我国煤矿水体下安全采煤技术的发展及展望.pdf

2 0 0 9 年全国煤矿水害防治工作座谈暨技术研讨会论文集 我国煤矿水体下安全采煤技术的发展及展望 康永华‘ 天地科技股份有限公司开采设计事业部 北京1 0 0 0 1 3 摘要介绍了综合机械化分层及放顶煤等高产高效采煤方法与水体下安全采煤技术的结合及应用；阐述了不断发展的覆岩破 坏控制技术及控水采煤技术；归纳了不断进步的覆岩破坏探测技术、水体下采煤安全监测技术以及防水岩柱性能与质量评价 技术；总结探索了不断提高的覆岩破坏及水体下采煤预测分析理论与方法以及回采工作面涌水量预计方法等；分析了特殊地 质采矿条件下的顶板水害问题以及设计、审批、实施等各环节在水体下安全采煤中的重要保障作用。 关键词水体下采煤；采煤方法；控制技术；现场监测；预测分析 水体下采煤的保护对象主要是矿井本身，其主 要目的就是防止溃水、溃泥、溃砂或超限涌水，避 免井巷遭受破坏，保证安全生产。另一方面则是对 有经济价值的水体及其附属设施进行保护，以免遭 受井下开采的不良影响。水体下采煤问题与其它问 题相比，往往具有更大的危险性。这是因为，在某 些条件下，水体一旦遭受破坏，就会威胁整个矿井 的生产和人身安全。 水体下采煤问题普遍存在于各矿区，其开采技 术亦渐趋成熟，而且随着煤炭科学技术水平的不断 进步、煤矿开采技术水平的不断提高以及地质采矿 条件的不断变化，水体下安全采煤技术也在不断发 展。其主要特点为，采煤方法及其各有关技术的发 展变化与现代化安全生产需求及现代技术水平的 结合更加紧密。尤其是高产高效采煤方法在水体下 安全采煤中的成功应用和不断发展，为水体下安全 采煤技术提供了广阔的市场空间，同时也为水体下 安全采煤技术的进一步发展奠定了坚实的基础。水 体下采煤不仅是一个十分复杂的、专业性很强的技 术问题，而且与设计、审批、实施等多个环节密不 可分，它不仅关系到矿井及人身安全，也关系到井 下生产环境和经济效益。 1 采煤方法的发展变化与高产高效安全生产 紧密结合 随着高产高效现代化矿井建设的需要，综合机 械化采煤方法尤其是综合机械化放顶煤方法得到 了较普遍的推广应用；而在小煤窑中，高落式采煤 法 俗称“放大院” 的应用也相当普遍。此类采 煤方法由于开采强度较大，致使开采影响及其破坏 程度较剧烈，与传统的水体下安全采煤技术原则发 生了冲突。因此，如何解决这类采煤方法在水体下 安全采煤中的应用，就成了亟待解决的问题。根据 现场的实际需要，我们与矿方密切合作，在水体下 先后成功地应用了综采、综放以及高落式等采煤方 法，尤其是在江、河、湖、海等地表水体和松散含 水层、基岩含水层等地下水体条件下进行综放开采 的研究与探索一直没有间断。 1 ．1 综采应用于水体下的研究与实践 1 ．1 ．1 综采顶水安全开采的研究与实践 顶水采煤，是指在采煤工作面上方存在水体并 且不对其进行疏降处理的前提下进行顶水作业。其 具体做法主要是留设合理的防水煤岩柱，主要应用 于强、中等水体条件下，优点是一般不增加矿井额 外涌水量。过去厚煤层分层开采多采用炮采与普机 采，其采厚一般在2 m 左右，有利于抑制覆岩破坏 高度。随着综合机械化采煤技术的推广普及，分层 开采厚度一般加大到3 m 左右，造成了覆岩破坏高 度的增加，所需留设防水煤柱的尺寸一般也需要增 大。而在这种条件下如何缩小原设计的防水煤柱尺 寸，保证采煤安全、合理，就成为水体下采煤中的 新问题。针对山东兖州矿区兴隆庄煤矿原设计按照 普机采分四层开采要求留设的垂高为8 0 m 的防水 煤柱和压煤呆滞储量达8 5 7 6 ．4 万t 的具体情况，对 特厚煤层 厚度7 ．5 ～9 ．2 m 进行综合机械化分层大 采高 2 ．4 3 ．3 m 走向长壁全部垮落法不疏降顶水 开采。经过多年来的不断努力，在综采分三层开采 条件下成功地将原设计防水煤柱缩小到了5 3 m 局 部达5 l m ，仅兴隆庄煤矿采出水体下压煤就已超 过5 4 0 万t ，取得了显著的经济效益，开创了我国 含水砂层下综机采煤史上的先例l l J 。 第1 7 5 页 2 0 0 9 年全国煤矿水害防治工作座谈暨技术研讨会论文集 l 。1 。2 综采一次采全高留设防塌煤柱安全开采的研 究与实践 采高越大，覆岩破坏高度就越大，破坏程度也 越剧烈。