带压开采研究.docx

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带压开采研究

目录

一、项目名称、承担单位…………………………………………………………………………1

二、项目现状、研究的目的、意义及国内外技术发展概况……………1

1、项目现状…………………………………………………………………………………………1

2、研究的目的、意义……………………………………………………………………………2

3、国内外技术发展概况………………………………………………………………………3

三、项目研究的关键技术、方案、路线……………………………………………3

1、项目研究关键技术…………………………………………………………………………3

2、项目研究技术方案…………………………………………………………………………3

3、项目研究技术路线…………………………………………………………………………8

4、项目技术方案、路线的先进性、可行性分析…………………………………22

5、主要技术、经济指标‥…………………………………………………………………24

四、项目实施的措施、条件………………………………………………………………24

1、项目实施的措施……………………………………………………………………………25

2、项目实施条件………………………………………………………………………………26

五、经济效益、社会效益分析预测…………………………………………………27

六、符合国家安全、环保、资源利用、技术政策的依据……………27

七、推广应用前景或市场需求情况预测…………………………………………27

八、项目所需资金预算依据及明细…………………………………………………28

九、项目进度、主要承担单位、成员及分工安排…………………………29

一、项目名称、承担单位

1、项目名称：

带压开采技术研究

2、承担单位：

XX单位地测部、总办室

二、项目现状、研究的目的、意义及国内外技术发展概况

1、项目现状

ＸＸ矿，东至31８勘探线，北以二l煤露头及断层为界，南到河断层、庄断层及六4煤层-400水平一线。

东西长8公里，南北宽2．5公里，面积13．5平方公里。

19８０年建井，19８6年简易投产，建有一对竖井和一对斜风井，设计生产能力１００万吨／年，现实际年产量１２0万吨左右，采用中央边界式通风，单水平上、下山开拓，采掘范围位于300—310勘探线之间，二l煤层－200米水平以浅，目前己采面积约1．58平方公里。

目前采用炮采放顶煤一次采全高的方法开采-200m水平以上二1煤。

东大巷突水淹井后，经注浆堵水105天后堵水成功,于2006年6月26日正式全面恢复生产。

矿井排水系统：

上山采区涌水由采区轨道，皮带上山水沟排入大巷水沟，下山采区涌水由采区水仓排至大巷，最后经主石门水沟排入井底水仓，水仓全长660m（内水仓280m，外水仓380m），容量为3600m3，东西区均安装有水闸门。

中央泵房共有水泵9台，其中7台型号为MD500-57×7，2台型号为MD200-63×6，电机电压等级为6000V，功率440KW，为保证排水的供电安全，中央泵房采用三回路供电。

排水管路有5趟，其中管径300mm3趟，200mm1趟，150mml趟，目前矿井涌水量为270m3/h，排水能力为1800m3／h。

（2005年10月19日东大巷突水后，为今后配合采区疏降和抢险排水，急需对现有排水系统进行改扩建）。

2、研究的目的、意义

我国煤炭资源丰富,是能源组成的重要部分,然而随着浅部煤层的枯竭,开采强度的增加,矿井的深度不断延伸,来自煤层底部奥陶纪灰岩高承压水的危害日趋加剧,仅在华北地区受其危害的矿井就有230多个,造成40%左右的煤炭不能正常开采。

因此带压开采的研究多年来一直是许多矿业工作者关注的问题,但因我国地质条件复杂,开采方法各异,带压开采理论、技术还不够完善,以至于矿井突水事故时有发生,造成巨大的经济损失和人员伤亡。

当前带压开采的存在的主要问题是：

（1）查清带压开采的矿井或采区地质、水文地质条件

（2）编制突水系数图

（3）编制带压开采地质、水文地质条件说明书

（4）建立强有力的排水设施

（5）险区备灾问题

（6）隔水层薄弱带的加固

（7）留设断层防水煤柱

3、国内外技术发展概况

带压开采主要是针对底板存在较强承压充水含水层的煤层。

由于煤层与底板强岩溶承压充水含水层之间往往沉积一定厚度的隔水岩体，故对于底板存在充水含水层的煤层，无需进行疏干开采，只要使煤层底板承压充水含水层的水头压力疏降至安全开采高度，即可进行安全带压回采。

