（采矿工程专业论文）大平矿南二采区水体下开采方案研究.pdf

摘要 本论文研究了在水体下开采煤层时，岩层与地表的破坏规律以 及可能造成的水力联系，充分利用大量的国内外资料，分析了影响 水体下开采的各种因素。采用回归分析的方法，依据大量的实践资 料，得出了具有一定参考价值的经验公式；运用模糊评判中的隶属 度函数对各因素进行量化，得出涌水等级评价的量化指标，进行顶 板涌水的等级评价。根据铁法矿区大平煤矿的地质、水文、采矿等 条件，对各种可行的采煤方法进行了比较，特别是对在水体下开采 时，使用综放采煤工艺的可能性和特殊性进行了综合分析，最终得 出了适合本采区的开采方法和有效的防护措施。 关键词：水体下开采上覆岩层回归分析模糊数学导水裂 隙带综放开采 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e dt h er o c kl a y e ra n dd e s t r u c t i o nr u l eo ft h e s u r f a c e ，a sw e l la sp o s s i b l yc r e a t e dw a t e rp o w e rr e l a t i o n ，w h e nm i n e d t h ec o a lu n d e rt h ew a t e rb o d y f u l l yu s e dm a s s i v ed o m e s t i ca n d f o r e i g nm a t e r i a l s ，a n a l y z e da l lk i n d so ff a c t o r sw h i c h u n d e rt h ew a t e r b o d ym i n e d u s e st h er e g r e s s i o na n a l y s i st h em e t h o d ，r e s t s o nt h e m a s s i v ep r a c t i c em a t e r i a l ，a n do b t a i n e de x p e r i e n t i a lf o r m u l a sw h i c h h a dc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e e a c hf a c t o ri sq u a n t i f i e du s i n g t h e s u b j e c t i o nf u n c t i o no ff u z z ys y n t h e s i sm e t h o d s s o ，q u a n t i f i e dv a l u e s a r eo b t a i n e d f i n a l l y ，a ne v a l u a t i o no fr o o fw a t e ri n r u s hg r a d ei s p e r f o r m e da c c o r d i n gt op r i n c i p l eo ff u z z yc o n v e r s i o na n dm a x i m u m s u b je c t i o nd e g r e e a c c o r d i n gt ot h eg e o l o g i c a l ，t h em i n i n ga n dt h e h y d r o l o g yc o n d i t i o n sa n ds oo no fd a p i n gm i n ei nt h et i e f am i n i n g a r e a ，h a sc a r r i e d0 nt h ec o m p a r i s o nt oe a c hf e a s i b l em i n i n gm e t h o d ， a n da n a l y z e ds p e c i a l l yt h ep o s s i b i l i t ya n dt h ep a r t i c u l a r i t yt o u s e f u l l y m e c h a n i z e d c a v i n gm i n i n g t e c h n o l o g y u n d e rt h ew a t e r b o d y ，f i n a l l yo b t a i n e dt h em i n i n gm e t h o da n dt h ee f f e c t i v ep r o t e c t i v e m e a s u r ew h i c h s u i t e dt h i sp i c k sa r e a k e yw o r d s ：c o a lm i n i n g u n d e rw a t e r b o d y o v e r b u r d e ns t r a t a r e g r e s s i o na n a l y s i s f u z z y m a t h e m a t i c sw a t e rc o n d u c t e dz o n e f u l l ym e c h a n i z e dc o a lc a v i n gm i n i n g 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 问题的提出，论文的研究意义 我国的煤炭储量丰富，在常规的化石能源中，煤炭资源占9 0 以 上，目前已经探明的煤炭保有储量超过1 0 0 0 0 亿吨以上，可采储量在 1 l o o 亿吨以上。