礦井特殊開采第二講

第二講

“三下一上”開采技術(shù)第一節(jié)

建筑（構(gòu)筑）物下安全開采技術(shù)第一節(jié)建筑（構(gòu)筑）物下安全開采技術(shù)一、地表移動(dòng)和變形對(duì)建筑（構(gòu)筑）物的影響1、下沉影響均勻下沉對(duì)建筑物的影響無附加應(yīng)力，在潛水水位比較高的情況下，產(chǎn)生積水和漫水等。地基潮濕容易破壞。第一節(jié)建筑（構(gòu)筑）物下安全開采技術(shù)一、地表移動(dòng)和變形對(duì)建筑（構(gòu)筑）物的影響2、傾斜影響傾斜對(duì)高聳建筑的影響傾斜引起建筑物歪斜造成偏心荷載，對(duì)自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏心力矩，形成自重附加彎矩，極易造成失穩(wěn)破壞。第一節(jié)建筑（構(gòu)筑）物下安全開采技術(shù)一、地表移動(dòng)和變形對(duì)建筑（構(gòu)筑）物的影響3、曲率影響曲率對(duì)建筑物的附加應(yīng)力在正曲率作用下，房屋中央所產(chǎn)生的應(yīng)力大于原有的應(yīng)力，易在建筑物的頂部中間出現(xiàn)裂縫；在負(fù)曲率作用下，房屋兩端地表應(yīng)力增大，易形成底部中央裂縫。第一節(jié)建筑（構(gòu)筑）物下安全開采技術(shù)一、地表移動(dòng)和變形對(duì)建筑（構(gòu)筑）物的影響4、水平變形影響建筑物破壞類型地表水平拉伸變形大于1mm／m時(shí)，在一般磚石承重的建筑物墻身上就會(huì)出現(xiàn)較細(xì)小的豎向裂縫。但當(dāng)壓縮變形較大時(shí)，建筑物產(chǎn)生的破壞也會(huì)比較嚴(yán)重（地基、墻壁、門窗等均會(huì)相應(yīng)破壞）。第一節(jié)建筑（構(gòu)筑）物下安全開采技術(shù)5、建筑物的損壞等級(jí)一、地表移動(dòng)和變形對(duì)建筑（構(gòu)筑）物的影響第一節(jié)建筑（構(gòu)筑）物下安全開采技術(shù)6、建筑物和構(gòu)筑物的保護(hù)等級(jí)一、地表移動(dòng)和變形對(duì)建筑（構(gòu)筑）物的影響第一節(jié)建筑（構(gòu)筑）物下安全開采技術(shù)6、建筑物和構(gòu)筑物的保護(hù)等級(jí)一、地表移動(dòng)和變形對(duì)建筑（構(gòu)筑）物的影響第一節(jié)建筑（構(gòu)筑）物下安全開采技術(shù)1、煤炭開采采用的防護(hù)措施二、建筑（構(gòu)筑）物采煤的防護(hù)措施無煤柱不形成永久邊界的全采方法（長工作面開采、間歇分煤層開采）；協(xié)調(diào)開采：協(xié)調(diào)開采就是利用兩個(gè)煤層(或分層)同時(shí)開采所產(chǎn)生的地表變形互相抵消的原理，來達(dá)到減少開采對(duì)地表的彤響；連續(xù)開采，不跳采，不留永久性保護(hù)煤柱第一節(jié)建筑（構(gòu)筑）物下安全開采技術(shù)1、煤炭開采采用的防護(hù)措施二、建筑（構(gòu)筑）物采煤的防護(hù)措施適當(dāng)安排工作面與建筑物長軸的關(guān)系當(dāng)建筑物位于回采區(qū)段周邊以內(nèi)時(shí)，長壁工作面應(yīng)平行于建筑物的長鉑布置；當(dāng)建筑物位于回來區(qū)段周邊以外時(shí)，長壁工作面應(yīng)垂直于建筑物長軸方向布置；盡量避免斜交布置。第一節(jié)建筑（構(gòu)筑）物下安全開采技術(shù)1、煤炭開采采用的防護(hù)措施二、建筑（構(gòu)筑）物采煤的防護(hù)措施對(duì)稱背向開采在建筑物下開采時(shí)，如果建筑物抵抗壓縮變形的能力較大，而對(duì)傾斜和拉伸變形又十分敏感，則可以采用對(duì)稱背向開采的方法。背向開采第一節(jié)建筑（構(gòu)筑）物下安全開采技術(shù)2、保護(hù)煤巖柱的設(shè)計(jì)原理二、建筑（構(gòu)筑）物的保護(hù)煤巖柱設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱留設(shè)有三種方法：垂直剖面法、垂線法和數(shù)字標(biāo)高投形法。垂直剖面法：1、確定受護(hù)面積邊界2、確定保護(hù)煤柱邊界二、建筑（構(gòu)筑）物的保護(hù)煤巖柱設(shè)計(jì)第一節(jié)建筑（構(gòu)筑）物下安全開采技術(shù)三、建筑（構(gòu)筑）物的加固保護(hù)措施設(shè)計(jì)變形縫、鋼筋混凝土圈梁加固、預(yù)應(yīng)力鋼拉桿、錨固板、變形補(bǔ)償溝設(shè)備基礎(chǔ)的保護(hù)、高構(gòu)筑物的保護(hù)、管道保護(hù)一般建筑物的加固保護(hù)原則：小于造價(jià)的25%，經(jīng)濟(jì)合理?。〉诙?jié)鐵路、公路下采煤鐵路、公路是國民經(jīng)濟(jì)的動(dòng)脈。這些構(gòu)筑物由于延伸長度大，留設(shè)保護(hù)煤柱時(shí)壓煤量大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國僅鐵路下壓煤總量達(dá)到18.91億噸。近年來，高速公路建設(shè)不斷發(fā)展，高速公路下壓煤開采已成為“三下”采煤的又一大問題。本節(jié)根據(jù)開采沉陷引起地表變形特點(diǎn)及其危害性，分述沉陷對(duì)鐵路、公路的損害。我國在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中規(guī)定：一等火車站、高速公路為Ⅰ級(jí)保護(hù)對(duì)象；二等火車站、一級(jí)公路為Ⅱ級(jí)保護(hù)物；三、四等火車站，為Ⅲ級(jí)保護(hù)物。