煤矿覆岩破坏规律及近水体煤层开采技术.ppt

1、煤矿覆岩破坏规律及近水体煤层开采技术煤炭科学研究总院文学宽,一、覆岩破坏规律研究的目的 采掘工作面支护参数及井巷煤柱的合理留设； 水体下煤层开采可行性评价及开采上限合理确定； 煤层群上行开采的可能性和安全性评价； 高瓦斯、易自燃近距离煤层开采防灭火措施制定； “双突”矿井瓦斯预抽范围及解放层的选取； 采矿权重叠矿井安全评价,二、覆岩破坏的研究简史 覆岩破坏的研究只有近百年的历史。前苏联、德国、比利时、中国等国学者均进行了研究。近年来，由于研究方法、计算机的广泛和实测手段的应用，使覆岩破坏的研究进入了一个新的发展阶段，但由于覆岩的复杂性、现场实测条件的限制，至今未形成系统的理论。目前应用比较广泛

2、的理论或假说： 拱形垮落理论： 悬梁（或悬板）垮落理论： 垮落岩块碎胀充填理论： 垮落岩块铰接理论,三、覆岩破坏与采动影响 采动影响引起覆岩移动变形和破坏 采动影响是指回采引起的围岩活动现象及造成的种种损害，包括： 采动后岩层（岩体）和地表的应力变化； 采动后岩层（岩体）和地表整体性移动； 采动后岩层（岩体）和地表垮落开裂性破坏,采场采动影响的分布特征 在采用长壁全部垮落采煤法的情况下，采空区顶、底板岩层及所采煤层本身中的采动影响，按其性质及程度可分为三个区带，即：应力微变化区；微小变形与移动区；开裂垮落性破坏区。 以上这三个区带的范围大小主要受采厚、倾角、岩性、地层结构等影响。 下面以中等硬

3、度岩（煤）层为例，说明采场采动影响的分布特征,采场采动影响的分布特征,注：m采厚,覆岩切冒型破坏 破坏形态： 既不象有规律的“三带” 型破坏，又不象非均衡破坏那样逐渐向上抽冒，而是突然一次性的由煤层顶板直达地表。垮落下来的岩块与未垮落岩体之间的裂隙形如刀切。 破坏特点： 垮落岩体呈反漏斗形状； 单次垮落的面积大； 垮落范围小于开采范围； 地表下沉均匀，周边裂隙宽度达0.5m，深不见底,产生条件：覆岩整体性强，坚硬难冒，如大同矿区单向抗压强度80-200MPa。 开采煤层厚度大，开采深度小，如大同煤厚5-6m，采深100m以内,覆岩拱冒型破坏 破坏形态： 覆岩在局部地方或大面积发生垮落，但发展到

4、一定高度后形成悬顶、垮落的范围呈拱形。 破坏特点： 近煤层的顶板岩层受到破坏、远离煤层的顶板岩层不受到破坏； 采空区周围垮落高度小，中央垮落高度大，类似拱形； 垮落有时瞬时发生，有时是逐次发生； 产生条件： 开采范围小或巷道掘进时； 长壁开采初次放顶时； 垮落条带法开采； 急倾斜煤层回采区段的倾斜及走向长度较小,覆岩“三带”型破坏： 采用全部垮落法处理采空区的长壁工作面煤层采出后，从煤层直接顶板开始，由下向上依次垮落、开裂、离层、弯曲经过若干时间终止移动。从特殊开采需要出发、对移动期间和移动稳定后的上覆岩层，按其破坏程度的不同，大致可分为垮落带、裂隙带、弯曲带,覆岩垮落带破坏 长壁工作面回柱放

5、顶或移架后，与煤层毗邻的直接顶失去支撑力，垮落、破碎形成岩块堆，其特点： 不规则性。垮落带下部为不规则垮落。垮落带内岩块不能传递水平力，控顶范围内垮落带的岩层重量由支柱或支架支撑。 膨胀性。岩石的碎胀性使垮落带岩石的体积增大，使垮落带与未垮落顶板岩层下方的自由空间逐渐变小，使垮落不再继续。 高度控制因数。垮落带与煤层采厚、上覆岩层岩性、碎胀系数、煤层倾角和直接顶厚度,覆岩裂隙带破坏 垮落带之上的和整体移动带之间的岩层产生断裂或裂缝。其特点： 岩层破坏有规则：无论是垂直岩层面或平行岩层面的裂缝均使岩层保持原有的层状； 破坏程度分带明显：裂隙带在垂直剖面上分为：严重断裂、一般开裂和微小开裂。 破坏

6、高度与开采空间与时间关系：破坏高度随开采空间扩大而向上发展，达到最大高度之后，不再发展，并随时间推移，岩层趋于稳定。上部裂隙逐渐闭合，其高度随之降低； 重复采动减弱破坏程度：厚煤层第一分层以后的分层开采时，裂隙带高度上升的幅度和初次采动减小,覆岩弯曲带破坏 裂隙带上界至地表的岩层称为弯曲带，曾称弯曲下沉带或整体移动带。其特点： 垂直弯曲、水平受压、隔水性增强。岩层在自上而下沿层面法向弯曲，在水平处于双向受压，当岩性较软时，隔水性能增强。 岩层完整不存在破坏。岩层移动连续有规律，保持整体性和层状结构，不存在或极少存在离层裂隙。 上方地表形成下沉盆地。盆地边缘往往要出现长裂隙，其深度3-5m，一般

7、小于10m。裂隙宽度向下渐窄，至一定深度后闭合消失,覆岩“三带”型破坏的最终形态 覆岩“三带”型破坏形态不仅决定覆岩的破坏范围，而且决定破坏的最大高度。 以前认为采场与掘进巷道的覆岩破坏形态类似，均为中间高、四周低的拱形形态。 通过现场实测：长壁全陷开采缓倾斜煤层，当工作面初次放顶后，不再出现垮落拱，其形态与煤层倾角有关。按倾角划分为3种形态： 近水平、缓倾斜煤层：0-35； 中倾斜煤层：36-54； 急倾斜煤层：55-90,近水平、缓倾斜煤层覆岩破坏最终形态（0 35,除特别坚硬岩层其裂隙带两端边界一般会超出开采边界，呈马鞍形。其特点： 采空区四周边界略高。中间较低，两端较高，最高位于采空区