煤多油少是能源赋存条件的基本特点，确立我国的能 源安全战略，必须从这一基本条件出发。预计未来1 5 年，煤炭消耗在 一次能源结构中仍然会占6 0 以上“1 。2 0 0 5 年我国能源消耗总量达到 2 2 2 ，4 6 8 万吨标准煤，居世界第二位，在能源消费结构中，煤品燃料 占6 8 7 ，在我国的能源消耗中起主导作用。高效合理的释放各种赋 存条件下的煤炭资源，将对我国的能源战略安全起到重要的作用。 在我国的煤矿中。建筑物下、水体下、铁路下”压煤情况比较严 重。据1 9 8 2 年底的不完全统计，我国统配煤矿。三下”( 建筑物下、 水体下、铁路下) 压煤总量为1 3 3 4 8 亿t ，其中水体下压煤1 9 亿t ，占 整个压煤量的7 0 1 止到2 0 0 1 年，水体下采出煤量仅为1 9 7 亿t 。因此，在我国能源短缺的前提下，解决水体下采煤无论是理论上、 技术上，还是在经济上，对发展煤炭科技和国民经济建设都具有十分 重要的意义。 1 2 水体下采煤的的国内外研究和应用现状 4 0 多年来，我国水体下采煤，不仅解放了大量水下煤炭资源，还 获得了一定经验，发展了理论，形成了一套具有我国特点的理论体系 即是从分析水体类型、特征、赋存条件及上覆岩层的水文地质条件 、地层结构入手，并根据地质采矿条件预计覆岩冒落带、导水裂隙带 的高度、空间形态，掌握覆岩的移动破坏规律及两带与上覆水体之间 的联系，从而确定煤层合理的开采上限。我国的水体下采煤具有采深 、采厚比值小、开拓方法多等显著特点。在确保矿井生产安全的条件 下，实现资源利用的最大化和水资源的保护。 自5 0 年代以来，我国许多的矿井开展了各类水体下采煤的试采研 究工作，各类地面大型水体下采煤获得成功，都为水库下安全回采积 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 累了一定的经验。 山东小汶河下采煤、安徽淮河矿物局在淮河下采煤，资江煤矿在 资江河漫滩下采煤等都取得了成功。 龙口矿业集团北皂煤矿正在开展我国海下采煤的首次探索，龙口 矿区煤田延伸至海下煤田面积约1 5 0 k m 2 ，储量约8 亿t 。至2 0 0 4 年3 月 北皂矿井下海域已掘巷5 4 0 0 m 北皂煤矿海域工程是我国第一个海下 煤田，2 0 0 5 年6 月，龙矿集团北皂煤矿海域首采面试生产正式开机， 打破了我国无海下采煤的历史 我国的淮南、邢台等矿物局，都曾在巨厚冲洪积含水层、急倾斜 煤层的各种艰难复杂条件下成功的进行了水体下的采煤工作，但在水 库下采煤只有广东石壁塘煤矿 石壁塘煤矿在上官水库下开采1 0 煤、9 煤和7 煤共3 个煤层， 单层厚度o 9 9 1 1 2 m 。上官水库水域面积3 5 0 k m 2 ，库底标高+ 1 6 0 + 1 6 5 m 。1 0 煤、9 煤开采上限+ 6 0 m ，7 煤开采上限+ 8 0 m 。石壁塘煤矿 覆岩岩性属坚硬类型，煤层的厚度及倾角较稳定块段采用走向短壁采 煤方法。分层、分段间歇开采，间歇时间是3 6 个月。石壁塘煤矿 的矿井涌水量2 6 1 l o m 3 h 。地表最大下沉量3 0 7 m m ，下沉系数0 1 1 。 在1 0 煤开采过程中，采用钻空冲洗液法和钻空测漏仪法对“两带” 高度进行了观测，结果见表1 - - 1 、1 2 ： 表l l石壁塘煤矿水库下煤层开采块段开采参数表 煤层开采范围防水煤柱采出面平均采煤层倾 编号 区段走向垂高( m ) 积比率厚( m )角( 。) 高长度( ) l o8 0 4 8 0l o o4 01 4 44 l 98 0 4 8 01 0 0 6 2 1 5 44 0 7l o o4 5 0g o5 8 o 9 1 3 8 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表1 - - 2 石壁塘煤矿水库下煤层开采覆岩破坏观测成果： 孔号孔位终孔时间采高煤层冒落带导水裂隙带 终采时间 ( m ) 倾角 高度与采高度与采 ( 。) ( m )高比( m )高比 距风 巷 ll o m1 9 8 5 1 2 1 9 距切1 9 8 5 1 0 0 91 7 54 58 5 65 74 6 62 6 6 眼 3 5 m 距风 巷 2 2 0 m1 9 8 5 1 2 3 0 距切 1 9 8 5 0 8 0 90 4 54 52 0 44 5 1 5 93 5 眼 2 5 m 国外进行水体下采煤的国家很多，英国、日本等国依据开采实践 ，规定了海底距煤层的最小安全距离，同时用水体下隔水岩层的最大 变形值是否大于其极限变形值来衡量其隔水能力。 波兰作为世界上十大主要产煤国家，由于其城镇、铁路、水体等 压煤众多，历来十分重视“三下”采煤工作。其岩移理论及“三下” 采煤技术一直处于世界领先水平，拥有一大批世界一流的岩移理论学 者，我国的岩移理论及。