任務(wù)5保水開采技術(shù)

1、引引 言言開采對(duì)地下水分布的影響開采對(duì)地下水分布的影響12保水開采技術(shù)的主要影響因素保水開采技術(shù)的主要影響因素345神府礦區(qū)保水開采實(shí)例神府礦區(qū)保水開采實(shí)例保水開采技術(shù)保水開采技術(shù)v 煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)仍然十分嚴(yán)峻煤炭在能源生產(chǎn)與煤炭在能源生產(chǎn)與消費(fèi)中的比例消費(fèi)中的比例p煤炭是我國的主體能源；煤炭是我國的主體能源；p煤礦生產(chǎn)中的群死群傷事故煤礦生產(chǎn)中的群死群傷事故仍然十分嚴(yán)重；仍然十分嚴(yán)重；p百萬噸死亡率是美國的近百萬噸死亡率是美國的近200倍，南非的倍，南非的30倍，印度倍，印度的的12倍。倍。1 引言我國煤礦突水災(zāi)害事故十分嚴(yán)重我國煤礦群死群傷特大事故主要由瓦斯和突水災(zāi)害造成，遏制瓦斯和突水

2、事故是我國煤礦安全控制的主攻目標(biāo)。并且，突水造成的直接經(jīng)濟(jì)損失一直排各類煤礦災(zāi)害之首。過去20年間，有250多對(duì)礦井被水淹沒，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)350多億元。1 引言煤礦開采嚴(yán)重破壞礦區(qū)水資源與環(huán)境 為治理煤礦水害，我國每年排出礦井水56億m3，只利用30%，造成礦區(qū)水源枯竭、水與生態(tài)環(huán)境的破壞。1 引言v問題1 ：礦井突水的含導(dǎo)水構(gòu)造地質(zhì)特征與條件p我國大部分礦區(qū)水文地質(zhì)與構(gòu)造地質(zhì)條件十分復(fù)雜，65%左右的礦井受嚴(yán)重突水危脅。p現(xiàn)有研究對(duì)陷落柱和斷層等導(dǎo)水構(gòu)造的發(fā)育規(guī)律、地下水的賦存和運(yùn)移規(guī)律等認(rèn)識(shí)不足。1 引言v 陷落柱突水實(shí)例開灤范各莊煤礦2171 工作面發(fā)生特大陷落柱突水, 造成全礦被淹

3、，最大突水量達(dá)2053 m3/min，為目前世界上水量最大的突水。陷落柱富含水層工作面1 引言v問題2：采動(dòng)巖體結(jié)構(gòu)破壞與裂隙 演化及滲流突變規(guī)律p采動(dòng)引起的應(yīng)力場(chǎng)和裂隙場(chǎng)變化是導(dǎo)通陷落柱和斷層，以及形成新的導(dǎo)水通道的前提條件。p滲流突變是突水致災(zāi)的根源，現(xiàn)有的基礎(chǔ)研究還不能揭示滲流突變的機(jī)理。1 引言v 采動(dòng)裂隙直接導(dǎo)通含水層突水實(shí)例 廣東興寧大興煤礦，下層煤開采時(shí)，采動(dòng)裂隙擴(kuò)展破壞了上層煤開廣東興寧大興煤礦，下層煤開采時(shí)，采動(dòng)裂隙擴(kuò)展破壞了上層煤開采所留設(shè)的防水煤柱，導(dǎo)致特大突水，死亡采所留設(shè)的防水煤柱，導(dǎo)致特大突水，死亡123人。人。含水層上工作面下工作面煤柱采動(dòng)裂隙1 引言v問題3：礦

