底板水防治理论与技术.ppt

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1、底板突水机理及防治技术,一、矿井水害类型及特点,我国八大聚煤期早寒武世 早石炭世(C1)北方晚石炭世早二叠世(C3-P1)南方二叠纪(P)晚三叠世(T3)早中侏罗世(J1-2)早白垩世(K1)第三纪(E)。,聚煤特征1、从浅海海湾逐步向滨海、沿海地区并最后向陆地内部迁移。2、聚煤作用的气候条件随着植物界的发展演化，由热带、亚热带迁移扩展至温带。古生代多为热带、亚热带，中生代以后多为温带。3、各聚煤期植物不同。早古生代菌藻植物；晚古生代蕨类；中生代裸子植物、蕨类；新生代被子植物。,煤炭资源的地理分布特点分布广泛、西多东少、北多南少、相对集中。既广泛又相对集中，是我国煤炭资源地理分布的重要特征。,

2、水源划分水害类型,地表水害第四系松散层孔隙水害侏罗系-第三系孔隙-裂隙水害煤系砂岩裂隙-孔隙水害煤系薄层灰岩水害厚层灰岩水害（北方奥灰，南方茅口灰岩）老空、老窑水害其他水害（导水陷落柱、断层、封闭不良钻孔、防水设施、边界煤柱等）,水害特点,地表水害 包括河流、水库、湖泊、海洋、雨季洪水等。其危害为：通过井眼、矿井安全出口、采后塌陷坑、煤系含水层露头、喀斯特塌陷等直接或间接透入矿井而造成事故；地表水体底部渗漏增大矿井涌水量；,第四系松散层孔隙水害,分布面积广；广泛接受大气降水、地表水补给；为孔隙水，连通性好；与其他含水层露头接触，或其他方式发生水力联系，可成为其他含水层的补给水源,侏罗系-第三系

3、孔隙-裂隙水害,一般分布面积局限；与第四系水有广泛的水力联系或直接接受大气降水、地表水补给；为孔隙-裂隙水，连通性较差，局部富水性较强；与其他含水层露头接触，可成为其他含水层的补给水源,煤系砂岩裂隙-孔隙水害,具有成层性，一般具多层特点；为裂隙-孔隙水或裂隙水，具有较强的方向性，在某些方向上连通性好，裂隙发育部位富水性较强；在没有地表水、第四系水及其他水源补给条件下，其动、静储量往往不大；距离煤层近，影响较大。,煤系薄层灰岩水害,灰岩厚度较小，静储量不大；在有充足补给水源条件下，动储量较大；一般为岩溶-裂隙含水层水或裂隙-岩溶含水层水，富水性不均匀；岩溶裂隙的发育程度与埋藏深度、构造发育程度、

4、构造部位有关；夹在可采煤层之间或煤层与奥灰之间，距离煤层较近，甚至直接成为煤层顶、底板，对煤层开采影响大。,厚层灰岩水害,奥陶系灰岩出露广泛，接受大气降水、地表水或第四系等水的补给，总体补给水源充足，动、静储量巨大；一般为岩溶-裂隙含水层水或岩溶含水层水；发育两套岩溶系统，古岩溶和近代岩溶；具有强径流带和分支径流带，水力系统复杂，不均匀性显著；岩溶裂隙的发育程度与埋藏深度、构造发育程度、构造部位有关；含水性强，可疏降性差，对近距离煤层开采影响大。,张家界黄龙洞,江苏宜兴善卷洞,老空、老窑水害,积存于生产或开拓水平之上；水量不大，一般不会造成淹井危害；一旦揭露，水量集中，来势猛，往往以“有压管道