三下”采煤技术基本上是在波兰学者的理论 基础上结合中国的实际完善和发展起来的 水库下开采煤炭资源，前苏联的煤矿规程中，针对水库下采煤的 最小采深采高比，根据泥岩、粘土和淤泥层厚度占覆岩厚度的百分比， 按开采的煤层厚度、开采深度做了明确的规定，见表l 一3 ： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 表l 一3前苏联水库下采煤安全深度规定 泥岩，淤泥、粘土层占覆岩厚度的百分比( ) 采0 2 02 l 4 04 1 6 06 l 8 08 1 1 0 0 高采深 深采深深采深深采深深采深深 ( m ) 高 ( m ) 高 ( m ) 高 ( m ) 高 ( m )高 1 06 06 05 05 55 05 04 54 74 04 0 1 59 06 08 05 3 7 5 5 07 04 56 04 0 2 o 1 1 55 8 1 0 5 5 2 9 5 4 88 54 38 04 0 2 51 2 55 01 1 54 61 0 5 4 2 9 5 3 88 53 4 3 01 4 04 71 3 04 31 1 53 81 0 53 59 03 0 3 5l5 0 4 3 1 4 04 0 1 2 5 3 6 l l o3 19 52 7 4 o1 6 04 01 5 03 s1 3 52 4 1 2 03 01 0 52 6 水库下压煤与建筑物下、铁路下压煤的不同特点是若发生库水溃 入井下将造成淹井事故，波及范围更大、经济损失和人员伤亡更严重 我国在各类水体下开采时，曾发生诸如在提高开采上限、陷落柱，老 空区、钻空、断层等情况下的水还影响，因而在水库下开采必须引起 高度的重视。 1 3 本论文研究的技术路线和主要内容 本论文主要目的就是满足地面水库水体不渗入并下的同时，确定 大平煤矿水库下的开采方案。 地下煤层开采后，覆岩产生应力的再分布，使覆岩产生移动破坏 ，不同的采矿方法和顶板管理方法，使上覆岩层的破坏特征不同。若 采用冒落法管理顶板，上覆岩层则形成三个采动影响带，即冒落带、 裂隙带、弯曲带水体下采煤主要研究的是冒落带与裂隙带的变化破 坏特征和弯曲带的隔水性能 因此，研究岩石的特征与移动规律对控制地表下沉，保护水工建 筑物，保证井下生产安全，防止矿井事故，提高经济效益都十分的有 辽宁工程技术大学硕士学位论文 益。 水库下开采与其它水体下开采有其自己的特殊性，水库水体属于 地表水，这类水体能否进入井下，主要取决于巷道距离水体的远近和 水体与巷道之间的地层及构造，其次才是所采用的采煤方法。一般而 言，若采用普采、综采等常规方法，对整个煤体上覆岩层的破坏较小 ，上覆岩层的“三带”发育不完全，可以对地表水库水体涌入井下起 到较好的阻隔作用，而采用综放开采时，上覆岩层的“三带”破坏相 对较严重，易于增加矿井涌水量。从动态角度看，水库水体属于静态 水，这类水体与河流、湖泊、海洋等动态水体想比较，具有较大的可 控性。在进行水库下开采时，主要是针对水库及周边一定范围能的上 覆岩层的变化进行观测，较容易得到合理的安全开采条件，但对动态 水而言，就要对井田范围内的、水体所流经的所有区域有一个定性、 定量的观测，从而才能确定合理的安全开采条件。 在水库下采煤时，由于煤层开采后，顶板岩层冒落和产生裂隙， 使地表水库水体进入井下，又由于水库水体对采矿的威胁最大，所以 在采矿过程中必须查清水库水体的大小、距离巷道的远近( 垂直、水 平) ，以及最高洪水位淹没的范围等，事先采取有效的措施，以避免 水库水体的危害。 本论文主要的研究内容为： ( 1 ) 以铁煤集团大平煤矿水库下开采作为对象，研究由于煤层开 采所引起导水裂隙带高度的变化规律。 ( 2 ) 结合覆岩破坏与覆岩结构及其含水性分析的结果，按照相关 的规程制定开采措施，通过现场工程实践，验证探测与理论研究 的正确性，并对在水库下开采时，矿井的涌水量进行预测。 ( 3 ) 在对覆岩结构进行探测，统计分析的基础上，进行研究分析 覆岩结构、岩性、含水性、基岩厚度分布，为制定该矿井合理的 开采方法及合理的技术措施等提供依据。 ( 4 ) 对水库下采煤方案进行选择与优化，并对实际应用效果进行 辽宁工程技术大学硕士学位论文6 分析 辽宁工程技术大学硕士学位论文7 2 水库下开采方案的研究原则、方法及技术措施 2 1 水库下开采的研究原则和方法 开采方案的设计本着既能充分考虑最大限度减少资源的丢失、 提高回收率，又能使对地表水库水体的影响程度最小，保证矿井安 全生产，从而降低煤矿赔偿与维护的费用、获得最高经济效益的原 则，选取最佳的方案。在水库下进行安全采煤时，由于开采引起的 岩层与地表移动，水库水体和泥砂很可能溃入井下，威胁煤矿安全 生产，为保证不发生灾害性透水、透砂事故，应采取适当的措旌， 确立合理的研究原则和方法 水库下开采方案的研究原则： ( 1 ) 开采资源所带来的利润高，具有较好的综合经济指标。 ( 2 ) 煤炭损失少，采区采出率高 ( 3 ) 水库水体属于静态水体，采动影响后，对地表水库影响程度 小。 ( 4 ) 按国家“三下”开采规程留设防水煤岩柱，防止河水大 量涌入井下。 ( 5 ) 有利于采区接替，采区服务年限长 ( 6 ) 采区系统具有较高的安全可靠性 在进行水库下开采时，采取适当的开采技术措施，减轻覆岩破 坏影响，并与留设安全煤柱相配合，达到水库下安全开采的目的 1 】 o 水库下开采的常见方法： ( 1 ) 分层间歇开采 分层间歇开采是将原煤层按倾斜分层或按水平分层进行开采的 开采方法。它能使覆岩的破坏高度比一次采全厚的破坏高度小的多 ，同时使增个覆岩形成均衡破坏，防止了不均衡破坏对上覆水库水 体的影响。对于厚松散层下浅部煤层开采或安全煤岩柱中基岩厚度 较小的条件，分层间歇开采具有明显的效果。采用分层间歇开采有 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 许多安全优势，但是开采效率低，上、下分层同一位置的回采时问 间隔也比较长，一般大于4 6 个月，并且伴随覆岩的坚硬程度，间 隔的时间还要相应加长 ( 2 ) 综合放顶煤开采 综合放顶煤开采技术是一种高产、高效、新型的开采厚煤层的 采煤方法，即在煤层的下部布置一个中厚采高的工作面，随着工作 面的推进，在前方支承压力作用下，使工作面上部的煤体压裂破碎 ，并在支架尾部切顶线附近冒落运出的采煤方法。 在水体下使用放顶煤开采工艺，使采场的上覆岩层活动规律及 结构特点发生了较大的变化，造成了明显的矿压突现。由于在水体 下使用综放开采使煤炭一次的采出厚度加大，开采强度也随之增加 ，采动破坏性影响明显加剧，对水体下安全采煤产生重大影响，具 体应采区一定的技术措施，把工作面涌水量控制在保证安全生产并 且取得良好经济效益的水平上，从而最大限度的开采水体下压煤。 根据我国主要矿区放顶煤工作面采出率统计，采用放顶煤方法开采 煤层，工作面采出率平均达8 4 1 4 。 在水体下采用综合放顶煤开采，使近年来发展起来的新兴的开 采方法，在一定的安全范围内，由于具有采出效率高、掘进巷道少 等优势，目前也被广泛使用。” ( 3 ) 充填开采 采用充填法管理顶板是水体下采煤的有效措施之一，可以减少 安全煤岩柱的尺寸，降低开裂性破坏高度但是充填开采增加了井 上下充填系统及相应的设备及设施，从而加大了建设投资：生产过 程中消耗大量的充填材料、管材、钉砂门材料及充填水，大大提高 了吨煤成本；充填工艺复杂，全部人工操作；采煤工艺落后，很难 实现机械化，劳动效率低。所以它的作用及应用已经逐渐被全部跨 落法所取代，在大平煤矿南二采区也不予考虑。 ( 4 ) 分区开采 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 在水体下回采以前，在采区与采区之间设置隔离煤柱或永久性 隔离闸门，或利用独立的井口或采区进行单独开采。在浅部开采和 水源补给充足的条件下适用此方法，大平煤矿南二采区不属于浅部 开采，水源的补给也不充足，所以这种方法也不予考虑。 2 2 水库下开采的技术措施 水库下采煤问题可以采取3 种技术措施：留设安全煤岩柱、处 理水体和采取开采措施。有时单独选用其中的一种，有时则需要其 中的两种或三种措施配合使用，这要视具体条件而定。 ( 1 ) 留设安全煤岩柱 在煤层至水体底面垂直距离很近的条件下，必须在水体和煤层 开采上限之问留设一定垂深的岩层块段和煤层，称为安全煤岩柱。 根据防水、防砂和防塌的不同要求，安全煤岩柱可分为防水安全煤 岩柱、防砂安全煤岩柱和防塌煤岩柱留设安全煤岩柱的实质是确 定和理的开采上限，保证导水断裂带或垮落带不波及水体这个开 采上限，对水平的煤层群来说是某一煤层，对于倾斜煤层来说是煤 层的某一标高“” a 留设防水安全煤岩柱 在水体底界面至煤层开采上限之间所留设的防止水体中的水 溃入井下的煤和岩层块段称为防水安全煤岩柱。防水安全煤岩柱的 高度等于预计的导水断裂带最大高度加上适当的保护层厚度，保护 层厚度可按表3 1 选取。 如果煤系地层无松散层覆盖或采深较小，在留设防水安全煤岩 柱时还应考虑地表裂缝的深度如果松散层为强或中等含水层，其 直接与基岩接触，而基岩风化带也含水，在留设防水安全煤柱时应 考虑基岩风化带的深度，基岩风化带厚度根据勘探资料确定。 辽宁工程技术大学硕士学位论文l o 表2 1防水安全煤岩柱的保护层厚度 覆岩性质松散层底部粘松散层底部粘 松散层底松散层全 性土层厚度大性土层厚度小部无粘土厚小于累 于累计采厚于累计采厚层计采厚 坚硬 4 a5 a7 a6 a 中硬 3 a4 a6 a 5 a 软弱 2 a3 a5 a4 a 极软弱 2 a 2 a 4 a 3 a 注：么= 时栉；膨一一累计采厚；n 一一分层层数 b 留设防砂安全煤岩柱 在松散弱含水层底界面至煤层开采上限之间为防止流砂溃入 井下而保留的煤和岩层块段称为防砂安全煤岩柱。留设防砂安全煤 岩柱的前提是，允许导水断裂缝带波及松散层但不能让其中的冒落 带触及松散层低部。防砂安全煤岩柱适用于水体和煤层之间有隔水 层的条件。在防砂安全煤岩柱下开采时，可能会导致矿井涌水量增 加，但由于隔水层的作用，不会发生溃水溃砂事故。 防砂安全煤岩柱高度等于垮落带高度加上保护层厚度。在开采 急倾斜煤层时，一般只留防水安全煤岩柱只有在十分有利的条件 下，才留设防砂安全煤岩柱，并且在留设时一定要考虑到煤层本身 的抽冒及重复采动的影响。 c 留设防塌煤岩柱 在松散粘土层和已经疏干的松散含水层底界面与煤层开采上 限之间为防止泥砂溃入采空区而保留的煤和岩层块段称为防塌煤 岩柱。