小浪底水库下采煤防治水 技术研究介绍 完成单位:河南大有能源股份有限公司新安煤矿 中国矿业大学 2011年05月

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1 小浪底水库下采煤防治水 技术研究介绍 完成单位:河南大有能源股份有限公司新安煤矿 中国矿业大学 2011年05月
欢迎各位专家 2011年05月 大有能源股份有限公司新安煤矿

2 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 　　小浪底水库蓄水后，水位高程达+275m，新安井田40%的面积将位于库盆之下。针对新安煤矿面临的巨大水患威胁必须通过深入研究矿区采动导水裂隙的发育规律，以确定合理的开采上限。要实现小浪底水库下的安全开采，必须避免煤层顶板导水裂隙带波及上覆含水层或水体。 研究总体目标 大有能源股份有限公司新安煤矿

3 问题的提出 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍
随着我国煤矿开采条件的逐步复杂化，出现了一些难度较大的特殊防治水问题。通过分析，今后煤炭资源的开采存在着这样一个趋势：无水体和建筑物影响的煤炭资源愈趋匾乏，开采水体下(包括含水层下)、建筑物下的煤炭资源势在必行。 关键词: 水体下采煤 　　　水体下采煤是指在地表或煤层上覆岩层中存在水体条件下实现安全采煤的技术。 导水裂隙带　　　 　　 覆岩破坏中冒落带与裂隙带。　 在处理水体下采煤问题时，主要考虑开采动形成的裂隙是否互相连通以及互相连通的裂隙是否波及到水体，这对于研究覆岩结构中采动形成的导水裂隙带发育规律就显得至关重要。 大有能源股份有限公司新安煤矿

4 本研究的创新点 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍
本研究在总结前人对水体下采煤研究工作的基础上，针对小浪底水库下采煤的实际问题,将在以下四个方面有所突破： （1）第一有效隔水层研究 研究小浪底水库水入渗下界面关键问题 （2）顶板覆岩破坏综合观测方法 研究煤层采动后顶板导水裂隙带发育高度关键问题 （3）顶板导水裂隙闭合机理 研究隔水层阻水能力等关键问题 （4）大型水库下安全开采技术 研究水头压力大、隔水条件差下实现安全开采关键问题 大有能源股份有限公司新安煤矿

5 研究意义 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 开展本项目的研究，具有以下三方面的重要意义：
（1）实现小浪底水库下的安全开采将满足新安矿的实际需要； 解放水库下8000万t煤炭资源、增加矿井服务年限…… （2）填补了国内外大型水体下采煤的空白； 水头压力约3MPa、存在基岩裸露区、补给水源丰富…… （3）研究成果对顶板防治水具有重要意义 覆岩破坏观测、第一有效隔水层、裂隙闭合…… 大有能源股份有限公司新安煤矿

6 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 小浪底水库下采煤开采条件 小浪底水库蓄水后新安矿开采示意图 大有能源股份有限公司新安煤矿

7 淹没区构造复杂性预测 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 导水通道： 新安矿区天然导水通道主要为导水构造。 评价方法：分形理论
天然：岩溶陷落柱、岩溶塌陷、天窗、构造断裂带等；人为：煤层采动形成的导水裂隙带、封闭不良钻孔、小窑井巷等。 新安矿区天然导水通道主要为导水构造。 因此，对于小浪底水库淹没区，不具备通过地面勘探手段来查明构造发育程度的条件，因而通过矿区目前揭露的构造情况来预测和评价未知区域，尤其是小浪底水库淹没区的断裂构造的发育情况，就显得非常重要。 评价方法：分形理论 矿区构造发育程度分区阀值： Ds<0.54 简单区； 0.54≤Ds<0.7相对复杂区； 0.7≤Ds 极复杂区。 大有能源股份有限公司新安煤矿

