水体下与承压水上采煤.doc

第六章水体下与承压水上采煤 教学目的与要求 通过本章学习，要求学生掌握地下开采对隔水层的影响，并能对岩层的隔水性进行分析，水体下安全煤柱的留设的方法；了解矿井涌水量的预测方法以及承压水上采煤的一些方法。课程内容 1.覆岩破坏规律； 2.水体下采煤的技术措施； 3.承压水上采煤。 教学重点 水体下安全煤柱的留设的方法及承压水上采煤的一些方法等。 教学难点 水体下安全煤柱的留设的方法，矿井涌水量的预测方法以及承压水上采煤的一些方法。 第一节概述 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。 一、近水体采煤的特点 近水体采煤不仅可能对矿井生产的威胁，而且会对水资源的破坏。根据水体位于矿层的位置不同，将近水体矿层开采分为水体下开采和水体上开采。当矿层位于水体下方时，称为水体下开采。当矿层位于承压水体上方时，称为水体上开采。 水体下（上）采矿与建筑物下采矿相比具有自身的特点 （1）水体下（上）采矿对变形量的大小关心较少，主要关心破裂岩体是否触及到水体； （2）保护对象一般来说不是水体而是矿井本身； （3）水体是一整体，只要破裂带触及到水体，就会使整个水体溃入井下，淹没矿井，因此水体必须作为整体加以保护。 二、水体类型 矿区水体主要分为地表水（SurfaceWater）和地下水体（UndergroundWater）两大类。 （一）地表水 赋存在地球水圈中，有江河湖海、水库、灌渠、山谷冲沟、稻田、洪区、沼泽、坑塘以及地面沉陷积水区等。地表水属单一型水体。 （二）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。主要有第三、第四系冲积层内的砂层水、砂砾岩水及砂石层水（统称松散含水层）；基岩内的砂岩、砾岩、砂砾岩、石灰岩岩溶含水层及老采空区积水（称基岩含水层）。从采矿工程角度出发，可将地下含水 75 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。松散含水层的特点是流速小、流量小。基岩含水层的特点是含水层位于两个隔水层之间并承受静水压力，所以称为承压水。有时承压水位于开采矿层的底板岩层内，对开采构成威胁。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，将严重威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。 地表和地下水体在大多数情况下具有一定的联系，这种具有联系的水体称为复合型水体。根据地表水、松散层水和基岩水三者的联系不同，可分为 （1）地表水和松散层结合的水体； （2）松散层水和基岩水结合的水体； （3）地表水和基岩水结合的水体； （4）地表水、松散层水和基岩水结合的水体。 76 第二节覆岩破坏规律 一、覆岩破坏的分带 地下开采后岩层和土层的隔水性可能受到影响。隔水层（Water-ResistingLayer）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和裂缝带合称为导水裂缝带。 采矿活动对上覆水体的影响有两方面[1]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。 二、影响覆岩破坏规律的因素 在近水体采矿时覆岩破坏规律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如下 1．覆岩力学性质及结构的影响 覆岩破坏与覆岩的力学性质密切相关。