水體下安全采煤技術(shù)的發(fā)展

水體下安全采煤技術(shù)的發(fā)展

水體下采井的保護(hù)對(duì)象主要是井本身。其主要目標(biāo)是防止損壞、泥漿、砂井和超標(biāo)，避免損壞井巷，確保安全生產(chǎn)。另一方面則是對(duì)有經(jīng)濟(jì)價(jià)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。水體下采煤?jiǎn)栴}與其它問(wèn)題相比,往往具有更大的危險(xiǎn)性。這是因?yàn)?在某些條件下,水體一旦遭受破壞,就會(huì)威脅整個(gè)礦井的生產(chǎn)和人身安全。水體下采煤?jiǎn)栴}普遍存在于各礦區(qū),其開采技術(shù)亦漸趨成熟,而且隨著煤炭科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步、煤礦開采技術(shù)水平的不斷提高以及地質(zhì)采礦條件的不斷變化,水體下安全采煤技術(shù)也在不斷發(fā)展。其主要特點(diǎn)為,采煤方法及其各有關(guān)技術(shù)的發(fā)展變化與現(xiàn)代化安全生產(chǎn)需求及現(xiàn)代技術(shù)水平的結(jié)合更加緊密。尤其是高產(chǎn)高效采煤方法在水體下安全采煤中的成功應(yīng)用和不斷發(fā)展,為水體下安全采煤技術(shù)提供了廣闊的市場(chǎng)空間,同時(shí)也為水體下安全采煤技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。水體下采煤不僅是一個(gè)十分復(fù)雜的、專業(yè)性很強(qiáng)的技術(shù)問(wèn)題,而且與設(shè)計(jì)、審批、實(shí)施等多個(gè)環(huán)節(jié)密不可分,它不僅關(guān)系到礦井及人身安全,也關(guān)系到井下生產(chǎn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。1放大院技術(shù)的應(yīng)用隨著高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井建設(shè)的需要,綜合機(jī)械化采煤方法尤其是綜合機(jī)械化放頂煤方法得到了較普遍的推廣應(yīng)用;而在小煤窯中,高落式采煤法(俗稱“放大院”)的應(yīng)用也相當(dāng)普遍。此類采煤方法由于開采強(qiáng)度較大,致使開采影響及其破壞程度較劇烈,與傳統(tǒng)的水體下安全采煤技術(shù)原則發(fā)生了沖突。因此,如何解決這類采煤方法在水體下安全采煤中的應(yīng)用,就成了亟待解決的問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要,我們與礦方密切合作,在水體下先后成功地應(yīng)用了綜采、綜放以及高落式等采煤方法,尤其是在江、河、湖、海等地表水體和松散含水層、基巖含水層等地下水體條件下進(jìn)行綜放開采的研究與探索一直沒有間斷。1.1綜合應(yīng)用于水條件的研究和實(shí)踐1.1.1大采高分質(zhì)開采的要求頂水采煤,是指在采煤工作面上方存在水體并且不對(duì)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,主要應(yīng)用于強(qiáng)、中等水體條件下,優(yōu)點(diǎn)是一般不增加礦井額外涌水量。過(guò)去厚煤層分層開采多采用炮采與普機(jī)采,其采厚一般在2m左右,有利于抑制覆巖破壞高度。隨著綜合機(jī)械化采煤技術(shù)的推廣普及,分層開采厚度一般加大到3m左右,造成了覆巖破壞高度的增加,所需留設(shè)防水煤柱的尺寸一般也需要增大。而在這種條件下如何縮小原設(shè)計(jì)的防水煤柱尺寸,保證采煤安全、合理,就成為水體下采煤中的新問(wèn)題。針對(duì)山東兗州礦區(qū)興隆莊煤礦原設(shè)計(jì)按照普機(jī)采分四層開采要求留設(shè)的垂高為80m的防水煤柱和壓煤呆滯儲(chǔ)量達(dá)8576.4萬(wàn)t的具體情況,對(duì)特厚煤層(厚度7.5~9.2m)進(jìn)行綜合機(jī)械化分層大采高(2.4~3.3m)走向長(zhǎng)壁全部垮落法不疏降頂水開采。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的不斷努力,在綜采分三層開采條件下成功地將原設(shè)計(jì)防水煤柱縮小到了53m(局部達(dá)51m),僅興隆莊煤礦采出水體下壓煤就已超過(guò)540萬(wàn)t,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益,開創(chuàng)了我國(guó)含水砂層下綜機(jī)采煤史上的先例。1.1.2無(wú)砂混凝土柱式開采采高越大,覆巖破壞高度就越大,破壞程度也越劇烈。