科技成果推介

1、礦井水害防治理論與技術(shù)侯恩科西安科技大學(xué)2018.5.28,勵(lì)志圖存 自強(qiáng)不息,目 錄,礦井水害類(lèi)型與特點(diǎn) 煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型 礦井水害形成機(jī)理 礦井水害防治技術(shù) 礦井水害防治案例,一、礦井水害類(lèi)型與特點(diǎn),（一）概念 礦井充水形式：滲入、滴入、淋入、流入、涌入和潰入等等。當(dāng)涌入潰入井巷的水量大、來(lái)勢(shì)猛時(shí)，稱為突水。 礦井突水：凡因井巷、工作面與含水層、被淹巷道、地表水體或含水的裂隙帶、溶洞、洞穴、

2、陷落柱、頂板冒落帶、構(gòu)造破碎帶等接近或溝通而突然產(chǎn)生的出水事故。 透水、突水、涌水的區(qū)別：從以上的定義來(lái)看，涌水只是礦井充水的一種形式，強(qiáng)調(diào)的是流出，不強(qiáng)調(diào)水壓；突水強(qiáng)調(diào)的是承壓水，壓力大，突然涌入，通常指奧灰突水；透水主要指老窯水，地表水灌入井巷。頂板水？,一、礦井水害類(lèi)型與特點(diǎn),（一）概念 礦井水害：凡影響生產(chǎn)、威脅采掘工作面或礦井安全的、增加噸煤成本和使礦井局部或全部被淹沒(méi)的礦井水，都稱為礦井水害。 煤礦水害是指煤礦在建設(shè)

3、開(kāi)發(fā)過(guò)程中，不同形式、不同水源的水通過(guò)不同的途徑進(jìn)入礦井，并給礦井建設(shè)或生產(chǎn)帶來(lái)影響或?yàn)?zāi)害的過(guò)程與結(jié)果。,（二）礦井充水條件,礦井充水水源 礦井充水通道 礦井充水強(qiáng)度,大氣降水對(duì)礦井充水的影響,1 礦井充水水源,（1）大氣降水水源,淄博洪山礦涌水量與降水量關(guān)系曲線圖1-月降水量；2-月礦井涌水量,涌水量峰值滯后降水量峰值,,降水量與礦井涌水量關(guān)系曲線圖,1 礦井充水水源,直接充水水源，間接充水水源 大氣降水滲入量的影響

4、因素 氣候、地形、巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造 當(dāng)其成為礦井涌水的主要水源時(shí)，有如下三個(gè)特點(diǎn)： 礦井充水強(qiáng)度或涌水量與降水量大小、降水性質(zhì)、延續(xù)時(shí)間有關(guān)，且具有區(qū)域性變化特點(diǎn)； 礦井涌水動(dòng)態(tài)與當(dāng)?shù)亟邓畡?dòng)態(tài)相一致，具有季節(jié)性、多年周期性和滯后性特點(diǎn)； 降水對(duì)分水嶺地段及地形低洼淺埋礦床的影響最明顯，但隨開(kāi)采深度增加而影響程度減弱。,（1）大氣降水水源,地表水對(duì)礦井充水的影響,1 礦井充水水源,（2）地表水

5、水源,地表水滲入井下的途徑 通過(guò)第四系松散層； 通過(guò)構(gòu)造破碎帶或古井； 通過(guò)井口洪水直接灌入； 通過(guò)冒裂帶。,1 礦井充水水源,地表水充水礦床的涌水規(guī)律 礦井涌水動(dòng)態(tài)隨地表水的豐枯呈季節(jié)性變化，且涌水強(qiáng)度與地表水的類(lèi)型、性質(zhì)和規(guī)模有關(guān)； 礦井涌水強(qiáng)度與井巷到地表水體的距離、巖層的滲透性和構(gòu)造條件有關(guān)； 礦井涌水強(qiáng)度與采礦方法有關(guān)。,1 礦井充水水源,（2）地表水水源,1 礦

6、井充水水源,根據(jù)含水層空隙的性質(zhì)分類(lèi)：孔隙水、裂隙水、溶洞水 根據(jù)含水層水壓力分類(lèi)：潛水、承壓水 根據(jù)煤層與充水巖層接觸關(guān)系的分類(lèi) 直接充水水源（含水層）； 間接充水水源（含水層） 。 頂板充水礦床； 底板充水礦床； 側(cè)方充水礦床； 周邊充水礦床。,（3）地下水水源,直接充水含水層和間接充水含水層,1 礦井充水水源,（3）地下水水源,各類(lèi)含水層對(duì)礦井充水的影響,1 礦井充水水源,（3）地

7、下水水源,,各類(lèi)含水層對(duì)礦井充水的影響,,各類(lèi)含水層對(duì)礦井充水的影響,1 礦井充水水源,主要指煤層開(kāi)采結(jié)束后，封存于采礦空間的地下水。 3個(gè)涌水特點(diǎn) 短時(shí)間內(nèi)涌水量大，來(lái)勢(shì)猛，有害氣體含量高； 水中含有大量的硫酸根離子，具有腐蝕性，容易損壞井下設(shè)備； 與其它水源無(wú)聯(lián)系時(shí)易于疏干，反之涌水量大而穩(wěn)定。,（4）老空（窯）水源,,老窯積水對(duì)礦井充水的影響,2 礦井充水通道,定義：礦井充水通道是指連接充水水源與礦井之間

