1、专题部分承压水上采煤技术研究刘园（中国矿业大学 江苏 徐州 01080112）摘 要：随着煤炭科学技术水平的不断进步、煤矿开采技术水平的不断提高，承压水上安全采煤技术也在不断发展。承压水上采煤的问题越来越来显出重要性和迫切性。本文叙述了承压水上采煤底板突水因素与类型，并将遥感技术应用于岩溶陷落柱分布的预测中。关键词：承压水上；底板突水；采煤技术；采煤方法1 地下水与含水层1.1定 义地下水系：指地面以下所有的水。由于地下水水文工作者主要研究饱和带中的水，他们利用地下水运动这个术语表示饱和带中的水。在农田排水及农艺学中，这个术语还表示潜水面以上不完全饱和地层中的水。本书中，利用地下水这一术语主要
2、表示饱和带中的水。承压水上采煤；又名带压开采，是指开采煤层底板含水层中承压水头高度高于回采工作面水平条件下的回采。含水层：含水层是指具有下述两种性质的地层或岩层；含有水；一般的野外条件下允许大量的水在其中运动。阻水层：与含水层相反，是一种可以含水，但在一般的野外条件下，不能大量导水的地层。从实用的观点出发，阻水层可以认为是隔水层。隔水层；存在于含水层与开采煤层底板、巷道和采空区之间的能阻碍或减弱水流动的岩层，该岩层内的孔隙不连通，地下水无运动条件，常以吸着水存在，无重力水。亦称不远水层或保护层。阴水系数：又称阻水系数，是指各种岩石的等值隔水层厚度总和()减去等值隔水层厚度的修正值()，除以水压
3、(p)所得的值，即V隔水系数；等值隔水层厚度的修正值，在确定防水煤柱时，的值为10m，在确定主要岩层含水层的相对隔水层厚度时，值为8m，其他情况下，值为5m；P水压，MPa；等值系数。；M。 为选取标准单位厚度(如泥岩)的隔水一阻水作用值；为与Mo相比较的不同质量而单位厚度相同的岩层的隔水一阻水作用值。部分等值系数见表1-1。突水系数：指水压值与隔水层厚度的比值，即 （1-1）T突水系数，MPam；p水压值；MPa；m隔水层厚度，m 。弱透水层：与含水层相反，弱透水层是一种导水速度十分缓慢的半透水层。通常称为越流地层。非含水层：是既不含水又不导水的地层。空隙空间：岩石中没有被固体颗粒占据的那一
4、部分叫做空隙空间(或孔隙空间、孔隙、空隙，裂隙)。空隙空间合有水和(或)空气。在地层内只有连通的空隙才能起导水通道的作用。图11表示岩石空隙的几种类型。空隙的大小可以从巨大的石灰岩洞穴到水主要靠吸附力存在于其中的微小的亚毛细孔洞。岩石的空隙一般分为两种，即原生空隙与次生空隙。含水层的垂向分布；地面以下的水在垂宜剖面上的分布可以按照空隙空间中含水的相对比例划分成两个带：饱和带与充气带。饱和带中的全部空隙充满着水。充气带位于饱和带之上，其中同时包含着气体(主要是空气及水蒸气)和水。图12表示地面以下水的分布概况。水(例如大气降水或灌溉水)自地面渗入，在重力作用下向下运动和聚集，最后在某些不透水地层
5、之上充满岩石中所有相互连通的空隙。在不透水地层之上形成了饱和带。饱和带的上界面为潜水面，潜水面是一个其表面上压力等于大气压力的面。1.2含水层的分类大多数含水层是由非固结或部分固结的砂砾石组成，它们分布在废矿井、古河道、平原和山谷之中。其范围大小不同。厚度也可以从几米到几百米。在砂和砾石固结类岩石中，由于颗粒被胶结在一起，渗透性减小。在世界的许多地方，厚度、密度、孔隙率和渗透性有很大变化的石灰岩地层是重要含水层，尤其在大部分原生石灰岩被溶蚀迁移的时候。石灰岩中的洞穴可以从微小的原生小孔到形成地下河道的大裂缝及大洞穴。由于水流沿断层及型隙溶解岩石，因而随着时间的推移，它们被不断扩大，从而增大了岩