針對(duì)河北邢臺(tái)礦區(qū)東龐煤礦第四系松散層底部礫石層富水性弱,補(bǔ)給、逕流條件也較弱等具體條件,進(jìn)行了4.5m高架綜采一次采全高留設(shè)防塌煤柱開采實(shí)踐,通過(guò)井下探放水及邊采邊疏預(yù)先疏干底礫層,實(shí)現(xiàn)了最小基巖柱7.7~15m時(shí)限制采厚3.6~4.0m、最小基巖柱大于15m時(shí)一次采全高4.5m條件下的安全開采。1.2采用不同類型水體和復(fù)雜條件的研究和實(shí)踐1.2.1利用“三軟”地層條件下的開采實(shí)踐放頂煤開采技術(shù)在松散層含水體下的應(yīng)用最普遍,開始時(shí)間最早,針對(duì)露頭煤柱所進(jìn)行的水體下綜放開采技術(shù)研究也最多。如兗州、邢臺(tái)、龍口、淄博濟(jì)北、淮南等礦區(qū),都開展了留設(shè)防水或防砂乃至防塌煤柱等條件下的綜放開采試驗(yàn)研究,其覆巖則以中硬類型為主,其次為軟弱類型。1)綜放頂水安全開采的研究與實(shí)踐。隨著綜放開采方法的普遍應(yīng)用,開采厚度也明顯增大,致使覆巖破壞高度明顯加大,所需留設(shè)的防水煤柱的尺寸更需增大,此時(shí)能否在礦井原設(shè)計(jì)防水煤柱條件下實(shí)現(xiàn)綜放安全開采以及如何確定綜放開采的合理回采上限等問(wèn)題都亟待解決。在山東兗州礦區(qū)興隆莊煤礦進(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(cè)研究和工業(yè)性試驗(yàn),先后在全煤厚綜放最小防水煤柱垂高78m、68m以及綜采與綜放相結(jié)合最小防水煤柱垂高66m條件下實(shí)現(xiàn)了頂水安全開采。不但未增大原設(shè)計(jì)垂高為80m的防水煤柱,反而將其縮小了12m(全煤厚綜放)或24m(綜采與綜放相結(jié)合)。已安全采出水體下壓煤382萬(wàn)t。除4303工作面回采結(jié)束后在最小基巖柱尺寸為68m且底粘缺失處出現(xiàn)采空區(qū)滯后涌水外,其余各采煤工作面自投產(chǎn)至結(jié)束均未出現(xiàn)明顯的涌、淋水現(xiàn)象。接著又在兗州煤田的太平煤礦實(shí)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(wú)水。均獲得了良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。地處海濱的山東龍口礦區(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(jì)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(duì)當(dāng)時(shí)軟弱覆巖條件下綜放開采的覆巖破壞高度預(yù)計(jì)無(wú)實(shí)測(cè)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)的第一個(gè)工作面,同時(shí)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(wèn)題,通過(guò)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(gè)綜放工作面的工業(yè)性試驗(yàn)和安全開采,取得了“三軟”地層條件下綜放頂水開采的成功。在完成山東龍口礦區(qū)海下煤田綜放頂水開采可行性研究的基礎(chǔ)上,開始了海域煤田的開拓,我國(guó)的海下采煤從此拉開了序幕。2)綜放頂疏結(jié)合安全開采的研究與實(shí)踐。扎賚諾爾礦區(qū)鐵北煤礦上侏羅統(tǒng)煤系地層屬典型的“三軟”地層,煤層的經(jīng)濟(jì)可采厚度約7~8m,煤層頂板由多層半固結(jié)的含水砂巖和隔水泥巖交互沉積而構(gòu)成,極易造成井下潰水、潰砂,如何盡快實(shí)現(xiàn)綜采放頂煤安全開采,解決煤水混流問(wèn)題,提高礦井經(jīng)濟(jì)效益及安全合理的回收煤炭資源等,已成為鐵北煤礦亟待解決的難題。為此,通過(guò)控水采煤技術(shù)的綜合運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)了多層半固結(jié)砂巖含水層條件下的綜放頂疏結(jié)合安全開采,回采工作面及采空區(qū)未出現(xiàn)潰泥、潰砂災(zāi)害,并創(chuàng)造性地解決了煤水混流問(wèn)題,達(dá)到了控水采煤的目的,獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。3)留設(shè)防砂煤柱綜放安全開采的研究與實(shí)踐過(guò)去在含水砂層下留設(shè)防砂煤柱開采厚煤層時(shí),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(lái)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(shí)現(xiàn)安全開采的新問(wèn)題。