地下開采對(duì)鐵路的影響及防護(hù)措施一、鐵路下采煤的特點(diǎn)與一般建筑物下采煤相比，鐵路下采煤具有以下一些特點(diǎn)：（1）鐵路是延伸性建筑物，相互之間為一整體。如果某一區(qū)段出了問題必然會(huì)影響全線正常通車。必須全盤考慮。（2）鐵路運(yùn)輸不能中斷，必須保證采動(dòng)過程中列車行車的安全。這就要求在短時(shí)間維修的條件下，保證鐵路維修的質(zhì)量。（3）鐵路突然的、局部的陷落，對(duì)列車運(yùn)行危害極大，可能導(dǎo)致列車行車事故，必須加以防止。（4）鐵路的移動(dòng)變形可通過及時(shí)維修消除。地下開采對(duì)鐵路的影響及防護(hù)措施在我國，煤礦區(qū)開采影響的鐵路主要分為三種：礦區(qū)（或廠區(qū)、林區(qū)等）專用線、鐵路支線（國家三級(jí)鐵路）和鐵路干線（國家一、二級(jí)鐵路）。礦區(qū)專用線服務(wù)對(duì)象是礦區(qū)本身，地下開采的影響只涉及礦區(qū)的利益，加之鐵路行車速度慢、技術(shù)質(zhì)量要求低，因此，礦區(qū)鐵路專用線下采礦較易開展，目前，我國的鐵路下采煤大多是在礦區(qū)專用線下開展的。鐵路支線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和重要程度多比專用線高。但是，它與鐵路干線相比，其重要程度、行車速度、車次都較低。鐵路支線下采煤在我國已進(jìn)行了多次試驗(yàn)，取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)。鐵路干線是國家的交通命脈。列車行車速度快、車次多、線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高、線路間歇時(shí)間短，維修工作不易進(jìn)行，因此在鐵路干線下采煤是非常困難的。地下開采對(duì)鐵路的影響及防護(hù)措施二、路基移動(dòng)變形特征地下開采的影響傳播到路基，引起路基移動(dòng)變形。當(dāng)采深與采厚之比（稱深厚比）較大（大于20）時(shí)，路基的移動(dòng)是連續(xù)、漸變的，一般不會(huì)出現(xiàn)突然的、局部的下陷。只有地質(zhì)采礦條件滿足出現(xiàn)塌陷坑的條件時(shí)，路基才有可能出現(xiàn)塌陷坑，此時(shí)進(jìn)行鐵路下采煤時(shí)，應(yīng)采取特別的安全措施。采動(dòng)過程中地表的傾斜、拉伸變形對(duì)路基的穩(wěn)定性都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。影響程度的大小可根據(jù)地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果評(píng)價(jià)。對(duì)穩(wěn)定性較差的高路堤、陡坡路堤和深路塹應(yīng)進(jìn)行滑坡的可能性驗(yàn)算。一般情況下，采動(dòng)影響下鐵路路基的移動(dòng)變形在空間上是連續(xù)分布的，在時(shí)間是連續(xù)漸變的，可以通過維修消除開采的影響，保證鐵路行車的安全，這是鐵路下采礦的基礎(chǔ)。地下開采對(duì)鐵路的影響及防護(hù)措施三、線路上部建筑的移動(dòng)變形地下開采將引起線路產(chǎn)生如下變化：1．線路坡度的變化由于路基下沉的不均勻，使路基產(chǎn)生傾斜，從而導(dǎo)致線路原有坡度變化。當(dāng)?shù)乇韮A斜方向和線路的方向一致時(shí)，線路坡度增大。反之，線路坡度減小，或形成反坡。線路坡度的增減將使列車運(yùn)行阻力增減。鐵路下采煤時(shí)，必須保證線路在開采后的坡度滿足列車運(yùn)行允許的坡度?！惰F路技術(shù)管理規(guī)定》規(guī)定線路的最大允許坡度為：國家Ⅰ級(jí)鐵路，一般地段為6‰，在困難地段為12‰；國家Ⅱ級(jí)鐵路為12‰；國家Ⅲ級(jí)鐵路為15‰。上述各級(jí)鐵路在雙機(jī)牽引時(shí)最大坡度可為20‰。當(dāng)車站必須設(shè)在坡道上時(shí)，最大坡度為2.5‰。地下開采對(duì)鐵路的影響及防護(hù)措施2．豎曲線半徑的變化線路傾斜的不均勻變化，會(huì)導(dǎo)致線路豎曲線半徑的變化。地表移動(dòng)的正曲率可使線路的凸豎曲線半徑減小，使原有凹豎曲線半徑增大，使長坡道變成凸豎曲線。地表移動(dòng)的負(fù)曲率可使線路的凸豎曲線半徑增大，使原有凹豎曲線半徑減小，使長坡道變成凹豎曲線?！惰F路工務(wù)規(guī)則》對(duì)線路縱斷面的設(shè)計(jì)、曲線形式、曲率半徑等做出了明確的規(guī)定。實(shí)際進(jìn)行鐵路下采礦時(shí)，由于地表曲率變化緩慢，只要采取及時(shí)的措施，可以消除曲率的影響，保證行車的安全。地下開采對(duì)鐵路的影響及防護(hù)措施3．鋼軌下沉差的影響兩條鋼軌下沉不等，使兩條鋼軌出現(xiàn)下沉差，改變了兩條鋼軌原由的超高。當(dāng)超高超過允許值或出現(xiàn)反超高時(shí)，對(duì)列車運(yùn)行將產(chǎn)生極為不利的影響，甚至導(dǎo)致列車翻車事故?！惰F路工務(wù)規(guī)則》規(guī)定：曲線超高度的最大限度不得超過150mm。單線上、下行列車速度相差懸殊時(shí)不得超過125mm，兩軌面的實(shí)際超高度與設(shè)計(jì)超高度相比較，起差值不得超過±4mm。我國鐵路的標(biāo)準(zhǔn)軌距為1435mm。為使兩軌超高變化量小于4mm，垂直與線路方向的地表傾斜值應(yīng)小于2.8‰。地下開采對(duì)鐵路的影響及防護(hù)措施4．