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1、开采损害与保护,Mining damage and protection,第六章水体下与承压水上采煤,Chapter 6 Mining under water bodies and mining above confined water,3,4,2,地表移动和变形观测,保护煤柱的设计,5,建筑下采煤,7,铁路下采煤,地表移动和变形预计,6,水体下采煤,1,地表移动和变形规律,概述,覆岩破坏规律,1,2,第六章 水体下与承压水上采煤,水体下采煤的技术措施,3,承压水上采煤,4,第一节 概述,地下开采导致覆岩移动破坏，当破裂岩体接触到地下、地面水体时，使水进入井下淹没矿井。同时导致含水层水位下降，
2、地面河流、水库干涸。据不完全统计，我国600处国有重点煤矿中受水害严重威胁的矿井大约285对，占矿井总数的47.5%，受水威胁储量超过250亿吨。,如2005年全国煤矿共发生水害事故109起，死亡605人。其中发生一次死亡10 人以上特大水害事故13起，死亡360人，分别占全国煤矿特大事故起数、死亡人数的22.4%和20.7%。,第一节 概述,第一节 概述,2005年至2006年初发生的16起特大透水事故，属透老空水的有12起、死亡382人；属断层突水的2起、死亡26人；属溶洞突水的2起、死亡48人。矿井水害防治和近水体煤层的安全开采已成为矿区生产中急需解决的重大实际和理论问题。,第一节 概述
3、,对于复杂地质采矿条件下的覆岩破坏高度预测尚不能满足生产的需要。今后应进一步努力的方向为：建立裂隙岩体应力渗流耦合关系；研究断层对岩体破坏规律的影响；研究工作面底板破坏规律；研究高效、廉价的覆岩破坏范围探测仪器、手段和方法等。,第一节 概述,我国从二十世纪六十年代初开始开展覆岩破坏规律及水体下（上）采煤的研究，进行了大量的覆岩破坏高度现场实测，建立了适合我国实际情况的覆岩破坏高度计算理论和方法。在理论研究方面，已从经验方法向理论方法转变，开展了力学方法预测岩体破坏高度的研究；初步建立了裂隙网络渗流理论；提出了“下三带”理论和水体上、下采矿的措施。在此基础上，进行了河下、海下、含水砂层下及奥灰承
4、压水上等采煤。,第一节 概述,我国水体下采煤不仅解放了大量水下煤炭资源，还获得了丰富经验，发展了理论，形成了一套具有我国特点的理论体系。即，从分析水体类型、特征、赋存条件及上覆岩层的水文地质条件、地层结构入手，并根据地质采矿条件预计覆岩冒落带、导水裂隙带的高度、空间形态，掌握覆岩的移动破坏规律及两带与上覆水体之间的联系，从而确定煤层合理的开采上限。在确保矿井生产安全的条件下，实现资源利用的最大化和水资源的保护。,第一节 概述,一、近水体采煤的特点近水体采煤不仅可能对矿井生产的威胁，而且会对水资源的破坏。根据水体位于煤层的位置不同，将近水体矿层开采分为水体下开采和水体上开采。当煤层位于水体下方时
5、，称为水体下开采。当煤层位于承压水体上方时，称为水体上开采。,水体下（上）采煤与建筑物下采煤相比具有自身的特点：（1）水体下（上）采煤对变形量的大小关心较少，主要关心破裂岩体是否触及到水体；（2）保护对象一般来说不是水体而是矿井本身；（3）水体是一整体，只要破裂带触及到水体，就会使整个水体溃入井下，淹没矿井，因此水体必须作为整体加以保护。,第一节 概述,第一节 概述,二、水体类型矿区水体主要分为地表水和地下水体两大类。 （一）地表水(Surface water)赋存在地球水圈中，有江河湖海、水库、灌渠、山谷冲沟、稻田、洪区、沼泽、坑塘以及地面沉陷积水区等。地表水属单一型水体。,（二）地下水(U