為此,針對(duì)山東兗州礦區(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(shí)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(duì)山東兗州興隆莊煤礦二采區(qū)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)行了頂分層綜采與網(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(yàn)研究,取得了可喜的進(jìn)展。針對(duì)興隆莊煤礦四采區(qū)第四系松散層底部含水砂層屬弱富水松散層、含水砂層底部無(wú)粘土層、覆巖為中硬類型以及最小基巖柱垂高68m、平均煤厚8.11m等具體條件,進(jìn)行了全煤厚煤厚綜放開采變防水煤柱為防砂煤柱的試驗(yàn)研究,取得了工作面采空區(qū)滯后涌水形式下的安全開采。針對(duì)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(yàn)研究,取得了可喜的進(jìn)展。4)留設(shè)防塌煤柱綜放安全開采的研究與實(shí)踐。留設(shè)防塌煤柱開采厚煤層,過(guò)去也禁止采用放頂煤方法。隨著放頂煤方法的普及,也帶來(lái)了如何實(shí)現(xiàn)留設(shè)防塌煤柱放頂煤安全開采的新問(wèn)題。為此,針對(duì)河北邢臺(tái)礦區(qū)邢臺(tái)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(yàn),通過(guò)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(yàn)。針對(duì)興隆莊煤礦四采區(qū)第四系松散層底部含水砂層屬弱富水松散層,以及最小防塌煤柱為33m等具體情況,進(jìn)行了綜放開采條件下變防水煤柱為防塌煤柱的試驗(yàn)研究,取得了可喜的進(jìn)展。5)高落式采煤法頂水安全開采的研究與實(shí)踐。高落式采煤法在小煤窯中應(yīng)用較普遍,特點(diǎn)是采場(chǎng)布置較靈活,對(duì)地質(zhì)采礦條件的適應(yīng)性較強(qiáng)。但其落煤過(guò)程難以控制,覆巖破壞情況一般較難預(yù)測(cè)。所以,在水體下采煤中常常禁止使用。針對(duì)內(nèi)蒙赤峰建昌營(yíng)煤礦厚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、5個(gè)煤組的煤層厚度分別為4.2~14m、覆巖類型為軟弱至極軟弱以及缺少覆巖破壞方面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等具體條件,通過(guò)相似材料模擬試驗(yàn)及類比分析,確定了合理的回采上限,制定了切實(shí)可行的安全技術(shù)措施,成功地實(shí)現(xiàn)了高落式采煤方法頂水安全開采。既采出了水體下壓煤,又保證了礦井安全。1.2.2水層開采技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在基巖含水層下也成功地應(yīng)用了綜放開采技術(shù)。如陜西彬縣礦區(qū)在白堊紀(jì)砂礫巖含水層下成功地實(shí)現(xiàn)了綜放開采和綜放重復(fù)開采,尤其是在扎賚諾爾礦區(qū)鐵北煤礦多層松軟砂巖含水層下不僅成功地應(yīng)用了綜放開采技術(shù),而且解決了采用綜采開采方法所難以解決的難題,更加顯示出綜放開采技術(shù)應(yīng)用于該類地層及水體條件下的優(yōu)勢(shì)。1.2.3放開采技術(shù)在開采地面水體下壓煤方面也成功地應(yīng)用了綜放開采技術(shù)。如鶴崗、靈武等礦區(qū)在河流下進(jìn)行的綜放開采、龍口礦區(qū)在海下煤田進(jìn)行的綜放開采、大屯礦區(qū)在湖下進(jìn)行的綜放開采等。1.2.4采煤層上覆巖安全風(fēng)險(xiǎn)在急傾斜煤層條件下應(yīng)用水平分層綜放開采技術(shù),其覆巖破壞很容易發(fā)展到地表,當(dāng)開采煤層上方存在水體或泥沙甚至在雨季時(shí),極易出現(xiàn)潰水、潰砂、潰泥事故,所以具有更大的安全風(fēng)險(xiǎn),解決該類問(wèn)題的難度也就更大。針對(duì)梅河四井急傾斜煤層水平分層綜放工作面出現(xiàn)潰泥、潰水事故的實(shí)際情況,開展了防治技術(shù)研究,取得了可喜的進(jìn)展。1.2.5采空區(qū)水體開采量過(guò)大、風(fēng)險(xiǎn)采空區(qū)水體下采煤的特點(diǎn)是一旦發(fā)生突水,則其水勢(shì)異常迅猛,令人防不勝防。