针对河北邢台矿区东庞煤矿第四系松散层 底部砾石层富水性弱，补给、迳流条件也较弱等具 体条件，进行了4 ．5 m 高架综采一次采全高留设防 塌煤柱开采实践，通过井下探放水及边采边疏预先 疏干底砾层，实现了最小基岩柱7 ．7 ～1 5 m 时限制 采厚3 ．6 ～4 ．O m 、最小基岩柱大于15 m 时一次采全 高4 。5 m 条件下的安全开采。 1 ．2 放顶煤开采应用于不同类型水体及复杂条件 的研究与实践 1 ．2 ．1 综放开采应用于松散层含水体条件的研究与 实践 放顶煤开采技术在松散层含水体下的应用最 普遍，开始时间最早，针对露头煤柱所进行的水体 下综放开采技术研究也最多。如兖州、邢台、龙口、 淄博济北、淮南等矿区，都开展了留设防水或防砂 乃至防塌煤柱等条件下的综放开采试验研究，其覆 岩则以中硬类型为主，其次为软弱类型。 1 ．2 ．1 ．1 综放项水安全开采的研究与实践 随着综放开采方法的普遍应用，开采厚度也明 显增大，致使覆岩破坏高度明显加大，所需留设的 防水煤柱的尺寸更需增大，此时能否在矿井原设计 防水煤柱条件下实现综放安全开采以及如何确定 综放开采的合理回采上限等问题都亟待解决。 在山东兖州矿区兴隆庄煤矿进行了特厚煤层 平均厚度8 ．6 5 m 中硬覆岩条件下综放开采合理 确定回采上限的观测研究和工业性试验，先后在全 煤厚综放最小防水煤柱垂高7 8 m 、6 8 m 以及综采与 综放相结合最小防水煤柱垂高6 6 m 条件下实现了 顶水安全开采。不但未增大原设计垂高为8 0 m 的防 水煤柱，反而将其缩小了1 2 m 全煤厚综放 或 2 4 m 综采与综放相结合 。已安全采出水体下压煤 3 8 2 万t 。除4 3 0 3 工作面回采结束后在最小基岩柱 尺寸为6 8 m 且底粘缺失处出现采空区滞后涌水外， 其余各采煤工作面自投产至结束均未出现明显的 涌、淋水现象【2 】。接着又在充州煤田的太平煤矿实 现了3 煤首采工作面在最小防水煤柱垂高6 0 m 、煤 厚8 m 、中硬覆岩、存在底粘条件下的综放顶水安 全开采，工作面无水。均获得了良好的经济及社会 效益。 地处海滨的山东龙口矿区属“三软”地层条件。 北皂煤矿煤4 平均厚度8 ．1 2 m ，经济可采厚度平均 5 ．6 m 。原设计为分层开采，改用综放开采后其回采 上限需要重新确定。面对当时软弱覆岩条件下综放 开采的覆岩破坏高度预计无实测数据可依，北皂煤 矿煤4 综放首采工作面也是龙口矿区“三软”地层 条件下应用综放开采技术的第一个工作面，同时存 在着“三软”地层条件下放顶煤开采能否成功以及 在含水砂层下和煤2 采空区下能否安全开采等诸多 新闻题，通过全面分析研究，确定了合理的回采上 限，完成了三采区内3 个综放工作面的工业性试验 和安全开采，取得了“三软”地层条件下综放顶水 开采的成功。在完成山东龙口矿区海下煤田综 放顶水开采可行性研究的基础上，开始了海域煤田 的开拓，我国的海下采煤从此拉开了序幕。 1 ．2 ．1 ．2 综放顶疏结合安全开采的研究与实践 扎赉诺尔矿区铁北煤矿上侏罗统煤系地层属 典型的“三软”地层，煤层的经济可采厚度约7 ～ 8 m ，煤层顶板由多层半固结的含水砂岩和隔水泥岩 交互沉积而构成，极易造成井下溃水、溃砂，如何 尽快实现综采放顶煤安全开采，解决煤水混流问 题，提高矿井经济效益及安全合理的回收煤炭资源 等，已成为铁北煤矿亟待解决的难题。为此，通过 控水采煤技术的综合运用，实现了多层半固结砂岩 含水层条件下的综放顶疏结合安全开采，回采工作 面及采空区未出现溃泥、溃砂灾害，并创造性地解 决了煤水混流问题，达到了控水采煤的目的，获得 了显著的经济及社会效益。 1 ．2 ．1 ．3 留设防砂煤柱综放安全开采的研究与实践 过去在含水砂层下留设防砂煤柱开采厚煤层 时，一般禁止采用放顶煤方法，其原因是放煤一旦 失控容易造成溃水、溃泥、溃砂事故。但随着综放 开采技术的普及，带来了在含水砂层下采用综放开 采方法留设防砂煤柱如何实现安全开采的新问题。 为此，针对山东兖州矿区杨村煤矿第四系松散层底 部含水砂层属弱富水松散层，以及含水砂层底部分 布有一层厚度约1 ～4 m 的粘土层等具体条件，实现 了平均煤厚8 ．