水体下开采.doc

第10章 水体下开采 重点1.水体类型。 2.防水煤柱的留设方法。 3.保护层厚度的确定方法。 4.水体下开采的技术措施 10.1 水体下开采概述 1. 我国水体下开采概况 40多年来，我国水体下采煤，不仅解放了大量水下煤炭资源，还获得了丰富经验，发展了理论，形成了一套具有我国特点的理论体系。即是从分析水体类型、特征、赋存条件及上覆岩层的水文地质条件、地层结构入手，并根据地质采矿条件预计覆岩冒落带、导水裂隙带的高度、空间形态，掌握覆岩的移动破坏规律及两带与上覆水体之间的联系，从而确定煤层合理的开采上限。在确保矿井生产安全的条件下，实现资源利用的最大化和水资源的保护。 （1） 水体下开采对矿井生产的威胁（矿井开采透水事故举例） （2） 水体下开采对水资源的破坏（神东矿区、山西矿区、陕西矿区开采浅层底层水破坏，生态环境恶化举例） 2. 水体类型 （1）地表水 赋存在地球水圈中，积聚在海洋、湖泊、河流、水库灌渠、山谷冲沟、洪区、沼泽、坑塘以及地面沉陷积水区等统称为地表水。 （2）地下水 赋存在地球岩石圈中，积聚在岩石空隙中的水称为地下水。例如第三、第四纪沉积的砂层水、基岩含水、岩溶水和老采空区积水等。从采矿工程角度出发，可将地下含水层按埋藏条件分为松散层内的含水层和基岩内的含水层两种。 一般条件下，地表水特别是大型地表水储存量大，补给充分，且常常互相连通，较大的地表水体一旦与矿井采空区沟通，将严重危胁井下生产及人身安全或造成淹井事故。同时开采疏漏地表及近地表水，将损害区域生态环境，加剧荒漠化程度。地下水比地表水距开采矿层更近一些，且赋存情况不易搞清，其具有随机性、突发性和不可预测性，因此常对其下方开采的安全威胁更大。 影响水体下开采的主要因素水体的类型、容量，开采矿层到水体间的岩层岩性结构、物理力学特性，隔水层的厚度及其地质构造等形成的水力通道防护措施及开采方法。 3. 水经覆岩涌入矿井的机理 地下开采后岩层和土层的隔水性可能受到影响。隔水层位于冒落带内时，其隔水性将会完全被破坏，隔水层位于裂缝带内时，其隔水性也被破坏，破坏的程度由导水裂缝带的下部向上部逐渐减弱；隔水层位于上覆岩层的弯曲带下部时，其隔水性可能受到微小影响；隔水层位于覆岩弯曲带中部或上部时，其隔水性不受采动影响。一般将采动破坏的顶板冒落带、裂隙带统称为导水裂隙带或渗透性增强带，而弯曲带称为渗透性微小变化带。 采矿活动对上覆水体的影响有两方面 一是上覆岩层的移动和破坏，形成了充水通道，使水体中的水渗透和溃入井下，影响矿井的安全生产， 二是地表的移动、变形与破坏，使地表水体的附属建筑物受到影响，如堤坝下沉量很大或断裂时，河湖中的水就要出槽漫流。水体下采矿的重点之一，是要分析开采后覆岩冒落带和导水裂缝带对水体的影响。这种影响由于开采地质条件不同而不同。大致可分为五种情况 第一，开采深度比较大，水体在地表或覆岩弯曲带上部，这种条件下的开采，对地表水体或松散含水层水体无明显影响。弯曲带内岩层虽然也可能存在伸张裂缝或离层，但这些裂缝一般互不连通。弯曲带岩层渗透水的能力，开采前后变化很小，基本上是原来的状况。 导水裂隙带 导水裂隙带 导水裂隙带 图10.2水体在弯曲带 图10.3导水裂隙带达到松散 图10.4导水裂隙带波 上部示意图 层底部粘土隔水层 及到含水层 第二，开采深度比较小，导水裂缝带达到松散层底部，但未波及到地表水体或松散含水层水体，即松散层的底部是粘土隔水层，如图10.3所示。