8、的流水通道。天然充水通道是人為充水通道的基礎(chǔ)，人為充水通道會(huì)增強(qiáng)天然充水通道的導(dǎo)水性。 點(diǎn)狀巖溶陷落柱通道 陷落柱的概念、基本特點(diǎn)、發(fā)育規(guī)律（至今研究不夠）；導(dǎo)水性及其差異性、隱蔽性和難于探知性、點(diǎn)狀導(dǎo)水特點(diǎn)及突水的突發(fā)性和難以防范性。 斷裂（裂隙）帶通道,（1）天然充水通道,2 礦井充水通道,巖溶陷落柱結(jié)構(gòu)示意圖,2 礦井充水通道,某礦7222工作面平面布置圖,2 礦井充水通道,某礦7222工作面陷落柱及突水點(diǎn)位置圖,

9、2 礦井充水通道,斷裂（裂隙）帶通道斷裂帶具有導(dǎo)水性、隔水性、含水體特點(diǎn)； 隔水?dāng)鄬樱阂话銥閴盒詳鄬踊驍鄬訋П徽惩临|(zhì)充填，使兩側(cè)含水層不發(fā)生水力聯(lián)系。隔水性也可轉(zhuǎn)變，位置不同水文地質(zhì)意義不同。 導(dǎo)水?dāng)鄬樱阂话銥閺埿詳鄬踊驍鄬訋С涮钗镂茨z結(jié)，使兩側(cè)含水層發(fā)生水力聯(lián)系。位置不同水文地質(zhì)意義不同。 斷層密集帶、交叉點(diǎn)、端點(diǎn)等部位導(dǎo)水性強(qiáng)。,（1）天然充水通道,I-斷裂內(nèi)帶，由糜棱巖、糜棱化角礫巖、角礫巖及巖組成；II-

10、斷裂中帶，由角礫巖等組成；III-斷裂外帶，為節(jié)理裂隙發(fā)育帶,焦作礦區(qū)王封礦斷層上盤(pán)的開(kāi)采煤層與斷層下盤(pán)的奧灰對(duì)接，因未留煤柱而發(fā)生了突水。,緩傾角30度，斷層與含水層接觸面積大，突水量大。,斷層交叉點(diǎn)與突水點(diǎn)的關(guān)系圖,2 礦井充水通道,窄條帶狀隱伏露頭通道 隱伏露頭概念：埋于地下，上覆松散層，面狀、窄條帶狀、風(fēng)化。 影響隱伏露頭部位多層含水層地下水垂向交替的因素：基巖風(fēng)化帶的滲透能力大?。ㄒ?guī)律，壓（抽）水

11、試驗(yàn)方法）；松散層底部是否存在較厚的粘性隔水層（有，無(wú)，作用）。 天窗與越流上補(bǔ)、下補(bǔ)含水層，甚至溝通下伏的兩個(gè)含水層。 面狀裂隙網(wǎng)絡(luò)（局部面狀隔水層變薄區(qū)）通道 隔水巖層發(fā)育較為密集的裂隙網(wǎng)絡(luò)，隨著其上下含水層水頭差的增大，以面狀越流形式的垂向水交換量也將增加。 天窗與越流上補(bǔ)、下補(bǔ)含水層，甚至溝通下伏的兩個(gè)含水層。,（1）天然充水通道,2 礦井充水通道,頂板冒落裂隙帶

12、冒裂帶導(dǎo)水的特點(diǎn)：未導(dǎo)通含水層不涌水，導(dǎo)通含水層即涌水，且涌水來(lái)勢(shì)猛，涌水量隨著導(dǎo)通程度變化。導(dǎo)通地表水時(shí)，水勢(shì)更加迅猛。,（2）人為充水通道,采空區(qū)上方覆巖破壞三帶圖,2 礦井充水通道,（2）人為充水通道,上三帶與礦井充水關(guān)系圖,底板破壞帶 封閉不良鉆孔：主要查封孔段是否大于導(dǎo)高,3 礦床充水強(qiáng)度分析,礦井充水單一充水水源和充水通道是少見(jiàn)的。煤層上部和下部往往分布多個(gè)充水含水層組。究竟哪個(gè)是充水巖層？哪個(gè)不是充水巖層？哪個(gè)是強(qiáng)充水巖

13、層？哪個(gè)是弱充水巖層？回答這些問(wèn)題的方法稱為礦井充水強(qiáng)度分析。 礦井充水強(qiáng)度除取決于充水含水層的富水性、導(dǎo)水性、厚度和分布面積外，還取決于三個(gè)條件： （1）充水含水層出露和接受補(bǔ)給的條件； （2）充水含水層側(cè)向邊界的導(dǎo)水與隔水條件； （3）煤層頂、底隔水巖層的隔水條件。,3 礦床充水強(qiáng)度分析,礦井充水強(qiáng)度才是礦井充水之果。充水水源貧乏和涌水通道不暢，只能形成不大的充水，不致引發(fā)礦井水害；充水水源豐富、涌水順暢則會(huì)形成嚴(yán)重的

14、礦井突水，引發(fā)重大至特大的礦井水害。 礦井充水強(qiáng)度的表示方法l.按礦井涌水量的大小礦井涌水量是指單位時(shí)間內(nèi)流入礦井的水量，常以Q表示。Q≤180m3/h（西北地區(qū)Q≤90 m3/h），小，簡(jiǎn)單；Q=180-600m3/h（西北地區(qū)Q=（90-180）m3/h），中等，中等；Q=（600-2100 m3/h（西北地區(qū)Q=180~1200m3/h），大，復(fù)雜；Q>2100m3/h（西北地區(qū)Q>1200m3/h），很

15、大，極復(fù)雜。,3 礦床充水強(qiáng)度分析,2．按礦井突水量的大小以礦井發(fā)生突水時(shí)的最大突水量為準(zhǔn)： 簡(jiǎn)單很少發(fā)生突水或突水量很小的礦井 突水量 1800m3/h 極復(fù)雜一個(gè)礦井如發(fā)生過(guò)多次突水，劃分突水強(qiáng)度時(shí)以最大的一次突水為準(zhǔn)。,3 礦床充水強(qiáng)度分析,3．按富水系數(shù)（Kβ）表示又稱含水系數(shù)，是指排出水量Q與煤炭生產(chǎn)量P之比，即礦井每采1t煤時(shí)需從礦井中排出的水量。充水弱的