0 m 、最小防砂煤柱垂高4 0 m 条件下 的综放安全开采，回采工作面内未出现淋、涌水现 象，获得了良好的经济效益【3 】；针对山东兖州兴隆 庄煤矿二采区第四系松散层底部含水砂层属中等 富水松散层，以及最小防砂煤柱为4 4 m 等具体情 况，进行了顶分层综采与网下综放开采相结合条件 第1 7 6 页 2 0 0 9 年全国煤矿水害防治工作座谈暨技术研讨会论文集 下变防水煤柱为防砂煤柱的试验研究，取得了可喜 的进展。针对兴隆庄煤矿四采区第四系松散层底部 含水砂层属弱富水松散层、含水砂层底部无粘土 层、覆岩为中硬类型以及最小基岩柱垂高6 8 m 、平 均煤厚8 ．1l m 等具体条件，进行了全煤厚煤厚综放 开采变防水煤柱为防砂煤柱的试验研究，取得了工 作面采空区滞后涌水形式下的安全开采【2 】。 针对兴隆庄煤矿第四系松散层底部含水砂层 属中等富水松散层，以及最小防砂煤柱为4 4 m 等具 体情况，进行了顶分层与网下综放开采相结合条件 下变防水煤柱为防砂煤柱的试验研究，取得了可喜 的进展。 1 ．2 ．1 ．4 留设防塌煤柱综放安全开采的研究与实践 留设防塌煤柱开采厚煤层，过去也禁止采用放 顶煤方法。随着放顶煤方法的普及，也带来了如何 实现留设防塌煤柱放顶煤安全开采的新问题。为 此，针对河北邢台矿区邢台煤矿松散层底部含水砂 层基本已疏干的具体条件进行了试验，通过井下探 放水、边采边疏预先疏干底砾层以及井下注浆治理 溃泥溃砂，取得了采放厚度6 ．4 m 、最小防塌煤柱 1 2 m 条件下放顶煤开采的成功经验。针对兴隆庄煤 矿四采区第四系松散层底部含水砂层属弱富水松 散层，以及最小防塌煤柱为3 3 m 等具体情况，进行 了综放开采条件下变防水煤柱为防塌煤柱的试验 研究，取得了可喜的进展。 1 ．2 ．1 ．5 高落式采煤法顶水安全开采的研究与实践 高落式采煤法在小煤窑中应用较普遍，特点 是采场布置较灵活，对地质采矿条件的适应性较 强。但其落煤过程难以控制，覆岩破坏情况一般较 难预测。所以，在水体下采煤中常常禁止使用。针 对内蒙赤峰建昌营煤矿厚煤层开采将受到第四系 孔隙潜水强含水层和煤系基岩孔隙裂隙承压弱含 水层等多种、复合水体的威胁和影响、5 个煤组的 煤层厚度分别为4 ．2 ～1 4 m 、覆岩类型为软弱至极软 弱以及缺少覆岩破坏方面的实测数据等具体条件， 通过相似材料模拟试验及类比分析，确定了合理的 回采上限，制定了切实可行的安全技术措施，成功 地实现了高落式采煤方法顶水安全开采。既采出了 水体下压煤，又保证了矿井安全。 1 ．2 ．2 综放开采应用于基岩含水层条件的研究与实 践 在基岩含水层下也成功地应用了综放开采技 术。如陕西彬县矿区在白垩纪砂砾岩含水层下成功 地实现了综放开采和综放重复开采，尤其是在扎赉 诺尔矿区铁北煤矿多层松软砂岩含水层下不仅成 功地应用了综放开采技术，而且解决了采用综采开 采方法所难以解决的难题，更加显示出综放开采技 术应用于该类地层及水体条件下的优势。 1 ．2 ．3 综放开采应用于地面水体条件的研究与实践 在开采地面水体下压煤方面也成功地应用了 综放开采技术。如鹤岗、灵武等矿区在河流下进行 的综放开采、龙口矿区在海下煤田进行的综放开 采、大屯矿区在湖下进行的综放开采等。 1 ．2 ．4 综放开采应用于急倾斜煤层条件的研究与实 践 在急倾斜煤层条件下应用水平分层综放开采 技术，其覆岩破坏很容易发展到地表，当开采煤层 上方存在水体或泥沙甚至在雨季时，极易出现溃 水、溃砂、溃泥事故，所以具有更大的安全风险， 解决该类问题的难度也就更大。针对梅河四井急倾 斜煤层水平分层综放工作面出现溃泥、溃水事故的 实际情况，开展了防治技术研究，取得了可喜的进 展。 1 ．2 ．5 综放开采应用于采空区水体条件的探索研究 采空区水体下采煤的特点是一旦发生突水，则 其水势异常迅猛，令人防不胜防。而在采空区水体 下进行综放开采的风险则更大，也更具有挑战性。 如大同矿区同忻矿部分侏罗系采空区水体下的压 煤将采用综放顶水开采技术，部分采空区将疏干后 再进行综放开采。 1 ．3 保水采煤的探索与尝试 地球上水资源的特点是空间和时间的分布很 不均匀。中国水资源分布的特点是，水资源人均占 有量偏低；全国水资源的地区分布极不平衡水资 源分配量差别很大。