斷層陷落柱水害防治技術(shù)

斷層陷落柱水害防治技術(shù)第1頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一陷落柱水害防治技術(shù)淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011第2頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011陷落柱的形成機(jī)理與形成條件形成條件：1、巨厚層可溶巖地層2、強(qiáng)侵蝕性地下水流3、地下水強(qiáng)徑流帶及大型溶蝕空洞暗河4、往往與區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)第3頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011陷落柱的形成機(jī)理與形成條件形成機(jī)理：初期構(gòu)造控制與巖溶分異作用水流與溶蝕的互饋?zhàn)饔酶康纳缮疃扰c多期垮塌作用形成過(guò)程的漸進(jìn)性水文地質(zhì)特征的多變性與分帶性第4頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011陷落柱垂向水文地質(zhì)特征A全通式導(dǎo)水B下通式導(dǎo)水C上通式導(dǎo)水第5頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011陷落柱切面水文地質(zhì)特征第6頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011陷落柱直接導(dǎo)水模式陷落柱導(dǎo)水通道作用第7頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011陷落柱間接導(dǎo)水模式陷落柱導(dǎo)水通道作用第8頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011塑性變形帶陷落柱水壓Ｐ關(guān)鍵層采空區(qū)采動(dòng)破壞區(qū)⑴⑵煤層巖層巖層裂隙薄隔水層直接破斷突水模式--淺隱伏陷落柱陷落柱誘發(fā)礦井水害模式第9頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011隔水保護(hù)層剪切破裂突水模式–深隱伏陷落柱塑性變形帶陷落柱水壓Ｐ關(guān)鍵層采空區(qū)采動(dòng)破壞區(qū)巖層巖層煤層陷落柱誘發(fā)礦井水害模式峰峰九龍礦第10頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011塑性變形陷落柱p水壓巖層采空區(qū)采空區(qū)⑴⑵rarbp煤柱側(cè)壁揭露或破斷突水模式--切穿式陷落柱陷落柱誘發(fā)礦井水害模式東龐與范各莊礦第11頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011

突水水源的水量充沛：根據(jù)陷落柱的基本成因條件可知，只要有陷落柱存在，則必然在其根部存在有厚層的可溶巖（如石灰?guī)r），而厚層可溶巖又往往構(gòu)成富水含水層，該類含水層不僅有豐富的靜貯量，也往往具有較大的補(bǔ)給量。所以一旦發(fā)生陷落柱型突水，其突水水量往往較大。陷落柱水文地質(zhì)特點(diǎn)之一第12頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011

突水水壓大、流速高：北方型煤田厚層灰?guī)r含水層主要是奧陶系灰?guī)r含水層，該含水層賦存于煤系地層之下一定的深度，且在煤層和含水層之間存在有一定厚度的隔水層，奧陶系灰?guī)r含水層往往在平面上延展的范圍較大，其主要在地勢(shì)較高處的裸露露頭區(qū)接受大氣降水或地表水補(bǔ)給，在煤層之下的含水層水往往處于高承壓狀態(tài)，一旦發(fā)生突水，往往呈現(xiàn)出突水點(diǎn)水壓大，突水流速高的特點(diǎn)。陷落柱水文地質(zhì)特點(diǎn)之二第13頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011