8 I—冒落带，II—裂隙带，III—弯曲带
小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 覆岩破坏规律分析 导水裂隙带 I—冒落带，II—裂隙带，III—弯曲带 冒落带破坏特征： 无规则堆积孔隙大且多； 连通性强，导水，导砂； 一般为采高的2~6倍； 裂隙带破坏特征： 中下部：开裂性破坏，连通性好，地下水流线杂乱无章；向上逐渐减弱；只导水不导砂；为采高的15~22倍； 大有能源股份有限公司新安煤矿

9 数值模拟成果 结论: 破坏区:增高→最高点→回降→稳定的发育规律。 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 工作面 煤厚 (m) 导水裂隙带高度
导高发育到最大所需时间 (d) 14191 5.0 70.48 59 11201 71.39 41 14141 4.0 62.84 43 结论: 破坏区:增高→最高点→回降→稳定的发育规律。 应 力:前后方煤壁处集中，前方大于后方。 大有能源股份有限公司新安煤矿

10 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 模型开采：原始条件 新安煤矿14141工作面 工程地质力学模型 开采196 米 最大值：63.36m 结论:在采厚一定的情况下,导水裂隙带的发育高度随着推进距离的增加而增大，但工作面推进到一定距离后，导水裂隙带不再向上发展，并稳定在一定范围内。 大有能源股份有限公司新安煤矿

11 模型开采：原始条件 结论:软硬互层结构明显且具有更高泥岩比例的覆岩地质结构不利于导水裂隙带的发育。 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍
工作面推进 （m） 11201工作面 14141工作面 冒采比 裂采比 20 0.00 1.87 1.55 40 1.09 2.84 4.58 60 2.61 7.50 5.46 9.57 80 2.88 8.15 4.93 10.78 100 3.90 9.37 4.65 15.49 120 3.82 10.50 4.71 14.87 140 3.66 13.80 4.59 14.4 160 3.76 12.78 4.45 14.59 180 4.75 12.26 4.40 14.76 200 4.13 12.17 4.39 14.98 11201工作面: 覆岩结构呈软硬岩互层、且层厚较薄交替明显的特征。 泥岩比: 11201:55.8% 14141:33.7% 结论:软硬互层结构明显且具有更高泥岩比例的覆岩地质结构不利于导水裂隙带的发育。 大有能源股份有限公司新安煤矿

12 模型开采：分层开采 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 导水裂隙带的发育高度达到104.63m;
新安煤矿14141工作面 工程地质力学模型 二分层开采 导水裂隙带的发育高度达到104.63m; 裂采比为13.08，明显小于采高为4m时的15.84; 结论:导水裂隙带发育高度一般随着采厚增大，破坏高度也相应增加，但随着煤层采厚的增加，导水裂隙带发育高度的增大趋势有所减缓。 大有能源股份有限公司新安煤矿

13 模型开采：一次采全高 结论:增大特厚煤层初次开采厚度或全层一次开采会引起导水裂隙带高度的明显增大。 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍
导水裂隙带的发育高度达到113.73m; 裂采比为12.64，小于分层开采的13.08; 结论:增大特厚煤层初次开采厚度或全层一次开采会引起导水裂隙带高度的明显增大。 大有能源股份有限公司新安煤矿

14 模型开采：断层影响模拟 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 “马鞍型”分布的覆岩破坏范围在接近断层带时沿破碎带明显隆起;
无断层:冒落带23.77m 导水裂隙带68.98m 存在断层:冒落带25.96m 导水裂隙带75.22m 同时,在采动过程中,断层的上下盘运动整体分异明显,当在上下盘各留设不小于20m煤柱时，上述运动现象微弱. 大有能源股份有限公司新安煤矿