而在采空區(qū)水體下進(jìn)行綜放開采的風(fēng)險(xiǎn)則更大,也更具有挑戰(zhàn)性。如大同礦區(qū)同忻礦部分侏羅系采空區(qū)水體下的壓煤將采用綜放頂水開采技術(shù),部分采空區(qū)將疏干后再進(jìn)行綜放開采。1.3保水采煤對(duì)水體理化性質(zhì)要求更高地球上水資源的特點(diǎn)是空間和時(shí)間的分布很不均勻。中國(guó)水資源分布的特點(diǎn)是,水資源人均占有量偏低;全國(guó)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(jià),不惜破壞淺層地下水、地表水的水化學(xué)環(huán)境,許多煤礦區(qū)地下水資源都已面臨過(guò)量開采、水質(zhì)惡化的局面,可利用水資源已呈現(xiàn)出逐漸枯竭的趨勢(shì)。合理地保護(hù)煤礦區(qū)地下水資源對(duì)煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和資源環(huán)境保護(hù)意義重大。從技術(shù)要求角度來(lái)講,保水采煤對(duì)水體下采煤技術(shù)提出了更高的要求,尤其是水資源量越少時(shí)要求就越高。這是因?yàn)?保水采煤不僅要求水資源不向礦井泄漏,而且不允許水體邊界上的的任何巖層或阻水設(shè)施如地下含水層或其它導(dǎo)水通道以及地表堤壩等出現(xiàn)泄漏,所以,保水采煤不但需要考慮覆巖破壞所引起的導(dǎo)水問(wèn)題,也要考慮開采對(duì)于水體邊界如水體底界面等的破壞所引起的透水問(wèn)題。針對(duì)地處毛烏素沙漠東南緣的神府礦區(qū)的地下水資源極其寶貴、沙漠的自然增長(zhǎng)率約0.5%、區(qū)內(nèi)生態(tài)賴以維系的含水砂層直接覆蓋于煤系地層之上、開采煤層上覆基巖厚度<20m、采厚大、若按常規(guī)采煤方法開采其破壞性影響勢(shì)必直接波及上覆水體的具體情況,開展了保水采煤,控制沙漠沙化,維系良好的生態(tài)環(huán)境等綜合研究和工業(yè)性試驗(yàn),為貧水礦區(qū)保水采煤進(jìn)行了有益的探索和嘗試。2科技發(fā)展與當(dāng)前水平和現(xiàn)實(shí)需求相結(jié)合2.1分層開采與放頂煤開采相結(jié)合的復(fù)合化開采技術(shù)研究及實(shí)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(shí)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(huì)明顯增加。根據(jù)這一認(rèn)識(shí)提出了綜采分層開采與放頂煤開采相結(jié)合的方法,并在山東兗州礦區(qū)興隆莊煤礦應(yīng)用,實(shí)測(cè)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(shí)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(guò)調(diào)整放煤量的多少來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)開采厚度的靈活調(diào)整和限制。利用綜放開采的這一特點(diǎn),針對(duì)某些工作面在局部地點(diǎn)若按實(shí)際煤厚開采可能出現(xiàn)潰水、潰泥、潰砂等事故的實(shí)際情況,采取在局部適當(dāng)減少放煤量的辦法來(lái)控制覆巖破壞高度的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了困難條件下的綜放安全開采。2.2充水通道的過(guò)水能力煤礦安全和良好的經(jīng)濟(jì)效益是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境下維系煤礦企業(yè)生存與發(fā)展的重要因素。通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)手段、方法及措施,把工作面涌水量控制在既能保證安全生產(chǎn)又能取得良好經(jīng)濟(jì)效益的水平上,并以此為前提最大限度地開采水體下壓煤,是基于目前的經(jīng)濟(jì)環(huán)境提出的控水采煤技術(shù)的基本原則。影響工作面涌水量的兩個(gè)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(duì)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(duì)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(guò)水能力,才能夠達(dá)到控水采煤的目的。