采煤概論課件-23三下采煤

“三下一上”采煤2022/12/3“三下一上”采煤2022/12/21目錄巖層與地表移動(dòng)特征建筑物下及村莊下采煤鐵路下采煤水體下采煤承壓水體上采煤目錄巖層與地表移動(dòng)特征建筑物下及村莊下采煤鐵路下采煤2“三下一上”采煤是指建筑物下、鐵路下、水體下和承壓水體上采煤。根據(jù)1994年的不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的“三下”壓煤量達(dá)12.2Gt，其中建筑物及村莊下壓煤7.83Gt，鐵路下壓煤1.49Gt，我國(guó)有125條較大的河流壓煤，還有微山湖、太湖、大冶湖和渤海等湖海下壓煤。在華北、東北和華東平原地區(qū)普遍有第四系含水砂層覆蓋。在華北和華東地區(qū)的主要礦區(qū)開采石炭二疊紀(jì)煤層。石炭二疊系的基盤是奧陶系石灰?guī)r，厚度很大并含有豐富的巖溶承壓水，煤底板突水會(huì)給礦井造成嚴(yán)重的威脅。“三下一上”采煤是指建筑物下、鐵路下、水體下和承壓水體上采3第一節(jié)巖層與地表移動(dòng)特征煤層被采出之后，形成了空間，其上覆巖層與底板巖層的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，從而發(fā)生移動(dòng)、變形和破壞，這一過(guò)程稱巖層移動(dòng)。根據(jù)實(shí)際觀測(cè)資料證明，上覆巖層移動(dòng)穩(wěn)定后，其移動(dòng)、變形和破壞具有明顯的分帶性。采用長(zhǎng)壁垮落采煤法，當(dāng)采深為采高的25倍或以上時(shí)，上覆巖層移動(dòng)、變形與破壞可分為三個(gè)帶：垮落帶、斷裂帶或?qū)當(dāng)嗔褞?、彎曲帶或整體移動(dòng)帶。第一節(jié)巖層與地表移動(dòng)特征煤層被采出之后，形成了空間，其上4采煤概論課件-23三下采煤5采煤概論課件-23三下采煤6通過(guò)最終移動(dòng)盆地的最大下沉點(diǎn)沿煤層走向或傾向作斷面，稱移動(dòng)盆地的主斷面、前者稱走向主斷面，后者稱傾斜主斷面。邊界角：δ0

β0

γ0移動(dòng)角：δ

β

γ裂縫角：δ”

β”

γ”通過(guò)最終移動(dòng)盆地的最大下沉點(diǎn)沿煤層走向或傾向作斷面，稱移動(dòng)盆7充分采動(dòng)角(a)沿走向主斷面(充分采動(dòng)時(shí))(b)沿傾斜主斷面(充分采動(dòng)時(shí))(c)沿走向主斷面(超充分來(lái)動(dòng)時(shí))(d)沿傾斜主斷面(超充分采動(dòng)時(shí))充分采動(dòng)角8在移動(dòng)盤地的傾斜主斷面上，地表移動(dòng)盆地在下山方向的影響范圍擴(kuò)大，最大下沉點(diǎn)不在采空區(qū)中央的正上方，而是向下山方向偏移，最大下沉點(diǎn)的位置用最大下沉角θ確定。θ＝90°-Kα式中α——煤層傾角；K——開采影響的傳播系數(shù)，K=0.5-0.8。在移動(dòng)盤地的傾斜主斷面上，地表移動(dòng)盆地在下山方向的影響范圍擴(kuò)9地表移動(dòng)和變形在地表移動(dòng)盆地內(nèi)，每點(diǎn)的移動(dòng)除最大下沉點(diǎn)(或區(qū)間)外，均指向采空區(qū)中心，并分為鉛直移動(dòng)和水平移動(dòng)兩個(gè)分量。此外，各點(diǎn)的鉛直移動(dòng)分量和水平移動(dòng)分量均不相同，因此地表會(huì)出現(xiàn)各種不同類型的變形。地表移動(dòng)和變形10地質(zhì)和采礦條件對(duì)地表移動(dòng)和變形的影響(一)地質(zhì)條件對(duì)地表移動(dòng)和變形的影響1．上覆巖層的性質(zhì)2．煤層傾角3．開采深度與開采厚度一般用深(H)與厚(M)之比(H/M)來(lái)表示地下開采對(duì)地表的影響。H/M越大，地表移動(dòng)變形平緩；反之，H/M越小，地表移動(dòng)變形劇烈，有時(shí)可能出現(xiàn)斷裂、臺(tái)階或塌陷。4．水文地質(zhì)條件5．?dāng)鄬蛹捌渌趺?．地形地質(zhì)和采礦條件對(duì)地表移動(dòng)和變形的影響11地質(zhì)和采礦條件對(duì)地表移動(dòng)和變形的影響(二)采礦條件對(duì)地轟移動(dòng)和變形的影響1.采煤方法及頂板管理方法的影響2．采空區(qū)面積的影響3．重復(fù)采動(dòng)影響地質(zhì)和采礦條件對(duì)地表移動(dòng)和變形的影響12第二節(jié)建筑物及村莊下采煤一、地表移動(dòng)對(duì)建筑物的影響1.下沉2.傾斜3.水平變形4.曲率第二節(jié)建筑物及村莊下采煤一、地表移動(dòng)對(duì)建筑物的影響13二、建筑物下和村莊下采煤的開采措施(一)減小地表最大下沉值(1)充填開采(2)部分開來(lái)：主要有條帶式采煤法和房式采煤法(3)分層開采二、建筑物下和村莊下采煤的開采措施14二、建筑物下和村莊下采煤的開采措施(二)消除或減少開采影響的疊加(1)完全開采(2)順序開采(3)合理地布置備煤層或各分層的開采邊界(4)正確地安排工作面推進(jìn)方向(三)協(xié)調(diào)開采協(xié)調(diào)開采就是當(dāng)數(shù)個(gè)煤層或厚煤層數(shù)個(gè)分層同時(shí)開采時(shí)，控制各煤層或各分層工作閉之間的錯(cuò)距，使地表拉伸變形與壓縮變形互相抵消，以達(dá)到減小地表水平變形的目的。二、建筑物下和村莊下采煤的開采措施15二、建筑物下和村莊下采煤的開采措施(四)合理確定工作面與建筑物的相對(duì)位置(1)平行長(zhǎng)軸開采(2)合理地確定停采線與建筑物的相對(duì)位置二、建筑物下和村莊下采煤的開采措施16三、建筑物下和村莊下采煤的地面保護(hù)措施(1)變形縫(2)鋼筋混凝土圈梁或鋼拉桿加固(3)液壓千斤頂調(diào)整(4)變形補(bǔ)償溝三、建筑物下和村莊下采煤的地面保護(hù)措施17四、條帶式采煤法的應(yīng)用

