保水开采技术

陷落柱
富含水层
3.1 概况
问题2：采动岩体结构破坏与裂隙
演化及渗流突变规律
采动引起的应力场和裂隙场变化是导通陷落柱 和断层，以及形成新的导水通道的前提条件。
渗流突变是突水致灾的根源，现有的基础研究
还不能揭示渗流突变的机理。
3.1 概况
采动裂隙直接导通含水层突水实例
含水层 煤柱
上工作面 采动裂隙 下工作面
非充分采动：含水层水位下降 最大位于采空区中央 充分采动：含水层水位下降最 大位于采空区边界 大采高小采深，水直流入采空 区，形成以开采边界为边界的 扩散降落漏斗
3.3 保水开采技术的主要影响因素
开采与地下水的分布
开采后，随着地表的沉陷将改变地表水的流向；同时随着上覆岩层移动
破坏和地下水渗漏，在该区域内地下水将形成下降漏斗。地下水能否恢 复，则决定于上覆岩层中是否有软弱岩层。随着工作面的推进，经重新 压实并导致裂隙闭合而形成隔水带。随着雨水的再次补给，下降漏斗也 将随之消失。 采煤不可能不造成一定的地下水渗漏，但保水开采到底保到什么程度， 才算是保了水？一般认为，保水程度至少应考核以下两个指标：首先是 对地下水的影响不大，最起码应该不使地下水干涸而最终导致河流的大 面积断流；其次是植被的生长状态问题。地下水位埋深增大时，部分植 被不适合生长，一些植被出现病态，甚至枯萎，尤其是对乔木的影响最 大。
3.1 概况
矿井突水的水文地质结构特征及形成条件
矿井突水的含导水构造的成因及分布规律 地下水的赋存及运移规律 矿井导水断裂的地质动 矿井导水陷落柱中的水动力 学特征及规律
主要内涵是阐明矿井突水的水文地质形成条件、 地质动力学特征，建立矿井突水的基本模式。
3.1 概况
采动岩体破裂结构运动及渗流突变理论

3.2 开采对地下水分布的影响
地下水的来源与分类


按含水空隙的类型，地下水被分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。
孔隙水指赋存于松散沉积物颗粒间孔隙中的地下水——潜水、承压 水
3.2 开采对地下水分布的影响
地下水的来源与分类


裂隙水指赋存于岩体裂隙中的地下水（风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙） ——潜水、承压水
3.4 保水开采技术
防水（砂）煤（岩）柱留设

目前在松散含水层等水体下采煤，一般是根据开采
区域岩煤地质及水文地质条件、煤（岩）柱两侧的开采状 况及采矿技术条件等因素，采取留设防水（砂）煤（岩） 柱的方法进行开采。首先研究确定导水裂隙带高度，其次， 厚松散层下近风化带保水开采的GIS研究，可用于保水条
3.1 概况
煤矿开采严重破坏矿区水资 源与环境
为治理煤矿水害，我国
每年排出矿井水56亿m3 ，只利用30%，造成矿区 水源枯竭、水与生态环 境的破坏。
3.1 概况
研究现状
矿井突水的地质特征及条件：安全水头预测法、隔水 层厚度判别法、“下三带”理论(中国)等。 采动裂隙演化与渗流理论：“横三区”与“竖三带” 裂隙分布规律(中国)、非线性Darcy渗流理论、裂隙 演化与应力耦合渗流理论(中国)等。 矿井突水的中长期预报方法：突水系数法、GIS模型 法(中国)、斯列萨烈夫法等。 矿井突水的治理方法：疏水降压法、注浆堵水法等。
第一部分 绿色开采技术
1 绿色开采概况
2 绿色开采体系 3 保水开采技术 4 充填开采技术 5 煤炭地下气化、液化技术 6 煤与瓦斯协调开采技术
1
3.1 概况
煤矿安全生产形势仍然十分严峻
78 76 74 72 70 68 66 64 62 60 生产 消费


