基于水体下采煤技术的研究

基于水体下采煤技术的研究

宋有才，郭超，曲大臣，卢国斌

辽宁工程技术大学采矿工程系，辽宁阜新（123000）

E-mail: songyoucai126@https://www.360docs.net/doc/f86107937.html,

摘要：近年，我国煤炭资源保障程度大幅下降，资源浪费严重，因此，解决好压煤量巨大的“三下一上”尤其是水体下压煤量巨大的安全开采问题，可以大大缓解我国煤炭供应量不足的危机，从而为加快我国现代化步伐，实现中华民族的伟大复兴做出巨大的贡献。本篇文章介绍水体下采煤的特点、影响水体下采煤的因素、上覆岩层的破坏形态与规律、水体下采煤的安全煤柱的留设以及水体下采煤的安全技术措施，在实践生产中将有良好的借鉴意义。关键词：水体下采煤；顶板控制方法；留煤柱；水体处理措施；安全技术措施

中图分类号：TD82

0.引言

水体下采煤技术最先在欧洲主要产煤国家得到发展。德国、波兰、前苏联和英国等国家建立了一系列的岩层与地表移动理论，并且成功地将水体下采煤技术广泛应用于生产实践中。相对而言，我国“三下一上”所造成压煤量之多，在世界上也是罕见的。其中仅水体下压煤数量就十分巨大。[1]据不完全统计，我国有125条较大的河流压煤，还有微山湖、太湖、大冶湖和渤海等湖海下压煤，在华北、东北和华东平原地区普遍有第四系的含水砂层覆盖，这些地区的煤田浅部开采都存在含水砂层下采煤的问题。我国的水体下采煤技术的研究与应用开始于20世纪50年代，到20世纪80年代已经取得了很大的成果。经过40余年的研究和实践，积累了经验，发现了规律，编制了规程，在岩层与地表移动理论及与“三下一上”采煤有关的技术领域，都接近或达到了国际先进水平。随着陆地部分煤炭可采储量锐减，进入海下采煤势在必行。[2] . [3]

1.采动后岩层移动特征及对水体下开采的影响

水体下采煤包括地表水体、含水沙层水体及基岩水体下采煤。在水体下采煤时，既要防止上覆水体中的水或泥沙溃入井下，又要防止因矿井水增大而过分增加矿井涌水量，增大排水费用。顾名思义，水体下采煤由于开采条件的特殊性，使其除了具有一般井工开采的共性之外，还有自身的一些特点：水体下采煤着重研究岩层与地表的破坏规律以及可能造成的水力联系，而不考虑地表移动与变形情况；水体下采煤不仅要考虑到岩层与地表破坏规律，而且要考虑水体的类型以及矿井地质和水文地质情况；水体下采煤的主要对策是“隔离”或“疏降”两类方案。前者适用于水量大、补给充分的条件；后者适用于水量小、补给有限的条件。由这些特点对于埋藏于水体下的煤炭能否根据现有的技术条件，保证安全、经济的采出，需要重点考虑三方面：一是开采引起的覆岩中裂隙是否相互连通以及相互连通的裂隙是否波及到水体；二是受开采影响后，防水煤岩柱是否具有足够的隔水性能；三是要合理的确定煤层的开采上限，正确选择开采方法和防护措施。[4] . [5] . [6]

2.影响水体下采煤的主要因素

研究水体下采煤时要弄清导水断裂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很多，其中有些因素的影响可以定量的描述，有些只能定性的加以说明。

2.1岩石力学性质和结构特征

如果工作面上覆岩层为脆性岩层，煤层开采后容易断裂，覆岩破坏高度大；如果上覆岩层为塑性岩层，煤层开采后不易断裂，但容易下沉，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，较软的覆岩比坚硬的覆岩有利。覆岩中的上下分层与坚硬、软弱不同性质岩层的不同组合，即覆岩结构特征，对覆岩破坏高度有重要影响，为了简便起见，将覆岩大致分为坚硬与软弱两种。于是有4种组合形式：⑴坚硬——坚硬型⑵软弱——软弱型⑶软弱——坚硬型⑷坚硬——软弱型[7] . [8] . [9]