目前，煤矿开采以牺牲水资源 环境为代价，不惜破坏浅层地下水、地表水的水化 学环境，许多煤矿区地下水资源都已面临过量开 采、水质恶化的局面，可利用水资源已呈现出逐渐 枯竭的趋势。合理地保护煤矿区地下水资源对煤矿 区生态环境和资源环境保护意义重大。 从技术要求角度来讲，保水采煤对水体下采煤 技术提出了更高的要求，尤其是水资源量越少时要 求就越高。这是因为，保水采煤不仅要求水资源不 向矿井泄漏，而且不允许水体边界上的的任何岩层 或阻水设施如地下含水层或其它导水通道以及地 第1 7 7 页 2 0 0 9 年全国煤矿水害防治工作座谈暨技术研讨会论文集 表堤坝等出现泄漏，所以，保水采煤不但需要考虑 覆岩破坏所引起的导水问题，也要考虑开采对于水 体边界如水体底界面等的破坏所引起的透水问题。 针对地处毛乌素沙漠东南缘的神府矿区的地 下水资源极其宝贵、沙漠的自然增长率约0 ．5 ％、区 内生态赖以维系的含水砂层直接覆盖于煤系地层 之上、开采煤层上覆基岩厚度 2 0 m 、采厚大、若按 常规采煤方法开采其破坏性影响势必直接波及上 覆水体的具体情况，开展了保水采煤，控制沙漠沙 化，维系良好的生态环境等综合研究和工业性试 验，为贫水矿区保水采煤进行了有益的探索和尝 试。 2 控制技术的发展与当前水平和现实需要相 厶￡厶 二日口 2 ．1 覆岩破坏程度及范围控制技术的探索与发展 研究及实践结果表明，综放开采的覆岩破坏高 度尤其是裂高明显大于分层开采情况，而分层重复 开采时覆岩破坏的高度增加一般不明显，即使增大 重复开采的厚度，覆岩破坏的高度一般也不会明显 增加。根据这一认识提出了综采分层开采与放顶煤 开采相结合的方法，并在山东兖州矿区兴隆庄煤矿 应用，实测裂高较全煤厚综放开采约降低4 0 ％， 既有效地控制了覆岩破坏高度，进一步缩小了防水 煤柱，又实现了高产高效顶水安全采煤，并扩大了 综放在水体下采煤领域的使用范围，取得了良好的 经济效益睇J 。 综放开采可以通过调整放煤量的多少来实现 对开采厚度的灵活调整和限制。利用综放开采的这 一特点，针对某些工作面在局部地点若按实际煤厚 开采可能出现溃水、溃泥、溃砂等事故的实际情况， 采取在局部适当减少放煤量的办法来控制覆岩破 坏高度的发展，实现了困难条件下的综放安全开 采。 2 ．2 控水采煤技术的提出与实践 煤矿安全和良好的经济效益是市场经济环境 下维系煤矿企业生存与发展的重要因素。通过相应 的技术手段、方法及措施，把工作面涌水量控制在 既能保证安全生产又能取得良好经济效益的水平 上，并以此为前提最大限度地开采水体下压煤，是 基于目前的经济环境提出的控水采煤技术的基本 原则。影响工作面涌水量的两个关键因素是充水水 源和充水通道，在充水水源一定的情况下，充水通 道将成为影响工作面涌水量的最关键因素。针对充 水能力和补给条件都比较有限的弱含水层，一般只 需控制工作面的充水形式就可以达到控水采煤的 目的；而对于充水能力较强补给又比较充足的强含 水层，不仅要控制工作面的充水形式，而且还要限 制充水通道的过水能力，才能够达到控水采煤的目 的。充水通道的过水能力主要取决于岩层本身的渗 透性能和采动破坏性影响的程度，而采动条件下覆 岩的破坏及其渗透性的变化都遵循一定规律。近几 年来，通过对覆岩破坏规律和岩层尤其是受到采动 破坏性影响的岩层的渗透性能及其变化特征以及 含水层富水特征等的不断研究，并与具体的采矿技 术条件、相应的采煤工艺和有效的技术方法及措施 相结合，逐步取得了控水采煤的成功。如在山东兖 州矿区兴隆庄煤矿实现了综放工作面采空区滞后 出水形式下的控水安全采煤；在安徽宿南矿区祁东 煤矿实现了综采工作面有限涌水形式下的控水安 全采煤；在内蒙扎赉诺尔矿区铁北煤矿则通过对靠 近开采煤层的多个含水层分别采取预先疏水、回采 疏水以及顶水开采等不同技术措施逐步实现了综 放工作面有限涌水形式下的控水安全采煤。 3 现场监测及室内测试分析技术手段的进步 与新技术的发展相结合 3 ．1 覆岩破坏探测技术手段的发展 覆岩破坏的现场观测是获取覆岩破坏数据的 重要手段。传统的钻孔冲洗液方法仍然是观测覆岩 破坏发育高度的一种常用而有效的方法，其优点是 简单、易操作、观测数据较能反映实际导水情况； 缺点是观测精度较低，在某些原岩裂隙发育的地区 往往不能取得可靠数据，对把握观测时机的要求也 较高，一旦错过合适的观测时机将会导致观测工作 失败，且无法补救，从而使得所施工钻孔也宣告报 废，造成不必要的经济损失，同时钻探费用也较高。 