煤矿特殊开采

1、2.4 特殊条件开采第一节 “三下一上”采煤方法第二节 深井采煤第一节 “三下一上”采煤方法 “三下一上”采煤在建筑物下、铁路下、水体下和承压水体上采煤，称“三下一上”。“三下一上”既要保证建筑物和铁路不受到开采影响而破坏，还要保证开采安全，又要尽量多采出煤炭。 第一节 “三下一上”采煤方法岩层与地表移动的一般特征（一）岩层移动的一般特征 地下开采破坏了岩体内原有的应力平衡状态，使采空区周围的岩层乃至地表产生移动和变形。由于地质和开采条件不同，岩层和地表的移动和变形的表现形式、分布状况和程度大小也各不相同。就煤层的开采来说，采空区周围的岩层移动和变形，一般表现为采空区上方顶板的弯曲下沉、断裂、

2、垮落，底板岩层鼓起、开裂、滑动，以及采空区周围煤壁的压出、片帮等等。第一节 “三下一上”采煤方法(二)地表移动的一般特征由于开采深度、开采厚度、采煤方法、顶板管理方法、岩性以及煤层的产状不同。地表移动和破坏的形式也不一样。采深和采厚的比值较小时，地表可能出现较大的裂缝或塌陷坑。这时，地表的移动和变形在空间上和时间上都是不连续的，即在渐变中有突变，它们的分布没有严格的规律性。当采深与采厚的比值较大时，地表将不出现大的裂缝或塌陷坑。这时，地表的移动和变形在空间和时间上是连续的、渐变的，它们的分布有明显的规律性。 对于建筑物和铁路下采煤，连续的地表移动比较有利，不连续的地表移动则不利。对于水体下采煤

3、，地表移动和破坏形式，不是引起水体渗漏的标志。岩性不同，地表移动和破坏对水体的影响大不一样。岩性软弱时，即使是非连续的地表移动，对水体的影响也是比较小的，连续的地表移动有时也会引起水体渗漏。地表移动和破坏的主要形式有如下几种。1.地表移动盆地 开采影响到达地表以后，受采动的地表从原有标高向下沉降，从而在采空区上方的地表形成一个比采空区大的洼地。这种洼地通常称为地表移动盆地。2.裂 缝 开采缓倾斜煤层时，在移动盆地的外边缘区，地表可能出现裂缝。裂缝的发生及其宽度、深度与表土的塑粘性大小及表土受到拉伸变形大小密切相关，亦即与采深、采厚、顶板管理方法、表土厚度和岩性有关。裂缝的形状如楔形、上口大，愈

4、往深处愈小，在一定深度尖灭。较大裂缝两侧的地表，往往有一定的落差。 3台阶状塌陷盆地 在开采急倾斜煤层的条件下，当采深与采厚的比值较大时，地表可能出现一种台阶状平底塌陷盆地。这种塌陷盆地的范围很大，盆地中央部分平坦，边缘部分形成多级的台阶。靠煤层底板一边比顶板一边的台阶落差大，边坡较陡，台阶级数少。4塌陷坑 塌陷坑一般多出现在开采急倾斜煤层时。开采缓倾斜煤层时，只在某种特殊的地质采煤条件下有可能出现塌陷坑，塌陷坑按其形状可分为漏斗状塌陷坑和槽形塌陷坑。第一节 “三下一上”采煤方法二、建筑物压煤开采（一）地表移动和变形对建筑物的影响 地表移动变形分：下沉、水平移动与变形、倾斜、曲率变形。 1、地