16、礦井： Kβ 10m3/t;由于Kβ值既受自然因素影響，又受人為因素（如礦井機(jī)械化程度等）的影響，現(xiàn)已較少使用。使用時(shí)應(yīng)注意統(tǒng)計(jì)時(shí)間要盡可能長(zhǎng)些，以使計(jì)算的值具有代表性。,影響礦井充水強(qiáng)度的主要因素,3 礦床充水強(qiáng)度分析,,影響礦井充水強(qiáng)度的主要因素,（三）礦井水害類(lèi)型,側(cè)方水害,（三）礦井水害類(lèi)型,根據(jù)水源的類(lèi)型，把我國(guó)礦井水害分成五種類(lèi)型 地表水水害：大氣降水、地表水體（江河湖泊等） 老空水水害：古井、小窯、

17、廢巷及采空區(qū)積水 孔隙水水害：第三、四系松散含水層孔隙水、流沙水或泥沙等，有時(shí)為地表水補(bǔ)給。 裂隙水水害：砂巖、礫巖等裂隙含水層的水，常受地表水或其它含水層補(bǔ)給。 巖溶水水害： 薄層灰?guī)r水水害：太原群薄層灰?guī)r水，往往得到奧灰水補(bǔ)給。 厚層灰?guī)r水水害：煤層間接頂板、煤層底板厚層灰?guī)r。,需要注意： （1）礦井水害往往是多源的； （2）

18、頂板水或底板水只反映含水層與開(kāi)采煤層所處的相對(duì)位置，與水源豐富與否，水害大小無(wú)關(guān)。同一含水層的水，既可是上覆煤層的底板水，也可是下伏煤層的頂板水。 （3）斷層、鉆孔、陷落柱等都可以成為地表水或地下水進(jìn)入礦井的通道，它們可以含水或?qū)?；但是，以它們命名水害，既不能反映水源的豐富程度，又不能表明對(duì)礦井安全危害和威脅的嚴(yán)重性。因此，由它們導(dǎo)水造成的礦井水害有大有小，其危害或威脅程度，決定于水源是否豐富。,（三）礦井水害類(lèi)型

19、,1.我國(guó)煤礦水害分區(qū)特征,（四）礦井水害特點(diǎn),（四）礦井水害特點(diǎn),1.我國(guó)煤礦水害分區(qū)特征,2.水害事故特點(diǎn),（四）礦井水害特點(diǎn),（四）礦井水害特點(diǎn),全國(guó)煤礦災(zāi)害事故起數(shù)和死亡人數(shù)變化圖,2.水害事故特點(diǎn),一是水害事故多發(fā)，總體呈下降趨勢(shì),全國(guó)煤礦百萬(wàn)噸死亡率變化圖,（四）礦井水害特點(diǎn),2.水害事故特點(diǎn),一是水害事故多發(fā)，總體呈下降趨勢(shì),全國(guó)煤礦災(zāi)害事故總體死亡人數(shù)和水害死亡人數(shù)（1/10）變化圖,（四）礦井水害特點(diǎn),2.水害事故特點(diǎn)

20、,一是水害事故多發(fā)，總體呈下降趨勢(shì),全國(guó)煤礦災(zāi)害總體事故起數(shù)和水害事故次數(shù)變化圖,（四）礦井水害特點(diǎn),2.水害事故特點(diǎn),一是水害事故多發(fā)，總體呈下降趨勢(shì),2.水害事故特點(diǎn),一是水害事故多發(fā)，總體呈下降趨勢(shì),2.水害事故特點(diǎn),2.水害事故特點(diǎn),2.水害事故特點(diǎn),2.水害事故特點(diǎn),2.水害事故特點(diǎn),2.水害事故特點(diǎn),2008-2012年,目 錄,礦井水害類(lèi)型與特點(diǎn) 煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型 礦井水害形成機(jī)理 礦井水害防治技術(shù)

21、 礦井水害防治案例,,二、煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型,煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型劃分標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)要解讀 我國(guó)煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型,二、煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型,煤礦防治水規(guī)定，2009,（一）煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型劃分標(biāo)準(zhǔn),,煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型劃分,二、煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型,二、煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型,二、煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型,二、煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型,煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型劃分中常見(jiàn)的問(wèn)題（1）對(duì)指標(biāo)理解不準(zhǔn)。如如何確定當(dāng)前正常、最大涌水量，如何預(yù)計(jì)未來(lái)涌水量，如何把握涌水量的預(yù)計(jì)范圍、煤層。

22、（2）依據(jù)不足。缺乏礦井涌水量觀測(cè)資料，缺乏抽水試驗(yàn)資料，缺采空區(qū)調(diào)查資料等。（3）劃分結(jié)果與礦方認(rèn)識(shí)不一致。（4）常見(jiàn)的變通辦法：未來(lái)三年及其開(kāi)采范圍。,二、煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型,對(duì)復(fù)雜和極復(fù)雜類(lèi)型礦井防治水的特殊要求（1）應(yīng)當(dāng)按照本單位的水害情況，配備滿足工作需要的防治水專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員（不少于3人，以滿足工作需要為標(biāo)準(zhǔn)），配齊專(zhuān)用探放水設(shè)備，裝備必要的防治水搶險(xiǎn)救災(zāi)設(shè)備，建立專(zhuān)門(mén)的探放水作業(yè)隊(duì)伍，還應(yīng)當(dāng)設(shè)立專(zhuān)門(mén)的防治水機(jī)構(gòu)（可與地