为了弥补其不足，目前，覆岩破坏探测正由传统的 冲洗液漏失量观测这一单一技术向着钻孔电视、钻 孔超声成象、钻孔声速、数字测井等测井手段与冲 洗液漏失量观测相结合，电法探测、雷达探测、地 震探测、瞬变电磁法探测、E H 一4 电磁法探测等等 物探手段与钻探相结合，微震监测技术与专业解释 第1 7 8 页 2 0 0 9 年全国煤矿水害防治工作座谈暨技术研讨会论文集 相结合等方向发展，提高了观测精度和适用性，取 得了较好的效果。随着现代新技术手段的发展，覆 岩探测技术与新技术手段的结合将会更加紧密。 3 ．2 水体下采煤安全监测技术及手段的探索 水体下采煤的安全监测技术对于预防灾害事 故的发生以及防止灾害事故的扩大都具有非常重 要的实际作用，而且对于实现水体下安全采煤是非 常必要的，也是至今一直未能很好解决的难题。近 年来在水体下采煤实践中进行了多方面的研究和 探索。 首先，开展了应用井下围岩温度分布规律来预 测预报回采工作面突水的研究，其原理是根据井下 围岩温度场测量结果分析推断地下水的分布及其 与采掘工程之间的联系，进而为实现突水预测预报 提供参考依据。并通过与地下水动态观测、工作面 水情监测及分析预测相结合，对安全生产进行预 报。在实际应用中为顶水安全采煤和高产高效提供 了一定保证H 。 其次，提出应用微震监测技术建立水体下采煤 的安全监测系统，并进行了可行性研究与探索。微 震监测技术的基本原理是实时接收岩石及岩体开 裂时发出的弹性波信号来确定开裂点的空间位置， 并实时追踪，进而解释其工程意义。它与地下水动 态及矿井涌水量自动监测新技术发展等相结合，将 有可能实现井下突水的实时预测和报警。 基于对煤矿安全生产的高度重视和建立煤矿 安全预警系统的实际需求，近年来其它领域、其它 行业从事相关技术研究的一些单位和公司也对水 体下采煤安全监测技术投入了研究和探索，如地下 水动态自动监测及预警系统乃至于矿井水害预警 系统等都已经应用到水体下采煤领域，其中地下水 水位、矿井涌水量自动监测系统的应用已较普遍， 水质的自动监测也已经实现，尤其是光栅传输技术 的应用使得监测系统的可靠性等明显提高，有可能 会给水害预警技术带来较为光明的前景。 3 ．3 安全煤岩柱性能研究及质量评价技术的发展 安全煤岩柱性能的好坏是决定水体下采煤成 败以及能否合理确定回采上限的关键因素。根据宏 观特征如岩性、赋存结构、力学强度、节理裂隙的 发育状况等进行安全煤岩柱性能研究及质量评价， 仍然是可行的方法，其优点是简单、方便；缺点是 只能对含、隔水性能进行初步判断，而且对再生隔 水性能难以较深入评价。近年来又将先进的显微分 析技术和矿物成份鉴定技术应用于对安全煤岩柱 的微观结构、矿物成份进行定量测定，将彩色钻孔 电视探测系统应用于安全煤岩柱特征的现场探测， 并与力学试验、水理试验及宏观分析等相结合，全 面研究安全煤岩柱的含、隔水性能，为充分利用安 全煤岩柱中隔水岩层的良好隔水性和再生隔水能 力以及更有效地避免安全煤岩柱中透水岩层的不 利影响提供了技术保证。 4 预测分析技术方法及理论水平的提高与实 际应用相结合 近年来，覆岩破坏及水体下安全采煤预测的技 术水平等都有了很大的提高，其最大特点就是与实 际应用紧密结合。 4 ．1 覆岩破坏规律研究以及水体下采煤预测分析 技术与理论的进展 1 覆岩破坏情况的预测是决定水体下采煤成 败的重要内容，而正确掌握覆岩破坏规律则是正确 预测覆岩破坏状况的基础。随着国家自然科学基金 重点项目煤矿上覆岩移动破坏研究的完成，在 采场、覆岩、地表三者结合与统一的应用基础研究、 浅部开采与放顶煤开采覆岩移动破坏规律及控制 地表沉陷研究方面取得了新进展。放项煤开采与分 层开采有着明显不同，因而，放项煤开采的覆岩破 坏也有着新的特点，成为近年来覆岩破坏研究的重 点，进展也比较明显。