條帶式采煤法是一種部分開采的采煤方法，其實(shí)質(zhì)是：在開采范圍內(nèi)，沿一定的方向?qū)⒚簩觿澐譃槿舾蓚€(gè)條帶，采出一條，保留一條，相間排列。依靠保留的條帶煤柱支撐上覆巖層的載荷，以控制巖層和地表移動(dòng)，使地表移動(dòng)變形減小，達(dá)到保護(hù)建筑物的目的。四、條帶式采煤法的應(yīng)用18采寬的確定：確定采寬的基本原則是開采后地表移動(dòng)不出現(xiàn)波浪起伏狀，而是單一平緩的下沉盆地。地表移動(dòng)是否出現(xiàn)波浪起伏狀態(tài)，與采寬和采深有關(guān)。式中：b——采寬

H——采深留寬的確定：開采后煤柱的應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度、條帶煤柱的寬高比、條帶采煤的采出率。采寬的確定：確定采寬的基本原則是開采后地表移動(dòng)不出現(xiàn)波浪起伏19第三節(jié)鐵路下采煤一、鐵路下采煤的特點(diǎn)

(1)鐵路擔(dān)負(fù)著繁重的運(yùn)輸任務(wù)，尤其是國(guó)家鐵路干線，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈。因此，在鐵路下來(lái)煤必須保證列車安全和正常地運(yùn)行。在安全上比一般建筑物要求更高。(2)鐵路列車重量大、運(yùn)行速度快，鐵路線路受列車的動(dòng)載荷作用。在鐵路下采煤時(shí)，又增加了地表移動(dòng)對(duì)鐵路的影響。因此．鐵路線路的移動(dòng)和變形較為復(fù)雜。(3)鐵路下采煤，鐵路線路在開采影響過(guò)程中可以通過(guò)日常的維修及時(shí)消除自身的移動(dòng)和變形，保證鐵路暢通無(wú)阻。這對(duì)一般建筑物來(lái)說(shuō)，是很難做到的。第三節(jié)鐵路下采煤一、鐵路下采煤的特點(diǎn)20三、鐵路下采煤的安全技術(shù)措施(一)開采技術(shù)措施(1)防止地表突然下沉(2)減少地表下沉(3)消除和減輕地表變形的疊加影響(4)合理地布置工作面(二)維修技術(shù)措施三、鐵路下采煤的安全技術(shù)措施21第四節(jié)水體下采煤一、水體下采煤的持點(diǎn)(1)水體下采煤著重研究巖層與地表的破壞規(guī)律以及可能造成的水力聯(lián)系，而不考慮地表移動(dòng)與變形情況。(2)水體下采煤不僅要考慮到巖層與地表破壞規(guī)律，而且要考慮到水體的類型以及礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)情況。(3)水體下采煤的主要對(duì)策是“隔離”或“疏降‘兩類方案。前者適用于水量大、補(bǔ)給充分的條件；后者適用于水量小、補(bǔ)給有限的條件。因此，在水體下來(lái)煤時(shí)，要從安全、經(jīng)濟(jì)和煤炭采出率高等方面進(jìn)行比較，確定合理的開采方案。第四節(jié)水體下采煤一、水體下采煤的持點(diǎn)22二、影響水體下采煤的因素(一)水體的類型根據(jù)我國(guó)水體下來(lái)煤的經(jīng)驗(yàn)，一般有單純地表水體、單純松散層水體、單純基巖含水層水體、地表水和松散層水構(gòu)成的水體、松散層水和基巖水構(gòu)成的水體、地表水和基巖水構(gòu)成的水體以及地表水、松散層水和基巖水構(gòu)成的水體等幾種類型。(二)上覆巖層的類型

根據(jù)水文地質(zhì)特征．可將上覆巖層分為含水層(或透水層)和隔水層(或相對(duì)隔水層)兩類。(三)地層的結(jié)構(gòu)

地層的結(jié)構(gòu)系指地層內(nèi)含水層與隔水層在空間上的分布情況及相互關(guān)系。地層的結(jié)構(gòu)可分為單一結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)、封閉或半封閉結(jié)構(gòu)以及覆蓋結(jié)構(gòu)。二、影響水體下采煤的因素23三、上覆巖層的破壞形態(tài)與規(guī)律(一)上覆巖層破壞的空間形態(tài)上程巖層服壞的空間形態(tài)與煤層傾角有關(guān)。