留设防塌煤岩柱时是允许导水断裂带和垮落带波及松散弱含 水层底部的，所以在开采过程中采区涌水量会有所增加，但不会发 生灾难性的后果防塌煤岩桂只适用于以下条件： 水体规模小、补给不充分，或地表水体虽然规模大但系季 节性水体，并已对补给来源进行了处理 辽宁工程技术大学硕士学位论文 具有多层结构的第四纪、第三纪厚松散层，且松散层底部 为弱含水层，特别是当煤系地层上直接覆盖弱含水层的第四纪、第 三纪砂层时。防塌煤岩柱的垂高等于冒落带高度。此时不保留保护 层。 ( 2 ) 保护层厚度的选取 除了防塌煤岩柱以外，留设防水安全煤岩柱和防砂安全煤岩柱 时都要考虑保护层问题。考虑保护层实际上是增大安全煤岩柱的安 全系数。根据前述关于岩层隔水性的分析，对坚硬的岩层，保护层 要留得厚些，对软弱岩层可以薄些 a 在缓倾斜和倾斜煤层开采条件下防水安全煤岩柱中的保护 层厚度可按表( 上) 中的数值选取。防砂安全煤岩柱中的保护层厚 度可按下表中的数值选取。 表2 2防砂安全煤岩柱中的保护层厚度 覆岩性质松散层底部粘性土层或弱含松散层全厚大于累计 水层厚度大于累计厚度采厚 坚硬4 a2 a 中硬 3 2 软弱 2 a2 a 极软弱2 a2 a b 急倾斜煤层开采条件下防水安全煤岩柱和防砂安全煤岩柱 中的保护层厚度可按下表中的数值选取 表2 3急倾斜煤层防水及防砂安全煤岩柱的保护层厚度 煤层倾角 口= 5 5 。7 0 口= 7 r 9 0 。 埋藏条件 a b cdabcd 坚硬2 02 21 81 5 2 22 42 01 7 中硬1 51 71 31 01 7 1 91 51 2 软弱 1 01 2851 21 41 07 注：a 一一松散层底部粘土层厚度小于累计采厚； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 b 一一松散层底部无粘土层； c 一一松散层全厚为小于累计采厚的粘性土层； d 一一松散层底部粘性土层大于累计采厚； ( 3 ) 水体处理措施 处理水体是水体下采煤的一项有效而又常常是迫不得已的措 施。例如，在巨厚松散层下开采急倾斜煤层时，必须将松散层中的 水疏干，使残余水位达到某一标准以下后才允许开采。水体处理措 施主要包括两个方面：疏降水体和处理水体补给来源。 a 疏降水体 当回采上限接近松散含水层或煤层直接顶板即为含水层时，必 须适时地对水体采取疏降措施疏降水体可以在煤层回采以前或回 采过程中进行。煤层直接顶板若为强含水层或松散层为富含水层 时，宜采取预先疏降的办法；若为弱含水层，可边才边疏降。疏降 水体措施的优点是煤炭回收率高，生产安全；缺点是必须增加疏排 水设备及必要的辅助工程，增加煤炭成本。有时由于疏降水体改变 了水体的自然循环，以致影响工农业生产及人民生活。疏降水体有 多种方法 钻孔疏降应用最为普遍的疏降方法。可以在工作面上方 地表打大口径钻孔，安装深井泵，排水疏降。亦可在工作面上下巷 道内向煤层顶、底板含水层打钻孔，放水疏降。 巷道疏降。把运输大巷、石门和上，下山等主要巷道布置 在需要疏降的含水层内，利用巷道揭露岩溶裂隙水和溶洞水等基岩 水，采用大泵量捧水，降低水位。 联合疏降根据地质采矿条件、含水层特点及矿井开拓布 局先掘进疏水巷道或石门，然后再在其中打钻孔穿透含水层放水 有时直接在地面打直通式放水钻孔，穿透放水石门，安装放水设施， 进行疏干降压。 回采疏降。采煤后工作面的涌水顺着运输巷道自动捧出， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 达到疏降水体的目的。回采疏降适用于弱含水层和补给来源有限的 含水层。当回采上限接近含水松散层时，可以先采回采上限以下较 深处的煤层，以利于疏干含水层，然后再提高开采上限，回采浅部 煤层 多矿井分区排水联合疏降。根据矿区地下水连通性强的特 点，有时单一矿井集中排水疏降比较困难，甚至不可能，采用多矿 井分区捧水联合疏降的办法，共同分担排水量，有利于水位迅速下 降，为水体下采煤创造条件 b 处理水体补给来源 处理水体补给来源，就是在回采前用水文地质、工程地质方法 对补给水体的主要来源进行处理。一般采取堵截、防渗、改道泄水 等措施。 帷幕注浆堵水利用成捧的钻孔将粘土、水泥等材料注入 含水层中，形成地下挡水帷幕，切断地下水补给的通道。在含水层 厚度较小但流量较大、水文地质条件清楚并具备可靠的隔水边界的 条件下适于采用这种方法。 巷道截水。对于山地矿区或露天矿区，在岩层内部开凿专 门巷道截水，是切断含水层补给的一种方法。例如，在山地矿区， 为了拦截松散层水，可在松散层底部的基岩表面开凿嵌入式截水巷 道摔出地下水。 地面防水地面防水的措施有筑拦洪坝、建水库、挖鱼鳞 坑、铺河床、架渡槽、设围沟、修水库、捧内涝等。 ( 4 ) 覆岩破坏的观测 覆岩破坏观测包括垮落带高度和形态及导水断裂带高度和形 态的观测。 a 垮落带高度的测定。在回采工作面靠近采空区一侧，用可 伸缩的测尺和半圆仪测量初次冒落空间的最高点至切顶线的倾斜 长度并计算垮落带高度。随着工作面的推进，在工作面上进行若干 辽宁工程技术大学硕士学位论文 次观测，每次观测若干个剖面( 例如在工作面的上、中、下各个部 位) ，然后取其平均值作为最终观测值。 b 钻孔冲洗液法。钻孔冲洗液法是在采空区上方地表布置一 定数量的观测钻孔，在钻孔钻进过程中，测定冲洗液的漏失量和钻 孔水位的变化，记录各种异常现象，经过综合分析确定导水断裂带 和冒落带的形态及高度。