在承压水体上安全采煤问题
三下一上”开采设计的原则
三下一上”开采设计的原则
“三下一上”开采设计原则是指在建筑物下、铁路下、水体下和承压水体上进行采煤，同时不破坏原有地貌。
具体原则如下：
1. 建筑物下开采：需要保证建筑物不受到开采影响而破坏，同时要尽量多采出煤炭。
对于不适合搬迁的城镇、工厂、居民区、村庄等所压煤层，应进行开采，并做到井筒矿柱的回收，既开采出煤炭，又保护好地面建筑物。
2. 铁路下开采：需要保证铁路干线与支线下所压煤层的开采，同时采取留下矿柱的策略来保护铁路。
3. 水体下开采：包括地面水体下和地下水体下的开采。
水体下开采的实质是如何确定防水和防砂矿柱的高度，此上限到地面的垂高，就是安全开采深度。
在水库、蓄水池和运河等地面水体下采煤时，除要防止矿井发生突水事故外，还要保证它们不受到开采的影响而破坏。
4. 承压水体上开采：指可采煤层以下的承压水体上的煤层开采。
此外，三下一上”采煤技术需要充分考虑安全性和经济性，以及环境保护和资源回收率等因素。
在实际应用中，应根据具体情况选择合适的开采技术和方法，并进行详细的地质勘查和工程设计。
水体下承压水上采煤的理论依据
“上三带”理论对于地面水体、松散层底部和基岩中的强、中含水层水体、要求保护的水源等水体，不容许导水断裂带波及；对于松散层底部的弱含水层水体，允许导水断裂带波及；对于厚松散层底部为极弱含水层或可以疏干的含水层，允许导水断裂带进入，同时允许垮落带波及。
1、三带的形成213p1-2（1）垮落带不规则垮落带，呈杂乱堆积；规则垮落带，岩块堆积排列较整齐，似层状断块碎胀性：1.3~1.5，体积增大；碎胀系数的选取导水：水、水砂和泥浆容易通过 高度 :覆岩为极坚硬岩层公式 （2）断裂带，曾称做裂隙带 裂隙带（左右断裂，上下离层）弯曲，整体断裂，大致垂直于层面的裂隙，离层一般导水，又称导水断裂带。
（一般将垮落带、裂隙带称为导水裂隙带）厚煤层第一分层以后的分层开采时，断裂带高度上升，但上升的幅度较初次采动大为减小。
（3）弯曲带断裂带之上至地表，又称弯曲下沉带或整体移动带，保持整体性和层状结构，不存在或极少存在离层裂隙。
隔水，岩性较软时，隔水性能更好。
采深较大，弯曲带的高度可能大大超过垮落带和断裂带高度之和弯曲带上方地表一般要形成地表下沉盆地，盆地边缘往往要出现张裂隙，其深度约3~5m，一定深度后闭合消失。
浅部无弯曲下沉带充填开采无垮落带2、垮落带与断裂带的高度垮落带与断裂带的高度所谓覆岩破坏规律，在研究水体下采煤问题时主要就是指导水裂缝带的分布形态和最大高度。
影响覆岩破坏规律的因素有许多，其中有些因素的影响可以定量地描述，有些只能定性地加以说明。
（1）主要影响因素覆岩力学性质和结构特征顶板坚硬，两带高度较大，之和可达18~28倍采高顶板松软破碎时，两带高度较低，采厚的9~12倍。
覆岩破坏高度与覆岩力学性质密切相关。
但是，要想全面考虑变形特性和强度特性等力学性质对覆岩破坏的影响是极为复杂和困难的。
因此只能把问题简化，主要考察岩石的强度性质律的影响。
如果采区上覆岩层为脆性岩层，受开采影响后很容易断裂，所以覆岩破坏高度大。
《煤矿安全规程》(防治水部分)
煤矿安全规程第六章防治水（2010.11.4）第一节一般规定（3条）第二百五十一条煤矿企业、矿井必须配备满足工作需要的防治水专业技术人员，配齐专用探放水设备，建立专门的探放水作业队伍，建立健全防治水制度，装备必要的防治水抢险救灾设备。
第二百五十二条煤矿企业、矿井应当编制本单位的防治水中长期规划（5-10年）和年度计划，并认真组织实施。