8、斜上方。 采空区中央破坏高度一致。采空区面积相当大，且采厚大体相等时，中央破坏高度基本一致。 垮落角、裂隙角大于移动角。采空区四周边界垮落带、裂隙带范围与开采边开采边界上水平面形成的垮落角和裂隙角比基岩移动角大,马鞍形产生原因： 煤层倾角小。 开采边界区和采区中央区的变形值不同。 工作端部和中部下沉量和下沉速度不一样,中倾斜煤层覆岩破坏范围最终形态（36 54,产生原因： 当煤层倾角为36-54时，采后垮落岩块落到采空区底板后，向采空区下部滚动，使采空区下部被垮落岩块填满，从而不再继续垮落。而采空区上部，由于垮落岩块的流失，等于增加了开采空间，故破坏高度大,垮落带、裂隙带破坏范围在倾斜方向上呈

9、上大狭小的抛物线拱形形态。但在走向方向上仍为马鞍形形态,急倾斜煤层覆岩破坏范围最终形态（55 90） 垮落带呈耳形或上大下小的不对称拱形，裂隙带形状与垮落带类似。其特点： 破坏性影响更加偏向于采空区上边界； 破坏范围有顶板、底板及所采煤层本身； 随煤层倾角的加大，垮落带、裂隙带范围逐渐转变为椭圆拱形形态。 产生原因： 开采倾角较大的急倾斜煤层时，由于垮落带岩块滚动下滑加剧，迅速充填采空区下部空间，限制了下部的垮落带和裂隙带向上发展。采空区上部、边界煤柱片帮、破碎、抽冒，使垮落带和裂隙带急剧向上发展,覆岩破坏范围最大高度 一、影响覆岩范围最大高度的主要因素 岩性软硬程度： 覆岩直接顶和基本顶都比

10、较坚硬的条件下，下沉量小，使垮落过程充分发展，“两带”高度大。而软弱岩层顶板松软破碎，随采随落，采空区易充满，覆岩下沉量大，“两带”变化小。为了便于进行覆岩破坏最大高度的计算，按覆岩单向抗压强度划分为四类,采高及厚煤层分层次数 一次采全高或厚煤层分层初次开采时“两带”高度与采高呈近似直线关系，水平至倾斜厚煤层分层开采或近距离煤层群重复开采条件下“两带”高度随分层次数的增加呈分式函数的关系增长，其增加的幅度越来越小,采空区面积 采空区尺寸的扩大会导致两带高度的增加，但在工作面放顶线后方垮落岩石堆已经接顶的地方，垮落带最大高度就达到了最大值（顶板极坚硬的除外）（共距离为：中硬岩石自煤壁到岩石堆接顶

11、处515米）； 导水裂缝带高度则在经过回采工作面第一次放顶和老顶周期来压以及地表出现最大下沉速度时出现。以后再扩大采空面积则不再增加了。此时采空区走向长度：中硬2060米,采煤方法和顶板管理方法 采煤方法和顶板管理方法是控制覆岩破坏性影响最大高度的重要因素。特别是顶板管理方法，它决定着覆岩破坏性影响的基本特征和最大高度。常见有全部陷落法、全部充填、条带法。不同的顶板管理方法形成不同的覆岩破坏高度。 全部陷落法是采用最普遍的，使覆岩破坏最严重的一种顶板管理方法。采用全陷法管理顶板，除了采厚极小（0.50.7m以下）时，顶板会缓慢下沉和顶板极为坚硬时不发生破坏以外，一般都发生垮落性和开裂性破坏，并

12、且有“三带”的性质,时间过程 时间过程在两个方面起作用： 导水裂缝带发展到最大高度以前： 导水裂缝带的高度随着时间而增长。 中硬覆岩在回柱放顶后12个月时间内达到最大值。坚硬覆岩，比中硬要长一些，软弱覆岩，比中硬要短一些。 导水裂缝带发展到最大高度（或最大值）以后 导水裂缝带的发展过程出现稳定和导水裂缝带高度有所降低，坚硬覆岩：随时间，导水裂缝带最大高度基本没有变化。（最多96240个月）均未发生变化（指导水裂缝带高度） 软弱覆岩：随时间的增加，导水裂缝带最大高度有所下降，导水裂缝带的稳定时间，最少0.37个月，一般69个月，最多1217个月。下降速度为：0.4m/月,近水平、缓倾斜煤层覆岩破

13、坏最大高度计算 为实际应用方便及统一起见，均以开采上限（或回风巷顶）至两带形态曲线的最高点作为两带的高度。 1.水平，缓倾斜及中倾斜煤层垮落导水裂缝带最大高度的计算 （1）垮落带高度； 根据岩石的强度，其垮落带计算公式如下,坚硬,中硬,软弱,极软,导水裂缝带高度,式中： 煤层累计采厚，m； 单层采厚不超过3m，累计采厚不超过15m,近距离煤层导水裂缝带高度计算 上、下两层煤的最小垂距大于下层煤的垮落带高度。 分别进行计算，取其中标高最高者作为两层煤的导水裂缝带最大高度。 上、下两层煤的最小垂距小于下层煤的垮落带高度。 上层煤采用本层煤的开采厚度计算，下层煤则应用上、下层煤的综合开采厚度计算。取

14、其中标高最高者为两层煤的导水裂缝带最大高度。三个部分的透水性能不同，但都不能透砂、透泥,上、下煤层综合开采厚度,式中：M1上煤层开采厚度； M2下煤层开采厚度； h12上、下层煤距离； y2下煤层冒高与采厚之比。 如果上、下层煤之间的距离很小时，则综合开采厚度为累计厚度,厚煤层综放开采导水裂缝带高度： 我国上世纪八十年代从法国引进的厚煤层综采放顶煤一次采全厚的技术在国内已得到广泛推广应用。据测定厚煤层综放开采覆岩破坏的高度与“三下”采煤规程中通过厚煤层分层开采，且单煤层采厚不超过3m的计算公式得出的结果相比较，前者要大（见下表）。 根据国内为数不多的观测资料得出：厚煤层综放开采条件下的导水裂缝