6、石的透水性，最后石灰岩地区发展为岩镕(喀斯特)地区。就大范围而言，喀斯特含水层的宏观性状大致与砂砾石含水层相似，是煤矿带压开采的最大威胁。火山岩、玄武岩是相当好的含水层。玄武岩含水层的孔隙也许比松散砂砾石含水层小，但由于大多数孔穴具有连通的特点，故其渗透性可以比砂砾石含水层大很多倍。以岩床、岩脉和岩颈等形式出现的许多浅层浸入岩，渗透性都很小，其中绝大多数不含水，因此可以作为地下水流的阻隔边界。结晶岩与变质岩属于相对不透水层，它们构成弱含水层。当这类岩石出现在地表附近时，由于风化与破碎，渗透性会逐渐变大。粘土及粘土与粗粒物质的混合物，虽然孔隙串一级很高，但由于孔隙小，故为相对不远水层。含水层可以
7、看成是受降水和河流自然补给或通过井孔及其他人工方式补给的地下水水库。含水层中的水可以通过泉和河流自然地排泄，也可以用人工方法从井中排出。含水层可以根据潜水面是否存在划分为无压含水层和承压含水层两大类。1.2.1承压含水层承压水是指充满于二个隔水层之间的地下水。由于隔水顶板的存在，它的补给区小于分布区，动态较稳定，不易被污染，承受静水压力，当地形适宜时，钻孔开凿到含水层后，水即可喷出地表，形成自流，故承压水又被称为自流水。承压水的形成首先决定于地质构造，在适宜的地质构造条件下，无论孔隙水、裂隙水、岩溶水都可以形成承压水。坯适宜于形成承压水的地质构造大体可分为向斜构造和单斜构造，这二种地质构造，在
8、不同的地质发展历史过程中，可以被一系列的榴曲和断裂所复杂化因此可以看出自流水的形成与地区的地质发展史有着密切的关系。适宜于承压水形成的盆地构造或向斜构造在水文地质学中称为自流盆地。自流盆地按照水文地质特征可分为3个组成部分：。补给区，6承压区，c排泄区，如图13。承压含水层的补给区有地表补给、潜水补给及承压水含水层之间的补给，如图14。图16所示。承压水的补给来源可以是多方面的。首先来自面头区的大气降水补给。补给量大小主要取决于露头区范围大小、降水量、降水性质、出露地段地形、含水层透水性等因索。当露头区内存在地表水体时，地表水也可成为承压水的补给水源。地表水有时通过场洞，深切河谷，隔水层尖灭的
9、“天宙”地段渗漏补给承压水。当承压水补给区位于潜水层下面，潜水则可泄入承压含水层。潜水也可通过隔水顶板尖灭地段或弱透水层越流补给承压水。生活、工业废水有时大量酒人承压含水层，成为其补给源。当包含有几个承压含水层的大型自流盆地或自流斜地，通过导水断裂或弱透水层的越流作用，各承压含水层之间可以发生相互补给或排泄的现象。图17为上升泉的形成条件示意图。一般情况下，承压含水层的储水量大，压力高出的威胁日趋严重，是矿井突水的主要含水层。1.2.2潜水含水层潜水是埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上，具有自由水面的重力水。潜水一般埋藏在第四纪松散沉积物的孔隙中和裸露基岩的裂隙、镕陈中。潜水的自由水画称为潜水
10、面。潜水面至地面的铅直距离为该处潜水的埋藏深度。水面的绝对标高称为该处的潜水位。由潜水面至隔水底板顶面之间，均充满重力水，称为潜水含水层，其距离则为含水层的厚度，如图18所示。多数情况下，潜水的分布区就是其补给区，二者完全一致。潜水面的形状大多为倾斜的抛物线型，在特定条件下也可以是水平的。潜水面坡度变化可以很大，首先与地区的地貌形态有关，在强烈割切的山区。沿山坡一带可达百分之几，在乎坦的平原区中则只有千分之几。一般地面坡度愈大，潜水面的坡度也愈大，二者经常一致，而且潜水面的坡度总是小于地面坡度。其次含水层的变厚或因含水层透水性变好时，潜水面坡度也会趋于平缓在盆地或洼地可形成潜水湖，如图18、图
11、19所示。潜水的补给主要是大气降水和地表水，有时通过断裂构造带由承压水补给。其排泄一般为蒸发或补给于地表河流。由于地形的影响使潜水形成压力梯度而发生径流。潜水含水层也是煤矿开采的一大威胁，尤其是在径流带、自流盆地处，如裂隙或构造断裂发育，可涌人矿井而发生淹井事故。1.2.3越琉含水层不论是承压含水层还是无压含水层均能通过其上或(和)其下的封闭地层获得水或漏失水，这种含水层叫做越流含水层。虽然这类封闭地层具有较高的渗透阻力，但是当它们在大范围内与所研究的含水层接触时，大量的水可以通过它们流入或流出含水层。在各种情况下，越流量与越流方向均受弱透水地层两侧测压水头差的控制。显然，在每一种具体条件下，