橫向移動(dòng)變形對(duì)線路的影響線路的橫向移動(dòng)與線路相對(duì)于工作面的位置有關(guān)。（1）當(dāng)線路的方向與工作面推進(jìn)方向平行，且位于地表移動(dòng)盆地主斷面上，線路的橫向移動(dòng)量較小。地下開采對(duì)鐵路的影響及防護(hù)措施（2）線路方向與工作面推進(jìn)方向垂直，且位于移動(dòng)盆地主斷面上時(shí)，線路的橫向移動(dòng)規(guī)律為：當(dāng)工作面向線路推進(jìn)時(shí)，線路的移動(dòng)方向與工作面推進(jìn)方向相反，橫向移動(dòng)量由小到大。當(dāng)工作面推過線路并逐漸遠(yuǎn)離時(shí)，線路橫向移動(dòng)方向逐漸轉(zhuǎn)向工作面推進(jìn)方向，起橫向移動(dòng)值由原來的最大值逐漸減小，最終將越過原來的位置而穩(wěn)定在停采線一側(cè)。地下開采對(duì)鐵路的影響及防護(hù)措施（3）當(dāng)線路的方向與工作面推進(jìn)方向平行或垂直，但不位于移動(dòng)盆地的主斷面上時(shí)，線路的移動(dòng)方向總是指向采空區(qū)方向。增大或減小線路的平面曲線半徑或使直線變?yōu)榍€。（4）當(dāng)線路的方向與回采工作面斜交，線路的橫向移動(dòng)將使線路形成“S”形，出現(xiàn)兩個(gè)反向的曲線；地下開采對(duì)鐵路的影響及防護(hù)措施（5）線路縱向移動(dòng)變形的影響線路的縱向移動(dòng)變形主要表現(xiàn)為線路的爬行和軌縫的變化。線路的爬行量一般小于地表水平移動(dòng)量。出現(xiàn)爬行的范圍要大于地表移動(dòng)的范圍。線路爬行的方向、大小與地表水平移動(dòng)的方向和大小有關(guān)，此外，還受線路的坡度、重車運(yùn)行方向和線路鎖定狀況的影響。軌縫的變化與地表水平變形有關(guān)，在地表拉伸區(qū)，軌縫增大。如果變形太大，能使軌縫達(dá)到或超過線路的允許值，并能將魚尾板拉斷或?qū)⒙菟ㄇ袛?。在地表壓縮變形區(qū)，軌縫減小。如果壓縮變形值太大，軌縫擠死，出現(xiàn)瞎縫，使接頭和鋼軌內(nèi)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，甚至出現(xiàn)“漲軌”現(xiàn)象，導(dǎo)致脫軌事故。地下開采對(duì)鐵路的影響及防護(hù)措施四、鐵路下采煤的技術(shù)措施鐵路下采煤的技術(shù)措施主要有兩類：開采措施和維修措施。開采措施是減小地表的移動(dòng)變形和下沉速度。維修措施是消除開采對(duì)鐵路線路的影響，保證鐵路的安全運(yùn)行。（一）開采措施開采措施包括以下一些方法：采用充填開采、柱式開采減小地表移動(dòng)變形；選取合理的開采方法和頂板管理方法防止地表突然下沉；合理的布置工作面，盡量不使線路與工作面斜交，使線路位于地表移動(dòng)盆地的有利位置，減小線路的移動(dòng)變形和維修工作量；控制工作面推進(jìn)速度，減小地表下沉速度，以便及時(shí)維修。地下開采對(duì)鐵路的影響及防護(hù)措施（二）主要維修技術(shù)措施（1）加寬、加高路基，保證路基的穩(wěn)定性；（2）用起道和順坡的方法消除地表下沉對(duì)線路的影響；（3）用撥道、改道的方法消除橫向水平移動(dòng)對(duì)線路的影響；（4）用串道的方法消除縱向水平移動(dòng)變形對(duì)線路的影響，調(diào)整軌縫。在采取以上措施后鐵路下采煤是安全的。有關(guān)車站、隧道、橋梁等下的采煤問題可歸結(jié)為建筑物下采煤問題，其方法同建筑物下采煤。地下開采對(duì)公路的影響及防護(hù)措施公路是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，是交通體系的重要組成部分。地下開采將對(duì)公路造成一定的影響，使公路路面損壞、坡度改變等，必須采取相應(yīng)的保護(hù)措施。特別是近年來發(fā)展起來的高速公路，路面結(jié)構(gòu)特殊、行車速度快、對(duì)地表變形敏感、造價(jià)高等，高速公路下采煤已成為“三下”采煤的新課題，必須加以研究。國內(nèi)公路下采煤的研究還尚處于初始階段，目前國內(nèi)在這方面主要是借鑒村莊、建筑物下、鐵路下采煤的一些相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和措施，利用概率積分法對(duì)公路下采煤的沉陷進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合相關(guān)地表移動(dòng)和變形的觀測和一些相關(guān)的地質(zhì)、采礦資料，從而得出公路采動(dòng)沉陷的破壞類型，最后對(duì)地表沉陷和采空區(qū)對(duì)公路的危害進(jìn)行分析。地下開采對(duì)公路的影響及防護(hù)措施一、地下開采對(duì)公路的影響地下開采對(duì)公路的影響可分為：垂直移動(dòng)變形和水平移動(dòng)變形對(duì)公路的影響。（1）垂直移動(dòng)變形對(duì)公路的影響地表下沉差導(dǎo)致公路傾斜，使公路的坡度發(fā)生變化。當(dāng)公路坡度的傾向與地表傾斜一致時(shí)，可增大公路的坡度；當(dāng)公路坡度的傾向與地表傾斜相反時(shí)，可減小公路的坡度。地表傾斜還會(huì)改變排水溝的坡度，形成反坡、導(dǎo)致排水不暢等。地下開采對(duì)公路的影響及防護(hù)措施（2）水平移動(dòng)變形的影響均勻水平移動(dòng)對(duì)公路的影響較小。不均勻水平移動(dòng)產(chǎn)生的水平變形對(duì)公路的影響較大。