为在复杂矿井水文地质条件下进行带（水）压开采，并获得经济效益，目前有待解决的问题有：

（1）查清带压开采的矿井或采区地质、水文地质条件；

（2）编制突水系数图；（3）编制带压开采地质、水文地质条件说明书；（4）建立强有力的排水设施；（5）险区备灾问题；（6）隔水层薄弱带的加固；（7）留设断层防水煤柱。

三、项目研究的关键技术、方案、路线

1、项目研究关键技术

（1）查清带压开采的矿井或采区地质、水文地质条件；

（2）编制突水系数图；

（3）编制带压开采地质、水文地质条件说明书；

（4）建立强有力的排水设施；

（5）险区备灾问题；

（6）隔水层薄弱带的加固；

（7）留设断层防水煤柱；

2、项目研究技术方案

针对平煤股份带压开采过程中存在的主要问题，本项目以岩体力学、工程力学、采矿学、矿井通风与安全、电工与电子技术、采矿机械等为基础，深入分析煤矿现场资料，结合煤矿井下水文地质条件、实验过程中对力学性质的研究结果，以防治带压开采过程中造成巨大的经济损失和人员伤亡为主线，确定以下研究方案：

一）、查清带压开采的矿井或采区地质、水文地质条件

除应对区域水文地质条件有所认识外，对井田或采区的水文地质条件也应了解清楚，对充水含水层组的补、径、排条件和不同充水含水层组问的水力联系程度以及保护层的防隔水性能等均应予以研究，以便更好地选择合理的防治水方法和制定出具体的带（水）压开采的措施。

二）、编制突水系数图

所谓突水系数就是指煤层底板每米厚度隔水层可以承受的临界地下水水压值（MPa／m），它可以作为确定带压开采的临界安全水头的依据之一。

突水系数的应用是通过突水系数图来体现的。

一般包括两种突水系数图，一种是矿区或井田的突水系数图，比例尺常为1：

5000～l：

10000；另一种是大比例尺的采区突水系数图，比例尺一般为1：

10001：

2000，甚至更大些。

采区突水系数图的编制方法如下：

（1）以采煤底板等高线图为底图，将已知断层和开采上部煤层新发现的断层以及有用的矿井水文地质资料（如口突水点）标于图上。

（2）根据水位资料编制等水位线图。

（3）根据以上两种资料绘制底板等水压线图，等水压线是编制突水系数图的基础资料。

（4）编制有效隔水层厚度等值线图。

根据勘探、生产和补充勘探等资料，确定一些点从煤层底板至底板充水含水层之间的总隔水层厚度，并从中减去煤层开采过程诱发的矿压破坏带和底板充水含水层的原始导升厚度，即得到这些点的有效隔水层厚度；然后把各点数据相应地标在相应比例尺的井田平面图上，用内插

法绘制成图。

这张图同样是绘制突水系数图的基础图件。

（5）根据煤层底板充水含水层等水压线图和有效隔水层厚度等值线图，即可绘制出突水系数等值线图。

三）、编制带压开采地质、水文地质条件说明书

开采受水害威胁地区的煤层，在编制开拓、掘进与回采设计之前，必须编制该地区的地质、水文地质条件说明书，作为上述设计的依据。

说明书的编制，除按一般规程要求的内容外，还应注意以下几个问题：

（1）说明书的研究范围应按开采范围所在的水文地质单元或以构造为边界的地质块段来圈定，这有利于分析充水含水层的补给、径流和排泄条件以及充水含水层之间的水力联系，更便于水文地质勘探和疏水降压钻孔的设计。

（2）说明书除应具备底板等高线图、剖面图等图件外，还应编制1：

1000、1：

2000或更大比例尺的有关带压开采的专门水文地质图，如等水压线图、煤层底板隔水层等厚线图以及突水系数等值线图。

根据等值线图，按突水临界值划分采区内具体的带压开采范围和降压开采范围及降压值，并根据降压范围结合巷道布

置排水系统，设计放水降压钻孔和观测孔。

在设计放水钻孔时，要根据降压漏斗的延展规律，布置在可获得最大效益的位置，以求以最少的钻孔数、最小的排水量来获得最大的经济效益。

（3）对开采区内的所有断层进行分析。

根据断层造成局部隔水层厚度变薄的情况，核实突水系数，对造成局部不符合安全开采条件的断层，要提出具体处理意见和措施，如留设防水煤柱、断层两盘预注浆、加强断层带支护或局部疏水降压等。

