[精品]淺論基于水體下采煤技術(shù)的研究探討

1、淺論水體下采煤技術(shù)的研究探討摘要水體下采煤技術(shù)最先在歐洲主要產(chǎn)煤國家得到發(fā)展。德 國、波蘭、前蘇聯(lián)和英國等國家建立了一系列的巖層與地表移動(dòng)理論， 并且成功地將水體下采煤技術(shù)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。相對而言，我 國“三下一上”所造成壓煤量之多，在世界上也是罕見的。其中僅水 體下壓煤數(shù)量就十分巨大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國有125條較大的河 流壓煤，還有微山湖、太湖、大冶湖和渤海等湖海下壓煤，在華北、 東北和華東平原地區(qū)普遍有第四系的含水砂層覆蓋，這些地區(qū)的煤田 淺部開采都存在含水砂層下采煤的問題。我國的水體下采煤技術(shù)的研 究與應(yīng)用開始于20世紀(jì)50年代，到20世紀(jì)80年代已經(jīng)取得了很 大的成果。經(jīng)過40

2、余年的研究和實(shí)踐，積累了經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了規(guī)律， 編制了規(guī)程，在巖層與地表移動(dòng)理論及與“三下一上”采煤有關(guān)的技 術(shù)領(lǐng)域，都接近或達(dá)到了國際先進(jìn)水平。隨著陸地部分煤炭可采儲(chǔ)量 銳減，進(jìn)入海下采煤勢在必行。關(guān)鍵詞 水體下采煤技術(shù)研究探討1. 采動(dòng)后巖層移動(dòng)特征及對水體下開采的影響水體下采煤包括地表水體、含水沙層水體及基巖水體下采煤。在 水體下采煤時(shí)，既要防止上覆水體中的水或泥沙潰入井下，又要防止 因礦井水增大而過分增加礦井涌水量，增大排水費(fèi)用。顧名思義，水 體下采煤由于開采條件的特殊性，使其除了具有一般井工開采的共性 之外，還有自身的一些特點(diǎn)：水體下采煤著重研究巖層與地表的破壞 規(guī)律以及可能造成的水力聯(lián)

3、系，而不考慮地表移動(dòng)與變形情況；水體 下采煤不僅要考慮到巖層與地表破壞規(guī)律，而且要考慮水體的類型以 及礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)情況；水體下采煤的主要對策是“隔離”或“疏 降”兩類方案。前者適用于水量大、補(bǔ)給充分的條件；后者適用于水 量小、補(bǔ)給有限的條件。由這些特點(diǎn)對于埋藏于水體下的煤炭能否根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件， 保證安全、經(jīng)濟(jì)的采出，需要重點(diǎn)考慮三方面：一是開采引起的覆巖 中裂隙是否相互連通以及相互連通的裂隙是否波及到水體；二是受開 采影響后，防水煤巖柱是否具有足夠的隔水性能；三是要合理的確定 煤層的開采上限，正確選擇開采方法和防護(hù)措施。2影響水體下采煤的主要因素研究水體下采煤時(shí)要弄清導(dǎo)水?dāng)嗔训姆植夹?/p>

4、態(tài)和最大高度。影響 覆巖破壞及其導(dǎo)水性的因素有很多，其中有些因素的影響可以定量的 描述，有些只能定性的加以說明。2.1巖石力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征如果工作面上覆巖層為脆性巖層，煤層開采后容易斷裂，覆巖破 壞高度大；如果上覆巖層為塑性巖層，煤層開采后不易斷裂，但容易 下沉，能使冒落巖塊充分壓實(shí)，最終覆巖破壞高度較低，對水體下采 煤來說，較軟的覆巖比堅(jiān)硬的覆巖有利。覆巖中的上下分層與堅(jiān)硬、 軟弱不同性質(zhì)巖層的不同組合，即覆巖結(jié)構(gòu)特征，對覆巖破壞高度有 重要影響，為了簡便起見，將覆巖大致分為堅(jiān)硬與軟弱兩種。于是有 4種組合形式：堅(jiān)硬一一堅(jiān)硬型軟弱一一軟弱型軟弱一一堅(jiān)硬型堅(jiān)硬一一軟弱型。2. 2地層結(jié)構(gòu)地層