15、带最大高度与采厚虽然也近似分式函数关系，但其关系曲线上升速度高于分层开采。说明随着采厚的增加，综放开采导水裂缝带最大高度增加更快,导水裂缝带高度与开采方法关系曲线 1-薄煤层或中厚及厚煤层顶分层开采； 2-中厚及厚煤层分层开采；3-中厚及厚煤层综放开采,综放开采覆岩破坏高度实测值与规程规定公式计算值比较,综放开采两带高度计算 山东兴隆庄煤矿通过综放开采导水裂隙带高度的实测拟合出，综放开采“两带”破坏高度。 垮落带高度的计算式为： 100M Hk - + 3.15 5.45M5.82 导水裂缝带的计算式为： 100M Hk- + 3.15 0.84M4.57,急倾斜煤层覆岩破坏最大高度计算,谢

16、谢,水体下采煤技术与典型案例分析煤炭科学研究总院文学宽,一、我国水体下压煤概况,我国幅员辽阔，煤层赋存范围宽广，但水文地质条件比较复杂，受水威胁的煤田和水体下压煤储量十分巨大。仅我国重点国有煤矿受水威胁的煤炭储量大约250亿吨，其中受地表水体（江、河、湖、海等）、松散含水层、基岩含水层等水体威胁的煤炭储量近百亿吨。仅就受河流影响来看，就有200多个矿井受百余条大小河流威胁，大、小湖泊、水库等对近100个矿井安全开采构成了威胁，因此，我国所有产煤大省、市均面临着水体下压煤问题，给我国煤炭生产的迅速发展造成了巨大影响,二、 水体下采煤的特点,地下开采引起的岩层与地表移动，能使开采层围岩中的含水层水

17、、溶洞水以及位于开采影响范围内的地表水和泥沙溃入井下，威胁矿山的安全生产。因此，在水体下开采时必须采取措施，避免因矿井涌水量突然增大而严重地恶化井下工作环境，保证开采过程中不发生灾害性透水、溃砂事故,进行水体下开采时，主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。因此，研究覆岩移动破坏规律，特别是能够导水的裂缝带的高度及其分布形态至关重要。 相对而言，此时对地表变形的研究退居到次要位置。因为在许多情况下，尽管地表产生较大的移动和变形甚至出现裂缝，但是只要这些裂缝在某个深度上自行闭合而不构成涌水的通道，就不会发生透水事故,水体下开采时的保护对象和保护范围也具有某种特

18、殊性。 本来水体下开采时的保护对象主要是矿井本身（在需要时才考虑水体及其附属设施的保护），但是为了达到保护矿井的目的，却不得不保护本身并不一定有保护价值的水体和水体下方的岩层块段。 此外，覆岩破坏一旦波及到水体，哪怕只触及到水体的边缘也会导致水体中的水全部流人井下。因此从这个意义上讲，水体须作为一个整体加以保护,根据水体下开采问题的特点，在进行水体下开采时应始终把着眼点放在如何想方设法使水体和开采区域之间不形成透水的通道，或者水体与开采区域之间虽已构成水力联系但能为矿井排水能力所接受,1、我国水体下开采概况 我国从上世纪50年代开始，进行了水体下顶水开采的试验研究。半个多世纪以来，通过科研院所

19、和生产矿井的多方面的试验研究和大量的生产实践，取得了在江、河、湖等地表水体下及地下各类含水层水体下顶水开采的成功。如江西省丰城矿务局坪湖煤矿在巨厚岩溶水体下采煤、四川省广旺矿务局宝轮院煤矿在龙泉水库下采煤、上海大屯煤电公司徐庄煤矿在微山湖下采煤、安徽省淮南矿务局李咀孜、孔集煤矿在淮河下采煤、龙口北皂煤矿海下采煤等,三、我国水体下开采现状,2、我国水体下采煤研究成果 我国是世界上进行水体下采煤和开采的较早国家之一，从1958年开始，我国刘天泉院士（已故）就根据当时的苏联，澳大利亚、波兰等国的水体下采煤的研究，试验经验在中国开展了水体下采煤的试验研究。在我国的湖下、河下、水库下，含水层下进行了大量

20、的开采实践。通过水体下采煤的试验研究和科学实践取得了一系列水体下采煤理论研究和开采成果,制定水体下采煤的法规 1984年由原煤炭工业部颁布了建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程，从而使得水体下压煤的安全开采有了可遵循的技术法规。 建立并发展了覆岩破坏的理论 煤层开采后覆岩破坏由垮落带、导水裂缝带和整体移动带组成的“三带”理论。 拟合出用分数函数预计“两带”高度的经验公式 针对不同的岩性，拟合出了两套相对应的垮落带、导水裂缝带，即所谓“两带”的计算公式。用于指导水体下采煤的设计与实践,3、我国水体下采煤的有关法规,1984年由原煤炭工业部颁布了建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与

21、压煤开采规程，该规程中涉及水体下采煤的法规如下： 第51条 近水体采煤时，必须严格控制对水体的采动影响程度。按水体的类型、流态、规模、赋存条件及允许采动影响程度，将受开采影响的水体分为不同的采动等级。对不同采动等级的水体，必须采用留设相应的安全煤岩柱的措施,矿区的水体采动等级允许采动程度,第51条 符合下列条件之一者，水体的压煤允许开采： 1)水体与设计开采界限(煤层)之间的最小距离，符合50条表中各水体采动等级要求留设的相应类型安全煤(岩)柱尺寸。 2)水体与设计开采界限(煤层)之间的最小距离，略小于第50条表中各水体采动等级要求留设的相应类型安全煤(岩)柱尺寸，本矿井又有类似条件的近水体采

22、煤成功经验和可靠数据的。 3)在技术可能、经济合理的条件下，能够实现改道(河流)和放空(水库、采空积水区等)的水体或能够实观完全疏干，以及堵截住水源补给通道的松散孔隙含水层水体或基岩孔隙裂隙、岩溶裂隙含水层水体,4)地质、开采技术条件较好，并在有条件采用开采技术措随及其他措施后，水体与设计开采界限(煤层)之间的最小距离能满足第50条表中各水体采动等级要求留设的相应类型安全煤(岩)柱尺寸。 5)地质条件允许时，可以在枯水季节进行开采的季节件水体。 第52条 符合下列条件之一者，水体的压煤允许进行试采： 1)水体与设计开采界限(煤层)之间的最小距离，不符合第50条表中各水体采动等级要求留设的相应类