充水通道的過(guò)水能力主要取決于巖層本身的滲透性能和采動(dòng)破壞性影響的程度,而采動(dòng)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(lái),通過(guò)對(duì)覆巖破壞規(guī)律和巖層尤其是受到采動(dòng)破壞性影響的巖層的滲透性能及其變化特征以及含水層富水特征等的不斷研究,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)方法及措施相結(jié)合,逐步取得了控水采煤的成功。如在山東兗州礦區(qū)興隆莊煤礦實(shí)現(xiàn)了綜放工作面采空區(qū)滯后出水形式下的控水安全采煤;在安徽宿南礦區(qū)祁東煤礦實(shí)現(xiàn)了綜采工作面有限涌水形式下的控水安全采煤;在內(nèi)蒙扎賚諾爾礦區(qū)鐵北煤礦則通過(guò)對(duì)靠近開采煤層的多個(gè)含水層分別采取預(yù)先疏水、回采疏水以及頂水開采等不同技術(shù)措施逐步實(shí)現(xiàn)了綜放工作面有限涌水形式下的控水安全采煤。3現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估相結(jié)合，促進(jìn)新技術(shù)的發(fā)展，3.1覆巖破壞探測(cè)方式覆巖破壞的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)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(cè)覆巖破壞發(fā)育高度的一種常用而有效的方法,其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易操作、觀測(cè)數(shù)據(jù)較能反映實(shí)際導(dǎo)水情況;缺點(diǎn)是觀測(cè)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(duì)把握觀測(cè)時(shí)機(jī)的要求也較高,一旦錯(cuò)過(guò)合適的觀測(cè)時(shí)機(jī)將會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)工作失敗,且無(wú)法補(bǔ)救,從而使得所施工鉆孔也宣告報(bào)廢,造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失,同時(shí)鉆探費(fèi)用也較高。為了彌補(bǔ)其不足,目前,覆巖破壞探測(cè)正由傳統(tǒng)的沖洗液漏失量觀測(cè)這一單一技術(shù)向著鉆孔電視、鉆孔超聲成象、鉆孔聲速、數(shù)字測(cè)井等測(cè)井手段與沖洗液漏失量觀測(cè)相結(jié)合,電法探測(cè)、雷達(dá)探測(cè)、地震探測(cè)、瞬變電磁法探測(cè)、EH-4電磁法探測(cè)等等物探手段與鉆探相結(jié)合,微震監(jiān)測(cè)技術(shù)與專業(yè)解釋相結(jié)合等方向發(fā)展,提高了觀測(cè)精度和適用性,取得了較好的效果。隨著現(xiàn)代新技術(shù)手段的發(fā)展,覆巖探測(cè)技術(shù)與新技術(shù)手段的結(jié)合將會(huì)更加緊密。3.2地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析水體下采煤的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)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(shí)際作用,而且對(duì)于實(shí)現(xiàn)水體下安全采煤是非常必要的,也是至今一直未能很好解決的難題。近年來(lái)在水體下采煤實(shí)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(lái)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)回采工作面突水的研究,其原理是根據(jù)井下圍巖溫度場(chǎng)測(cè)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(shí)現(xiàn)突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。并通過(guò)與地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)、工作面水情監(jiān)測(cè)及分析預(yù)測(cè)相結(jié)合,對(duì)安全生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)報(bào)。在實(shí)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(cè)技術(shù)建立水體下采煤的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并進(jìn)行了可行性研究與探索。