突水通道具有隱蔽性和難以探知性：陷落柱的形成原因決定了其具有點(diǎn)狀導(dǎo)水構(gòu)造的特點(diǎn)，盡管有些陷落柱的直徑可達(dá)數(shù)百米，但和整個(gè)地質(zhì)結(jié)構(gòu)體相比，其仍具有很強(qiáng)的局部性，特別是在陷落柱的周邊區(qū)域，地層層序仍保持著正常狀態(tài)，這就形成了通過(guò)地層層序和構(gòu)造形態(tài)分析預(yù)測(cè)陷落柱變的十分困難，甚至不可能，陷落柱的隱蔽性和難以探知性，決定了陷落柱突水具有突發(fā)性和難以防范性。陷落柱水文地質(zhì)特點(diǎn)之三第14頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011陷落柱型導(dǎo)水通道除了上述特點(diǎn)外，還應(yīng)注意到并不是所有的陷落柱都具有導(dǎo)水性，可以說(shuō)百分之八九十以上的陷落柱因在長(zhǎng)期的地質(zhì)作用過(guò)程中已被壓實(shí)和膠結(jié)，其本身并不具備導(dǎo)水的能力。對(duì)于一些導(dǎo)水陷落柱，其導(dǎo)水特點(diǎn)在平、剖面上也不完全一樣。陷落柱水文地質(zhì)特點(diǎn)之四第15頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一陷落柱水文地質(zhì)性質(zhì)探查方法專門水文地質(zhì)試驗(yàn)尋找水位水溫異常點(diǎn)水文動(dòng)態(tài)記錄分析尋找水位水溫異常點(diǎn)化學(xué)示蹤試驗(yàn)確定水力聯(lián)系通道位置三維地震勘探尋找地質(zhì)異常區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地下水流場(chǎng)分析從成因機(jī)制上預(yù)測(cè)其發(fā)育規(guī)律淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011綜合方法：第16頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一通過(guò)垂向上不同含水層的試驗(yàn)孔對(duì)不同含水層進(jìn)行相互干擾試驗(yàn)（相互之間分別作為激勵(lì)孔和接收孔）查明垂向不同含水層之間水力聯(lián)系查明垂向不同含水層水力聯(lián)系位置與強(qiáng)度為最優(yōu)防治水工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011陷落柱水文地質(zhì)性質(zhì)探查方法水力干擾試驗(yàn)方法：第17頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一地面導(dǎo)斜注漿封堵陷落柱突水原理示意圖陷落柱水害防治淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011注漿改造技術(shù)：第18頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一陷落柱水害防治淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011導(dǎo)水陷落柱防水煤柱厚度的確定方法。與斷層防水煤柱的留設(shè)方法一樣，對(duì)于陷落柱防水煤柱的留設(shè)，必須要考慮其周邊垮落影響破裂帶寬度及煤層與陷落柱的空間產(chǎn)狀關(guān)系，首先要確定采掘停頭距陷落柱影響帶外邊界的最近距離位置或采空冒落帶與陷落柱影響帶外邊界的最近距離位置，根據(jù)水壓和巖層的阻水能力計(jì)算該位置的安全煤柱厚度（如圖中的LR），然后根據(jù)煤層與陷落柱空間位置關(guān)系、陷落柱外圍導(dǎo)水裂隙帶的寬度及回采工作面上覆地層的垮裂角計(jì)算煤柱留設(shè)厚度L。防水煤巖柱留設(shè)技術(shù)：第19頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一斷層水害防治技術(shù)淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011第20頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011斷層直接導(dǎo)水通道模式斷層導(dǎo)水通道作用第21頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011斷層間接導(dǎo)水通道模式斷層導(dǎo)水通道作用第22頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011Hp推進(jìn)方向

含水層

斷層

導(dǎo)升帶

斷裂直通式導(dǎo)通突水模式斷層誘發(fā)礦井水害模式第23頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011Hp推進(jìn)方向

含水層

斷層

Hy導(dǎo)升帶

斷裂誘發(fā)承壓水導(dǎo)升帶突變突水模式斷層誘發(fā)礦井水害模式第24頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011Hp推進(jìn)方向

含水層

斷層

導(dǎo)升帶

Hp1Hy斷裂誘發(fā)底板破壞帶突變突水模式斷層誘發(fā)礦井水害模式第25頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011Hp推進(jìn)方向