2.2地层结构

地层结构系指地层内含水层与隔水层在空间上的分布情况及相互关系。可分为单一结构、复合结构、封闭或半封闭结构以及覆盖结构。单一结构的含水层，水体集中，水量大，渗水性强；复合结构的含水层与隔水层相互隔离，水体分散，各含水层在铅直方向上相互阻隔，在水平方向上流动；封闭或半封闭结构，隔水层在一定范围内形成封闭或半封闭的储水条件，在铅直方向上的补给是缓慢的和有限的，地下水以静储量为主；覆盖结构，隔水层与煤系地层呈不整合接触，地表水与地下水被隔水层隔绝。[10] . [11]

2.3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，一次采高不大，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的阻止垮落岩块滑动，使覆岩破坏具有明显的规律性，这也有利于水体下采煤，若采用落垛式采煤法，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。[12] . [13] . [14]顶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充分，对水体下采煤不利。充填法管理顶板在充填质量好时，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很多，采用煤柱支撑法（条带法、房柱法、刀柱法）管理顶板时，若所留煤柱能够支撑顶板，尽管开采部分的顶板局部垮落，导水断裂带还能孤立存在并且高度很小。如果所留煤柱太窄，煤柱就会被压垮，此时的覆岩破坏高度与垮落法相同。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。[15] . [16] . [17] 2.4煤层倾角

对于煤层倾角处于0～35度的煤层，垮落带的边界在采空区边界范围以内；导水断裂带的边界在采空区边界范围以外，超出采空区边界5～8米。垮落带与导水断裂带呈马鞍型，导水断裂带的最高点位于采空区倾斜的上方。对于倾角为36～54度的煤层，由于倾角增大，采空区上部垮落的岩块下滑，充填采空区下部，导致垮落带与导水断裂带的上部边缘增高，其上部边界大体上呈抛物线形状。对于倾角为55～90度之间的煤层，垮落的岩块下滑加剧，充填采空区下部空区，限制了垮落带与导水断裂带的下部边缘的发展，而采空区上部的边界煤柱悬空，逐次发生片帮、裂开、垮落，导致导水断裂带的上部边缘急剧向上发展，垮落带也可能超出采空区边界。[18]

2.5 开采面积与高度

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，煤层开切后，垮落带高度随工作面的推进而不断增高，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，但是垮落带高度不在增加，这种情况与地表达到充分采动以后最大下沉值不再增加。[19]

2.6开采厚度

其对覆岩破坏的影响是直观的，开采缓倾斜煤层时，覆岩破坏主要表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。[20]

2.7时间因素

围岩破坏一般落后于回采，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，破坏高度随着时间的推移（工作面的推进）而增大，对于中硬岩层，在工作面回柱放顶后1—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。然后，导水断裂带随着冒落带的压实而逐渐降低，降低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随着时间的增加，导水断裂带内的裂隙有可能闭合一部分而减少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更明显。[21]

2.8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，覆岩破坏规律与初次采动时间的规律有所不同，并且逐次的重复采动又各不相同。[22]

3.安全开采深度的确定方法

首先是根据经验确定。影响安全开采深度的因素很多，各个矿区的具体情况也不一样。但对某一矿区来说，在具体的地质采矿条件下，根据经验，找出本矿区的岩层移动与突水规律，大致确定一个范围来指导生产。对新开发的矿区，也可参考地质条件类似矿区的经验，采用类比法确定一个本矿区的基岩厚度与采厚的比值，通过开采实践加以校正。其次，在缺乏经验不能直接确定时，可以根据一些经验数值进行计算。[23]

