水体下采煤安全性分析.pdf

论文题目 水体下采煤安全性分析 职 称熬援 职 称直级王程垭 万方数据 M i n i n gS a f e t yA n a l y s i sO fW a t e rB o d i e s AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E RO FE N G I N E E R I N G f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y Z h a iQ i c h e n g S u p e r v i s o r P r o f e s s o rC h e n gS h u C o l l e g eo fG e o m a t i c s M a y2 0 1 4 万方数据 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。 A F F I R M 【A T I o N 工程硕士生签名舷饭 日 期z p I 中年‘I 习J p 辱 Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u W d l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e d o fa c k n o w l e d g e T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t I l t e ． S i g n a t u r e D a t e 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 摘要 现代随着人们对能源的需求迅速增加，煤炭作为我国主要的能源构成部分，显现出 严重供应不足的困境，由于早期采煤多集中在储量大、地质条件稳定的区域，现阶段随 着这种不可再生能源的日益减少，人们不得不考虑从储量丰富的水体下开采煤炭资源。 水体下开采面临的地质条件复杂，主要是防范的是地表水以及地下水体的下泄，那么对 水体下安全性进行分析就显得尤为重要。 本文根据水体下采煤的技术理论，在现场调研的基础上，结合煤矿具体的地质采矿条 件，分析了第四系松散含水层的结构及性质，计算了两带高度并讨论了防砂煤 岩 柱的 留设，进行了上覆岩层破坏高度的计算、地表移动和变形的预计，从而对水体下采煤的安 全性进行分析、评价和论证。 本文主要结合煤矿水体下开采的实际情况进行研究，实例一矿区位于湖泊下，矿区 浅部距第四系松散含水层较近，且湖区内有多个地质勘探期问的钻孔封孔质量不佳，主 采煤层3 煤层顶板为砂岩含水层，对矿井涌水有一定影响。井田断层构造发育，地质条 件较为复杂，也是影响工作面安全开采的不利因素之一。主要分析了断层的导水性，进 行了涌水量的预计，并对导水裂缝带高度进行预计。实例二矿区位于河流下，主要对采 煤后顶板岩层破坏性分析、导水裂缝带高度计算、河下采煤安全性评价、采煤后河堤沉 陷预计分析、危害分析，并提出了相应安全对策措施，为煤矿河下安全采煤提供了科学 的理论依据，保证了安全生产。 关键词水体下开采；导水裂缝带；防水煤岩柱；地表移动变形预计 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 摘要 A B S T R A C T M o d e mW i t ht h er a p i di n c r e a s ed e m a n df o re n e r g y ，a n dc o a la sam a j o rp a r to fo u r e n e r g ym i x ，s h o w i n gas e r i o u ss h o r t a g eo fs u p p l yd i f f i c u l t i e s ，d u et ot h ee a r l yc o a lr e s e r v e s a r em o r ec o n c e n t r a t e di nl a r g e ，s t a b l eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h er e g i o n ，s u c ha st h es t a g e d w i n d l i n gn o n r e n e w a b l ee n e r g y ，p e o p l eh a v et oc o n s i d e rt h ee x p l o i t a t i o no fc o a lr e s o u r c e s f r o mt h er i c hr e s e r v e so fw a t e r ．U n d e rt h ew a t e rb o d yf a c i n gt h em i n i n gc o m p l e x g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，m a i n l yt op r e v e n tt h ed i s c h a r g e dg r o u n d w a t e ra n ds u r f a c ew a t e rb o d y ，t h e nt h e b o d yo fw a t e rs e c u r i t yi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tf o ra n a l y s i s ． B a s e do nt h et h e o r yu n d e rw a t e rm i n i n gt e c h n o l o g y ，b a s e do nf i e l dr e s e a r c ho nt h e c o m b i n a t i o no fg e o l o g i c a la n dm