4、井突水預(yù)測(cè)與控制的 基礎(chǔ)理論與方法p目前沒有建立針對(duì)不同突水類型的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)理論模型，還不能實(shí)現(xiàn)臨突預(yù)報(bào)。p傳統(tǒng)采煤理論強(qiáng)調(diào)了礦井水的災(zāi)害性，忽視了水的資源性，并把水作為災(zāi)害的根源加以處理，“疏干”、“排水”等礦井防治水方法造成大量水資源浪費(fèi)。1 引言u(píng) 控制礦井突水的水資源保護(hù)性采煤 理論與方法 保水采煤學(xué)理論與方法 煤水共采的理論與方法 礦井水資源化理論與方法 主要內(nèi)涵是建立缺水礦區(qū)保水采煤、大水礦區(qū)煤水共采的基礎(chǔ)理論，形成礦井突水控制與水資源保護(hù)利用一體化的采煤理論與方法。1 引言開采對(duì)地下水的影響對(duì)淺、中層地下水的影響：煤系地層的水快速向下滲透，形成區(qū)域性地下水位降落漏斗，淺、中層地下水

5、逐年被疏干,造成煤礦周圍村民吃水困難；對(duì)深層地下水的影響 ：導(dǎo)致深層地下水位逐年下降，所形成的地下水降落漏斗范圍和幅度越來越大，很難在短時(shí)間內(nèi)得到恢復(fù)； 2 開采對(duì)地下水分布的影響 開采對(duì)地下水的影響礦井疏排地下水的影響 ：有害的地下水導(dǎo)致次生污染；改變了地下水系統(tǒng)的自然的物理和化學(xué)格局，對(duì)地下水系統(tǒng)產(chǎn)生反作用（水量和地下水水質(zhì)的影響）2 開采對(duì)地下水分布的影響 開采引起含水層水位變化巖層中的水位下降與覆巖破裂密切相關(guān)非充分采動(dòng)：含水層水位下降最大位于采空區(qū)中央充分采動(dòng)：含水層水位下降最大位于采空區(qū)邊界大采高小采深，水直流入采空區(qū)，形成以開采邊界為邊界的擴(kuò)散降落漏斗2 開采對(duì)地下水分布的影響

6、開采與地下水的分布開采后，隨著地表的沉陷將改變地表水的流向；同時(shí)隨著上覆巖層移動(dòng)破壞和地下水滲漏，在該區(qū)域內(nèi)地下水將形成下降漏斗。地下水能否恢復(fù)，則決定于上覆巖層中是否有軟弱巖層。隨著工作面的推進(jìn)，經(jīng)重新壓實(shí)并導(dǎo)致裂隙閉合而形成隔水帶。隨著雨水的再次補(bǔ)給，下降漏斗也將隨之消失。采煤不可能不造成一定的地下水滲漏，但保水開采到底保到什么程度，才算是保了水？一般認(rèn)為，保水程度至少應(yīng)考核以下兩個(gè)指標(biāo)：首先是對(duì)地下水的影響不大，最起碼應(yīng)該不使地下水干涸而最終導(dǎo)致河流的大面積斷流；其次是植被的生長狀態(tài)問題。地下水位埋深增大時(shí)，部分植被不適合生長，一些植被出現(xiàn)病態(tài)，甚至枯萎，尤其是對(duì)喬木的影響最大。3 保水

7、開采技術(shù)的主要影響因素保水開采注意的問題保水開采與防止?jié)⑺莾蓚€(gè)概念西部地區(qū)主要考慮是否有隔水帶以及地下水的恢復(fù)過程地下水是全部流失還是保存在更深的巖層內(nèi)形成地下水庫3 保水開采技術(shù)的主要影響因素主要影響因素地質(zhì)構(gòu)造 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地下水、地面水起著重要的控制與導(dǎo)水作用，局部也起著阻溢作用，地質(zhì)構(gòu)造愈復(fù)雜，斷裂愈多，開采煤層離斷層愈近，補(bǔ)給充分，則排水量就愈大。水文地質(zhì)條件 主要是含水層的厚度、富水性、節(jié)理、裂隙、巖溶發(fā)育程度和補(bǔ)給來源影響保水開采難易程度3 保水開采技術(shù)的主要影響因素主要影響因素煤礦開采階段 煤礦開采初期，揭露的含水層相對(duì)多，各含水層處于自然飽和狀態(tài)，含水性強(qiáng)，隨著開采面積的增大