1)對(duì)于傾角為0-35°的煤層，垮落帶的邊界在采空區(qū)邊界范圍以內(nèi)；導(dǎo)水?dāng)嗔褞У倪吔缭诓煽諈^(qū)邊界范圍以外，超出采空區(qū)邊界約5-8M。垮落帶與導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ь蜀R鞍形，導(dǎo)水?dāng)嗔褞У淖罡唿c(diǎn)位于采空區(qū)傾斜的上方。

2)對(duì)于傾角為36-54°的煤層，由于傾角增大，采空區(qū)上部垮落的巖塊下滑充填采空下部，致使垮落帶與導(dǎo)水?dāng)嗔褞У纳喜窟吘壴龈?，其上部邊界大體上呈拋物線形狀。3)對(duì)于傾角為55-90°的煤層，垮落巖塊滾動(dòng)下滑加劇，充填采空區(qū)下部空間、限制垮落帶與導(dǎo)水?dāng)嗔褞逻吘壍陌l(fā)展。三、上覆巖層的破壞形態(tài)與規(guī)律24

(二)垮落帶與導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊拇_定

垮落帶與導(dǎo)水?dāng)嗔褞У母叨扰c覆巖性質(zhì)、煤層傾角、煤層厚度、厚煤層分層厚度、采空區(qū)尺寸、采煤方法和頂板管理方法以及地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān)。采用長(zhǎng)壁垮落采煤法時(shí)可參考相關(guān)公式計(jì)算。(二)垮落帶與導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊拇_定25四、水體下采煤朗安全技術(shù)措施

(一)防治措施

(1)留設(shè)安全煤巖柱頂水開采

留設(shè)安全煤巖柱的優(yōu)點(diǎn)是：不改變?cè)械拈_采方法，不增加疏水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)；但由于留設(shè)安全煤巖柱，增加了煤炭損失，增大了工作面的淋水。

(2)疏干、疏降開采(3)頂疏結(jié)合開采

(4)帳幕注漿堵水利用鉆孔將粘土、水泥等材料注入含水層中，形成地下?lián)跛∧?，切斷地下水的補(bǔ)給通道。

(5)處理好地表補(bǔ)給水源

采用河流改道、河流鋪底、建立上游水庫(kù)、筑攔洪壩、修攔洪溝、填滲水裂縫、架渡槽、設(shè)圍溝以及排除內(nèi)澇等措施，切斷或改變地面補(bǔ)給水源。四、水體下采煤朗安全技術(shù)措施26四、水體下采煤朗安全技術(shù)措施

(二)開采技術(shù)措施

(1)試探開采原則是：先遠(yuǎn)后近、先深后淺、先厚后薄(指隔水層)和先易后難，逐步接近水體。

(2)分區(qū)隔離開采

在采區(qū)四周均留設(shè)防水隔離煤柱，在運(yùn)輸水平的繞道和石門內(nèi)設(shè)永久性的防水閘門，一旦發(fā)生突水事故，關(guān)閉防水閘門，將采區(qū)與外界隔離，縮小災(zāi)害的影響范圍。(3)全部充填、部分開采和分層間歇開采

(4)正常等速開采四、水體下采煤朗安全技術(shù)措施27第五節(jié)、承壓水體上采煤

我國(guó)華北及華東地區(qū)的主要礦區(qū)開采石炭二疊紀(jì)煤層。煤系的基底為奧陶系石灰?guī)r(奧灰)，其特點(diǎn)是厚度很大、巖溶裂隙發(fā)育、富水性極強(qiáng)、水的壓頭高。當(dāng)遇有構(gòu)造裂隙時(shí)，奧灰易與上覆本溪群或太原群的薄層石灰?guī)r連通，而發(fā)生水力聯(lián)系，造成底板突水事故。第五節(jié)、承壓水體上采煤我國(guó)華北及華東地區(qū)的主要礦區(qū)開28在開采過(guò)程中，煤層底板應(yīng)力重新分布造成底板巖層的變形與破壞，削弱了底板巖層的阻水能力，甚至形成突水通道。因此，研究開采后煤層底板的應(yīng)力重新分布、變形與破壞的規(guī)律，是防止底板突水的基礎(chǔ)。

一、煤層底板巖層破壞與突水在開采過(guò)程中，煤層底板應(yīng)力重新分布造成底板巖29一、煤層底板巖層破壞與突水在支承壓力的作用下，底板中出現(xiàn)水平拉應(yīng)力；在壓縮區(qū)和膨脹區(qū)分界處的底板中出現(xiàn)剪應(yīng)力。拉應(yīng)力和剪應(yīng)力使底板出現(xiàn)斷裂。垂直斷裂與順層斷裂交叉，形成底板破壞帶。成為底板突水的誘發(fā)因素。