5、表下沉的影响 建筑物主要管路的坡度会发生变化，四周的防水坡也可能造成破坏。特别是由于地表下沉造成潜水位相对上升，造成建筑物长期积水或过度潮湿时，就会影响建筑物的强度，以至影响建筑物的使用。 第一节 “三下一上”采煤方法2、地表倾斜的影响地表倾斜后，建筑物也随之歪斜，重心偏移，影响其稳定性，而且承重结构内部将产生附加盈利，基础的承压也会发生变化。3、地表曲率的影响建筑物的基础底面出现悬空状态。4、地表水平变形的影响使建筑物受到附加的拉伸和压缩应力。第一节 “三下一上”采煤方法（二）减少地表移动和变形的开采措施1、防止地表下沉措施：在一定的开采深度下，进行建筑物下采煤；开采急斜煤层时，在煤层露头处

6、应留设足够的煤柱，以防止突然塌陷；在缓斜或倾斜厚煤层浅部开采时，应尽量采用倾斜分层长壁式采煤法，并适当减少第一、第二分层开采煤厚。第一节 “三下一上”采煤方法2、减少地表下沉的措施1）采用充填采煤法（水砂充填和风力充填）。2）使用分带开采法。3）使用房柱式采煤。4）减少一次采出煤厚。第一节 “三下一上”采煤方法3、消除或减少开采影响的不利叠加的措施1）分层间隔开采。2）合理布置各煤层（分层）的开采边界。3）尽量使用较长的采煤工作面，实行全柱开采。4）尽量不残留尺寸不适当的煤柱。5）采用协调开采，减少下沉对地表建筑物影响程度。4、消除或减少开采边界的影响第一节 “三下一上”采煤方法三、铁路压煤开

7、采（一）铁路压煤开采的特点和要求 为了保护铁路不受地下开采的损害，早期都采取留设保安煤柱的方法。这种方法压煤甚多。如开滦唐山矿井田上方京山铁路线，在地面上需保护的宽度约12m，而井下所留煤柱宽达800900m，6个可采煤层累厚1 4m，总计压煤7000多万t。在国外，19世纪末德国便开始了铁路下采煤试验。我国于1965年在焦作矿区的焦李铁路支线下进行初次试采。 铁路线路是特殊的地面构筑物，列车重量大，速度高，对线路规格要求严格，如果线路受到采动影响超过一定的限度，列车的安全运行便得不到保证。铁路线路的另一特点是可以维修，便于维修。地下开采引起线路移动和变形，可以在不间断线路营运的条件下，用起道

8、、拨道、顺坡、调整轨缝等方法消除。 由于有轨缝线路比较容易维修，所以决定铁路线路下开采的因素不是移动值和变形值大小，而是移动值和变形值的增长速度，以及线路可提供维修作业的时间和维修作业的劳动组织及技术管理水平。 我国矿区铁路的行车速度、列车密度不大，为维修提供了良好条件。第一节 “三下一上”采煤方法（二）开采技术措施1、在采区布置上，应尽量使受采动影响的线路处于盆地主断面附近，避免线路处于移动盆地的边缘。2、严禁使用非正规的采煤方法。3、选择合适的采煤方法和顶板管理方法。4、在浅部开采缓斜和倾斜厚煤层时，应尽量采用倾斜分层采煤法，适当减小分层开采的厚度，禁用一次采全高开采厚煤层与放顶煤开采方式

9、。第一节 “三下一上”采煤方法5、开采急倾斜煤层时，应尽量采用沿走向推进的小阶段伪倾斜掩护支架采煤法，水平分层采煤法。6、煤层顶板坚硬，不易冒落时，应进行人工放顶，以防止空顶面积达到极限时突然冒落而引起地表突然下沉。第一节 “三下一上”采煤方法7、铁路位于煤层露头附近，或在其下方浅部有煤层或石灰岩时，需调查铁路下方是否有老空区、废巷道发、岩溶等，如果在这些空硐充水，则采前应将水排干，并用注浆法填是空硐。8、浅部非正规采过的老空区，在开采过程中要划定范围，派专人巡视，监督地表移动情况，做好相应的应急准备。第一节 “三下一上”采煤方法四、水体压煤开采1、煤层上方水体类型 (1)单纯的地表水体：指江