对矿井水文地质条件进行类型划分。
煤矿企业应定期收集、调查和核对相邻煤矿和废弃的老窑情况，并在井上、下工程对照图和矿井充水性图上标出其井田位置、开采范围、开采年限、积水情况。
矿井应建立水文地质观测系统，加强水文地质动态观测、水害预测分析。
水文地质条件复杂、极复杂矿井每月开展1次水害隐患排查治理活动，其他矿井每季度至少开展1次。
第二百五十三条煤矿企业每年雨季前必须对防治水工作进行全面检查。
雨季受水威胁的矿井，应当制定雨季防治水措施，建立雨季巡视制度并组织抢险队伍，储备足够的防洪抢险物资。
当暴雨威胁矿井安全时，必须立即停产撤出井下全部人员，只有在确认暴雨洪水隐患彻底消除后方可恢复生产。
第二节地面防治水（5条）第二百五十四条煤矿企业、矿井应当查清矿区及其附近地面河流水系的汇水、渗漏情况，疏水能力和有关水利工程等情况；了解当地水库、水电站大坝、江河大堤、河道、河道中障碍物等情况；掌握当地历年降水量和最高洪水位资料，建立疏水、防水和排水系统。
煤矿企业、矿井应当建立灾害性天气预警和预防机制。
加强与周边相邻矿井信息沟通，发现矿井水害可能影响相邻矿井时，应立即向周边相邻矿井进行预警。
第二百五十五条矿井井口和工业场地内建筑物的基础标高必须高于当地历年最高洪水位；在山区还必须避开可能发生泥石流、滑坡的地段。
矿井井口及工业场地内主要建筑物的基础标高低于当地历年最高洪水位的，应当修筑堤坝、沟渠或者采取其他可靠防御洪水的措施。
不能采取可靠措施的，应当封闭填实该井口。
第二百五十六条当矿井井口附近或者开采塌陷波及区域的地表有水体时，必须采取安全防范措施。
水体上开采技术与典型案例分析
3.9.水体上开采突水系数分析结论
实践与测试资料表明，矿压作用下的底板破 坏深度一般为6-14m，灰岩水的导升高度一般为37m，上下两个破坏带厚度之和为9-21m。
由此可见，准确查明矿压破坏带和导升断裂 带厚度是预测底板突水条件的关键因素。
最后，则是操作注水控制台，对分隔出的一段钻孔进 行注水观测，通过注水控制台上的流量表，观测出这段岩 层单位时间的注水渗流量，从而测试出这段岩层的透水性 能。
5.2 底板导水破坏深度 经验公式计算法
根据大量实测资料，用实测的底板导水破坏深度与关系 最密切的工作面斜长、采深、倾角等因素的数据经回归分
析，拟合公式。
修正后的公式充分考虑的破坏和影响，应该 说更加符合实际情况。
3. 3 等效隔水层厚度概念
上述公式中只考虑了底板隔水层厚度而未考虑底板隔水层是由 不同性质的岩层复合而成，且不同岩石有着完全不同的力学性质和 抗水压能力。因此，不能单纯以岩石的实际厚度来计算突水系数， 而应根据岩石本身的力学强度和隔水性能对实际厚度进行计算，得 出一个假定岩体强度和隔水性能均一的等效隔水层厚度(Me)。为此， 提出了等效隔水层厚度的计算公式：
3. 4 岩石强度比值系数
确定有效隔水层厚度的关键在于如何确定不 同性质岩层的强度比值系数。目前还缺乏系统的 理论与实验研究。根据邯郸地区的现场压水试验 资料获得了表2-2斫列的强度比值系数。
3. 5 新的突水系数计算公式
在获得了等效隔水层厚度后，并考虑底板破 坏带深度和原始导升高度带等因素，所得到新的 突水系数的计算公式如下：
2) 井下仰斜钻孔双端堵水器导高观测原理与方法
承压水体上煤层开采技术