一、煤層底板巖層破壞與突水在支承壓力的作用下30一、煤層底板巖層破壞與突水

煤層底板的“下三帶”根據(jù)煤層底板破壞情況及地下水的導(dǎo)升情況，在工作面連續(xù)推進(jìn)后，煤層底板可分為“下三帶”。

一、煤層底板巖層破壞與突水煤層底板的“下三帶”31一、煤層底板巖層破壞與突水破壞帶：鄰接工作面的直接底板受到破壞，出現(xiàn)一系列沿層面和垂直于層面的斷裂，使其導(dǎo)水能力增強(qiáng)，其厚度稱底板破壞深度完整巖層帶：位于破壞帶之下，巖層雖然受到支承壓力的作用，甚至產(chǎn)生彈性或塑性變形，但仍然能保持連續(xù)性，其阻水能力未發(fā)生變化。因此，稱完整巖層帶或保護(hù)層帶。地下水導(dǎo)升帶：地下水導(dǎo)升帶指底板含水層中的承壓水沿隔水層裂隙上升的高度，即由含水層頂面至承壓水導(dǎo)升標(biāo)高之間的部分，其厚度為h3。地下水導(dǎo)升帶的厚度，取決于承壓水的壓力及隔水層裂隙的發(fā)育程度和受開采影響的劇烈程度。一、煤層底板巖層破壞與突水破壞帶：鄰接工作面的直接底板受到破32一、煤層底板巖層破壞與突水根據(jù)“下三帶”理論，對(duì)承壓水體上采煤進(jìn)行安全預(yù)測(cè)，存在4種情況一、煤層底板巖層破壞與突水根據(jù)“下三帶”理論，對(duì)承壓水33二、底板破壞深度的計(jì)算

底板破壞深度與開采深度、煤層開采厚度、煤層傾角、工作面長(zhǎng)度、頂?shù)装鍘r石性質(zhì)（抗破壞能力）、采煤方法、頂板管理方法以及是否有斷層等因素有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，底板破壞深度一般從幾米到十幾米（現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最小的為3.5m，最大的達(dá)到38m）。二、底板破壞深度的計(jì)算34三、影響底板突水的因素水源條件

水源條件包括水量和水壓，水量是突水的物質(zhì)基礎(chǔ)，水壓是突水的動(dòng)力。水量越豐富，突水量越大，危害性也大。水壓的作用表現(xiàn)為：處于封閉狀態(tài)的巖溶水不斷地溶蝕、沖刷構(gòu)造裂隙，形成通道，由含水層上升進(jìn)入到底板隔水層，從而破壞了'底板隔水層。水壓越大，這種破壞作用越嚴(yán)重，地下水導(dǎo)升帶就越大。三、影響底板突水的因素35礦山壓力：

絕大部分工作面底板突水與礦壓有直接關(guān)系：（1）無(wú)周期來(lái)壓或周期來(lái)壓不明顯的頂板，支承壓力較小，對(duì)底板破壞輕；有周期來(lái)壓的頂板，突水多發(fā)生在初次來(lái)壓或周期來(lái)壓期間，因?yàn)樵诔醮蝸?lái)壓或周期來(lái)壓期間，對(duì)底板破壞嚴(yán)重。（2）突水點(diǎn)的位置多數(shù)在工作面后部采空區(qū)邊緣附近。因?yàn)樵撎庬敯蹇迓洳怀浞?，底板處于膨脹狀態(tài)，斷裂張開，阻水能力最弱。（3）頂板初次來(lái)壓之前，在開切眼附近，由于老頂大而較長(zhǎng)時(shí)間的懸露，或直接頂巖層垮落后不接頂，使底板巖層形成較大的自由面，給底板巖層的移動(dòng)與破壞創(chuàng)造了條件。因此，開切眼附近是底板最易突水的位置之一。三、影響底板突水的因素礦山壓力：三、影響底板突水的因素36(4)工作面推進(jìn)速度慢、工作面突然停止推進(jìn)或在工作面停采線處，容易發(fā)生突水事故。這是由于工作面推進(jìn)速度慢或停止推進(jìn)時(shí)，支承壓力作用的時(shí)間較長(zhǎng)，底板巖層破壞嚴(yán)重。工作面推進(jìn)速度快時(shí)，采空區(qū)底板還來(lái)不及形成較大的斷裂就會(huì)由膨脹狀態(tài)變?yōu)閴嚎s狀態(tài)，有利于防止底板突水。(5)區(qū)段煤柱承受工作面?zhèn)认蛑С袎毫ΓS工作面推進(jìn)側(cè)向支承壓力越來(lái)越大，再加上區(qū)段煤柱邊緣處采空區(qū)頂板垮落不充分。因此，區(qū)段煤柱附近也是發(fā)生底板突水的最可能位置之一。三、影響底板突水的因素(4)工作面推進(jìn)速度慢、工作面突然停止推進(jìn)或在工作面停采線處37隔水層的阻水能力隔水層的阻水能力取決于隔水層的強(qiáng)度、厚度和裂隙發(fā)育程度。強(qiáng)度越大、厚度越大、裂隙越少，其阻水能力越大。阻水能力一般以單位厚度所能承受的水壓值表示，其單位為MPa/m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際資料，一般約為0.1～0.3Mpa/m。三、影響底板突水的因素隔水層的阻水能力三、影響底板突水的因素38地質(zhì)構(gòu)造

大量統(tǒng)計(jì)資料證明，底板突水事故80％以上發(fā)生在斷裂構(gòu)造附近。底板突水首先要有帶壓的水體，其次要有突水的通道。底板突水的通道幾乎都是利用底板隔水層中的斷裂構(gòu)造。斷層改變了煤層與含水層的相對(duì)位置。由于斷層改變了煤層與含水層之問(wèn)的相對(duì)位置，使隔水層的有效厚度變薄或消失。為防止底板承壓水沿?cái)鄬用孢M(jìn)入煤層，需在斷層兩側(cè)留設(shè)斷層防水煤柱。三、影響底板突水的因素地質(zhì)構(gòu)造三、影響底板突水的因素39焦作礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造是多條斷裂組成的地壘、地塹群，28次較大突水的統(tǒng)計(jì)資料表明，斷層密度大的礦井，突水次數(shù)多。如李封煤礦突水9次，斷層密度位3.3條/km2，韓王礦突水6次，斷層密度位3條/km2，朱村突水4次，斷層密度位1.5條/km2，演馬礦突水1次，斷層密度位0.34條/km2。三、影響底板突水的因素焦作礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造是多條斷裂組成的地壘、地塹群，28次較大突水40

