2 虎维岳 煤矿水害水害形成机理及其防治技术

巷道突水点
安全回采工作面
水压（MPa)
重新认识2.突矿水井系水害数形的成概的念机理—底板水害
理论研究与实际资料表明，矿压作用下的底板破 坏深度一般为10～20m，灰岩水的导升高度一般为6 ～9m，不难看出，上下两个破坏带厚度之和为20～ 30m，这一结果和目前实际观测到的突水条件隔水 层厚度相一致。由此可见，准确查明矿压破坏带和 导升裂隙带厚度是预测底板突水条件的关键因素。 这一认识的建立对于正确理解为什么大量的传统突 水系数概念下认为是突水危险区的矿床资源得以安 全开采具有重要意义。
水压作用方式 不同对隔水底板 岩层采掘扰动深 度的影响
底板破坏深度h(m)
23
21
19
17
15
13
11
9
7
5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
均布水压模型h值
水压P(MPa)
面状水压模型h值
倾向条带状水压模型h值
走向条带状水压模型h值
2. 矿井水害形成的机理—底板水害
地应力及工作面采宽对工作面底板隔水岩层破坏深度的影响特征
T P C2+3
K
Ｑ
J
2. 矿井水害形成的机理
2. 矿井水害形成的机理—底板水害
水
水源含水层
水
害 形 成 要
水压力 导水构造 隔水防护层
特 作征 用、
害 形
方组
成
式合
机
、
理
素
采矿活动扰动
2. 矿井水害形成的机理—底板水害
隔水层贯穿破坏
隔水层梯段破坏
隔水层完整
Hp
Hp1 Hy
推进方向
水位
断层 裂隙带 导升带
第四系
煤 煤
6、区域生态环境脆弱，对水 资源依赖性强
2. 矿井水害形成的机理—顶板水害
水害形成模式之一：
工作面回 采过程顶 板覆岩破 断溃水溃 砂型：
2. 矿井水害形成的机理—顶板水害
100m
50m 20m 40m
水害形成模式之二：
黄土
砂层
J2Z2 隔水层
J1隔水层顶部裂隙相对发育带
J1 2Z
含水层
水压（MPa)
水压（MPa)
峰峰矿区底板突水点隔水层厚度与水压关系散点图
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
隔水层厚度（M ）
工作面突水点 巷道突水点 安全回采工作面
淄博矿区底板突水点隔水层厚度与水压关系散点图
4
3
2
1
0
0
10
20
30
40
50
隔水层厚度（M）
工作面突水点
底板水导升机理及导升水压变化特征、驻点残余水压
数据采集 （精密仪表）
隔水层
模型试验室
稳压装置
加水装置
残余水头(mpa）
残余水头(mpa）
0.14
0.12
T P0 P
0.1 0.08
M M I M III
0.06
0.04
0.02
含水层 水头 （mpa）
0 0
20
40
60
80
100
导升高度（cm）
隔水层完整
是否形成水害的关键是 有效隔水带的厚度问题
Ⅰ
采掘破坏带
Ⅱ
有效隔水带
Ⅲ
水位导升带
Ⅰ：被压破坏带 Ⅱ：完整隔水带 Ⅱ：原 图2-20 底板隔水层在开采条件下三带划分示意图
只需要弄清底板采掘扰动裂隙带和 含水层原始水位导升带厚度就可以 评价水害安全性条件
2. 矿常井见水的害充形水成途的径机理—底板水害
陕西省煤炭学会煤矿总工程师会议-2017
煤矿水害形成机理与防治技术
虎 维 岳 博士
中国煤炭科工集团西安研究院 2017.04.26
陕西省煤炭学会总工程师会议-2017
主要交流内容
1. 矿井水害形成条件与控制因素
2. 矿井水害形成机理
3. 矿井水害防治技术
1. 矿井水害形成条件与控制因素 水害案例一
n
i M i i 1
矿压破坏带 有效隔水带
Pc
Po 水压（Mpa）
水压导升带
底板深度（m） 兔2-21 底板隔水层不同位置水压分布示意图
2. 矿井水害形成的机理—底板水害
采掘活动对底板隔水层扰动破坏特征
支承压力
鼓胀区
压
缩
剪
鼓胀区
区
切
区
剪 切 区
压 缩 区
隔水层
图2-19 采空区底板隔水层受力分布示意图
2. 矿井水害形成的机理—底板水害
突 水 系 数 公 式 的 演 变
T=P/M
应该形成新的定量理论 计算公式，不能靠经验
T=P/M-MI-MIII=P/MII
n
T P /(M i Mi M I M III ) i 1
新公式应考虑隔水层厚度与 岩性结构、水压大小与作用 方式、残余水压、应力环境、 工作面尺度，开采厚度…..