5、結(jié)構(gòu)系指地層內(nèi)含水層與隔水層在空間上的分布情況及相 互關(guān)系?？煞譃閱我唤Y(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)、封閉或半封閉結(jié)構(gòu)以及覆蓋結(jié) 構(gòu)。單一結(jié)構(gòu)的含水層，水體集中，水量大，滲水性強(qiáng)；復(fù)合結(jié)構(gòu)的 含水層與隔水層相互隔離，水體分散，各含水層在鉛直方向上相互阻 隔，在水平方向上流動(dòng)；封閉或半封閉結(jié)構(gòu)，隔水層在一定范圍內(nèi)形 成封閉或半封閉的儲(chǔ)水條件，在鉛直方向上的補(bǔ)給是緩慢的和有限 的，地下水以靜儲(chǔ)量為主；覆蓋結(jié)構(gòu)，隔水層與煤系地層呈不整合接 觸，地表水與地下水被隔水層隔絕。2. 3采煤方法和頂板管理方法采煤方法對覆巖破壞的影響，主要表現(xiàn)在開采空間的大小和采空 區(qū)內(nèi)垮落巖塊的不同運(yùn)動(dòng)形式。開采緩傾斜煤層，采用單一走向長

6、壁 采煤法，一次采高不大，垮落巖塊不易產(chǎn)生再次運(yùn)動(dòng)，覆巖破壞的規(guī) 律性明顯，這對水體下采煤是有利的，開采急傾斜煤層時(shí)，采用水平 分層人工假頂下行采煤法和沿走向推進(jìn)的偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤 法時(shí)，采區(qū)沿走向長度大，階段垂高小，兩個(gè)分層之間的回采間隔時(shí) 間長，采空區(qū)內(nèi)垮落巖塊容易被壓實(shí)，同時(shí)，人工假頂將采空區(qū)與工 作面隔開，限制了超限采煤，而遺留在采空區(qū)內(nèi)的煤柱和頂?shù)酌耗苡?效的阻止垮落巖塊滑動(dòng)，使覆巖破壞具有明顯的規(guī)律性，這也有利于 水體下采煤，若采用落垛式采煤法，容易引起采空區(qū)垮落巖塊的再次 運(yùn)動(dòng)，形成局部集中超限采煤，造成上邊界煤柱抽冒，使垮落帶有可 能達(dá)到煤層露頭，這些不利于水體下采煤。頂

7、板管理方法決定了覆巖破壞的基本特征，垮落法使覆巖破壞最 充分，對水體下采煤不利。充填法管理頂板在充填質(zhì)量好時(shí)，煤層的 直接頂可以不發(fā)生垮落，但往往是充填并不密實(shí)，加之充填材料本身 受壓收縮，覆巖仍產(chǎn)生下沉和斷裂。與垮落法比較，此時(shí)的導(dǎo)水?dāng)嗔?帶高度要小很多，采用煤柱支撐法（條帶法、房柱法、刀柱法）管理 頂板時(shí)，若所留煤柱能夠支撐頂板，盡管開采部分的頂板局部垮落， 導(dǎo)水?dāng)嗔褞н€能孤立存在并且高度很小。如果所留煤柱太窄，煤柱就 會(huì)被壓垮，此時(shí)的覆巖破壞高度與垮落法相同。有時(shí)為了提高煤柱的 穩(wěn)定性，對開采空間進(jìn)行充填，以便給煤柱側(cè)面以支持力，增加煤柱 的支撐能力。2.4煤層傾角對于煤層傾角處于0 3

