1底板突水规律与突水优势面

第一章
概
述
一、我国华北煤田受底板灰岩承压水威胁概况
我国华北煤田煤系地层多为石炭二叠纪地层，普遍缺失上奥陶统、志 留系、泥盆系及下石炭统，石炭二叠纪地层直接沉积于中奥陶统之上， 中奥陶统为巨厚的石灰岩，简称奥灰。 煤系 地层中也沉积有厚度不等的薄层灰岩。 这些灰岩往往岩溶发育，含有丰富的承压水，即喀斯特承压水。 灰岩含水层至煤层的间距一般从几米至几十米不等其间是由砂岩等岩 层组成的隔水层。 在底板灰岩承压水水压过高，而隔水层较薄其隔水能力不足或隔水层 局部遭受破坏形成突水通道时，采掘工作面一旦揭露这些区域，则很容 易发生底板突水事故。 底板突水量小只有几 m3/min，大的可达上千m3/min 1984.6.2，开滦范各庄煤矿2171工作面陷落柱奥灰突水达2053m3/min
底板隔水层裂隙发育，隔水能力最差
底板灰岩裂隙发育，富水性最强 3、岩溶陷落柱 穿层陷落柱、隐伏陷落柱 岩溶陷落柱必然处于灰岩强径流带上
§2.5 采掘活动矿山压力与底板突水的关 系
1、采掘揭露含水构造
2、开采造成采场底板破坏 3、开采引起构造活化
一、采场支撑压力ห้องสมุดไป่ตู้布
采场矿压对底板岩层的作用方式，简单地说有三种:
华北煤田煤系地层底板灰岩分布规律
煤系夹层灰岩的分布规律
我国北方石炭二叠纪煤系地层中广泛分布着灰岩 夹层，总的趋势是由西北向东南，灰岩层数和总厚度 逐渐增加： 灰岩层数由2～3层，增加到14层以上； 总厚度由5m，增加到60～70m。
中奥陶统灰岩的厚度变化规律
我国北方中奥陶统灰岩的厚度，由西而东逐渐变厚： 淮南、 豫西 200～300m。
底板突水的相关因素
1、水源 2、水压 3、隔水层 4、地质构造 5、采掘活动
• •
•
• •
在以上五种因素中，除水压是一个明确的单一因素(或参 数)外，其余四项都是由许多因素构成的复合项。 水源即岩溶含水层的赋水条件是底板突水的基本物质前提; 水压既突水的动力，又是决定突水与否和突水量大小的主 要因素; 隔水层是底板岩溶承压水突水的阻抗因素，是岩溶承压水 上煤层开采的安全屏障; 地质构造应该包括断层、褶曲和岩溶陷落柱等，地质构造 是底板突水的通道，绝大多数突水，特别是大型突水一般 都与地质构造有关， 采掘活动和矿山压力是底板突水的诱导因素。 下面分别就上述五个因素在突水中的力学作用等作具体讨 论。
(1)底板突水类型具有多种，科学地划分突水类型，依据不 同的突水机理分别建立其突水判据是必要的。 (2)底板灰岩承压水在灰岩内的贮存状况有两个特点，即非 均匀性和非连续性。非均匀性决定了在强径流带和富水区 域最易突水，非连续性决定了水压对底板隔水层的力学作 用方式。 (3)底板隔水层隔水能力的非均匀性和分布规律的研究。事
①工作面煤壁前方的超前支承压力和上下平巷两侧的固定支承压力对底板
v2 2 g pw / r h
1 2
(2) 裂隙网络小型突水 突水应满足达西渗流方程
H Q kA l
Q 渗流量 k－渗透系数 A－渗流断面积 H－水头差 l－渗流距离
5、承压水的冲刷扩径作用
6、承压水的底臌作用
§2.3 底板隔水层的阻隔水能力
一、底板隔水层阻隔水能力的影响因素
• 在井下防治水技术方面，受灰岩承压水威胁的矿区都加强了矿井水文
地质、构造地质的探测，增加了矿井排水能力。 • 肥城矿区成功地进行了对底板徐家庄灰岩的注浆改造。 • 突水点的注浆堵水技术日臻成熟。 • 帷幕注浆和疏水降压工程也在不少矿区实施并取得了成效。
第二章 底板突水的相关因素
§2.1 底板灰岩岩溶发育规律及其与 突水的关系
较小，隔水层较薄，底板突水危险性加大(如肥城矿区等)。
• ③有些矿井首先开采了水文地质条 件简单的采区，而后被迫开采水文地质条
件复杂区，这些区域灰岩喀斯特发育，地质构造密集，突水危险性较大。
• ④随着市场经济的发展，煤矿企业受经济条件制约，很难进行疏水降压、帷
幕注浆等大型防治水工程，带压开采成为受底板灰岩承压水威胁煤层开采的 主要方法。这就为底板突水研究提出了更高更迫切的要求。
