预防矿井底板突水的下三带理论及其发展与应用

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第 4 期 李白英 : 预防矿井底板突水的 “下三带”理论及其发展与应用 1 3
同 ,关键是对其中若有一定厚度的岩层 ,裂隙发育
1. 3 第 Ⅲ带 ( h3) —承压水导升带 :承压水可沿 含水层顶面以上隔水岩层中的裂隙导升 , 导升承
是否充水 ? 且其水压水量是否对煤层开采有威 胁 ? 是否可能与下部主要含水层有水力联系 ? 若
压水的充水裂隙分布的范围称为承压水导升带 。 有威胁或有联系 , 则应把它作为含水层看待 “, 下
压水可能再导升的高度 , 也称承压水导升带的厚
(2) 任何矿区是否“下三带”都存在 ? 与采动
度 。由于裂隙发育的不均匀性 , 故导高带的上界 覆岩“上三带”类似 , 并非任何矿区开采煤层底板
是参差不齐的 。少数断裂可使承压水导升很高 , 都存在“三带”, 这主要是取决于底板隔水层的总
甚至接近或穿过煤层 ,这属特殊的异常部分 ,或称 厚度及其底部是否有导水裂隙发育 。如前所述 ,
其上部边界至含水层顶面的最大法线距离称含水 三带”划分则不包括此层 。若不含水 、无威胁 , 则
层的原始导升高度 (简称承压水原始导高) 。受开 仍看作保护层中的一部分 , 但在阻水强度计算时
采矿压作用原始导高有可能再导升 , 但上升值很 可据实际情况予以考虑 。所以在保护带中没有必
小 ,所以通常所指的承压水导高也包括采动后承 要再细划层带 。
第 18 卷第 4 期
山东矿业学院学报 (自然科学版)
Vol. 18 №4
1 9 9 9 年 1 2 月 Journal of Shandong Institute of Mining and Technology (Natural Science) Dec. 1999
文章编号 :1000 - 2308 (1999) 04 - 0011 - 08
钻孔岩移观测 ,观测试验工程布置以 1237 工作面 为例 ,见图 3 。
观测与计算
底板导水破坏深度数据
的获取有四种方法 :
(1) 现场试验观测法 :主要采用底板钻孔注放
水试验法 ,其次可辅助钻孔岩移及某些物探方法
综合测试 (如声波 、电磁波法 、钻孔超声成象等) 。
试验方法获取的结果可靠 。以开滦赵各庄矿第 12 层煤开采为例 : 现场观测试验选在 1237 和 2137 两个工作面 ,其采深分别为 900 和 1000m , 第 12 层煤厚度 10m ,分五个分层开采 ,每个层采 厚 2m ,工作面斜长 180m 。主要采用钻孔注水及
3. 位于煤系地层中或煤系底
部其他岩层中的中 、弱含水体 。
允 许 采 取 安 全 措 施 后 底板采动导水破坏深度波 及水体 , 或与承压水导升带 勾通 。可 采 取 减 少 矿 压 对 底板的破坏深度, 疏水降 压 ,或底板改造等措施留设 一定的安全防水岩柱 。
一定的防水 安全 (煤) 岩 柱
矿压作用而活化 , 故破坏带在断裂带
比正常区可增大一倍左右 , 并向断裂
带靠拢 。对于承压水导升带 , 其上界 是波浪起伏或参差不齐 , 导升高度差
别较大 ,故“下三带”提出时有人对第
Ⅰ、Ⅱ两带认可 ,但认为导升带不能称 “带”。其实“下三带”只是空间分布的
范围 ,并非规则的层带 ,承压水导升带 有时规则性可能更差一些 。称其“带”