5、流”的形式突然溃出；具有很大的冲击力和破坏力，对人身安全危害极大；老窑水积存时间长，水的酸性强，腐蚀性强，危害大；,其他水害,岩溶陷落柱：突水通道，危害大；断层，导水：活化，断层影响带；封闭不良钻孔：导水通道，连通含水层；防水设施：主要是挡水墙，有水或无水，围岩、墙体稳定性，静水或动水；边界煤柱：破坏，不稳定，易引发突发性事故；。,二、底板突水机理,1、底板突水研究历史,早在20世纪初，国外就有人注意到底板隔水层的作用 40年代至50年代，匈牙利韦格弗伦斯第一次提出底板相对隔水层的概念。60年代至70年代，匈牙利国家矿业技术鉴定委员会将相对隔水层厚度的概念列入矿业安全规程70年代至80年代末期

6、，很多国家的岩石力学工作者在研究矿柱的稳定性时，研究了底板的破坏机理,我国在底板突水规律研究方面起始于60年代，70年代中期，国家派科技人员去匈牙利考察，70年代后期，修改了原有的突水系数概念，并应用于实践。80年代开始，以煤炭科学研究总院西安分院、山东科技大学及煤炭科学研究总院特采所为代表，不仅各自独特的理论，而且具有一个完整的研究梯队，如“下三带”理论。90年代，山东科技大学“下四带”理论目前，我国防治水的研究工作处于世界领先地位。,2、关于突水系数,T=P/M T=P/(M-C),早在20世纪初，国外就有人注意到底板隔水层的作用 40年代至50年代，匈牙利韦格弗伦斯第一次提出底板相对隔水

7、层的概念。即：,不突水临界值统计发现80%突水小于此值欧洲国家采用,60年代至70年代，匈牙利国家矿业技术鉴定委员会将相对隔水层厚度的概念列入矿业安全规程同时对应用条件做了一些规定，其中要求采深不超过300m,我国在底板突水规律研究方面起始于60年代70年代中期，国家派科技人员去匈牙利考察，带回相对隔水层厚度的概念焦作矿区水文地质大会战中，提出了突水系数概念,实际上相对隔水层概念的倒数！,规定突水系数的临界值实质上0.06临界值也不是中国人提出的,1个标准大气压力=1.003360.098MPa=0.10108MPa0.1Mpa。,严格讲，突水系数预测底板突水只能适用于采深小于300m，至多到

8、500m！,70年代至80年代，人们发现利用突水系数进行突水预测预报不准确，究其原因，一个根本问题是未考虑矿压对底板的破坏因素。因此西安分院水文所对突水系数的表达式经过两次修改后确定为：,列入1984年5月15日原煤炭工业部颁发的矿井水文地质规程及1989年9月9日原煤炭工业部颁发的煤矿防治水工作条例规定了两个临界值：0.1、0.06值得注意的是那时的采深有的达到了500m,2009年8月17日国家安全生产监督管理总局局长办公会议审议通过的煤矿防治水规定使得突水系数回到上世纪70年代。,建议,在采深小于300m时，可以使用。在采深300m500m时慎用，如果构造不发育可以用，如果构造发育，则小

9、心。在采深大于500m时，必须考虑底板破坏深度。,3、“下三带”理论,“下三带”理论“下三带”的理论观点最早是由原山东矿业学院一批科技人员在实践中提出的，并在实践中进行应用和发展。底板破坏带；完整岩层带；承压水导高带。,原位张裂与零位破坏理论 煤炭科学总院北京开采所王作宇、刘鸿泉提出 板模型理论 煤科总院北京开采所刘天泉院士，张金才等关键层理论 中国矿业大学钱鸣高 院士“下四带”理论施龙青,4、水害防治研究存在的问题,底板突水机理理论研究方面“下三带”理论理论基础为弹性力学理论；为浅部开采理论底板突水的预测预报方法一直束缚于“突水系数”的概念,原因：一是人们对深部煤层开采突水机理研究的认识不足

10、。二是研究人员受到专业限制。三是有效的探测手段限制,5、“下四带”理论,1)第带（h），矿压破坏带 是指矿山压力对底板的破坏作用显著，底板岩石的弹性性能遭到明显伤失的层带。其特点为：岩石处于粘弹性状态；各种裂隙不仅交织成网，而且惯通性好、导水性能很强；岩层的连续性彻底破坏，完全伤失了隔水能力；承压水沿该带突出所消耗的能量仅仅用于克服突水通道中的沿程阻力。,2)第带（h2）,新增损伤带 是指受矿山压力破坏的影响作用明显，岩石弹性性能发生了明显改变的层带。其特点为：底板岩层的原有抗压强度明显降低，但岩层的弹性性能尚未完全伤失，即岩石乃处于弹性状态；岩层的原有裂隙得到了明显地扩展，但尚未相互贯通；岩

