煤礦特殊開采

1、2.4 特殊條件開采第一節(jié) “三下一上”采煤方法第二節(jié) 深井采煤第一節(jié) “三下一上”采煤方法 “三下一上”采煤在建筑物下、鐵路下、水體下和承壓水體上采煤，稱“三下一上”。“三下一上”既要保證建筑物和鐵路不受到開采影響而破壞，還要保證開采安全，又要盡量多采出煤炭。 第一節(jié) “三下一上”采煤方法巖層與地表移動的一般特征（一）巖層移動的一般特征 地下開采破壞了巖體內原有的應力平衡狀態(tài)，使采空區(qū)周圍的巖層乃至地表產生移動和變形。由于地質和開采條件不同，巖層和地表的移動和變形的表現(xiàn)形式、分布狀況和程度大小也各不相同。就煤層的開采來說，采空區(qū)周圍的巖層移動和變形，一般表現(xiàn)為采空區(qū)上方頂板的彎曲下沉、斷裂、

2、垮落，底板巖層鼓起、開裂、滑動，以及采空區(qū)周圍煤壁的壓出、片幫等等。第一節(jié) “三下一上”采煤方法(二)地表移動的一般特征由于開采深度、開采厚度、采煤方法、頂板管理方法、巖性以及煤層的產狀不同。地表移動和破壞的形式也不一樣。采深和采厚的比值較小時，地表可能出現(xiàn)較大的裂縫或塌陷坑。這時，地表的移動和變形在空間上和時間上都是不連續(xù)的，即在漸變中有突變，它們的分布沒有嚴格的規(guī)律性。當采深與采厚的比值較大時，地表將不出現(xiàn)大的裂縫或塌陷坑。這時，地表的移動和變形在空間和時間上是連續(xù)的、漸變的，它們的分布有明顯的規(guī)律性。 對于建筑物和鐵路下采煤，連續(xù)的地表移動比較有利，不連續(xù)的地表移動則不利。對于水體下采煤

3、，地表移動和破壞形式，不是引起水體滲漏的標志。巖性不同，地表移動和破壞對水體的影響大不一樣。巖性軟弱時，即使是非連續(xù)的地表移動，對水體的影響也是比較小的，連續(xù)的地表移動有時也會引起水體滲漏。地表移動和破壞的主要形式有如下幾種。1.地表移動盆地 開采影響到達地表以后，受采動的地表從原有標高向下沉降，從而在采空區(qū)上方的地表形成一個比采空區(qū)大的洼地。這種洼地通常稱為地表移動盆地。2.裂 縫 開采緩傾斜煤層時，在移動盆地的外邊緣區(qū)，地表可能出現(xiàn)裂縫。裂縫的發(fā)生及其寬度、深度與表土的塑粘性大小及表土受到拉伸變形大小密切相關，亦即與采深、采厚、頂板管理方法、表土厚度和巖性有關。裂縫的形狀如楔形、上口大，愈

4、往深處愈小，在一定深度尖滅。較大裂縫兩側的地表，往往有一定的落差。 3臺階狀塌陷盆地 在開采急傾斜煤層的條件下，當采深與采厚的比值較大時，地表可能出現(xiàn)一種臺階狀平底塌陷盆地。這種塌陷盆地的范圍很大，盆地中央部分平坦，邊緣部分形成多級的臺階?？棵簩拥装逡贿叡软敯逡贿叺呐_階落差大，邊坡較陡，臺階級數少。4塌陷坑 塌陷坑一般多出現(xiàn)在開采急傾斜煤層時。開采緩傾斜煤層時，只在某種特殊的地質采煤條件下有可能出現(xiàn)塌陷坑，塌陷坑按其形狀可分為漏斗狀塌陷坑和槽形塌陷坑。第一節(jié) “三下一上”采煤方法二、建筑物壓煤開采（一）地表移動和變形對建筑物的影響 地表移動變形分：下沉、水平移動與變形、傾斜、曲率變形。 1、地