钻孔一般布置在采空区回风巷两侧1 0 2 0 m 范围内，以采空区一侧为主。观测孔一般不少于3 个。如还需 确定导水断裂带的分布形态，则应沿煤层走向和倾斜方向布置由若 干个钻孔组成的观测线，观测线应布置在主断面上。倾斜观测线上 的观测钻孔，应距开切眼3 0 5 0 m ，距停采线2 0 3 0 m 除在采空 区中央设一钻孔外，在回风巷和运输巷附近也必须布置钻孔。钻孔 施工观测的时问应在导水断裂带发展到最高点的时候，一般在回采 后l 2 个月内由地面打钻。钻孔通过含水层时应下套管。下套管 之前，在松散层内钻井时应使用浓泥浆作冲洗液，以保护孔壁，避 免坍塌下套管后，在基岩内钻进时可用清水作冲洗液。全部观测 工作完成后，应用水泥砂浆封闭全孔观测内容除应记录钻进时间 和钻进深度外，应观测钻孔冲洗液漏失量、钻孔水位、钻井过程中 的各种异常现象，并鉴定岩芯，判断岩层层位、岩性、产状，并描 述岩芯破碎状态 c 钻孔水位测定法沿煤层走向布置一组水文观测孔钻孔 深度沿工作面推进方向由大变小钻孔的间距和深度视地形条件、 覆岩性质、预计导水断裂带高度及计划施工的钻孔个数而定。对于 每个含水层均应布置一个钻孔终孔位置在含水层的底板。钻孔的 施工应在受到采动影响之前完成。钻孔中水位的动态观测要在工作 面接近、越过、远离钻孔直到地表移动稳定的全过程中进行每周 观测一次，记录测量时间、钻孔水位及工作面位置。通过对钻孔水 位观测资料的分析，就能了解导水断裂带的发展过程，并推断其最 大高度如果钻孔水位无明显变化或下降后马上又回升，说明导水 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ， 断裂带没有波及钻孔底部。 d 钻孔流量测定法。利用覆岩破坏后渗透性增强这一特征来 测定覆岩破坏高度，对比采前和采后涌水、吸水的变化，以确定渗 透性增强的上界，即导水断裂带的起点钻孔中地下水纵向流量用 钻孔流速仪或钻孔测漏仪来测定采前的测量在终孔水位稳定后进 行，采后的测量在覆岩破坏基本稳定后进行这种方法要求钻孔的 终孔深度超过预计的导水断裂带顶点，但不能触及冒落带。此外， 可用物探方法测定导水断裂带高度。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 3 地下开采覆岩移动破坏规律 3 1 水体下采煤的基本原理 在确定某一煤层或煤层群的开采方案时，首先要分析开采煤层 或煤层群上覆岩层的垮落带和导水断裂带的高度及其形态，最大高 度的发育时间等等，然后根据这些分析来确定煤层或煤层群的开采 上限，或者说是确定合理的安全开采深度1 开采上限是指煤层开 采的最高标高。安全采深是指煤层安全开采最大标高的深度提到 开采上限就要确定煤层或煤层群的安全煤岩柱的留设高度，一方面 要保证水体下安全采煤，另一方面要尽可能地减少留煤岩柱所造成 的煤炭资源损失。除了这些需要确定外，地表的下沉值、矿井涌水 量、上覆岩层移动观测钻孔布置及相关参数、观测方法等都需要确 定。本章主要就是从理论上确定这些参数的确定方法和分析影响其 确定的相关因素 首先对水体下采煤的总体情况进行分析，然后在逐个参数进行 确定。地下开采引起的岩层与地表移动能使开采煤层里的水、溶洞 水以及位于开采影响范围内的地表水和泥砂溃入井下，威胁煤矿安 全生产。因此，在水体下采煤时必须采取适当措施，保证开采过 程中不发生灾害性透水、溃砂事故，避免因矿井涌水量突然增大而 严重地恶化井下工作环境。 3 1 1 水体下采煤的特点 进行水体下采煤首先要分析开采引起的覆岩中的裂缝是否互 相连通以及相互连通的裂缝是否波及到水体。因此，研究覆岩破坏 规律，特别是能够导水的冒落带和裂缝带的高度及其分布形态至关 重要。在许多情况下尽管地表产生较大的移动和变形、甚至出现 裂缝，但只要这些裂缝在某个深度上是闭合而不构成井下涌水通道 ，就不会发生透水事故。 水体下采煤时的保护对象主要是矿井本身，即保证在水体下开 采时矿井的安全。只有在必要时才考虑水体及其附属设施的保护。 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 7 因此，在进行水体下采煤时应着重研究如何防止水体和采区之间形 成透水的通道、造成井下突水事故；在水体与采区之间构成水力联 系无法避免时，如何使其引起的矿井涌水量小于矿井排水能力。 3 1 2 水体下采煤的可行性 进行水体下采煤，除要考虑开采引起的覆岩中的裂缝是否互相 连通以及互相连通的裂缝是否波及到水体外，还要分析在受开采 影响后，防水煤岩柱是否还具有足够的隔水性能。合理地确定煤层 的开采上限，正确地开采方法和防护措施，以期做到既能最大限度 地采出煤炭资源又能确保矿井的安全 ( 1 ) 覆岩的隔水性 覆岩的隔水性与其岩性、岩相及构造面等因素有关。 覆岩的岩性 岩性是评价覆岩隔水性最重要的依据。影响覆岩隔水性能的主 要因素是岩石颗粒的大小及其胶结形式颗粒越小，级配越适当， 隔水性能就越好一般情况下，粘土所占比重是衡量隔水性的简易 指标。粘土比例大于3 0 的岩层是良好的隔水层；粘土含量为l l 3 0 的岩层可作为相对隔水层；粘土含量少于1 0 的岩层隔 水性能很差；粘土页岩和泥质页岩等塑性岩层隔水性能较好相对 而言，第三纪粘土层的隔水性能优于第四纪粘土层，松散层内深部 粘土层的隔水性优于浅部粘土层，这是由于沉积年代不同压实程度 也不相同的缘故。 