在相同的采矿条件下，覆岩强度是决定覆岩破坏的主要因素。因此，在研究覆岩力学性质对覆岩破坏高度的影响时主要研究覆岩强度对覆岩破坏高度的影响。 当上覆岩层为坚硬岩层，在采动影响下，易产生断裂，岩体破坏高度大。相反，当上覆岩层为软弱岩层时，在采动影响下易产生变形但不容易断裂，岩体破坏高度小。因此，从岩体破坏的高度来看，上覆岩层软弱时岩体的破坏高度比上覆岩层坚硬时小，对水体下采矿有利。 煤矿岩层大多为沉积岩（SedimentaryRock），具有分层特性，各层岩体的性质不同，有时存在较大的差异。在水体下采矿时，将覆岩按普氏系数f不同分为三类[1]（1）坚硬型（f4～8）；（2）中硬型（f2～4）；（3）软弱型（f1～2）。按直接顶板和老顶岩层的组合不同，将覆岩结构特征分为四种类型（1）坚硬坚硬型，（2）软弱软弱型，（3）软弱坚硬型，（4）坚硬软弱型。下面分别讨论其对覆岩破坏的影响。 （1）坚硬坚硬型 从直接顶板和老顶全部均为坚硬岩层，岩层不易弯曲下沉，开采空间几乎全靠冒落岩层的碎胀来充填，冒落过程发展最充分，岩层破裂后不易密合和恢复原有的隔水能力，导水裂缝带高度最大，一般可达采厚的18～28倍。碎涨系数小时可达到30～35倍，甚至更大。 （2）软弱软弱型 从直接顶板和老顶全部均为软弱岩层，岩层塑性大，易弯曲下沉。在冒落的发生、发展过程中，覆岩的下沉量较大，开采空间和冒落岩层本身的空间由于覆岩下沉而不断缩小，因此，冒落过程得不到充分发展，岩层破裂后易于密合和恢复隔水能力，导水裂缝带高度较小，为采厚的9～12倍。 （3）软弱坚硬型 直接顶板为软弱岩层，老顶为坚硬岩层。此种情况下，直接顶板随采随冒，但老顶的下沉速度、下沉量均较小，开采空间和冒落岩层本身的空间几乎全靠冒落的碎胀岩块充填。因此，冒落过程发展比较充分，导水裂缝带一般能达到老顶的底面。 77 （4）坚硬软弱型 直接顶为坚硬岩层，老顶为软弱岩层。在这种情况下，直接顶发生冒落后，老顶随即下沉，减少了开采空间和冒落岩层本身空间，因此，冒落过程得不到充分发展，裂缝带高度比较小。 软弱坚硬型和坚硬软弱型覆岩，哪一种更有利于水体下采矿，要看软弱岩层所占的百分比，软弱岩层所占比例越大越有利。 2．采矿方法和顶板管理方法的影响 采矿方法和顶板管理方法对覆岩破坏的影响主要表现在开采空间大小、岩体冒落、断裂的充分程度以及垮落岩体的运动形式。 对于缓倾斜矿层，不论采用什么采矿方法，垮落岩体不会再次运动，覆岩破坏具有一定的规律性，对水体下采矿是有利的。 对于急倾斜矿层开采，当采用的采矿方法不同时，岩体运动形式存在差异。水平分层人工假顶下行采矿法和沿走向推进的伪倾斜柔性掩护支架采矿法，由于该两种方法采区走向长度大、阶段垂高小、两分层（或小阶段）之间的回采间隔时间长，垮落岩体易被压实，人工假顶防止了超限开采，使覆岩破坏具有一定规律性，有利于水体下采矿。当采用挑煤皮采煤法、煤皮假顶采煤法、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时，容易引起采空区垮落岩体的再次运动，形成局部集中超限采煤，造成上边界煤柱抽冒，使垮落带达到煤层露头。不利于水体下采矿。 全陷法管理顶板，覆岩破坏最充分导水裂缝带高度最大，对水体下采矿最不利。充填法管理顶板时，视充填的密实程度，充填的越密实，覆岩破坏高度越小，对水体下采矿有利。水砂充填覆岩的破坏高度小于风力充填覆岩的破坏高度。矿柱法（条带、房柱式、刀柱式）管理顶板时，覆岩破坏高度小于全陷法管理顶板，视采出率和采出空间大小的不同，岩体破裂高度可能大于充填开采，也可能小于充填开采。 3．