厚及特厚煤層放頂煤開采方法的應(yīng)用

厚及特厚煤層放頂煤開采方法的應(yīng)用

水體下采井的保護(hù)對象主要是井本身。其主要任務(wù)是防止水源、污泥、砂井和溢流，確保安全生產(chǎn)。另一方面則是對有經(jīng)濟(jì)價值的水體及其附屬設(shè)施進(jìn)行保護(hù),以免遭受井下開采的不良影響。由于放頂煤開采方法一次開采厚度加大,開采強(qiáng)度增加,致使采動破壞性影響程度明顯加劇,對實現(xiàn)水體下安全采煤十分不利。經(jīng)過近年來的努力,在水體下成功地應(yīng)用了放頂煤開采方法,至今已安全采出水體下壓煤數(shù)千萬噸,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。1放頂煤開采技術(shù)厚及特厚煤層放頂煤開采方法可分為綜采放頂煤、普采放頂煤、炮采放頂煤等多種類型。綜采放頂煤開采20世紀(jì)80年代初我國開始試驗,90年代以來發(fā)展迅速,在國有重點煤礦得到了普遍應(yīng)用。普采、炮采放頂煤是近幾年在綜采放頂煤技術(shù)取得成功的基礎(chǔ)上從生產(chǎn)實踐中涌現(xiàn)出的一種革新的采煤工藝,在國有地方煤礦得到了廣泛應(yīng)用。此外,在地方小煤窯中,高落式放頂煤開采方法(俗稱“放大院”)的應(yīng)用也相當(dāng)普遍。這些放頂煤開采方法在水體下采煤領(lǐng)域都得到了不同程度的應(yīng)用,其中水體下綜放開采的應(yīng)用約開始于90年代初,應(yīng)用較普遍,如兗州、邢臺、龍口、淄博濟(jì)北、大屯、淮南等礦區(qū),在留設(shè)防水、防砂及防塌煤柱等條件下都成功地實現(xiàn)了綜放安全開采;而炮采放頂煤以及高落式放頂煤開采在水體下采煤領(lǐng)域的應(yīng)用則要晚一些,主要是在棗莊、河南的一些礦區(qū)以及某些地方小煤礦等有所應(yīng)用。1.1研究在綜放開采中的利用價值所謂頂水采煤,就是在采煤工作面上方存在水體并且不對其進(jìn)行疏降處理的前提下進(jìn)行頂水作業(yè)。其具體做法主要是留設(shè)合理的防水煤巖柱。綜放一次開采厚度增大,致使覆巖破壞高度加大,所需留設(shè)的防水煤柱尺寸更需增大,此時能否在礦井原設(shè)計防水煤柱條件下實現(xiàn)綜放安全開采以及如何確定的合理回采上限等問題都亟待解決。20世紀(jì)90年代初,首先針對兗州礦區(qū)興隆莊煤礦的具體情況,進(jìn)行了特厚煤層(平均厚度8.65m)中硬覆巖條件下綜放開采合理確定回采上限的觀測研究和工業(yè)性試驗,先后在全煤厚綜放最小防水煤柱垂高78m,68m以及網(wǎng)下綜放最小防水煤柱垂高66m條件下實現(xiàn)了頂水安全開采。不但未增大原設(shè)計垂高為80m的防水煤柱,反而將其縮小了12m(全煤厚綜放)或24m(網(wǎng)下綜放)。已安全采出水體下壓煤382萬t,取得了良好的經(jīng)濟(jì)及社會效益。接著又在兗州煤田的太平煤礦實現(xiàn)了3煤首采工作面在最小防水煤柱垂高60m、煤厚8m、中硬覆巖、存在底粘條件下的綜放頂水安全開采,工作面無水,獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。地處海濱的龍口礦區(qū)屬“三軟”地層條件。北皂煤礦煤4平均厚度8.12m,經(jīng)濟(jì)可采厚度平均5.6m。原設(shè)計為分層開采,改用綜放開采后其回采上限需要重新確定。