郑州 矿 区含煤 地 层 自老 而 新 有石 炭 系本 溪 组 、 太原 组 （ 煤组 ） 二叠 系 山西组 （ 一 和 二煤 组 ） 下石 盒 、 子组 和上 石 盒 子 组 （ 、 、 、 、 、 煤 组 ） 总 四 五 六 七 八 九 ， 厚度 ７ ５ ５ ０ ． ５ｍ。矿 区 主要 开 采二 叠 系 山西 组 的 二 煤层 ， 层 厚 度 ０～１ ． ３ｍ， 煤 ８ ２ 平均 ６ ８ ．６ ｍ。矿 区煤 系地层 的基 底为 奥 陶 系 中统 马 家 沟 组 石 灰 岩 ， 度 厚 １． ４ ． 岩溶 裂 隙 发育 ， ２ ８～ ３ ６ ｍ， 富水 性 极 强 ， 的压 水
素 ， 细阐述 了承压水体上采煤的几种方案和安全技术措施 。 详
关 键 词 ： 压 水 体 ； 采 技 术 ； 质 条 件 承 开 地 中 图分 类号 ：Ｄ ２ ．３ Ｔ ８ ３ ８ 文献标识码 ： Ｂ 文章 编号 ：０ ５ ２９ （０６）３ ０ ３ ． ２ １０ ． ７ ８ ２０ ０ ．０ ８ ０
维普资讯
实 用技 术
承 压 水 体 上煤 层 开 采技 术
邢 吉亮， 张宏军 ， 程 政 ， 李冠 良， 孙志伟
（ 州煤 业 集 团 公 司 告 成 煤 矿 ， 南 登 封 ４ ２ ７ ） 郑 河 ５ ４７
摘
要 ： 绍了郑州矿区含煤地层 及奥 灰含水 层 的基本 特征及 水力 联系 ， 介 分析 了影 响底板 突水 的几个 因
ｈ ）
突 水 构造 水 源
图 １ “ 三带” 意 下 示
１３ 隔水层 的 阻水 能 力 ．
隔水 层 的 阻水 能力 取 决 于 隔水 层 的强度 、 度 厚
和 裂 隙 发育 程 度 。强 度 越大 、 度 越 大 、 隙越 少 ， 厚 裂 隔水层 阻力 越大 ， 突水 的危 险 性 就 越小 ， 反之 ， 突水
建筑物下铁路下采煤[1]
![建筑物下铁路下采煤[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/2d02467c1711cc7931b7161c.png)
（3）倾斜（i），指地表单位长度内下沉 的变化量，具有方向性。
（4）水平变形（ε），指地表单位长度内 水平移动的变化量，拉伸为正，压缩为负。 （5）曲率（k），指地表单位长度内倾斜 变化量，凸为正，凹为负。
地表移动的量值与角量之间存在 着对应关系，主要有边界角与下沉之 间的关系、移动角与变形（倾斜、水 平变形和曲率）的关系及超前影响角 的关系。
建筑物下、水体下、铁路下、 承压水体上
采煤新技术
文学宽 研究员 煤炭科学研究总院
“三下一上”采煤的意义
我国煤炭资源蕴藏丰富、分布 广泛、加之人口众多、煤矿生产均 不同程度涉及建(构)筑物下、水体 下、铁路下、承压水体上(简称 “三下一上”) 采煤问题。
据不完全统计，仅统配煤矿生产矿井 的“三下一上”压煤量就高达数百亿吨， 特别是华东地区经济发达，人口密集，矿 井的“三下一上”压煤量占到可采储量的 50%左右，有的新建矿井的压煤量高达矿井 可采储量的80%。 一些开发较早的矿井随着可采资源的 枯竭，其生产均涉及“三下一上”采煤问 题。
3.1.开采沉陷建筑物的损害类型
3.1.1 .下沉对建筑物的损害
一般情况下，当房屋所处的地表出现均匀 下沉时，房屋的结构不会产生附加应力，因而 对其本身也不会带来损害。
但当地表下沉量大，地下水位有很高时， 造成房屋周围长期积水或受潮，改变了房屋所 处的环境，会降低地基的强度。
不均匀下沉造成房屋损害的最普 遍形式就是产生不同程度的房屋斑裂， 一般不均匀下沉的上方墙体就会产生 倾斜裂缝，严重时就会影响房屋的使 用甚至会使房屋遭到破坏而废弃。
