水体下采煤原理.doc

3.1水体下采煤的基本原理 在确定某一煤层或煤层群的开采方案时，首先要分析开采煤层或煤层群上覆岩层的垮落带和导水断裂带的高度及其形态，最大高度的发育时间等等，然后根据这些分析来确定煤层或煤层群的开采上限，或者说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。安全采深是指煤层安全开采最大标高的深度。提到开采上限就要确定煤层或煤层群的安全煤岩柱的留设高度，一方面要保证水体下安全采煤，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。除了这些需要确定外，地表的下沉值、矿井涌水量、上覆岩层移动观测钻孔布置及相关参数、观测方法等都需要确定。本章主要就是从理论上确定这些参数的确定方法和分析影响其确定的相关因素。 首先对水体下采煤的总体情况进行分析，然后在逐个参数进行确定。地下开采引起的岩层与地表移动能使开采煤层里的水、溶洞水以及位于开采影响范围内的地表水和泥砂溃入井下，威胁煤矿安全生产。因此，在水体下采煤时必须采取适当措施，保证开采过程中不发生灾害性透水、溃砂事故，避免因矿井涌水量突然增大而严重地恶化井下工作环境。 3.1.1水体下采煤的特点 进行水体下采煤首先要分析开采引起的覆岩中的裂缝是否互相连通以及相互连通的裂缝是否波及到水体。因此，研究覆岩破坏规律，特别是能够导水的冒落带和裂缝带的高度及其分布形态至关重要。在许多情况下，尽管地表产生较大的移动和变形、甚至出现裂缝，但只要这些裂缝在某个深度上是闭合而不构成井下涌水通道，就不会发生透水事故。 水体下采煤时的保护对象主要是矿井本身，即保证在水体下开采时矿井的安全。只有在必要时才考虑水体及其附属设施的保护。因此，在进行水体下采煤时应着重研究如何防止水体和采区之间形成透水的通道、造成井下突水事故；在水体与采区之间构成水力联系无法避免时，如何使其引起的矿井涌水量小于矿井排水能力。 3.1.2水体下采煤的可行性 进行水体下采煤，除要考虑开采引起的覆岩中的裂缝是否互相连通以及互相连通的裂缝是否波及到水体外，还要分析在受开采影响后，防水煤岩柱是否还具有足够的隔水性能。合理地确定煤层的开采上限，正确地开采方法和防护措施，以期做到既能最大限度地采出煤炭资源又能确保矿井的安全。 1 覆岩的隔水性 覆岩的隔水性与其岩性、岩相及构造面等因素有关。 1覆岩的岩性 ○ 岩性是评价覆岩隔水性最重要的依据。影响覆岩隔水性能的主要因素是岩石颗粒的大小及其胶结形式。颗粒越小，级配越适当，隔水性能就越好。一般情况下，粘土所占比重是衡量隔水性的简易指标。粘土比例大于30％的岩层是良好的隔水层；粘土含量为11％～30％的岩层可作为相对隔水层；粘土含量少于10％的岩层隔水性能很差；粘土页岩和泥质页岩等塑性岩层隔水性能较好。相对而言，第三纪粘土层的隔水性能优于第四纪粘土层，松散层内深部粘土层的隔水性优于浅部粘土层，这是由于沉积年代不同压实程度也不相同的缘故。 ②岩相 岩相是指沉积岩形成的条件和环境。岩相特征是评价沉积岩隔水性能的依据之一。就隔水性而言，其优劣顺序是海相、湖泊相、风成沉积相、河流冲积相、冰水沉积相。 ③结构面 结构面主要指原生结构面、构造结构面和次生结构面。它们既是评价岩层物理力学特征的重要因素，又是评价岩层体系隔水性的重要因素。有时一个结构面能单独成为隔水层。原生结构面如层面，一般是层状分布，其延续性强，导水性不好。构造结构面如断层面，有的断层面本身有含水性和导水性，并成为岩性强度的薄弱环节，有的断层本伸能隔水，且能把统一性的水体分割成为彼此独立的分散性水体。断层的隔水性和导水性主要取决于断层所切割岩层的力学性质和断层面间的充填程度。次 生结构面一般指风化岩层中的界面。有些风化带是良好的隔水层，即使受到重复采动仍能保持其隔水性能，但也有一些风化带隔水性能不好，因此，对风化带的隔水性，需要具体分析。 2 地下开采对覆岩隔水性的影响 在大面积开采的影响下，覆岩的天然隔水性遭到不同程度的破坏，破坏程度首先取决于隔水岩层与采空区的相对位置。隔水层与煤层紧贴或临近，且位于冒落带时，其隔水性被完全破坏。隔水层远离煤层，位于整体弯曲带内时，除了隔水层下部的隔水性会受到暂时的影响外，整个隔水层的隔水性基本上不受破坏。覆岩内水的深透性是有规律变化的。这是因为煤层围岩的隔水性与采动程度和岩层变形性质有关。在水平拉伸区，岩层会发生竖向的张开裂缝，从而隔水性遭到破坏。在水平压缩区，其隔水性基本上不改变。在采动影响下，岩层本身的物理力学性质对隔水性的影响表现为刚性和脆性的岩层隔水性易遭到破坏，具有韧塑性的岩层隔水性不易被破坏，或者破坏后能够重新得到恢复。 3 影响覆岩破坏及其导水性的因素 研究水体下采煤时要弄清导水断裂带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许多，其中有些因素的影响可以定量的描述，有些只能定性地加以说明。 a.覆岩力学性质和结构特征 如果工作面上覆岩层为脆性岩层，岩层开采后很容易断裂，覆岩破坏高度大。如覆岩为塑性岩层，采煤后不易断裂、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，软弱的覆岩比坚硬的覆岩有利。覆岩中上、下与坚硬、软弱不同性质岩层的不同组合，即覆岩的结构特征对覆岩破坏高度的重要影响。 ①坚硬坚硬型。 煤层的直接顶板弯向采空区并发生块状垮落，上部的老顶岩层由于坚硬不易弯曲下沉，开采空间靠垮落碎胀的岩块来充填，加之坚硬岩石断裂后不易闭合，覆岩破坏高度最大。据观测，这种条件下导水断裂带的高度可达开采厚度的18～28倍。如果直接顶和老顶岩石的碎胀系数都小，垮落过程发展得最充分，则导水断裂带的高度可达采出厚度的30～35倍。 ②软弱软弱型。 煤层直接顶软弱容易垮落，工作面放顶后采空区立即被垮落岩块充填。在垮落工程中，老顶也随之迅速弯曲下沉并坐落于垮落岩块之上，开采空间和已垮落的空间不断缩小。因此，垮落过程得不到充分的发展。