• • • • •
灰岩的裂隙、岩溶发育规律及类型
水文地质单元大小
岩溶水的补给和排泄条件 是否处于强径流带 区域地质构造
煤系地层灰岩岩溶类型
空隙裂隙型 裂隙网络型 孔洞裂隙网络型 溶洞裂隙网络型
灰岩富水性评价指标
• 钻孔单位涌水量 q (L/s.m)
• 渗透系数（K）
• 孔洞或溶洞直径
• 灰岩岩溶裂隙率
晋西、京西、豫中 400m，
太行山东麓、苏北、鲁南 600m， 鲁中 700m～800m，
二、煤层底板灰岩岩溶发育规律
影响灰岩富水性的主要因素
• 灰岩的厚度：小于4m的灰岩一般没有岩溶 • 灰岩的岩性：中奥陶统灰岩可划分为三组七段
下段角砾状灰岩、泥质白云岩、泥质灰岩，岩溶不发育 上段纯灰岩、花斑状灰岩、白云质灰岩，岩溶发育
随着煤炭生产的发展，矿井底板突水危害越来越严重，主要表现在: • ①随着矿井开采水平的不断延深，开采深度越来越大，灰岩承压水水压不断
增加突水的潜在危险性也随之加 大，有些老矿井正是由于底板水害等因素的 制约，使得继续向深部开采越来越困难(如开滦赵各庄煤矿)。
• ②有些矿区上组煤开采结束后，要开采下组煤，而下组煤与底板灰岩的间隔
二、华北煤田底板突水防治途径
• 对于矿井生产来说，在受底板灰岩承压水威胁区域实行带压开采，最为关
心的有四个问题:
• • • •
①水在哪里? ②会不会突水? ③突水量会有多大? ④如何探测与治理?
• 水在哪里，是底板突水的基本问题。 • 底板水的贮存区主要有:灰岩岩溶、断层破碎带和岩溶陷落柱。 • 灰岩岩溶的发育状况是富水性强弱的关键。若能查清承压水的分布，则底
性越来越大。
• 矿井突水危害防治的根本是： 掌握突水规律， 查清水源和构造， 实施井上下防治水工程， 提高矿井抗灾排水能力。
目
录
第一章 概述 第二章 底板突水的相关因素 §2.1 底板灰岩岩溶水发育规律及其与突水的关系 §2.2 水压在底板突水中的力学作用 §2.3 底板隔水层的阻隔水能力分析 §2.4 地质构造与底板突水的关系 §2.5 采矿活动矿山压力与底板突水的关系 第三章 底板突水案例统计与突水类型划分 §3.1 底板突水案例统计 §3.2 底板突水类型划分 §3.3 底板突水量分布规律与突水量分级 §3.4 矿井底板突水量预计方法 第四章 采场底板变形破坏规律研究 §4.1 采场底板变形破坏探测原理与方法 §4.2 采场底板岩层变形破坏规律的现场观测研究
板突水防治就有了针对性，受地质勘探手段、技术和经济等制约，一般很 难彻底查清水文地质条件，这也是底板水防治的难点之所在。 • 承压水上带压开采在什么条件下突水，则是一个重要的学术问题，如何建 立底板突水的判据，是近几十年来矿井水防治研究的核心问题，也取得了 许多成果，形成了许多理论和观点。
突水条件的研究应该重视的问题
1、底板隔水层的厚度
2、底板隔水层的岩性与组合
3、底板隔水层的裂隙发育程度 5、承压水的原始导高 5、底板隔水层阻隔水能力的非均一性
承压水的原始导高
二、华北典型矿区 煤系地层结构
§2.4 地质构造与底板突水的关系
• 绝大多数底板突水与构造有关
1、断裂构造 断层的规模、年代、性质、位置 2、褶曲轴部
实上，底板突水绝大多数都是从最薄弱处突破而发生的。
突水量决定因素
突水量的大小由三个因素所决定: • 水源大小即底板灰岩富水性 • 水压值 • 突水通道的断面及长度
在生产实践中底板突水量却是很难预计的，难点主要
在于底板灰岩富水性不清楚，其次是突水通道断面的大小 在突水过程中是逐渐扩大的。 所以突水量的预计，在理论上可以导出计算公式，在 应用中关键是对底板灰岩富水性进行探测和预计。
• 地下水径流模量
（量纲：长度的立方/时间/长度的平方）
§2.2 水压在底板突水中的力学作用
1、水对岩石的软化作用
w kw 0
2、承压水对裂隙岩层的有效应力作用
Pw
f C tan C ( Pw ) tan
－应力
Pw－水压