根据沿断层方向的充水含水层层位错动及接触关系，分析回采时断层的受

力情况，尽可能杜绝沿断层走向掘进运料和回风道。

如必须沿断层送巷时，要采取相应措施减少矿山压力，以预防由于剪切力高度集中而引起断层面重新滑动，避免造成突水或淹井事故。

（4）要对开采区所在地质块段或水文地质单元的主要充水含水层进行水文地质条件分析。

在断层多且错动复杂的地段，要编制以充水含水层为主体的断层接触关系图，通过此图分析充水含水层的补给、排泄、水力联系等情况，确定水文地质边界和充水通道。

必要时对重要充水含水层还要进行水文地质勘探和试验，

以查明充水含水层的厚度、岩溶发育情况、含水层间在断层接触段的联通情况，还要组织放水试验，确定充水含水层的动储量、影响半径及地下水的传导和渗透性能等，预测降压放水的涌水’量、发生意外突水时的最大涌水量和稳定涌水量等。

四）、建立强有力的排水设施

排水设施主要包括水泵、排水管路、适当容量的水仓和保险电源。

位于奥陶系灰岩充水含水层富水带且又临近排泄带的矿井，其排水基地的建立更为重要。

如我国的大水矿井——焦作演马庄矿1977年南区一50m水平发生突水，突水量达100m3／min以上，矿井累计涌水量高达220m3／rain。

幸运的是由于该矿的

排水能力较大，才幸免发生淹井事故。

又如四川红岩矿，1974年曾发生突水，突水量达152m3／rain，由于排水设施得力，大大减轻了突水损失。

各大水矿井排水设施的增量可以当地或条件相似矿井的突水水量作为依据，并结合其他措施，如水闸门、各矿间排水基地的相互串通等，合理确定增量，采用直通式排水设施效果最佳。

为了实现带压开采综合治水，峰峰二矿、四矿和邯郸王凤矿已建立起排水能力为120m3／rain的排水基地，大大增强了矿井御水防

患的能力。

五）、险区备灾问题

（一）建立防水线保护排水基地

大水矿井强有力的排水基地建成后，要有良好的维护制度以保持其额定的排水能力。

排水基地与其他防水设施（如水闸门）结合使用更为有力。

大水矿井在掘进通往水患煤层的巷道时，均应建立防水闸门，在发生超过排水基地排水能力的突水时，可关闭水闸门，保住基地，防_止发生恶性水患事故。

（二）建立警报系统

开采受水患威胁煤层的矿井，特别是在大于突水临界值的采区作业时，采掘工作面要设专职水情监视员。

水情监视员应具有很强的责任心和一定的防水经验。

采掘面还应建立水情记录，设置专用的电话和警报器。

一旦发现恶性突水征兆，能及时发出信号，组织撤离。

报警制度和细则应使全体人员熟知。

（三）标明应急撤退路线

在大水矿井开采水患煤层，特别是在险区作业，应确定并及时修订井下人员遭遇水险的撤退路线。

路线应标在采矿防险撤退路线图上，沿线特别是分岔点应设有明显标记，使井下作业人员对此熟知。

六）、留设断层防水煤柱

实际资料表明，大水矿井大多数突水通道均系断层，因此在导水或易于突水的断层带留设防水煤柱是常用的防水方法，也是带压开采综合防治水方法中重要的防水措施之一。

匈牙利利用隔水系数经验公式，计算留设煤柱，收到了较好的效果，我们用自己的突水系数经验公式在突水系数临界值之内留设煤柱，通过实际验证也是可行的。

七）、隔水层薄弱带的加固

由于沉积变薄或构造破坏都会降低隔水层的防隔水作用，以致成为发生突水的条件，因此隔水层的薄弱带需要加固。

峰峰、焦作、龙山等矿进行的巷道穿过隔水层薄弱带的加固实践，收到了良好的效果。

3、项目研究技术路线

二1煤开采的水文地质条件分析：

（一）突水情况及水量变化原因分析

从单点出水看，出水点的水量变化有以下特征，

（1）开采初期-200m水平以浅含水层水位较高，水压较高，弹性释放强度大，因此出水点涌水量大，如1972年l号点太原群上组L7～8灰岩，突水量最大达350m3／h，23天后减小到25m3／h，现在干枯。