15 工程地质力学模型模拟成果 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 工程地质力学模型模拟成果 大有能源股份有限公司新安煤矿 模拟工作面 模拟条件
煤厚 (m) 冒高 裂高 冒采比 裂采比 11201 原始条件 5 23.77 68.98 4.75 13.80 分层全采 9 41.23 117.35 4.58 13.04 模拟断层 25.96 75.22 5.19 15.04 14141 4 21.82 63.36 5.46 15.84 8 31.80 104.63 3.98 13.08 14191 20.93 69.87 4.19 13.97 31.38 106.72 3.49 11.86 一次采全高 30.59 113.73 3.40 12.64 工程地质力学模型模拟成果 大有能源股份有限公司新安煤矿

16 现场实测 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 现场实测是确定导水裂隙带的主要途径和依据； 现场实测主要方法有：
钻孔冲洗液法、钻孔电视法、瞬变电磁法、高密度电阻率法、超声波穿透法、声波CT层析成像技术、井下仰孔注水测漏法……… 本文在总结前人观测方法的基础上首次尝试采用： 钻探与物探手段相结合、多种物探手段相结合以及井上下观测相结合的新安矿区导水裂隙带发育规律的综合观测和测试手段。 地面钻孔的超声波成像技术测井 井下仰孔并行网络电法CT技术探测 钻探观测主要是通过冲洗液漏失量观测 大有能源股份有限公司新安煤矿

17 地面钻孔超声波成像技术测井 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍
　 通过煤层采前原岩裂隙测试与采动裂隙测试（工作面推过大约1个半月左右）对比直观的反映采动裂隙的发育规律。 有助于解决在原岩裂隙较发育的覆岩中准确测定导水裂缝带高度这一难题 y1 K3 y2 大有能源股份有限公司新安煤矿

18 采动裂隙闭合规律研究 采动岩体裂隙闭合规律 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍
研究表明，当采动裂隙波及到上覆岩层结构中含水层时，水流在裂隙的运移过程中势必引起岩体尤其是塑性岩体的遇水膨胀，充填裂隙，使得裂隙闭合。 岩石的膨胀性对裂隙闭合具有重要的影响，而岩石的膨胀性则与矿物成分等因素有关。 采动岩体裂隙闭合规律 　采动岩体裂隙闭合与岩石的矿物成分和膨胀率等因素有关。 　采动裂隙形成后，部分裂隙穿透上覆有效隔水层，裂隙扩散波及到上覆水体，使水流沿裂隙运移，在水流运移过程中，遇到具有膨胀性的岩体，使其遇水膨胀充填裂隙造成裂隙闭合，使导水裂隙通道的透水能力降低，可有效的阻止上覆水体溃入工作面。 　岩石矿物成分分析 　岩石膨胀性试验研究 　现场实测研究 大有能源股份有限公司新安煤矿

19 导水裂隙带发育规律综合分析 综合对比：形态对比 总体上四者的发育形态基本一致。 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍
新安煤矿14141工作面 工程地质力学模型 开采 196 米 冒落带 裂隙带、离层带 导水裂隙带 冒落带 总体上四者的发育形态基本一致。 大有能源股份有限公司新安煤矿

20 拟合结果分析 结论：各种研究方法得出的导水裂隙带形态分布、动态发育过程以及其发育高度相互得到了验证，提高了结果的正确性和可靠性。
小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 拟合结果分析 结论：各种研究方法得出的导水裂隙带形态分布、动态发育过程以及其发育高度相互得到了验证，提高了结果的正确性和可靠性。 规程提供的导高计算公式并不是十分适用于新安矿区的，而拟合公式则能够较好的反应出矿区导水裂隙带的发育情况。 大有能源股份有限公司新安煤矿

21 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 导水裂隙带发育高度预测 大有能源股份有限公司新安煤矿

22 顶板有效隔水层承载能力评价 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 大有能源股份有限公司新安煤矿
根据前面岩石力学试验，已经获得了顶板岩层的各项物理力学指标，同时根据伺伏渗透试验，也初步明确了岩石变形渗透的基本规律。但仍缺乏一种判别依据，来评价特定厚度荷性质的岩层阻隔高压水的能力，在此称为隔水层承载力。 考虑有效隔水层厚度的承载力分区 考虑全部岩柱的承载力分区 大有能源股份有限公司新安煤矿