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本原理是實(shí)時(shí)接收巖石及巖體開裂時(shí)發(fā)出的彈性波信號(hào)來(lái)確定開裂點(diǎn)的空間位置,并實(shí)時(shí)追蹤,進(jìn)而解釋其工程意義。它與地下水動(dòng)態(tài)及礦井涌水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)新技術(shù)發(fā)展等相結(jié)合,將有可能實(shí)現(xiàn)井下突水的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和報(bào)警。基于對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的高度重視和建立煤礦安全預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)際需求,近年來(lái)其它領(lǐng)域、其它行業(yè)從事相關(guān)技術(shù)研究的一些單位和公司也對(duì)水體下采煤安全監(jiān)測(cè)技術(shù)投入了研究和探索,如地下水動(dòng)態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)乃至于礦井水害預(yù)警系統(tǒng)等都已經(jīng)應(yīng)用到水體下采煤領(lǐng)域,其中地下水水位、礦井涌水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用已較普遍,水質(zhì)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn),尤其是光柵傳輸技術(shù)的應(yīng)用使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性等明顯提高,有可能會(huì)給水害預(yù)警技術(shù)帶來(lái)較為光明的前景。3.3再生隔水性能難以進(jìn)行重復(fù)認(rèn)識(shí)安全煤巖柱性能的好壞是決定水體下采煤成敗以及能否合理確定回采上限的關(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(píng)價(jià),仍然是可行的方法,其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、方便;缺點(diǎn)是只能對(duì)含、隔水性能進(jìn)行初步判斷,而且對(duì)再生隔水性能難以較深入評(píng)價(jià)。近年來(lái)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(duì)安全煤巖柱的微觀結(jié)構(gòu)、礦物成份進(jìn)行定量測(cè)定,將彩色鉆孔電視探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于安全煤巖柱特征的現(xiàn)場(chǎng)探測(cè),并與力學(xué)試驗(yàn)、水理試驗(yàn)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以及更有效地避免安全煤巖柱中透水巖層的不利影響提供了技術(shù)保證。4預(yù)測(cè)分析技術(shù)方法和理論水平的提高與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合近年來(lái),覆巖破壞及水體下安全采煤預(yù)測(cè)的技術(shù)水平等都有了很大的提高,其最大特點(diǎn)就是與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合。4.1覆巖破壞預(yù)計(jì)在地質(zhì)綜合研究中大有成效1)覆巖破壞情況的預(yù)測(cè)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(cè)覆巖破壞狀況的基礎(chǔ)。隨著國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目《煤礦上覆巖移動(dòng)破壞研究》的完成,在采場(chǎng)、覆巖、地表三者結(jié)合與統(tǒng)一的應(yīng)用基礎(chǔ)研究、淺部開采與放頂煤開采覆巖移動(dòng)破壞規(guī)律及控制地表沉陷研究方面取得了新進(jìn)展。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(diǎn),成為近年來(lái)覆巖破壞研究的重點(diǎn),進(jìn)展也比較明顯。