第六章(水體下與承壓水上采煤)

開采沉陷學(xué)

第十七講主講：蔡來良Telmail：cailailiang@126.com河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院第六章水體下與承壓水上采煤第一節(jié)概述第二節(jié)覆巖破壞規(guī)律第三節(jié)水體下采煤的技術(shù)措施第四節(jié)承壓水上采煤概述

地下開采引起的巖層與地表移動(dòng)，能使開采煤層圍巖中的含水層里的水、溶洞水以及位于開采影響范圍內(nèi)的地表水和泥砂潰入井下，威脅煤礦安全生產(chǎn)。因此，在水體下采煤時(shí)必須采取適當(dāng)措施，保證開采過程中不發(fā)生災(zāi)害性透水、潰砂事故，避免因礦井涌水量突然增大而嚴(yán)重地惡化井下工作環(huán)境。

多年來，我國比較廣泛地進(jìn)行了水體下采煤的研究和實(shí)踐，采出了大量水體下壓煤，而且對(duì)水體下采煤的理論作了深入的研究，形成了一套具有我國特色的論理體系和計(jì)算方法。概述水體下采煤—地表水體下或地下水體下采煤開采→煤體上的水體→開采空間（由于巖層移動(dòng)和變形）水和開采空間存在著一種水力聯(lián)系弱水力聯(lián)系增加排水費(fèi)用強(qiáng)水力聯(lián)系突水或透水事故我國各類水體下采煤的典型實(shí)例水體類型礦井名稱防水煤巖柱最小垂高(m)單層采厚(m)累計(jì)采厚(m)煤層傾角(

)煤巖柱類型技術(shù)措施出水量(m3/h)淮河李咀孜礦706.0～2045防水分層間歇開采正常小汶河孫村礦、張莊礦30～401.8～2.03.820防水分層間歇開采正常上官塘水庫石壁塘礦80～1001.42.738～41防水分層間歇、非正規(guī)條帶開采開采正常小南洪水庫柳花嶺礦881.4～2.41.4～2.46～7防水分層間歇開采最大3.04，一般1.3～2.4微山湖徐莊礦44～621.7～1.92～24防水分層間歇開采正常塌陷區(qū)積水孔集礦80～1006.011.975～90防水偽傾斜柔性掩護(hù)支架、長走向小階段間歇開采、嚴(yán)禁超限出煤正常頂?shù)装迳皫r水劉橋一礦距含水層4～81.8～2.84.628～30相當(dāng)于防砂預(yù)先疏放、邊采邊疏石灰?guī)r巖溶水南桐二井41～503.0～3.537相當(dāng)于防砂預(yù)先疏放、專門疏水巷道20～492分層間歇開采朱仙莊礦40～502.0～2.26.010～15防水分層間歇開采松散弱含水層柴里礦15～202.0～3.511.58防砂分層間歇開采松散弱含水層邢臺(tái)礦10～152.0～2.26.010防塌分層間歇開采、仰上鉆孔近水體采煤的特征進(jìn)行水體下采煤首先要分析開采引起的覆巖中的裂縫是否互相連通以及互相連通的裂縫是否波及到水體。因此，研究覆巖破壞規(guī)律，特別是能夠?qū)拿奥鋷Ш土芽p帶的高度及其分布形態(tài)至關(guān)重要。在許多情況下，盡管地表產(chǎn)生較大的移動(dòng)和變形、甚至出現(xiàn)裂縫，但只要這些裂縫在某個(gè)深度上自行閉合而不構(gòu)成井下涌水的通道，就不會(huì)發(fā)生透水事故。水體下采煤時(shí)的保護(hù)對(duì)象主要是礦井本身，即保證在水體下開采時(shí)礦井的安全。只有在必要時(shí)(如水體為地面灌溉用的水庫)才考慮水體及其附屬設(shè)施的保護(hù)。因此，在進(jìn)行水體下采煤時(shí)應(yīng)著重研究如何防止水體和采區(qū)之間形成透水的通道、造成井下突水事故；在水體與采區(qū)之間構(gòu)成水力聯(lián)系無法避免時(shí)，如何使其引起的礦井涌水量小于礦井排水能力。由于水具有流動(dòng)性，覆巖破壞一旦波及水體的邊緣，就可能導(dǎo)致水體全部流入井下；因此，水體必須作為一個(gè)整體加以保護(hù)，有時(shí)還不得不將水體下方的部分巖層塊段一起進(jìn)行保護(hù)。地表水體：積聚在江、海、河、湖、水庫、沼澤、水渠、坑、塘和塌陷區(qū)中的水地下水體：積聚在巖石和松散層空隙中的水