i n i n gc o n d i t i o n so fs p e c i f i cm i l l e ，a n a l y z e st h es 仃u c t u r ea n d n a 呱o fQ u a t e r n a r yu n c o n s o l i d a t e da q u i f e r sc a l c u l a t et h eh e i g h ta n dd i s c u s s e dw i t hb o t h s a n dc o a l r o c k l e a v i n gi nt h ec o l u m n ，w e r et h eh e i g h to ft h eo v e r b u r d e nd a m a g e c a l c u l a t i o n ，s u r f a c em o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o ni se x p e c t e d ．a n dt h u st h el o w e rt h ew a t e r s a f e t yo fc o a lm i n i n gi nt h ea n a l y s i s ，e v a l u a t i o na n dd e m o n s t r a t i o n ． I nt h i sp a p e r , c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no fc o a lm i n i n gu n d e rw a t e rr e s e a r c h ， e x a m p l e so fam i n ei sl o c a t e di nt h el a k e ，t h em i n e sf r o ms h a l l o wQ u a t e r n a r yu n c o n s o l i d a t e d a q u i f e r sc l o s e ，a n dt h el a k ea r e ah a san u m b e ro fg e o l o g i c a ld r i l l i n gd u r i n ge x p l o r a t i o ns e a l i n g p o o rq u a l i t y ，t h em a i nc o a ls e a mr o o fs a n d s t o n el a y e r3a q u i f e r s ，w a t e rg u s h i n gh a v ea n i m p a c to nm i n e ．I d af a u l t 蚰n l c t u r ed e v e l o p m e n t ，g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa r em o r ec o m p l i c a t e d ， b u ta l s ot h ef a c eo fu n f a v o r a b l ef a c t o r sa f f e c t i n gt h es a f e t yo fm i n i n g ．A n a l y z e st h ef a u l to f w a t e rc o n d u c t i v i t y ，w a t e ri n f l o ww e r ee x p e c t e d ，a n dw i t hah e i g h to fw a t e rc o n d u c t e df i s s u r e e x p e c t e d ．E x a m p l e so ft w om i n e sl o c a t e di nt h ef i v e r ，t h em a i nr o o fr o c ka f t e rm i n i n g d e s t r u c t i v ea n a l y s i s ，w a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n eh e i g h tc a l c u l a t i o n ，c o a lm i n i n gs a f e t y a s s e s s m e n tu n d e rt h er i v e r ，r i v e r b a n ka f t e rm i n i n gs u b s i d e n c ep r e d i c t i o na n da n a l y s i s ，h a z a r d a n a l y s i s ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gs e c u r i t ym e a s u r e sm e a s u r e st ol o w e rc o a lm i n es a f e t yR i v e r p r o v i d e sas c i e n t i f i ct h e o r y ，t oe n s u r es a f e t yi np r o d u c t i o n ． K e y w o r d s U n d e rw a t e re x p l o i t a t i o n ；c r e v i c eb e l t ；w a t e r p r o o fc o a lp i l l a r ；s u r f a c em o v e m e n t a n dd e f o r m a t i o np r e d i c t i o n 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 目录 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．