岩相 岩相是指沉积岩形成的条件和环境岩相特征是评价沉积岩隔 水性能的依据之一就隔水性而言，其优劣顺序是；海相、湖泊相、 风成沉积相、河流冲积相、冰水沉积相 结构面 结构面主要指原生结构面、构造结构面和次生结构面。它们既 是评价岩层物理力学特征的重要因素，又是评价岩层体系隔水性的 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 8 重要因素。有时一个结构面能单独成为隔水层。原生结构面如层面， 一般是层状分布，其延续性强，导水性不好。构造结构面如断层面， 有的断层面本身有含水性和导水性，并成为岩性强度的薄弱环节， 有的断层本伸能隔水，且能把统一性的水体分割成为彼此独立的分 散性水体。断层的隔水性和导水性主要取决于断层所切割岩层的力 学性质和断层面间的充填程度。次生结构面一般指风化岩层中的界 面。有些风化带是良好的隔水层，即使受到重复采动仍能保持其隔 水性能，但也有一些风化带隔水性能不好，因此，对风化带的隔水 性，需要具体分析。 ( 2 ) 地下开采对覆岩隔水性的影响。 在大面积开采的影响下，覆岩的天然隔水性遭到不同程度的破 坏，破坏程度首先取决于隔水岩层与采空区的相对位置。隔水层与 煤层紧贴或临近，且位于冒落带时，其隔水性被完全破坏。隔水层 远离煤层，位于整体弯曲带内时，除了隔水层下部的隔水性会受到 暂时的影响外，整个隔水层的隔水性基本上不受破坏。覆岩内水的 深透性是有规律变化的。这是因为煤层围岩的隔水性与采动程度和 岩层变形性质有关。在水平拉伸区，岩层会发生竖向的张开裂缝， 从而隔水性遭到破坏。在水平压缩区，其隔水性基本上不改变。在 采动影响下，岩层本身的物理力学性质对隔水性的影响表现为刚性 和脆性的岩层隔水性易遭到破坏，具有韧塑性的岩层隔水性不易被 破坏，或者破坏后能够重新得到恢复 ( 3 ) 影响覆岩破坏及其导水性的因素： 研究水体下采煤时要弄清导水断裂带的分布形态和最大高度。 影响覆岩破坏及其导水性的因素有许多，其中有些因素的影响可以 定量的描述，有些只能定性地加以说明 a 覆岩力学性质和结构特征 如果工作面上覆岩层为脆性岩层，岩层开采后很容易断裂，覆 岩破坏高度大。如覆岩为塑性岩层，采煤后不易断裂、但容易下沉， 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 9 能使冒落岩块充分压实，最终覆岩破坏高度较低对水体下采煤来 说，软弱的覆岩比坚硬的覆岩有利覆岩中上、下与坚硬、软弱不 同性质岩层的不同组合，即覆岩的结构特征对覆岩破坏高度的重要 影响。 坚硬一一坚硬型。 煤层的直接顶板弯向采空区并发生块状垮落，上部的老顶岩层 由于坚硬不易弯曲下沉，开采空间靠垮落碎胀的岩块来充填，加之 坚硬岩石断裂后不易闭合，覆岩破坏高度最大。据观测，这种条件 下导水断裂带的高度可达开采厚度的1 8 2 8 倍。如果直接顶和老 顶岩石的碎胀系数都小，垮落过程发展得最充分，则导水断裂带的 高度可达采出厚度的3 0 3 5 倍 软弱一一软弱型。 煤层直接项软弱容易垮落，工作面放顶后采空区立即被垮落岩 块充填。在垮落工程中，老顶也随之迅速弯曲下沉并坐落于垮落岩 块之上，开采空间和已垮落的空间不断缩小因此，垮落过程得不 到充分的发展。导水断裂带的高度较小，一般为开采厚度的9 1 1 倍。煤层上方有含水松散层覆盖，同时工作面又接近基岩风化带的 情况，以及厚煤层分层开采出现重复采动后的顶板也应属于软弱一 一软弱型。 软弱一一坚硬型。 煤层直接项为软弱岩层而上部为坚硬岩层直接项随着开采及 时垮落，但坚硬的老顶板像板梁一样横跨在直接顶板之上，老顶下 沉量小于直接顶下沉，开采空间主要由碎胀的垮落岩块充填，垮落 发育充分，导水断裂带一般能达到老项的底面。 坚硬一一软弱型。 与软弱一一坚硬型的情况相反，工作面放顶后直接顶首先垮 落，而软弱的老顶随之下沉压实垮落岩块，因此导水断裂带高度较 小在巨厚冲积层下开采时顶板条件属于这种类型。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 软弱一一坚硬型和坚硬一一软弱型覆岩，哪一种较为有利于水 体下采煤。要看软弱岩层所占的比重，软弱层比重越大越有利 b 采煤方法和顶板管理方法 采煤方法对覆岩破坏的影响，主要表现在开采空间的大小和采 空区内垮落岩块的不同运动形式开采缓倾斜煤层，采用单一走向 长壁采煤法和倾斜分层走向长壁下行采煤法，一次采搞不大，垮落 岩块不易产生再次运动，覆岩破坏的规律性明显，这对水体下采煤 是有利的。开采急倾斜煤层时，采用水平分层人工假顶下行采煤法 和沿走向推进的伪倾斜柔性掩护支架采煤法时，采区沿走向长度 大，阶段垂高小，两个分层( 或区段) 之间的回采间隔时间长，采 空区内垮落岩块容易被压实同时，人工假顶将采空区与工作面隔 开，限制了超限采煤，而遗留在采空区内的煤柱和顶底煤能有效地 阻止垮落岩块滑动，使覆岩破坏具有明显的规律性。这有利于水体 下采煤。若采用落垛式采煤法、仓房式采煤法及沿倾斜下放的掩护 支架采煤法，容易引起采空区垮落岩块的再次运动，形成局部集中 超限采煤，造成上边界煤柱抽冒，使垮落带有可能达到煤层露头， 这些不利于水体下采煤。 项板管理方法决定了覆岩破坏的基本特征。垮落法使覆岩破坏 最为充分，对水体下采煤不利。