底板灰岩岩溶发育规律及其与突水的关系
煤层底板岩层中的灰岩具有岩溶裂隙和溶洞，其中贮
存着承压水，这是矿井底板突水最基本的物质前提。它决 定了底板突水量的大小和突水过程曲线的特征。下面主要 总结矿井水文地质的有关成果和突水矿区的经验，其中引 用了岩溶学的研究成果。
一、中国碳酸盐岩分布
碳酸盐岩在中国不仅分布广，而且在许多时代都有沉积。 自太古代以来中国南北方都有较广泛的碳酸盐岩物质沉积，在元古代碳酸 盐岩进一步扩展，到了震旦纪和寒武纪，碳酸盐岩在中国已普遍展开，而奥 陶纪可以说是中国碳酸盐岩形成的鼎盛时期，沉积了一套巨厚的奥陶系各种 类型的碳酸盐岩，其中以石灰岩为主，其次为白云质灰岩及白云岩。 在中国北方由于中奥陶世后期地壳上升，奥陶纪地层遭受不同程度的侵蚀， 各地所余层位不一，上奥陶统在大部分地域都已风化剥蚀，中下奥陶统保留 较全。 中国北方石炭二叠纪煤纪地层绝大部分是直接沉积于奥陶纪灰岩之上。由 于中奥陶纪灰岩岩溶发育，水量丰富，水压高，特别是当煤层底板隔水层厚 度不大，矿区又位于岩溶水系强径流带及其附近时，中奥陶统灰岩岩溶水将 是造成矿区水害的主要因素。 中国北方石炭二叠系碳酸盐岩发育的总体特点是，层数多、厚度小、以石 灰岩为主，因厚度小，其岩溶不甚发育，灰岩的赋水性受到奥陶纪灰岩岩溶 水的控制。
－有效应力 f 抗剪强度
C 内聚力
－内摩擦角
3、承压水在断层中的水楔作用
4、水压决定了突水量的大小
(1) 岩溶大型突水 突水应满足伯努利能量方程
p1 v1 p2 v2 z1 z2 h r 2g r 2g
z1、p1、v1－灰岩中的水位标高、水压、水流速度，p1＝pw , v1 0; z2、p2、v2－突水口的水位标高、水压、水流速度,p2 0, 假定z1 z2 h－沿程水头损失
底板突水规律与突水优势面
高延法
中国矿业大学（北京）
2010年5月
前
矿井安全生产的一大隐患。
言
• 矿井底板灰岩突水，轻者影响生产，重者造成危害，是危及
• 我国华北煤田煤系地层底部普遍分布着奥陶纪厚层灰岩及石
炭纪薄层灰岩，灰岩岩溶发育，富含承压水。
• 随着开采深度的增加、下组煤的开采，灰岩承压水突水危险
§4.3 §4.4 §4.5 §4.6 第五章 §5.1 §5.2 §5.3 §5.4 §5.5 §5.6 第六章 §6.1 §6.2 §6.3 §6.4
采场底板位移反分析 采场底板应力场与渗透性的关系 采场底板变形破坏机理 采场底板破坏深度研究 突水优势面理论 工程地质优势面 突水优势面的概念与观点 底板灰岩强径流带——突水优势面Ⅰ 导水断层——突水优势面Ⅱ 采动断层——突水优势面Ⅲ 底板裂隙发育带——突水优势面Ⅳ 开采安全性评价与底板突水防治 承压水体上煤层开采安全性评价专家系统 底板突水相似材料模拟实验方法 突水预报的概率指数法与地理信息系统软件的应用 底板突水防治
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我国约有60%的煤矿与这些喀斯特承压水有关，不同程 度地受到水害威胁。据统计，全国统配煤矿受承压水威胁
的煤炭储量多达109亿吨占总保有储量的21.1%。
我国华北煤田受底板承压水水害威胁的矿区有： 河北的井陉、邢台、邯郸、峰峰、开滦； 河南的安阳、鹤壁、焦作、平顶山、新密、豫西； 山东的淄博、肥城、新汶、莱芜、枣庄、兖州； 江苏的徐州、大屯； 安徽的淮南、淮北； 山西的霍州、轩岗； 陕西渭北； 辽宁的本溪、南票； 吉林的通化等煤田；等等
• 近年来底板水探测与突水防治取得了许多进展。在防治水探测技术手
段方面不断发展和更新，国际先进探测仪器先后引进并在底板水探测 等方面推广应用，如:匈牙利的磁偶源频率探测仪，井下防爆地震仪， 德国的井下槽波地震仪，捷克的井下横波地震仪，美、法、加等国的 高分辨(率)地震仪等。 • 国内新研制试用的探测仪器有煤科总院西安分院研制的防爆数字直流 电法仪，高灵敏度井下防爆测温仪和钻孔水位遥测仪，重庆分院研制 的井下地质雷达和坑道透视仪等。