11、层具有一定的连续性和隔水能力；承压水要沿该带突出，其消耗的能量主要用于贯通裂隙。,3)第带（h3）,原始损伤带 是指不受矿山压力破坏作用的影响或影响甚微，岩石弹性性能保持不变的层带。其特点为：岩石保持原有弹性性能；岩层内的裂隙保持原先的非相互贯通状态；岩层的连续性和隔水能力良好；底板水要沿该带突出，其消耗的能量主要用于破坏岩石及贯通裂隙。,4)第带（h4）,原始导高带 是指不受矿山压力作用的影响，并发育有承压水的原始导高的层带。其特点为：因水化学作用，岩石处于弹塑性、塑性状态；裂隙发育差参不齐，并已成为突水通道；岩层的连续性差；底板水从该带突出只需克服沿程阻力。,各带厚度的确定,矿压破坏带,新

12、增损伤带,原始导高带及原始损伤带,底板破坏型突水条件,1)若h30，则不突水；2)若h30，h2，且P(1-D)，则突水；4)若h3=0，h20，则突水。,底板破坏深度的计算方法,经验公式,损伤理论,损伤底板破坏深度预测,白庄煤矿7105工作面为-430m水平的第一个工作面，开采深度平均为520m，工作面斜长80m，煤层的倾角为10，坚固性系数为3。底板损伤度0.33。,根据“下三带”理论10.66m，根据“规程”10.36m，根据无损伤经验公式13.8m，根据损伤经验公式21.23m,现场实测22.47m.,底板破坏深度实测设备 双端封堵侧漏仪,计算机数值模拟,非线性预测理论公式,神经网络理

13、论信息融合理论,三、断层防水煤柱留设,四、三维高密度探水技术,技术问题的提出,无论是三极电法探测技术，还是偶极电法探测技术，所采集到的数据是二维的，即一条探测线只能得到一条垂直于探测线的剖面，这对水文地质条件的勘查是非常有限的。在工作面上、下巷道布置二维电法勘探，获得的结果仅仅是所探两条巷道的底板剖面，对于工作面内部底板情况就无能为力了，而现场技术人员最想知道的是工作面内部底板富水情况。,二维高密度电阻率色谱断面图,音频电透视,人工向地下供入音频电流，观察大地电场的分布规律，从而确定岩体物性分布规律及地质构造特征。其特点是音频信号穿透能力强，测量精度较高，可以抵抗轨道及矿车运行引起的强直流电干

14、扰。发射点的间距为50m，对应巷道的一定区段进行扇形扫描接收,11306工作面顶板30-50m岩层含水性音频电透视成果图,瞬变电磁原理,瞬变电磁法或称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。,工作时，在发射线圈中通以一定波形电流，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流，断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁

15、场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小，而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征,顺煤层方向视电阻率分布,煤层底板方向视电阻率分布,三维高密度电法简介,三维电阻率层析成像技术是采用高密度发射系统和接收系统对地下进行电场透视，利用大地电阻率的差异进行CT成像。通过合理地设计发射系统和接收系统，保证在地面有足够多的观测点和采集到的足够高的电位异常值。通过对地面电位测量结果进行数据处理和反演计算，推断地下电阻率分布情况，利用电阻率与含水区的相关关系确定含水区边界和含水区的空间分布，利用含水层电阻率与富水