覆岩虽然产生了冒落和裂隙，但由于水体下存在粘土隔水层，故松散含水层和地表水体中的水，都不能渗透到井下。 第三，开采深度比较小，导水裂隙带波及到地表水体或松散含水层水体，如图10.4所示。由于岩层透水能力增强，水体中的水就渗漏到井下，使矿井涌水量增加，如果涌水量较大，矿井排水能力不足时，就可能淹没矿井，但一般不会因此造成井下大的突水事故。 第四，开采深度小，冒落带波及松散层底部，但未波及到地表水体或松散含水层水体，即松散层底部是粘土隔水层，如图10.5所示。一般情况下，水、砂不会透到井下。个别情况，比如松散层底部的粘土层很薄，开采后粘土层可能受到较大的拉伸变形而出现小裂缝。这时透水能力增强，使井下涌水量有所增加，但在短时间可能由于粘土层又受压缩而裂隙闭合，或由于砂粒充填而堵塞裂隙，水就不再透入井下。 冒落带 冒落带 图10.5 冒落带达到松散层底部隔水层 图10.6 冒落带波及到水体 第五，开采深度小，冒落带波及地表水体或松散含水层水体，如图10.6所示。由于上覆岩层冒落后，岩石碎块杂乱无章，空隙较大，水、砂就会溃入井下，造成重大透水、透砂事故，甚至淹没矿井。 以上是针对地表水和松散层水体受采动影响出现的几种情况。至于上覆基岩含水层水体受开采的影响，主要看水体与开采煤层之间的距离，和导水裂隙带切穿隔水层的情况。一般来说，如果导水裂隙带或导水断层不波及地表水体，不沟通老窑、溶洞、地下暗河等大的水体，就不会出现大的突然涌水淹井事故。 以上分析了采矿活动造成的覆岩移动破坏形成充水通道的情况。在这三个采动影响带中，地下水的渗流特征由于充水裂隙的发育程度、裂隙特征的不同而存在着明显的差异。在裂隙带上部的整个弯曲带，由于活动裂隙极少，岩层渗透水的能力基本保持原始状态，所以地下水渗流的方式多是似层流形式，地下水多是通过岩层中岩石颗粒之间的孔隙和细小的微裂隙渗透，其速度小，渗流的各质点有秩序地运动。但由于采空区上覆岩层弯曲带空间呈似盆状的曲面，导致地下水有向盆底集中渗流的趋势，因此地下水渗流的流线不尽平行。 与上述情况不同的是在裂隙带，尤其是裂隙发育的裂隙带中下部，由于裂隙多，连通性好，容水空间和充水通道大大增加，地下水通过此带渗流呈现紊流流态类型，具有运动速度的脉冲和涡流，它的渗透速度大，在运动过程中各质点无秩序，流线杂乱无章。冒落带由于冒落岩块杂乱堆积，岩块间的空间很大，所以地下水的渗流是紊流型，其流动速度和水的流量都大大超过裂隙带。 水体下开采时，当覆岩中的导水裂隙带接触水体时，水就会沿着充水通道涌入采空区。如果上覆水体小或为弱含水层，且补给不足，这种涌水只恶化劳动条件，增加矿井排水量。随着采空区面积的扩大，当导水裂隙带达到最大高度后，由于上覆岩层的双向压缩，导水裂隙带的高度会由于裂隙的闭合而有所降低。这种情况尤其容易在中硬岩层和软岩中出现，这时矿井涌水量会有所减少。由于采空区上覆岩层破坏最厉害的部位是在采空区周边上部岩层中，所以采空区周边，即采区边界，一般涌水量大。当导水裂隙沟通大型水体，如地表水、老窑水、溶洞水或地下暗河等水体时，就会造成上覆水体溃入井下甚至挟泥砂涌入的严重水患。如果水体补给充足，而且充水通道由于水流冲刷而畅通。井下排水能力难以应付时，就会导致严重的淹井灾害。 4. 水体下安全开采的基本要求 水体下安全开采的基本要求是防止上覆水体和泥砂溃入井下，保证在不过多增加排水费用的前提条件下，尽量不恶化劳动条件，不出现淹井等事故。要在安全生产的同时，尽可能多地回收矿产资源。