近年来，在同～覆岩类型及 岩性结构条件下进行了综采分层、综放开采、综放 重复开采等一系列不同采煤方法情况下的现场实 测、室内相似材料模拟实验及数值模拟分析【5 】等工 作，全面、系统地研究了由炮采、普机采、综采、 分层综采到综放开采乃至综放重复开采等一系列 不同采煤工艺方法的覆岩破坏规律及其演变关系 和特征荆，分析了贴近冲积层开采条件下覆岩破坏 的变异规律及特点，深入研究了长壁开采条件下覆 岩破坏的机理和预计理论，裂隙岩体上覆高水压作 用条件下的覆岩破坏规律研究工作如现场观测及 分析等也有了新的进展。在研究并提高覆岩破坏预 计理论的基础上总结出了一套较实用的预计方法， 为正确计算其它覆岩类型大采高采煤工艺方法条 件下以及某些特殊地质采矿条件下的覆岩破坏高 第1 7 9 页 2 0 0 9 年全国煤矿水害防治工作座谈暨技术研讨会论文集 度提供了理论依据。并逐步形成了覆岩破坏规律综 合研究技术体系【7 】和水体下采煤综合研究技术体系 【8 】。目前，进行综放开采条件下覆岩破坏高度探测 研究的矿井越来越多，但迄今为止还缺少对于大多 数矿区都普遍适用的预计综放开采条件下覆岩破 坏高度的计算公式，安全煤岩柱中的保护层尺寸的 选取也同样需要做进一步的工作。 2 水体下采煤的“三带”理论体系已逐步形 成。以“三带”为基础的水体下采煤预可研理论已 形成基本完整的体系，为不同地质、水文地质条件 的水体下采煤预可研的设计提供了方法。其中比较 典型的是露头煤柱设计理论与方法【9 】，已纳入铲三 下”采煤规程并应用多年；放项煤开采条件下的 露头煤柱设计理论与方法也已初步形成，其中保护 层厚度的选取准则以及所采取的开采技术措施和 防水安全措施等都具有新的特点【2 】。此外，近年来 又研究了松散含水层条件下发生溃砂的临界条件 及其预计理论，为实现松散含水层条件下变防水煤 柱为防砂煤柱安全开采提供了理论基础。 3 提出并完善了水体下采煤覆岩分类的方 法【1 们。以往在水体下采煤的覆岩分类中，一般都是 根据经验来定性评价，其结果往往是因人而异，有 时也采用岩石单轴抗压强度分类法进行参考，但由 于其分类指标单一，常常不能正确判定覆岩的类 型。所以，远远满足不了水体下采煤的实际需要。 为此，提出了水体下采煤覆岩类型的多因素多指标 分类法。它较充分地考虑了水体下采煤的特点和要 求，实现了覆岩分类的定量化，分类指标全面，代 表性强，而且还具有获取参数方便、分析结果可靠、 人为干扰因素少、实用性强等优点，能够较好地满 足水体下采煤的实际需要。该方法在山东兖州、龙 口矿区以及内蒙赤峰建昌营煤矿等得以验证。为水 体下采煤技术和成功经验的推广应用提供了便利。 4 放顶煤开采是一种高产高效的采煤技术， 近年来得到了迅速发展和普及，在水体下采煤领域 的应用也越来越广泛。但由于水体下放顶煤开采的 成功试验和推广应用仅局限于部分矿区，尚不足以 代表全国各类矿区的普遍情况，加之对放项煤开采 的特殊性所产生的某些变异规律及特点的研究与 认识尚不全面，所以，在新修订的“三下’’采煤 规程中规定，放顶煤开采方法在水体下采煤领域 尤其是留设防砂及防塌煤柱条件下的应用还必须 要遵循试验开采的程序，放顶煤开采的覆岩破坏预 计及保护层选取方法等还都尚未纳入“三下”采 煤规程，对此仍需不断研究和丰富。鉴于在水体 下实现放顶煤安全开采较分层开采有更大的风险 和难度，所以，需要深入研究放顶煤开采的覆岩破 坏规律、不断加强预测理论与方法研究、优化水体 下放顶煤开采设计、规范水体下放顶煤开采工艺、 制定切实可行的水体下放顶煤安全技术措施以及 建立可靠的安全监测系统等，才可以有效地避免或 减少水体下放顶煤开采的风险和更加经济合理地 实现安全开采。尤其是在采空区水体下采用综放开 采方法时，仍应进行充分的分析论证，如大同矿区 同忻矿侏罗系采空区水体下综放安全开采的可行 性分析论证。 4 ．2 涌水量预计理论及方法的探索 近年来开展了孔隙裂隙岩体与渗流特征研究 u 1 1 ，为促进工作面涌水量预计这一世界难题的解决 进行了必要的探索。此外，由于实践经验不断丰富， 在实际工作中应用类比法等计算方法所得出的预 计结果与实际情况的符合率更高。 5 特殊地质采矿条件下顶板水害问题的认知 程度及防治水平不断提高 我国地大物博，矿产资源十分丰富，煤层赋存 条件千变万化，除靠近灰岩强含水体尤其是奥陶系 灰岩强含水体开采时存在着较严重的安全威胁外， 某些特殊地质采矿条件下发生的突水灾害则更让 人心有余悸。