不均勻的水平移動(dòng)可改變線路的方向和圓曲線的半徑。使行車安全出現(xiàn)隱患，但這種影響與對(duì)鐵路的影響相比是較小的，可通過汽車行駛來調(diào)整。拉伸變形使公路路面拉壞、產(chǎn)生裂縫。當(dāng)大的裂縫出現(xiàn)時(shí)，往往伴隨著臺(tái)階，影響行車的速度和安全。特別是對(duì)高速公路的影響較大。壓縮變形使公路路面受壓，當(dāng)壓縮變形較大時(shí)，可能使路面壓壞，甚至使路面上鼓，導(dǎo)致行車不暢。水平變形可使公路橋梁、涵洞拉壞或壓壞，導(dǎo)致交通中斷，使涵洞排水不暢，在洪水時(shí)淹沒公路。地下開采對(duì)公路的影響及防護(hù)措施二、公路下采煤技術(shù)措施公路下采煤與鐵路下采煤一樣，可采用兩種措施：地面維修措施和井下開采措施。根據(jù)實(shí)際情況可以采用其中一種或兩種聯(lián)合使用。1、地面主要維修措施加高、加寬路基，灌漿處理采動(dòng)裂縫，調(diào)整超限的坡度、豎曲線、平面圓曲線和超高。修理不平整的路面和損壞的涵洞等。在采動(dòng)前，為減小采動(dòng)的損壞，增加路面抗變形能力，在混凝土路面上設(shè)置變形縫，減小混凝土路面單體的長度，以增大抵抗水平變形的能力。對(duì)重要的涵洞進(jìn)行采前加固或改為管涵，以增加涵洞抗變形的能力。對(duì)下沉的橋梁抬高、加大橋墩，以滿足洪水時(shí)的過水?dāng)嗝?。地下開采對(duì)公路的影響及防護(hù)措施2、井下主要開采措施為減小地表沉陷，可采用柱式開采、充填開采和離層注漿減沉等措施。為減小地表變形，可適當(dāng)?shù)夭贾霉ぷ髅妫构?、橋、涵所受變形最小，以減小采動(dòng)的損害。對(duì)特別重要的橋、涵留設(shè)保護(hù)煤柱等?？偟膩碚f，公路與鐵路相比，對(duì)采動(dòng)變形的要求較低、維修更方便。只要采取一定的措施，在公路下采煤是安全和可行的。充填開采充填開采簡介2固體充填開采相關(guān)設(shè)備3固體充填采煤設(shè)備當(dāng)前存在的問題與解決方案4固體充填開采經(jīng)濟(jì)性分析一、充填開采簡介充填開采分類類別基本原理固體充填固體廢棄物通過投料系統(tǒng)或者井下分矸系統(tǒng)經(jīng)充填運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸至采空區(qū)進(jìn)行充填膏體充填井上制成的膏狀漿體通過泵壓或重力作用經(jīng)過管道輸送到井下充填采空區(qū)高水充填高水材料A料和B料經(jīng)過井下泵站運(yùn)輸至工作面前時(shí)混合并在短時(shí)間內(nèi)輸送至采空區(qū)充填一、充填開采簡介充填開采應(yīng)用范圍充填開采應(yīng)用范圍1.三下采煤：包括村莊下、道路下、水體下分為兩類：一類為控制頂板下沉量的開采，另一類為不控制頂板下沉量的開采。2.房柱式開采剩余煤柱的回收3.含水層下開采，提高采煤上限4.保持相鄰上煤層的完整5.減少井下矸石的提升量一、充填開采簡介充填開采的基本原理二、固體充填工作面相關(guān)設(shè)備固體充填工作面布置示意圖二、固體充填工作面相關(guān)設(shè)備風(fēng)巷縱斷面示意圖二、固體充填工作面相關(guān)設(shè)備1、目前固體充填開采適應(yīng)采高為2～5m，一次采全高。充填開采房柱殘煤的高度可考慮在6m之內(nèi)。2、煤層傾角應(yīng)在近水平（≤8o）或緩傾斜煤層（<25o）;傾斜煤層（25o～45o）和急傾斜煤層（>45o），正逐步開展研究與實(shí)踐。3、按現(xiàn)行技術(shù)發(fā)展水平，受后部充填運(yùn)輸機(jī)充填能力的限制，同時(shí)又要盡可能發(fā)揮產(chǎn)能，以降低充填開采所增加的成本，提高綜合效益，產(chǎn)量在當(dāng)前可在60～120萬t/a。4、前部設(shè)備配套，包括工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)（如需要）、順槽可伸縮皮帶機(jī)等，可按其一次采全高綜采適應(yīng)的地質(zhì)條件及產(chǎn)量要求選取，但能力應(yīng)比正常綜采略大20～30%。5.充填運(yùn)輸機(jī)的能力應(yīng)與工作面產(chǎn)量相匹配，一般應(yīng)為前刮板輸送機(jī)規(guī)劃產(chǎn)量的1.5倍。固體充填工作面條件及設(shè)備配套原則分析二、固體充填工作面相關(guān)設(shè)備固體充填采煤是通過在長壁綜采面充填固體填充物來控制地表的變形的，在保證對(duì)采煤工作面和待充填空間頂板支護(hù)的基礎(chǔ)上，如何合理地將固體充填物輸送至充填工作面，并對(duì)固體充填物進(jìn)行充分的壓實(shí)，同時(shí)還要保證采煤與充填平行作業(yè)。因此，充填液壓支架和充填運(yùn)輸機(jī)是整個(gè)固體充填采煤一體化項(xiàng)目中最核心的設(shè)備。二、固體充填工作面相關(guān)設(shè)備第一代充填液壓支架充填液壓支架二、固體充填工作面相關(guān)設(shè)備第二代充填液壓支架充填液壓支架二、固體充填工作面相關(guān)設(shè)備第三代充填液壓支架充填液壓支架二、固體充填工作面相關(guān)設(shè)備充填液壓支架上部壓實(shí)機(jī)后頂梁立柱第四代充填液壓支架二、固體充填工作面相關(guān)設(shè)備充填液壓支架平頂山十二礦充填液壓支架樣機(jī)矸石充填“自由落體”充填階段剖面圖固體充填工作面示意矸石充填“自充自壓”充填階段階段剖面圖固體充填工作面示意固體充填工作面示意矸石充填“自充自壓”充填階段現(xiàn)場施工效果圖第三節(jié)水體下與承壓水上采煤1、概述