8、，就會(huì)逐步發(fā)生頂板冒落，溝通裂隙導(dǎo)水帶，煤系頂部含水層中地下水就會(huì)直接滲入礦井，造成保水開采難度的加大。 礦井開采中期，由于一般不會(huì)大面積揭露新的含水層，隨著開采時(shí)間的增長，含水層水位不斷降低，以礦井為中心的降落漏斗趨于穩(wěn)定，部分含水層由承壓轉(zhuǎn)為無壓，礦井排水量靠入滲量補(bǔ)給，處于補(bǔ)、徑、排平衡狀態(tài)。 礦井開采后期，由于含水層部分被疏干，導(dǎo)水裂隙帶和節(jié)理裂隙逐步被充填，地表入滲補(bǔ)給量逐步減少，則礦井滲水量逐步衰減。 礦井開采末期（停采），在其影響范圍內(nèi)，礦坑滲水變小或不排水。但由于煤系底部有隔水層存在，采空區(qū)逐步積水成為“地下水庫”。在這種情況下，實(shí)施保水開采是必要的。3 保水開采技術(shù)的主要影響

9、因素保水開采的目標(biāo)是在防治采場(chǎng)突水的同時(shí)，對(duì)水資源進(jìn)行有意識(shí)的保護(hù)，使煤炭開采對(duì)礦區(qū)水文環(huán)境的擾動(dòng)量小于區(qū)域水文環(huán)境容量。研究在開采后上覆巖層的破斷規(guī)律和地下水漏斗的形成機(jī)理，從采礦方法、地面注漿等方面采取措施，實(shí)現(xiàn)礦井水資源的保護(hù)和綜合利用。實(shí)現(xiàn)保水開采的主要途徑有：合理選擇開采區(qū)域；適當(dāng)留設(shè)防水（砂）煤（巖）柱；應(yīng)用合理的開采方法4 保水開采技術(shù)水體類型4 保水開采技術(shù)1潛水面；2松散含水層；3隔水層；4基巖含水層；5煤層；6大地水準(zhǔn)面；7地表水；H潛水位；h1潛水埋藏深度；h2潛水層厚度 砂礫含水且導(dǎo)水，導(dǎo)水性能好 節(jié)理裂隙含水且導(dǎo)水 斷層、陷落柱導(dǎo)水或不導(dǎo)水 垮落帶、裂隙帶導(dǎo)水 煤開采

10、前為隔水層，開采后不易風(fēng)化、泥化，是導(dǎo)水層或弱導(dǎo)水層4 保水開采技術(shù)u 煤巖層的隔水性能和采動(dòng)導(dǎo)水性能4 保水開采技術(shù)u 合理選擇開采區(qū)域 對(duì)不同的地質(zhì)環(huán)境條件應(yīng)該區(qū)別對(duì)待，并分為以下幾種類型： 對(duì)于不存在含水層或煤層埋藏適中、有含水層、同時(shí)其底部有厚度較大的隔水層的地區(qū)。 該區(qū)域煤層開采的冒裂帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育不到含水層底部，不至于破壞含水層結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)保水開采。 有隔水層分布，但隔水層的厚度有限，煤層開采后，需要采取一定的措施，才可以保護(hù)地下水不受破壞的地區(qū)。（有條件保水） 對(duì)于煤層埋藏淺、又富含水，煤層開采會(huì)造成地下水全部滲漏地區(qū)。一旦開采，礦井突水可以通過提前疏降水工程保證，但不能保