23 小浪底水库下开采可行性评价 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 大有能源股份有限公司新安煤矿
综合考虑小浪底水库下导水构造发育程度、淹没区范围、主采煤层顶板覆岩的承载力、第一有效隔水层的位置及其至煤层顶板的距离等关键因素，进行如下分区： A区：危险区，必须控制煤层开采厚度，把煤层采厚控制在适当范围之内，以保证煤层采动形成的导水裂隙带不波及到第一有效隔水层； B区：缓冲区，时应适当控制煤层采厚和开采工艺； C区：安全开采区，在该区域进行开采活动时也应加强水位观测等日常水文工作，确保小浪底水库下的安全开采。 大有能源股份有限公司新安煤矿

24 开采厚度分区 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 大有能源股份有限公司新安煤矿 最大可采厚度为：12.42m
分析认为：通过采取控制开采厚度等主要因素把采动形成的导水裂隙带控制在第一有效隔水层之下，从而实现库盆下煤炭资源的安全开采技术上是可行的。 大有能源股份有限公司新安煤矿

25 矿井涌水量预计 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 大有能源股份有限公司新安煤矿 矿井涌水量与采空区累计面积关系曲线
新安矿多年矿井涌水量变化曲线 大有能源股份有限公司新安煤矿

26 安全开采矿井涌水量预计 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 “大井法”假设条件：
由于采动影响下的导水裂隙带的渗透系数无法确定，目前也无相关研究成果可以借鉴，根据对本地区条件的分析，假设新安矿区目前整个采掘范围影响到含水层而使含水层中的水涌入工作面，因此，将整个采掘影响范围假设为一“大井”。 含水层厚度的确定：粗粒和中粒砂岩层，厚度累计为40.25m。 最大降深确定：根据抽水试验，初始水位至第一个含水层底板，即为174m 渗透系数确定：根据抽水试验，渗透系数K取0.0426m/d “大井”的引用井径确定：根据受采掘影响范围，r0为2508m 根据上述计算条件，最后预计出新安矿目前条件下，矿井安全开采的矿井涌水量为583m3/h。 大有能源股份有限公司新安煤矿

27 矿井最大突水量预计 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 （1）畛河两岸过水断面 （2）北冶河过水断面 （3）井田北部边界过水断面
根据新安井田淹没区的位置，形状特征和小煤窑采空区的分布、开采煤层等，将新安井田东部水库淹没区划分为三个过水断面，过水断面流量可以用承压—无压流地下水稳定流公式进行计算： （1）畛河两岸过水断面 （2）北冶河过水断面 （3）井田北部边界过水断面 （4）受采动影响顶板砂岩突水 Q顶板= Q1+Q2+Q3+Q4=4168m3/h 大有能源股份有限公司新安煤矿

28 防治水技术措施 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 水下开采方式优化 井下防排水系统优化 加大排水能力，强化排水系统
东西大巷排水沟疏通与改造 开采过程中地面井下监测系统 地下水动态监测 工作面（采区）地表及岩层移动 其它措施 地面物探工程 布置地面注浆工程，构筑防止库区水的三道防线 地面钻探工程 大有能源股份有限公司新安煤矿

29 主要结论 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍
截至2007年9月，在义煤集团以及中国矿业大学各相关部门及研究人员的共同努力下，圆满完成了课题的全部研究和分析测试工作。 项目总体研究成果实现了小浪底水库蓄水、水头压力约达3MPa条件下的安全开采，为解放库盆下8000万t压煤奠定了理论和实践基础。项目的研究成果在实践上为国内大型水体下压煤的安全开采建立了可行性范例，项目研究的关键理论及思想是水文地质学、工程地质学、采矿科学、地球物理学等多学科交叉的产物，特别是在存在基岩裸露区条件下，通过采取系统的采动破坏研究和监测、水文地质结构分析和水力联系分析，提出了第一有效隔水层的概念并确立了安全回采上限，提出了相应防治水技术措施，实现了安全开采，是本课题的重要创新。 大有能源股份有限公司新安煤矿