有些情况下，还要有效地保护地面水体人工水库等以及河溪湖滨的水工建筑。 水体下开采的基本对策是采取隔离的方案或疏降的方案，以防止上覆水体或泥砂溃入井下。前者适用于水量大，补给充足的条件下，后者适用于水量小，补给有限的条件下。不论是采用那种方案，都应使井下涌水量的增加保持在矿井排水能力允许的限度内，以达到安全、经济、资源回收率高的目的。 10.2防水煤岩柱的留设 地表水和松散含水层下开采的核心问题就是确定合理的开采上限，或者说就是确定合理的安全开采深度。开采上限是指煤层开采的最高标高。安全采深是指矿层安全开采最大标高的深度。水下开采要涉及到在井田浅部合理留设煤岩柱的问题。安全煤岩柱也叫安全煤柱，是对从开采上限到上覆水体底界面的煤层，岩层及松散层的总称。留设安全煤柱，一方面要保证水体下安全开采，另一方面要尽可能地减少留煤岩柱所造成的煤炭资源损失。对于基岩含水层下开采来说，安全煤岩柱的留设就是确定煤层顶扳至含水层底界面的安全隔水层的最小厚度。 10.2.1 安全煤岩柱的类型及作用 目前国内采用的安全煤岩柱主要有以下几种 1. 安全防水煤岩拄 安全防水煤岩柱属于隔离煤柱。它的作用主要是最大限度地防止煤层开采后所形成的导水裂隙带波及上覆水体，避免上覆水体涌入井下，并要使矿井涌水量不明显地增加。安全防水煤岩柱的最小高度Ｈshu应大于导水裂隙带的高度Hli与保护层厚度Ｈb之和，即 Ｈshu≥Hli＋Ｈb10-1 公式含义见图10.7。当煤系地层无松散层覆盖或采深较小时，则应考虑地表裂隙深度Hbili 即Ｈshu≥Hli＋Ｈb ＋Hbili（10-2） 如果松散含水层为强或中等含水层，而且直接与基岩接触，基岩风化带亦含水，则应考虑基岩风化带深度Hfe 即 Ｈshu≥Hli＋Ｈb ＋Hfe（10-3） 即将含水体底界下移至基岩风化带底界面。 安全防水煤岩柱主要适用于以下几种情况 1 地表有规模较大的水体，而水体和基岩之间无稳定的粘土层或粘土层变薄或缺失的地段； 2 第三纪、第四纪松散层厚度大、含水丰富的单一砂层和砂砾层或松散层底部有补给充足，厚度较大，富水性强的砂层或砂砾层； 3 地面有需要保护的水体或水工建筑，如水库，渠道，堤坝等； 4 在较大的地表水体下开采急倾斜煤层或开采厚煤层时； 5 工作面劳动条件不允许有涌水量增加的趋势，以及矿井排水能力和排水系统有限或不足，不允许增加矿井额外涌水量； 6 在基岩含水层下开采时，不管含水层水量大小，补给量是否充足，只要矿层顶面至含水层底面的最小隔水层厚度大于导水裂隙带高度时，实质上就可视作是留设了安全防水煤岩柱。 若安全防水煤岩柱的高度过大，虽能确保安全生产，但煤炭损失率也高，是不可取的。总之，安全防水煤岩柱的留设既要安全还应合理。 图10.7 安全防水煤岩柱的组成 图10.8 安全防砂煤岩柱的组成 2. 安全防砂煤岩柱 安全防砂煤岩柱的作用是防止冒落带进入或接近松散层，确保泥砂不溃入井下，但可允许一部分导水裂隙带进入松散层中的弱含水层。这样矿井涌水量会略有增加，或只是短时间增加。安全防砂煤岩柱的最小高度 Hsha 应大于冒落带高度 Hm与保护层厚度Hb之和，即 Hsha Hm＋ Hb（10-4） 其含义见图10.8。 安全防砂煤岩柱的适用条件有以下几种情况 （1）地表仅有规模较小的水休，补给有限，容易疏干或渗入量不大。例如地面积水，池、溪、冲沟等； （2）地表虽有规模大的水体，但水体和基岩之间有厚度较大的粘土，亚粘土层等； （3）第三，第四纪松散层较厚，含水层和隔水层交错沉积。