面對當(dāng)時軟弱覆巖條件下綜放開采的覆巖破壞高度預(yù)計無實測數(shù)據(jù)可依,北皂煤礦煤4綜放首采工作面也是龍口礦區(qū)“三軟”地層條件下應(yīng)用綜放開采技術(shù)的第1個工作面,同時存在著“三軟”地層條件下放頂煤開采能否成功以及在含水砂層下和煤2采空區(qū)下能否安全開采等諸多新問題,通過全面分析研究,確定了合理的回采上限,完成了三采區(qū)內(nèi)3個綜放工作面的工業(yè)性試驗和安全開采,取得了“三軟”地層條件下綜放頂水開采的成功。在龍口礦區(qū)海下煤田進(jìn)行綜放頂水開采的可行性研究已經(jīng)完成。在此基礎(chǔ)上開始了海域煤田的開拓,我國的海下采煤從此拉開了序幕。1.2留設(shè)砂煤柱的安全開采效果過去在含水砂層下留設(shè)防砂煤柱開采厚煤層時,一般禁止采用放頂煤方法,其原因是放煤一旦失控容易造成潰水、潰泥、潰砂事故。但隨著綜放開采技術(shù)的普及,帶來了在含水砂層下采用綜放開采方法留設(shè)防砂煤柱如何實現(xiàn)安全開采的新問題。為此,針對兗州礦區(qū)楊村煤礦第四系松散層底部含水砂層屬弱富水松散層,以及含水砂層底部分布有一層厚度約1~4m的粘土層等具體條件,實現(xiàn)了平均煤厚8.0m、最小防砂煤柱垂高40m條件下的綜放安全開采,回采工作面內(nèi)未出現(xiàn)淋、涌水現(xiàn)象,獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益;針對興隆莊煤礦第四系松散層底部含水砂層屬中等富水松散層,以及最小防砂煤柱為44m等具體情況,進(jìn)行了頂分層與網(wǎng)下綜放開采相結(jié)合條件下變防水煤柱為防砂煤柱的試驗研究,取得了可喜的進(jìn)展。1.3留防塌煤柱放頂煤安全開采問題留設(shè)防塌煤柱開采厚煤層,過去也禁止采用放頂煤方法。隨著放頂煤方法的普及,也帶來了如何實現(xiàn)留設(shè)防塌煤柱放頂煤安全開采的新問題。為此,針對邢臺煤礦松散層底部含水砂層基本已疏干的具體條件進(jìn)行了試驗,通過井下探放水、邊采邊疏預(yù)先疏干底礫層以及井下注漿治理潰泥潰砂,取得了采放厚度6.4m、最小防塌煤柱12m條件下放頂煤開采的成功經(jīng)驗。1.4高落式放頂煤頂水安全開采可行性高落式放頂煤開采方法在小煤窯中應(yīng)用較普遍,其特點是采場布置較靈活,對地質(zhì)采礦條件的適應(yīng)性較強(qiáng)。但其放煤過程難以控制,覆巖破壞情況一般較難預(yù)測。所以,在水體下采煤中常常禁止使用。針對建昌營煤礦煤層開采將受到第四系孔隙潛水強(qiáng)含水層和煤系基巖孔隙裂隙承壓弱含水層等多種復(fù)合水體的威脅和影響,含煤地層為中生界侏羅系上統(tǒng)(J3),4,5-2,5,6-2,6煤組的煤層厚度分別為4.7m,4.2m,11.4m,8m,14m,覆巖類型為軟弱至極軟弱,以及缺少覆巖破壞方面的實測數(shù)據(jù)等具體條件,通過與相似材料模擬試驗及中硬覆巖厚煤層分層與放頂煤長壁開采條件下的現(xiàn)場實測結(jié)果進(jìn)行類比分析,得出了各煤組高落式放頂煤開采條件下的導(dǎo)水裂縫帶高度和保護(hù)層尺寸,確定了合理的回采上限,制定了切實可行的安全技術(shù)措施,成功地實現(xiàn)了高落式放頂煤頂水安全開采。