11、證地下水含水結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境不受破壞，在沒有徹底解決地下水滲漏問題之前，暫緩開發(fā)。4 保水開采技術(shù)u 防水（砂）煤（巖）柱留設(shè) 目前在松散含水層等水體下采煤，一般是根據(jù)開采區(qū)域巖煤地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、煤（巖）柱兩側(cè)的開采狀況及采礦技術(shù)條件等因素，采取留設(shè)防水（砂）煤（巖）柱的方法進(jìn)行開采。研究確定導(dǎo)水裂隙帶高度，可用于保水條件下的安全煤柱留設(shè)設(shè)計(jì)。4 保水開采技術(shù)u 保水開采方法 減小導(dǎo)水裂隙帶高度的開采方法 以底板加固為主導(dǎo)技術(shù)的保水開采技術(shù) 淺埋煤層長壁工作面保水開采方法4 保水開采技術(shù)淺埋煤層長壁工作面保水開采方法。工作面長度200m；液壓支架的工作阻力8000kN；工作面日推進(jìn)速度15m

12、；在開切眼區(qū)域附近1050m范圍和基本頂初次來壓區(qū)域附近1050m范圍內(nèi)局部充填或局部降低采高，以減少采動(dòng)覆巖貫通裂縫，使基巖不發(fā)生整體錯(cuò)動(dòng)式破壞，而形成較為穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)采動(dòng)覆巖阻水作用。該方法水資源保護(hù)效果好，能實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)、減少浪費(fèi)、環(huán)保、煤炭資源回收率高。 條帶采煤法是目前實(shí)現(xiàn)保水采煤的一種行之有效的方法，關(guān)鍵技術(shù)是根據(jù)具體的水文地質(zhì)條件，科學(xué)設(shè)計(jì)所采煤層的采留比。需要進(jìn)行“圍巖-煤柱群”整體力學(xué)模型計(jì)算，只有煤柱群的長時(shí)穩(wěn)定，才能保證水體(含水層)不受破壞,以達(dá)到保水采煤的目的 。從而形成采場(chǎng)覆巖移動(dòng)的“橫三區(qū)”與“豎三帶”。隔離水體技術(shù)措施隔離水體技術(shù)措施留設(shè)安全煤巖柱留設(shè)

13、安全煤巖柱4 保水開采技術(shù)安全煤巖柱安全煤巖柱防水安全煤巖柱防砂安全煤巖柱防塌安全煤巖柱留設(shè)安全煤巖柱的實(shí)質(zhì)是確定開采上限，保證斷裂帶或垮落帶不波及水體留設(shè)防水安全煤巖柱 目的：不允許導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р暗剿w。 結(jié)果：避免上覆水體涌入井下，并要使礦井涌水量不明顯增加。 適用條件：在各種大型地表水體下采煤、需要保護(hù)的生產(chǎn)和生活水源地水體下采煤、富水性強(qiáng)且補(bǔ)給充足的松散含水層和基巖含水層下采煤等條件下，需要留設(shè)防水安全煤巖柱。4 保水開采技術(shù)地表有松散覆蓋層時(shí)的防水安全煤巖柱留設(shè)地表有松散覆蓋層時(shí)的防水安全煤巖柱留設(shè) 4 保水開采技術(shù)dHs hHbHdHHshHbHshHd+Hb 地層上部無松散層覆蓋

14、，且采深較小時(shí)的防水安全煤巖柱地層上部無松散層覆蓋，且采深較小時(shí)的防水安全煤巖柱4 保水開采技術(shù)HHdbiHbHsh地表裂縫HshHd+Hb+Hbi p基巖風(fēng)化帶也含水時(shí)的防水安全煤巖柱4 保水開采技術(shù)風(fēng)化帶HHdshbHHfeHshHd+Hb+Hfe 留設(shè)防砂安全煤巖柱留設(shè)防砂安全煤巖柱 防砂煤巖柱：在松散弱含水層底界面至煤層開采上限之間為防止流砂潰入井下而保留的煤和巖層塊段。 目的：防止上覆弱含水層和粘土層潰入井下。 適用條件：防砂安全煤巖柱適用于水體和煤層之間有隔水層的條件。4 保水開采技術(shù)Hs=Hk+Hb 留設(shè)防塌安全煤巖柱防塌煤巖柱：在松散粘土層和已經(jīng)疏干的松散含水層底界面與煤層開采