受开采矿压作用 ,岩层连续性遭受破坏 ,其导水性 因裂隙产生而明显改变 。促使导水性明显改变的 裂隙在空间分布的范围称底板导水破坏带 。自开 采煤层底面至导水裂隙分布范围最深部边界的法 线距离称“导水破坏带深度”, 可简称“底板破坏深 度”。在导水破坏带岩层中一般分布三种裂隙 : (1) 竖向张裂隙 , 分布在紧靠煤层的底板最上部 , 是底板膨胀时层向张力破坏所形成的张裂隙。 (2) 层向裂隙 , 主要沿层面以离层形式出现 , 一般 在底板浅部较发育 , 是在采煤工作面推进过程中 底板受矿压作用而压缩 —膨胀 —再压缩反向位移 沿层向薄弱结构面离层所致 。(3) 剪切裂隙 ,一般 为两组 ,以 60°左右 , 分别反向交叉分布 。这是由 采空区与煤壁 (及采空区顶板冒落再受压区) 岩层 反向受力剪切形成 (见图 1) 。这三种裂隙相互穿 插无明显分界 。当它们与含水层 (或承压水导升 带或导水断层) 勾通 ,则可发生底板突水 。底板破 坏深度的大小 ,在理论上与多种因素有关 。如 :开 采工作面尺寸 、开采方法 、煤层厚度及倾角 、开采 深度 、顶底板岩性及结构等 。但关系最密切的是 工作面尺寸 。 1. 2 第 Ⅱ带 ( h2) —保护层带 ( 完整岩层带或阻
图 3 1237 工作面观测工程布置图
图中 1～8 号为注水试验观测孔 ,9 、10 号为 岩移观测孔 。
随工作面推进 ,采前 、采后注水量及底板岩移
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预防矿井底板突水的“下三带”理论及其发展与应用 Ξ
李白英
(山东科技大学特殊开采研究所)
摘 要 :总结了二十年来“下三带”理论的发展和应用 ,对“下三带”的概念 、形成 、确定方法 、测定数据 、效 果评价等均作了系统深入的论述 。“下三带”理论经过二十余年的理论研究和生产实践已发展得日趋完善 ,该 理论在承压水上安全开采评价及防治矿井底板突水灾害中起了重要作用 。本文旨在促进对该理论的深入理 解 ,更好地推广应用 ,为矿井安全生产服务 。
Ξ 收稿日期 :1999 - 10 - 25 基金项目 :国家自然科学基金项目 (59674007) ;山东省自然科学基金项目 ( Y97 E06083) 作者简介 :李白英 (1937 - ) ,男 ,安徽阜阳人 ,教授 ,博士生导师 ,从事矿井水文地质及矿井特殊开采的教学与研 究. 泰安 271019.
异常导高 ,应另行对待 。根据隔水层底部岩性及 底部无导水裂隙 ,承压水导高为零 ,则无承压水导
地质构造 ,原始导高大小不一 ,有的矿区隔水层底 升带 。若隔水层总厚度很小 , 则采动导水破坏带
部为隔水软岩 ,无导水裂隙 ,则此时可能其导高为 与承压水导升带勾通或直接与含水层相接 , 则无
零 。还有的矿区含水层顶部有厚度不等的岩溶充 保护层带存在 。所以“下三带”的情况要根据矿区
水带) :是指底板岩层保持采前的完整状态及其原 起着保护层作用 。故可以把岩溶充填带最小下限
有阻水性能不变的部分 。此带位于第 Ⅰ、Ⅲ带之 做为实际含水层的顶界 。这样完全可按原“下三
间 。此带岩层虽然也受矿压作用 , 或许有弹性甚 带”理论的原则来划分而不致于出现混淆和人为
至塑性变形 ,但其特点是仍保持采前岩层的连续 的复杂化 。另外 ,有人把保护层带再细分若干带 。
的范围称为含水层顶部充
a —倾斜正常岩层情况 ; b —水平岩层并有断层切割情况
填带 , 并将其增加为第 Ⅳ (注 : ①正常水平岩层 h1 空间分布形态大致对称 ; ②断层带附近 h1 比正常岩层 h1 增大 0. 5～1 倍 ; 带 。作者 认 为 无 此 必 要 。 ③断层带附近承压水导升高度变化很大, h3 一般比正常岩层增大 , 甚至可切过煤层 , 为区别正 因带隔水为为部零在分此,则岩情保层况护下相层原连带始形直导成接升一与个含统水一常层的承顶压阻部水水导岩体升溶带, 共充可称同填其为承压度近水断较异层大常处导,且升由向带于。煤) 断壁层内附延近伸裂,中隙间发破育坏, 并深可度能较受小采。靠动
只是从分析研究需要出发 , 而不意味
着是严格规则的层带 ,采动覆岩的“上
三带”又何尝不是如此呢 (见图 1) 。
1. 5 “下三带”理论与开采安全性及 水体上开采的安全要求
(1)“下三带”与开采的安全性 :开 采煤层底板在任何情况下都会产生破