松散層水體：第四紀(jì)和第三紀(jì)松散層中的含水

基巖含水層水體：砂巖、礫巖、砂礫巖及石灰?guī)r巖溶含水層水體

采空區(qū)積水孔隙水、裂隙水及巖溶水復(fù)合型水體地表水和地下水聯(lián)通水體的基本類型水體下采煤的可行性

進(jìn)行水體下采煤，除要考慮開采引起的覆巖中的裂縫是否互相連通以及互相連通的裂縫是否波及到水體外，還要分析在受開采影響后，防水煤巖柱是否還具有足夠的隔水性能。合理地確定煤層的開采上限，正確地選擇開采方法和防護(hù)措施，以期做到既能最大限度地采出煤炭資源又能確保礦井的安全。覆巖的隔水性覆巖的隔水性與其巖性、巖相及結(jié)構(gòu)面等因素有關(guān)。(1)覆巖的巖性

巖性是評(píng)價(jià)覆巖隔水性的最重要依據(jù)。影響覆巖隔水性能的主要因素是巖石顆粒的大小及其膠結(jié)形式。顆粒越小，級(jí)配越適當(dāng)，隔水性能就越好。粘土比例大于30％的巖層是良好的隔水層；粘土含量為11～30％的巖層可作為相對(duì)隔水層；粘土含量少于10％的巖層隔水性能很差；粘土頁巖和泥質(zhì)頁巖等塑性巖層隔水性能較好。覆巖的隔水性(2)巖相

巖相是指沉積巖生成的條件和環(huán)境。巖相特征是評(píng)價(jià)沉積巖隔水性的依據(jù)之一。就隔水性而言，其優(yōu)劣順序是：海相、湖泊相、風(fēng)成沉積相、河流沖積相、冰水沉積相。覆巖的隔水性(3)結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面主要指原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面和次生結(jié)構(gòu)面。它們既是評(píng)價(jià)巖層物理力學(xué)特征的重要因素，又是評(píng)價(jià)巖層體系隔水性的重要因素。有時(shí)一個(gè)結(jié)構(gòu)面能單獨(dú)成為隔水層。原生結(jié)構(gòu)面如層面，一般是層狀分布，其延續(xù)性強(qiáng)，導(dǎo)水性不好。構(gòu)造結(jié)構(gòu)面如斷層面，有的斷層面本身有含水性和導(dǎo)水性，并成為巖層強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，有的斷層本身能隔水，且能把統(tǒng)一型水體分割成彼此獨(dú)立的分散型水體。斷層的導(dǎo)水性和隔水性，主要取決于斷層所切割的巖層的力學(xué)性質(zhì)和斷層面間的充填程度。次生結(jié)構(gòu)面一般指風(fēng)化巖層中的界面。有些風(fēng)化帶是良好的隔水層，即使受到重復(fù)采動(dòng)仍能保持其隔水性能，但也有一些風(fēng)化帶隔水性能不好。因此，對(duì)風(fēng)化帶的隔水性，需要具體分析。地下開采對(duì)覆巖隔水性的影響在大面積開采的影響下，覆巖的天然隔水性遭到不同程度的破壞，破壞程度首先取決于隔水巖層與采空區(qū)的相對(duì)位置。隔水層與煤層緊貼或鄰近，且位于冒落帶時(shí)，其隔水性被完全破壞。隔水層遠(yuǎn)離煤層，位于整體彎曲帶內(nèi)時(shí)，除了隔水層下部的隔水性會(huì)受到暫時(shí)的影響之外，整個(gè)隔水層的隔水性基本不受破壞。覆巖內(nèi)水的滲透性是有規(guī)律地變化的。這是因?yàn)槊簩訃鷰r的隔水性與采動(dòng)程度和和巖層變形性質(zhì)有關(guān)。在水平拉伸區(qū)，巖層會(huì)發(fā)生豎向的張開裂縫，從而隔水性遭到破壞。在水平壓縮區(qū)，其隔水性基本不改變。在采動(dòng)影響下，巖層本身的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)隔水性的影響表現(xiàn)為：剛性和脆性的巖層隔水性易遭破壞；具有韌塑性的巖層隔水性不易被破壞，或者破壞后能重新得到恢復(fù)。覆巖破壞規(guī)律1．冒落帶2．裂縫帶3．整體彎曲帶覆巖破壞分帶1．冒落帶