5、表下沉的影響 建筑物主要管路的坡度會發(fā)生變化，四周的防水坡也可能造成破壞。特別是由于地表下沉造成潛水位相對上升，造成建筑物長期積水或過度潮濕時，就會影響建筑物的強度，以至影響建筑物的使用。 第一節(jié) “三下一上”采煤方法2、地表傾斜的影響地表傾斜后，建筑物也隨之歪斜，重心偏移，影響其穩(wěn)定性，而且承重結構內部將產生附加盈利，基礎的承壓也會發(fā)生變化。3、地表曲率的影響建筑物的基礎底面出現(xiàn)懸空狀態(tài)。4、地表水平變形的影響使建筑物受到附加的拉伸和壓縮應力。第一節(jié) “三下一上”采煤方法（二）減少地表移動和變形的開采措施1、防止地表下沉措施：在一定的開采深度下，進行建筑物下采煤；開采急斜煤層時，在煤層露頭處

6、應留設足夠的煤柱，以防止突然塌陷；在緩斜或傾斜厚煤層淺部開采時，應盡量采用傾斜分層長壁式采煤法，并適當減少第一、第二分層開采煤厚。第一節(jié) “三下一上”采煤方法2、減少地表下沉的措施1）采用充填采煤法（水砂充填和風力充填）。2）使用分帶開采法。3）使用房柱式采煤。4）減少一次采出煤厚。第一節(jié) “三下一上”采煤方法3、消除或減少開采影響的不利疊加的措施1）分層間隔開采。2）合理布置各煤層（分層）的開采邊界。3）盡量使用較長的采煤工作面，實行全柱開采。4）盡量不殘留尺寸不適當的煤柱。5）采用協(xié)調開采，減少下沉對地表建筑物影響程度。4、消除或減少開采邊界的影響第一節(jié) “三下一上”采煤方法三、鐵路壓煤開

7、采（一）鐵路壓煤開采的特點和要求 為了保護鐵路不受地下開采的損害，早期都采取留設保安煤柱的方法。這種方法壓煤甚多。如開灤唐山礦井田上方京山鐵路線，在地面上需保護的寬度約12m，而井下所留煤柱寬達800900m，6個可采煤層累厚1 4m，總計壓煤7000多萬t。在國外，19世紀末德國便開始了鐵路下采煤試驗。我國于1965年在焦作礦區(qū)的焦李鐵路支線下進行初次試采。 鐵路線路是特殊的地面構筑物，列車重量大，速度高，對線路規(guī)格要求嚴格，如果線路受到采動影響超過一定的限度，列車的安全運行便得不到保證。鐵路線路的另一特點是可以維修，便于維修。地下開采引起線路移動和變形，可以在不間斷線路營運的條件下，用起道

8、、撥道、順坡、調整軌縫等方法消除。 由于有軌縫線路比較容易維修，所以決定鐵路線路下開采的因素不是移動值和變形值大小，而是移動值和變形值的增長速度，以及線路可提供維修作業(yè)的時間和維修作業(yè)的勞動組織及技術管理水平。 我國礦區(qū)鐵路的行車速度、列車密度不大，為維修提供了良好條件。第一節(jié) “三下一上”采煤方法（二）開采技術措施1、在采區(qū)布置上，應盡量使受采動影響的線路處于盆地主斷面附近，避免線路處于移動盆地的邊緣。2、嚴禁使用非正規(guī)的采煤方法。3、選擇合適的采煤方法和頂板管理方法。4、在淺部開采緩斜和傾斜厚煤層時，應盡量采用傾斜分層采煤法，適當減小分層開采的厚度，禁用一次采全高開采厚煤層與放頂煤開采方式

9、。第一節(jié) “三下一上”采煤方法5、開采急傾斜煤層時，應盡量采用沿走向推進的小階段偽傾斜掩護支架采煤法，水平分層采煤法。6、煤層頂板堅硬，不易冒落時，應進行人工放頂，以防止空頂面積達到極限時突然冒落而引起地表突然下沉。第一節(jié) “三下一上”采煤方法7、鐵路位于煤層露頭附近，或在其下方淺部有煤層或石灰?guī)r時，需調查鐵路下方是否有老空區(qū)、廢巷道發(fā)、巖溶等，如果在這些空硐充水，則采前應將水排干，并用注漿法填是空硐。8、淺部非正規(guī)采過的老空區(qū)，在開采過程中要劃定范圍，派專人巡視，監(jiān)督地表移動情況，做好相應的應急準備。第一節(jié) “三下一上”采煤方法四、水體壓煤開采1、煤層上方水體類型 (1)單純的地表水體：指江