松散层中，下部仅有富水性弱，补给有限的弱含水层，或整个松散层为单一结构的弱含水层； （4）在基岩中有含水性弱，补给量小的含水层，并且其底界面至开采层顶面的隔水层最小厚度，大于冒落带高度，而小于裂隙带高度的情况下，这时的煤岩柱也属防砂煤岩柱； （5）矿井排水能力富裕时，允许矿井涌水量有递增的趋势，但其最大涌水量不超过实际的排水能力。 3. 安全防塌煤岩柱 随着水体下开采经验的不断丰富，技术水平不断提高，在安全开采的前提下，煤炭回收率不断提高，即安全煤岩柱尺寸不断缩小。在一定的条件下，人们可以用防塌煤岩柱来进行水体下开采。防塌煤岩柱亦称煤皮煤柱，其含义是指防砂煤岩柱中的保护层厚度被取消，不仅允许导水裂隙带波及松散层中的弱含水层，而且还允许冒落带接近松散层底部，见图10.9所示。防塌煤岩柱的垂高等于或接近于冒落带高度，即 H t ≈ Hm 。 防塌煤岩柱能防止上覆弱含水层和粘土层塌入井下，但矿井涌水量会增加。防塌煤柱的适用条件有 1地表水体小，补给源不足或无经常性补给，且水体与煤系基岩之间全部或底部为厚度大的弱含水层与隔水层互层； 2地表水体虽大，但系季节性或非经常性的，补给水源又进行了处理，且水体与基岩之间为厚度大的弱含水层与隔水层互层的松散层； 3具有多层结构的松散层，且底部为厚层弱含水层； 4当煤层顶板为弱含水层，且补给不足，含水层与煤层的距离接近于冒落带高度时。 表10-4为水体采动程度，赋存状态及煤岩柱类型表，可供参考。 图10.9 防塌煤柱的组成 1强含水层；2弱含水层；3基岩 10.2.2保护层厚度的确定 在上述的安全防水煤岩柱和防砂煤岩柱中，都包含一定厚度的保护层，保护层起着安全保证的作用。在防水煤岩柱中，保护层把上覆水体和导水裂隙带隔离开来，使水体不能进入裂隙带。在防砂煤柱中，它把松散层和冒落带隔离开来，使水和泥沙不能进入冒落带，从而保证水体下安全开采。 保护层厚度可根据具体的地质开采条件来决定。一般来说，对于缓倾斜、中倾斜煤层的安全煤岩柱中的保护层厚度可取2～14m，急倾斜煤层安全煤岩柱中的保护层厚度可取5～24m。在实际生产中，根据不同的隔离条件，不同的覆岩类型，确定保护层厚度时可参考表10-5进行计算。 表10-4 矿区的水体采动等级及允许采动程度 水体 采动 等级 水 体 类 型 允许采动程度 相应的安全煤岩类型 Ⅰ （1）直接位于基岩上方或底界面下无稳定的粘性土隔水层的各类地表水体 、 （2）直接位于基岩上方或底界面下无稳定的粘性土隔水层的松散空隙强、中含水层水体 （3）底界面下无稳定的泥质岩类隔水层的基岩强、中含水层水体 （4）急倾斜煤层上方的各类地表水体和松散层水体 （5）要求作为重要水源和旅游地保护的水体 不允许导水裂隙带顶点波及到水体 防水安全煤岩柱 Ⅱ （1）底界面下为具有多层结构、厚度大、弱含水的松散层或松散层中、上部为弱含水层、下部为弱含水层的地表中、小型水体 （2）底界面下为稳定的厚粘土层隔水层或松散层弱含水层的松散层，中、上部为孔隙强、中含水层水体 （3）有疏降条件的松散层或基岩弱含水层水体 允许导水裂隙带顶点波及松散层孔隙弱含水层水体、但不允许冒落带波及水体 防砂安全煤岩柱 Ⅲ （1）底界面下为稳定的厚粘土层隔水层，中、上部为孔隙弱含水层水体 （2）有疏降条件的松散层或基岩水体 允许导水裂隙带顶点波及松散层孔隙弱含水层水体、同时不允许冒落带顶点波及该弱含水层 防塌安全煤岩柱 表10-5 防水安全煤岩柱保护层厚度（m） 覆岩类型 覆盖层及隔水层类型 松散层底部粘土层厚度大于累计厚度 松散层底部粘土层厚度小于累计采厚 松散层底部无粘土层 松散层全部厚度小于累计厚度 坚硬 中硬 软弱 极软弱 4A 3A 2A 2A 5A 4A 3A 2A 7A 6A 5A 4A 6A 5A 4A 3A 注；Sm累计采厚；n分层层数 1. 