèi)插法繪制 對斷層帶單獨計算突水系數(shù)，分段標(biāo)注對斷層帶單獨計算突水系數(shù)，分段標(biāo)注 選用臨界突水系數(shù)，圈定可能突水的危險地段選用臨界突水系數(shù)，圈定可能突水的危險地段煤層底板突水預(yù)測煤層底板突水預(yù)測突水系數(shù)法突水系數(shù)法經(jīng)驗類比法經(jīng)驗類比法極限水壓力極限水壓力 實際厚度實際厚度突水系數(shù)法突水系數(shù)法煤層底板突水預(yù)測煤層底板突水預(yù)測臨界水壓（頭）計算公式臨界水壓（頭）計算公式MLMKHP222安KKhLLLKKhLLLtc48482222422臨界隔水層厚度計算公

10、式臨界隔水層厚度計算公式煤層底板突水預(yù)測煤層底板突水預(yù)測理論計算法理論計算法導(dǎo)水破壞帶（導(dǎo)水破壞帶（h1）深度的確定）深度的確定統(tǒng)計公式法統(tǒng)計公式法煤層底板突水預(yù)測煤層底板突水預(yù)測下三帶理論下三帶理論“強滲通道說強滲通道說”中國科學(xué)院地質(zhì)研究所與開灤礦務(wù)局共同實踐的結(jié)果中國科學(xué)院地質(zhì)研究所與開灤礦務(wù)局共同實踐的結(jié)果底板水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在與水源溝通的固有的富水和強滲通道，當(dāng)采掘工程底板水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在與水源溝通的固有的富水和強滲通道，當(dāng)采掘工程揭穿時，即可能發(fā)生突水揭穿時，即可能發(fā)生突水底板中不存在這種固有的強滲通道，但在工程應(yīng)力、地殼應(yīng)力及地下水的底板中不存在這種固有的強滲通道，但在工程應(yīng)力、地

11、殼應(yīng)力及地下水的共同共同作用下，沿襲底板巖體結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的有的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生作用下，沿襲底板巖體結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的有的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生變形、破壞，形成新的貫穿性強滲通道而誘發(fā)突水變形、破壞，形成新的貫穿性強滲通道而誘發(fā)突水前者稱為原生通道突水，后者稱為次生通道突水前者稱為原生通道突水，后者稱為次生通道突水煤層底板突水預(yù)測煤層底板突水預(yù)測強滲通道說強滲通道說巖水應(yīng)力關(guān)系說巖水應(yīng)力關(guān)系說巖水應(yīng)力關(guān)系說巖水應(yīng)力關(guān)系說煤層底板突水預(yù)測煤層底板突水預(yù)測煤煤層層底底板板突突水水預(yù)預(yù)測測巖巖水水應(yīng)應(yīng)力力關(guān)關(guān)系系說說煤煤層層底底板板突突水水預(yù)預(yù)測測巖巖水水應(yīng)應(yīng)力力關(guān)關(guān)系系說說最優(yōu)分割法回采工作面突水量預(yù)

12、測最優(yōu)分割法回采工作面突水量預(yù)測058. 000167. 0,23. 015. 0,049. 0017. 0,78. 247. 2:,415350:33. 0017. 0,314304:5 . 2,063. 026. 2059. 000083. 0,15. 009. 0,99. 55 . 3:,26. 20 . 1096.500033. 0,396. 014. 0,92. 083. 017.6868,1835 .175:4240,12645.81:0 . 1qqqqqqqqqqq其它其它壓強采深采深其它單位涌水量壓強其它含水層厚度壓強其它壓強其它采深采深壓強煤煤層層底底板板突突水水量量預(yù)預(yù)測測

13、采場底板突水規(guī)律采場底板突水規(guī)律 空間規(guī)律u采場底板突水常發(fā)生在礦山壓力最大的老頂?shù)谝?、二次來壓和“收作線”附近u礦山壓力局部集中地段，如局部煤柱、懸頂處、兩個同時采面應(yīng)力迭加處等地段易突水u采掘面、切眼、巷道交叉處等剪應(yīng)力較大的點易突水 時間規(guī)律u老頂一、二次和周期來壓的時段u地應(yīng)力影響最大的時間（每年24月份）u地下水位達(dá)到峰值的時間采場底板突水規(guī)律采場底板突水規(guī)律采場底板突水規(guī)律采場底板突水規(guī)律許多煤礦的實踐經(jīng)驗證明許多煤礦的實踐經(jīng)驗證明u凡是掘進(jìn)時就發(fā)生的突水的地段，回采時必然突水u回采時發(fā)生突水的采區(qū)，在掘進(jìn)時卻未曾發(fā)生突水u安全回采的采區(qū)，掘進(jìn)時更安全采場底板突水規(guī)律采場底板突水規(guī)