8、5度的煤層，垮落帶的邊界在采空區(qū)邊 界范圍以內(nèi)；導(dǎo)水?dāng)嗔褞У倪吔缭诓煽諈^(qū)邊界范圍以外，超出采空區(qū) 邊界58米。垮落帶與導(dǎo)水?dāng)嗔褞С蜀R鞍型，導(dǎo)水?dāng)嗔褞У淖罡唿c(diǎn) 位于采空區(qū)傾斜的上方。對于傾角為36 - 54度的煤層，由于傾角增 大，采空區(qū)上部垮落的巖塊下滑，充填采空區(qū)下部，導(dǎo)致垮落帶與導(dǎo) 水?dāng)嗔褞У纳喜窟吘壴龈?，其上部邊界大體上呈拋物線形狀。對于傾 角為5590度之間的煤層，垮落的巖塊下滑加劇，充填采空區(qū)下部 空區(qū)，限制了垮落帶與導(dǎo)水?dāng)嗔褞У南虏窟吘壍陌l(fā)展，而采空區(qū)上部 的邊界煤柱懸空，逐次發(fā)生片幫、裂開、垮落，導(dǎo)致導(dǎo)水?dāng)嗔褞У纳?部邊緣急劇向上發(fā)展，垮落帶也可能超出采空區(qū)邊界。2.5開采面積與

9、高度從覆巖破壞角度來說，垮落帶高度達(dá)到最大值所需的開采面積比 地表達(dá)到充分采動(dòng)所需的臨界面積要小得多，煤層開切后，垮落帶高 度隨工作面的推進(jìn)而不斷增高，當(dāng)工作面推進(jìn)一段距離后，垮落帶高 度達(dá)到該條件下的最大值，以后盡管開采面積繼續(xù)擴(kuò)大，但是垮落帶 高度不在增加，這種情況與地表達(dá)到充分采動(dòng)以后最大下沉值不再增 加。2.6開采厚度其對覆巖破壞的影響是直觀的，開采緩傾斜煤層時(shí)，覆巖破壞主 要表現(xiàn)在煤層頂板法線方向，垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞c初次采厚之間都 表現(xiàn)出近似于直線的關(guān)系，煤層厚度增大，垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?也增大。2.7時(shí)間因素圍巖破壞一般落后于回采，而垮落巖塊的壓實(shí)又滯后于垮落過 程，覆巖破壞

10、的發(fā)展可以分為兩個(gè)階段。在發(fā)展到最大高度之前，破 壞高度隨著時(shí)間的推移（工作面的推進(jìn)）而增大，對于中硬巖層，在 工作面回柱放頂后1 2個(gè)月內(nèi)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)展到最大值，對于堅(jiān)硬 巖層，這段時(shí)間就更長。然后，導(dǎo)水?dāng)嗔褞щS著冒落帶的壓實(shí)而逐漸 降低，降低幅度與覆巖性質(zhì)有關(guān)。覆巖堅(jiān)硬，降低幅度??；覆巖軟弱, 降低幅度大。時(shí)間因素的影響還表現(xiàn)在隨著時(shí)間的增加，導(dǎo)水?dāng)嗔褞?內(nèi)的裂隙有可能閉合一部分而減少滲透性或恢復(fù)其原有的隔水性能， 在軟弱巖層條件下這種恢復(fù)更明顯。2.8重復(fù)采動(dòng)不管是煤層群開采第一層還是厚煤層開采第一分層，初次開采總 是改變了覆巖的力學(xué)性質(zhì)，特別是強(qiáng)度性質(zhì)，即巖層發(fā)生了軟化，使 得以后的回