23、測(cè)部門(mén)合署辦公，專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員擔(dān)任防治水機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)人）。（第5、10條）（2） 應(yīng)當(dāng)建立健全水害防治崗位責(zé)任制、水害防治技術(shù)管理制度、水害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)制度和水害隱患排查治理制度等，還應(yīng)建立探放水制度、重大水患停產(chǎn)撤人制度等。（第6條）,對(duì)復(fù)雜和極復(fù)雜類(lèi)型礦井防治水的特殊要求,（3）除按照規(guī)定編制礦井充水性圖、礦井涌水量與各種相關(guān)因素動(dòng)態(tài)曲線圖、礦井綜合水文地質(zhì)圖、礦井綜合水文地質(zhì)柱狀圖、礦井水文地質(zhì)剖面圖外，還應(yīng)根據(jù)受水害威脅的情況，編制專(zhuān)門(mén)

24、圖件，如帶壓開(kāi)采評(píng)價(jià)圖、注漿堵水平面及剖面圖和水化學(xué)分析圖等。（第15條）（4）除建立礦井涌水量觀測(cè)成果臺(tái)賬、氣象資料臺(tái)賬、地表水文觀測(cè)成果臺(tái)賬、抽放水實(shí)驗(yàn)成果臺(tái)賬等15種臺(tái)賬外，還應(yīng)根據(jù)防治水的需要，建立專(zhuān)門(mén)的基礎(chǔ)臺(tái)賬，每半年修正1次。（第16條）（5）生產(chǎn)礦井水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探時(shí)，當(dāng)用小口徑抽水不能查明水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件時(shí)，可進(jìn)行井下放水實(shí)驗(yàn)，井下條件不具備時(shí)，則應(yīng)進(jìn)行大口徑、大流量群孔抽水試驗(yàn)。（第32條）,對(duì)復(fù)雜和極復(fù)雜類(lèi)

25、型礦井防治水的特殊要求,（6）應(yīng)當(dāng)分水平或分采區(qū)實(shí)行隔離開(kāi)采，特別是有突水歷史或帶壓開(kāi)采的礦井，必須實(shí)行隔離開(kāi)采。（第56條）（7）礦井井下排水設(shè)備應(yīng)當(dāng)符合礦井排水要求，在原有排水能力的基礎(chǔ)上，可以在主泵房?jī)?nèi)預(yù)留一定數(shù)量水泵的位置（特別在不具備建立防水閘門(mén)條件的礦井），或增加相應(yīng)的排水能力。（第58條）（8）在水文地質(zhì)條件復(fù)雜、極復(fù)雜礦區(qū)建立新井的，應(yīng)當(dāng)在井筒底留設(shè)潛水泵窩，老礦井也應(yīng)當(dāng)改建增設(shè)潛水泵窩。井筒開(kāi)鑿到底后，井底附近應(yīng)當(dāng)

26、設(shè)置具有一定能力的臨時(shí)排水設(shè)施，保證施工安全。（第63條）,對(duì)復(fù)雜和極復(fù)雜類(lèi)型礦井防治水的特殊要求,（9）應(yīng)當(dāng)在井底車(chē)場(chǎng)周?chē)O(shè)置防水閘門(mén)，或者在正常排水系統(tǒng)基礎(chǔ)上安裝配備排水能力不小于最大涌水量的潛水電泵排水系統(tǒng)。（第66條）（10）在地面無(wú)法查明礦井水文地質(zhì)條件和充水原因時(shí)，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持有掘必有探的原則，加強(qiáng)探放水工作。（第89條）（11）在水文地質(zhì)條件復(fù)雜和水頭壓力、水量大的情況下安裝鉆機(jī)進(jìn)行探水前，應(yīng)安裝孔口承壓套管和控制閘閥進(jìn)行

27、鉆進(jìn)。（第96條）,二、煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型,對(duì)復(fù)雜和極復(fù)雜類(lèi)型礦井防治水的特殊要求（1）第5條（2）（3）（4）,（二）我國(guó)煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型,二、煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型,我國(guó)復(fù)雜極復(fù)雜類(lèi)型煤礦數(shù)量及分布,山西最多93個(gè)，青海廣東等最少0個(gè)，陜西27個(gè)。,目 錄,礦井水害類(lèi)型與特點(diǎn) 煤礦水文地質(zhì)類(lèi)型 礦井水害形成機(jī)理 礦井水害防治技術(shù) 礦井水害防治案例,,三、礦井水害形成機(jī)理,頂板水害形成機(jī)理 頂板離層水害

28、形成機(jī)理 底板水害形成機(jī)理,（一）頂板水害發(fā)生機(jī)理,頂板水害發(fā)生主要是由于開(kāi)采煤層頂板運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。上覆巖層的移動(dòng)和破壞，形成了充水通道，使上部水體中的水滲入或潰入井下，形成災(zāi)害。上三帶理論： 開(kāi)采煤層之上存在三帶：冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶、彎曲帶。 冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶統(tǒng)稱冒裂帶。,冒裂帶、導(dǎo)水裂縫帶,,冒落帶、裂隙帶、彎曲沉降帶,冒落帶：指采礦工作面放頂后引起的直接垮落破壞。該帶不僅透水而且透砂。裂隙帶：指冒落帶之上，大量

29、出現(xiàn)的切層、離層和斷裂隙或裂隙發(fā)育帶。該帶不會(huì)透砂但能透水。彎曲帶：指裂隙帶以上至地表的整個(gè)范圍內(nèi)巖體發(fā)生彎曲下沉的整體變形和沉降移動(dòng)區(qū)。訪帶一般不具備導(dǎo)水能力。,水經(jīng)覆巖涌入礦井機(jī)理,開(kāi)采煤層距離含水層（水體）較遠(yuǎn)，冒裂帶觸及不到含水層（水體），且含水層水壓不足以破壞冒裂帶之上的隔水層，彎曲帶內(nèi)的巖層雖然也可能存在伸張裂隙或離層，但這些裂隙互不連通。不會(huì)發(fā)生潰水。開(kāi)采煤層距離含水體近，冒裂帶直接進(jìn)入含水層，則含水層水會(huì)潰入井下。

