承压水弱面突破与控水采煤

第1章 概述 1.1 承压水体上采煤的基本概念 1.底板承压水 赋存和运动于煤层底板岩溶地层空间中具有承压性质的水体叫作煤层底板岩溶承压水。它是以岩溶、裂隙和裂隙-岩溶三种方式存在的承压状态水体，其特点是具有垂直分带性和水平不均一性。我国北方地区常见的有奥陶纪灰岩和石炭二叠纪薄层灰岩，南方地区则沉积长兴灰岩、茅口灰岩等。 2.承压水体上采煤 对分布于承压含水体(层)之上且开采水平在带压水位线以下煤层的开采称为承压水体上采煤。 3.承压水体顶界面 地下承压含水体(层)的顶部界面。 4.煤层底板涌(突)水 煤层底板的承压水在水压、矿压等因素的作用下，克服煤层和岩溶含水层之间相对隔水层的岩体强度及节理、断层等结构面的阻力，通过在底板岩体内形成的破坏弱面构成的导水通道，以缓发、滞发或突发的方式涌入巷道或采场的现象称为底板涌(突)水。 5.下三带 承压水体上采煤时，在水压和矿压的联合作用下，煤层底板自上而下依次形成采动导水破坏带、阻水带(完整岩层带)和承压水原始导升带，即“下三带”。 6.底板采动导水破坏带 煤层底板岩层受采动影响而产生的采动导水裂隙的范围称为底板采动导水破坏带，其深度为自煤层底板至采动破坏*深处法线的距离。 7.承压水原始导升带 煤层底板承压含水层的水在水压力作用下上升到其上覆岩层中的范围称为承压水原始导升带。 8.阻水带 煤层底板采动导水破坏带以下、底板含水体或原始导升带顶界面以上具有阻水能力的完整岩层的范围称为阻水带。 9.承压水二次导升带 煤层底板承压含水层的水在水压力和矿压的联合作用下发生二次导升，使承压水体进一步上升到其上覆岩层中的范围称为承压水二次导升带。 10.煤层底板的相对隔水层 煤层与承压含水层顶界面之间的地层称为煤层底板的相对隔水层。它不同于传统的隔水层，其组成的地层可以是泥岩等塑性岩地层，也可以是砂岩等脆性岩地层，塑性岩和脆性岩互相组合形成了既具有隔水能力又具有抗压能力的地层组，它是承压水体上采煤的隔水-抗压关键层。 11.底板有效隔水层 煤层底板相对隔水层的总厚度与采动导水破坏带深度和承压水导升高度的差值称为有效隔水层厚度，其厚度等同于底板完整岩层带厚度。 12.有效隔水层等效厚度 隔水层由不同岩性的岩层组成，其隔水-阻水性能不同，采用等值系数将各种岩性地层的阻水能力标准化，有效隔水层中各岩层标准化后的厚度称为有效隔水层等效厚度。 13.等值系数 等值系数值见表1-1，可用下列公式计算： (1-1) 式中，为选择标准单位厚度(如泥岩)的隔水-阻水作用值；为与相比质量不同而单位厚度相同岩层的隔水-阻水作用值；为值相对于值的等值系数。 表1-1等值系数表 14.岩溶含水层顶部充填带 岩溶石灰岩含水层顶部的孔隙、裂隙、溶隙等被上覆地层的泥砂等沉积物充填了的岩层区段称为岩溶含水层顶部充填带。灰岩含水层顶界面的风化壳常被充填从而形成风化充填带。 15.突水系数 突水系数是水压值与隔水层厚度的比值，即 (1-2) 式中，T为突水系数，MPa/m；P为水压力值，MPa；M为隔水层厚度，m。 我国部分矿区的突水系数经验值见表1-2。 表1-2部分矿区的突水系数经验值 16.带压开采 带压开采是指煤层底板岩溶含水层中承压水头的高度高于回采工作面标高条件下的开采。 17.疏水降压采煤 通过疏放承压含水层的静、动储量，降低承压水的水头值，以达到减小煤层底板隔水岩体所承受的水压的目的，该方法称为疏水降压采煤。 18.疏干开采 对封闭型水文单元或当含水层富水性较弱时，在可疏性良好的条件下，对工作面底板岩溶含水层的承压水疏干后再回采的方法称为疏干开采。 19.岩溶动态承压水面 煤层底板岩溶水面在工作面前方的超前压力压缩段内潜入隔水层一定高度，形成采动过程中的岩溶动态承压水面。 20.安全水头值 隔水层能承受含水层的*大水头压力值称为安全水头值。 21.阻水系数 阻水系数法是由现场钻孔水力压裂法实测的单位底板隔水岩层的平均阻水能力，其表达式为 (1-3) 式中，Z为阻水系数，MPa/m；R为裂缝扩展半径，一般可取40～50m；Pb为岩体破裂压力，与地应力和岩体抗张强度有关，MPa。 22.底板防水安全煤岩柱 为防止底板岩溶承压水进入掘采工作面的底板岩层称为底板防水安全煤岩柱。 23.脆弱性指数 脆弱性指数是指矿区内某一具体区块的各种影响因素对底板涌(突)水危险性产生的影响总和。