12、含水层上覆的某个地层是不透水层，还是弱透水层或仅仅是渗透性与所考虑的含水层不同的另一种透水地层并不是一件容易的事。通常，考虑成弱逆水层的地层(即越流层)都比主含水层的厚度小。位于弱透水地层之上的潜水含水层(或其一部分)是一种有越流的潜水含水层。至少有一个弱透水封闭层的承压含水层(或其一部分)叫做有超流的承压含水层。图110表示几种含水层和观测孔。上部为潜水含水层，其下有两个承压含水层。在补给区含水层B变为潜水含水层。含水层A、B和c的一部分是有越流的，越流方向流量的大小取决于每个含水层的测压水面高度。由于潜水位和承压水头高度的变化，各水层承压和无压部分之间的界线可以随时间而变化。潜水含水层的一
13、种特殊信形是上层捕水含水层。当在潜水面和地面之间分布有局部不进水(或相对不透水)时，在这种不适力地层之上就会形成另一种地下水体上层滞水含水层。沉积物中的土及亚粘土透镜体经常有薄的上层滞水含水层，有时这些含水层只能存在一个比较短的时间，因为上层滞水可以流人下部的潜水含水层。1.3含水层的性质含水层的导水、贮水和给水度是含水层的主要性质。水力传导系数表示在水力梯度作用下台水层传导地下水的能力，它是多孔介质和其中流动着的流体的一种组合性质。如果含水层中的流动基本上为水平流动，则含水层的导水系数表示通过含水层整个厚度的导水能力。导水系数等于含水层的水力传导系数与含水层厚度的乘积。含水层的贮水系数表示存
14、贮在含水层中的水量变化和相应的测压面高度变化之间的关系。承压含水层的贮水系数定义为水头降低(或升高)一个单位时，从水平栈截面为一个单位的含水层垂直柱体中释出(或存入)的水的体积，如图111所示。在潜水含水层的情况下，水实际上是由于潜水位降低而从空隙空问中排出并为空气所代替，然而重力排水并不能排出包含在空隙空间中的全部水。一定量的水在分子引力与表面张力的支持下能够抗住重力而保持在固体颗粒之间的空隙中。因此，潜水含水层的贮水系数比孔隙串小，其差称为持水串(土样中反抗重力作用而保持下来的水分与土样总体积之比)。为了反映这种现象，通常把潜水含水层的贮水系数称为给水度。由含水层和水的压缩性所引起的弹性贮
15、水系数要比给水度小得多。具体地说，大多数承压含水层的贮水系数在loIo之间，而大多数冲积层的给水皮为10x。这说明排出(或注入)相同体积的水，承压含水层中水头高度的变化要比无压含水层中水位高度的变化大得多。在定义承压含水层的贮水系数时，假定不存在时间延迟问题，并且认为水是随着水头的下降而瞬时释出的。然而，尤其是在纫颗粒物质中，由于低水力传导系数限制着水自贮存中释放，因而可以发生明显的时间延迟现象。对于潜水含水层来说也是如此，因为疏于过程槽要一定的时间。表示越流含水层特征的一个参数是弱透水层(又称半封闭层)的阻力系数。阻力系数定义为弱透水层厚度与其水力传导系数之比。当这值较大时，通过弱透水层的越流量则较小。另一个参数叫做越流因数。它等于含水层的导水系数与弱透水层的阻力系数的乘积的平方根。在确定某一地层是否为含水层以及为何种类型的含水层时，上述各种参数可作为指标。2 底板突水类型煤层底板突水实质是煤层下伏承压水沿采煤工作面底板隔水层岩体内部通道突破底板隔水层的阻隔，以突发、缓发或滞发的形式向上涌人工作面采空区的过程。研究它的发生、发展规律是进行突水预测预报的前提，是制定合理开采方案和预防措施的依据。因此，研究突水的机理，对突水进行分类是很重要的。同时各种不同类型的底板突水在其成分上是不同的，为了查明