2煤巖柱安全煤巖柱的綜合研究技術(shù)體系的建立水體下放頂煤開采的觀測研究主要包括覆巖破壞的現(xiàn)場觀測及預(yù)計、安全煤巖柱的評價和設(shè)計與保護(hù)層厚度的選取、采動破壞性影響理論與控制、工作面涌水量預(yù)計與涌水形式的控制以及安全監(jiān)測等方面,并在以往研究工作的基礎(chǔ)上,逐步形成了水體下采煤的綜合研究技術(shù)體系。2.1工作面涌水量預(yù)計的研究進(jìn)展安全煤巖柱性能的好壞是決定水體下采煤成敗以及能否提高回采上限的關(guān)鍵因素。根據(jù)宏觀特征如巖性、賦存結(jié)構(gòu)、力學(xué)強(qiáng)度、節(jié)理裂隙的發(fā)育狀況等進(jìn)行安全煤巖柱性能研究及質(zhì)量評價,仍然是可行的方法。近年來,又將先進(jìn)的顯微分析技術(shù)和礦物成份鑒定技術(shù)應(yīng)用于對安全煤巖柱的微觀結(jié)構(gòu)、礦物成份進(jìn)行定量測定,并與力學(xué)試驗、水理試驗及宏觀分析等相結(jié)合,全面研究安全煤巖柱的含隔水性能,為充分利用安全煤巖柱中隔水巖層的良好隔水性和再生隔水能力提供了技術(shù)保證。近年來,通過水體下放頂煤開采的不斷探索研究與生產(chǎn)實踐,提出、應(yīng)用并完善了水體下采煤覆巖類型的多因素多指標(biāo)分類法,開發(fā)了水體下采煤可視化預(yù)測分析軟件,初步形成了放頂煤開采條件下的露頭煤柱設(shè)計理論與方法,其中保護(hù)層厚度的選取準(zhǔn)則以及所采取的開采技術(shù)措施和防水安全措施等都具有新的特點,既最大限度地提高了回采上限,又保證了礦井生產(chǎn)安全。近年來還開展了孔隙裂隙巖體與滲流特征研究,為促進(jìn)工作面涌水量預(yù)計這一世界難題的解決進(jìn)行了必要的探索。此外,由于實踐經(jīng)驗不斷豐富,在實際工作中應(yīng)用類比法等計算方法所得出的預(yù)計結(jié)果與實際情況的符合率更高。影響工作面涌水量的兩個關(guān)鍵因素是充水水源和充水通道,在充水水源一定的情況下,充水通道將成為影響工作面涌水量的最關(guān)鍵因素。針對充水能力和補(bǔ)給條件都比較有限的弱含水層,一般只需控制工作面的充水形式就可以達(dá)到控水采煤的目的;而對于充水能力較強(qiáng)補(bǔ)給又比較充足的強(qiáng)含水層,不僅要控制工作面的充水形式,而且還要限制充水通道的過水能力,才能夠達(dá)到控水采煤的目的。充水通道的過水能力主要取決于巖層本身的滲透性能和采動破壞性影響的程度,而采動條件下覆巖的破壞及其滲透性的變化都遵循一定規(guī)律。近幾年來,通過對覆巖破壞規(guī)律以及巖層尤其是受到采動破壞性影響的巖層的滲透性能及其變化特征的不斷研究,并與具體的采礦技術(shù)條件、相應(yīng)的采煤工藝和有效的技術(shù)措施相結(jié)合,逐步取得了控水采煤的成功。如興隆莊煤礦4303工作面就實現(xiàn)了采空區(qū)滯后出水形式下的控水安全采煤。2.2覆巖破壞高度預(yù)計覆巖破壞情況的預(yù)測是決定水體下采煤成敗的重要內(nèi)容,而正確掌握覆巖破壞規(guī)律則是正確預(yù)測覆巖破壞狀況的基礎(chǔ)。放頂煤開采與分層開采有著明顯不同,因而,放頂煤開采的覆巖破壞也有著新的特點,成為近年來覆巖破壞研究的重點,并有了新的進(jìn)展。