缓倾斜（0～35）、中倾斜（36～54）矿层保护厚度 （1）防水安全煤岩柱的保护层厚度，可根据有无松散层及其中粘土层厚度，按表10-5数值选取。 （2）防砂安全煤岩柱的保护层厚度，可按表10-6中的数值选取。 表10-5和表10-6中 式中 Σm累计采厚；n分层层数。 防水煤岩柱保护层厚度是防止导水裂隙带进入水体或含水层，其厚度应从松散底部的隔水层顶面向下计算。若松散层底部无隔水层，就应从基岩顶面向下计算。因此防水煤岩柱中的保护层是由松散层和基岩组成或全部由基岩组成。防砂煤岩柱中的保护层厚度是防止冒落带进入或接近松散层，其厚度应从松散层底面向下计算，保护层全部由基岩组成。 表10-6 防砂安全煤岩柱保护层厚度（m） 覆岩类型 覆盖层或含水层类型 松散层底部粘土层或弱含水层厚度大于累计厚度 松散层全部厚度大于累计厚度 坚 硬 中 硬 软 弱 极软弱 4A 3A 2A 2A 2A 2A 2A 2A 2. 急倾斜（55～90）煤层 急倾斜煤层防水煤岩柱及防砂煤岩柱的保护层厚度，可按表10-7的数值选取。 表10-7 急倾斜煤层防水和防砂安全煤岩柱保护层厚度（m） 覆 岩 岩 性 覆 盖 层 特 征 55 ～ 70 71 ～ 90 a b c d a b c d 坚 硬 中 硬 软 弱 20 15 10 22 17 12 18 13 8 15 10 5 22 17 12 24 19 14 20 15 10 17 12 7 注a松散层底部粘土层厚度小于累计采厚； b松散层底部无粘土层； c松散层全厚为小于累计采厚的粘性土层；d松散层底部粘土层厚度大于累计采厚. 10.2.3安全煤柱留设的基本步骤 通常水体下开采都要留设安全煤岩柱，煤柱的正确留设是实现水体下开采的重要技术环节。设计煤岩柱时应考虑 （1）对松散层和基岩中各层的含水情况、水力联系、补给关系等水文地质条件进行分析，根据各岩土层的岩性情况，力学结构，层位结构等，确定上覆岩层的基本类型； （2）根据煤层地质开采条件，选择开采方法，顶板管理方法，采区巷道布置与开采顺序等，并计算煤层开采后冒落带和导水裂隙带的最大高度以及保护层的厚度； （3）在标准剖面上，分别按井田、采区，煤层或煤层组，根据一般的或最不利的水文地质条件和计算出来的安全煤岩柱高度，用作图法确定开采上限的位置和标高； （4）进行试采并观测两带高度。预计两带高度的类比法和经验公式法，应用中存在一定的误差。为了准确掌握两带高度，一般在大规模水下开采时要先进行试验性开采，取得经验后全面展开，在进行水体下开采试采阶段，应该进行一系列的综合观测，以便确定本地区导水裂隙带和冒落带的高度。 10.2.4安全煤岩柱厚度，安全开采上限及安全开采深度 （1）安全煤岩柱厚度以防水煤岩柱为例，是指水体底面向下至安全开采上边界水平面之间的距离，它包括导水裂隙带高度和保护层厚度，即式（10-1）所示。有时还需考虑地表裂缝深度。 （2）安全开采上限，是指安全开采上边界的标高。 （3）安全开采深度，是指地表至安全开采上边界之间的距离，即地面标高与安全开采上限标高之差。 水体下开采最核心的问题就是确定安全，合理的开采上限，也就是确定合理的安全开采深度。