00 01 68 67 02 70.7 03 73 04 74 05 76 06 77 68.9 66.1 67.1 68 68.7 年份（从2000-2006）
广东兴宁大兴煤矿，下层煤开采时，采动裂隙扩展破坏了上层煤开 采所留设的防水煤柱，导致特大突水，死亡123人。
3.1 概况
问题3：矿井突水预测与控制的 基础理论与方法
目前没有建立针对不同突水类型的预测预报理论
模型，还不能实现临突预报。
传统采煤理论强调了矿井水的灾害性，忽视了水 的资源性，并把水作为灾害的根源加以处理， “疏干”、“排水”等矿井防治水方法造成大量 水资源浪费。
3.2 开采对地下水分布的影响
地下水的来源与分类
绝大部分的地下水来自于降水。当水分下渗达到某一深度，遇到不透水的 地层如黏土、页岩等时就贮存起来，逐渐往上充填于土壤或岩石的间隙中 形成饱和状态。
地下水面之上称不饱和带。地下水面之下的土壤或岩石孔隙充满水的成为 饱和带。由于岩浆上升，温度、压力降低，分离出的氢气和氧气直接结合 成温度高的地下水。高山冰雪融化后渗入岩石裂隙形成。
断层、陷落柱——导水或不导水
垮落带、裂隙带——导水 煤——开采前为隔水层，开采后不易风化、泥化，是导 水层或弱导水层
3.4 保水开采技术
合理选择开采区域
对不同的地质环境条件应该区别对待，并分为以下几种类型：
对于不存在含水层或煤层埋藏适中、有含水层、同时其底部有 厚度较大的隔水层的地区。 该区域煤层开采的冒裂带和导水裂隙带
3.1 概况
研究不足
针对中国煤矿开采面临特别复杂的构造地质与水文
地质条件，例如：奥陶系高承压、强富水岩溶含水 层底板，研究不深入。
采动裂隙场演化规律、采动岩体渗流突变理论、临
突预报理论等研究不足。
控制矿井突水的水资源保护性采煤理论与方法等研
究才起步。
3.1 概况
问题1 ：矿井突水的含导水构造地质特征与条件
主要内涵是发展和完善矿井突水的中长期预 报理论，建立矿井突水的临突预报理论基础。
3.1 概况来自百度文库
控制矿井突水的水资源保护性采煤 理论与方法
保水采煤学理论与方法 煤水共采的理论与方法 矿井水资源化理论与方法 主要内涵是建立缺水矿区保水采煤、大水矿区 煤水共采的基础理论，形成矿井突水控制与水资源 保护利用一体化的采煤理论与方法。
煤炭是我国的主体能源；
煤矿生产中的群死群伤事故 仍然十分严重； 百万吨死亡率是美国的近 200倍，南非的30倍，印度 的12倍。
（%）
生产 66.6 消费 66.1
煤炭在能源生产与 消费中的比例
3.1 概况
我国煤矿突水灾害事故十分严重
我国煤矿群死群伤特大事故主要 由瓦斯和突水灾害造成，遏制瓦 斯和突水事故是我国煤矿安全控 制的主攻目标。 并且，突水造成的直接经济损失 一直排各类煤矿灾害之首。过去 20年间，有250多对矿井被水淹 没，直接经济损失高达350多亿 元。
3.4 保水开采技术
保水开采的目标是在防治采场突水的同时，对水资源 进行有意识的保护，使煤炭开采对矿区水文环境的扰 动量小于区域水文环境容量。研究在开采后上覆岩层 的破断规律和地下水漏斗的形成机理，从采矿方法、 地面注浆等方面采取措施，实现矿井水资源的保护和 综合利用。 实现保水开采的主要途径有：合理选择开采区域；适 当留设防水（砂）煤（岩）柱；应用合理的开采方法

水文地质条件 主要是含水层的厚度、富水性、节理、裂隙、岩溶发育程度和 补给来源——影响保水开采难易程度
3.3 保水开采技术的主要影响因素
主要影响因素 煤矿开采阶段 煤矿开采初期，揭露的含水层相对多，各含水层处于自然饱和状态，含水 性强，随着开采面积的增大，就会逐步发生顶板冒落，勾通裂隙导水带， 煤系顶部含水层中地下水就会直接渗入矿坑，造成保水开采难度的加大。 矿井开采中期，由于一般不会大面积揭露新的含水层，随着开采时间的增 长，含水层水位不断降低，以矿井为中心的降落漏斗趋于稳定，部分含水 层由承压转为无压，矿井排水量靠入渗量补给，处于补、径、排平衡状态 。 矿井开采后期，由于含水层部分被疏干，导水裂隙带和节理裂隙逐步被 充填，地表入渗补给量逐步减少，则矿井渗水量逐步衰减。 矿井开采末期（停采），在其影响范围内，矿坑渗水变小或不排水。但 由于煤系底部有隔水层存在，采空区逐步积水成为“地下水库”。在这种 情况下，实施保水开采是必要的。
3.4 保水开采技术
水体类型
1—潜水面；2—松散含水层；3—隔水层；4—基岩含水层；5—煤层；6—大地水 准面；7—地表水；H—潜水位；；h1—潜水埋藏深度；h2—潜水层厚度
3.4 保水开采技术
煤岩层的隔水性能和采动导水性能 砂砾——含水且导水，导水性能好 节理裂隙——含水且导水
3.2 开采对地下水分布的影响
开采对地下水的影响
矿井疏排地下水的影响 ：有害的地下水导致次生污染； 改变了地下水系统的自然的物理和化学格局，对地下水 系统产生反作用（水量和地下水水质的影响）
3.2 开采对地下水分布的影响
开采引起含水层水位变化