23、型安全煤(岩)柱尺寸，但水体与煤层之间有良好隔水层，或者通过对岩性、地层组合结构及顶板垮落带、导水裂缝带高度或底板采动导水破坏带深度、承压水导升带厚度分析，确认无溃水、溃沙或突水可能的,2)水体与设计开采界限(煤层)之间的最小距离，虽略小于第50条表中各水体采动等级要求的相应类型安全煤岩柱尺寸，但本矿区无此类近水体采煤经验和数据的。 3)水体与设计开采界限(煤层)之间无足够厚度的良好隔水层，但采用充填法或条带法等开采方法可使顶板导水裂 缝带高度或底板采动导水破坏带深度不达到水体的。 4)水体与设计开采界限(煤层)之间的最小距离，虽符合第50条表中要求留设的相应类型安全煤岩柱尺寸，但煤层为倾角大

24、于55的急倾斜中厚煤层和厚煤层。 5)水体与设计开采界限(煤层)之间的最小距离，虽符合第50条表中要求留设的相应类型安全煤岩柱尺寸，但水体压煤地区地质构造比较发育,四. 影响水体下安全开采的因素 水体类型及与开采煤层的相对位置 地表水体：如江河湖海、水库坑塘；地下的孔隙水体、基岩裂隙水体、灰岩岩溶水体 防水煤岩柱含、隔水性及结构 含、隔水层的划分：土层中粘土（粒径小于0.005mm）大于30%，防水性良好；岩层中泥岩、页岩、砂质页岩防水性好；岩层中软岩隔水性好，泥质胶结的砂岩隔水性。软硬岩层交互沉积，且软岩距煤层较近的结构较好。 覆岩导水裂缝带高度及波及范围 对于地表水体，松散层底部和基岩中的

25、强、中含水层水体或要求保护的水源。不允许导水裂缝带波及；对于松散层底部的弱含水层水体，允许波及。对于厚松散层底部为极弱含水层或可以疏干的含水层，允许波及，同时允许垮落带波及,五.水体下采煤的方式 顶水开采 对水体基本不处理，在水体与煤层之间保留一定厚度或垂高的安全煤岩柱 疏水开采 利用矿井排水系统，开掘专门疏水巷道，通过巷道或钻孔疏通上部水体后开采。可以先疏后采或边采边疏 顶疏结合开采 采多层水体或多层含水体威胁，对于远离煤层水体顶水开采，较近煤层采用疏水开采 堵截水源与处理水体后开采,六. 水体下采煤安全煤 岩柱留设 安全煤岩柱是从开采上限至上覆水体底界面之间的煤层、岩层和松散层的总称。 留

26、设原则：保证水体下安全开采，尽可能地减少留煤柱所造成的资源损失,1 、应留设安全煤岩柱的水体类型 “三下”采煤规程第三章第43条对水体下安全煤岩柱的留设规定的同时，也强调了水体下只要按照规程规定留设了安全煤岩柱，就允许水体下压煤进行开采或试采。 矿井、水平、采区设计时确定安全煤岩柱的水体主要有,水体与设计开采界限（煤层）之间的最小距离，既不符合第50条表4中各采动等级水体要求的相应安全煤岩柱尺寸，有不能采用可靠的开采技术措施以保证安全正常生产的； 在目前技术条件下，只能采用该道（河流）、放空（水库）、疏干（含水层）或堵截水源等办法处理，但在经济上又属严重不合理的水体； 位于预计顶板垮落带、导水

27、裂缝带内，且无疏放水条件的沙砾、孔隙强含水层和砂岩、石灰岩裂隙岩溶强含水层、岩溶地下暗河和有突水危险的含水断层与陷落柱等水体,位于预计底板采动导水破坏带内，或底板采动导水破坏带与承压水导升带联通，且无疏放条件和可能产生底板突水灾害的水体； 预计采后矿井用水量会急剧增加，超过矿井正常排水能力，且水量长期稳定不变，增加排水能力难以实现或排水费用高昂的； 煤层开采后，地表和岩层有可能产生抽冒、切冒型塌陷、地质弱面活化和突然下沉而引起溃沙、溃水灾害的； 对国民经济和人民生活有重大影响的河流、湖泊、水库及旅游景点的地面、地下水体,2、安全煤岩柱的种类及留设方法 安全煤岩柱种类: 防水安全煤岩柱; 防砂安

28、全煤岩柱; 防塌安全煤岩柱。 安全煤岩柱留设方法如下,防水安全煤岩柱留设方法 留设目的：不允许导水裂隙带波及水体 （1）地表有松散覆盖层时 HShHLi+Hb 式中 HSh-防水煤柱垂高，m； HLi-导水裂隙带最大高度，m； Hb-保护层厚度，m,2）当煤系地层上部无松散层覆岩，采深较小时，应考虑地表裂隙（diLi） HshHli+Hb+Hdili,3)松散层为强或中等含水层，与之接触的基岩风化带也含水，则应考虑基岩风化带深度（Hfe） HshHli+Hb+Hfe,防砂安全煤柱留设方法留设目的：允许导水裂隙带波及松散弱含水层或已疏降的松 散强含水层。其垂高（HS） HSHm+Hb,防塌安全煤

29、岩柱留设方法设目的：允许导水裂隙带波及松散弱含水层或已疏干的松散强含水层，同时允许垮落带接近松散层底部。其垂高（Ht）等于或接近于垮落带的最大高度（Hm）即 HtHm,防水安全煤岩柱保护层厚度,防砂安全煤岩柱保护层厚度,急倾斜煤层防水及防砂煤岩保护层厚度,七. 水体下采煤井下安全技术措施,择优开采 先采远离水体，后采临近水体煤层；先采隔水层厚的，后采隔水层薄的煤层；先采深部后采浅部煤层；先采地质条件简单，后采地质条件复杂煤层。 分层间歇开采 厚煤层分层开采，使首分层开采后，软化覆岩，“两带”高度降低。 分阶段开采 急倾斜煤层划分为小阶段沿走向开采，以减小开采空间，降低“两带”高度。 限厚开采