30、如果是裂隙帶達(dá)到含水層，含水層中水會(huì)潰入工作面，發(fā)生突水事故；若冒落帶達(dá)到含水層，不僅會(huì)發(fā)生突水事件，還會(huì)發(fā)生潰沙事件。,含水層,導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)生變化，但未溝通含水層。,導(dǎo)水裂隙帶高度研究,一些學(xué)者基于研究礦山壓力的需要，對(duì)工作面頂板的“兩帶”主要是冒落帶進(jìn)行了研究。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的錢(qián)鳴高院士和山東科技 大學(xué)的宋振琪院士分別發(fā)展了“砌體梁”理論、和“鉸接巖梁”理論。這些理論從理論上分析了冒落帶的高度，為煤層頂板突水研究提供了理論基礎(chǔ)。

31、 冒落帶公式：式中，H為采高，L為彎曲帶下降距離，λ為碎脹系數(shù)，h為冒落帶高度,,,導(dǎo)水裂隙帶高度研究,上覆巖層巖性及組合是覆巖破壞的物質(zhì)基礎(chǔ),導(dǎo)水裂隙帶高度研究,巖體結(jié)構(gòu)特征是覆巖破壞的控制因素層狀完整結(jié)構(gòu)體層狀斷續(xù)結(jié)構(gòu)體層狀板裂結(jié)構(gòu)體層狀碎裂結(jié)構(gòu)體散體結(jié)構(gòu)巖體,導(dǎo)水裂隙帶高度研究,地層傾角水平和緩傾斜煤層：（0~35°）：整個(gè)工作面冒落帶高度基本為同一層位，并呈兩端高中間低的馬鞍形

32、中等傾斜的煤層（36~54 °）：冒裂帶下山部位低，上山部位高。急傾斜煤層（55~90 °）：上山部位極易發(fā)生抽冒現(xiàn)象。地質(zhì)構(gòu)造 斷層尤其是張斷層附近：易形成抽冒現(xiàn)象，冒裂帶發(fā)育較高節(jié)理密集帶、褶曲軸部冒裂帶發(fā)育較高,導(dǎo)水裂隙帶高度研究,地應(yīng)力地應(yīng)力高的區(qū)域冒裂帶較高開(kāi)采條件是覆巖破壞的根本原因 綜采垮落法管理頂板 房柱式開(kāi)采 綜放開(kāi)采 采高大小,導(dǎo)水裂隙帶高度研究,《三下

33、規(guī)程》集中反映了各礦區(qū)的冒裂帶的觀測(cè)成果：冒裂帶發(fā)育的影響因素：采高覆巖的巖性冒裂帶的公式,導(dǎo)水裂隙帶高度研究,,,《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》（簡(jiǎn)稱《規(guī)程》，其中，上冒落帶，下導(dǎo)水裂隙帶） 緩傾斜及中傾斜（0-54度）,,,,,,,,,,,,,,,《礦井水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,導(dǎo)水裂隙帶高度研究,關(guān)于規(guī)模化綜采工作面導(dǎo)高研究

34、 陜北侏羅紀(jì)煤田18-36倍采高，大多認(rèn)可26倍采高關(guān)于規(guī)?；C采放頂煤工作面導(dǎo)高研究 彬長(zhǎng)侏羅紀(jì)煤田18-36倍采高，大多認(rèn)可26倍采高,,,,,,,,,,,,,,,綜放導(dǎo)水裂隙帶高度研究,,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）,,,,,,,,,,,,,,,導(dǎo)水裂隙帶高度研究,（二）頂板離層水害發(fā)生機(jī)理,頂板離層水害是一種較典型的頂板水害類(lèi)型，是頂板含水層地下水先匯集在覆巖離層變形空間中而后突然潰入井下形成水害。 出水特征：初期瞬

35、時(shí)流量大（約為正常涌水量的數(shù)十倍）、持續(xù)時(shí)間較短衰減快（多持續(xù)數(shù)小時(shí)，個(gè)別持續(xù)數(shù)天）、總出水量有限。 形成的基本條件：煤層頂板覆巖為下軟上硬組合結(jié)構(gòu)，且下部軟弱層厚度穩(wěn)定。 目前對(duì)其涌水機(jī)理、形成條件及發(fā)育規(guī)律研究程度不足，無(wú)法預(yù)計(jì)水害發(fā)生的地段及水量，并缺乏有效的防治水對(duì)策。,,頂板離層水害是一種較典型的頂板水害類(lèi)型，是頂板含水層地下水先匯集在覆巖離層變形空間中而后突然潰入井下形成水害。 出水特征：初期瞬時(shí)流量大（約為正常涌水量

36、的數(shù)十倍）、持續(xù)時(shí)間較短衰減快（多持續(xù)數(shù)小時(shí)，個(gè)別持續(xù)數(shù)天）、總出水量有限。 形成的基本條件：煤層頂板覆巖為下軟上硬組合結(jié)構(gòu)，且下部軟弱層厚度穩(wěn)定。 目前對(duì)其涌水機(jī)理、形成條件及發(fā)育規(guī)律研究程度不足，無(wú)法預(yù)計(jì)水害發(fā)生的地段及水量，并缺乏有效的防治水對(duì)策。,（二）頂板離層水害發(fā)生機(jī)理,,,,,,,,,,,,,,,離層,最小高度144m（裂采比為12），最大高度159m（裂采比13.25）。平均高度151.5，裂采比為12.625,離層