近年來,在同一覆巖類型及巖性結(jié)構(gòu)條件下進(jìn)行了綜采分層、綜放開采、網(wǎng)下綜放開采等一系列不同采煤方法情況下的現(xiàn)場實測、室內(nèi)相似材料模擬實驗及數(shù)值模擬分析等工作,全面、系統(tǒng)地研究了由炮采、普采、綜采、分層綜采到綜放開采等一系列不同采煤工藝方法的覆巖破壞規(guī)律及其演變關(guān)系和特征,形成了覆巖破壞規(guī)律的綜合研究技術(shù)體系,在研究并提高覆巖破壞預(yù)計理論的基礎(chǔ)上總結(jié)出了一套較實用的預(yù)計方法,為正確計算其它覆巖類型大采高采煤工藝方法條件下的覆巖破壞高度提供了理論依據(jù)。覆巖破壞的現(xiàn)場觀測是獲取覆巖破壞數(shù)據(jù)的重要手段。傳統(tǒng)的鉆孔沖洗液方法仍然是觀測覆巖破壞發(fā)育高度的一種常用而有效的方法,其優(yōu)點是簡單、易操作、觀測數(shù)據(jù)較能反映實際導(dǎo)水情況;缺點是觀測精度較低,在某些原巖裂隙發(fā)育的地區(qū)往往不能取得可靠數(shù)據(jù),對把握觀測時機(jī)的要求也較高,一旦錯過合適的觀測時機(jī)將會導(dǎo)致觀測工作失敗,且無法補(bǔ)救,使得所施工鉆孔報廢,造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失,同時鉆探費用也較高。為了彌補(bǔ)其不足,在測試覆巖破壞發(fā)育高度及特征時,又相繼開發(fā)應(yīng)用了鉆孔聲速法、鉆孔超聲成像法、鉆孔電視法及直流電法、瞬變電磁、探地雷達(dá)等物探方法,并取得了預(yù)期效果。近年來還采用微震監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行覆巖破壞規(guī)律的動態(tài)監(jiān)測。2.3采空煤厚的綜合開采研究及實踐結(jié)果表明,綜放開采的覆巖破壞高度尤其是裂高明顯大于分層開采情況,而分層重復(fù)開采時覆巖破壞的高度增加一般不明顯,即使增大重復(fù)開采的厚度,覆巖破壞的高度一般也不會明顯增加。根據(jù)這一認(rèn)識提出并實踐了綜采分層開采與放頂煤開采相結(jié)合的方法,即頂分層采用綜采分層開采方法,對剩下的相當(dāng)于兩個分層的煤厚進(jìn)行放頂煤開采,這種開采方法的實測裂高較全煤厚綜放開采約降低40%,既有效地控制了覆巖破壞高度,進(jìn)一步縮小了防水煤柱,又實現(xiàn)了高產(chǎn)高效頂水安全采煤,并擴(kuò)大了綜放在水體下采煤領(lǐng)域的使用范圍,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。綜放開采可以通過調(diào)整放煤量的多少來實現(xiàn)開采厚度的靈活調(diào)整和限制。利用綜放開采的這一特點,針對某些工作面在局部地點若按實際煤厚開采可能出現(xiàn)潰水、潰泥、潰砂等事故的實際情況,采取在局部適當(dāng)減少放煤量的辦法來控制覆巖破壞高度的發(fā)展,實現(xiàn)了困難條件下的綜放安全開采。3覆巖破壞探測與近水體安全采煤的技術(shù)研究由于水體下放頂煤開采的成功試驗和推廣應(yīng)用僅局限于部分礦區(qū),加之對放頂煤開采的特殊性所產(chǎn)生的某些變異規(guī)律及特點的研究與認(rèn)識尚不全面,所以,在新修訂的《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》(以下簡稱《規(guī)程》)中規(guī)定,放頂煤開采方法在水體下采煤領(lǐng)域尤其是留設(shè)防砂及防塌煤柱條件下的應(yīng)用還必須要遵循試驗開采的程序,放頂煤開采的覆巖破壞預(yù)計及保護(hù)層選取方法等還都尚未納入《規(guī)程》,對此仍需不斷研究和豐富。