30、距水体较近，而煤层厚度或其他原因不宜分层开采时。 充填法、部分开采,水体下开采典型案例分析,1、我国水体下开采实践,2、中国海下采煤 龙口矿区:中国海下采煤梦开始的地方； 龙口矿区:中国海下采煤梦想成真的地方。 公元2005年6月18日，龙口矿业集团正式对外宣布：北皂煤矿海下采煤工作面开始联合试运转，中国第一车乌金运出地面。从这一天开始，我国无海下采煤的历史宣告结束，成为继英国、日本、加拿大、澳大利亚之后的第五个海下采煤国家,3、国外海下采煤概况 世界上进行过海下采煤的国家有：英国、澳大利亚、日本、加拿大和智利，采煤方法多为房柱式开采，也有长壁综采。国外海下采煤有着悠久的历史，英国早在1560

31、年就已开始开采海底煤田，日本于1863年在长崎县高岛矿建了一座深45m的竖井开采海底煤田，加拿大海下采煤始于1874年,国外海下采煤产量最多的是英国和日本，英国曾达到1300万t/a，日本曾达到1235万t/a。一般多在海滩及浅海下开采，离岸距离：英国约为58Km，日本约为12Km以上。英国海下采煤煤层厚度一般介于0.63m，海水深度为7m，没有发生透水事故。当采用长壁或房柱式开采时，英国、日本规定第四系粘土层厚度小于5m时，采深应大于105m，其采深采厚比约为60，英国还规定煤系地层厚度应大于60m；在第四系粘土层厚度大于5m时，采深应大于70m。加拿大规定深厚比大于100时，才允许用长壁垮

32、落法开采,日本海下采煤的海水深度一般015m，局部达7080m，采深一般在海下200500m，井筒大多建在陆地，井底至工作面一般712Km。由于工作面远离井筒，造成运输和通风等条件恶化，因此，从50年代开始，日本就在海域水深10m左右处填筑人工岛开凿竖井解决通风问题，人工岛最大直径达205m，并逐渐向海域深部发展。日本海下采煤积累了许多经验，并制定了许多海下采煤的法律法规。由于资源枯竭，大部分矿井已停止海下开采，目前进行海下采煤的有原隶属于 太平洋兴发株式会社的钏路煤矿等,国外海下长壁法采煤的相关安全技术规定,海域下采煤的一条重要经验就是必须制定特殊的采掘计划和详细的安全措施。国外海下采煤国家

33、多数采用房柱法或宽房回柱法。而较少采用长壁法进行海下采煤，且对允许采用长壁法的开采条件制定了较为严格的规定（见表1-1,表1-1 国外海下长壁法采煤的相关安全技术规定,国外海下房柱法采煤最小覆盖层厚度的规定,实际上国外海下采煤大量的采用房柱法或宽房回柱法，除了其传统习惯和技术装备外，采用部分开采法进行海下采煤其安全性相对要高，且最小覆盖层厚度相对较小，即其开采上限可以相对提高，达到提高矿井回采率的目的。国外对采用房柱法进行海下采煤时的最小覆盖层厚度的规定见表1-2。 有资料表明，澳大利亚在水体下大范围内采用房柱法开采时，其最小覆盖层厚度大于120呎（36.58m,表1-2 国外海下房柱法采煤最

34、小覆盖层厚度的规定,国外海下采煤基岩面变形的规定,国外海下采煤在对允许开采煤层的覆盖层厚度做出规定的同时，更进一步地对基岩面变形量做出规定。实际上，当允许开采煤层厚度一定的情况下，其覆盖层厚度与其顶面变形量是相关的，这样做的目的主要是为了避免超强度开采引起基岩面过度开裂，导致井下涌水量增大。见表1-3,表1-3 国外海下采煤基岩面变形量的规定,澳大利亚根据其地质开采条件和海下采煤实践，对采动引起的基岩面变形开裂极为重视，并进行了地表移动规律观测研究，总结出具有普遍意义的预计公式。新南威尔士煤田得出的确定海床最大拉伸变形值的普遍公式： 式中，Emax为最大拉伸变形值，mm/m；K是由观测结果求出

35、的系数为0.75；Smax为大范围全部回采的最大下沉值，由观测结果求出为0.6M，M为煤层采厚；D为基岩厚度,设基岩面的最大允许拉伸变形值为7.5 mm/m，于是上述公式可写成： 也就是说，如果产生在基岩面的最大拉伸变形不超过7.5 mm/m，当全部回采时，采厚为1.0m，基岩厚度应为60m。该经验公式对第四系厚度小、基岩岩性较硬、开采深度相对较浅的大型水体下采煤具有很高的参考意义,国外海下开采安全保障措施,英国海下采煤防水措施，主要是从采煤方法、开采顺序、回采工作面布置、探查断层构造以及水质分析等综合措施，达到控制海下采煤的涌水量，而不采取为了堵水在井下设置防水闸门或防水墙的措施。实际上进行

36、海下采煤，首要的是严格执行有关法律条文和国家煤炭局的有关规定，其次是在覆岩厚度小的地段按规定将长壁开采改为短壁、房柱或条带开采，一般不采用充填开采,日本煤矿保安规程制定了一系列详细的安全技术措施，最主要的是：对预定采掘的区域及其周围海域，必须进行周密的探测，通过钻孔探明海底至煤层之间的地质情况，钻孔必须用水泥封孔。掘进巷道时，如果地质条件不明，应打10m以上的超前钻孔。必要时，还应在巷道前进方向的旁侧方向打超前钻孔，探测有无出水的可能性。掘进工作面推进到离超前钻孔孔底5m时，应重新钻孔。巷道掘进面要比采煤工作面超前50m以上,龙口矿区含煤面积约350Km2，矿区目前已探明煤炭储量为26.8亿t

37、，其中陆地为13.9亿t，海域下为12.9亿t（仅北皂煤矿海域下，称为海域扩大区）。 北皂煤矿位于龙口矿区西北部，滨临渤海，其海域扩大区处于井田北部渤海海域内，东至海域21勘探线，西和北至煤层露头，南至渤海海岸线，面积约18.1Km2,4、龙口矿区海下采煤情况,北皂井田处于不完整的龙口黄县断陷盆地内。矿区海域煤田是陆地煤田的延伸。煤系地层为新生代下第三系，主要由钙质泥岩、泥岩、含油泥岩、油页岩、粘土岩、含砾砂岩及粗砂岩等软弱岩层组成。北皂矿海域扩大区海水深度012m，由海底至煤4底板油页岩总厚度340400 m。含煤4层，可采和局部可采煤层共3层，其中煤2厚度一般为3.54.5m，为海域下首采