10、湖河海、沼泽坑塘、水库、水渠，采空区地表下沉盆地积水、洪水、山沟水，稻田水等水体，且水体底部有粘性土层，地表水与松散层及基岩含水层无直接的水力联系。江湖河流、水库属统一型水体，来势凶猛。对矿井安全生产有一定的威胁。洪水、山沟水、稻田水属季节性统一型水体，对矿井生产的影响受季节性限制。这里起决定作用的是水体与煤系基岩之间的第四纪、第三纪粘性土层或隔水性好的基岩风化带及其厚度。(2)单纯的松散含水层水体。指松散层中的砂层、砂砾层及砾石层水体。这类水体属孔隙水，其特点是流速小，补给速度慢。 松散含水层水体一般有松散层上部砂层水、中部砂层水、下部砂层水，松散层全部砂层水。在多数情况下，松散层上部砂层水

11、和中部砂层水的富水性强，补给、径流、排泄条件好。当其下面有较厚的粘性土隔水层时，对矿井生产的威胁较小，如果松散层上部砂层水和中部砂层水的补给、径流、排泄条件不好，即使其下面的粘性土隔水层较薄。对矿井生产的威胁也是比较小的。松散层下部砂层水及全部砂层水对矿井生产的威胁性较大，特别是当砂层的富水性强，补给、径流、排泄条件好，且直接覆盖在煤系基岩之上时，对矿井生产的威胁更大。(3)单纯的基岩含水层水体。指砂岩、砾石、砂砾岩和石灰岩岩溶含水层水体。这类水体属孔隙、裂隙及岩溶水类型。其中岩溶水又可分为隙流、脉流、管流和洞流。除砂岩、砾岩、砂砾岩的7L隙水外，裂隙和岩溶水的特点是流速大，补给量大，特别是管

12、流和洞流形式的岩溶水、流速、流量都很大，对矿井生产的威胁很大。中国常见的这类水体有煤层直接顶和老顶的薄层和厚层砂岩、砾岩、砂砾岩含水层水体及石灰岩岩溶含水层水体。(4)地表水体和松散含水层构成的水体，指松散含水层与地表水有密切水力联系的水体。这里起决定作用的是松散层中含水层的富水性、赋存状态及松散层的总厚度，在松散层总厚度很小的条件下，可按单纯的地表水体对待；在松散层总厚度较大的条件下，则可按单纯的松散含水层水体对待。(5)松散含水层和基岩含水层构成的水体。指基岩含水层与松散含水层有密切水力联系的水体。这里起决定作用的是开采深度、松散层中含水层的富水程度、赋存状态及基岩风化带的含、隔水性。在浅

13、部开采时(回采上界到基岩表面的距离小于裂缝带高度)，即要考虑松散含水层，又要考虑基岩含水层：在深部开采时(回采上界至基岩表面的距离大于裂缝带高度)。则仅需考虑基岩含水层的威胁，松散含水层水只是基岩含水层的补给水源。(6)地表水体和基岩含水层二者构成的水体。指基岩含水层直接接受地表水补给的水体。 这里起作用的是开采深度和基岩风化带的含、隔水性。在浅部开采时，应同时考虑上述两种水体；在深部开采时，则可按单纯基岩含水层水体考虑(7)地表水体、松散含水层和基岩含水层三者构成的水体。当基岩含水层受到松散层水的补给，而地表水又补给松散含水层时，属于这种类型的水体，这里起决定作用的是开采深度、松散含水层的富