四、底板突水的類型按突水地點(diǎn)分，底板突水有巷道突水與采煤工作面突水。按突水的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)形式有：(1)爆發(fā)型：直接在采掘工作地點(diǎn)附近發(fā)生，一旦突水，突水量在瞬間即達(dá)到峰值，突水峰值過(guò)后，突水量趨于穩(wěn)定或逐漸減小。爆發(fā)型突水來(lái)勢(shì)猛、速度快、沖擊力大，常有巖塊碎屑伴水沖出。如開灤范各莊礦、鄭州局蘆溝礦。(2)緩沖型：直接在采掘工作地點(diǎn)附近發(fā)生，突水量由小到大逐漸增長(zhǎng)，經(jīng)幾小時(shí)、兒天甚至幾個(gè)月才達(dá)到峰值。(3)滯后型：采掘工作面推進(jìn)到一定距離后，在巷道或采空區(qū)內(nèi)發(fā)生突水，其滯后時(shí)間為幾天、幾個(gè)月甚至幾年，突水最可急可緩。四、底板突水的類型41

按突水量的大小可分為：特大型突水事故，突水量為50m3/min以上；大型突水事故，突水量為20～49m3/min；中型突水事故，突水量為5～19m3/min；小型突水事故，突水量小于5m3/min。

四、底板突水的類型按突水量的大小可分為：四、底板突水的類型42五、承壓水體上采煤方案在承壓水體上采煤，要根據(jù)具體的地質(zhì)和開采技術(shù)條件，選擇合適的治理方案。根據(jù)我國(guó)歷年來(lái)的實(shí)踐，主要有以下幾種方案。1、深降強(qiáng)排方案

2、外截內(nèi)排方案3、帶壓開采方案4、帶壓開采綜合治理方案五、承壓水體上采煤方案43ThankYou!ThankYou!44“三下一上”采煤2022/12/3“三下一上”采煤2022/12/245目錄巖層與地表移動(dòng)特征建筑物下及村莊下采煤鐵路下采煤水體下采煤承壓水體上采煤目錄巖層與地表移動(dòng)特征建筑物下及村莊下采煤鐵路下采煤46“三下一上”采煤是指建筑物下、鐵路下、水體下和承壓水體上采煤。根據(jù)1994年的不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的“三下”壓煤量達(dá)12.2Gt，其中建筑物及村莊下壓煤7.83Gt，鐵路下壓煤1.49Gt，我國(guó)有125條較大的河流壓煤，還有微山湖、太湖、大冶湖和渤海等湖海下壓煤。在華北、東北和華東平原地區(qū)普遍有第四系含水砂層覆蓋。在華北和華東地區(qū)的主要礦區(qū)開采石炭二疊紀(jì)煤層。石炭二疊系的基盤是奧陶系石灰?guī)r，厚度很大并含有豐富的巖溶承壓水，煤底板突水會(huì)給礦井造成嚴(yán)重的威脅?！叭乱簧稀辈擅菏侵附ㄖ锵?、鐵路下、水體下和承壓水體上采47第一節(jié)巖層與地表移動(dòng)特征煤層被采出之后，形成了空間，其上覆巖層與底板巖層的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，從而發(fā)生移動(dòng)、變形和破壞，這一過(guò)程稱巖層移動(dòng)。根據(jù)實(shí)際觀測(cè)資料證明，上覆巖層移動(dòng)穩(wěn)定后，其移動(dòng)、變形和破壞具有明顯的分帶性。采用長(zhǎng)壁垮落采煤法，當(dāng)采深為采高的25倍或以上時(shí)，上覆巖層移動(dòng)、變形與破壞可分為三個(gè)帶：垮落帶、斷裂帶或?qū)當(dāng)嗔褞?、彎曲帶或整體移動(dòng)帶。第一節(jié)巖層與地表移動(dòng)特征煤層被采出之后，形成了空間，其上48采煤概論課件-23三下采煤49采煤概論課件-23三下采煤50通過(guò)最終移動(dòng)盆地的最大下沉點(diǎn)沿煤層走向或傾向作斷面，稱移動(dòng)盆地的主斷面、前者稱走向主斷面，后者稱傾斜主斷面。邊界角：δ0

β0

γ0移動(dòng)角：δ

β

γ裂縫角：δ”

β”