煤层倾角的影响 煤层倾角对覆岩破坏高度的影响主要表现在破坏形态上的不同。开采水平及缓倾斜矿层（α0～350）时，垮落岩体不产生再次移动，就地堆积、压实，但由于工作面边界存在悬顶现象，使冒落带、导水裂缝带呈中间低两端高的马鞍形（见图6－1）。开采倾斜矿层（α36～540）时，由于垮落岩体在自重的作用下向采空区下边界滑动，使下边界岩体垮落不充分，上边界岩体垮落超限，从而在倾斜方向上，使冒落带、导水裂缝带的形态呈抛物线型分布。开采急倾斜矿层（α55～900）时，上边界覆岩的破坏高度更高，下边界覆岩的破坏高度更低，破坏范围有抛物线型逐渐变为椭圆形（见图6-2）。 图6-1倾斜矿层开采覆岩破坏形态li图6-2急倾斜矿层开采覆岩破坏形态 78 4．开采厚度和采空区面积的影响 采厚和采空区面积是决定覆岩破坏范围大小的主要因素。现场实测表明初次开采时，冒落带、裂缝带高度与采厚近似地呈直线关系。在分层重复开采时，冒落带、裂缝带高度与累计采厚近似地呈分式函数关系。采厚等量地增加，冒落带、裂缝带高度增加的幅度却越来越小。在急倾斜矿层开采条件下，采厚越大，采空区上边界发生抽冒的可能性越大，冒落、破裂范围就越大。 采空区面积决定了充分采动程度。从覆岩破坏的角度来说，覆岩破坏到最大高度的开采面积比地表达到充分采动的开采面积要小的多。一般来说，在中硬顶板条件下，工作面走向推进长度达到5～15m时，冒落带高度发展到最大。工作面走向推进长度达到20～60m时，导水裂缝带高度达到最大。在分层开采条件下，冒落带、导水裂缝带达到最大高度的开采面积要小一些。当冒落带、导水裂缝带高度达到最大后，就不再随采空区走向长度的增加而增大了。 在开采急倾斜矿层时，采空区面积一般用采区回采阶段垂高及其走向长度衡量。由于急倾斜矿层开采时，垮落岩体下滑，导致上边界垮落岩体范围增大，因此，一次连续回采的阶段垂高越大，覆岩破坏范围越大。根据淮南李咀孜矿和孔集矿的观测，在中硬覆岩条件下，导水裂缝带高度与回采阶段垂高之间表现为近似的分式函数关系。 5．时间的影响 时间的长短决定了覆岩破坏和重新压密的程度。导水裂缝带高度在发展到最大高度以前，随时间的增长而增大。对于中硬覆岩，一般是在回采工作面回柱放顶后1～2个月内，导水裂缝带达到最大值。在发展到最大高度后，由于破裂岩体在上覆岩层重力作用下重新压实，裂缝闭合，导水裂缝带高度随时间的增长而减小。导水裂缝带降低的幅度与岩性有关，一般是覆岩坚硬，降低的幅度小，覆岩软弱，降低的幅度大。我国现场实测表明对于坚硬覆岩，导水裂缝带高度稳定的时间（即回采结束起至观测时止）最少为0.5～1.0个月，最多为96～240个月。在软弱覆岩开采条件下，对开采单一煤层和厚煤层第一分层时现场导水裂缝带观测结果的分析，最大高度稳定的时间最少为0.73个月，一般为6～9个月，最多的为12～17个月。分析我国部分煤矿在软弱覆岩内同一地区、不同时间的钻孔观测结果得出，导水裂缝带高度降低速度大致为0.4m/月。当覆岩为中硬时，导水裂缝带高度与时间过程没有十分明显的关系，随着时间的增加有的出现降低现象，有的则不出现降低现象。 时间过程除了对覆岩破坏高度的升高和降低起一定的作用外，还表现在能够减少破坏带内岩层的渗透性或恢复其原有的隔水性。这种作用在软弱覆岩条件下表现得最为明显。 6．重复采动的影响 由于初次开采使岩体产生破裂，岩体的性质发生变化，重复采动时，覆岩破裂的高度与累积开采厚度不成正比例关系，而是逐次重复采动时破坏高度增长率分别为1/6、1/12、1/20、1/30、。可见，当重复开采次数达到一定后，继续开采对覆岩破坏高度的影响很小，因此，开采厚矿层时，多分几层开采比少分几层开采有利。 