15、上限之間為防止泥砂塌入采空區(qū)而保留的煤和巖層塊段。目的：防止上覆弱含水層和粘土層塌入井下。適用條件：水體規(guī)模小，補(bǔ)給不充分，或地表水體雖然規(guī)模大但系季節(jié)性水體，并已對(duì)補(bǔ)給來源進(jìn)行了處理的；具有多層結(jié)構(gòu)的第四紀(jì)、第三紀(jì)厚松散層，且松散層底部為弱含水層，特別是當(dāng)煤系地層上直接覆蓋弱含水層的第四紀(jì)、第三紀(jì)砂層時(shí)。4 保水開采技術(shù)4 保水開采技術(shù)tmHH防塌煤巖柱的垂高等于冒落帶高度。此時(shí)不需要考慮保護(hù)層問題 。安全煤巖柱安全煤巖柱的的保護(hù)層保護(hù)層 除了防塌煤巖柱以外，留設(shè)防水安全煤巖柱和防砂安全煤巖柱時(shí)都要考慮保護(hù)層問題。考慮保護(hù)層實(shí)際上是增大安全煤巖柱的安全系數(shù)。4 保水開采技術(shù)054煤層防水安全

16、煤巖柱保護(hù)層厚度/m 覆巖覆巖巖性巖性松散層底部粘性松散層底部粘性土層厚度大于累土層厚度大于累計(jì)采厚計(jì)采厚松散層底部粘性松散層底部粘性土層厚度小于累土層厚度小于累計(jì)采厚計(jì)采厚松散層全厚小松散層全厚小于累計(jì)采厚于累計(jì)采厚松散層底部松散層底部無粘性土無粘性土層層堅(jiān)硬堅(jiān)硬4A5A6A7A中硬中硬3A4A5A6A軟弱軟弱2A3A4A5A極軟極軟弱弱2A2A3A4A注：注：A= A= M/n M/n ， M-M-累計(jì)采厚，累計(jì)采厚，m m；n-n-分層層數(shù)；本表不適用于綜放開采分層層數(shù)；本表不適用于綜放開采4 保水開采技術(shù)054煤層防砂安全煤巖柱保護(hù)層厚度/m覆巖巖性 松散層底部粘性土層或弱含水層厚度大

17、于累計(jì)采厚 松散層全厚大于累計(jì)采厚 堅(jiān)硬4A2A 中硬3A2A 軟弱2A2A 極軟弱2A2A 注：A= M/n ，M-累計(jì)采厚，m；n-分層層數(shù)；本表不適用于綜放開采 4 保水開采技術(shù) 5590煤層防水安全煤巖柱及防砂安全煤巖柱保護(hù)層厚度 覆 巖覆 巖巖性巖性保護(hù)層厚度（保護(hù)層厚度（m m）557070 7190abcdabcd堅(jiān)硬堅(jiān)硬1518202217202224中硬中硬1013151712151719軟弱軟弱5810127101214a 松散層底部粘性土層大于累計(jì)采厚b 松散層底部粘性土層小于累計(jì)采厚c 松散層全厚為小于累計(jì)采厚的粘性土層d 松散層底部無粘性土層4 保水開采技術(shù)某礦在松散

18、富含水層下開采一傾斜煤層。煤層采厚3m。覆巖為中硬巖層，松散層下無粘性土層但有厚為10m含水的基巖風(fēng)化帶。求防水安全煤巖柱高度？u 水體下采煤安全煤巖柱算例1210m3m1松散含水層；2含水風(fēng)化帶 4 保水開采技術(shù)shlibfcHHHH 100 35.635.75.61.6 33.6liHm 203 1044.6liHm 3666181bMHAmn:liH:bH:fcH10fcH 63.75.6shlibfcHHHHm 72.6shlibfcHHHHm:shH為了安全起見，防水安全煤巖柱高度為72.6m。 4 保水開采技術(shù)隔離水體技術(shù)措施降低導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度降低導(dǎo)水裂隙降低導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度發(fā)育