依据开采深度、岩性和开采区域面积，地表移 动盆地的形成过程经历非充分采动，充分采动，最 后达到超充分采动。
1.3.地表点移动特征
承压水体上煤柱留设的理论与实践
用利用地层本身强度 ，建造地下帷幕将深排强降范围进行适当限制 。
二是 “ 带压 开采 ” 。根 据 承 压 水 体 与 煤 层 之 间 的 隔水 层 厚 度 ，留设 尽 可 能 小 的 防水 煤 柱 ，并 改革 采煤 方法 和工艺 进行 开采 。有 些 矿 区 ，还 辅 以注浆 改造 加强 隔水 层强 度 ，达到缩 小 煤柱 的 目的 ，最 大 限度开 采煤 炭 资源 。 国 内外 多数矿 井 实践证 明 ，采用 “ 排 强 降 ” 深 ，虽 然在 开 采 时安 全性 高 ，可 靠 性强 ，但 该 法不仅 会 造成 吨煤排 水费 用急 剧增 加 （ 高至 其 直 接 生产 成 本 的 １２ ，而 且对 资 源 和环 境 ／） 的破 坏亦 大 。 因此 ，这 种方 法应 尽 量 少 用或 不 用 。而 采用 “ 压 开 采 ” 虽 然 有 一 定安 全 风 带
险 ，但只要做到充分收集相关参数 ，采用数据合理 ，再根据具体情况对底板辅 以注浆补强和 合理的疏干降压 ，安全开采会有保障。此方法不仅具有吨煤生产成本低等优点 ，而且对地面 资源和环境的破坏小 ， 在我国得到普遍采用 ，研究部门也在重点研究。
收稿 日期 ：２ｏ ￣５１ ｏ ８ —５
作者简介 ： 刘仁路 （９ ３ ，男 ，云南下关市人 ，采矿工程师 ，长期从事煤矿设 计研究 工作 。 １６ ～）
应用 国内相关科研成果 ，成 功地 留设 防水煤 柱 ，划定 可采 区域。经矿 井建设 检验 ，满 足安 全开
采需要 。
关键词 ：承压水体 ；煤柱 留设 ；参数计算 ；安全开采 ；华盖 山煤矿 ；云南 华 宁
中 图分 类 号 ：Ｐ ４ ． ６ ６ １４ １ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０ ４１８ （０ ８ Ｏ －５ － １０ —８５ ２０ ）４４ ５０ ９
三下采煤技术现状
“三下一上”采煤理论技术1.“三下一上”采煤技术现状建筑物下、铁路下、水体下、承压水体上开采，简称“三下一上”开采。
据目前不完全统计，我国国有骨干大中型矿井“三下”压煤量达到140亿吨以上，其中建筑物下压煤占整个“三下”压煤量的60%以上，水体下（包括承压废岩水上）压煤占28%左右，铁路下压煤占12%左右，然而，到目前为止，我国仅从“三下”采出的煤炭约有10亿吨，只占整个“三个”压煤量的7%左右。
随着一些大中型煤矿开采时间的增长及其地表乡镇企业和农村住宅的建设和扩展，目前，已有很大一部分矿井已无较为正规完整的采区可供开采，造成很多矿井有储量而无法大规模开采的局面。
而有些矿井强行开采（不管对地表的影响），有些矿井因采掘接替协调顺序不对进行开采，引起对地表设施的大量或不该有的损坏，造成巨大的经济损失和紧张的工农关系，严重影响了煤矿企业的生产和经济效益。
从目前调查的结果得出，几乎所有的井下开采的煤炭大中型企业，都面临着大量的“三下”压煤问题，这些“三下”压煤量占目前矿井储量的10~15%，个别的甚至更多。
因此，如何逐步开采“三下”压煤，或如何规划矿井的采掘接替顺序，把对地表的影响控制在最低限度；或者如何搭配开采“三下”压煤，有计划地控制逐年的采动损害赔偿；或者以经济效益为第一要素采用一些特殊的开采方法,在不影响地表建（构）筑物的前提下部分开采出一些“三下”压煤量。