6、nderground water)赋存在地球岩石圈中，积聚在岩石空隙中的水称为地下水。主要有第三、第四系冲积层内的砂层水、砂砾岩水及砂石层水（统称松散含水层）；基岩内的砂岩、砾岩、砂砾岩、石灰岩岩溶含水层及老采空区积水（称基岩含水层）。,第一节 概述,第一节 概述,从采矿工程角度出发，可将地下含水层按埋藏条件分为松散层内的含水层和基岩内的含水层两种。松散含水层的特点是流速小、流量小。基岩含水层的特点是含水层位于两个隔水层之间并承受静水压力，所以称为承压水。有时承压水位于开采煤层的底板岩层内，对开采构成威胁。,一般条件下，地表水特别是大型地表水储存量大，补给充分，且常常互相连通，较大的地表水体一
7、旦与矿井采空区沟通，将严重威胁井下生产及人身安全或造成淹井事故。同时开采疏漏地表及近地表水，将损害区域生态环境，加剧荒漠化程度。地下水比地表水距开采煤层更近一些，且赋存情况不易搞清，其具有随机性、突发性和不可预测性，因此常对其下方开采的安全威胁更大。,第一节 概述,第一节 概述,地表和地下水体在大多数情况下具有一定的联系，这种具有联系的水体称为复合型水体。根据地表水、松散层水和基岩水三者的联系不同，可分为：（1）地表水和松散层结合的水体；（2）松散层水和基岩水结合的水体； （3）地表水和基岩水结合的水体；（4）地表水、松散层水和基岩水结合的水体。,第二节 覆岩破坏规律,一、覆岩破坏的分带隔水层
8、位于冒落带内时，其隔水性将会完全被破坏；隔水层位于裂缝带内时，其隔水性也被破坏，破坏的程度由导水裂缝带的下部向上部逐渐减弱；隔水层位于上覆岩层的弯曲带下部时，其隔水性可能受到微小影响；隔水层位于覆岩弯曲带中部或上部时，其隔水性不受采动影响。一般将采动破坏的顶板冒落带和裂缝带合称为导水裂缝带。,Fractured zone,Caving zone,Continuous deformation zone,采矿活动对上覆水体的影响有两方面：一是上覆岩层的移动和破坏，形成了充水通道，使水体中的水渗透和溃入井下，影响矿井的安全生产；二是地表的移动、变形与破坏，使地表水体的附属建筑物受到影响，如堤坝下沉量
9、很大或断裂时，河湖中的水就要出槽漫流。水体下采煤的重点之一，是要分析开采后覆岩冒落带和导水裂缝带对水体的影响。这种影响由于地质采矿条件不同而不同。,第二节 覆岩破坏规律,第二节 覆岩破坏规律,二、影响覆岩破坏规律的因素在近水体采煤时覆岩破坏规律是指导水裂缝带的分布形态和最大高度。影响覆岩破坏规律的因素如下：1覆岩力学性质及结构的影响覆岩破坏与覆岩的力学性质密切相关。在相同的采矿条件下，覆岩强度是决定覆岩破坏的主要因素。因此，在研究覆岩力学性质对覆岩破坏高度的影响时主要研究覆岩强度对覆岩破坏高度的影响。,第二节 覆岩破坏规律,当上覆岩层为坚硬岩层，在采动影响下，易产生断裂，岩体破坏高度大。相反，
10、当上覆岩层为软弱岩层时，在采动影响下易产生变形但不容易断裂，岩体破坏高度小。因此，从岩体破坏的高度来看，上覆岩层软弱时岩体的破坏高度比上覆岩层坚硬时小，对水体下采煤有利。煤矿岩层大多为沉积岩（Sedimentary Rock），具有分层特性，各层岩体的性质不同，有时存在较大的差异。在水体下采煤时，将覆岩按普氏系数f不同分为三类：（1）坚硬型（f=48）；（2）中硬型（f=24）；（3）软弱型（f=12）。,按直接顶板和老顶岩层的组合不同，将覆岩结构特征分为四种类型：（1）坚硬坚硬型，（2）软弱软弱型，（3）软弱坚硬型，（4）坚硬软弱型。（1）坚硬坚硬型从直接顶板和老顶全部均为坚硬岩层，岩层不易
11、弯曲下沉，开采空间几乎全靠冒落岩层的碎胀来充填，冒落过程发展最充分，岩层破裂后不易密合和恢复原有的隔水能力，导水裂缝带高度最大，一般可达采厚的1828倍。碎胀系数小时可达到3035倍，甚至更大。,第二节 覆岩破坏规律,第二节 覆岩破坏规律,（2）软弱软弱型从直接顶板和老顶全部均为软弱岩层，岩层塑性大，易弯曲下沉。在冒落的发生、发展过程中，覆岩的下沉量较大，开采空间和冒落岩层本身的空间由于覆岩下沉而不断缩小，因此，冒落过程得不到充分发展，岩层破裂后易于密合和恢复隔水能力，导水裂缝带高度较小，为采厚的912倍。（3）软弱坚硬型直接顶板为软弱岩层，老顶为坚硬岩层。此种情况下，直接顶板随采随冒，但老顶