含水層

斷層

裂隙帶

導(dǎo)升帶

Hp1Hy組合斷裂誘發(fā)隔水層厚度突變突水模式斷層誘發(fā)礦井水害模式第26頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011圖1.煤層與含水層因斷層帶対接式接觸示意圖

對(duì)接式：是指由于斷層的錯(cuò)動(dòng)，使得煤層與含水層以斷層面為接觸面在橫向上直接對(duì)接。如圖所示，因斷層傾角和產(chǎn)狀的不同，煤層與斷層之間的対接關(guān)系又可分為上対接式和下対接式，上對(duì)接式指越過(guò)斷層面，含水層處于斷層上盤，煤層位于斷層的下盤（圖1.B），隨著斷層傾角的變小，含水層對(duì)煤層影響的范圍變大。下対接式指越過(guò)斷層面，煤層處于斷層上盤，含水層位于斷層的下盤（圖1.A），隨著斷層傾角的變小，含水層對(duì)煤層影響的范圍變隨之變小。兩種不同的對(duì)接方式所對(duì)應(yīng)的防治水技術(shù)思路及防水煤柱留設(shè)計(jì)算方法也會(huì)不同。斷層水文地質(zhì)類型第27頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011煤層與含水層因斷層帶錯(cuò)位式接觸示意圖

錯(cuò)位式：是指由于斷層的錯(cuò)動(dòng)，使得煤層與含水層在斷層兩側(cè)錯(cuò)開一定距離而非直接對(duì)接。如圖所示，因斷層傾角和產(chǎn)狀的不同，煤層與斷層之間的錯(cuò)位關(guān)系又可分為上錯(cuò)位和下錯(cuò)位，上錯(cuò)位指越過(guò)斷層面，含水層處于斷層上盤，煤層位于斷層的下盤（圖2.a），隨著斷層傾角的變小，含水層對(duì)煤層影響的范圍變大。下錯(cuò)位指越過(guò)斷層面，煤層處于斷層上盤，含水層位于斷層的下盤（圖2.b），隨著斷層傾角的變小，含水層對(duì)煤層影響的范圍變隨之變小。兩種不同的對(duì)接方式所對(duì)應(yīng)的防治水技術(shù)思路及防水煤柱留設(shè)計(jì)算方法也會(huì)不同。斷層水文地質(zhì)類型第28頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011

嵌入式：是指煤層直接嵌入到含水體之中的一種結(jié)構(gòu)類型，是含水型斷層所特有的一種結(jié)構(gòu)類型煤層與含水層因斷層帶対接式接觸示意圖斷層水文地質(zhì)類型第29頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011

導(dǎo)水?dāng)鄬樱菏侵笖鄬忧懈詈貙踊驍鄬用嬷苯友由熘恋孛?，且斷層面的全部或部分具有一定的張開性和導(dǎo)水能力，足以造成含水層水或地表水沿?cái)鄬用孀杂闪鲃?dòng)的斷層。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是斷層的導(dǎo)水性能與斷層形成時(shí)的力學(xué)性質(zhì)、斷層形成后的后期演化與受力過(guò)程、斷層切穿地層的巖性特征具有密切的關(guān)系，一般地說(shuō)，張拉性斷層、形成后受過(guò)多次擾動(dòng)活化的斷層、兩盤巖性以硬脆性巖石為主的斷層多具有導(dǎo)水的能力，同時(shí)，斷層的導(dǎo)水性具有極強(qiáng)的不均勻性，一條斷層經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)部分區(qū)段導(dǎo)水，而其他區(qū)段不導(dǎo)水的特性。因此，在探查和確認(rèn)斷層的導(dǎo)水性能時(shí)，決不能一點(diǎn)帶面。導(dǎo)水?dāng)鄬訉?duì)煤礦安全生產(chǎn)具有一定的威脅，由于其導(dǎo)水性的不均勻性，探知難度較大。斷層水文地質(zhì)特征之一第30頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011