0 0 200 400 600 800 1000 1200
10
20
30
40
全国部分煤矿实测底板破坏度随埋深变化规律曲线
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
Ⅰ：被压破坏带 Ⅱ：完整隔水带 Ⅱ：原 图2-20 底板隔水层在开采条件下三带划分示意图
工作面宽度对底板扰动深度影响明显 （来自邢世坤，邢东2225面）
典型矿区2. 底矿板井水突害水形性成与的隔机水理层—厚底板度水关害系
含水层
突水发生机理的核心就是导水 通道的形成演化机理
2. 矿井水害形成的机理—底板水害
h1 h2 h3
t1时刻水位 t2时刻水位 t3时刻水位
隔水层贯穿破坏
(t1,v1) ((tt23,,vv23))
突水位置
Z
V P
A
水位 h1 H
h2
突水量取决于过水断面 积和水压力
只要含水层的水位（
水头）高于开采煤层的 底板标高，突水必然发 生，所有通过隔水层与 水压关系来评价水害危 险性的理论均不适用（ 如突水系数）
0.0475
0.053
0.055
0.057
0.06
0.075
0.095
0.1
0.1007
0.101
0.101
0.106
0.108
0.112
0.117
0.122
0.125
图8. 隔水层中残余水头随导升高度变化曲线图
（渗透系数k＝0.0175m/d）
含水层
0.07
0.06
T P0 P
0.05 0.04
p:水压力
p
注水量（l/min）
2. 矿井水害形成的机理—顶板水害
第 四 系
煤煤
煤层赋存的地质水文地质条件决定了顶板水害的存在
1、第四系砂砾、薄层覆岩与 煤系地层三段式结构。
2、煤层稳定且近水平发育。
3、煤层顶板覆岩较薄且结构 疏松。
泉 泉
4、覆岩上覆第四系底部砂砾
及古冲沟潜水含水层。
第四系
5、大气降水、地表水与地下 水联系密切且交替周期短。
河谷卵砾层 ky
Kx
采掘工程 遭遇古冲 沟直接溃 水溃砂型：
煤层
J1隔水层
切眼
2. 矿井水害形成的机理—顶板水害
泉
水害形成模式之三： 泉
采掘工程 接近或穿 过烧变岩 突水型：
第四系 烧变区
第四系
2煤 3煤
2. 矿井水害形成的机理—顶板水害
水害形成模式之四：
小窑老 空积水 或小窑 沟通地 表水突 水型：
1. 矿井水害形成条件与控制因素 控制矿井水害危害程度的关键要素
丰富的水量 畅通的通道 高承压水头
水量供给和补 水流通过的 高速水流的
给条件
畅通性条件 驱动力条件
. Q = KS
J
1. 矿井水害形成条件与控制因素
矿井水害形成三大要素的不同组 合就形成了不同类型的矿井水害
1、岩溶陷落柱导通底板高压岩溶水特大突水灾害。 2、工作面顶板采动裂隙导通厚层砂岩水突水灾害。 3、导水断层诱发底板岩溶水突水灾害。 4、掘进巷道导通采空区积水突水水害。 5、封闭不良钻孔导通顶板第四系潜水溃水溃砂灾害。
Hale Waihona Puke Baidu
M M I M III
0.03
0.02
0.01
0 0
含水层水头 （m p a ）
20
40
60
0.017 0.024
0.02 0.037
80
100
导升高度（c m ）
0.021 0.05
0.022 0.06
图6. 隔水层中残余水头随导升高度变化曲线图 （渗透系数k ＝0 .02 6m/ d）
2. 矿井水害形成的机理—底板水害
高+893.5m
16煤回风大巷641m
突水点 底板标高：+874m
十二号联络巷
67m 144m 26m
16煤轨道大巷382m
2010年3月1日7时20分，骆驼山煤矿16煤回风大巷距掘进 工作面26米处底板发生突水事故，峰值突水量为：6003 6m3/h。矿井+1093标高以下井巷全部被淹没。当时井下共 有作业人员77人，46人升井（1人死亡），31人被困井 下。4月14日抽水结束后，经搜救，截止5月7日，井下31 名被困人员遗体全部找到。此次事故造成32人死亡。
正确理解应用突水系数
突水系数是通过煤层隔水 层厚度与下伏含水层水压力 之比来评价完整底板隔水岩 层阻水性能并据此诊断底板 是否突水的理论，其应用条 件非常局限
焦作矿区底板突水点隔水层厚度与水压关系散点图
3 2.5
2 1.5
1 0.5
0 0
10
20
30
40
50
60
隔水层厚度（M）
工作面突水点 巷道突水点 安全回采工作面