为此，必须获得可靠的导水裂隙带和冒落带发育高度以及合理确定保护层厚度，从而合理留设安全煤岩柱。 10.3 水体下开采技术措施 为了达到安全地采出水体下的煤炭资源，一般要遵守以下的开采原则 10.3.1试探开采 生产实践表明，试探开采是水体下开采的一个重要技术原则。试探开采就是先采远离水体、后采近邻水体下面的煤层；先采隔水层厚、后采隔水层薄的煤层；先采地质条件简单、后采地质条件复杂的煤层；先采较深部，后采较浅部的煤层。通过先易后难地试探性开采，逐步接近水体。这样，不仅能够在试采中确切地了解采动对防水煤岩柱的破坏程度，而且能够不断地摸索出适合本地区的最佳开采方法和措施。经验表明，在许多情况下，可先留设防水煤岩柱，进行试采，然后在试采的基础上，变防水煤岩柱为防砂煤岩柱。这样，既保证安全生产，又能多回收煤炭资源。试探开采包括以下几方面。 1 先远后近 例如在河下采煤时，一般先采河床以外的地区，取得经验和教训后，再进入河床下开采。在河床下开采浅部煤层时．应采取雨季远离河水开采，旱季近邻河水开采，或雨季多掘，旱季多采的方法。 2 先厚后薄 在水体下开采，采深较小或煤岩柱尺寸较小的条件下，如果水体下面隔水层的厚度变化很大，或者对隔水层的隔水性能了解不够时，一般应先采隔水层厚度较大的地区，通过试验取得经验和数据后，再采隔水层厚度较小的地区。 3 先深后浅 在对地质和水文地质条件了解得很不够的情况下，有时可采用先采下水平，后采上水平，或先采第一水平的下部小阶段，后采上部小阶段的方式。这种方式多用于含水松散层下开采的情况。这样，通过先采下阶段，还有可能达到将含水层疏干的效果。另外，在覆岩破裂高度不能准确确定的情况下，水体下开采，尤其是上覆水体较大时，通过先采深部水平，获得两带高度的数据后，再缩小安全煤岩柱的尺寸，开采浅部水平，以达到安全生产，提高煤炭回收率的目的。 4先简单后复杂 在水体下开采地质破坏严重的煤层时，应先采地质构造简单的地区，后采地质构造复杂的地区。水体下开采实践表明，在煤系地层岩性坚硬，其上无松散层覆盖的条件下，断层的有无及其导水性是影响水体下开采安全性和可靠性的关键。 10.3.2分区开采 分区开采是水体下开采减少灾害损失的一个重要措施。分区开采有两种作法，一是在同一井田内隔离采区进行开采，二是建立若干单独井田同时开采。 1. 同一井田内隔离采区进行开采 在水体下开采以前，在采区与采区之间的适当地点建立永久性防水闸门，一旦发生突水事故，可有效地控制水情，缩小灾害的影响范围。 防水闸门一般砌在井下的运输巷道。正常开采时，闸门是敞开的，当突然发生水患时。才将闸门关闭，使水害仅限制在一个采区范围内。 同一井田内隔离采区进行开采的措施适用于有可能发生突然性涌水的矿井和采区。如石灰岩岩溶含水层或暗河下开采时，由于溶洞、暗河水具有水量大来势猛的特点，有必要采用这种措施；另外，对于大型的地表水体，如江河湖海下开采，因为上覆水量大，补给足，一旦涌水会很快淹没矿井，这种情况下也应隔离采区进行开采。 2. 建立若干单独井田同时开采 就是在具有不同特点和条件的水体下，采用独立的井口或采区进行单独开采和单独排水。这种措施一般是根据水体的富水性强弱、规模大小、防水煤岩柱尺寸及隔水层厚薄等条件，将水体下面的煤层划分成若干个单独的井田和采区，采用不同的开采措施，同时开采同时排水。这种方法适用于开采深度小，水源补给充足的煤层。当水体规模大，水源补给充足时，可以采用几个井田联合同时开采，同时排水，这样可以收到缩短疏降时间，减少突水危险，降低排水费用的效果。 