煤層頂板在采動(dòng)影響下發(fā)生變形、離層、斷裂后脫離原生巖體而下落到采空區(qū)的破壞區(qū)域稱為冒落性破壞區(qū)或稱冒落帶。由于該區(qū)的巖層完全失去了原有的連續(xù)性和層狀結(jié)構(gòu)，不但透水而且流砂也極易從中穿過。顯然位于該區(qū)內(nèi)的水體和井巷將遭受十分嚴(yán)重的破壞。覆巖破壞分帶2．裂縫帶煤層覆巖在采動(dòng)影響下只發(fā)生移動(dòng)、變形和斷裂，但仍保持原有層次的覆巖區(qū)稱為裂縫帶。根據(jù)巖層開裂的嚴(yán)重程度，裂縫帶又可細(xì)分為嚴(yán)重開裂區(qū)、一般開裂區(qū)和微小開裂區(qū)。①

嚴(yán)重開裂區(qū)。該區(qū)內(nèi)巖層大部分?jǐn)嚅_，但仍保持原有層次。裂縫間連通性極好，既透水又透砂。該區(qū)一旦波及水體將發(fā)生透水透砂的重大事故；②一般開裂區(qū)。巖層未全部斷開且層次完整，裂縫間連通性較好，透水性一般，基本不透砂。該區(qū)如果波及水體會(huì)發(fā)生透水事故；③微小開裂區(qū)。巖層有微小裂縫，連通性不好，透水性微弱。該區(qū)如果觸及水體會(huì)增加礦井涌水量。這3個(gè)區(qū)域的透水性是漸變的，其間并無明確的界線。人們常根據(jù)鉆孔觀測時(shí)沖洗液漏失量的大小劃定出它們的界線。覆巖破壞分帶3．整體彎曲帶

一般說來，整體彎曲帶內(nèi)的巖層在受開采影響后仍保留其原始的完整性。如整體彎曲帶內(nèi)巖層的原始隔水性能較好(滲透系數(shù)很小、沒有斷層、陷落柱等涌水通道)，水體下的整體彎曲帶又有足夠的厚度(大于保護(hù)層厚度)，則可認(rèn)為整體彎曲帶可有效地阻隔水體內(nèi)的水流入開采區(qū)，防止井下突水事故的發(fā)生。影響覆巖破壞及其導(dǎo)水性的因素1．覆巖力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征2．采煤方法和頂板管理方法3．煤層傾角4．開采強(qiáng)度5．時(shí)間因素6．重復(fù)采動(dòng)不同煤層傾角圍巖破壞形態(tài)圖覆巖破壞高度的計(jì)算

根據(jù)覆巖性質(zhì)的不同，冒落帶高度計(jì)算有下列幾種情況：a)煤層頂板覆巖內(nèi)有極堅(jiān)硬巖層，采后能形成懸頂，冒落帶最大高度采用下式計(jì)算：Hm＝M/[(K－1)cosα]式中M－煤層開采厚度；K－冒落巖石碎脹系數(shù)，根據(jù)實(shí)測求得，一般為1.10～1.40；α－煤層傾角覆巖破壞高度的計(jì)算b)煤層頂板覆巖內(nèi)為堅(jiān)硬、中硬、軟弱、極軟弱巖層互或其互層時(shí)，開采單一煤層的冒落帶最大高度可采用下式計(jì)算：Hm＝(M－W)/[(K－1)cosα]式中W為冒落過程中頂板下沉值，由實(shí)測得到。覆巖破壞高度的計(jì)算c)厚煤層分層開采時(shí)冒落帶最大高度采用下表中給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。覆巖巖性(單向抗壓強(qiáng)度MPa，主要巖石組成)經(jīng)驗(yàn)公式m堅(jiān)硬(40～80，石英砂巖、石灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖、礫巖)中硬(20～40，砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖、頁巖)軟弱(10～20，泥巖、泥質(zhì)砂巖)極軟弱(<10，鋁土巖、風(fēng)化泥巖、粘土、砂質(zhì)粘土)注：公式中±后面的數(shù)字為中誤差；ΣM為累計(jì)開采厚度。覆巖破壞高度的計(jì)算導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算(適用于傾角為0～54°的煤層)