38、区主要可采煤层。岩层走向NE，倾向SE，倾角110。 海域下采用三条暗斜井从矿井现有开采水平延深开拓方式，其中轨道暗斜井和皮带暗斜井从-250m水平延深，回风暗斜井从-175m水平延深，海域下开采水平设计在-350m水平,龙口矿区开创了我国海域下采煤的先例,北皂煤矿完成了一个面长146.6m，推进度535m的H2103综放面的开采，安全采出煤炭43.2万t。完成了一个面长146.6m，推进度1440m，有效可采储量90万吨的H2106综放面的掘进准备工作。该面于2008年7月1日正式投产，截止到2008年12月31日已推进631m，安全采出煤炭48.3万t，预计该面采至2009年6月底结束。在

39、开采期间进行了海下工作面开采覆岩运动、支撑压力和导水裂隙带高度的实测，形成我国大型水体下综采工作面安全开采的生产技术工艺，在课题研究期间安全采出煤炭资源91.5万t，收到了巨大的经济效益,谢 谢,广东大兴煤矿特大水灾事故 典型案例分析,2005年8月7日13时13分，广东省梅州市大兴煤炭发生特大透水事故，造成121人死亡，伤1人，直接经济损失4391.02万元。 一、煤矿演变过程 1、矿井由来 20世纪90年代，在原四望嶂矿务局范围内，约有300处小煤窑开采。由于乱采滥挖，使国有煤矿失去了安全生产的基本条件，加之企业亏损严重，经梅州市同意，将原四望嶂矿务局开采范围和有关资产有偿转让给民营企业继

40、续经营生产，并重新规划为大径里、梨树坑、东兴、大兴、大窝里和上丰煤矿6对矿井，大兴煤矿是其中的一个矿井,2、建井情况 大兴煤矿是合伙煤矿企业，始建于1990年，原为一个主井和一个风井，位于原四望嶂矿务局一矿井田范围内，2003年将永丰煤矿的一个井买来作为副井，形成现有的主井、副井和风井。 3、生产情况 大兴煤矿是一矿两井生产，主井和副井生产管理相对独立，主井和副井分别出煤，材料、设备、人员分别走主、副井，共用一个风井回风。大兴煤矿煤炭生产许可证核定的年生产能力为3万吨，2004年实际生产原煤9万吨,二、大兴煤矿概况 大兴煤炭位于梅州市的兴宁市黄槐镇，在兴宁市和平远县交界处，南距兴宁市44km，

41、北距平远县22km，东南距梅县64km。 1、矿井地质、水文地质情况 大兴煤矿为二叠系上统龙潭组含煤底层，走向东西，倾向南，倾角55o75o。平均65o，属极倾斜煤层，井田范围东以F16断层为界，西以F1断层为界，上以-180m隔水煤柱为界，下至-500m水平。 煤层本身水文地质条件较简单。以上部水淹区估算积水体积为1500万2000万立方米，对矿井开采形成极大威胁,2、煤层情况 大兴煤矿井田主要有5个煤层，自下而上分别为七煤、六煤、五煤、四煤（9号煤）、三煤（10号煤），其中七煤和四煤为全井田可采，三煤为局部可采，六煤和五煤不可采。七煤厚度01.79m，平均0.91m，靠近F16断层附近煤层

42、厚度变大，上距四煤平均距离为36.27m；四煤平均厚度为0.287.28m，平均厚度为3.54m，中间夹两层火成岩侵蚀层，厚0.30.8m，上距三煤平均间距28.42m；三煤厚度为0.044.02m，平均厚度为1.11m,3、矿井开拓方式 大兴煤矿采用斜井开拓方式，主、副井和风井三条明斜井与暗斜井分三级延伸至-480m水平。主斜井由地面+282m至55m水平，第一级暗斜井由-55m水平至-290m水平，第二级暗斜井由-290m水平至-480m水平。副斜井由地面+356m至+42m水平，第一级暗斜井由42m水平至-290m水平，第二级暗斜井从-290m水平至-480m水平。风井由地面+282m至

43、+75m水平；第一级暗斜井+75m水平至-55m水平，第二级暗斜井-55m水平至-290m水平,4、采煤方法 大兴煤矿采用斜坡短壁采煤法，采用打眼爆破落煤工艺，自然垮落管理顶板，开采顺序为下行式。 5、提升运输系统 大兴煤矿采用三级提升，井下平巷采用人力推车；-480m水平煤炭通过第二级暗斜井提升到-290m水平，由第一级暗斜井分别提升到-55m水平或+42m水平，再由主、副井分别提升到地面；材料和设备下放与煤炭运输方向相反。 6、通风系统 大兴煤矿通风方式为中央并列抽出式通风，由主、副井进风，风井回风。 7、排水系统 大兴煤矿深部正常涌水量150m3/h，最大涌水量200m3/h；矿井分三级

44、排水，-480m水平的水先排到-290m水平，再由-290m水平分别排到-55m水平和+42m水平，分别通过主、副斜井排至地面,三、水害矿井积水区下开采 1、矿井积水区的形成 1999年11月，因小煤窑开采破坏，当年降水量大，矿井排水能力不足及排水费用过高，矿井采区被淹，井下巷道大量积水，为了保护矿井不被淹掉和减少排水费用，各矿均在-180m水平以上，各水平构筑了井下堵水闸墙，六对矿井共构筑29处堵水闸墙，使-180m水平以上采空区逐步充满矿井水，从+262m平硐溢出，形成积水区。 2、积水区下部的煤炭开采形成 2000年5月大兴煤矿（原永丰煤矿）委托北京煤炭设计研究院编制完成了永丰煤炭延深方

45、案设计和防水闸墙施工计算咨询，该设计从-180m水平至-290m水平留设垂高110m防水隔离煤柱，延深开采积水区下深部煤炭资源。2001年2月26日由广东省经贸委审查通过该设计，该矿开始向深部延伸开采,四、水害事故发生经过 2005年8月7日13时13分左右，大兴煤矿上部水淹区-290m标高防水煤岩柱被破坏，发生透水，透水发生后，主、副井井筒均有雾气冒出，出现反风现象。13时30分，副井调度室接到-290m水平西三暗斜井绞车房（-281m）电话，说“水很大，我跑不出去了，.”，但话未说完电话就断了，说明此时水已涨至-281m绞车房。14时，水已涨至离主井口80m（斜长），此时水位为+245m。