10.3.3合理选择开采方案 水体下开采影响安全生产的是上覆水体溃入井下。矿井涌水的形式、涌水量的大小及其对生产的危害程度，取决于两个条件即充水水源的富水性和补给、径流、排泄的条件；井巷和开开采层与充水水源间相对隔水层厚度及其破坏的程度。因此，在分析研究矿井充水条件和预测矿井涌水量的基础上，充分利用隔水层和隔水构造，制订出经济合理的防治水措施和开采措施。水下煤层的开采方案有以下几种 1. 留安全煤岩柱顶水开采 其实质就是留煤岩柱把上覆水体和采矿造成的覆岩破裂带隔离开来，使上覆水体和泥砂不溃入井下，以达到安全开采的目的。具体作法就是在综合分析上覆水体情况、覆岩的水文地质条件、地层结构类型和煤层赋存条件、开采方法、顶扳管理方法等诸因素的基础上，合理留设防水煤岩柱，防砂煤岩柱或防塌煤岩柱，进行顶水开采。 留设防水煤岩柱实现安全顶水开采，不仅可以防止上覆水体溃入井下，甚至矿井涌水量也不会增加。当留设防砂煤岩柱和防塌煤岩柱时，若上覆水体离煤层较远，也能实现顶水开采，但上覆水体会渗入井下，使矿井涌水量有所增加；当上覆水体距煤层较近时，煤岩柱只能隔离泥砂，对水体仅起疏降作用。在这种情况下，采面淋水会加剧，从而增加了矿井的排水量。 顶水开采的优点是不需要改变开拓系统和回采工艺，一般不会过多增加矿井的额外涌水量，所以不必增加疏水系统和排水设备。但是，由于留设安全煤岩柱，增加了煤炭的损失率。在基岩含水层下开采时，有可能因工作面淋水而恶化劳动条件。 2. 疏干或疏降水体开采 疏降开采方法就是利用矿井排水能力，利用巷道和钻孔，或两者结合的方法，疏干上覆水体或降低含水层水位。当上覆水体含水量小，补给有限时采取疏干措施；当上覆水体水量大，补给充足时，采用降低水位的措施。从而使煤层处于水位之上或安全水压之下，开采时安全可靠。 根据我国水体下开采的经验，疏干或疏降水体的开采方法一般适用于下列三种情况 1当煤层的直接顶板为含水层时，一般采用疏干或降低含水层水位的方法，先疏干后开采。 2煤层上方一定高度，有导水裂隙带可能波及到含水灰岩或砂岩等岩层时，根据含水层与煤层的距离的大小和岩性，或采用先疏干（疏降）后开采的方法，或采用边开采边疏降的方法。 3当回采上限接近第四纪全砂含水松散层时，如果含水层的补给源不充足，一般也应当采用疏干或疏降开采的方法。在松散层为弱含水层的情况下，采取边开采边疏干或疏降的方法；在松散层为强含水层的情况下，视疏水效果及经济效益情况，亦可考虑采用预先疏干或疏降的方法。 疏干，疏降水体开采方法的优点是煤炭资源回收率高，生产安全性大；但需要增加疏排水设备及必要的辅助工程，如钻孔，巷道等，因此使煤炭生产成本提高。另外，这种开采方法改变了水体的自然循环，有岩溶的地区常因疏降地下水面导致矿区地面严重塌陷，影响工农业用水。 3. 顶疏结合开采措施 当煤层顶板有多层含水层，且含水层和隔水层相间排列时，对位于导水裂隙带以上的强含水层实行顶水开采，对位于导水裂隙带以内的弱含水层则实行疏降开采。采用顶疏结合开采能否取得成功的关键，首先在于实现顶水开采。因此，要详细分析防水煤岩柱的构成，并采用相应的减少煤岩柱破坏的开采措施，使开采引起的导水裂缝带高度不波及强含水层。其次．是实现回采工作面无淋头水的要求。生产实践及现场观测表明存在顶板隔水层，且有一定厚度的情况下，只要长壁工作面的推进速度正常，支护质量良好，工作面就不会出现淋水、滴水。 4. 