γ”通過(guò)最終移動(dòng)盆地的最大下沉點(diǎn)沿煤層走向或傾向作斷面，稱移動(dòng)盆51充分采動(dòng)角(a)沿走向主斷面(充分采動(dòng)時(shí))(b)沿傾斜主斷面(充分采動(dòng)時(shí))(c)沿走向主斷面(超充分來(lái)動(dòng)時(shí))(d)沿傾斜主斷面(超充分采動(dòng)時(shí))充分采動(dòng)角52在移動(dòng)盤地的傾斜主斷面上，地表移動(dòng)盆地在下山方向的影響范圍擴(kuò)大，最大下沉點(diǎn)不在采空區(qū)中央的正上方，而是向下山方向偏移，最大下沉點(diǎn)的位置用最大下沉角θ確定。θ＝90°-Kα式中α——煤層傾角；K——開采影響的傳播系數(shù)，K=0.5-0.8。在移動(dòng)盤地的傾斜主斷面上，地表移動(dòng)盆地在下山方向的影響范圍擴(kuò)53地表移動(dòng)和變形在地表移動(dòng)盆地內(nèi)，每點(diǎn)的移動(dòng)除最大下沉點(diǎn)(或區(qū)間)外，均指向采空區(qū)中心，并分為鉛直移動(dòng)和水平移動(dòng)兩個(gè)分量。此外，各點(diǎn)的鉛直移動(dòng)分量和水平移動(dòng)分量均不相同，因此地表會(huì)出現(xiàn)各種不同類型的變形。地表移動(dòng)和變形54地質(zhì)和采礦條件對(duì)地表移動(dòng)和變形的影響(一)地質(zhì)條件對(duì)地表移動(dòng)和變形的影響1．上覆巖層的性質(zhì)2．煤層傾角3．開采深度與開采厚度一般用深(H)與厚(M)之比(H/M)來(lái)表示地下開采對(duì)地表的影響。H/M越大，地表移動(dòng)變形平緩；反之，H/M越小，地表移動(dòng)變形劇烈，有時(shí)可能出現(xiàn)斷裂、臺(tái)階或塌陷。4．水文地質(zhì)條件5．?dāng)鄬蛹捌渌趺?．地形地質(zhì)和采礦條件對(duì)地表移動(dòng)和變形的影響55地質(zhì)和采礦條件對(duì)地表移動(dòng)和變形的影響(二)采礦條件對(duì)地轟移動(dòng)和變形的影響1.采煤方法及頂板管理方法的影響2．采空區(qū)面積的影響3．重復(fù)采動(dòng)影響地質(zhì)和采礦條件對(duì)地表移動(dòng)和變形的影響56第二節(jié)建筑物及村莊下采煤一、地表移動(dòng)對(duì)建筑物的影響1.下沉2.傾斜3.水平變形4.曲率第二節(jié)建筑物及村莊下采煤一、地表移動(dòng)對(duì)建筑物的影響57二、建筑物下和村莊下采煤的開采措施(一)減小地表最大下沉值(1)充填開采(2)部分開來(lái)：主要有條帶式采煤法和房式采煤法(3)分層開采二、建筑物下和村莊下采煤的開采措施58二、建筑物下和村莊下采煤的開采措施(二)消除或減少開采影響的疊加(1)完全開采(2)順序開采(3)合理地布置備煤層或各分層的開采邊界(4)正確地安排工作面推進(jìn)方向(三)協(xié)調(diào)開采協(xié)調(diào)開采就是當(dāng)數(shù)個(gè)煤層或厚煤層數(shù)個(gè)分層同時(shí)開采時(shí)，控制各煤層或各分層工作閉之間的錯(cuò)距，使地表拉伸變形與壓縮變形互相抵消，以達(dá)到減小地表水平變形的目的。二、建筑物下和村莊下采煤的開采措施59二、建筑物下和村莊下采煤的開采措施(四)合理確定工作面與建筑物的相對(duì)位置(1)平行長(zhǎng)軸開采(2)合理地確定停采線與建筑物的相對(duì)位置二、建筑物下和村莊下采煤的開采措施60三、建筑物下和村莊下采煤的地面保護(hù)措施(1)變形縫(2)鋼筋混凝土圈梁或鋼拉桿加固(3)液壓千斤頂調(diào)整(4)變形補(bǔ)償溝三、建筑物下和村莊下采煤的地面保護(hù)措施61四、條帶式采煤法的應(yīng)用

條帶式采煤法是一種部分開采的采煤方法，其實(shí)質(zhì)是：在開采范圍內(nèi)，沿一定的方向?qū)⒚簩觿澐譃槿舾蓚€(gè)條帶，采出一條，保留一條，相間排列。依靠保留的條帶煤柱支撐上覆巖層的載荷，以控制巖層和地表移動(dòng)，使地表移動(dòng)變形減小，達(dá)到保護(hù)建筑物的目的。四、條帶式采煤法的應(yīng)用62采寬的確定：確定采寬的基本原則是開采后地表移動(dòng)不出現(xiàn)波浪起伏狀，而是單一平緩的下沉盆地。地表移動(dòng)是否出現(xiàn)波浪起伏狀態(tài)，與采寬和采深有關(guān)。式中：b——采寬

H——采深留寬的確定：開采后煤柱的應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度、條帶煤柱的寬高比、條帶采煤的采出率。采寬的確定：確定采寬的基本原則是開采后地表移動(dòng)不出現(xiàn)波浪起伏63第三節(jié)鐵路下采煤一、鐵路下采煤的特點(diǎn)