11、采相當(dāng)于在變軟的巖層內(nèi)進(jìn)行。因此，從第一次重復(fù)采動(dòng) 煤層群開采第二層，厚煤層開采第二分層開始，覆巖破壞規(guī)律與初次 采動(dòng)時(shí)間的規(guī)律有所不同，并且逐次的重復(fù)采動(dòng)又各不相同。3. 安全開采深度的確定方法首先是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。影響安全開采深度的因素很多，各個(gè)礦區(qū) 的具體情況也不一樣。但對某一礦區(qū)來說，在具體的地質(zhì)采礦條件下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，找出 本礦區(qū)的巖層移動(dòng)與突水規(guī)律，大致確定一個(gè)范圍來指導(dǎo)生產(chǎn)。對新 開發(fā)的礦區(qū)，也可參考地質(zhì)條件類似礦區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，采用類比法確定一 個(gè)本礦區(qū)的基巖厚度與采厚的比值，通過開采實(shí)踐加以校正。其次， 在缺乏經(jīng)驗(yàn)不能直接確定時(shí)，可以根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。4 水體下采煤的安全技術(shù)措

12、施解決水體下采煤問題可以采取三種技術(shù)措施：留設(shè)安全煤柱、處 理水體、采取開采措施。有時(shí)單獨(dú)選用其中的一種，有時(shí)則需要其中 的兩種或三種措施配合使用，這需要根據(jù)具體條件而定。4.1留設(shè)安全煤巖柱安全煤巖柱是指在煤層至水體底面垂直距離很近的條件下，必須 在水體和煤層開采上限之間留設(shè)一定垂深的巖層塊段和煤層。根據(jù)留 設(shè)煤巖柱的目的不同，可分為防水安全煤巖柱、防砂安全煤巖柱、防 塌安全煤巖柱。4. 2水體處理措施留設(shè)安全煤巖柱可將水體與工作面安全地隔離開，能夠安全開 采，還不增加礦井的排水量。留設(shè)防砂安全煤巖柱和防塌安全煤巖柱 只能起隔離泥沙的作用，但不能減少礦井涌水量，可以對上覆水體起 疏干作用。留

13、設(shè)安全煤巖柱的優(yōu)點(diǎn)是：不改變原有的采煤方法，不增 加疏水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)，但增加了煤炭損失，增大了工作面淋水。因 此，有時(shí)候采用水體處理措施。4. 3水體下采煤的開采技術(shù)措施在開采技術(shù)方面采取措施減輕覆巖破壞的影響，并且與留設(shè)安全 煤巖柱措施相配合，有利于實(shí)現(xiàn)水體下安全采煤。分層或分階段間歇開采分層間歇開采是將厚煤層按傾斜分層或按水平分層的方法開采， 減少一次開采的厚度和覆巖的破壞高度，使整個(gè)覆巖形成均衡破壞， 防止了不均衡破壞對水體的影響，對于厚松散層下淺部開采或安全煤 巖柱中基巖厚度較小的條件，分層間歇開采具有更加明顯的效果。在傾斜分層走向長壁式開采時(shí)，要盡量減小第一、第二分層的采 厚，同時(shí)

14、增大分層開采之間的時(shí)間間隔，上、下分層同一位置的回采 間隔時(shí)間應(yīng)該大于4-6個(gè)月。如果覆巖堅(jiān)硬，間隔的時(shí)間還要長， 在急傾斜煤層開采時(shí)，應(yīng)盡量減小第一小區(qū)段的垂高，同時(shí)加大走向 連續(xù)回采的長度，此時(shí)還應(yīng)該嚴(yán)禁超限開采，防止煤層抽冒。充填開采采用充填法管理頂板是水體下采煤的最有效措施之一，它還可以 大大減小安全煤巖柱尺寸，同時(shí)開裂性破壞程度也將有所降低。分區(qū)隔離開采在采區(qū)四周均留設(shè)防水隔離煤柱，在運(yùn)輸水平的繞道和石門內(nèi)設(shè) 永久性的防水閘門，將采區(qū)與外界隔離，縮小災(zāi)害的影響范圍。試探開采試探開采的原則是：先遠(yuǎn)后近、先深后淺、先厚后薄、先易后難, 逐漸接近水體。這樣，不僅能確切地了解采動(dòng)對防水安全煤巖柱的破 壞情況，而且能摸索出適合本地區(qū)的開采方法和技術(shù)措施。正常等速開采采用長壁垮