鑒于在水體下實現(xiàn)放頂煤安全開采較分層開采有更大的風(fēng)險和難度,所以,需要深入研究放頂煤開采的覆巖破壞規(guī)律、不斷加強(qiáng)預(yù)測理論與方法研究、優(yōu)化水體下放頂煤開采設(shè)計、規(guī)范水體下放頂煤開采工藝、制定切實可行的水體下放頂煤安全技術(shù)措施以及建立可靠的安全監(jiān)測系統(tǒng)等,才可以有效地避免水體下放頂煤開采的安全風(fēng)險和更經(jīng)濟(jì)合理地實現(xiàn)安全開采。覆巖破壞探測始終是水體下放頂煤開采中不可缺少的重要內(nèi)容,目前正由傳統(tǒng)的沖洗液漏失量觀測的單一技術(shù)向著鉆孔電視、鉆孔超聲成象、鉆孔聲速、數(shù)字測井等測井手段與沖洗液漏失量觀測相結(jié)合,電法探測、雷達(dá)探測、地震探測、瞬變電磁法探測等物探手段與鉆探相結(jié)合,微震監(jiān)測技術(shù)與專業(yè)解釋相結(jié)合等方向發(fā)展。隨著現(xiàn)代新技術(shù)手段的發(fā)展,覆巖探測技術(shù)與新技術(shù)手段的結(jié)合將更加緊密,如EH-4電磁法等新的探測系統(tǒng)將會被不斷地引入到覆巖破壞探測領(lǐng)域,既可以減少鉆探工程量和降低鉆探工程費用,又有利于提高探測效果。近水體采煤條件下的安全監(jiān)測技術(shù)對于預(yù)防災(zāi)害事故的發(fā)生以及防止災(zāi)害事故的擴(kuò)大都具有非常重要的實際作用,而且對于實現(xiàn)近水體安全采煤也是非常必要的,也是至今一直未能很好解決的難題。如海下采煤項目就要求建立安全監(jiān)測系統(tǒng)。為了解決好這一技術(shù)問題,近年來在水體下采煤實踐中進(jìn)行了多方面的研究和探索。首先,開展了應(yīng)用井下圍巖溫度分布規(guī)律來預(yù)測預(yù)報回采工作面突水的研究,其原理是根據(jù)井下圍巖溫度場測量結(jié)果分析推斷地下水的分布及其與采掘工程之間的聯(lián)系,進(jìn)而為實現(xiàn)突水預(yù)測預(yù)報提供參考依據(jù)。并通過與地下水動態(tài)觀測、工作面水情監(jiān)測及分析預(yù)測相結(jié)合,對安全生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)報。在實際應(yīng)用中為頂水安全采煤和高產(chǎn)高效提供了一定保證;其次,提出應(yīng)用微震監(jiān)測技術(shù)建立近水體采煤的安全監(jiān)測系統(tǒng),并進(jìn)行了可行性研究與探索。微震監(jiān)測技術(shù)的基本原理是實時接收巖石及巖體開裂時發(fā)出的彈性波信號來確定開裂點的空間位置,并實時追蹤,進(jìn)而解釋其工程意義。它與地下水動態(tài)及礦井涌水量自動監(jiān)測新技術(shù)發(fā)展等相結(jié)合,將有可能實現(xiàn)井下突水的實時預(yù)測和報警。中國水資源人均占有量偏低;全國水資源的地區(qū)分布極不平衡;水資源分配量差別很大。目前,煤礦開采以犧牲水資源環(huán)境為代價,許多煤礦區(qū)地下水資源都已面臨過量開采、水質(zhì)惡化的局面,可利用水資源已呈現(xiàn)逐漸枯竭的趨勢。合理地保護(hù)煤礦區(qū)地下水資源