46、透水后原四望嶂一矿明斜井水位从+262m降至+255.5m，下降6.5m，经专家估算，矿井总透水量约为25万立方米,五、抢险救灾经过 大兴煤矿特大透水水害事故发生以后，党中央、国务院领导同志做出重要批示，要求全力以赴抢救被困人员，并保证抢险救灾人员的安全。国家安监总局和广东省委。省政府主要领导及时赶赴现场，组织抢险救灾工作，立即成立大兴煤矿特大透水水害事故现场抢险救援指挥部，迅速启动重特大安全事故应急预案。来自广东省、梅州市、兴宁市党委、政府和有关部门以及各方面300余人参加了抢险救援，并聘请了国内有关技术专家组成专家组，提供技术服务，指导救援工作,制订了抢险排水总体方案，形成了“强排、封堵、

47、多点、防渗”的综合抢险排水工作方案，并根据现场条件具体细化，科学论证，组织分步实施，取得积极的效果。广东省迅速从江西、河南、中煤排水站调集了6台大流量高扬程潜水泵，以及19名专业技术人员投入抢险排水，8月9日19时20分主井水泵排水，8月15日3时40分副井、风井相继排水，截至8月18日，共排水25万m3，发现3具遇难矿工尸体,六、特大水害事故的分析 事故类别是一起透水事故，主要依据是： 2005年8月7日14时，主井被淹至+245m，突水量大且迅猛； 事故发生后，+262m平硐水流突然断流，8月12日22时，+262m平硐水位为+253.5m，水位下降8.5m，说明-180m以上老空水淹区的

48、积水溃入大兴煤矿。 事故性质是一起责任事故,特大水害事故的原因分析 经调查和专家组技术鉴定，认定在主井东翼四煤-400m石门以东150m附近，由于煤层倾角大（75度左右）、厚度大（34），小断层发育，煤质松散易塌落，-400m以上各水平在生产过程中煤层均发生过严重抽冒。 在此抽冒严重的情况下，大量出煤，超强度开采，致使-180m水平至-290m水平防水煤柱抽冒导通了+262m水平至-180m水平的水淹区，造成上部水淹区的积水大量溃入大兴煤矿，导致事故的发生,一、煤层抽冒调查情况 据矿井生产资料显示，水害事故矿井东翼-290m石门东侧四煤厚度34m，倾角大约75o，较松散，小断层发育，易发生抽冒

49、，在-290m水平石门东侧约35m处，四煤回采曾发生抽冒；在同一位置-320m水平石门以东2个反眼，反眼长约100m和-360m水平暗斜井以东4个反眼，四煤也均发生了抽冒，此外，东翼-400m石门以东150m处，也发生过四煤大规模抽冒，其抽冒煤量约3000t，抽冒后，在-360m水平巷道向下能看见宽8m、深10m的大坑，向上可看见23m的抽冒带，23个月后，该地点再次发生抽冒，原塌陷大坑被抽冒的四煤所充填，且塌陷的煤较潮湿,上述资料证明在-400m石门以东150m范围的四煤层在-290m以下各水平开采时，都发生了大量的抽冒现象，使-290m至-180m防隔水煤柱被破坏。 二、透水地点的认定 专

50、家分析认定，水害事故的透水点在矿井东翼-400m石门东150m附近的-290m水平四煤层，其主要依据是： 1、事故前该区域开采强度大 矿井西翼小断层发育，且瓦斯较大，煤层较硬，开采规模不大；矿井中部煤层厚度较薄，不便于开采；而矿井东翼煤层倾角大（60o80o）、厚度大、煤层松散、易塌落，是该矿的主要采煤区，而且开采强度一直很大,2、该区域煤层厚、出煤多，曾多次发生抽冒 矿井西翼煤层较硬，据了解没有发生过抽冒；中部煤层较薄，未进行大规模开采；矿井东翼-400m石门四煤厚度34m，倾角大，约75o，较松散，小断层发育，易发生抽冒，是该矿的主要产煤区，据事故矿井资料证实，从2004年到现在，在东翼-

51、400m石门东侧-400水平以上各水平都在出煤，且出煤量较大，在8月7日13时13分透水事故发生前的8月7日早上还看到在该地区采出105120t，该处四煤的出煤量为9000t左右,3、该区域离F16断层较近，小断层发育、煤层倾角大易抽冒 据水害矿井生产资料证实，东翼-400m石门以东150m处距离F16断层仅100m左右，F16断层为逆断层，断距90m，该处-290m水平的四煤小断层发育，煤层比较松散，且此处四煤倾角是全矿井最大的地方，平均煤层倾角达75o左右，近似直立，易抽冒。 由于各水平煤层均已发生抽冒，以致-180m水平至-290m水平防水隔煤柱被抽冒破坏，导通了原四望嶂矿区+262m至

52、-180m水淹区积水，造成水淹区积水溃入大兴煤矿,三、水害矿井透水水源的认定 该矿发生透水后，+262m平硐水流突然断流，据8月12日22时观测，水位降至+253.5m，水位下降8.5m，8月10日23时在原四望嶂一矿明斜井观测，原+262m水位线痕迹明显，实际水位已降至+255.5m，水位下降6.5m，水很臭；说明此次突水水源为+262m至-180m水淹区水。 综合分析认定，大兴煤矿透水地点为在矿井东翼-400m石门东150m的-290m水平四煤处，水的来源是原四望嶂矿区262m至-180m水淹区积水,四、特大水害矿井透水量的计算 该矿历年所产煤炭共约38万吨，煤的视密度为1.6t/m3，采

53、空区充水系数按1计算（因采后顶板不冒落），据专家组计算采空区体积约20万km3，巷道容积约5万km3，因此该矿透水量约25万km3。 据调查了解，8月7日13时13分发生透水事故，至13时30分，矿井被淹至-281m，透水量达23.1万m3，据此估算此段时间的透水强度约为1.36万 m3/min；从13时30分至14时，矿井被淹至+245m，此时间段透水量约1.9m3，估算此段时间的透水强度约为633m3/min,对开采区域上部采空区有积水的矿井，必须先排空采空区积水，方可进行采掘活动，否则不许生产； 矿与矿之间要按煤矿安全规程规定留足矿界煤柱，矿井内设计的其他各类保安煤柱，一定要严格保护，如