地下開采引起的巖層與地表移動(dòng)，能使開采煤層圍巖中的含水層里的水、溶洞水以及位于開采影響范圍內(nèi)的地表水和泥砂潰入井下，威脅煤礦安全生產(chǎn)。因此，在水體下采煤時(shí)必須采取適當(dāng)措施，保證開采過程中不發(fā)生災(zāi)害性透水、潰砂事故，避免因礦井涌水量突然增大而嚴(yán)重地惡化井下工作環(huán)境。多年來，我國比較廣泛地進(jìn)行了水體下采煤的研究和實(shí)踐，采出了大量水體下壓煤，而且對(duì)水體下采煤的理論作了深入的研究，形成了一套具有我國特色的理論體系和計(jì)算方法。1、概述水體下采煤—地表水體下或地下水體下采煤開采→煤體上的水體→開采空間（由于巖層移動(dòng)和變形）水和開采空間存在著一種水力聯(lián)系弱水力聯(lián)系增加排水費(fèi)用強(qiáng)水力聯(lián)系突水或透水事故我國各類水體下采煤的典型實(shí)例水體類型礦井名稱防水煤巖柱最小垂高(m)單層采厚(m)累計(jì)采厚(m)煤層傾角()煤巖柱類型技術(shù)措施出水量(m3/h)淮河李咀孜礦706.0～2045防水分層間歇開采正常小汶河孫村礦、張莊礦30～401.8～2.03.820防水分層間歇開采正常上官塘水庫石壁塘礦80～1001.42.738～41防水分層間歇、非正規(guī)條帶開采開采正常小南洪水庫柳花嶺礦881.4～2.41.4～2.46～7防水分層間歇開采最大3.04，一般1.3～2.4微山湖徐莊礦44～621.7～1.92～24防水分層間歇開采正常塌陷區(qū)積水孔集礦80～1006.011.975～90防水偽傾斜柔性掩護(hù)支架、長走向小階段間歇開采、嚴(yán)禁超限出煤正常頂?shù)装迳皫r水劉橋一礦距含水層4～81.8～2.84.628～30相當(dāng)于防砂預(yù)先疏放、邊采邊疏石灰?guī)r巖溶水南桐二井41～503.0～3.537相當(dāng)于防砂預(yù)先疏放、專門疏水巷道20～492分層間歇開采朱仙莊礦40～502.0～2.26.010～15防水分層間歇開采松散弱含水層柴里礦15～202.0～3.511.58防砂分層間歇開采松散弱含水層邢臺(tái)礦10～152.0～2.26.010防塌分層間歇開采、仰上鉆孔近水體采煤的特征進(jìn)行水體下采煤首先要分析開采引起的覆巖中的裂縫是否互相連通以及互相連通的裂縫是否波及到水體。因此，研究覆巖破壞規(guī)律，特別是能夠?qū)拿奥鋷Ш土芽p帶的高度及其分布形態(tài)至關(guān)重要。在許多情況下，盡管地表產(chǎn)生較大的移動(dòng)和變形、甚至出現(xiàn)裂縫，但只要這些裂縫在某個(gè)深度上自行閉合而不構(gòu)成井下涌水的通道，就不會(huì)發(fā)生透水事故。水體下采煤時(shí)的保護(hù)對(duì)象主要是礦井本身，即保證在水體下開采時(shí)礦井的安全。只有在必要時(shí)(如水體為地面灌溉用的水庫)才考慮水體及其附屬設(shè)施的保護(hù)。因此，在進(jìn)行水體下采煤時(shí)應(yīng)著重研究如何防止水體和采區(qū)之間形成透水的通道、造成井下突水事故；在水體與采區(qū)之間構(gòu)成水力聯(lián)系無法避免時(shí)，如何使其引起的礦井涌水量小于礦井排水能力。由于水具有流動(dòng)性，覆巖破壞一旦波及水體的邊緣，就可能導(dǎo)致水體全部流入井下；因此，水體必須作為一個(gè)整體加以保護(hù)，有時(shí)還不得不將水體下方的部分巖層塊段一起進(jìn)行保護(hù)。地表水體：積聚在江、海、河、湖、水庫、沼澤、水渠、坑、塘和塌陷區(qū)中的水地下水體：積聚在巖石和松散層空隙中的水