1 1 ．1 课题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．3 研究内容和研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 水体下采煤的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 水体下采煤的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 水体下采煤的可行性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 水体下采煤的技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 3 ．1 留设安全煤岩柱⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．2 处理水体⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 3 ．3 开采技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 4 水体下开采可行性论证实例分析一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 4 ．1 矿区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 4 ．2 地质采矿技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 0 4 ．3 导水裂缝带高度预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．4 开采安全性论证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．5 涌水量预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l 4 ．6 论证结果与安全技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 水体下开采可行性论证实例分析二⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 5 。l 采区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．2 区域煤层赋存地质情况简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．3 采区水文地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．4 河下开采安全性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 5 ．5 河下开采方案及对河流影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．6 开采危害性分析及治理措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．7 论证结果与安全技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 万方数据 坐查型塾奎兰三堡堡主兰堡堡苎 旦墨 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 6 ．1 结{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 4 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 日录 1I n t r o d u c t i o n ．． C o n t e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 O p i n i o n sO l lt h i ss u b j e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2R e s e a r c hs t a t u si nc h i n aa n da b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．3M a i nC o n t e n t sa n dt e c h n o l o g i e so f T h eT o p i cR e s e a r c h ．．．．．．⋯．⋯．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．⋯．．．．．⋯．．．⋯．6 2B a s i cp r i n c i p l e so fc o a lm i n i n gu n d e rw a t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 M i n i n gu n d e rw a t e rf e a t u r e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 F e a s i b i l i t yo f c o a lm i n i n gu n d e rw a t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3T e c h n i c a lm e a s u r e su n d e rt h em i n i n go fw a t e rb o d i e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．