这些都是目前煤炭企业已经面临而必须研究解决的问题。
1．1 建筑物下采煤建筑物下开采是指那些不适合搬迁的城镇、工厂、居民区、村庄等所压矿层的开采，其中包括井筒矿柱的回收。
做到即采出资源，又要保护地面建筑物。
采取的措施主要是在井下开采时采取一些不同于普通的开采方法，以减少地面移动与变形，另外对地面的建筑物或构筑物采取加固与维修的方法，使其所受的采动影响和破坏程度在其本身允许的范围之内。
这在国内外都取得了诸多成功的经验。
波兰，从1950年起开始进行建筑物下采煤试验，到1980年，已从各种煤柱中采出近7000万t左右，占产量的40％一42％。
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（1）特大型:突水量等于或大于50；
（2）大型:2049；
（3）中型:519；
（4）小型:小于5。
二、开采后底板岩层破坏规律
在开采过程中,煤层底板应力重新分布造成底板岩层的变形与破坏,削弱了底板岩层的阻水能力,甚至形成突水通道。因此,研究开采后煤层底板的应力重新分布、变形与破坏规律,是研究煤层底板突水问题的基础。
（2）保护层带:位于破坏带之下的完整岩层,岩层在支承压力作用下产生弹性变形或塑性变形,但仍保持连续性,其阻水能力未发生变化。因此,又称完整岩层带或阻水带。其厚度为h2。
（3）地下水导升带:位于保护层带之下,底板承压水,沿底板隔水层裂隙上升的高度,其厚度为h3。
（4）底板含水层顶部充填隔水带:有时底板含水层顶部存在泥质物的充填,具有隔水作用,其厚度以h4表示。
根据下三带理论,预测承压水体上采煤有四种情况,（见图3）
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三、影响底板突水因素
1、水源条件
水源条件包括水压和水量。水量是突水的物质基础；水压是突水的动力。水量越丰富,突水量越大,其危害性也越大。水压大,一方面冲破力大；另一方面在隔水层裂隙中导升高度增大,水压越大其破坏性越大。
1、开采过程中工作ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ底板应力变形特征
采煤工作面周围应力的分布情况:按应力大小分升高应力区(增压区)、降低应力区（减压区）和原始应力区（稳压区）（见图1）。
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采煤工作面底板应力与变形情况:按应力与变形性质分压缩区（压应力）、膨胀区（拉应力）、压缩区与膨胀区之间（剪应力）。拉应力与剪应力使底板出现一系列垂直于层面的断裂。垂直断裂与层理、顺层断裂交叉,形成底板破碎带（见图1）。
一、底板突水类型
1、按底板突水地点分:巷道突水、采煤工作面突水。
2、按突水的动态表现形式分:
（1）爆发型:突然爆发,即达峰值,过后突水近于稳定、减小。来势猛、速度快、冲击力大,常有岩石碎屑伴水突出。
（2）缓冲型:水量由小到大逐渐增大,经几小时、几天、甚至几月才达到峰值。
（3）滞后型:采掘工作面推过后,在巷道、采空区内发生突水,滞后时间几天、几个月、几年,突水量可急可缓。
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在承压水体上安全采煤问题