松散層水體：第四紀(jì)和第三紀(jì)松散層中的含水

基巖含水層水體：砂巖、礫巖、砂礫巖及石灰?guī)r巖溶含水層水體

采空區(qū)積水孔隙水、裂隙水及巖溶水復(fù)合型水體

地表水和地下水聯(lián)通水體的基本類型水體下采煤的可行性

進(jìn)行水體下采煤，除要考慮開采引起的覆巖中的裂縫是否互相連通以及互相連通的裂縫是否波及到水體外，還要分析在受開采影響后，防水煤巖柱是否還具有足夠的隔水性能。合理地確定煤層的開采上限，正確地選擇開采方法和防護(hù)措施，以期做到既能最大限度地采出煤炭資源又能確保礦井的安全。覆巖的隔水性覆巖的隔水性與其巖性、巖相及結(jié)構(gòu)面等因素有關(guān)。(1)覆巖的巖性巖性是評(píng)價(jià)覆巖隔水性的最重要依據(jù)。影響覆巖隔水性能的主要因素是巖石顆粒的大小及其膠結(jié)形式。顆粒越小，級(jí)配越適當(dāng)，隔水性能就越好。粘土比例大于30％的巖層是良好的隔水層；粘土含量為11～30％的巖層可作為相對(duì)隔水層；粘土含量少于10％的巖層隔水性能很差；粘土頁巖和泥質(zhì)頁巖等塑性巖層隔水性能較好。覆巖的隔水性(2)巖相

巖相是指沉積巖生成的條件和環(huán)境。巖相特征是評(píng)價(jià)沉積巖隔水性的依據(jù)之一。就隔水性而言，其優(yōu)劣順序是：海相、湖泊相、風(fēng)成沉積相、河流沖積相、冰水沉積相。覆巖的隔水性(3)結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面主要指原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面和次生結(jié)構(gòu)面。它們既是評(píng)價(jià)巖層物理力學(xué)特征的重要因素，又是評(píng)價(jià)巖層體系隔水性的重要因素。有時(shí)一個(gè)結(jié)構(gòu)面能單獨(dú)成為隔水層。原生結(jié)構(gòu)面如層面，一般是層狀分布，其延續(xù)性強(qiáng)，導(dǎo)水性不好。構(gòu)造結(jié)構(gòu)面如斷層面，有的斷層面本身有含水性和導(dǎo)水性，并成為巖層強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，有的斷層本身能隔水，且能把統(tǒng)一型水體分割成彼此獨(dú)立的分散型水體。斷層的導(dǎo)水性和隔水性，主要取決于斷層所切割的巖層的力學(xué)性質(zhì)和斷層面間的充填程度。次生結(jié)構(gòu)面一般指風(fēng)化巖層中的界面。有些風(fēng)化帶是良好的隔水層，即使受到重復(fù)采動(dòng)仍能保持其隔水性能，但也有一些風(fēng)化帶隔水性能不好。因此，對(duì)風(fēng)化帶的隔水性，需要具體分析。地下開采對(duì)覆巖隔水性的影響在大面積開采的影響下，覆巖的天然隔水性遭到不同程度的破壞，破壞程度首先取決于隔水巖層與采空區(qū)的相對(duì)位置。隔水層與煤層緊貼或鄰近，且位于冒落帶時(shí)，其隔水性被完全破壞。隔水層遠(yuǎn)離煤層，位于整體彎曲帶內(nèi)時(shí)，除了隔水層下部的隔水性會(huì)受到暫時(shí)的影響之外，整個(gè)隔水層的隔水性基本不受破壞。覆巖內(nèi)水的滲透性是有規(guī)律地變化的。這是因?yàn)槊簩訃鷰r的隔水性與采動(dòng)程度和和巖層變形性質(zhì)有關(guān)。在水平拉伸區(qū)，巖層會(huì)發(fā)生豎向的張開裂縫，從而隔水性遭到破壞。在水平壓縮區(qū)，其隔水性基本不改變。在采動(dòng)影響下，巖層本身的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)隔水性的影響表現(xiàn)為：剛性和脆性的巖層隔水性易遭破壞；具有韌塑性的巖層隔水性不易被破壞，或者破壞后能重新得到恢復(fù)。覆巖破壞規(guī)律1．冒落帶2．裂縫帶3．整體彎曲帶覆巖破壞分帶1．冒落帶煤層頂板在采動(dòng)影響下發(fā)生變形、離層、斷裂后脫離原生巖體而下落到采空區(qū)的破壞區(qū)域稱為冒落性破壞區(qū)或稱冒落帶。由于該區(qū)的巖層完全失去了原有的連續(xù)性和層狀結(jié)構(gòu)，不但透水而且流砂也極易從中穿過。顯然位于該區(qū)內(nèi)的水體和井巷將遭受十分嚴(yán)重的破壞。覆巖破壞分帶2．裂縫帶煤層覆巖在采動(dòng)影響下只發(fā)生移動(dòng)、變形和斷裂，但仍保持原有層次的覆巖區(qū)稱為裂縫帶。根據(jù)巖層開裂的嚴(yán)重程度，裂縫帶又可細(xì)分為嚴(yán)重開裂區(qū)、一般開裂區(qū)和微小開裂區(qū)。①