4.水体下采煤的安全技术措施

解决水体下采煤问题可以采取三种技术措施：留设安全煤柱、处理水体、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，这需要根据具体条件而定。

4.1留设安全煤岩柱

安全煤岩柱是指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间留设一定垂深的岩层块段和煤层。根据留设煤岩柱的目的不同，可分为防水安全煤岩柱、防砂安全煤岩柱、防塌安全煤岩柱。[24]

4.2水体处理措施

留设安全煤岩柱可将水体与工作面安全地隔离开，能够安全开采，还不增加矿井的排水量。留设防砂安全煤岩柱和防塌安全煤岩柱只能起隔离泥沙的作用，但不能减少矿井涌水量，可以对上覆水体起疏干作用。留设安全煤岩柱的优点是：不改变原有的采煤方法，不增加疏水系统和排水系统，但增加了煤炭损失，增大了工作面淋水。因此，有时候采用水体处理措施。[25]

4.3水体下采煤的开采技术措施

在开采技术方面采取措施减轻覆岩破坏的影响，并且与留设安全煤岩柱措施相配合，有利于实现水体下安全采煤。

⑴分层或分阶段间歇开采

分层间歇开采是将厚煤层按倾斜分层或按水平分层的方法开采，减少一次开采的厚度和覆岩的破坏高度，使整个覆岩形成均衡破坏，防止了不均衡破坏对水体的影响，对于厚松散层下浅部开采或安全煤岩柱中基岩厚度较小的条件，分层间歇开采具有更加明显的效果。

在倾斜分层走向长壁式开采时，要尽量减小第一、第二分层的采厚，同时增大分层开采之间的时间间隔，上、下分层同一位置的回采间隔时间应该大于4~6个月。如果覆岩坚硬，间隔的时间还要长，在急倾斜煤层开采时，应尽量减小第一小区段的垂高，同时加大走向连续回采的长度，此时还应该严禁超限开采，防止煤层抽冒。

⑵充填开采

采用充填法管理顶板是水体下采煤的最有效措施之一，它还可以大大减小安全煤岩柱尺寸，同时开裂性破坏程度也将有所降低。

⑶分区隔离开采

在采区四周均留设防水隔离煤柱，在运输水平的绕道和石门内设永久性的防水闸门，将采区与外界隔离，缩小灾害的影响范围。

⑷试探开采

试探开采的原则是：先远后近、先深后浅、先厚后薄、先易后难，逐渐接近水体。这样，不仅能确切地了解采动对防水安全煤岩柱的破坏情况，而且能摸索出适合本地区的开采方法和技术措施。

⑸正常等速开采

采用长壁垮落采煤法时，要保持工作面正规循环和连续均匀推进，使工作面空间内顶板保持完整，从而顶板含水层中的水可随着回柱放顶而涌入采空区。 [26]

5.结论

进入21世纪，煤炭在世界特别是我国能源消费中的重要性更加明显。按照国务院领导批示，国土资源部组织矿产开发司等有关部门，对我国煤炭资源管理及开发利用情况开展了专题研究。解决好压煤量巨大的“水体下采煤”的安全开采问题，可以提高我国煤炭的产量，加快我国的工业化的发展速度，对我国的资源建设有积极的指导作用。

参考文献

[1]仲维林．国内外“三下”采煤概况［J］．东北煤炭技术．1990，（赠刊）

[2]范维唐．中国煤炭的工业的发展与展望［J］．世界技术．1990，4

[3] 李玉民，康永华，高成春,张强．我国水体下综放开采技术的应用及展望［J］．煤炭科学技术，2003, (12)

[4]曹志伟，翟厥成．岩层移动与“三下”采煤［M］．北京：煤炭工业出版社，1986

[5] 李思标,贺小峰,孙永．水体下采煤安全程度评价实例［J］．山东煤炭科技, 2005, (06)