10、湖河海、沼澤坑塘、水庫、水渠，采空區(qū)地表下沉盆地積水、洪水、山溝水，稻田水等水體，且水體底部有粘性土層，地表水與松散層及基巖含水層無直接的水力聯(lián)系。江湖河流、水庫屬統(tǒng)一型水體，來勢兇猛。對礦井安全生產有一定的威脅。洪水、山溝水、稻田水屬季節(jié)性統(tǒng)一型水體，對礦井生產的影響受季節(jié)性限制。這里起決定作用的是水體與煤系基巖之間的第四紀、第三紀粘性土層或隔水性好的基巖風化帶及其厚度。(2)單純的松散含水層水體。指松散層中的砂層、砂礫層及礫石層水體。這類水體屬孔隙水，其特點是流速小，補給速度慢。 松散含水層水體一般有松散層上部砂層水、中部砂層水、下部砂層水，松散層全部砂層水。在多數情況下，松散層上部砂層水

11、和中部砂層水的富水性強，補給、徑流、排泄條件好。當其下面有較厚的粘性土隔水層時，對礦井生產的威脅較小，如果松散層上部砂層水和中部砂層水的補給、徑流、排泄條件不好，即使其下面的粘性土隔水層較薄。對礦井生產的威脅也是比較小的。松散層下部砂層水及全部砂層水對礦井生產的威脅性較大，特別是當砂層的富水性強，補給、徑流、排泄條件好，且直接覆蓋在煤系基巖之上時，對礦井生產的威脅更大。(3)單純的基巖含水層水體。指砂巖、礫石、砂礫巖和石灰?guī)r巖溶含水層水體。這類水體屬孔隙、裂隙及巖溶水類型。其中巖溶水又可分為隙流、脈流、管流和洞流。除砂巖、礫巖、砂礫巖的7L隙水外，裂隙和巖溶水的特點是流速大，補給量大，特別是管

12、流和洞流形式的巖溶水、流速、流量都很大，對礦井生產的威脅很大。中國常見的這類水體有煤層直接頂和老頂的薄層和厚層砂巖、礫巖、砂礫巖含水層水體及石灰?guī)r巖溶含水層水體。(4)地表水體和松散含水層構成的水體，指松散含水層與地表水有密切水力聯(lián)系的水體。這里起決定作用的是松散層中含水層的富水性、賦存狀態(tài)及松散層的總厚度，在松散層總厚度很小的條件下，可按單純的地表水體對待；在松散層總厚度較大的條件下，則可按單純的松散含水層水體對待。(5)松散含水層和基巖含水層構成的水體。指基巖含水層與松散含水層有密切水力聯(lián)系的水體。這里起決定作用的是開采深度、松散層中含水層的富水程度、賦存狀態(tài)及基巖風化帶的含、隔水性。在淺

13、部開采時(回采上界到基巖表面的距離小于裂縫帶高度)，即要考慮松散含水層，又要考慮基巖含水層：在深部開采時(回采上界至基巖表面的距離大于裂縫帶高度)。則僅需考慮基巖含水層的威脅，松散含水層水只是基巖含水層的補給水源。(6)地表水體和基巖含水層二者構成的水體。指基巖含水層直接接受地表水補給的水體。 這里起作用的是開采深度和基巖風化帶的含、隔水性。在淺部開采時，應同時考慮上述兩種水體；在深部開采時，則可按單純基巖含水層水體考慮(7)地表水體、松散含水層和基巖含水層三者構成的水體。當基巖含水層受到松散層水的補給，而地表水又補給松散含水層時，屬于這種類型的水體，這里起決定作用的是開采深度、松散含水層的富

14、水性及其基巖風化帶的含、隔水性，在淺部開采時，應同時考慮上述三種水體；在深部開采時，則可按單純的基巖含水層水體對待。2.巖性及地層結構 巖性及地層結構既是巖(土)層含水性和隔水性的決定因素，又是決定覆巖破壞和地表塌陷特征的關鍵。許多國家都把有無泥質巖(土)層及其在覆巖中含量的比例大小作為評判能否在水體下采煤的標準。(1)巖石(土)的顆粒組成。對于土體，顆粒粒徑越小其隔水性也越好。在砂層中，粘土含量越大，隔水性能越好。對于巖層而言，顆粒問的膠結物為硅質物、鈣質物時，強度大、易開裂，受壓后其隔水性不易恢復；膠結構為石膏、粘土時，強度小，不易開裂，受壓后能恢復隔水性。(2)巖石的礦物成分及微觀結構特