坏 ,即第一带导水破坏 带是一定存在的 , 而其他两带可能缺
性 , 其阻水性能未发生变化 , 而起着阻水保护作 如保护层中某一夹层因原生裂隙发育也单独划分
用 ,故称其为有效保护层带或阻水带 。为安全起 成带 , 称为“下四带”, 等等 。作者认为 :厚度较大
见 ,将其与第 Ⅰ、Ⅲ带上 、下界面之间的最小法线 的保护层带其内部岩性 、结构 、构造等可能有所不
距离称为保护层厚度 。
图 2 底板“下三带”状况与开采的安全性
其一 、二 。但其中第二带 ,即 有效保护层带对预防底板突 水至关重要 , 其存在与否及 其厚度大小 (阻水性强弱) 是 安全开采评价的重要因素 , 见图 2 。
(2) 承压水上开采等级 与允许采动程度和要求
与水体下开采类似 , 对 水体上开采等级及允许采动 等级和要求见表 1 。
关键词 :下三带 ;底板导水破坏深度 ;承压水导高 ;保护层 ;阻水带 ;底板突水 中图分类号 : TD745 + . 2 文献标识码 : A
我国是世界上矿井水文地质条件中最复杂的 国家 ,相应也是矿井突水灾害发生最频繁 、突水量 最大 ,危害最严重的国家 。我们与矿井水害已斗 争了五十年 ,虽然在防治理论与技术上已取得很 大进展 ,但岩溶承压水对矿井安全生产的威胁仍 相当严重 。“下三带”理论就是为此而提出并在安 全开采评价及指导水害防治中起了重要作用 。经 过二十余年的深入研究和生产实践 , 该理论及其 配套技术已日趋成熟和完善 , 并将收入规程指导 生产应用 。为此 ,撰写此文 ,对该理论作较系统深 入地论述 ,以便更好地掌握 ,促进推广应用 。
3. 位于煤层之下的作为重要
不 允 许 底 板 采 动 导 水 破坏深度波及水体 , 或与承 压水导升带勾通 , 并有足够 厚的有效保护层 。
足够的防水 安全 (煤) 岩 柱
部
水源或旅游资源受保护的水体 。
水 体
1. 位于煤系地层之下的弱含
水体 ,或有疏降条件的强含水体 。
Ⅱ
2. 位于煤层之下的无强水源 补给的薄层灰岩含水体 。
(1) 关于分带问题。
“下三带”理论把煤层底面
至含水层顶面之间的底板
岩层 ,按破坏导水 、保护阻
水 、导升充水 ,这样性状差
别很大 , 但又有内在关联
的三大地质层体划分为三
部分 , 未包括底板以下的
含水岩层状况 。目前有的
把上述石灰岩含水层顶部
岩溶被泥砂等沉积物充填
图 1 底板“下三带”空间分布示意图
2 确 定“下 三 带”数 据 的观测与计算方法
2. 1 底板导水破坏深度的
表 1 水体上开采等级 、允许采动程度 、留设 (煤) 岩柱要求
类型
百度文库
采 动 等 级
允许采动程度
要 求
1. 位于煤系地层之下的巨厚
底
灰岩强含水体 。
Ⅰ
2. 位于煤层之下的薄层灰岩 具有强水源补给的含水体 。
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1 2 山 东 矿 业 学 院 学 报 (自 然 科 学 版) 第 18 卷
1 “下三带”理论的概念
自 1979 年开始 ,经过七年深入开采煤层底板 内部进行综合观测 ,并结合模拟实验 、电算分析等 各项研究成果发现 :开采煤层底板岩层也与采动 覆岩类似存在着“三带”, 故称之为“下三带”以示 与覆岩中“三带”的区别 。“下三带”从煤层底面至 含水层顶面分为 : (1) 底板导水破坏带 ( h1) ; ( 2) 保护带 ( h2) ; ( 3) 承压水导升带 ( h3) 。其各带的 含义是 : 1. 1 第 Ⅰ带 ( h1) —底板导水破坏带 :煤层底板
填带 , 不含水 , 并起隔水作用 , 若其厚度分布稳定 的具体地质采矿条件加以分析 。
则可与底板隔水层合并看待 。因此有人将此现象
( 3)“下三带”的空间分布形态
比喻为“负导高”。
关于破坏带总体形态在倾向和走向剖面上均
1. 4 关于“下三带”理论若干问题的解释
大致呈倒马鞍形 , 即其分布在工作面周边破坏深