1975年2号点L7-8灰岩突水，最大164m3／h，后减小到淋水状态。

4号点最初60m3／h，后期衰减至2m3／h，水量水压皆明显降低。

（2）因浅部长期开采疏排，目前-240m以上顶板砂岩水基本处于疏干状态，2002年7月出现的14021风巷顶板砂岩出水点仅表现为淋水，水量0．025m3／h，且近年来在开采中未见顶板砂岩涌水现象。

L7-8灰岩水的水压、水位也大幅度降低，目前L7-8灰岩突水点的水量减少至5～18m3／h。

（3）随着开采深度的加大，底板承受水压加大，造成突水机会增加，涌水量随突水发生时间的延长而增加，涌水量长期较稳定，反映为深部强含水层寒灰水的突出。

从开采水平看，位于-160m以浅涌水点有17个，其中老空水5个，井筒1个，断层引起寒武灰岩水1个，顶板砂岩水3个，L7-8灰岩水3个，Ll-4灰岩水4个。

-160m以深涌水点24个，其中老空水3个，寒武水3个，顶板水5个，L7-8灰岩11个，L1-4灰岩水2个。

由此可以看出太原组灰岩涌水点在－160m以深数量较多，就目前正常疏排而言，水压、水量与开采水平呈正相关关系，但相关程度已小于初期，这是由于主要含水层随着大量疏排，已大幅度降压或接近疏干，但由于二l煤的开采深度逐年增加，承受寒灰水压加大，采动后导通寒灰的可能性也大为增加，2004年3月9日，14061工作面回采区发生的多处出水和揭露L7灰处的重新出水，2005年10月19日的东大巷突水,都表现为寒灰水导通所发生的突水,并使太原群L7重新充水的情况。

（二）构造控水与突水点情况

从突水点平面分布情况看，其主要分布在以下几种构造带：

1．大断层影响带

具有代表性的是19９６年7月+30m回风巷在张断层影响带发生的寒武系大突水，因水量超出当时的矿井排水能力，最后造成淹井事故。

2.小断层影响带

位于东大巷水闸门里15m的出水点，此处有一落差约lm的断层，其水源为L7-8水，水量减小快，补给差。

3.垂向导水通道

如2001年10月发生的二下12041工作面大面积分散突水，虽然附近无大的断层，但因其位于几条断层之间，应力集中，形成一垂向导水通道带,导通了寒武系灰岩水，涌水量达770m3／h，导致二下山被淹。

4．地层产状褶曲变形处

如西部和东部等多个出水点，其表现为裂隙涌水，数量多，但涌水量较小，多为L7-8、顶板砂岩水，易疏干。

5．断层的转折、分枝、尖灭处

这些地段张裂隙发育，突水点较多，有些地段属构造应力集中带，张节理极为发育，在煤层开采前，具有一定的止水作用，煤层采后岩石应力释放，发生底鼓、片帮等现象，形成裂隙型导水通道，使L7-8甚至L1-4及寒武系灰岩水涌入矿井。

（三）突水水源分析

根据一矿的充水条件情况，可以确定：

与矿井充水有直接关系的含水层,主要为二l煤顶板砂岩含水层和太原群上组L7-8灰岩含水层，因长期疏排，含水层水压、水位皆大幅度降低，因此目前这些含水层（组）不会对-200m水平以上的开采形成威胁。

从与二l煤的间距看，寒武系上统及太原群下组灰岩水含水层本为本矿的间接充水含水层，因其间本溪组铝质泥岩和太原群中段砂泥岩段皆为隔水性能良好的隔水层，若无构造裂隙破坏，是可以阻隔寒武系灰岩含水层与太原群下组Ll—4含水层及与上组L7-8含水层之间的水力联系的，在无落差较大断层的情况下，不会对二1煤层的开采造成直接影响。