14、律井下放水試驗技術(shù)井下放水試驗技術(shù) 放水試驗是一種鉆孔試驗技術(shù)，由分布于井上、下的放水孔放水試驗是一種鉆孔試驗技術(shù)，由分布于井上、下的放水孔和觀測孔組成，放水孔布置在煤礦井下巷道中，一般地，要和觀測孔組成，放水孔布置在煤礦井下巷道中，一般地，要求最好布置在未來疏水降壓的中心附近，觀測孔一般圍繞放求最好布置在未來疏水降壓的中心附近，觀測孔一般圍繞放水孔，根據(jù)井巷工程條件，可以是井下水壓測測孔，也可以水孔，根據(jù)井巷工程條件，可以是井下水壓測測孔，也可以是井上水位觀測孔，以能夠控制疏水降壓漏斗的展布形態(tài)為是井上水位觀測孔，以能夠控制疏水降壓漏斗的展布形態(tài)為原則原則 含水層水文地質(zhì)條件研究含水層水文地

15、質(zhì)條件研究放水試驗放水試驗l 示蹤試驗示蹤試驗是查明含水層內(nèi)部、含水層與含水層之間、地下是查明含水層內(nèi)部、含水層與含水層之間、地下水與地表水之間是否存在水力聯(lián)系的一種見效快、成本低水與地表水之間是否存在水力聯(lián)系的一種見效快、成本低的試驗手段。對判斷礦井充水條件具有重要意義的試驗手段。對判斷礦井充水條件具有重要意義l 通常是在放水試驗過程中進(jìn)行通常是在放水試驗過程中進(jìn)行l(wèi) 示蹤試驗過程示蹤試驗過程：在確定點上投入事先選定的示蹤劑，按照：在確定點上投入事先選定的示蹤劑，按照一定的時間間隔在接收點取樣分析，依據(jù)示蹤劑的變化特一定的時間間隔在接收點取樣分析，依據(jù)示蹤劑的變化特征分析充水條件征分析充水條

16、件示蹤試驗示蹤試驗含水層水文地質(zhì)條件研究含水層水文地質(zhì)條件研究示蹤試驗示蹤試驗u隔水層隔水層u阻水能力阻水能力u抗?jié)B試驗抗?jié)B試驗u帶壓系數(shù)測試帶壓系數(shù)測試u直通式通道直通式通道u三維地震、坑透三維地震、坑透隔水層阻水能力研究隔水層阻水能力研究分段帶壓系數(shù)分段帶壓系數(shù)平均帶壓系數(shù)平均帶壓系數(shù))/cos()(11iiinWWnWhnhhhPPDiiiWiiWWihhPPDcos)(11DWi分段帶壓系數(shù)（分段帶壓系數(shù)（KPa/m或無量綱）或無量綱） PWi為第為第i次測得的水壓值（次測得的水壓值（Kpa或或m）PW1+i為第為第i+1次測得的水壓值（次測得的水壓值（Kpa或或mhi第第i次測得的鉆

17、孔深度（次測得的鉆孔深度（m）hi+1第第i+1次測得的鉆孔深度（次測得的鉆孔深度（m）i測試次數(shù)（測試次數(shù)（i=1,2,3,n）巖芯與巖層面夾角（度）巖芯與巖層面夾角（度）隔水層阻水能力研究隔水層阻水能力研究帶壓開采中陷落柱突水的預(yù)防措施帶壓開采中陷落柱突水的預(yù)防措施 分析礦區(qū)不同含水層水位、各開采水平水壓動態(tài)變化規(guī)律分析礦區(qū)不同含水層水位、各開采水平水壓動態(tài)變化規(guī)律 分析礦區(qū)主要含水層水化學(xué)特征對比指標(biāo)分析礦區(qū)主要含水層水化學(xué)特征對比指標(biāo) 掌握不同含水層之間有無水力聯(lián)系、聯(lián)系方式及聯(lián)系部位掌握不同含水層之間有無水力聯(lián)系、聯(lián)系方式及聯(lián)系部位 已經(jīng)查明具有突水危險性的已經(jīng)查明具有突水危險性的u