三、覆岩破坏高度计算 覆岩破坏高度预测是水体下采煤的关键。由于采动岩体破坏规律的复杂性，目前尚难以采用理论方法进行覆岩破坏高度的计算，只能采用经验的方法。这里仅对近距矿层开采时冒落高度和导水裂缝带高度的计算方法进行介绍。 1．冒落带高度的计算[1] 冒落带高度主要与采动破裂岩体的碎胀性、覆岩的移动量以及采动次数有关。 （1）开采单一矿层时，冒落带高度（HeightofCavedZone）计算 79 H冒M−Wk−1cosα（6-1） 式中，H冒冒落带的高度，m； M矿层开采厚度，m； W冒落工程中顶板的下沉值，m； k冒落岩石的碎胀系数，一般为1.10～1.40; α矿层倾角。 （2）厚矿层分层开采冒落带最大高度为 坚硬岩层（σ压40～80Mpa） H冒2.1M16 100M100∑M2.5（6-2）中硬岩层（σ压20～40Mpa）H冒4.7M19 100∑M2.2（6-3）软弱岩层（σ压10～20Mpa）H冒6.2M32 100∑M1.5（6-4）极软弱岩层（σ压＜10Mpa）H冒7.0M631.2（6-5）式中，∑M矿层累积厚度。 2.导水裂缝带高度计算[1]（α0～540） 导水裂缝带高度（HeightofLeakingWaterFracturedZone）计算具有两组公式，具体为 （1）经验公式一 坚硬岩层 H导1.2M2.0 100M100∑M8.9（6-6）中硬岩层H导1.6M3.6 100∑M5.6（6-7）软弱岩层H导3.1M5.0 100∑M4.0（6-8）极软弱岩层H导5.0M8.03.0 80（6-9） （2）经验公式二坚硬岩层 H导30 中硬岩层 M10M10M5 （6-10） H导20 软弱岩层 （6-11） H导10 （6-12） 以上经验公式适用范围为单层采厚1～3m，累计采厚小于15m。 3．开采急倾斜矿层（α55～900）时，冒落带和导水裂缝带高度计算[1]（1）导水裂缝带高度计算坚硬岩层 H导 100Mh 8.4 4.1h133100Mh 7.3 7.5h293 （6-13） 中硬、软弱岩层 H导 （6-14） 式中，h回采阶段垂高，m； M矿层的法向厚度，m。 （2）冒落带高度计算坚硬岩层 H 冒（0.4～0.5）H导 中硬、软弱岩层 H 冒（0.4～0.5）H导 （6-15） （6-16） 式中，H导为对应岩性的导水裂缝带高度。4．煤层群开采时Hm和Hli的计算 在近距矿层开采时，其冒落带、导水裂缝带高度的计算较为复杂，需要考虑上、下矿层开采的相互影响，即 lili图6-3近距矿层开采导水裂缝带和冒落带高度计算 （1）上、下两矿层的垂距h大于回才下层矿层引起的冒落带最大高度H下冒时，下层冒 81 落带对上层开采的影响很小，可按上下矿层开采分别各自的导水裂缝带高度，取其中标高最高者作为两矿层的导水裂缝带高度。冒落带高度取上层矿层的冒落带高度（图6-3a）。 （2）下层矿层的冒落带接触到或完全进入上层矿层时，上层矿层的导水裂缝带高度按本层的厚度计算，下层矿层的导水裂缝带最大高度则采用上、下矿层的综合开采厚度计算，取其中标高最大者作为两层矿层的导水裂缝带最大高度（图6-3b）。 上下两矿层的综合厚度按下式计算 M综12M1M2−h1−2y2（6-17） 式中M1、M2───矿层的厚度，m； h1-2───矿层间的间距，m； y2───下层矿层的冒高采厚比。 （3）层间距很小时，综合开采厚度取两层煤厚度之和。 82 第三节水体下采煤的技术措施 水体下采矿的安全技术措施有留设安全煤岩柱、处理水体和采取安全措施。有时单纯采用一种方法不能解决问题，而必须多种方法联合使用。 