37、模擬,,,采高12m,采高18m,最小高度216m（裂采比為12）破斷巖層已波及關(guān)鍵層,,地下煤礦開(kāi)采過(guò)程中, 隨著開(kāi)采工作面的推移,破壞了上覆巖體的自然應(yīng)力平衡狀態(tài), 采空區(qū)上覆巖層內(nèi)應(yīng)力發(fā)生重分布, 并達(dá)到新的平衡。上覆巖層發(fā)生斷裂、冒落、彎曲和下沉, 由下向上逐步發(fā)展,直至地表并形成地面沉陷。 上覆巖層中由于巖性、厚度、距離采空區(qū)位置等不同, 導(dǎo)致巖層的運(yùn)動(dòng)并不是完全同步一致, 特別軟硬巖層，從而出現(xiàn)了上覆各巖層在垂直方向的

38、位移差, 形成離層空間, 這種分離現(xiàn)象稱之為離層。 離層為離層水發(fā)育的先決條件, 采場(chǎng)覆巖中發(fā)育離層, 但并不一定能形成離層水, 即使形成離層水而能否對(duì)下部采場(chǎng)造成充水影響及影響程度, 都還受其他因素的影響。,（二）頂板離層水害發(fā)生機(jī)理,,（1）可積水離層發(fā)育位置 離層注漿經(jīng)驗(yàn)表明, 離層注漿減沉僅能用于“封閉的離層空間” ，而若離層空間發(fā)育于煤層采后的裂隙帶或與裂隙帶相連通時(shí)（導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)） ，該離層空間則不具備離層注漿減沉

39、的效應(yīng)， 且該離層空間注漿時(shí)漿液易于下滲至工作面或井下，危及工作面的安全。 對(duì)于可積水離層而言， 其離層空間也必須是相對(duì)封閉的，尤其是在采場(chǎng)一側(cè)，不能與下部采場(chǎng)相導(dǎo)通. 即形成離層水的離層空間不能發(fā)育于采場(chǎng)冒裂帶中， 而應(yīng)分布于整體移動(dòng)帶中， 且不能與下部的裂隙帶相導(dǎo)通(即在離層空間下部分布有一定厚度、較為完整的相對(duì)隔水層) ， 即可積水離層的位置應(yīng)滿足(圖)。,（二）頂板離層水害發(fā)生機(jī)理,,可積水離層發(fā)育位置示意圖,H >

40、H 裂.,可積水離層發(fā)育位置,否則進(jìn)入離層空間內(nèi)的水體將直接下滲至下部采場(chǎng), 無(wú)法積水而形成離層水積水。,（二）頂板離層水害發(fā)生機(jī)理,,（2）離層補(bǔ)給水源,在離層滿足相對(duì)封閉要求后，離層需接受周邊含水層或水體的補(bǔ)給充水方可實(shí)現(xiàn)積水， 才可發(fā)育形成離層水，因而，離層周邊發(fā)育離層補(bǔ)給水源也是離層水形成的基本條件之一。,若采場(chǎng)頂板離層為可積水離層，并具備離層補(bǔ)給水源，則表明該離層可發(fā)育離層水，具備離層水形成的基本條件.,（二）頂板離層水害發(fā)生

41、機(jī)理,,（3）離層持續(xù)時(shí)間,隨著煤層開(kāi)采，采空區(qū)面積增大，采場(chǎng)頂板離層在橫向上離層最大值不斷向前移動(dòng)，豎向上離層發(fā)育高度不斷抬高，上部離層逐漸發(fā)育而下部離層則逐漸閉合。而對(duì)于每一層位離層而言，在層面上均存在一個(gè)由起始、發(fā)展、穩(wěn)定直至閉合的動(dòng)態(tài)過(guò)程; 即當(dāng)某一層位離層發(fā)育(巖層懸露) 長(zhǎng)度較小時(shí)，隨著工作面推進(jìn)，該層離層逐漸發(fā)育，離層長(zhǎng)度增加; 而當(dāng)達(dá)到該離層上位巖層的極限破斷距時(shí)，離層發(fā)育到極限長(zhǎng)度，離層上位巖層板發(fā)生斷裂， 整體下沉，

42、使其下方離層迅速減小甚至閉合，將該離層由起始發(fā)育至閉合消失的這一時(shí)間段稱為該離層持續(xù)時(shí)間。,（二）頂板離層水害發(fā)生機(jī)理,,（3）離層持續(xù)時(shí)間,顯然對(duì)于離層積水而言， 煤層采動(dòng)過(guò)程后上覆巖層中發(fā)育的離層量越大， 持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，則離層裂隙接受周邊含水層的補(bǔ)給時(shí)間也就越長(zhǎng)， 離層水水量就越大，發(fā)生離層水涌突水的危險(xiǎn)性越大；而離層持續(xù)的時(shí)間則又主要由離層上位巖層的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)及煤層開(kāi)采情況決定，具體分析如下。,（二）頂板離層水害發(fā)生機(jī)理,,（

43、3）離層持續(xù)時(shí)間,離層的持續(xù)時(shí)間與煤層開(kāi)采速度成反比， 即工作面推進(jìn)速度越快， 則不利于離層積水， 或在回采期間離層水涌突水幾率相對(duì)較小。 離層上位巖層厚度越大，抗張拉強(qiáng)度越高， 離層持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)， 則越有利于離層積水形成離層水，相應(yīng)的采場(chǎng)頂板離層水涌突水危險(xiǎn)性增大。 采場(chǎng)覆巖巖性也是覆巖離層持續(xù)時(shí)間的影響因素之一， 在軟弱覆巖條件下， 采場(chǎng)覆巖由于移動(dòng)與變形速度較快，開(kāi)采空間很快到達(dá)地表, 不易形成持續(xù)穩(wěn)定的離層空間，也就不利于離