30 主要结论 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 大有能源股份有限公司新安煤矿
在采动条件下覆岩破坏规律、隔水层综合阻水能力、上覆水体及含水层对矿井充水影响、11201工作面水下试采等问题上取得重要进展，通过相关配套试验和观测工程获得了丰富的可靠数据，为本课题的后续工作和整个课题研究工作的顺利完成奠定了良好基础。 通过对新安矿区地质、构造、水文地质、开采条件及小浪底水库蓄水条件等大量基础资料的分析和研究，基本明确了二1煤上覆岩层结构和区域分布规律，首次提出了对防止小浪底水库充水第一有效隔水隔水层的认识，在此基础上掌握了上覆隔水层的岩性结构组合关系、厚度变化及分布规律、主要岩性强度指标的可靠数据，同时，综合考虑了矿区内隔水岩层稳定性等因素，确定了上下石盒子组分界处厚度为12m左右的泥岩段为区内能够有效阻止小浪底水库下渗的第一有效隔水层，为综合评价上覆岩层综合阻水能提供了有力依据。 通过采用地面钻孔超声波成像技术测井、井下高密度电法及震波CT等多种先进手段的综合观测，对新安矿典型工作面不同采厚条件下覆岩破坏规律及顶板导水裂隙带最大高度的确定创造了良好的条件，并获得大量可靠数据，对小浪底水库下安全开采的条件认识和评价发挥不可替代的重要作用。 大有能源股份有限公司新安煤矿

31 主要结论 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 大有能源股份有限公司新安煤矿
研究表明，采用地面钻孔超声成像、井下钻孔震波CT为主的多手段综合观测方法获取采动前后覆岩破坏规律有关数据的方法是可行的，丰富和发展了研究煤层顶板导水裂隙带发育规律的研究手段，具有创新性意义。同时，以此为基础并结合常规分析和研究手段，可为研究大型水体下安全开采及顶板水害防治问题提供较可靠的依据。 通过数值模拟对开采过程中覆岩的破坏场以及应力场的分布、变化规律等的研究和以相似材料建立的工程地质力学模型模拟相同地质条件下不同开采方法、不同采厚，相同开采方法条件下不同覆岩结构特征以及存在断层情况下的覆岩破坏规律研究为揭示新安矿区特定开采技术条件下导水裂隙带的发育规律提供了重要的参数和依据，也为评价小浪底水库下采煤覆岩破坏上限的确定提供了更为广泛的基础数据。 通过地面及井下钻孔取样和测试，获得了一批重要的二1煤覆岩岩石物理力学性质指标，包括抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比、内摩擦角等全部参数，并具有对不同岩性、不同层位和不同区域的较好控制。所获得的有关数据对准确评价顶板覆岩综合阻水能力有重要意义。 大有能源股份有限公司新安煤矿

32 主要结论 小浪底水库下采煤防治水技术研究介绍 大有能源股份有限公司新安煤矿
通过顶板砂岩含水层、矿井涌水和小浪底水库的水质取样和分析，获得了一批重要的、有针对性的水化学特征数据，对研究小浪底水库蓄水条件下地表水体下渗、顶板含水层富水性及运移规律、各含水层间水力联系、顶板充水条件分析等关键问题提供了重要的参考依据和辅助手段。 完成了对11201工作面进行小浪底水库淹没区下安全试采的可行性论证，通过了有关专家的论证和主管部门的审批，并已顺利实施。试采完成后，对所取得的经验进行了深入分析和总结，这对整个课题的完成和今后进行大规模水下开采提供重要的参考作用。 大有能源股份有限公司新安煤矿