嚴(yán)重開裂區(qū)。該區(qū)內(nèi)巖層大部分?jǐn)嚅_，但仍保持原有層次。裂縫間連通性極好，既透水又透砂。該區(qū)一旦波及水體將發(fā)生透水透砂的重大事故；②一般開裂區(qū)。巖層未全部斷開且層次完整，裂縫間連通性較好，透水性一般，基本不透砂。該區(qū)如果波及水體會(huì)發(fā)生透水事故；③微小開裂區(qū)。巖層有微小裂縫，連通性不好，透水性微弱。該區(qū)如果觸及水體會(huì)增加礦井涌水量。這3個(gè)區(qū)域的透水性是漸變的，其間并無明確的界線。人們常根據(jù)鉆孔觀測時(shí)沖洗液漏失量的大小劃定出它們的界線。覆巖破壞分帶3．整體彎曲帶

一般說來，整體彎曲帶內(nèi)的巖層在受開采影響后仍保留其原始的完整性。如整體彎曲帶內(nèi)巖層的原始隔水性能較好(滲透系數(shù)很小、沒有斷層、陷落柱等涌水通道)，水體下的整體彎曲帶又有足夠的厚度(大于保護(hù)層厚度)，則可認(rèn)為整體彎曲帶可有效地阻隔水體內(nèi)的水流入開采區(qū)，防止井下突水事故的發(fā)生。影響覆巖破壞及其導(dǎo)水性的因素1．覆巖力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征2．采煤方法和頂板管理方法3．煤層傾角4．開采強(qiáng)度5．時(shí)間因素6．重復(fù)采動(dòng)不同煤層傾角圍巖破壞形態(tài)圖覆巖破壞高度的計(jì)算

根據(jù)覆巖性質(zhì)的不同，冒落帶高度計(jì)算有下列幾種情況：a)煤層頂板覆巖內(nèi)有極堅(jiān)硬巖層，采后能形成懸頂，冒落帶最大高度采用下式計(jì)算：Hm＝M/[(K－1)cosα]式中M－煤層開采厚度；K－冒落巖石碎脹系數(shù)，根據(jù)實(shí)測求得，一般為1.10～1.40；α－煤層傾角覆巖破壞高度的計(jì)算b)煤層頂板覆巖內(nèi)為堅(jiān)硬、中硬、軟弱、極軟弱巖層互或其互層時(shí)，開采單一煤層的冒落帶最大高度可采用下式計(jì)算：Hm＝(M－W)/[(K－1)cosα]式中W為冒落過程中頂板下沉值，由實(shí)測得到。覆巖破壞高度的計(jì)算c)厚煤層分層開采時(shí)冒落帶最大高度采用下表中給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。覆巖巖性(單向抗壓強(qiáng)度MPa，主要巖石組成)經(jīng)驗(yàn)公式m堅(jiān)硬(40～80，石英砂巖、石灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖、礫巖)中硬(20～40，砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖、頁巖)軟弱(10～20，泥巖、泥質(zhì)砂巖)極軟弱(<10，鋁土巖、風(fēng)化泥巖、粘土、砂質(zhì)粘土)注：公式中±后面的數(shù)字為中誤差；ΣM為累計(jì)開采厚度。覆巖破壞高度的計(jì)算導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算(適用于傾角為0～54°的煤層)

煤層覆巖內(nèi)為堅(jiān)硬、中硬、軟弱、極軟弱巖層或其互層及厚煤層分層開采時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶最大高度均可選擇下表中給出的兩種經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。覆巖破壞高度的計(jì)算

開采急傾斜煤層(傾角為55～90°)時(shí)冒落帶高度和導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算煤層頂?shù)装鍘r層內(nèi)為堅(jiān)硬、中硬、軟弱巖層，用垮落法開采時(shí)的冒落帶高度和導(dǎo)水裂縫帶高度可用下表中給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。覆巖破壞高度的計(jì)算開采近距離煤層時(shí)冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度a)上、下兩層煤的垂距h大于回采下層煤時(shí)所產(chǎn)生的冒落帶高度Hxm時(shí)，下層冒落帶對(duì)上層開采影響很小，可按上、下煤層的厚度分別計(jì)算各自的導(dǎo)水裂縫帶高度和冒落帶高度，取其中標(biāo)高值大者作為兩層煤的導(dǎo)水裂縫帶高度；冒落帶高度則取上層煤的冒落帶高度.覆巖破壞高度的計(jì)算開采近距離煤層時(shí)冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度

b)下層煤的冒落帶接觸到或完全進(jìn)入上層煤時(shí)，上層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度按本層煤的厚度計(jì)算，下層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度則采用上、下層煤的綜合開采厚度計(jì)算，取其中標(biāo)高值大者作為兩層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度。上、下煤的綜合開采厚度可按下式計(jì)算：Mx1-2＝M2＋(M1－h(huán)1-2/y2)