近年來(lái),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、綜放重復(fù)開采等一系列不同采煤方法情況下的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、室內(nèi)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬分析等工作,全面、系統(tǒng)地研究了由炮采、普機(jī)采、綜采、分層綜采到綜放開采乃至綜放重復(fù)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,分析了貼近沖積層開采條件下覆巖破壞的變異規(guī)律及特點(diǎn),深入研究了長(zhǎng)壁開采條件下覆巖破壞的機(jī)理和預(yù)計(jì)理論,裂隙巖體上覆高水壓作用條件下的覆巖破壞規(guī)律研究工作如現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及分析等也有了新的進(jìn)展。在研究并提高覆巖破壞預(yù)計(jì)理論的基礎(chǔ)上總結(jié)出了一套較實(shí)用的預(yù)計(jì)方法,為正確計(jì)算其它覆巖類型大采高采煤工藝方法條件下以及某些特殊地質(zhì)采礦條件下的覆巖破壞高度提供了理論依據(jù)。并逐步形成了覆巖破壞規(guī)律綜合研究技術(shù)體系和水體下采煤綜合研究技術(shù)體系。目前,進(jìn)行綜放開采條件下覆巖破壞高度探測(cè)研究的礦井越來(lái)越多,但迄今為止還缺少對(duì)于大多數(shù)礦區(qū)都普遍適用的預(yù)計(jì)綜放開采條件下覆巖破壞高度的計(jì)算公式,安全煤巖柱中的保護(hù)層尺寸的選取也同樣需要做進(jìn)一步的工作。2)水體下采煤的“三帶”理論體系已逐步形成。以“三帶”為基礎(chǔ)的水體下采煤預(yù)可研理論已形成基本完整的體系,為不同地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的水體下采煤預(yù)可研的設(shè)計(jì)提供了方法。其中比較典型的是露頭煤柱設(shè)計(jì)理論與方法,已納入《“三下”采煤規(guī)程》并應(yīng)用多年;放頂煤開采條件下的露頭煤柱設(shè)計(jì)理論與方法也已初步形成,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(diǎn)。此外,近年來(lái)又研究了松散含水層條件下發(fā)生潰砂的臨界條件及其預(yù)計(jì)理論,為實(shí)現(xiàn)松散含水層條件下變防水煤柱為防砂煤柱安全開采提供了理論基礎(chǔ)。3)提出并完善了水體下采煤覆巖分類的方法。以往在水體下采煤的覆巖分類中,一般都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)定性評(píng)價(jià),其結(jié)果往往是因人而異,有時(shí)也采用巖石單軸抗壓強(qiáng)度分類法進(jìn)行參考,但由于其分類指標(biāo)單一,常常不能正確判定覆巖的類型。所以,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了水體下采煤的實(shí)際需要。為此,提出了水體下采煤覆巖類型的多因素多指標(biāo)分類法。它較充分地考慮了水體下采煤的特點(diǎn)和要求,實(shí)現(xiàn)了覆巖分類的定量化,分類指標(biāo)全面,代表性強(qiáng),而且還具有獲取參數(shù)方便、分析結(jié)果可靠、人為干擾因素少、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),能夠較好地滿足水體下采煤的實(shí)際需要。該方法在山東兗州、龍口礦區(qū)以及內(nèi)蒙赤峰建昌營(yíng)煤礦等得以驗(yàn)證。為水體下采煤技術(shù)和成功經(jīng)驗(yàn)的推廣應(yīng)用提供了便利。4)放頂煤開采是一種高產(chǎn)高效的采煤技術(shù),近年來(lái)得到了迅速發(fā)展和普及,在水體下采煤領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。但由于水體下放頂煤開采的成功試驗(yàn)和推廣應(yīng)用僅局限于部分礦區(qū),尚不足以代表全國(guó)各類礦區(qū)的普遍情況,加之對(duì)放頂煤開采的特殊性所產(chǎn)生的某些變異規(guī)律及特點(diǎn)的研究與認(rèn)識(shí)尚不全面,所以,在新修訂的《“三下”采煤規(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(yàn)開采的程序,放頂煤開采的覆巖破壞預(yù)計(jì)及保護(hù)層選取方法等還都尚未納入《“三下”采煤規(guī)程》,對(duì)此仍需不斷研究和豐富。