15、征。影響水體下采煤的巖石礦物成分及微觀結構特征主要是粘土礦物和可溶性礦物的含量及其結晶結構。無機質成分具有親水性、易泥化、軟化而有機質成分則具有親油性，不易泥化和軟化。(3)力學性質。彈性脆性強度高的巖層，在采動影響下，容易產生裂縫，裂縫帶發(fā)育高度大，甚至有可能出現(xiàn)地表突然塌陷，隔水能力較差，塑性柔性強度高的巖層，在采動影響下，不容易產生裂縫，裂縫帶發(fā)育高度較小，不會出現(xiàn)地表的突然塌陷，隔水能力較好。(4)水理性質。主要指巖石在浸水后的崩解、軟化、泥化及強度降低等特性。泥質巖浸水后易于軟化、泥化，故其隔水性良好，能抑制裂縫的發(fā)生和發(fā)育高度，促進頂板垮落。3.斷裂構造 影響水體下采煤的主要斷裂構

16、造是斷層和節(jié)理裂隙。它們本身可能成為水體的一部分，也可能成為水體的補給通道。因此，研究斷裂構造的特征及分布，是水體下安全采煤的重要內容。 礦井生產實踐表明，斷層和節(jié)理裂隙的含水性和導水性，取決于它們的巖性、力學成因及其水文地質條件，而它們受采動后的導水性與采動影響程度及采掘工作面的揭露方式有關。泥質巖及泥質膠結的巖石中的壓性、壓扭性及斷層面傾角小的斷裂構造，一般不含水和具有隔水性；砂巖、砂礫巖，石灰?guī)r及硅、鈣質膠結的巖石中的張性、張扭性和高角度斷裂構造，斷層密集、斷層交叉處一般含水。工作面與斷層走向平行，推進方向與斷層傾向相同時，斷層容易導水；工作面與斷層走向平行，推進方向與斷層傾向相反時，斷

17、層不易導水。工作面與斷層走向垂直和斜交，推進方向與斷層傾向亦垂直或斜交，斷層不易成為導水通道。斷層上盤比下盤在形成過程中在外力作用下斷裂較嚴重，含水性和導水性較強。4.煤(巖)層賦存狀態(tài)煤層賦存狀態(tài)包括煤層厚度、傾角、埋深及其與水體位置的關系，這是決定水體下采煤時應采取何種途徑的重要因素。厚度大、分布穩(wěn)定、埋藏淺、離水體近的煤層，特別是急傾斜煤層，在水體下開采時難第一節(jié) “三下一上”采煤方法（二）水體壓煤開采的一般途徑1）頂水采煤對水體不做處理，只在水體與煤層之間保留一定厚度（或垂高）的安全煤巖柱情況下進行采煤。2）疏干采煤：先疏后采，或邊采邊疏3）頂疏結合開采4）帷幕注漿堵水1）頂水采煤 所

18、謂頂水采煤，就是對水體不作任何處理，只在水體與煤層之間保留一定厚度(或垂高)的安全煤巖柱情況下進行采煤。根據我國煤礦的科研成果及生產實踐經驗，頂水采煤留設的安全煤巖柱有三種類型，即防水安全煤巖柱、防砂安全煤巖柱和防塌安全煤巖柱。在留設防水煤巖柱的情況下，礦井涌水量基本上不增加；在留設防砂煤巖柱的情況下，礦井涌水量有所增加，但不會涌砂潰水；在留設防塌煤巖柱的情況下，則可避免泥土塌向工作面。2疏干采煤 所謂疏干采煤，指的是先疏(水)后采(煤)，或邊疏(水)邊采(煤)兩種情況。 根據中國煤礦的經驗，先疏后采適應于下列條件： (1)煤層直接頂板或底板為砂巖或石灰?guī)r巖溶含水層，且能夠實現(xiàn)預先疏干時； (