12、的下沉速度、下沉量均较小，开采空间和冒落岩层本身的空间几乎全靠冒落的碎胀岩块充填。因此，冒落过程发展比较充分，导水裂缝带一般能达到老顶的底面。,第二节 覆岩破坏规律,（4）坚硬软弱型直接顶为坚硬岩层，老顶为软弱岩层。在这种情况下，直接顶发生冒落后，老顶随即下沉，减少了开采空间和冒落岩层本身空间，因此，冒落过程得不到充分发展，裂缝带高度比较小。软弱坚硬型和坚硬软弱型覆岩，哪一种更有利于水体下采煤，要看软弱岩层所占的百分比，软弱岩层所占比例越大越有利。,第二节 覆岩破坏规律,2采煤方法和顶板管理方法的影响采矿方法和顶板管理方法对覆岩破坏的影响主要表现在开采空间大小、岩体冒落、断裂的充分程度以及垮落
13、岩体的运动形式。对于缓倾斜煤层，不论采用什么采煤方法，垮落岩体不会再次运动，覆岩破坏具有一定的规律性，对水体下采矿是有利的。对于急倾斜煤层开采，当采用的采煤方法不同时，岩体运动形式存在差异。,第二节 覆岩破坏规律,全陷法管理顶板，覆岩破坏最充分，导水裂缝带高度最大，对水体下采煤最不利。充填法管理顶板时，视充填的密实程度，充填的越密实，覆岩破坏高度越小，对水体下采煤有利。水砂充填覆岩的破坏高度小于风力充填覆岩的破坏高度。煤柱法（条带、房柱式、刀柱式）管理顶板时，覆岩破坏高度小于全陷法管理顶板，视采出率和采出空间大小的不同，岩体破裂高度可能大于充填开采，也可能小于充填开采。,第二节 覆岩破坏规律,
14、3煤层倾角的影响煤层倾角对覆岩破坏高度的影响主要表现在破坏形态上的不同。开采水平及缓倾斜煤层（=0350）时，垮落岩体不产生再次移动，就地堆积、压实，但由于工作面边界存在悬顶现象，使冒落带、导水裂缝带呈中间低两端高的马鞍形（见图6-1）。,第二节 覆岩破坏规律,开采倾斜煤层（=36540）时，由于垮落岩体在自重的作用下向采空区下边界滑动，使下边界岩体垮落不充分，上边界岩体垮落超限，从而在倾斜方向上，使冒落带、导水裂缝带的形态呈抛物线型分布。 开采急倾斜煤层（=55900）时，上边界覆岩的破坏高度更高，下边界覆岩的破坏高度更低，破坏范围有抛物线型逐渐变为椭圆形（见图6-2）。,第二节 覆岩破坏规
15、律,4开采厚度和采空区面积的影响采厚和采空区面积是决定覆岩破坏范围大小的主要因素。现场实测表明：初次开采时，冒落带、裂缝带高度与采厚近似地呈直线关系。在分层重复开采时，冒落带、裂缝带高度与累计采厚近似地呈分式函数关系。在急倾斜煤层开采条件下，采厚越大，采空区上边界发生抽冒的可能性越大，冒落、破裂范围就越大。,第二节 覆岩破坏规律,采空区面积决定了充分采动程度。从覆岩破坏的角度来说，覆岩破坏到最大高度的开采面积比地表达到充分采动的开采面积要小的多。一般来说，在中硬顶板条件下，工作面走向推进长度达到515m时，冒落带高度发展到最大。工作面走向推进长度达到2060m时，导水裂缝带高度达到最大。在分层
16、开采条件下，冒落带、导水裂缝带达到最大高度的开采面积要小一些。当冒落带、导水裂缝带高度达到最大后，就不再随采空区走向长度的增加而增大了。,第二节 覆岩破坏规律,5时间的影响时间的长短决定了覆岩破坏和重新压密的程度。导水裂缝带高度在发展到最大高度以前，随时间的增长而增大。对于中硬覆岩，一般是在工作面回采放顶后12个月内，导水裂缝带达到最大值。在发展到最大高度后，由于破裂岩体在上覆岩层重力作用下重新压实，裂缝闭合，导水裂缝带高度随时间的增长而减小。导水裂缝带降低的幅度与岩性有关，一般是：覆岩坚硬，降低的幅度小，覆岩软弱，降低的幅度大。,第二节 覆岩破坏规律,6重复采动的影响由于初次开采使岩体产生破裂，岩体的性质发生变化。重复采动时，覆岩破裂的高度与累积开采厚度不成正比例关系，而是逐次重复采动时破坏高度增长率分别为1/6、1/12、1/20、1/30、。可见，当重复开采次数达到一定后，继续开采对覆岩破坏高度的影响很小，因此，开采厚煤层时，多分几层开采比少分几层开采有利。,