式中h1-2－上、下煤層之間的法線距離；y2－上層煤的冒落帶高度與采厚之比。覆巖破壞高度的計(jì)算開采近距離煤層時(shí)冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度

c)如果上、下煤的間距很小，則綜合開采厚度取兩層煤厚之和。求出綜合開采厚度后，即可按照單一煤層開采時(shí)的冒落帶高度和導(dǎo)水裂縫帶高度的計(jì)算公式，計(jì)算出多煤層開采條件下冒落帶高度和導(dǎo)水裂縫帶高度。水體下采煤的技術(shù)措施留設(shè)安全煤巖柱處理水體開采技術(shù)措施留設(shè)安全煤巖柱在煤層至水體底面垂直距離很近的條件下，必須在水體和煤層開采上限之間留設(shè)一定垂深的巖層塊段和煤層，稱為安全煤巖柱。根據(jù)防水、防砂和防塌的不同要求，安全煤巖柱可分為防水安全煤巖柱、防砂安全煤巖柱和防塌煤巖柱。留設(shè)安全煤巖柱的實(shí)質(zhì)是確定合理的開采上限，保證導(dǎo)水裂縫帶或冒落帶不波及水體。這個(gè)開采上限，對(duì)水平的煤層群來說是某一煤層，對(duì)于傾斜煤層來說是煤層的某一標(biāo)高。留設(shè)安全煤巖柱留設(shè)防水安全煤巖柱在水體底界面至煤層開采上限之間所留設(shè)的防止水體中的水潰入井下的煤和巖層塊段稱為防水安全煤巖柱。目的：不允許導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р暗剿w結(jié)果：避免上覆水體涌入井下，并要使礦井涌水量不明顯增加。留設(shè)安全煤巖柱留設(shè)防水安全煤巖柱防水安全煤巖柱適用于下列情況：a)各種大型地表水體下采煤；b)各類地表水體和第四紀(jì)、第三紀(jì)松散含水層下開采急傾斜煤層；c)厚度大、富水性強(qiáng)、補(bǔ)給充足的第四紀(jì)、第三紀(jì)松散含水層下開采緩傾斜或傾斜煤層；留設(shè)安全煤巖柱留設(shè)防水安全煤巖柱d)水體與基巖間元隔水層或隔水層極薄條件下開采緩傾斜或傾斜煤層；e)含水豐富、補(bǔ)給充足的基巖含水層特別是巖溶水體下采煤；f)在水庫、水源、水渠和池塘等生產(chǎn)和生活要求保護(hù)的水體下采煤；g)礦井排水能力有限或礦井涌水量增加會(huì)惡化工作面作業(yè)環(huán)境的條件下采煤。留設(shè)安全煤巖柱留設(shè)防水安全煤巖柱

防水安全煤巖柱的高度等于預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂縫帶最大高度加上適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)層厚度，即：Hsh＝Hli＋Hb式中：Hli－導(dǎo)水裂縫帶最大高度，按前述表中給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算；Hb－保護(hù)層厚度留設(shè)安全煤巖柱留設(shè)防水安全煤巖柱地表有松散覆蓋層時(shí)的防水安全煤巖柱留設(shè)

HshHd+Hb

地層上部無松散層覆蓋，且采深較小時(shí)的防水安全煤巖柱HshHd+Hb+Hbi

基巖風(fēng)化帶也含水時(shí)的防水安全煤巖柱HshHd+Hb+Hfe留設(shè)安全煤巖柱留設(shè)防砂安全煤巖柱

在松散弱含水層底界面至煤層開采上限之間為防止流砂潰入井下而保留的煤和巖層塊段稱為防砂安全煤巖柱。目的：是允許導(dǎo)水?dāng)嗔褞Р八缮⑷鹾畬踊蛞咽杞档乃缮訌?qiáng)含水層，但不容許垮落帶接近松散層底部結(jié)果：泥砂不會(huì)潰入井下，礦井涌水量會(huì)略有增加，或只是短時(shí)間增加。防砂安全煤巖柱Hs=Hk+Hb式中Hk－冒落帶高度，按上述表中給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

防沙煤巖柱的適用條件？留設(shè)安全煤巖柱留設(shè)防塌安全煤巖柱

在松散粘土層和已經(jīng)疏干的松散含水層底界面與煤層開采上限之間為防止泥砂塌入采空區(qū)而保留的煤和巖層塊段稱為防塌煤巖柱。留設(shè)防塌煤巖柱時(shí)是允許導(dǎo)水裂縫帶和冒落帶波及松散弱含水層底部的，所以在開采過程中采區(qū)涌水量會(huì)有所增加，但不會(huì)發(fā)生災(zāi)害性的后果。

防塌煤巖柱的適用條件？安全煤巖柱保護(hù)層厚度位于導(dǎo)水?dāng)嗔褞线吔缁蚩迓鋷线吔缗c水體底界面之間的巖層

覆巖巖性松散層底部粘性土層厚度大于累計(jì)采厚松散層底部粘性土層厚度小于累計(jì)采厚松散層全厚小于累計(jì)采厚松散層底部無粘性土層堅(jiān)硬4A5A6A7A中硬3A4A5A6A軟弱2A3A4A5A極軟弱2A2A3A4A

注：A=M/n，M-累計(jì)采厚，m；n-分層層數(shù)；本表不適用于綜放開采0