14、水性及其基岩风化带的含、隔水性，在浅部开采时，应同时考虑上述三种水体；在深部开采时，则可按单纯的基岩含水层水体对待。2.岩性及地层结构 岩性及地层结构既是岩(土)层含水性和隔水性的决定因素，又是决定覆岩破坏和地表塌陷特征的关键。许多国家都把有无泥质岩(土)层及其在覆岩中含量的比例大小作为评判能否在水体下采煤的标准。(1)岩石(土)的颗粒组成。对于土体，颗粒粒径越小其隔水性也越好。在砂层中，粘土含量越大，隔水性能越好。对于岩层而言，颗粒问的胶结物为硅质物、钙质物时，强度大、易开裂，受压后其隔水性不易恢复；胶结构为石膏、粘土时，强度小，不易开裂，受压后能恢复隔水性。(2)岩石的矿物成分及微观结构特

15、征。影响水体下采煤的岩石矿物成分及微观结构特征主要是粘土矿物和可溶性矿物的含量及其结晶结构。无机质成分具有亲水性、易泥化、软化而有机质成分则具有亲油性，不易泥化和软化。(3)力学性质。弹性脆性强度高的岩层，在采动影响下，容易产生裂缝，裂缝带发育高度大，甚至有可能出现地表突然塌陷，隔水能力较差，塑性柔性强度高的岩层，在采动影响下，不容易产生裂缝，裂缝带发育高度较小，不会出现地表的突然塌陷，隔水能力较好。(4)水理性质。主要指岩石在浸水后的崩解、软化、泥化及强度降低等特性。泥质岩浸水后易于软化、泥化，故其隔水性良好，能抑制裂缝的发生和发育高度，促进顶板垮落。3.断裂构造 影响水体下采煤的主要断裂构

16、造是断层和节理裂隙。它们本身可能成为水体的一部分，也可能成为水体的补给通道。因此，研究断裂构造的特征及分布，是水体下安全采煤的重要内容。 矿井生产实践表明，断层和节理裂隙的含水性和导水性，取决于它们的岩性、力学成因及其水文地质条件，而它们受采动后的导水性与采动影响程度及采掘工作面的揭露方式有关。泥质岩及泥质胶结的岩石中的压性、压扭性及断层面倾角小的断裂构造，一般不含水和具有隔水性；砂岩、砂砾岩，石灰岩及硅、钙质胶结的岩石中的张性、张扭性和高角度断裂构造，断层密集、断层交叉处一般含水。工作面与断层走向平行，推进方向与断层倾向相同时，断层容易导水；工作面与断层走向平行，推进方向与断层倾向相反时，断

17、层不易导水。工作面与断层走向垂直和斜交，推进方向与断层倾向亦垂直或斜交，断层不易成为导水通道。断层上盘比下盘在形成过程中在外力作用下断裂较严重，含水性和导水性较强。4.煤(岩)层赋存状态煤层赋存状态包括煤层厚度、倾角、埋深及其与水体位置的关系，这是决定水体下采煤时应采取何种途径的重要因素。厚度大、分布稳定、埋藏浅、离水体近的煤层，特别是急倾斜煤层，在水体下开采时难第一节 “三下一上”采煤方法（二）水体压煤开采的一般途径1）顶水采煤对水体不做处理，只在水体与煤层之间保留一定厚度（或垂高）的安全煤岩柱情况下进行采煤。2）疏干采煤：先疏后采，或边采边疏3）顶疏结合开采4）帷幕注浆堵水1）顶水采煤 所

18、谓顶水采煤，就是对水体不作任何处理，只在水体与煤层之间保留一定厚度(或垂高)的安全煤岩柱情况下进行采煤。根据我国煤矿的科研成果及生产实践经验，顶水采煤留设的安全煤岩柱有三种类型，即防水安全煤岩柱、防砂安全煤岩柱和防塌安全煤岩柱。在留设防水煤岩柱的情况下，矿井涌水量基本上不增加；在留设防砂煤岩柱的情况下，矿井涌水量有所增加，但不会涌砂溃水；在留设防塌煤岩柱的情况下，则可避免泥土塌向工作面。2疏干采煤 所谓疏干采煤，指的是先疏(水)后采(煤)，或边疏(水)边采(煤)两种情况。 根据中国煤矿的经验，先疏后采适应于下列条件： (1)煤层直接顶板或底板为砂岩或石灰岩岩溶含水层，且能够实现预先疏干时； (