[6] 武雄,邹登亮,刘东辉,段庆伟,赵宇飞．水体下采煤引发的地表塌陷规律实测技术［J］．矿山压力与顶板管理, 2005, (03)

[7]张玉军,康永华．覆岩破坏规律探测技术的发展及评价［J］．煤矿开采, 2005, (02)

[8]煤科院北京开采所．煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用［M］．北京：煤炭工业出版社，1981

[9]尹增德．采动覆岩破坏特征及其应用研究［D］．山东科技大学，2007年

[10]赵德深．煤矿区采动覆岩离层分布规律与地表沉陷控制研究［D］．辽宁工程技术大学, 2001

[11]董佩明,刘树山．老塘水体下采煤［J］．煤炭科学技术，1980年07期

[12]徐永圻．煤矿开采学［M］．徐州：中国矿业大学出版社， 1999.8

[13]康永华,靳仁昌．水体下放顶煤开采研究现状及其发展趋势［J］．煤矿开采, 2003,(01)

[14] 孙文华．三下采煤使用技术手册［M］．北京：中国煤炭出版社，2005.8

[15]将金泉，宋振骐．回采工作面底板活动及其对突水影响的研究［J］．山东矿业学院学报，1987（4）

[16]高树雷,张崇良,李亮．堤体下采煤技术研究［J］．煤炭科技, 2007,(03)

[17]杨贵．综放开采导水裂隙带高度及预测方法研究［D］．山东科技大学，2004年

[18]康永华,孔凡铭,张文．试论水体下采煤的综合研究技术体系［J］．煤矿开采，2001年01期

[19]任奋华,蔡美峰,来兴平,康永华,刘治国．采空区覆岩破坏高度监测分析［J］．北京科技大学学报，2004年02期

[20]袁景．谢桥煤矿1201（3）工作面覆岩导水裂缝带高度预测［D］．辽宁工程技术大学，2005年

[21]苏仲杰．采动覆岩离层变形机理研究［D］．辽宁工程技术大学, 2002

[22]康永华,孔凡铭,孙凯．覆岩破坏规律的综合研究技术体系［J］．煤炭科学技术, 1997, (11)

[23]李佩全．淮南矿区水体下采煤的实践与认识［J］．中国煤炭, 2001, (04)

[24]煤炭工业部．建筑物，水体，铁路及主要巷道煤柱留设与压煤开采规程［M］．北京：煤炭工业出版社，1986

[25]郑世燕．河流下采煤技术综述［J］．煤炭科学技术, 1993,(06)

[26]王兵,题正义．水体下综放开采技术的研究［J］．矿业工程, 2007,(01)

The Mining Under Water

Song Youcai ,Guo Chao, Qu Dachen, Lu Guobin

Mining Engineering, Liaoning Technical University, Liaoning Fuxin (123000)

Abstract

In recent years, China's coal resources sharp decline in the level of protection, serious waste of resources, and how to resolve coal huge pressure "on the next three" ,especially under the pressure of the water is huge coal mining safety problems, can greatly alleviate China's coal supply shortage of crisis, so as to accelerate the pace of China's modernization and realizing the great rejuvenation of the Chinese nation made significant contributions. This article describes the mining under water characteristics affecting the mining under water, the destruction of the overlying strata form and the law, and the water body under the safety of coal mining in a column of water and the safety of mining under technical measures,which will play a signigicant role in our practical life.

Keywords：Mining under water; roof control method; stay pillar;water treatment; safety technology

作者简介：

宋有才，男，辽宁，辽宁工程技术大学资源与环境工程学院采矿工程专业在读本科生。

郭超，男，辽宁，辽宁工程技术大学资源与环境工程学院采矿工程专业在读本科生。

曲大臣，男，辽宁，辽宁工程技术大学资源与环境工程学院采矿工程专业在读本科生。

卢国斌，男，辽宁，辽宁工程技术大学教授，曾主讲“专业概论”等多门采矿专业课程。