19、高度水體下充填開采水體下部分開采水體下限厚開采4 保水開采技術(shù)隔離水體技術(shù)措施注漿堵截水源注漿堵截水源：采用水泥、粘土或其他粘結(jié)性材料注入含水層的孔洞中，形成地下?lián)跛∧唬郧袛嗟叵滤难a(bǔ)給通道，然后進(jìn)行局部疏水采煤。4 保水開采技術(shù)疏降水體技術(shù)措施條件：根據(jù)我國水體下開采的經(jīng)驗(yàn)，疏降水體技術(shù)措施適應(yīng)于煤層上覆水體為弱或中弱含水層，水體的水量不太大且水源補(bǔ)給有限，且能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)先疏干的條件。優(yōu)點(diǎn)：煤炭回收率高，生產(chǎn)安全。缺點(diǎn)：必須增加疏排水設(shè)備及必要的輔助工程，增加煤炭成本。有時(shí)由于疏降水體改變了水體的自然循環(huán)，以致影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活和生態(tài)環(huán)境。4 保水開采技術(shù)疏降水體技術(shù)措施含水層采動(dòng)破

20、壞后的恢復(fù)與再造 開采后，隨著地表的沉陷將改變地表水的流向，同時(shí)隨著上覆巖層中關(guān)鍵層的破斷，在該區(qū)域內(nèi)地下水將形成下降漏斗。地下水位的能否恢復(fù)，則決定于，隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層中有否軟弱巖層(事實(shí)上它是研究地下水滲漏的關(guān)鍵層）經(jīng)重新壓實(shí)導(dǎo)致裂隙閉合而形成隔水帶。若有隔水帶，則隨著雨水的再次補(bǔ)給，下降漏斗也將隨之消失。而它對(duì)地面生態(tài)的影響則決定于漏斗形成與消失的時(shí)間間隔。4 保水開采技術(shù)神府礦區(qū)鳥瞰圖 1、概述 陜北侏羅紀(jì)煤田榆神府礦區(qū)位于鄂爾多斯煤盆地的中部。東西寬約84km，南北長約85km，面積 7139.7 km2，屬陜西神木、府谷、榆林三縣。榆神府礦區(qū)被劃分為榆神與神府兩大礦區(qū)。5

21、 榆神府礦區(qū)保水開采實(shí)例 2、榆神府礦區(qū)保水開采的地質(zhì)條件（1）礦區(qū)地層及巖土類型 第四系的風(fēng)積沙、馬蘭組、薩拉烏蘇組、離石組、三門組，第三系上新統(tǒng)三趾馬組，白堊系洛河組，侏羅系安定組、直羅組、延安組和富縣組。見表2-1。（2）礦 區(qū)水文地質(zhì)條件 礦區(qū)內(nèi)對(duì)保水開采有意義的主要含水層為砂層(薩拉烏蘇和風(fēng)積沙)和燒變巖水。離石黃土和三趾馬紅土共同組成砂層含水層的隔水底板。5 榆神府礦區(qū)保水開采實(shí)例 3、防治對(duì)策研究（1）保水開采分區(qū)保水開采區(qū)() ： 該區(qū)主要分布在大保當(dāng)區(qū)2-2煤燒變巖以西地區(qū)，其次是禿尾河以東的青草界泉域和神北礦區(qū)檸條塔以南地區(qū)。 采煤失水區(qū)() ：: 第1亞區(qū)(1)分布在禿尾河以東，青草界以外和神北礦區(qū)活雞兔一帶。第2亞區(qū)(2)分布在神北石圪臺(tái)大柳塔井田之間地帶。采煤無水區(qū)() ： 主要分布在禿尾河以東及神北礦區(qū)。 5 榆神府礦區(qū)