它可用VI(vulnerability index)模型表示： (1-4) 式中，VI为脆弱性指数；为底板突水主控因素的影响权重；为单因素影响值函数；为地理坐标；为影响因素总数。 24.承压水弱面突破 岩溶承压水在水压和矿压的联合作用下，通过薄隔水层区、构造裂隙等弱面突入掘采工作面的现象称为承压水弱面突破。 25.底板控水采煤 通过采取优化采区接续设计和工作面参数等，选择底板采动影响小的采煤方法，实施矿压控制等综合技术措施，达到承压水上开采工作面不突水或少涌水的采煤技术体系称为煤层底板控水采煤。 26.隔水层加固 通过注浆的方式对底板相对隔水层的孔隙、裂隙等进行加固的方法称为隔水层加固。 27.含水层改造 通过注浆的方式对岩溶承压水含水层的孔隙、裂隙、溶隙等进行改造的方法称为含水层改造。可以对含水层的整体或一部分进行注浆改造，变含水层为相对隔水层。 28.承压水体上控压增厚采煤 通过实施水力压裂等卸压工程，控制矿压的集中显现，削弱矿压自顶板向底板的传导力度，同时通过注浆方法加固隔水层、改造含水层以增加底板隔水层的厚度，*终实现承压水上安全开采的技术称为控压增厚采煤技术。 29.水害区域治理 采用定向钻进技术在承压含水层内施加水平长钻孔，通过注浆的方式阻断承压水导水通道或改造含水层，从而实现较大面积矿区的底板水害的整体治理称为水害区域治理。依据施工场所和装备的不同，可分为地面和井下区域治理两类。 30.水平定向钻进 利用钻孔自然弯曲规律或采用专用工具使近水平钻孔的轨迹按设计要求延伸钻进至预定目标的一种钻探方法称为水平定向钻进(horizontal directional drilling，HDD)。 31.随钻测量 钻具姿态随钻测量是指钻进过程中测量钻具的倾角、方位和工具面三个与钻具姿态相关的参数。 32.随钻测井 地层评价随钻测井是通过各种装置测量地层的电阻率、自然伽马、中子孔隙度、体积密度等地质参数，实时获得地层岩性及所含流体的状况，以用于勘探、开采等目的。 1.2 承压水上采煤研究的意义 我国原煤产量位居世界**，煤炭占我国一次能源消费的59%左右，因此煤炭的安全生产对国民经济的健康有序发展极其重要。但是，我国煤矿水文地质条件整体上十分复杂，且95%的煤矿属井工开采，开采历史悠久，水害类型多样，诸多因素给水害防治工作增加了较大的难度。*近二十年，煤炭工业发展迅猛，特别是综采、综放开采方法的普及，使煤炭资源获得了大规模、高强度、大采深的开发，这无疑加剧了煤矿底板水害问题的复杂性。 我国灰岩岩溶(karst)的分布很广，面积大约为200万km2，约占全国陆地总面积的20%，有60%的煤矿受到不同程度的底板岩溶承压水的威胁，底板水害的分布面积和严重程度均居世界主要采煤国之首。 华北型煤田主采石炭二叠纪煤层，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，中奥陶统巨厚灰岩简称“奥灰”。华北型煤田东起徐州、淄博，西至陕西渭北，北起辽宁南部、山西大同、内蒙古准格尔，南至淮南、平顶山一带，有数十个煤田受到灰岩岩溶水的影响。华北型底板水害矿区自南至北主要有安徽的淮南、淮北，江苏的徐州、大屯，山东的淄博、肥城、新汶、莱芜、枣庄、兖州，河南的平顶山、永城、新密、豫西、焦作、鹤壁、安阳，陕西的渭北，山西霍州、轩岗、西山、朔州、大同，河北的井陉、邯郸、峰峰、邢台、开滦、蔚县，内蒙古的准格尔、乌海，辽宁的本溪、南票，吉林的通化等，灰岩岩溶水资源丰富，含水性强，补给条件充沛。经过近几十年的开采，不少矿区的浅部煤炭资源已经开采完毕，逐渐进入下组煤和深部开采，有些矿井的水压值已达10MPa以上，部分矿井虽然水压小，但煤层与承压含水层之间的隔水层仅有10～20m，因此超薄隔水底板上采煤的情况不断涌现，突水危险性不断增大。 我国南方的一些主要矿区，如涟邵、南桐、天府、中梁山、合山、韶关、东昌、萍乡、丰城等地，在主要开采煤层的底板下面有110～220m厚的含水丰富的茅口灰岩，这对煤矿开采构成了严重威胁。 开采实践表明，岩溶承压水率先从底板“弱面”开始突破，从而形成每分钟几方至上千方的涌水。这些“弱面”既可以是超薄的相对隔水层区段，也可以是断层、陷落柱等地质构造区段。据统计，由断层等地质构造引起的开采工作面或掘进巷道中的突水占突水总数的80%以上，且滞后型突水多于突发型突水，工作面回采突水多于掘进巷道突水。例如，1984年6月2日，开滦范各庄煤矿2171