一、留设安全煤岩柱 地下开采后，覆岩及地表产生移动破坏，在覆岩内部产生导水裂缝带，在地表出现裂缝，当导水裂缝带与地表裂缝连通后，地表水体经采动裂缝进入井下，淹没矿井。留设安全煤岩柱的目的就是使导水裂缝带不触及水体或触及水体但不会使水大量涌入井下，达到安全采矿的目的。在水体和矿层开采上限之间留设一定垂深的岩层块段和矿层，称为安全煤岩柱。根据保护目的不同，安全煤岩柱可分为[1，38]防水安全煤岩柱、防砂安全煤岩柱和防塌安全煤岩柱。 留设安全煤岩柱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。 1．防水安全煤岩柱 在水体底界面至矿层开采上限之间所留设的防止水体中的水溃入井下的煤和岩层块段称为防水安全煤岩柱。防水安全煤岩柱适用于以下条件 （1）各种水体下采矿； （2）各类地表水体和第四纪、第三纪松散含水层下开采急倾斜矿层； （3）厚度大、富水性强、补给充足的第四纪、第三纪松散含水层下开采缓倾斜或倾斜矿层； （4）水体与基岩间无隔水层或隔水层极薄条件下开采缓倾斜或倾斜矿层； （5）含水丰富、补给充足的基岩含水层特别是岩溶水体下采矿； （6）在水库、水源、水渠和池塘等生产、生活要求保护的水体下采矿； （7）矿井排水能力有限或矿井涌水量增加会恶化工作面作业环境的条件下采矿。防水安全煤岩柱的高度等于预计的导水裂缝带最大高度加上适当的保护层厚度（图6- 4），即 HshH导Hb（6-18）式中，Hsh-防水安全煤岩柱的高度，m； H导-导水裂缝带最大高度，m；按本节前述公式计算。 Hb-保护层厚度，m。 如果上覆岩层无松散层覆盖或采深较小，在留设防水安全煤岩柱时还应考虑地表裂缝的深度，即 HshH导HbHdili（6-19） 83 式中，Hdili──地表裂缝的深度，根据经验确定。 如果松散层为强或中等含水层，且直接与基岩接触，而基岩风化带也含水，在留设防水安全煤岩柱时应考虑基岩风化带的深度，则有 HshH导HbHfe（6-20） 式中，Hfe──基岩风化带厚度，m，根据勘探资料确定。 2．防砂安全煤岩柱 在松散弱含水层底界面至矿层开采上限之间为防止流砂溃入井下而保留的矿层和岩层块段称为防砂安全煤岩柱。其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缝带进入松散层中的弱含水层。矿井的涌水量可能会增加，但不会发生溃水、溃砂事故。防砂安全煤岩柱等于冒落带高度加上保护层厚度（图6-5），即 HsH冒Hb（6-21） 式中，H冒──冒落带高度，按本节前述公式计算。 在开采急倾斜矿层时，一般只留设防水安全煤岩柱。只有在十分有利的条件下，才留设防砂安全煤岩柱，并且在留设时一定要考虑矿层本身的抽冒及重复采动的影响。 防砂安全煤岩柱适用条件 （1）地表仅有规模较小的水体，补给有限，容易疏干或渗入量不大； （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矿层顶面的隔水层最小厚度大于冒落带高度，小于裂缝带高度的情况下，这时的煤岩柱也属防砂安全煤岩柱。 （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．防塌安全煤岩柱 在松散粘土层和已经疏干的松散含水层底界面与矿层开采上限之间为防止泥砂溃入采空区而保留的矿层和岩层块段称为防塌安全煤岩柱。防塌安全煤岩柱也称煤皮煤柱，留设防塌安全煤岩柱时是允许导水裂缝带和冒落带波及松散弱含水层底部，矿井的涌水量会增大。