煤層覆巖內(nèi)為堅(jiān)硬、中硬、軟弱、極軟弱巖層或其互層及厚煤層分層開采時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶最大高度均可選擇下表中給出的兩種經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。覆巖破壞高度的計(jì)算

開采急傾斜煤層(傾角為55～90°)時(shí)冒落帶高度和導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算

煤層頂?shù)装鍘r層內(nèi)為堅(jiān)硬、中硬、軟弱巖層，用垮落法開采時(shí)的冒落帶高度和導(dǎo)水裂縫帶高度可用下表中給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。覆巖破壞高度的計(jì)算開采近距離煤層時(shí)冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度a)上、下兩層煤的垂距h大于回采下層煤時(shí)所產(chǎn)生的冒落帶高度Hxm時(shí)，下層冒落帶對(duì)上層開采影響很小，可按上、下煤層的厚度分別計(jì)算各自的導(dǎo)水裂縫帶高度和冒落帶高度，取其中標(biāo)高值大者作為兩層煤的導(dǎo)水裂縫帶高度；冒落帶高度則取上層煤的冒落帶高度覆巖破壞高度的計(jì)算開采近距離煤層時(shí)冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度

b)下層煤的冒落帶接觸到或完全進(jìn)入上層煤時(shí)，上層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度按本層煤的厚度計(jì)算，下層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度則采用上、下層煤的綜合開采厚度計(jì)算，取其中標(biāo)高值大者作為兩層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度。上、下煤的綜合開采厚度可按下式計(jì)算：Mx1-2＝M2＋(M1－h(huán)1-2/y2)式中h1-2－上、下煤層之間的法線距離；y2－上層煤的冒落帶高度與采厚之比。覆巖破壞高度的計(jì)算開采近距離煤層時(shí)冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度

c)如果上、下煤的間距很小，則綜合開采厚度取兩層煤厚之和。求出綜合開采厚度后，即可按照單一煤層開采時(shí)的冒落帶高度和導(dǎo)水裂縫帶高度的計(jì)算公式，計(jì)算出多煤層開采條件下冒落帶高度和導(dǎo)水裂縫帶高度。6.3水體下采煤的技術(shù)措施留設(shè)安全煤巖柱處理水體開采技術(shù)措施留設(shè)安全煤巖柱在煤層至水體底面垂直距離很近的條件下，必須在水體和煤層開采上限之間留設(shè)一定垂深的巖層塊段和煤層，稱為安全煤巖柱。根據(jù)防水、防砂和防塌的不同要求，安全煤巖柱可分為防水安全煤巖柱、防砂安全煤巖柱和防塌煤巖柱。留設(shè)安全煤巖柱的實(shí)質(zhì)是確定合理的開采上限，保證導(dǎo)水裂縫帶或冒落帶不波及水體。這個(gè)開采上限，對(duì)水平的煤層群來說是某一煤層，對(duì)于傾斜煤層來說是煤層的某一標(biāo)高。留設(shè)安全煤巖柱留設(shè)防水安全煤巖柱在水體底界面至煤層開采上限之間所留設(shè)的防止水體中的水潰入井下的煤和巖層塊段稱為防水安全煤巖柱。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。留設(shè)安全煤巖柱留設(shè)防水安全煤巖柱防水安全煤巖柱適用于下列情況：a)各種大型地表水體下采煤；b)各類地表水體和第四紀(jì)、第三紀(jì)松散含水層下開采急傾斜煤層；c)厚度大、富水性強(qiáng)、補(bǔ)給充足的第四紀(jì)、第三紀(jì)松散含水層下開采緩傾斜或傾斜煤層；留設(shè)安全煤巖柱留設(shè)防水安全煤巖柱d)水體與基巖間元隔水層或隔水層極薄條件下開采緩傾斜或傾斜煤層；e)含水豐富、補(bǔ)給充足的基巖含水層特別是巖溶水體下采煤；f)在水庫、水源、水渠和池塘等生產(chǎn)和生活要求保護(hù)的水體下采煤；g)礦井排水能力有限或礦井涌水量增加會(huì)惡化工作面作業(yè)環(huán)境的條件下采煤。留設(shè)安全煤巖柱留設(shè)防水安全煤巖柱