鑒于在水體下實(shí)現(xiàn)放頂煤安全開采較分層開采有更大的風(fēng)險(xiǎn)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(cè)理論與方法研究、優(yōu)化水體下放頂煤開采設(shè)計(jì)、規(guī)范水體下放頂煤開采工藝、制定切實(shí)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(cè)系統(tǒng)等,才可以有效地避免或減少水體下放頂煤開采的風(fēng)險(xiǎn)和更加經(jīng)濟(jì)合理地實(shí)現(xiàn)安全開采。尤其是在采空區(qū)水體下采用綜放開采方法時(shí),仍應(yīng)進(jìn)行充分的分析論證,如大同礦區(qū)同忻礦侏羅系采空區(qū)水體下綜放安全開采的可行性分析論證。4.2解決世界難題的設(shè)想近年來(lái)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(jì)這一世界難題的解決進(jìn)行了必要的探索。此外,由于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不斷豐富,在實(shí)際工作中應(yīng)用類比法等計(jì)算方法所得出的預(yù)計(jì)結(jié)果與實(shí)際情況的符合率更高。5特殊地質(zhì)采礦條件下的水害問(wèn)題我國(guó)地大物博,礦產(chǎn)資源十分豐富,煤層賦存條件千變?nèi)f化,除靠近灰?guī)r強(qiáng)含水體尤其是奧陶系灰?guī)r強(qiáng)含水體開采時(shí)存在著較嚴(yán)重的安全威脅外,某些特殊地質(zhì)采礦條件下發(fā)生的突水災(zāi)害則更讓人心有余悸。特殊地質(zhì)采礦條件下發(fā)生的頂板水害一般都有一個(gè)共同的特點(diǎn),就是大都具有特殊性、偶然性、隱蔽性、突發(fā)性,往往有背常理,不易被人察覺,有時(shí)甚至超出現(xiàn)有技術(shù)、知識(shí)水平的認(rèn)知程度,較難預(yù)測(cè),令人防不勝防。所以,更容易釀成災(zāi)害,損失更加難以預(yù)測(cè),后果常常觸目驚心,教訓(xùn)極為慘痛。因此,研究解決特殊地質(zhì)采礦條件下的水害問(wèn)題,對(duì)于保證礦井安全有序開采具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義,其技術(shù)難度也更大,任務(wù)更艱巨。近年來(lái),對(duì)該類條件下頂板水害的認(rèn)知程度和防治水平也在不斷提高。5.1異常突水案件以往的松散含水層水體下采煤實(shí)踐中,一般開采深度較淺,含水層水頭壓力較低,或者松散含水層底部賦存一定厚度的粘土隔水層,或者松散含水層水體的富水性較弱,或者基巖風(fēng)化帶基本上是隔水的,或者基巖中的原巖裂隙尤其是高角度縱向原巖裂隙不發(fā)育,所以,在設(shè)計(jì)安全煤巖柱時(shí)一般不考慮含水層水頭壓力作用問(wèn)題。但近年來(lái)在松散含水層水頭壓力達(dá)到3.6MPa以上和開采煤層上覆煤系基巖中原生縱向裂隙發(fā)育條件下采用綜合機(jī)械化采煤方法開采時(shí),留設(shè)的防水煤柱尺寸均是按照《“三下”采煤規(guī)程》的規(guī)定選取的,卻發(fā)生了突水并淹沒礦井的異?，F(xiàn)象。如位于安徽省宿南礦區(qū)的祁東煤礦就發(fā)生了首采工作面實(shí)際最小防水煤柱垂高較原設(shè)計(jì)大3m條件下十分罕見的異常突水現(xiàn)象。該類條件下采煤工作面突水淹井的慘痛教訓(xùn)表明,隨著采深加大,含水層水頭壓力增高,尤其是覆巖中高角度裂縫發(fā)育、隔水性能較差等條件綜合作用下,覆巖破壞高度將異常加大,破壞程度異常加劇,安全開采所需的實(shí)際保護(hù)層厚度也明顯增大,必須針對(duì)具體條件因地制宜地進(jìn)行水體下安全采煤設(shè)計(jì),開展相應(yīng)的研究觀測(cè),制定切實(shí)可行的防水安全技術(shù)措施,以確保安全合理開采。5.2老空水體的水害治理廢棄礦井關(guān)閉或由于其它不得已的原因而導(dǎo)致礦井關(guān)閉后,往往形成大面積的老空積水區(qū),一旦發(fā)生突水,其損失往往異常慘重。尤其是當(dāng)面積較大、水頭壓力較高的老空水體直接位于急傾斜煤層上方時(shí),其所構(gòu)成的水害威脅將更為嚴(yán)重。近年來(lái)該類災(zāi)害發(fā)生較多,如廣東大興煤礦由于急傾斜煤層發(fā)生抽冒引起防水煤柱失效而造成的老空積水體突水淹井災(zāi)害就十分典型。防止該類水體突水應(yīng)從處理和隔離水體兩個(gè)方面入手。設(shè)計(jì)新區(qū)開采時(shí),應(yīng)充分認(rèn)識(shí)該類水體的危害,采取可靠的、切實(shí)可行的安全防范措施,尤其是對(duì)于急傾斜煤層的順層抽冒問(wèn)題應(yīng)給予高度重視。5.3采