防塌安全煤岩柱的垂高接近或等于冒落带高度（图6-6），即 HtH冒（6-22） 防塌安全煤岩柱的适用条件为 （1）地表水体小，补给不充分或无经常性补给，且水体与矿层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）当矿层顶板为弱含水层，且补给不足，含水层与矿层的距离接近于冒落带高度时。 4．保护层厚度的确定 由于冒落带、导水裂缝带高度预测存在一定的偏差，因此在留设各类安全煤岩柱时，均要加进保护层厚度。现场应用表明，不同性质的覆岩应增加不同的保护层厚度。各种条件下保护层厚度选取方法如下 （1）在缓倾斜矿层开采条件下，保护层厚度见表6-1和表6-2。 （2）在急倾斜矿层开采条件下防水安全煤岩柱和防砂安全煤岩柱中的保护层厚度按表6-3选取。 二、处理水体 84 处理水体是水体下（上）采矿的一项有效而又不得已的措施。主要包括两方面疏降水体和处理水体补给来源。 1．疏降水体措施 在水体下（上）采矿时，有时水体距离矿层很近，不可能采取留设防水煤岩柱和采取开采措施的方法进行开采，必须对水体进行疏降，以降低含水层水压和水量。 疏降水体的方法有钻孔疏降、巷道疏降、联合疏降、回采疏降和多矿井分区排水联合疏降。钻孔疏降、巷道疏降就是通过钻孔和巷道直接抽排含水层中的水，使含水层疏干或水位降低，然后进行开采。 联合疏降是根据地质采矿条件、含水层特点，采用巷道、钻孔联合疏降水体。具体为先掘进疏水巷道和石门，然后再在其中打钻孔穿过含水层放水进行疏降。 回采疏降就是通过开采离含水层远的工作面，使含水层水通过这些工作面的采动影响缓慢流出，以降低含水层水位，达到疏降的目的。回采疏降适合于弱含水层和补给来源有限的含水层。 多矿井分区排水联合疏降是根据地下水连通的特点，采用多个矿井排水联合疏降，以达到快速疏水的目的。 2．处理水体补给来源 处理水体补给来源就是在回采前用水文地质、工程地质的方法对补给水体的主要来源进行处理。具体的方法有（1）河流改道。使其不流经采空区上方，达到安全开采的目的；（2）帷幕注浆堵水。就是通过成排的钻孔将水泥、粘土等材料注入含水层中，形成地下挡水帷幕，切断地下水补给的通道。该法适用于含水层厚度较小但流量较大、水文地质条件清楚并具备可靠的隔水边界的含水层下开采。（3）巷道截水。对于山地矿区或露天矿区，在岩层内开掘专门巷道截水，是切断含水层补给的一种有效方法。另外，还可通过地面修筑拦洪坝、建水库、填裂缝、铺河床、修水渠等，使地面水与井下不连通。 三、开采技术措施 采用开采措施的目的是减小顶底板岩体的破坏范围，以达到安全采矿的目的。开采措施主要有[1]试探开采、充填开采、柱式开采、分区开采、间歇式开采、协调开采等，下面分别叙述。 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 85 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。 2.充填开采 充填开采通过外来材料对采空区进行充填，以减少采出空间，减小覆岩移动破坏范围，从而达到安全采矿的目的。对水体上采矿而言，充填开采可减小支承压力、增加底板的压力、减少底板上鼓量和破坏深度，使承压水上开采安全。现场实测表明充填开采顶板压力集中系数是全部垮落法开采的1/5～1/12，压力变化幅度值为1/6～1/15，底板破坏最大深度为5m左右。 3.部分开采 部分开采包括条带开采、房柱式开采、刀柱式开采等短壁开采方法。其目的是减小工作面的开采宽度，从而减小顶、底板的破坏范围，使破裂范围不触及含水层，达到安全采矿的目的。