44、層積水。,,（3）離層持續(xù)時(shí)間,顯然對(duì)于離層積水而言， 煤層采動(dòng)過(guò)程后上覆巖層中發(fā)育的離層量越大， 持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，則離層裂隙接受周邊含水層的補(bǔ)給時(shí)間也就越長(zhǎng)， 離層水水量就越大，發(fā)生離層水涌突水的危險(xiǎn)性越大；而離層持續(xù)的時(shí)間則又主要由離層上位巖層的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)及煤層開(kāi)采情況決定，具體分析如下。,（二）頂板離層水害發(fā)生機(jī)理,,案例,（二）頂板離層水害發(fā)生機(jī)理,,案例,（二）頂板離層水害發(fā)生機(jī)理,,案例,玉華煤礦1412、1418工作面頂

45、板“離層”透水統(tǒng)計(jì)表,,案例,表4.6 玉華煤礦1412、1418工作面頂板“離層”透水統(tǒng)計(jì)表,1412工作面位于一盤(pán)區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)左翼，1410采空區(qū)下側(cè)， 1412工作面2009年9月投產(chǎn)，自切眼推采至1270m，此段一直為水平推采，工作面未出現(xiàn)頂板淋水、老空出水現(xiàn)象。2010年12月8日工作面推采至1270m處頂板出現(xiàn)淋水，涌水量約10m3/h，3日后淋水基本消失，13日15點(diǎn)40分頂板淋水突然增大，隨之大量水從工作面前端頭30

46、m范圍內(nèi)涌出，涌水量最大時(shí)達(dá)300 m3/h以上，至23時(shí)，7小時(shí)20分涌水量總計(jì)6000 m3，平均涌水量822 m3/h，最大涌水量達(dá)到1000 m3/h左右，后逐步減小，17日19時(shí)水量減少至30m3/h。,,案例,表4.6 玉華煤礦1412、1418工作面頂板“離層”透水統(tǒng)計(jì)表,2011年5月5日凌晨2點(diǎn)，運(yùn)順推采至1645m處，工作面前端頭30m范圍內(nèi)出現(xiàn)涌水，2點(diǎn)20分突然增大，至6時(shí)10分，3小時(shí)40分涌水量總計(jì)600

47、0 m3，平均涌水量1600 m3/h，最大涌水量達(dá)到2000 m3/h左右，后逐步減小，到10時(shí)水量減小至300 m3/h ，7日15時(shí)水量減小至40 m3/h。2011年7月9日推采至1800m處時(shí)，8點(diǎn)到13點(diǎn)35分水量由180 m3/h增大至900 m3/h，18點(diǎn)40分時(shí)運(yùn)順全部被淹，水量900 m3/h持續(xù)到晚21點(diǎn)，22點(diǎn)時(shí)水量又增大至1400 m3/h，回順、灌抽巷基本全被淹沒(méi)，之后水量開(kāi)始減小，至10日凌晨1點(diǎn)30分

48、水量下降至300 m3/h。此次出水約24000 m3。,,案例,表4.6 玉華煤礦1412、1418工作面頂板“離層”透水統(tǒng)計(jì)表,1418工作面與1412工作面毗鄰（位于1412深部），自2011年回采至今，已發(fā)生2次較大規(guī)模的頂板出水。2012年3月31日，推采至725m, 早6點(diǎn)30分之后，出水量50m3/h；8點(diǎn)至9點(diǎn)，水量最大至500～600 m3/h；4月3日后水量穩(wěn)定至35～45 m3/h。2012年5月26日，推

49、采至883m時(shí)，頂板出水量最大為500 m3/h，三日后穩(wěn)定在40 m3/h。,,案例,表4.6 玉華煤礦1412、1418工作面頂板“離層”透水統(tǒng)計(jì)表,離層水發(fā)育示意圖,1412、1418工作面毗鄰，地質(zhì)與水文地質(zhì)條件相似。初步得出：在4-2號(hào)煤頂板上約170m，在宜君礫巖（硬巖，厚度約20m）與下伏泥巖（軟巖，厚度大于14m，為良好的隔水層）之間發(fā)育離層空間的可能性大；宜君礫巖及上覆的洛河砂巖含水層組構(gòu)成了離層空間主要充水含水

50、層。,研究歷史及現(xiàn)狀早在20世紀(jì)初，國(guó)外就有人注意到底板隔水層的作用 40年代至50年代，匈牙利韋格弗倫斯第一次提出底板相對(duì)隔水層的概念。 60年代至70年代，匈牙利國(guó)家礦業(yè)技術(shù)鑒定委員會(huì)將相對(duì)隔水層厚度的概念列入《礦業(yè)安全規(guī)程》,我國(guó)引入該概念.,（三）底板水害發(fā)生機(jī)理,我國(guó)在底板突水規(guī)律研究方面起始于60年代，70年代中期，國(guó)家派科技人員去匈牙利考察，70年代后期，修改了原有的突水系數(shù)概念，并應(yīng)用于實(shí)踐。80年代開(kāi)始，

51、以煤炭科學(xué)研究總院西安分院、山東礦業(yè)學(xué)院及煤炭科學(xué)研究總院特采所為代表，不僅各自獨(dú)特的理論，而且具有一個(gè)完整的研究梯隊(duì)。目前，我國(guó)防治水的研究工作處于世界領(lǐng)先地位。,（三）底板水害發(fā)生機(jī)理,關(guān)于突水理論,“下三帶”理論 “下三帶”的理論觀點(diǎn)最早是由山東礦業(yè)學(xué)院、井陘礦務(wù)局、峰峰礦務(wù)局等一批科技人員在實(shí)踐中提出的，并在實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用和發(fā)展，最后由山東礦業(yè)學(xué)院的一批科研人員提出。 Ⅰ底板破壞帶；Ⅱ完整巖層帶；Ⅲ承壓水導(dǎo)高帶。,,分