19、2)松散含水層為弱或弱中含水層、水源補給有限，通過專門疏干措施或長期開拓與回采工程可以預先疏干時。 邊疏邊采指的是砂巖或石灰?guī)r巖溶含水層為煤層老頂，回采后，老頂含水層水由采空區(qū)涌出，不影響工作面作業(yè)，但在工作面內需要采取疏水措施。第一節(jié) “三下一上”采煤方法3頂疏結合開采 就是在受多種水體威脅的條件下進行水體下采煤時，對遠離(大于導水裂縫帶高度)煤層的水體，可以實行頂水采煤，而對直接位于煤層直接頂或離煤層一定距離(在冒落帶或導水裂縫帶范圍內)的水體，則應實行疏干采煤(包括先疏后采和邊采邊疏)。 4帷幕注漿堵水 通常是采用水泥、粘土等材料注入含水層中，形成地下?lián)跛∧?，以切斷地下水的補給通道。例

20、如，石灰?guī)r巖溶含水層通過斷層破碎帶導水，以及石灰?guī)r和砂巖含水層通過其露頭接受松散含水層水的補給時，就有可能采用帷幕注漿堵水的方法來減少地下水的補給。四、石灰?guī)r承壓含水層上帶壓開采(一)石灰?guī)r承壓含水層上帶壓采煤防治途徑 近20多年來，中國煤礦在石灰?guī)r承壓含水層的防治方面進行了大量的工作，并取得了許多經驗。主要防治途徑是： (1)疏水開采。即將含水層水全部疏干，或將含水層水位降低到安全高度后再行開采。這種方法主要適應于煤炭資源豐富，煤炭產量高、補給水源較少和煤層直接底板為石灰?guī)r含水層的地區(qū)。 四、石灰?guī)r承壓含水層上帶壓開采(2)堵水開采。即將含水層補給水源采用帷幕注漿堵水方法堵截疏排后進行開采。

21、這種方法適應于煤層埋藏淺，儲量集中和水源補給通道已探明的地區(qū)。(3)帶(水)壓開采。即在煤層與含水層之間有足夠厚度和阻水能力的隔水層巖柱，并允許含水層水有一定的水頭高度(或原始水位高度、或疏干后的水位高度)的情況下進行開采。這種方法適于隔水巖柱阻水能力好，含水層富水性中等及弱富水的條件。 第一節(jié) “三下一上”采煤方法(4)綜合治理。即疏、堵及帶壓開采相結合。從中國煤礦目前的實際情況看，帶壓開采是投資少、見效快的方法。如能同綜合治理方法結合應用，即在有條件的地區(qū)進行局部帷幕注漿堵截水源，使含水層水位降低到與隔水巖柱相適應，則帶壓開采的應用范圍將會越來越大。第一節(jié) “三下一上”采煤方法 (二)石灰

22、巖承壓含水層上采煤技術應用的特點根據我國煤礦的經驗。帶壓開采技術應用的特點是：(1)帶壓開采的石灰?guī)r含水有太原群、本溪群厚層(一般58m)灰?guī)r、奧陶系巨厚層(400800m)灰?guī)r及二疊系巨厚層(200500m)茅口灰?guī)r；(2)含水層水壓一般在115MPa以下，少數達23MPa，水壓較大時，容易發(fā)生采掘工作面突水； 第一節(jié) “三下一上”采煤方法(3)一旦發(fā)生突水、水量大，來勢猛，在地質和水文地質條件復雜的條件下，當突水量超過礦井排水能力時，會造成淹井事故；(4)采動影響下的底板突水形式有突發(fā)型和滯后型兩種。滯后型突水多為掘進突水。據粗略統(tǒng)計，在礦井總突水次數中，約有一半是掘進突水。第一節(jié) “三下