19、2)松散含水层为弱或弱中含水层、水源补给有限，通过专门疏干措施或长期开拓与回采工程可以预先疏干时。 边疏边采指的是砂岩或石灰岩岩溶含水层为煤层老顶，回采后，老顶含水层水由采空区涌出，不影响工作面作业，但在工作面内需要采取疏水措施。第一节 “三下一上”采煤方法3顶疏结合开采 就是在受多种水体威胁的条件下进行水体下采煤时，对远离(大于导水裂缝带高度)煤层的水体，可以实行顶水采煤，而对直接位于煤层直接顶或离煤层一定距离(在冒落带或导水裂缝带范围内)的水体，则应实行疏干采煤(包括先疏后采和边采边疏)。 4帷幕注浆堵水 通常是采用水泥、粘土等材料注入含水层中，形成地下挡水帷幕，以切断地下水的补给通道。例

20、如，石灰岩岩溶含水层通过断层破碎带导水，以及石灰岩和砂岩含水层通过其露头接受松散含水层水的补给时，就有可能采用帷幕注浆堵水的方法来减少地下水的补给。四、石灰岩承压含水层上带压开采(一)石灰岩承压含水层上带压采煤防治途径 近20多年来，中国煤矿在石灰岩承压含水层的防治方面进行了大量的工作，并取得了许多经验。主要防治途径是： (1)疏水开采。即将含水层水全部疏干，或将含水层水位降低到安全高度后再行开采。这种方法主要适应于煤炭资源丰富，煤炭产量高、补给水源较少和煤层直接底板为石灰岩含水层的地区。 四、石灰岩承压含水层上带压开采(2)堵水开采。即将含水层补给水源采用帷幕注浆堵水方法堵截疏排后进行开采。

21、这种方法适应于煤层埋藏浅，储量集中和水源补给通道已探明的地区。(3)带(水)压开采。即在煤层与含水层之间有足够厚度和阻水能力的隔水层岩柱，并允许含水层水有一定的水头高度(或原始水位高度、或疏干后的水位高度)的情况下进行开采。这种方法适于隔水岩柱阻水能力好，含水层富水性中等及弱富水的条件。 第一节 “三下一上”采煤方法(4)综合治理。即疏、堵及带压开采相结合。从中国煤矿目前的实际情况看，带压开采是投资少、见效快的方法。如能同综合治理方法结合应用，即在有条件的地区进行局部帷幕注浆堵截水源，使含水层水位降低到与隔水岩柱相适应，则带压开采的应用范围将会越来越大。第一节 “三下一上”采煤方法 (二)石灰

22、岩承压含水层上采煤技术应用的特点根据我国煤矿的经验。带压开采技术应用的特点是：(1)带压开采的石灰岩含水有太原群、本溪群厚层(一般58m)灰岩、奥陶系巨厚层(400800m)灰岩及二叠系巨厚层(200500m)茅口灰岩；(2)含水层水压一般在115MPa以下，少数达23MPa，水压较大时，容易发生采掘工作面突水； 第一节 “三下一上”采煤方法(3)一旦发生突水、水量大，来势猛，在地质和水文地质条件复杂的条件下，当突水量超过矿井排水能力时，会造成淹井事故；(4)采动影响下的底板突水形式有突发型和滞后型两种。滞后型突水多为掘进突水。据粗略统计，在矿井总突水次数中，约有一半是掘进突水。第一节 “三下