充填法管理顶板在充填质量上好时， 煤层的直接顶可以不发生垮落，但往往是充填并不密实，加之充填 材料本身受压后收缩，覆岩仍产生下沉和断裂。与垮落法比较，此 时的导水断裂带高度要小得多1 采用煤柱支撑法( 条带法、房柱 法和刀柱法) 管理顶板时，若所留煤柱能够支撑住顶板，尽管开采 部分的顶板局部垮落，导水断裂带还能孤立存在且高度很小。如果 所留煤柱太窄，煤柱会被压垮，此时的覆岩破坏高度与垮落法无异 有时为了提高煤柱的稳定性，对开采空间进行充填，以便给煤柱侧 面以支持力，增加煤柱的支撑能力。 c 煤层倾角 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 l 煤层倾角对覆岩破坏影响主要表现在使覆岩破坏产生不同的 形态”3 。 开采水平煤层及缓倾斜煤层( a = 0 3 5 度) 。在这种开采 条件下，垮落带在上覆岩层重量作用下，中央部分压得很实，因此 导水断裂带呈中间低两端高的马鞍型，并且走向方向和倾斜方向的 导水断裂带的形态一致，只是高度较小当采区足够宽且开采厚度 相等时，采空区上方导水断裂带的高度处处相等。如果导水断裂带 接触到基岩风化带，导水断裂带的发育受到软弱的风化带的抑制， 马鞍型消失。 开采倾斜煤层( a = 3 6 5 4 度) 。在倾斜煤层开采条件下， 顶板垮落岩块落到采空区底板以后，由于自重力在平行于底板方向 分力的作用，岩块向采空区下边界滑动，并首先将下边界填满，抑 制了下边界顶板的继续垮落。而上边界空间由于岩块的流失而变 大，促进了项板的继续垮落所以，除了沿煤层项板法线方向的破 坏外，采空区上边界以上的岩层破坏显著增大。在倾斜方向上，垮 落带和导水断裂带呈抛物线拱形，而走向方向仍为马鞍型 开采急倾斜煤层( a = 5 5 9 0 度) 。在急倾斜煤层开采条件下， 覆岩破坏形态得到更加充分的发展，上边界处的破坏高度更高，下 边界处的破坏高度更低，破坏范围由抛物线拱形渐变为拱形。同时， 由于煤层倾角太大，上边界的煤柱常因失去垮落岩块的支撑而更容 易抽冒，这相当于提高了开采上限。煤层接近自立时，底板也发生 破坏。 d 开采面积与厚度。 从覆岩破坏角度来说，垮落带高度达到最大值所需的开采面积 比地表达到充分采动所需的临界面积要小得多。煤层开采后，垮落 带高度随工作面的推进不断增高。当工作面推进一段距离后，垮落 带高度达到该条件下的最大值。以后尽管开采面积继续扩大，但垮 落带高度不再增加。这种情况与地表达到充分采动以后最大下沉值 辽宁工程技术大学硕士学位论文 不再增加相类似。 开采厚度对覆岩破坏的影响是直观的。开采缓倾斜煤层时，覆 岩破坏主要出现在煤层顶板法线方向。垮落带和导水断裂带与初次 采厚之间都表现出近似于直线的关系煤层厚度增大，垮落带和导 水断裂带高度也增大。 c 时间因素。 覆岩破坏一般落后回采，而垮落岩块的压实又滞后于垮落过 程。覆岩破坏的发展可以分为两个阶段：在发展到最大高度之前， 破坏高度随时问的推移( 即工作面的推进) 而增大。对于中硬岩层， 在工作面回柱放顶后l 2 个月内导水断裂带发展到最大值。对于 坚硬岩层，这段时间就更长一些。然后，导水断裂带随着冒落带的 压实而逐渐降低，降低的幅度与覆岩性质有关。覆岩坚硬，降低幅 度小：覆岩软弱，降低幅度大。时间因素的影响还表现在睡着时间 的增加，导水断裂带内的裂缝有可能闭合一部分而减小渗透性或恢 复其原有的隔水性能。在软弱岩层条件下这种恢复尤为显著 f 重复采动。 不管是煤层群开采第一层还是厚煤层开采第一分层，初次开采 总是改变了覆岩的力学性质，特别是强度性质，即岩层发生了软化， 使得以后的回采相当于在变软了的岩层内进行。因此从第一次重复 采动( 煤层群开采第二层、厚煤层开采第二分层) 开始，覆岩破坏 高度与累计开采厚度( 相当于分层数) 呈抛物线关系。实地观测表 明，许多情况下开采第一个分层以后，覆岩破坏高度已经达到重复 采动最终结果的一半。以后逐次重复采动实破坏高度增长率分别为 1 6 、1 1 2 、1 2 0 、l 3 0 当重复采动次数达到某一数值后， 继续进行的开采对覆岩破坏高度的影响就很小因此开采厚煤层 时，多分几层开采比少分几层开采有利。开采急倾斜煤层时，上、 下阶段之间的开采，实际上也构成了重复采动。开采第一阶段时的 覆岩破坏高度如前所述当开采第二、三阶段时，导水断裂带高度 辽宁工程技术大学硕士学位论文 随开采总垂高( 相当于重复采动次数) 增加而增加的幅度逐渐减小。 3 2 覆岩破坏高度的计算 覆岩破坏高度的计算，包括垮落带高度和导水断裂带高度的计 算，大多采用经验公式这些公式是根据大量的钻孔和巷道观测资 料用数理统计方法获得的。 ( 1 ) 垮落带高度计算( 适用于倾角为0 5 4 度的煤层) 。 根据覆岩性质的不同，垮落带高度计算有下列几种情况： 煤层顶板覆岩内有极坚硬岩层，采后能形成悬顶，垮落带 最大高度巩采用下式计算： 点k = m 搬k - 1 ) c o s a 】。( 3 一1 ) 式中m 一一煤层开采厚度； 。 k 一一冒落岩石碎胀系数，根据实测求得，一般为1 1 0 1 4 0 , 口一一煤层倾角。 厚煤层分层开采时垮落带最大高度采用表3 1 中给出的 经验公式计算。 表3 一l厚煤层分层开采的垮落带高度计算公式 覆岩岩性( 单向抗压强度i p a ，主要岩石 经验公式i 组成) 坚硬( 4 0 8 0 ，石英砂岩、石灰岩、砂质