岩层中的水位下降与覆岩破裂 密切相关
件下的安全煤柱留设设计。
3.4 保水开采技术

保水开采方法 减小导水裂隙带高度的开采方法 以底板加固为主导技术的保水开采技术

浅埋煤层长壁工作面保水开采方法
3.4 保水开采技术
浅埋煤层长壁工作面保水开采方法。工作面长度≥200m；液压支架 的工作阻力≥8000kN；工作面日推进速度≥15m；在开切眼区域附近10～ 50m范围和基本顶初次来压区域附近10～50m范围内局部充填或局部降低
采动岩体结构破坏与裂隙时空演化规律 断层构造裂隙的采动活化机理 隔水关键层形成条件及控 制机理 采动岩体的渗透性及渗流 演化规律
主要内涵是揭示采动裂隙通道的形成过程和 渗流突变机理、给出隔水关键层的形成条件。
3.1 概况
矿井突水的预测预报理论与方法
矿井突水控制因素的量化理论与方法 不同突水模式的预报模型及水量预测方法 矿井突水前兆信息特征及演化 规律 基于突水前兆因素变化的矿井 突水识别模型
3.3 保水开采技术的主要影响因素
保水开采注意的问题
保水开采与防止溃水是两个概念
西部地区主要考虑是否有隔水带以及地下水的恢复过 程 地下水是全部流失还是保存在更深的岩层内形成地下 水库
3.3 保水开采技术的主要影响因素
主要影响因素

地质构造
地质构造对地下水、地面水起着重要的控制与导水作用，局 部也起着阻溢作用，地质构造愈复杂，断裂愈多，开采煤层离断 层愈近，补给充分，则排水量就愈大。
发育不到含水层底部，不至于破坏含水层结构，可以实现保水开采。
有隔水层分布，但隔水层的厚度有限，煤层开采后，需要采取 一定的措施，才可以保护地下水不受破坏的地区。（有条件保水）

对于煤层埋藏浅、又富含水，煤层开采会造成地下水全部渗漏
地区。一旦开采，矿井突水可以通过提前疏降水工程保证，但不能保 证地下水含水结构、生态环境不受破坏，在没有彻底解决地下水渗漏 问题之前，暂缓开发。
我国大部分矿区水文地质与构造地质条件十分 复杂，65%左右的矿井受严重突水危胁。 现有研究对陷落柱和断层等导水构造的发育规 律、地下水的赋存和运移规律等认识不足。
3.1 概况
陷落柱突水实例
开滦范各庄煤矿2171 工 作面发生特大陷落柱突水,
工作面
造成全矿被淹，最大突水
量 达 2053 m3/min ， 为 目 前世界上水量最大的突水。
3.4 保水开采技术
保水开采的目标是在防治采场突水的同时，对水资源 进行有意识的保护，使煤炭开采对矿区水文环境的扰 动量小于区域水文环境容量。研究在开采后上覆岩层 的破断规律和地下水漏斗的形成机理，从采矿方法、 地面注浆等方面采取措施，实现矿井水资源的保护和 综合利用。 实现保水开采的主要途径有：合理选择开采区域；适 当留设防水（砂）煤（岩）柱；应用合理的开采方法
岩溶水又称喀斯特水，指存在于可溶岩石（如石灰岩、白云岩等）的洞隙 中的地下水。
3.2 开采对地下水分布的影响
地下水的来源与分类
根据地下埋藏条件的不同，地下水可分为包气带水、上 层滞水、潜水、自流水和承压水五大类。
3.2 开采对地下水分布的影响
开采对地下水的影响
对浅、中层地下水的影响：煤系地层的水快速向下渗透 ，形成区域性地下水位降落漏斗，浅、中层地下水逐年 被疏干,造成煤矿周围村民吃水困难； 对深层地下水的影响 ：导致对深层地下水位逐年下降， 所形成的地下水降落漏斗范围和幅度越来越大，很难在 短时间内得到恢复；