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我国华北及华东地区的主要矿区如开滦矿区、兖州矿区、新汶矿区、枣庄矿区,开采石炭二叠系煤层。煤系基底为奥陶系石灰岩,厚度大、岩溶裂隙发育、富水性强、水压大。当遇有地质构造（如断裂构造）时,奥陶系石灰岩与上覆的本溪组或太原组的石灰岩连通,发生水力联系,造成底板突水事故。有些煤层由于受奥陶系石灰岩承压水的威胁而不能开采。因此,研究和解决受奥陶系石灰岩承压水威胁煤层的安全开采问题,对于煤矿的安全生产和解放呆滞的煤炭资源具有重大的现实意义。
2、防水安全煤岩柱的设计
原则:不允许底板采动导水破坏带波及水体,或与承压水导升带沟通。
（4）工作面推进速度太慢或停止时,在停采线处由于支承压力的长时
期作用,使底板破坏严重,易于突水。工作面推进速度快,采空区底板还来不及形成较大的断裂,就会由膨胀状态变为压缩状态,有利于防止底板突水；
（5）区段煤柱在侧向支承压力的作用下,边缘处破坏；煤柱边缘处顶板垮落不充分,易于突水。
3、隔水层（保护层）阻力
层厚度减小甚至消失（见图4）。
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（2）断裂错动时,断裂影响范围内的岩石比较破碎,极大地破坏了隔水层岩石的完整性,降低了隔水层的阻水能力。
（3）断裂错动时,断裂影响范围内的岩石比较破碎,具有良好的储水和导水特征,当采煤工作面揭露到断裂构造时,即会发生底板突水。
隔水层的强度、厚度及裂隙发育程度,影响隔水层阻力的大小。隔水层阻力系数(Z),以Mpa/m表示,在一般情况下Z=0.10.3Mpa/m。
4、地质构造
地质构造,特别是断裂构造,是造成煤层底板突水的主要原因。我国绝大部分（80%以上）的底板突水,是由断裂构造引起的。
（1）断裂错距的存在,缩短了含水层与煤层之间的距离,使底板隔水
2、煤层底板“下三带”
根据煤层底板的破坏情况及地下水的导升情况,采煤工作面连续推进后,工作面及采空区煤层底板可分为三带（见图2）:
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（1）破坏带:直接与工作面邻接的底板,出现一系列沿层面和垂直于层面的断裂,使底板导水能力增强,因此又称为导水破坏带,其厚度称底板破坏深度h1,可达几米到十几米。
在承压水体上安全采煤问题
Through the process agreement to achieve a unified action policy for different people, so as to coordinate action, reduce blindness, and make the work orderly.
2、矿山压力
（1）有周期来压的采煤工作面,在初次来压、周期来压时,支承压力大,对底板破坏严重,易发生底板突水事故。
（2）在采煤工作面后部采空区附近的底板处于降低应力区或变形膨胀区,顶板垮落不充分,断裂张开,阻水能力最弱,易于突水。
（3）初次来压前,在开切眼附近,老顶大面积悬露、且直接顶垮落不接顶,底板形成较大的自由面,易于突水；
（4）采煤工作面底板岩体中存在断裂构造时,使底板的破坏带深度增大。
四、承压水体上采煤防水安全媒岩柱的留设
1、防水安全煤岩柱的类型
承压水体上采煤,对于不同采动等级的水体,都必须留设安全媒岩柱。
表1为承压水体上采煤的采动等级、允许采动程度及留设的安全煤岩柱类型。
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