合理选择开采方法及开采措施 （1）充填开采 充填开采可使覆岩不出现冒落带，只有裂隙带和弯曲带，从而大大减少覆岩的破坏高度。 （2）部分开采 在水体下开采中，采用部分开采方法也可以减小导水裂隙的高度。部分开采的方法，有条带开采法与控制采厚的方法。部分开采方法煤炭回收率较低，但可以保证水体下安全开采。一般是在接近水体并对矿井安全生产威胁较大的地点，才采用此法。 （3）分层间歇开采 这是用倾斜分层下行垮落方法开采缓倾斜厚煤层的开采方法，也是在水体下用防砂煤岩柱或防塌煤岩柱开采浅部煤层时必须采用的一种开采方法。分层间歇开采时覆岩的冒落带高度和裂隙带高度比一次采全厚时要小得多。这时，整个覆岩形成均衡破坏，对水体下安全开采十分有利。 用分层间歇开采方法时，要注意减少第一、二分层的采厚，以便减小两带高度。实践证明，开采第三分层以后的各分层，导水裂隙带高度增长幅度比较小。 应用分层间歇开采应注意第一，要先探后采；第二，应尽量避免上、下煤层或分层开采边界的重叠，以消除变形值的叠加和减小对其原有隔水性的破坏程度；第三，分层开采的间歇时间要合理，间歇时间应根据采区地质条件和岩层移动规律来确定。当覆岩是中等硬度的岩层时，冒落带，导水裂隙带内的岩层，一般在采后3～4个月就基本上趋于稳定，此后便可开采下一个分层。 （4）长走向小阶段开采 是指用水平分层全部垮落法或沿走向推进的伪倾斜柔性掩护支架全部垮落法开采急倾斜煤层的开采措施。具体方法一般为把一个水平（如垂高100m）分成3～4个小阶段，顶板易冒时分3个，不易冒时分4个。小阶段垂高第一，二小阶段为15～20m，第三，四阶段为25～35m。回采速度第一、二阶段走向全长（200～230m）的回采时间不超过2～3个月，相邻两个小阶段回采的间歇时间为3～4个月。 在水体下开采急倾斜煤层时，为了杜绝防水煤柱本身抽冒过高面形成非均衡破坏，还应采用“按尺定产，严禁超限开采”的措施。当顶板为坚硬岩层时，还应采用人工强制放顶的措施，以便能够随着工作面的推进及时促使顶板开裂、冒落，以部分地充填采空区来抑制防水煤柱的抽冒高度。 （5）正常等速开采 采用全部垮落法管理顶板时，工作面控顶范围内的顶板有时出现断裂或超前断裂现象。如果煤层顶板为薄隔水层，其上面为含水层，且含水层位于导水裂隙带范围以内时，顶板断裂会造成工作面淋水，恶化劳动条件。在这种情况下，应保持工作面的正常循环和连续均匀推进，避免推进速度太慢或时采时停，以便使工作面顶板不产生断裂，含水层的水随回柱放顶而涌向采空区。 （6）倾斜长壁开采 为了使顶板的涌水不流向工作面作业区，可将走向长壁工作山布置成伪倾斜方式，工作面下口超前，上口滞后，见图10.10；或采用倾斜长壁工作面布置方式，使顶板水流向采空区。当含水层富水性较强，采空区涌水量大时，采区内应设置疏水巷道。 水体下开采除了做好上覆水体的防治和选择合理的井下开采措施外，还必须建立完善的防排水系统。首先，矿井排水设备能力、排水管理系统、水仓储水能力以及下山开采的排水工程设施都要配套，能够适应疏水降压或增加矿井涌水量的需要，并保持一定的后备能力，防止突发事件发生；其次，要建立突水抢险制度，规定水害避灾路线，设置完备的安全出口，开采前应进行避灾演习。同时，要加强对职工的安全教育以及严格执行安全规程和各项条例的教育。 图10.10 顶板有淋水时工作面布置方式及疏水巷道位置 10.4 水体下开采实例介绍 1. 四川芙蓉龙湾水库下开采 2. 宁夏石沟译矿宋家沟河下开采分析 思考题 1. 水体下开采的关键技术有哪些 13