(1)鐵路擔(dān)負(fù)著繁重的運(yùn)輸任務(wù)，尤其是國(guó)家鐵路干線，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈。因此，在鐵路下來(lái)煤必須保證列車安全和正常地運(yùn)行。在安全上比一般建筑物要求更高。(2)鐵路列車重量大、運(yùn)行速度快，鐵路線路受列車的動(dòng)載荷作用。在鐵路下采煤時(shí)，又增加了地表移動(dòng)對(duì)鐵路的影響。因此．鐵路線路的移動(dòng)和變形較為復(fù)雜。(3)鐵路下采煤，鐵路線路在開采影響過(guò)程中可以通過(guò)日常的維修及時(shí)消除自身的移動(dòng)和變形，保證鐵路暢通無(wú)阻。這對(duì)一般建筑物來(lái)說(shuō)，是很難做到的。第三節(jié)鐵路下采煤一、鐵路下采煤的特點(diǎn)64三、鐵路下采煤的安全技術(shù)措施(一)開采技術(shù)措施(1)防止地表突然下沉(2)減少地表下沉(3)消除和減輕地表變形的疊加影響(4)合理地布置工作面(二)維修技術(shù)措施三、鐵路下采煤的安全技術(shù)措施65第四節(jié)水體下采煤一、水體下采煤的持點(diǎn)(1)水體下采煤著重研究巖層與地表的破壞規(guī)律以及可能造成的水力聯(lián)系，而不考慮地表移動(dòng)與變形情況。(2)水體下采煤不僅要考慮到巖層與地表破壞規(guī)律，而且要考慮到水體的類型以及礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)情況。(3)水體下采煤的主要對(duì)策是“隔離”或“疏降‘兩類方案。前者適用于水量大、補(bǔ)給充分的條件；后者適用于水量小、補(bǔ)給有限的條件。因此，在水體下來(lái)煤時(shí)，要從安全、經(jīng)濟(jì)和煤炭采出率高等方面進(jìn)行比較，確定合理的開采方案。第四節(jié)水體下采煤一、水體下采煤的持點(diǎn)66二、影響水體下采煤的因素(一)水體的類型根據(jù)我國(guó)水體下來(lái)煤的經(jīng)驗(yàn)，一般有單純地表水體、單純松散層水體、單純基巖含水層水體、地表水和松散層水構(gòu)成的水體、松散層水和基巖水構(gòu)成的水體、地表水和基巖水構(gòu)成的水體以及地表水、松散層水和基巖水構(gòu)成的水體等幾種類型。(二)上覆巖層的類型

根據(jù)水文地質(zhì)特征．可將上覆巖層分為含水層(或透水層)和隔水層(或相對(duì)隔水層)兩類。(三)地層的結(jié)構(gòu)

地層的結(jié)構(gòu)系指地層內(nèi)含水層與隔水層在空間上的分布情況及相互關(guān)系。地層的結(jié)構(gòu)可分為單一結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)、封閉或半封閉結(jié)構(gòu)以及覆蓋結(jié)構(gòu)。二、影響水體下采煤的因素67三、上覆巖層的破壞形態(tài)與規(guī)律(一)上覆巖層破壞的空間形態(tài)上程巖層服壞的空間形態(tài)與煤層傾角有關(guān)。

1)對(duì)于傾角為0-35°的煤層，垮落帶的邊界在采空區(qū)邊界范圍以內(nèi)；導(dǎo)水?dāng)嗔褞У倪吔缭诓煽諈^(qū)邊界范圍以外，超出采空區(qū)邊界約5-8M?？迓鋷c導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ь蜀R鞍形，導(dǎo)水?dāng)嗔褞У淖罡唿c(diǎn)位于采空區(qū)傾斜的上方。

2)對(duì)于傾角為36-54°的煤層，由于傾角增大，采空區(qū)上部垮落的巖塊下滑充填采空下部，致使垮落帶與導(dǎo)水?dāng)嗔褞У纳喜窟吘壴龈?，其上部邊界大體上呈拋物線形狀。3)對(duì)于傾角為55-90°的煤層，垮落巖塊滾動(dòng)下滑加劇，充填采空區(qū)下部空間、限制垮落帶與導(dǎo)水?dāng)嗔褞逻吘壍陌l(fā)展。三、上覆巖層的破壞形態(tài)與規(guī)律68

(二)垮落帶與導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊拇_定

垮落帶與導(dǎo)水?dāng)嗔褞У母叨扰c覆巖性質(zhì)、煤層傾角、煤層厚度、厚煤層分層厚度、采空區(qū)尺寸、采煤方法和頂板管理方法以及地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān)。采用長(zhǎng)壁垮落采煤法時(shí)可參考相關(guān)公式計(jì)算。(二)垮落帶與導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊拇_定69四、水體下采煤朗安全技術(shù)措施

(一)防治措施

(1)留設(shè)安全煤巖柱頂水開采

留設(shè)安全煤巖柱的優(yōu)點(diǎn)是：不改變?cè)械拈_采方法，不增加疏水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)；但由于留設(shè)安全煤巖柱，增加了煤炭損失，增大了工作面的淋水。

(2)疏干、疏降開采(3)頂疏結(jié)合開采

(4)帳幕注漿堵水利用鉆孔將粘土、水泥等材料注入含水層中，形成地下?lián)跛∧?，切斷地下水的補(bǔ)給通道。

(5)處理好地表補(bǔ)給水源

采用河流改道、河流鋪底、建立上游水庫(kù)、筑攔洪壩、修攔洪溝、填滲水裂縫、架渡槽、設(shè)圍溝以及排除內(nèi)澇等措施，切斷或改變地面補(bǔ)給水源。四、水體下采煤朗安全技術(shù)措施70四、水體下采煤朗安全技術(shù)措施

(二)開采技術(shù)措施

(1)試探開采原則是：先遠(yuǎn)后近、先深后淺、先厚后薄(指隔水層)和先易后難，逐步接近水體。

(2)分區(qū)隔離開采

在采區(qū)四周均留設(shè)防水隔離煤柱，在運(yùn)輸水平的繞道和石門內(nèi)設(shè)永久性的防水閘門，一旦發(fā)生突水事故，關(guān)閉防水閘門，將采區(qū)與外界隔離，縮小災(zāi)害的影響范圍。(3)全部充填、部分開采和分層間歇開采