54、有煤柱垮塌都应及时维护，并停止出煤，更不能区偷采煤柱； 对有水害危险的矿井，一定要配备相应的探访水设备，对工作面有疑点的，应采取“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”十六字原则和“防、堵、疏、排、截”五项治理措施； 停产整顿煤矿在停产整顿期间，要严格按照制定的整改方案进行整改，防止停而不改，利用整改之名违法出煤生产,特大水害事故防范措施及建议,煤矿必须依法生产，依法经营，要按照规定范围开采，没有“四证一照”的矿井不得开采； 认真落实安全生产责任制，杜绝违章指挥、违章作业、煤矿企业的矿长及其他管理人员，一定要牢固树立“安全第一、预防为主”的思想，要严格执行各项规章制度，有事故隐患及主要危险源

55、存在的矿井，发现问题，要及时整改，把事故消灭在萌芽之前； 矿井要按核定的生产能力生产，不得超能力生产,水体下急倾斜煤层开采技术,文学宽 研究员 煤炭科学研究总院,联系电话淮河下急倾斜煤层开采实例 淮南孔集煤矿是在含水层下开采急倾斜煤层群的矿井。具有煤层厚、层数多、倾角大、煤质松软易于抽冒、部分煤层顶板坚硬以及砂层含水丰富且与淮河水有直接水力联系等特点，地质和水文地质条件十分复杂。 该矿采用伪倾斜柔性掩护支架采煤法，在水体底界与开采上限留设90100m垂高的防水煤柱。为了控制急倾斜煤层开采后煤柱的抽冒实现安全开采，采取了有效的开采技术措施,1、长走向、小阶段、间歇开采

56、该方法有利于顶板充分冒落、上覆地层整体平缓下沉和避免防水煤柱受到剧烈破坏，可起到抑制导水裂缝带发展的作用。具体参数是：工作面沿走向的连续回采长度不小于100m；第一水平第一小阶段的段高不大于20m，以下各小阶段采后的导水裂高发展情况而定，且一般也不应大于30m，下一小阶段应在上一小阶段采后46个月回采,2、按尺定产，控制超限出煤 为了防止人为因素造成煤柱抽冒。制定了采出量与允许采出量的定期核算制度。每星期核算一次，及时发现问题，采取措施，保证安全生产。所谓超限出煤就是采出了规定回采范围以外的煤炭，可用下式表示： Q=Q1Q2 式中 Q超限出煤量，t； Q1 实际产量（统计产量），t； Q2 允

57、许煤量，t,3、充填法开采 对于一些地质、水文地质条件复杂的煤层，或为了少留防水煤柱，减少地表移动及变形值等，使用了充填法开采。孔集煤矿用矸石充填法开采了20多个厚和中厚煤层工作面，采出煤炭80多万t。经采后施工的冒落孔（探测导水裂高的钻孔）资料证实，即使只充采一个下阶段，以下用垮落法开采，导水裂高只有全部垮落法开采的1/21/3,4、采后黄泥注浆 为解决部分工作面顶板（或煤层）局部导水裂缝带发展过高的问题，保证下一小阶段工作面的安全开采，可利用在地面施工的冒落孔对采空区进行黄泥注浆，以封堵导水裂缝和固结采空区已冒落的煤矸，达到抑制防水煤柱抽冒和降低导水裂高的目的，并可起到防火作用。孔集煤矿曾

58、有计划地先后利用14个冒落孔对4个工作面进行黄泥注浆，共注入黄泥3211m3，效果良好,5、中深孔挤压爆破强制放顶 我国煤矿大都采用自然垮落法管理顶板，已达到安全开采的目的。然而，有些煤层顶板坚硬难冒，不得不采用爆破的方法，进行人工强制放顶。对于急倾斜煤层的爆破放顶在淮南的孔集煤矿采用“中深孔挤压爆破”进行了试验研究,5.1 挤压爆破的原理 当急倾斜煤层开采之后，还未进行爆破放顶之前，煤柱也会有一些抽冒，这些抽冒下来的松散煤体，占据了爆破放顶的自由空间。因此，为了在急倾斜煤层取得好的爆破放顶效果，如另外再开凿爆破所需的自由空间，在技术上的难度比较大，且在经济上也不合算，只能在这种条件下借助爆破

59、时巨大的冲击力，挤压顶板所对应采空区里的松散煤体使其退移、压实，以获得爆破所需的补偿空间，达到预期的爆破顶板的效果,5.2 挤压爆破的方法和爆破参数 为了获得较大的爆破冲击力，爆破时采用多排炮孔、逐排微差毫秒爆破的起爆方法。 （1）爆破巷道布置方式 爆破放顶工作，主要在爆破石门内进行。爆破石门既是爆破放顶工作的场所，又是爆破放顶的主体和提供一部分补偿空间的自由面,爆破石门沿工作面的回风巷每隔15m往煤层顶板掘进；也可在顶板岩石里专门掘一条和回风巷相平行的顶板岩巷，然后再沿顶板岩巷每隔15m向回风巷方向掘爆破石门,2）炮孔布置 每排炮孔都布置成扇形，扇形面与煤层层面平行，并分成双面扇形和单面扇形

60、两种,3）炮孔数和排数 扇形炮孔的孔数和排数是由大密集系数确定的。大密集系数的计算公式如下： m=a / w 式中 m 大密集系数； a 炮孔孔底间距，m； w 最小抵抗线，即排距，m,4）装药量及装药方式 炮孔孔径为58mm左右。为改善爆破时的间隙效应，使单发雷管所能传爆的炸药长度尽量增加，我们加大了炸药药卷的直径和单卷药卷的长度。爆破放顶药卷的直径45mm，长500mm，重800g。每个炮孔除孔口2m装填封泥外，其余部分全部装药。每两卷药插1个电雷管，每排炮孔使用同时起爆的雷管，但排与排之间为微差起爆，延时起爆时间130ms,5.3 爆破放顶与回采的顺序 两种爆采顺序： （1）采后爆破。爆