18、預(yù)注漿加固預(yù)注漿加固u預(yù)留保安煤柱繞開通過預(yù)留保安煤柱繞開通過l已發(fā)生突水危害的已發(fā)生突水危害的u專門性注漿堵水措施，切斷其水力聯(lián)系通道專門性注漿堵水措施，切斷其水力聯(lián)系通道垂向?qū)畼?gòu)造垂向?qū)畼?gòu)造基于基于MohrMohrCoulombCoulomb準(zhǔn)則的防突煤柱外半徑最小極限計算公式準(zhǔn)則的防突煤柱外半徑最小極限計算公式 sin1sin20cotcossin1cotcccpab陷落柱橫斷面半徑陷落柱橫斷面半徑a a，預(yù)留設(shè)煤柱半徑為，預(yù)留設(shè)煤柱半徑為b;b;陷落柱內(nèi)水壓為陷落柱內(nèi)水壓為P P0 0煤體的強度參數(shù)煤體的強度參數(shù)、c垂向?qū)畼?gòu)造垂向?qū)畼?gòu)造帷幕截流設(shè)計內(nèi)容帷幕截流設(shè)計內(nèi)容u 確定帷

19、幕線位置和帷幕尺寸（長、寬、高）確定帷幕線位置和帷幕尺寸（長、寬、高）u 布孔：孔序、孔排、孔距布孔：孔序、孔排、孔距u 注漿材料選擇注漿材料選擇u 造漿系統(tǒng)、注漿泵造漿系統(tǒng)、注漿泵u 注漿參數(shù)設(shè)計和注漿過程控制注漿參數(shù)設(shè)計和注漿過程控制礦井水文地質(zhì)條件改造技術(shù)礦井水文地質(zhì)條件改造技術(shù)帷幕截流構(gòu)筑的基本條件帷幕截流構(gòu)筑的基本條件u 過水?dāng)嗝妾M窄過水?dāng)嗝妾M窄u 不透水邊界不透水邊界u 受注層具有良好的可灌注性受注層具有良好的可灌注性u 實施帷幕截流工程后具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益實施帷幕截流工程后具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益礦井水文地質(zhì)條件改造技術(shù)礦井水文地質(zhì)條件改造技術(shù)排水系統(tǒng)排水系統(tǒng)峰峰一礦某次發(fā)

20、生峰峰一礦某次發(fā)生150m3/min突水，排水能力僅突水，排水能力僅45m3/min，導(dǎo)致淹井，導(dǎo)致淹井峰峰一礦峰峰一礦1960淹井，堵水排水費用可建立排水能力為淹井，堵水排水費用可建立排水能力為120m3/min的排水基的排水基地地5處處焦作演馬莊礦焦作演馬莊礦1977年南區(qū)年南區(qū)-50m水平發(fā)生突水，突水量水平發(fā)生突水，突水量100m3/min以上，以上，礦井累計涌水量達(dá)礦井累計涌水量達(dá)220m3/min，由于排水能力大，未發(fā)生淹井，由于排水能力大，未發(fā)生淹井排水能力增量可參考當(dāng)?shù)鼗驐l件相似礦井突水量排水能力增量可參考當(dāng)?shù)鼗驐l件相似礦井突水量增加直通式排水孔增加直通式排水孔采用潛水泵排水采

21、用潛水泵排水大水礦井：水流系統(tǒng)與運輸系統(tǒng)分開，設(shè)置專用流水巷道大水礦井：水流系統(tǒng)與運輸系統(tǒng)分開，設(shè)置專用流水巷道沉淀處理：鐵篦沉淀處理：鐵篦+沉淀池沉淀池+溢水墻溢水墻+清倉用煤水泵清倉用煤水泵防排水設(shè)施防排水設(shè)施防水密閉設(shè)施防水密閉設(shè)施 水閘門水閘門u由門扇、門框組成由門扇、門框組成u湖南煤礦設(shè)計研究院湖南煤礦設(shè)計研究院可以設(shè)計承受不同水壓水閘門系列可以設(shè)計承受不同水壓水閘門系列水閘墻水閘墻u弧形墻面和平面墻面弧形墻面和平面墻面u無水作業(yè)和帶水作業(yè)無水作業(yè)和帶水作業(yè) 密閉泵房密閉泵房u具有獨立通風(fēng)系統(tǒng)且能保證全部水泵運轉(zhuǎn)時溫度在具有獨立通風(fēng)系統(tǒng)且能保證全部水泵運轉(zhuǎn)時溫度在3030以下以下u設(shè)排水井安全梯，便于排水人員安全撤離設(shè)排水井安全梯，便于排水人員安全撤離防排水設(shè)施防排水設(shè)施水閘門和水閘墻位置選擇應(yīng)考慮下列因素水閘門和水閘墻位置選擇應(yīng)考慮下列因素盡可能在較致密的巖層內(nèi)盡可能在較致密的巖層內(nèi)所選位置應(yīng)不受礦壓破壞影響所選位置應(yīng)不受礦壓破壞影響應(yīng)避開斷層帶