理论和实践表明在工作面条件基本相同的条件下，工作面斜长增加3.3倍，底板破坏深度增加4倍，在底板隔水层厚度不变的前提下，减小工作面斜长可减小底板破坏深度，增大相对隔水层厚度，增强抵抗水压的能力。目前国内在水体上采矿时大多采用条带开采，有时也采用柱式开采。 4.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。分区开采有两种方法，一是在同一矿井（或井田）内隔离采区进行开采；二是建立若干单独矿井同时开采或分别开采。该方法的目的就是使各采区相互独立，防止矿井突水时淹没整个矿井。在浅部开采和水源补给充足的条件下常采用此方法。 （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。 5.分层（分阶段）间歇开采 分层间歇开采是将厚矿层分成几个分层进行开采的方法。从前面的冒落带、导水裂缝带高度计算式中可见，冒落带、导水裂缝带高度随矿层采动次数的增加，其增加幅度逐渐减小。 86 即分层开采时覆岩的冒落带、导水裂缝带高度比一次采全厚时要小的多，同时使整个覆岩破坏均衡，对水体下采矿有利。对于厚松散层下浅部矿层的开采或安全煤岩柱中基岩厚度较小的条件，分层间歇开采具有明显的效果。 在倾斜分层走向长壁开采时，要尽量减小第一、二分层的采厚，同时增大分层开采的时间间隔。上、下分层位同一位置的回采间隔时间应大于4～6个月，如果覆岩坚硬，间隔的时间还要长。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。 6.协调开采 协调开采是水体上采矿减小底板采动破坏的有效方法。其目的就是通过适当地布置两矿层的工作面，以减小采动的支承压力和底板岩体破坏的深度。协调可分为不同矿层的协调开采和同一矿层的协调开采。 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。 除了以上方法外，还有减小开采厚度、底板加固采矿法等等。各种方法都具有一定的优缺点和适用条件，在实际中应结合具体的条件，选取适当的方法并采取多种方法，以达到安全、经济的目的。 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。 87 第四节承压水上采煤 我国灰岩岩溶面积大，分布很广，面积大约有2Mkm2，约占全国总面积的五分之一。这些地区也正是重要的煤产地。有60％的煤矿不同强度地受到底板岩溶承压水的威胁，受水害的面积和严重程度均居世界各主要采煤国家的首位。 在主要产煤的华北矿区，东起徐州、淄博，西至陕西渭北；北起辽宁南部，南至淮南、平顶山一带，有数十个矿田互到灰岩岩溶水的影响。如焦作、峰峰、邯郸、邢台、开滦、淄博、肥城、新汶、枣庄、徐州、淮南等矿区，灰岩岩溶水资源丰富，含水性强，补给条件充沛。目前，不少矿井已进入深部开采，最深的已将近1500m。煤层底板承受岩溶承压水的压力很大，水压值已达到2.0～6.5MPa。另外，煤层与其下伏的灰岩岩溶含水层之间的隔水层厚度一般只有10～20m，最大可达5060m，突水的机率大增，淹井的事故也逐年上升。 我国突水次数增加，突水水量增大。据统计[38]，19551985年的30年内共发生淹井事故218次，突水769次；80年代与50年代相比，突水频率增长257％，淹井频率增长96％。在突水水量方面，50～60年代，一般突水涌水量为5～20m3/min，个别的达到50m3/min；60年代以后，突水涌水量一般上升为20～40m3/min，个别的达到100m3/min；70年代以后，一般突水涌水量都在50m3/min以上。