1 L e a v i n gi ns a f ec o a lp i l l a r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 ．2W a t e rt r e a t m e n t ．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．，，．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．3 M i n i n gt e c h n o l o g ym e ．a s u r e s ⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．1 7 4T h ef e a s i b i l i t yo fm i n i n gu n d e rw a t e rp r o o fc a s ea n a l y s i sI ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯2 0 4 ．1 O v e r v i e wm №⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 U 4 ．2 G e o l o e a la n dm i n i n g t e c h n i c a lc o n d i t i o n s ．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．2 0 4 ．3 H e i g h tf o r e c a s to f w a t e rc o n d u c t e df i s s u r ez o n e ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯．2 8 4 ．4 M i n i n gs a f e t yd e m o n s t r a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．5I n f l o we x p e c t e d ．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 1 4 ．6R e s u l t sa n ds a f e t yt e c h n o l o g yd e m o n s t r a t i o n ．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．4 3 5T h ef e a s i b i l i t yo fm i n i n gu n d e rw a t e rp r o o fc a s ea n a l y s i sI I ⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．1 M i n i n ga r e ao v e r v i e w ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．2 R e g i o n a lg e o l o g yo f c o a lS 朗t l nI n t r o d u c t i o n ．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．- ．- ．- ．- ．．．．⋯- 4 6 5 ．3 H y d r o g e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h em i n i n ga r e a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 7 5 ．4M i n i n gs a f e t ya n a l y s i su n d e rt h er i v e r ．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯5 2 5 ．5 U n d e rr i v e rm i n i n gp l a na n di m p a c ta n a l y s i so f f i v e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．- ．．5 5 5 ．6 M i n i n gh a z a r da n a l y s i sa n dc o n t r o lm e a s u r e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 0 5 ．7R e s u l t sa n ds a f e t yt e c h n o l o g yd e m o n s t r a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 6C o nc l u s i o na n do u t l o o k ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 ．1C o n c i s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 4 6 ．2O u t l o o k ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．⋯．．．．6 4 T h a n k s ⋯．． ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 M a i nR e f e r e n c eD o c u m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 1 ．1 课题的提出 我国资源总量丰富，种类众多，但相对于人均消费量，我国仍是一个能源匮乏的国 家。在我国探明的能源储量中煤炭占9 4 ％，石油占5 ．4 ％，天然气占O ．6 ％，据统计，煤炭 在国家一次性能源构成和消费结构中一直占到7 0 ％以上，因此我国能源资源具有“富煤 贫油少气”的特点Ⅱ3 ，这个特点使我国的能源生产格局将长期以煤炭为主。煤炭资源具 有储量大、可靠、廉价和能清洁利用的优势，但是，我国目前煤炭资源量中，可连续开 采年限不足5 0 年，到2 0 1 0 年煤炭供应的缺口为1 ．1 亿t ，到2 0 2 0 年将达到5 ．9 亿t 。 煤炭资源是否能满足国民生产生活需要，将是未来急需解决的重大问题。 我国煤矿“三下” 建筑物下、铁路下、水体下 压煤比较普遍。据统计，国有重点 煤矿压煤总量约1 3 8 亿t 。以山东为例，8 0 亿t 煤炭储量中有5 0 ％是“三下”压煤。根 据1 9 8 2 年底的不完全统计国有重点煤矿水体下压煤量为1 9 亿t ，占整个“三下”压煤 量的7 ．0 1 ％。截止2 0 0 1 年，在水体下开采出的煤量仅为1 ．9 7 亿t ，就是说，仍约有9 0 ％ 的煤炭储量处于未开采状态。因此，在我国能源紧张的形势下，开采水体下的煤炭资源， 无论是在理论、实践、开采技术以及经济方面，还是在煤炭科技进步和经济建设方面都 具有十分重要的意义瞠1 。 此外，根据己选用技术经济合理的开采方法把水体下的煤炭资源开采出来，在提高 企业经济效益和提高我国有限资源的利用率、缓解当前能源资源紧张的局面基础上，必 须保证矿井下安全生产的条件。所以开展煤矿水体下煤炭资源开采的安全技术性分析具 有重大的理论和实践意义。 1 ．2 国内外研究现状 近些年，随着科学技术的迅猛发展和人们对资源需求的不断增加，对水体下采煤技 术的研究也不断的增加和深化，国内外一些相关领域的专家学者和工程技术人员对水体 下采煤进行了大量的理论研究和实践，取得了许多科研成果和实践经验。 1 ．2 ．1 国内研究现状 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 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，在总结大量丰富经验 的基础上，发展并形成了一套具有我国特色的理论体系。但是我国绝大多数的煤炭生产 基地水体下采煤问题，不仅涉及的范围广，而且受影响的煤炭储量较大，例如山东的微 山湖、昭阳湖等湖湖下储煤量达2 5 亿t ，江苏的太湖、湖北的大冶湖、山东附近的勃海 等水体下也压着大量煤炭资源。淮南、淮北，枣庄、兖州、邢台、开滦、沈阳、梅河口 等矿区，都有第三纪或第四纪松散含水层下压煤的情况。据1 9 8 3 年不完全统计，全国范 围内的生产矿井水体下压煤总量达2 0 亿余t 乜1 。对水体下压煤进行安全开采已经成为一 个越来越突出的重要问题，引起众多与采矿相关领域的研究人员高度重视，采用各种先 进的理论和实践方法去解决这一难题口3 。 我国水体下开采煤炭资源，是从新汶矿务局下属的孙村煤矿在小汶河下试采开始的。 小汶河河床宽4 0 0 m ，自东向西流经整个新汶矿区，可以看做标准的季节性砂河。根据1 9 7 5 年以来雨季资料，河水最高流量达2 5 0 0 m 3 ／s ，水面宽达1 0 0 0 m 以上，最大水深3 m 。试采 区域全部位于小汶河河床之下，上距地表垂深约为1 2 0 - 2 4 5 m 。开采中采用走向长壁水砂 充填采煤方法，在该采区试采期间涌水量一直很小，证明水体下试采成功。之后，新汶 矿务局的张庄煤矿、良庄煤矿和协庄煤矿等矿，先后也在小汶河下进行了开采，安全高 效开采出大量煤炭资源乜1 。邢台、淮南等矿务局都曾在巨厚冲洪积含水层、急倾斜煤层 等各种艰难复杂条件下成功的进行了水体下开采；广东石壁塘煤矿在上官水库下开采了 三个煤层；2 0 0 5 年6 月，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瑚。 江苏、山东、河北、安徽、吉林等地矿区在第三、第四系松散含水层及其上覆的地表水 体下进行了大量深入的开采试验研究。，有阜新清河、河北绵河、本溪太子河、南桐蒲河、 湖南资江漫滩、广西合山南洪水库及微山湖等地表河流、湖泊、水库、及塌陷积水区的 水体下成功开采晦3 ，为大型水体下的成功开采积累了经验；淮河两岸矿区在河堤下开采 及河堤维护，为堤下开采提供了宝贵的经验，而且我国在顶板砂砾岩及石灰岩等基岩含 水层下开采也有丰富的经验湖。 从2 0 世纪6 0 年代以来，无论从基础理论水平，还是从开采关键技术、模型试验手 段方面看对水体下采煤问题进行了广泛深入的研究。水下开采的关键就是防止水体进入 开采巷道，如何在防止地面水以及含水层水体进入巷道前提下，尽量的减小防水煤柱尺 寸，甚至不留设或者少留设煤柱，提高采煤效率，解决这一问题就要对采动覆岩，特别 是覆岩导水裂缝带发育高度进行深入的研究。经过长期的开采实践和试验总结，结合不 同的地质条件得出经验类比公式，利用类比公式预计不同矿体的导水裂缝带高度，理论 ’ 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文 上更先进，在确定覆岩破坏高度的方法上，近年来还发展了各种探测手段口1 。研究方法 出现了利用相似材料模拟，基于离散单元法理论 U D E C 数值模拟，有限元数值模拟以 及F L A C 软件模拟等研究方法聃1 。山东科技大学成枢教授等人通过多次试验成功发明“井 下仰孔双端注水技术”，通过现场实测得到准确可靠的导水裂缝带高度。 在理论上也有了巨大发展，近年来，一些矿区结合本矿区的实际地质条件，在相应 的采矿条件下，建立了各自的满足本矿区的“两带”高度计算经验公式。如唐山分院、 煤科总院北京开采所等根据不同条件下“两带”高度的实测值统计回归分析得出的经验 公式。