特殊地质采矿条件下发生的顶板水害 一般都有一个共同的特点，就是大都具有特殊性、 偶然性、隐蔽性、突发性，往往有背常理，不易被 人察觉，有时甚至超出现有技术、知识水平的认知 程度，较难预测，令人防不胜防。所以，更容易酿 成灾害，损失更加难以预测，后果常常触目惊心， 教训极为惨痛。因此，研究解决特殊地质采矿条件 下的水害问题，对于保证矿井安全有序开采具有十 分重要的现实意义，其技术难度也更大，任务更艰 巨。近年来，对该类条件下顶板水害的认知程度和 防治水平也在不断提高。 5 ．1 高水压松散含水层原生纵向裂隙发育覆岩的 异常突水及其防治 以往的松散含水层水体下采煤实践中，一般 开采深度较浅，含水层水头压力较低，或者松散含 第1 8 0 页 2 0 0 9 年全国煤矿水害防治工作座谈暨技术研讨会论文集 水层底部赋存一定厚度的粘土隔水层，或者松散含 水层水体的富水性较弱，或者基岩风化带基本上是 隔水的，或者基岩中的原岩裂隙尤其是高角度纵向 原岩裂隙不发育，所以，在设计安全煤岩柱时一般 不考虑含水层水头压力作用问题。但近年来在松散 含水层水头压力达到3 ．6 M P a 以上和开采煤层上覆 煤系基岩中原生纵向裂隙发育条件下采用综合机 械化采煤方法开采时，留设的防水煤柱尺寸均是按 照“三下”采煤规程的规定选取的，却发生了 突水并淹没矿井的异常现象。如位于安徽省宿南矿 区的祁东煤矿就发生了首采工作面实际最小防水 煤柱垂高较原设计大3 m 条件下十分罕见的异常突 水现象【1 2 1 。该类条件下采煤工作面突水淹井的惨痛 教训表明，随着采深加大，含水层水头压力增高， 尤其是覆岩中高角度裂缝发育、隔水性能较差等条 件综合作用下，覆岩破坏高度将异常加大，破坏程 度异常加剧，安全开采所需的实际保护层厚度也明 显增大，必须针对具体条件因地制宜地进行水体下 安全采煤设计，开展相应的研究观测，制定切实可 行的防水安全技术措施，以确保安全合理开采。 5 ．2 大面积老空积水区的突水危害及其防治途径 废弃矿井关闭或由于其它不得已的原因而导 致矿井关闭后，往往形成大面积的老空积水区，一 旦发生突水，其损失往往异常惨重。尤其是当面积 较大、水头压力较高的老空水体直接位于急倾斜煤 层上方时，其所构成的水害威胁将更为严重。近年 来该类灾害发生较多，如广东大兴煤矿由于急倾斜 煤层发生抽冒引起防水煤柱失效而造成的老空积 水体突水淹井灾害就十分典型。防止该类水体突水 应从处理和隔离水体两个方面入手。设计新区开采 时，应充分认识该类水体的危害，采取可靠的、切 实可行的安全防范措旌，尤其是对于急倾斜煤层的 顺层抽冒问题应给予高度重视。 5 。3 离层带蓄水的危害及其防治途径 离层是指岩层顺层面脱开的现象。它是由于所 采煤层上覆岩层的非同步沉降而产生的l J 。在某些 特定条件下，离层带会发育较明显并蓄积一定体积 的地下水，当受到采动破坏性影响波及时，往往会 发生突水灾害，如淮北矿区海孜煤矿就发生了一例 十分罕见的瞬时突水量高达3 8 8 7 m 3 ／h 的顶板离层 带突水灾害【1 4 1 。离层带蓄水并发生突水灾变的现象 表明，随着采动覆岩内离层空间的形成，也存在着 离层带蓄水现象，当条件具备时还会引发突水灾 变，其水势凶猛，衰减较快，表现特征有如老空突 水，不易察觉，难以预测。防止离层带突水主要应 从防止离层带蓄水方面入手，应采取切实可行的安 全防范措施。 5 ．4 特殊地质采矿条件下顶板水害问题的思考 特殊地质采矿条件下项板水害的发生虽然有 其不易被人察觉和令人防不胜防等特征，但其人为 因素也不可忽视。这主要表现在基础工作不足、犯 经验主义的错误、相关知识不够、防范意识不强、 存在侥幸心理等几个方面。 项板水害问题实际上就是水体下采煤的安全 问题。水体下采煤安全与否，不单纯是一个技术问 题，更是一个涉及到设计、生产、研究以及管理等 多个方面的综合性问题，并贯穿于矿井设计、建设、 生产甚至矿井报废后的整个过程中。所以，严把“三 关”，即在设计中严把技术关、在管理中严把审批 关、在生产中严把落实关，对于确保水体下压煤的 安全合理开采有着至关重要的作用。 设计环节、审批环节及贯彻落实环节在水体下 安全采煤中起着举足轻重的作用。这是因为，搞好 水体下采煤设计是正确解决水体下压煤问题和确 保矿井安全合理生产的基本前提。