防水安全煤巖柱的高度等于預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂縫帶最大高度加上適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)層厚度，即：Hsh＝Hli＋Hb式中：Hli－導(dǎo)水裂縫帶最大高度，按前述表中給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算；Hb－保護(hù)層厚度留設(shè)安全煤巖柱留設(shè)防水安全煤巖柱地表有松散覆蓋層時(shí)的防水安全煤巖柱留設(shè)

Hsh

Hd+Hb

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Hsh

Hd+Hb+Hbi

基巖風(fēng)化帶也含水時(shí)的防水安全煤巖柱Hsh

Hd+Hb+Hfe留設(shè)安全煤巖柱留設(shè)防砂安全煤巖柱

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稱為防砂安全煤巖柱。目的：是允許導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р八缮⑷鹾畬踊蛞咽杞档乃缮訌?qiáng)含水層，但不容許垮落帶接近松散層底部結(jié)果：泥砂不會(huì)潰入井下，礦井涌水量會(huì)略有增加，或只是短時(shí)間增加。防砂安全煤巖柱Hs=Hk+Hb式中Hk－冒落帶高度，按上述表中給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

防沙煤巖柱的適用條件？留設(shè)安全煤巖柱留設(shè)防塌安全煤巖柱

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稱為防塌煤巖柱。

留設(shè)防塌煤巖柱時(shí)是允許導(dǎo)水裂縫帶和冒落帶波及松散弱含水層底部的，所以在開采過程中采區(qū)涌水量會(huì)有所增加，但不會(huì)發(fā)生災(zāi)害性的后果。

防塌煤巖柱的適用條件？安全煤巖柱保護(hù)層厚度位于導(dǎo)水?dāng)嗔褞线吔缁蚩迓鋷线吔缗c水體底界面之間的巖層

覆巖巖性松散層底部粘性土層厚度大于累計(jì)采厚松散層底部粘性土層厚度小于累計(jì)采厚松散層全厚小于累計(jì)采厚松散層底部無粘性土層堅(jiān)硬4A5A6A7A中硬3A4A5A6A軟弱2A3A4A5A極軟弱2A2A3A4A

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0

54

煤層防水安全煤巖柱保護(hù)層厚度/m0

54

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55

90

煤層防水安全煤巖柱及防砂安全煤巖柱保護(hù)層厚度

覆巖巖性保護(hù)層厚度（m）55

70

71

90

abcdabcd堅(jiān)硬1518202217202224中硬1013151712151719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水體下采煤的安全煤巖柱留設(shè)

一、水體的采動(dòng)等級(jí)及允許采動(dòng)程度Ⅰ級(jí)

不允許導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р暗剿wⅡ級(jí)

允許導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р八缮⒖紫度鹾畬铀w，但不允許垮落帶波及該水體Ⅲ級(jí)

允許導(dǎo)水?dāng)嗔褞нM(jìn)入松散孔隙弱含水層，同時(shí)允許垮落帶波及該弱含水層水體水體類型允許采動(dòng)程度安全煤巖柱1.直接位于基巖上方或底界面下無穩(wěn)定的粘性土隔水層的各類地表水體2.直接位于基巖上方或底界面下無穩(wěn)定的粘性土隔水層的松散孔隙強(qiáng)、中含水層水體3.底界面下無穩(wěn)定的泥質(zhì)巖類隔水層的基巖