但由于本井田内断层发育，使得寒灰水与L7-8和L1-4灰水之间由于含水层对接造成阶梯状导水而产生了水力联系，造成多层含水层相互连通，导致矿井涌水量大幅度增加，有时由于构造破坏造成垂向直接导水通道，成为矿井灾难性水患的主要因素，甚至成为矿井突水的直接充水含水层,如+30m西总回风巷推进,在接近桐树张断层影响带时的突水和-200m东大巷的突水。

断层带的直接导通与垂向导水通道的存在,使寒武系灰岩含水层水，直接涌入巷道，前者最大水量2375m3／h稳定水量1446m3／h;后者最大水量38056m3／h，稳定水量5000～7000m3／h。

需要指出的是，因本矿内石炭系本溪组铝土泥岩厚度的不均一性，在较薄的地段，L1-4灰含水层可能直接接受寒灰水的越流补给，这使多个L1-4突水点水与寒灰水难于区分。

特别是延深-200m水平后,增水量550m3／h，表明该次突水与寒水的导通有关。

预计-200m水平以下的二1煤开采时，寒灰水的水害因素将大为增加。

分析历年来一矿涌水量资料，矿井涌水量在雨季后期水量有所增大，即大气降水与矿井涌水量增加呈正相关关系，峰值滞后丰水期约2个月，这说明矿区内含水层接受降雨补给的距离较远，由地面下渗较慢。

（四）补给水源及含水层间的水力联系

煤田西北部为低山丘陵区东南地势平坦为冲积平原区，含水层多出露在西部及北部,均接受大气降水直接补给，如西部及北部寒灰均有大面积出露接受大气降水大面积直接渗入补给，由于地势较高寒灰水位在补给区可在+140～+160m左右，向东及东南经过岩层的断层破碎带迳流，这种迳流运移至东部后，再顶托补给其它太灰含水层及排泄入冲积层中，故寒灰含水层及太灰含水层的水位在平原区常会高出地面，其水压传递均来自西北部，如西部云盖山地区寒灰水位均在+140～+168m左右，东部平禹一矿的平3孔的孔内寒灰水位就高出地面约7米之多，其水位标高在+140米左右。

其自流喷出量达6Om3／h左右。

在煤系地层太灰含水层段，太灰下组灰岩Ll-4由于距寒灰很近，在穿入寒灰的10个钻孔中有五个孔的中间隔水层---铝土泥岩厚度均在6.80m以下，其中最小为2.63m、最大为18.24m，只要隐伏有落差大于3～15m断层,就有可能使L1灰岩与寒灰对接，断层落差大于30m时，不仅L1-4与寒灰对接导水，上组灰岩含水层也会与Ll-4层对接,造成阶梯式串水。

还有,虽断层落差不大于30m，但二l煤开采时将破坏L7-9与二1煤之间的隔水层，从而被迫疏降L7-9层灰岩水，使L7-9灰岩水位下降,从而造成L1-4灰水压与L6-9层之间产生较大的差值,使LI-4灰岩含水层水突破己被小构造断裂破坏和缩小的隔水保护带,与L7-9层导通,并突入二l煤采空区。

同样原因，Ll-4层导通后，被受到间接疏放而水位下降，造成与寒灰的水压差，使寒灰的高压水突破残余隔水段补给Ll-4层，从而寒灰便由矿井突水的间接补给水源，一跃而充当了间接充水含水层。

一矿矿井涌水量常年维持在一个较高的水平上，且在丰水期后的一段时间内涌水量亦有不同程度的增加（约增加50m3／h），也证明由于寒灰水导通补给矿井，涌水量随寒灰水受到降水补给水位升高而升高的特点。

寒灰水和上部太灰段水从理论上看,不会发生水力联系，或者只能发生微弱水力联系。

但事实上因本矿属构造复杂型矿井，不但本井田的西、北、西南均以断层为边界，且井田内部也有上百条落差不同的正断层，其中南西段边界肖庄正断层、西部边界小王庄、桐树张正断层，东部边界魏庄断裂等皆属导水边界，有些断层，如东部的魏庄断层等，多条断层相互作用，特别是在魏庄转折部位一带，是应力集中裂隙极发育的场所，具有极强的富水导水性，寒灰水可以通过边界断层对上部太灰水进行补给，也可以垂直方向由构造裂隙直接导通，发生突水。