16、性程度的关系，求出富水区的三维空间分布，从而实现对含水层富水性的空间分布和储量的定性预测。,1、底板水探测,良庄煤矿31108工作面底板地层电阻率三维数据体,良庄煤矿31108工作面底板下80米、徐灰层位,良庄煤矿31108工作面底板下120米、奥灰顶界面深度,良庄煤矿31108工作面底板地层底板下130米、奥灰顶界面下10米深度,良庄煤矿31108工作面底板地层下140米、奥灰顶界面下20米深度,良庄煤矿31108工作面底板下150米、奥灰顶界面下30米深度,良庄煤矿31108工作面底板下160米、奥灰顶界面下40米深度,良庄煤矿31108工作面底板下170米、奥灰顶界面下50米深度,良庄煤

17、矿31108工作面底板底板下180米、奥灰顶界面下60米深度,良庄煤矿31108工作面底板下220米、奥灰顶界面下100米深度,垂直切片（沿轨道巷）,距轨道巷30米,距轨道巷60米,距轨道巷90米,距轨道巷120米,距轨道巷150米,沿运煤巷,倾向垂直切片平行切眼60间距,2、顶板水探测,滕东生建煤矿3下107工作面顶板地层电阻率三维数据体,顶板上10米,顶板上20米,顶板上30米,顶板上40米,顶板上50米,顶板上60米,顶板上70米,顶板上80米,顶板上90米,顶板上100米,顶板上110米,顶板上120米,3煤顶板富水区分布图,动态监测,以龙固矿为例,龙固矿1301N工作面采前富水性分布

18、图,第1次2009年10月6日,工作面迎头前方390m富水区,第二次2009.10.3,迎头390m富水区,第三次探测2010.1.23,迎头390m富水区,2010.2.20,迎头前方390m富水区,3、底板注浆效果监测,曹庄煤矿101002工作面底板注浆前、后视电阻率三维数据体对比,曹庄煤矿101002工作面注浆前、后底板18米五灰顶电阻率三维数据体对比,曹庄煤矿101002工作面注浆前、后底板29米五灰底电阻率三维数据体对比,曹庄煤矿101002工作面注浆前、后底板42米奥灰顶电阻率三维数据体对比,曹庄煤矿101002工作面注浆前、后进奥灰10米电阻率三维数据体对比,曹庄煤矿101002

19、工作面注浆前、后进奥灰20米电阻率三维数据体对比,曹庄煤矿101002工作面注浆前、后进奥灰30米电阻率三维数据体对比,曹庄煤矿101002工作面注浆前、后进奥灰40米电阻率三维数据体对比,曹庄煤矿101002工作面注浆前、后进奥灰50米电阻率三维数据体对比,曹庄煤矿101002工作面注浆前、后进奥灰60米电阻率三维数据体对比,4、采空区探测,焦家B区电阻率三维数据体,采空区立体图,寺庄C区电阻率三维数据体,C区采空区立体图,网络电法动态监测工作面底板水,以良庄矿为例,良庄煤矿51302工作面网络电法动态监测系统,月日底板情况,月日底板破坏情况,月日底板破坏情况,月日底板破坏情况,8月5日底板

20、破坏情况,8月7日底板破坏情况,5、巷道富水性超前探测技术,在桩号1030米位置为低阻显示，说明该位置顶板三灰富水，这也与该位置顶板淋水一致；巷道迎头位置以及前方80米范围为高阻显示，说明该地段地层富水性差；迎头出水估计与后方的1030米位置富水区有关，在迎头位置右侧电阻率有相对低阻显示，说明迎头出水通过该位置与后方的1030米位置富水区联系；巷道迎头前方80米以远为低阻显示，说明迎头前方80米以远地层富水性强 钻探验证400方/小时,龙固煤矿辅1运输大巷富水性超前探测,龙固辅2运输大巷富水性超前探测,已掘巷道部分基本在高阻区，说明已掘巷道位置地层不富水；在巷道迎头至前方70米范围为高阻显示，说明该位置地层不富水，因为该位置经过注浆处理，高阻也说明了注浆质量较好；巷道迎头前方70米以远为低阻显示，且电阻率值较低，说明迎头前方70米以后地层富水性强。钻探验证140方/小时,花园煤矿,81306胶运顺槽超前探测顶板电阻率三维数据体,保德煤矿,81306胶运顺槽超前探测底板电阻率三维数据体,