导水断裂带的高度较小，一般为开采厚度的9～11倍。煤层上方有含水松散层覆盖，同时工作面又接近基岩风化带的情况，以及厚煤层分层开采出现重复采动后的顶板也应属于软弱软弱型。 ③软弱坚硬型。 煤层直接顶为软弱岩层而上部为坚硬岩层。直接顶随着开采及时垮落，但坚硬的老顶板像板梁一样横跨在直接顶板之上，老顶下沉量小于直接顶下沉，开采空间主要由碎胀的垮落岩块充填，垮落发育充分，导水断裂带一般能达到老顶的底面。 ④坚硬软弱型。 与软弱坚硬型的情况相反，工作面放顶后直接顶首先垮落，而软弱的老顶随之下沉压实垮落岩块，因此导水断裂带高度较小。在巨厚冲积层下开采时顶板条件属于这种类型。软弱坚硬型和坚硬软弱型覆岩，哪一种较为有利于水体下采煤，要看软弱岩层所占的比重，软弱层比重越大越有利。 b.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和倾斜分层走向长壁下行采煤法，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（或区段）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地阻止垮落岩块滑动，使覆岩破坏具有明显的规律性。这有利于水体下采煤。若采用落垛式采煤法、仓房式采煤法及沿倾斜下放的掩护支架采煤法，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。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为充分，对水体下采煤不利。充填法管理顶板在充填质量上好时，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后收缩，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得多。采用煤柱支撑法（条带法、房柱法和刀柱法）管理顶板时，若所留煤柱能够支撑住顶板，尽管开采部分的顶板局部垮落，导水断裂带还能孤立存在且高度很小。如果所留煤柱太窄，煤柱会被压垮，此时的覆岩破坏高度与垮落法无异。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。 c.煤层倾角 煤层倾角对覆岩破坏影响主要表现在使覆岩破坏产生不同的形态。 ①开采水平煤层及缓倾斜煤层（a＝0～35度）。在这种开采条件下，垮落带在上覆岩层重量作用下，中央部分压得很实，因此导水断裂带呈中间低两端高的马鞍型，并且走向方向和倾斜方向的导水断裂带的形态一致，只是高度较小。当采区足够宽且开采厚度相等时，采空区上方导水断裂带的高度处处相等。如果导水断裂带接触到基岩风化带，导水断裂带的发育受到软弱的风化带的抑制，马鞍型消失。 ②开采倾斜煤层（a＝36～54度）。在倾斜煤层开采条件下，顶板垮落岩块落到采空区底板以后，由于自重力在平行于底板方向分力的作用，岩块向采空区下边界滑动，并首先将下边界填满，抑制了下边界顶板的继续垮落。而上边界空间由于岩块的流失而变大，促进了顶板的继续垮落。所以，除了沿煤层顶板法线方向的破坏外，采空区上边界以上的岩层破坏显著增大。在倾斜方向上，垮落带和导水断裂带呈抛物线拱形，而走向方向仍为马鞍型。 ③开采急倾斜煤层a5590度。在急倾斜煤层开采条件下，覆岩破坏形态得到更加充分的发展，上边界处的破坏高度更高，下边界处的破坏高度更低，破坏范围由抛物线拱形渐变为拱形。同时，由于煤层倾角太大，上边界的煤柱常因失去垮落岩块的支撑而更容易抽冒，这相当于提高了开采上限。煤层接近自立时，底板也发生破坏。 d.开采面积与厚度。 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。煤层开采后，垮落带高度随工作面的推进不断增高。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，但垮落带高度不再增加。这种情况与地表达到充分采动以后最大下沉值不再增加相类似。开采厚度对覆岩破坏的影响是直观的。开采缓倾斜煤层时，覆岩破坏主要出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。 e.时间因素 覆岩破坏一般落后回采，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，破坏高度随时间的推移（即工作面的推进）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，这段时间就更长一些。然后，导水断裂带随着冒落带的压实而逐渐降低，降低的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，导水断裂带内的裂缝有可能闭合一部分而减小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尤为显著。 f.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了的岩层内进行。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，覆岩破坏高度与累计开采厚度（相当于分层数）呈抛物线关系。实地观测表明，许多情况下开采第一个分层以后，覆岩破坏高度已经达到重复采动最终结果的一半。以后逐次重复采动实破坏高度增长率分别为1/6、1/12、1/2 0、1/30-----------当重复采动次数达到某一数值后，继续进行的开采对覆岩破坏高度的影响就很小。因此开采厚煤层时，多分几层开采比少分几层开采有利。开采急倾斜煤层时，上、下阶段之间的开采，实际上也构成了重复采动。开采第一阶段时的覆岩破坏高度如前所述。当开采第二、三阶段时，导水断裂带高度随开采总垂高（相当于重复采动次数）增加而增加的幅度逐渐减小。