在井田西北沿李楼正断层和贺庄正断层一带，形成了寒武系灰岩的两个富水带，它们通过桐树张正断层和石王正断层相互导通，并通过断层与太原组灰岩含水层发生水力联系，使本区的太原组灰岩水在北、北东向形成较广阔的补给来源，因此，当矿井+30m西总回风巷突水时，粤庄水井（太原组下段灰岩水）和北东8公里外的唐寨水井（寒武水）都相继干枯，这充分地说明了它们之间具有明显的水力联系。

矿区内断层破碎带在煤层采动前，原始平衡没受破坏，含水性，导水性不佳，但一旦煤层采动，节理及某些构造裂隙形成较宽较长的导水裂缝，往往使下部寒武系灰岩水与Ll—4灰水与上部L7-8灰水相导通，发生水力联系，在采动破坏后形成滞后型的突水。

（五）矿床充水特征与矿床充水类型

1、根据井田内现有的17个钻孔的统计,二1煤距C3上组L7-9层灰岩含水层的距离最大为24.74m，最小为6.53m，其中有13个孔均小于12.68m。

根据兄第局矿的经验10m左右的隔水层，买际上很难起到有效隔水的作用，故二l煤开采时冲击地压可以破坏10m左右的隔水层，从而沟通L7-9灰，造成采空区底板涌水。

但由于L7-9灰岩，富水性较差，从已有勘探资料3008、CK9孔的抽水试验，q=O．00847～0.0159l/s.m，故二1煤开采时虽易出水，但水量有限，经长期疏放可以疏干。

如1990年3091孔所测L7-9含水层水位己降至-136.0m左右，比1965-1970年3008、CK9所测水位+141．78～148．92m，下降了277.78～284.92m；又如2002年4～5月12041工作面突水后注浆孔注3测得水位深度为184.45m，标高为-20m左右，说明太灰沟通寒灰后，得到了补充，使水位由-136m上升到-20m上升了110m左右。

由此可见，L7-9灰在不发育垂向导水通道与寒灰相沟通地段,是不难疏干的，是可以疏降的。

。

2、据现有资料，一矿L1-6平均厚40余米，其中L4含水层为最厚，距二1煤有时达55-60m。

正常情况下，该距离可抗水压110～330m的水头，故二1煤开采时，一般不易突破此50～60m隔水层,不易发生L1-6灰的突水灾害。

1970年CK2孔勘探抽水资料q=0．777l／s、m，水位+140．23m，该含水层虽有一定导水能力及富水性，但至1990年3035孔水位为-65．38m，下降了205．61m，由此可见该C3下组灰岩含水层虽有一定水量，如无强含水层补给，长期疏放也可以疏降，对开采不会造成大害，亦属富水性较弱的裂隙—岩溶承压含水层组。

由于二1煤的开采一般冲击地压不会破坏底板隔水层达30m以上，故该含水层对二1煤的开采也不足为患，故也可以认为二1煤受其水害威胁程度并不大。

3、但二1煤在实际掘、采过程中还有第三种情况，如19９６年7月于+30西总回巷开拓过程中发生大量突水，最大水量2375m3／h，8天后稳定为1446m3／h；2001年10月12日11时30分，12041采面发生突水，突水量770m3／h，后略有减少，二水平（-200）稳定水量为750m3／h，比原有-200m水平稳定水量105～200m3／h，净增加550m3／h；2005年10月19日18时-200m水平东大巷扩修砌碹段向外（向西）20m段发生的底鼓突水，水量高达38065m3／h造成淹井，淹井后桐树张村寒灰水井水位16小时后下降48m，24小时下降119m，巷道所在层位,位于L7-9与L6之间，突水事实本身表明,寒灰水己通过台阶式导水上升通道突至L6含水层，或通过垂向导水通道上升，而发生直接突水。

此次突水在打钻堵水过程中,曾有不少人怀疑是否存在导水陷落柱，但在注1～注6等6个孔中，除了下部可能有一条隐伏断层外，均末发现陷落柱。

从以上多次较大的突水情况看，矿井在二1煤层开采时，造成寒灰突水，是由于断裂构造导通该含水层所致；或者是二1煤开采矿压造成底板隔水层的破坏，沟通太原群上组灰岩，上组灰岩又由于导水构造与下组灰岩或寒灰形成阶梯状导通，而导致寒灰