如开滦范各庄矿80年代的突水淹井事故最大涌水量达2053m3/min。为有记载的世界煤矿突水水量之最。1916年日本在海下采煤时使水溃入井下，两小时淹没矿井，使237人死亡。1990～1996年全国一次突水死亡10人以上的重大事故共发生56次，死亡人数达1062人。 突水事故频繁，造成的经济损失大。其原因是至今人们对煤层底板岩体结构的采动力学效应还缺乏研究，对突水征兆认识不足，探测手段落后，不能对煤层底板突水做迅速、准确、超前预报。80年代以来，发生的突水淹井事故的次数和造成的经济损失是惊人的，教训也是十分深刻的。开滦范各庄矿1984年突水淹井后，矿井为恢复正常生产用了两年时间，损失煤炭产量近8.5Mt，造成直接经济损失近5亿元。皖北矿务局任楼矿（96年3月）、徐州矿务局张集矿（97年2月）等由于水淹没矿井，堵水恢复生产费用均超过亿元。国有重点煤矿平均每年发生突水事故125次，经济损失15亿元。 综上所述，我国煤矿底板岩溶水的突水频率日趋上升，突水水量日趋增大，造成的损失也日趋严重。因此，为适应煤矿生产的迅速发展，加强煤矿底板岩溶水的研究，具有十分重要的现实与深远意义。 一、底板突水（Water-inrushfromFloor）类型及底板破坏规律 一基本概念 1．煤层底板岩溶水 赋存和运动于煤层底板岩溶地层空间中的水体和水流叫做煤层底板岩溶水（KarstWaterfrombedbottom），又称底板承压水（FloorConfinedAquifer）。它不同于松散层内的孔隙水和基岩裂隙水，具有本身的迳流特征和运动规律。 2．隔水层与等值隔水层 存在于含水层与开采煤层底板、巷道和采空区之间的能阻碍或减弱水流动的岩层。该岩层内的孔隙不连通，地下水无运动条件，称其为隔水层（Water-ResistingLayer），亦称保护层。 由于隔水层的性质和结构不同，其隔水阻水性能也不同。两个质量不同的而单位厚度相同的岩层，在相同的水文地质边界条件下，隔水阻水作用相等时，称之为等值隔水层（EquivalenceWater-ResistingLayer）。 3．突水系数 88 突水系数（WaterInrushCoefficient）是水压值与隔水层厚度的比值[3]Tp m6-23 式中T突水系数，Mpa/m； p水压力值，MPa； m隔水层厚度，m。 部分矿区极限突水系数统计结果见表6-5。当突水系数超过表中数值时，即有可能发生突水事故。表6-5部分矿区极限突水系数 矿区 峰峰 焦作 淄博 井陉极限突水系数（Mpa/m）0.055～0.0650.05～0.100.05～0.120.05～0.13 （二）底板突水的类型 1．按突水地点分，底板突水有巷道突水与采煤工作面突水。 2．按突水的动态表现形式有 （1）爆发型直接在采掘工作地点附近发生，一旦突水，突水量在瞬间即达到峰值，突水峰值过后，突水量趋于稳定或逐渐减小。爆发型突水来势猛、速度快、冲击力大，常有岩块碎屑伴水冲出。如开滦范各庄矿、郑州局芦沟矿。 （2）缓冲型直接在采掘工作地点附近发生，突水量由小到大逐渐增长，经几小时、儿天甚至几个月才达到峰值。 （3）滞后型采掘工作面推进到一定距离后，在巷道或采空区内发生突水，其滞后时间为几天、几个月甚至几年，突水最可急可缓。 3．按突水量的大小可分为1特大型突水事故，突水量为50m3/min以上；2大型突水事故，突水量为20～49m3/min；3中型突水事故，突水量为5～19m3/min；4小型突水事故，突水量小于5m3/min。 （三）开采后煤层底板岩层的破坏规律 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