水 量： 42432 m3/h
突水通道：釆掘巷道遭遇 突水水源：老窑积水
1. 矿井水害形成条件与控制因素 控制和影响煤矿水害的三大因素
煤 矿 水
＋ ＝ 充水水源
充水途径
矿井水害 防治的技 术难度系
形成对矿 井水害危 险性评价
害
充水水量
数
指标
A、 充水水源是否存在，如果存在，有何特征。 B、 充水途径是否存在，如果存在，属何类型。 C、 充水强度如何，一旦出水有何后果。
含水层
潜在滑移线
鼓胀区
回采工作面底鼓突水机理
2. 矿井水害形成的机理—底板水害
注水量（l/min）
采掘活动对底板隔水层扰动破坏特征
6
5
4
3
2
1
0
-50
0
50
100
150
测点距采掘迎头距离（m） 王凤矿1964工作面钻孔注水量随工作面采掘变化特征图
5号测点
4号测点
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-60
-40
水害的危险 性及破坏力 取决于突水 要的性质
煤1. 矿矿底井板水害水形害成及条其件形与成控条制件因素
★ 评价和诊断矿井水害形成条件就是评价矿井水害形成的要素及其组 合特征。
★评价矿井水害的危害程度就是评价矿井充水要素的属性与特征。 ★研究矿井水害形成机理就是研究矿井水害形成条件随矿井采掘活动 进行所发生的时空演化进而导致水害发生的过程。
2. 矿井水害形成的机理—底板水害
隔水层梯段破坏
采掘扰动
推进方向
水位
地应力变化
Hp
Hp1 Hy
断层 裂隙带 导升带
含水层
突水机理及其复杂，几乎和水害形成的所
有因素都有关系（水压、隔水层特征、构造 性质、地应力、采掘活动、时间效应…….)
隔水层破坏
构造活化 水压力劈裂 与侵入渗透
通道贯通突水
2. 矿井水害形成的机理—底板水害
最高水位+1093m
井 最高水位+1093m
09009101工工作作面面回运风输顺顺槽5槽80长m1200m
图例：
1079m∠122320°m∠22°
井筒及斜巷 中央大巷及 煤巷道
煤巷道 被淹没巷道
中央胶带大 巷690m
井底标高 +870.712m
煤仓 高度45m
一号轨道斜巷斜 长160m ∠20
一号行人斜巷斜 长140m ∠20°
神华乌海能源公司骆驼山煤矿“3.1”突水事故立面示意图
骆驼山矿掘进巷道迎头突水 B区救生钻孔A区救生钻孔
（3个） 地表+1308.5m
（7个） 地表Ｃ区堵水钻孔 +1292m（共8孔 地表+1288.5m
副斜井
主斜井
井口标高 (+1274.729m)
0901工作面切眼底板
标高+1100m
回
风
立
最高水位+1093m
八号联络巷
井底标高+871.256m
中央轨道大巷792m
水 量： 65000 m3/h 突水通道：导水陷落柱
工作面底板标高： +1018.637m
9煤回风大巷57m
9煤回风大巷696m
9煤底板标高 +946.5m
9煤胶带大巷190m
0902工作面运输顺槽
16煤底板标
九号联络巷 9#煤轨道大巷420m
-20
0
20
40
60
80
100
测点距采掘迎头距离（m）
王凤矿1955工作面钻孔注水量随工作面采掘变化特征图
10号测点
12号测点
应力特征决定了工作面 底板破坏最大深度出现的 位置及突水危险区段
σ=kγh
σ=kγh
σ=kγh
σ=kγh
σ=kγh
σ=kγh
ξkγh
ξkγh
p
γh :自重力
k：荷载转移系数
p ξ:侧应力系数
突水水源：底板奥陶系灰岩含水层
1. 矿井水害形成条件与控制因素 水害案例二
陕煤宁条塔矿工作面顶板突水
水 量： 1100 m3/h 突水通道：釆动顶板冒裂带 突水水源：煤层顶板砂岩风化裂隙含水层
1. 矿井水害形成条件与控制因素 水害案例三
王家岭煤矿掘进巷道迎头老窑突水事故：
2010年3月28日10时 30分许,回风巷工人发现 渗水, 也知道3月24日、 25日物探结果显示20101 回风巷掘进前方异常。 但上述透水征兆都未引 起他们的重视,未采取果 断措施停工撤人,进行钻 探验证。13时12分许,透 水事故发生峰值突水量 约为42432m3/h。 38名 工人遇难。
2. 矿井水害形成的机理—顶板水害
水害形成模式之五：
弯 曲 下 沉 带
裂 隙 带
煤层回采后
冒 落 带
顶板覆岩导
水裂隙带波
及上覆砂岩
含水层突水
型：
2. 矿井水害形成的机理—顶板水害
水害形成模式之六：
顶板离层水害