52、析突水與三個(gè)帶的關(guān)系,斷層突水在煤層底板突水中占絕大多數(shù)。因此對(duì)斷層突水機(jī)理的研究也較多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由斷裂引起的底板突水次數(shù)占總突水次數(shù)的50%以上。掘進(jìn)引起的斷裂突水占總突水次數(shù)的50%以上，回采引起的斷裂突水相對(duì)較少，而且突水大部分是由中、小型斷層引起的。,斷層突水類(lèi)型：一種是導(dǎo)水?dāng)鄬右l(fā)的突水，第二種是斷層本身并不導(dǎo)水，由于采動(dòng)影響，斷裂帶再擴(kuò)展而導(dǎo)致突水。前者在掘進(jìn)或回采中遇到就會(huì)發(fā)生突水，后者則往往導(dǎo)致滯后突水，兩種類(lèi)型斷裂突水

53、具有不同的機(jī)制和特點(diǎn)。,斷層型底板突水,采掘工程一旦揭露含水，導(dǎo)水?dāng)鄬蛹纯梢l(fā)突水。如果斷層富水性和導(dǎo)水性都很好，則可能引發(fā)爆發(fā)型突水。這種突水的特點(diǎn)是：一旦揭露突水，在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)達(dá)到最大突水量，然后有所回落，如果補(bǔ)給水源充足，則突水量穩(wěn)定于一個(gè)較大值 。,（1）導(dǎo)水?dāng)鄬右鸬耐凰?在采動(dòng)作用影響下，采場(chǎng)斷層會(huì)發(fā)生重新活動(dòng)，有人將這種過(guò)程形象地稱為“斷層的活化”。 斷層活動(dòng)使斷層帶及其附近的巖體中的裂隙發(fā)生再擴(kuò)展作用，致使其滲

54、透性發(fā)生改變。原來(lái)的非導(dǎo)水?dāng)鄬涌赡苻D(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)水?dāng)鄬佣l(fā)突水。 斷層新活動(dòng)也會(huì)使附近伴生裂隙的性狀改變同樣會(huì)引發(fā)突水。采掘工程直接揭露斷層面會(huì)引發(fā)突水，但也有大量的底板突水并非發(fā)生在揭露斷層面（帶）后造成的，而是靠近斷層時(shí)發(fā)生的。這與斷層再活動(dòng)導(dǎo)致的伴生節(jié)理擴(kuò)展作用有直接關(guān)系。,（2）采動(dòng)引起的斷層突水,底板突水實(shí)質(zhì)是承壓水沿煤層底板中的裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流進(jìn)入工作面或采掘巷道。突水過(guò)程實(shí)質(zhì)是一個(gè)滲流過(guò)程。研究煤層底板突水機(jī)理，應(yīng)在考慮原巖

55、應(yīng)力場(chǎng)、地質(zhì)構(gòu)造、地下水、采動(dòng)影響等因素的基礎(chǔ)上，從應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)共同作用的角度出發(fā)，研究底板巖體的變形與破壞。,裂隙型底板突水,采動(dòng)擾動(dòng)后應(yīng)力狀態(tài)的變化，在隔水層上部原有裂隙發(fā)生貫通性破壞，同時(shí)產(chǎn)生新裂隙，形成礦壓破壞帶。 隔水層下部巖體受礦壓擾動(dòng)影響，裂隙發(fā)生擴(kuò)展，承壓水隨之滲入，由于承壓水的劈裂作用和軟化作用，使裂隙更易于發(fā)生擴(kuò)展。 巖體的變形影響到其中水的滲流狀態(tài)，壓力水又反過(guò)來(lái)影響巖體變形。如此相互作用

56、，相互影響，直到形成某種平衡。采動(dòng)產(chǎn)生的周期性應(yīng)力變化不斷打破這種平衡，使其向新的狀態(tài)發(fā)展，結(jié)果造成隔水層下部巖體內(nèi)的裂隙不斷向上擴(kuò)展、延伸，含水層的承壓水滲流場(chǎng)不斷上移。 當(dāng)隔水層上、下部裂隙貫通時(shí)，滲流場(chǎng)快速上移到采掘工作面，承壓水滲流出來(lái)，從而出現(xiàn)底板的發(fā)潮“冒汗”現(xiàn)象。這是突水的前兆。隨裂隙水對(duì)裂隙通道的沖刷、擴(kuò)徑、擠入破壞，通道不斷擴(kuò)大，滲流速度加快，滲流水量不斷增大，從而形成突水。,裂隙型底板突水,在薄隔水層條

57、件下，礦壓破壞帶與承壓水導(dǎo)升帶連通，可直接引發(fā)突水。 如果隔水層較厚，但保護(hù)層帶處于礦壓擾動(dòng)帶內(nèi)，則礦壓擾動(dòng)帶內(nèi)的裂隙隨時(shí)間發(fā)生亞臨界擴(kuò)展，在一定時(shí)間后發(fā)生連通并與導(dǎo)升水相連，從而形成滯后突水。滯后突水多發(fā)生于靠近開(kāi)切眼或停采線附近的采空區(qū)內(nèi)，就是由于礦壓長(zhǎng)期作用裂隙發(fā)生流變擴(kuò)展的結(jié)果。 在具有原始貫通性裂隙條件下，采動(dòng)礦壓使裂隙發(fā)生滑動(dòng)變形，承壓水?dāng)D入裂隙，對(duì)裂隙產(chǎn)生擠入、劈裂破壞，使裂隙不斷擴(kuò)大而引發(fā)突水。,