一个好的设计是 保障矿井安全合理建设和生产、防止发生灾害性事 故、确保水体下采煤工作顺利的最基本保证，而一 个不合格的水体下采煤设计则后患无穷。因此，要 在设计环节严把技术关；有关上级在管理过程中把 好审批关是正确解决水体下压煤问题和确保矿井 安全合理生产的重要屏障。我国煤层赋存条件十分 复杂，地质采矿条件干变万化，从事水体下采煤技 术工作的专业人员对有关知识的掌握程度和处理 有关问题的能力大小不一，从事水体下采煤技术研 究及设计的有关单位和机构的资质和实际水平高 低有别，存在水体下采煤问题的煤矿企业的管理水 平、技术水平、生产规模、抗灾能力、井下作业人 员素质以及周围环境等存在着明显差异，煤矿管理 者自身的知识水平以及对水体下采煤问题的灾害 性后果和管理的重要性的认知程度等也参差不齐， 面对如此复杂的局面和诸多问题，都需要上级管理 部门统～协调和管理。因此，审批环节在水体下采 煤中的作用不容忽视；完善的生产管理、对安全隐 第1 8 1 页 2 0 0 9 年全国煤矿水害防治工作座谈暨技术研讨会论文集 患的充分重视和清醒认识以及切实可行的安全技 术措施等是确保矿井安全生产的重要保证和关键 环节。所以，贯彻落实环节在水体下安全采煤中的 作用是最直接的、最重要的。贯彻落实的关键是要 体现在行动上，而且要注意发现和解决新问题。 参考文献 【l 】康永华等．兴隆庄煤矿提高回采上限的试验研究．煤炭 学报．1 9 9 5 年．第2 0 卷 第5 期 4 4 9 ～4 5 3 【2 】康永华等．巨厚含水砂层下项水综放开采试验．煤炭科 学技术．1 9 9 8 年．第2 6 卷 第9 期 3 5 ～3 8 ； 【3 】申宝宏等．厚含水松散层下留设防砂煤柱综放开采方法 适应性研究．煤炭科学技术．2 0 0 0 年．第2 8 卷 第l O 期 3 5 ～3 8 [ 4 】康永华等．煤矿井下工作面突水与围岩温度场的关 系．北京煤炭工业出版社．1 9 9 6 年； 【5 】刘秀娥等．A D I N A 程序在覆岩破坏规律研究中的应 用．煤矿开采．1 9 9 5 年．第4 期 总第1 9 期 3 2 ～3 3 ； 【6 】康永华．采煤方法变革对导水裂缝带发育规律的影 响．煤炭学报．1 9 9 8 年．第2 3 卷 第3 期 2 6 2 ～2 6 6 ； [ 7 】康永华等．覆岩破坏规律的综合研究技术体系．煤炭科 学技术．1 9 9 7 年．第2 5 卷 第l l 期 4 0 ～4 3 ； 【8 】康永华等．试论水体下采煤的综合研究技术体系．煤矿 开采．2 0 0 1 年．第l 期 总第2 4 期 9 ～l l ； 【9 】幽天纠．露头煤柱优化设计理论与技术．北京煤炭工 业出版社．1 9 9 8 年．3 7 ～6 5 【1 0 ]Y o n g h l l 8 ．K a n g ，R u i d i a nR u ，X u e k u a nW e n ． C l a s s i f i c a t i o no fc a p p i n gr o c k sf o rc o a lm i n i n gb e l o w w a t e r b o d i e s , P r o c e e d i n g so f t h e I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u mo nN e wD e v e l o p m e n ti nR o c kM e c h a n i c s a n dE n g n e e r i n g ，沈阳东北大学出版社．1 9 9 4 年．7 1 4 ～7 1 8 ； 【1 l 】张金才等．裂隙岩体渗流特征的研究．煤炭学报．1 9 9 7 年．第2 2 卷 第5 期 4 8 1 ～4 8 5 。 【1 2 】皖北煤电集团有限责任公司，祁东煤矿．巨厚松散含 水层高压水突水淹井快速高效治理技术．2 0 0 2 年l ～3 【1 3 】徐乃忠，张玉卓．采动离层充填减沉理论与实践．北 京煤炭工业出版社．2 0 0 1 年； 【1 4 】李伟．一起特殊突水事故发生的原因及对策．2 0 0 5 年 矿难事故分析及煤矿安全技术研讨会．2 0 0 5 年． 第1 8 2 页