(4)正常等速開采四、水體下采煤朗安全技術(shù)措施71第五節(jié)、承壓水體上采煤

我國(guó)華北及華東地區(qū)的主要礦區(qū)開采石炭二疊紀(jì)煤層。煤系的基底為奧陶系石灰?guī)r(奧灰)，其特點(diǎn)是厚度很大、巖溶裂隙發(fā)育、富水性極強(qiáng)、水的壓頭高。當(dāng)遇有構(gòu)造裂隙時(shí)，奧灰易與上覆本溪群或太原群的薄層石灰?guī)r連通，而發(fā)生水力聯(lián)系，造成底板突水事故。第五節(jié)、承壓水體上采煤我國(guó)華北及華東地區(qū)的主要礦區(qū)開72在開采過(guò)程中，煤層底板應(yīng)力重新分布造成底板巖層的變形與破壞，削弱了底板巖層的阻水能力，甚至形成突水通道。因此，研究開采后煤層底板的應(yīng)力重新分布、變形與破壞的規(guī)律，是防止底板突水的基礎(chǔ)。

一、煤層底板巖層破壞與突水在開采過(guò)程中，煤層底板應(yīng)力重新分布造成底板巖73一、煤層底板巖層破壞與突水在支承壓力的作用下，底板中出現(xiàn)水平拉應(yīng)力；在壓縮區(qū)和膨脹區(qū)分界處的底板中出現(xiàn)剪應(yīng)力。拉應(yīng)力和剪應(yīng)力使底板出現(xiàn)斷裂。垂直斷裂與順層斷裂交叉，形成底板破壞帶。成為底板突水的誘發(fā)因素。

一、煤層底板巖層破壞與突水在支承壓力的作用下74一、煤層底板巖層破壞與突水

煤層底板的“下三帶”根據(jù)煤層底板破壞情況及地下水的導(dǎo)升情況，在工作面連續(xù)推進(jìn)后，煤層底板可分為“下三帶”。

一、煤層底板巖層破壞與突水煤層底板的“下三帶”75一、煤層底板巖層破壞與突水破壞帶：鄰接工作面的直接底板受到破壞，出現(xiàn)一系列沿層面和垂直于層面的斷裂，使其導(dǎo)水能力增強(qiáng)，其厚度稱底板破壞深度完整巖層帶：位于破壞帶之下，巖層雖然受到支承壓力的作用，甚至產(chǎn)生彈性或塑性變形，但仍然能保持連續(xù)性，其阻水能力未發(fā)生變化。因此，稱完整巖層帶或保護(hù)層帶。地下水導(dǎo)升帶：地下水導(dǎo)升帶指底板含水層中的承壓水沿隔水層裂隙上升的高度，即由含水層頂面至承壓水導(dǎo)升標(biāo)高之間的部分，其厚度為h3。地下水導(dǎo)升帶的厚度，取決于承壓水的壓力及隔水層裂隙的發(fā)育程度和受開采影響的劇烈程度。一、煤層底板巖層破壞與突水破壞帶：鄰接工作面的直接底板受到破76一、煤層底板巖層破壞與突水根據(jù)“下三帶”理論，對(duì)承壓水體上采煤進(jìn)行安全預(yù)測(cè)，存在4種情況一、煤層底板巖層破壞與突水根據(jù)“下三帶”理論，對(duì)承壓水77二、底板破壞深度的計(jì)算

底板破壞深度與開采深度、煤層開采厚度、煤層傾角、工作面長(zhǎng)度、頂?shù)装鍘r石性質(zhì)（抗破壞能力）、采煤方法、頂板管理方法以及是否有斷層等因素有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，底板破壞深度一般從幾米到十幾米（現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最小的為3.5m，最大的達(dá)到38m）。二、底板破壞深度的計(jì)算78三、影響底板突水的因素水源條件

水源條件包括水量和水壓，水量是突水的物質(zhì)基礎(chǔ)，水壓是突水的動(dòng)力。水量越豐富，突水量越大，危害性也大。水壓的作用表現(xiàn)為：處于封閉狀態(tài)的巖溶水不斷地溶蝕、沖刷構(gòu)造裂隙，形成通道，由含水層上升進(jìn)入到底板隔水層，從而破壞了'底板隔水層。水壓越大，這種破壞作用越嚴(yán)重，地下水導(dǎo)升帶就越大。三、影響底板突水的因素79礦山壓力：

絕大部分工作面底板突水與礦壓有直接關(guān)系：（1）無(wú)周期來(lái)壓或周期來(lái)壓不明顯的頂板，支承壓力較小，對(duì)底板破壞輕；有周期來(lái)壓的頂板，突水多發(fā)生在初次來(lái)壓或周期來(lái)壓期間，因?yàn)樵诔醮蝸?lái)壓或周期來(lái)壓期間，對(duì)底板破壞嚴(yán)重。（2）突水點(diǎn)的位置多數(shù)在工作面后部采空區(qū)邊緣附近。因?yàn)樵撎庬敯蹇迓洳怀浞郑装逄幱谂蛎洜顟B(tài)，斷裂張開，阻水能力最弱。（3）頂板初次來(lái)壓之前，在開切眼附近，由于老頂大而較長(zhǎng)時(shí)間的懸露，或直接頂巖層垮落后不接頂，使底板巖層形成較大的自由面，給底板巖層的移動(dòng)與破壞創(chuàng)造了條件。因此，開切眼附近是底板最易突水的位置之一。三、影響底板突水的因素礦山壓力：三、影響底板突水的