兖矿集团测量部刘瑞新根据对兖州矿区松散含水层下煤炭资源的开采研究，提出 在松散含水层下覆岩破裂高度及其发育规律，得出出厚煤层分层开采、整层综放开采和 网下综放开采条件下导水裂缝带发育高度的统计公式阳1 。 中国矿业大学孙文华教授经过数年的研究总结编制出“三下”采煤新技术应用与煤 柱留设及压煤开采规程实用手册，为三下煤开采特别是水体下开采提供了理论上的指 导。 邓广哲教授对急倾斜煤层放顶煤开采矿压显现规律和覆岩运动规律做了大量的实验 和研究，通过现场实测详细分析，阐述了急倾斜煤层开采沿工作面走向以及倾向的矿压 显现规律，并采用相关模拟方法对所得结果进行了实验室模拟验证，为导水裂缝带发育 高度的研究做出了巨大贡献。 在煤层开采后的覆岩运动和破坏特征研究方面，煤炭科学研究院刘天泉院士提出了 覆岩破坏学说。山东科技大学高延法教授经过长期研究突破了以往采矿界的三带观念， 提出具有很高实践意义的岩移“四带”模型n ⋯，进一步拓宽了对顶板突水机理的认识。 在突水量预测方面，许多学者采用了统计学方法、力学平衡和能量平衡方法，现场 常用的方法是类比法和大井法，例如中国矿业大学武强等提出了解决煤层顶板涌 突 水 灾害定量评价的“三图一双预测法”；中南大学付玉华和董陇军提出基于F i s h e r 距离判 别分析模型。河北工程大学曹庆奎等人建立了煤层底板突水量预测的遗传一支持向量回 归模型。辽宁工程技术大学刘北战和粱冰提出了基于主成分分析支持向量机回归 P C A - S V R 的煤层底板突水量预测方法“。 在顶板含水层富水性以及隔水层探测研究方面，在传统的水文地质分析方法基础上， 许多学者根据多个水文地质物理场的不同特征，相互对比验证，互相弥补不足，运用多 源地学信息复合叠加原理对充水含水层的富水性进行了系统综合分析。成都理工大学何 政伟等人利用E T M 遥感图像，结合地形地貌、地质和气象影响，对措勤东部第四系含水性 万方数据 生奎型垫奎兰三堡堡圭兰篁笙奎堕笙 进行了深入的研究，清晰划定出第四系含水等级n2 。。中国地质科学院矿产资源研究所杨 振威等通过对主井井筒北绕道底板和侧帮赋水性进行了探查，利用瞬变电磁方法对探测 底板赋水性进行了研究。洪雷等利用最大效果测度值法对燕子山矿层工作面判定了突水 水源和导水通道。山东大学李树忱等人利用基于线性函数转换的归一化算法处理矿井顶 板突水预测模型，通过对渗透压力、视电阻率及应力进行分析处理，得出较为理想的突 水预报信息源。马广明等采用井下直流电法与红外测温技术预测回采工作面项板隐伏含 水区。中国矿业大学崔若飞等人利用三维地震勘探成果查明奥陶系顶部的岩性分布，从 一个侧面证实奥陶系顶部隔水层的存在及分布特征，并解决底板突水防治问题。 在老空区积水和陷落柱赋水性的探测和研究方面，许多现代先进科技已经应用其中， 例如，高密度电阻率法和瞬变电磁法对采空区的探测具有较好的探测效果，能有效地对 采空区的含水性进行探测与评价。河北煤炭科学研究院赵立松利用瞬变电磁技术对通顺 矿业小窑老空区积水进行了超前探测研究，在巷道正前方及侧前方老空水超前探测方面 效果突出。中南大学胡运兵等利用井下多波多分量地震反射法超前探测巷道掘进面前方 的陷落柱。中国地质大学卢放等人应用a 卡法和微重力法来探测岩溶陷落柱的位置。 对于地表水的防治研究方面，在传统的研究导水裂缝带导水的基础上，开始使用新 技术来研究第四系黏土层的隔水性。例如，应用瞬变电磁法探测第四系底部砂层和黏土 层分布，研究第四系隔水层的隔水性能。通过颗粒流实验模拟第四系黏土层颗粒问的相 关力学参数，研究隔水层n ”。中国地质大学潘建永等采用分形理论和E R D A S 软件的图像 处理技术，研究华北平原第四系黏土微观孔隙分形特征。得出华北平原第四系黏土微观孔 隙分布分维值随埋深的增大呈现总体减小、局部增减交替的特征。 2 0 世纪8 0 年代初，厚及特厚煤层综合机械化放顶煤开采方法在我国开始试验“引， 9 0 年代以来，在我国国有重点煤矿普遍得到推广应用。综放开采在水体下的应用约于9 0 年代初开始，如兖州、龙口、邢台、淮南、大屯等矿区在留设防水、防砂及防塌煤柱等 条件下，针对不同富水性的松散含水层水体和不同类型的覆岩都成功地实现了综放安全 开采。 兖州矿区等许多矿区积累了丰富的水体下开采的经验。自2 0 世纪9 0 年代初，兖矿 集团公司就积极开展河 湖 堤下开采煤炭资源研究与实践，按照防洪法及河道管 理有关条例要求，报请河道 湖堤 主管部门批准，依法开采地下煤炭资源。近年来， 兖矿集团公司陆续开展了南屯、东滩煤矿白马河下采煤，济二煤矿辽沟河下采煤，济三 煤矿泗河、幸福河下采煤，鲍店煤矿泗河、白马河下采煤，杨村煤矿泗河下采煤等。微 4 万方数据 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 山湖下采煤自上世纪7 0 年代就开始进行试采，湖西大屯煤电公司姚桥煤矿、徐庄煤矿等 矿山成功的从微山湖下开采大量煤炭。崔庄煤矿三分之二的煤炭资源位于微山湖下，自 2 0 0 0 年矿井投产以来，已累计从湖下开采出近千万吨煤炭，并且进行了湖下提高开采上 限试采，均取得了成功的经验。枣矿集团高庄煤矿、新安煤矿、滨湖煤矿等矿也在微山 湖下实现了安全开采。 1 ．2 ．2 国外水体下采煤概况 在国外，水体下采矿最初是由于海底采煤，后来则发展到陆地的煤矿开采。一些西 方国家由于陆地面积小，资源缺乏，在水体下采煤有大约1 0 0 年历史了，世界上第一个 在海底进行采矿的国家是苏格兰，随后英国、日本、智利、加拿大和澳大利亚进行海底 采煤也取得了成功，例如英国艾林顿、加拿大的林岗等煤矿均用长壁式崩落法或房柱法 在海底进行大规模采煤n5 1 。这些国家都进行了大面积的海下采煤，在水体下采煤方面积 累了非常丰富的经验，早期多为在海滩和浅海下开采，最近几十年来逐渐向海洋深处发 展。 在地表河流、湖泊及含水松散层下的采煤方面，前苏联以及美国等国家的科研工作 者都进行了大量深入的现场试验和理论研究工作，但是安全采深仍是采用经验值，如美 国有关部门规定在地表大型水体下的安全采深为6 0 倍的采厚；前苏联规定根据覆岩中所 含岩层性质不同可取2 0 ～6 0 倍的采厚，在有隔水层