23、一上”采煤方法二、石灰?guī)r承壓含水層上帶壓開采的技術條件及影響因素1含水層的富水特征 石灰?guī)r承壓含水層上帶壓開采的可能性與安全可靠性，取決于含水層的富水性及其分布特征。不同類型巖溶水體對安全開采的威脅程度不同。第一節(jié) “三下一上”采煤方法應區(qū)分裂隙巖溶水體與通道巖溶水體(前者威脅性小于后者)；古代巖溶水體與近代巖溶水體(前者分布深度大于后者)；充填型巖溶水體與非充填型巖溶水體(前者富水性弱于后者)；單層單一型巖溶水體與多層復合型巖溶水體(前者比后者簡單)；統(tǒng)一型巖溶水體與分散型巖溶水體(前者威脅性大于后者)。另外巖溶發(fā)育程度與巖石化學成分、埋藏深度及分布情況有關。含CaO2高的厚層狀純灰?guī)r巖溶現(xiàn)

24、象較發(fā)育，隨埋深增加巖溶發(fā)育程度減少，巖溶發(fā)育還受地質斷層構造影響，一般斷層附近巖溶發(fā)育劇烈。 第一節(jié) “三下一上”采煤方法2斷裂構造的導水性 據峰峰、焦作等礦區(qū)在石灰?guī)r承壓含水層上帶壓開采的突水實例分析可知，采掘工作面突水都與地質斷裂構造有關。出現(xiàn)在斷層附近的突水實例，峰峰礦區(qū)占76以上，井陘礦區(qū)占97，淄博礦區(qū)占70，焦作礦區(qū)占55，而且大部分是中、小型斷層突水。因此，斷層破壞帶是礦井突水的最常見通道，無論斷層的落差大小，都可能發(fā)生突水，特別在數條斷層的交叉分叉地點，斷層尖滅處和大小陷落柱附近，在采動影響下，突水的可能性最大。背斜軸部張性巖溶裂隙發(fā)育，導水性強；向斜軸部屬壓性結構，裂隙不發(fā)

25、育，導水性弱。 3底板巖柱的阻水能力 底板巖柱的阻水能力大小是決定帶壓安全開采可能性與可靠性的關鍵。底板巖柱阻水能力大小又決定于巖柱的尺寸、巖性及地層結構。 國內外煤礦確定帶壓開采時的巖柱尺寸常用突水系數法和阻水系數法。 阻水系數V為巖柱厚度M與水壓P之比，即礦：V=MP。當V2時，帶壓開采是安全的。 巖柱的地層結構特征，對其受采動后的影響程度和阻水能力有一定的影響。當近煤層為堅硬巖層，遠煤層為軟弱巖層時，其抵抗來自上方的采動影響能力和阻止來自下方的承壓水上升的能力都較好。當近煤層為軟弱巖層，遠煤層為堅硬巖層時由于堅硬巖層中易產生裂隙，故導水性好。因此，石灰?guī)r含水層的水早已侵入該堅硬巖層，等于

26、縮小了巖柱的厚度。當巖柱全部為堅硬巖層時，巖層內的原生裂隙可能較發(fā)育，承壓水上升，相當于減少了有效阻水巖柱的厚度。當巖柱全部為軟弱巖層時，采動影響深度較大，阻水巖柱的有效厚度亦相應減少。4采動影響程度 煤層底板內采動影響程度，取決于采煤方法及工作面的尺寸大小。據突水實例統(tǒng)計，回采工作面大部分突水常出現(xiàn)在第一次放頂和老頂垮落之時，且多出現(xiàn)在長壁工作面上、下兩端，特別是工作面下端部位。 采用長壁工作面回采時，由于煤層中的集中應力傳遞到底板巖層內，隨工作面不斷推進，底板巖層中受壓縮、膨脹再壓縮，甚至剪切，因而大大減少了巖柱的阻水能力。 三、石灰?guī)r承壓含水層上帶壓開采的適用條件及技術措施目前中國煤礦在石灰?guī)r承壓含水層上帶壓開采所采用的技術方案主要是疏干開采和綜合治理、帶壓開采。 (一)含水層上帶壓開采的適用條件 (1)疏干開采適用于石灰?guī)r承壓含水層為煤層的直接底板，石灰?guī)r承壓含水層的富水性及水源補給條件有限的情況。 (2)綜合治理、帶壓開采的適應條件為： 有足夠的厚度和阻水能力的巖柱； 斷裂構造較少或斷裂構造導水能力弱； 有堵截補給水源的條件。 (二)綜合治理、帶壓開采的主要技術措施 (1)先采深部煤層，后采淺部煤層。 (2)