23、一上”采煤方法二、石灰岩承压含水层上带压开采的技术条件及影响因素1含水层的富水特征 石灰岩承压含水层上带压开采的可能性与安全可靠性，取决于含水层的富水性及其分布特征。不同类型岩溶水体对安全开采的威胁程度不同。第一节 “三下一上”采煤方法应区分裂隙岩溶水体与通道岩溶水体(前者威胁性小于后者)；古代岩溶水体与近代岩溶水体(前者分布深度大于后者)；充填型岩溶水体与非充填型岩溶水体(前者富水性弱于后者)；单层单一型岩溶水体与多层复合型岩溶水体(前者比后者简单)；统一型岩溶水体与分散型岩溶水体(前者威胁性大于后者)。另外岩溶发育程度与岩石化学成分、埋藏深度及分布情况有关。含CaO2高的厚层状纯灰岩岩溶现

24、象较发育，随埋深增加岩溶发育程度减少，岩溶发育还受地质断层构造影响，一般断层附近岩溶发育剧烈。 第一节 “三下一上”采煤方法2断裂构造的导水性 据峰峰、焦作等矿区在石灰岩承压含水层上带压开采的突水实例分析可知，采掘工作面突水都与地质断裂构造有关。出现在断层附近的突水实例，峰峰矿区占76以上，井陉矿区占97，淄博矿区占70，焦作矿区占55，而且大部分是中、小型断层突水。因此，断层破坏带是矿井突水的最常见通道，无论断层的落差大小，都可能发生突水，特别在数条断层的交叉分叉地点，断层尖灭处和大小陷落柱附近，在采动影响下，突水的可能性最大。背斜轴部张性岩溶裂隙发育，导水性强；向斜轴部属压性结构，裂隙不发

25、育，导水性弱。 3底板岩柱的阻水能力 底板岩柱的阻水能力大小是决定带压安全开采可能性与可靠性的关键。底板岩柱阻水能力大小又决定于岩柱的尺寸、岩性及地层结构。 国内外煤矿确定带压开采时的岩柱尺寸常用突水系数法和阻水系数法。 阻水系数V为岩柱厚度M与水压P之比，即矿：V=MP。当V2时，带压开采是安全的。 岩柱的地层结构特征，对其受采动后的影响程度和阻水能力有一定的影响。当近煤层为坚硬岩层，远煤层为软弱岩层时，其抵抗来自上方的采动影响能力和阻止来自下方的承压水上升的能力都较好。当近煤层为软弱岩层，远煤层为坚硬岩层时由于坚硬岩层中易产生裂隙，故导水性好。因此，石灰岩含水层的水早已侵入该坚硬岩层，等于

26、缩小了岩柱的厚度。当岩柱全部为坚硬岩层时，岩层内的原生裂隙可能较发育，承压水上升，相当于减少了有效阻水岩柱的厚度。当岩柱全部为软弱岩层时，采动影响深度较大，阻水岩柱的有效厚度亦相应减少。4采动影响程度 煤层底板内采动影响程度，取决于采煤方法及工作面的尺寸大小。据突水实例统计，回采工作面大部分突水常出现在第一次放顶和老顶垮落之时，且多出现在长壁工作面上、下两端，特别是工作面下端部位。 采用长壁工作面回采时，由于煤层中的集中应力传递到底板岩层内，随工作面不断推进，底板岩层中受压缩、膨胀再压缩，甚至剪切，因而大大减少了岩柱的阻水能力。 三、石灰岩承压含水层上带压开采的适用条件及技术措施目前中国煤矿在石灰岩承压含水层上带压开采所采用的技术方案主要是疏干开采和综合治理、带压开采。 (一)含水层上带压开采的适用条件 (1)疏干开采适用于石灰岩承压含水层为煤层的直接底板，石灰岩承压含水层的富水性及水源补给条件有限的情况。 (2)综合治理、带压开采的适应条件为： 有足够的厚度和阻水能力的岩柱； 断裂构造较少或断裂构造导水能力弱； 有堵截补给水源的条件。 (二)综合治理、带压开采的主要技术措施 (1)先采深部煤层，后采浅部煤层。 (2)