含水?dāng)鄬樱菏侵笖鄬与m然沒有直接切穿含水層或其他水源，不能造成不同含水層之間的水力聯(lián)系，但斷層及其影響帶足夠?qū)?，且斷層帶具有較強(qiáng)的破碎裂隙發(fā)育，具有較強(qiáng)的含水性，賦存有大量的地下水的斷層。該類斷層不導(dǎo)水但富含水，斷層及其影響帶本身就是一個(gè)含水體，其含水以靜儲(chǔ)量為主。斷層水文地質(zhì)特征之二第31頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011隔水?dāng)鄬樱菏侵覆痪哂袑?dǎo)水和含水能力且能夠阻斷含水層水在水平或垂向上的水力聯(lián)系的斷層。一般地說(shuō)，壓扭性斷層、形成后未受過(guò)多次張拉擾動(dòng)的斷層、兩盤巖性以柔軟性巖石為主的斷層多具有隔水的能力，該類斷層往往形成含水層的隔水邊界。斷層水文地質(zhì)特征之三第32頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011導(dǎo)含水?dāng)鄬樱菏侵笖鄬蛹惹懈詈貙踊蛑苯友由熘恋孛?，且斷層帶具有較強(qiáng)的破碎裂隙發(fā)育，具有較豐富的含水性，賦存有大量的地下水的斷層。他是導(dǎo)水?dāng)鄬优c含水?dāng)鄬拥膹?fù)合體。導(dǎo)含水?dāng)鄬硬粌H具有豐富的靜態(tài)含水量，同時(shí)具有豐富的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量，是對(duì)煤礦安全生產(chǎn)威脅最大的斷層類型斷層水文地質(zhì)特征之四第33頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011采掘擾動(dòng)應(yīng)力作用機(jī)理,水壓力作用機(jī)理,滲流潛蝕作用機(jī)理斷層帶圍巖受水壓力作用方式示意圖斷層鄰近區(qū)域煤炭資源開采的水害形成機(jī)理第34頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-20111、合理留設(shè)防水煤巖柱H：工作面回采后最大冒裂帶高度（m）P：斷層帶水壓（MPa）L：安全煤柱（m）LR、Lx：依突水系數(shù)理論計(jì)算的突水危險(xiǎn)區(qū)安全距離（m）α：斷層傾角σ：工作面頂板覆巖冒裂角斷層水害防治技術(shù)第35頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一淮南礦業(yè)集團(tuán)煤礦水害防治技術(shù)交流材料-2011沿?cái)鄬优c煤層交線定向?qū)碧綔y(cè)斷層含水性示意圖2、關(guān)鍵層段導(dǎo)水性能注漿改造技術(shù)由于大多數(shù)斷層的導(dǎo)水性不強(qiáng)或者是其只是在局部層段具有導(dǎo)水性，只要在查明斷層的空間結(jié)構(gòu)特征及其水文地質(zhì)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，對(duì)于威脅煤層安全開采的局部導(dǎo)水層段進(jìn)行工程改造，變導(dǎo)水介質(zhì)為隔水介質(zhì)，就可以大大減少或去掉防水煤柱的留設(shè)量，使寶貴的煤炭資源得以開發(fā)利用。由于煤層與斷層面的交匯區(qū)呈線狀空間展布，因此，注漿改造工程最好與斷層的空間展布形態(tài)及其導(dǎo)水性能探測(cè)工程有效結(jié)合起來(lái)，以井下定向鉆探技術(shù)為主體，如圖9所示（紅線為鉆孔軌跡），沿煤層與斷層面的交接線，實(shí)施定向?qū)碧綔y(cè)鉆探，使鉆孔軌跡呈現(xiàn)出蛇形特征不斷地多次穿過(guò)斷層面，當(dāng)遇到斷層出現(xiàn)導(dǎo)含水層段時(shí)，立即進(jìn)行注漿改造工程。當(dāng)遇到煤層較厚或斷層與煤