1、姚桥煤矿微山湖水体下采煤防止水技术研究摘要：本文首先介绍了国内外水体下采煤发展现状，同时介绍了现有的水体下采煤类型，水体下覆岩关键层破断规律以及防治水的技术措施。最后以姚桥煤矿湖下采煤为例分析湖下采煤带来的地表沉陷规律等影响。关键词：水体下，采煤类型，破断规律，防治水1 国内外发展状况1.1 国外发展状况1.1.1 日本水体下采煤日本是个岛国，陆地矿产资源有限，对沿岸海下煤田开发十分关心。1968年日本海下采煤的产量达1235万吨，约占日本全国煤炭总产量的30 %。海下采煤的矿井共/11个，其中九州地区占9 个。日本根据百年来海下采煤的实践经验制定了海下采煤的条例和安全措施。日本煤矿保安法第2
2、3 条规定：海下采煤前须制订专门的采掘计划，并由监察机关审查批谁和确定可以进行开采的范围。日本煤矿保安规程详细规定，海下采煤时须采取：测定海水深度、通讯联系和警报措施出水时的紧急措施、退避的方法、遇断层时的措施等等安全措施。为了确保安全，规定在下例条件下禁止采掘，或采用全部充填和残柱式采煤祛进行开采：条件禁止采掘采用全部充填或残柱式采煤第四纪地层厚度大于30m第三纪地层厚度小于10m第三纪地层厚度为10-20m第四纪地层厚度为10-30m第三纪地层厚度小于20m第三纪地层厚度为20-40m第四纪地层厚度为5-10m第三纪地层厚度小于40m第三纪地层厚度为40-60m第四纪地层厚度小于5m第三纪
3、地层厚度小于60m第三纪地层厚度为60-100m保安规程还规定：煤层露头上部无第四纪地层，则从海底煤层露头开始，沿该煤层100米以内的地方均禁止采掘，沿层面至水淹的老窑距离100米以内的地方禁止采掘；离水淹的老窑30米以内的地方禁止采掘。日本海下采煤的一个主要安全措施就是保留足够的防水煤岩柱。日本伊王岛煤矿海下采煤防水煤岩柱的高度与煤层采厚的比值，浅部约为100倍，深部仅为34倍，在这个条件下可以采用长壁式大冒顶采煤方法开采。为了减少防水煤岩柱尺寸，一般采用风力充填方法。例如，佐世保煤田福岛煤矿在保留垂高约80米防水煤柱的情况下采用长壁式凤力充填采煤方法安全开采了厚度为2米的煤层，仅局部地区工
4、作面淋水较大。三池和松岛等煤矿采用过房柱式风力充填采煤方法开采。对缓倾斜厚煤层日本前几年试验一种新采煤方法乡叫做混凝土假顶下行分层充填采煤法。分层厚2.5米，先采完上分层后，灌注0.5米厚的混凝土，然后再用水砂充填，米厚。凝固后的混凝土板作为下分层回采时的人工假顶。1.1.2 英国水体下采煤英国也是一个岛国，四面环海，是世界上最早的海下采煤的国家。英国海下煤田的储量根据1996年统计为6.5亿吨，有16个煤矿开采海下煤层。其中：苏格兰煤田：4个煤矿，诺森伯兰煤田4个煤矿，达拉姆炼焦煤煤田7个煤矿，北威尔士煤田1个煤矿，16个煤矿海下采煤的年产量约1300万吨。采煤方法浅部是采用房柱式采煤法，深
5、部采用长壁式全面采煤法开采。1968年以前，苏格兰和诺森伯兰都按开采深度来确定采用长壁式全面采煤法开采的煤层的最大厚度：英国煤管局原先认为水体下采煤时拉伸变形最为重要，规定海下采煤时要求海底拉伸变形值应小于5毫米/米，以免出现裂缝。后来，感到水体下开采时开采煤层上复岩层的厚度尤为重要，通过调整研究在1968年颁布的海下采煤条例中规定：用长壁式全面采煤法开采时上复岩层最小厚度为：105米，其中应有61米厚并夹有页岩的含煤地层，煤层容许开采的最大厚度为1.7米，采深增大时煤层容许开采的厚度按比例增加，规定采深183米时为8米，海底最大拉伸变形不应超过10毫米/米，采用房柱法部分开采时容许的最小采深
6、为61米。采深大于61米，其他条件不能满足海下采煤条例关于长壁工作面开采的要求时，英国一般采用传统的房柱式采煤方法开采。诺森伯兰煤田海下采煤时采用的房柱式采煤法采区的典型规格见图。 房宽18，留方形煤柱7272，采深300，煤层厚14，回采率仅为36%，但所留煤柱的尺寸的安全系数确保超过4。也有采用21房宽，方煤柱6969，回采率提高到41%，但却造成顶板管理问题困难，因为煤房交叉处对角线长度接近30。从理论上说，采用5252 的方煤柱时安全系数达到3，煤房宽18时回采率可达到44%。英国人认为，在大型水体下采煤时安全系数考虑得比3大点为好。此外，英国煤矿在水体下采煤时也有采用条带式部分采煤法
7、开采，开采条带的宽度小于作为煤柱的条带宽度河下采煤英国也有很悠久的历史，100年前勃洛德奥克煤矿就在勒费河河床下采深110处开采4尺层，1907年在河下320开采5尺层，井下涌水量未见增加。1968年在该河流下800深处用600宽的长壁工作面进行开采，工作面也很千燥。英国在其他水体下采煤的例子也很多，例如1970年托佛尔煤矿成功地在400码200码，平均水深50的林发尔水库下900深处用长壁工作面开采一煤层。英国水体下采煤均参照1968年英国煤管局颁布的海下采煤条例规定办。这个技术条例是英国多年来水体下采煤实践经验和科学研究的总结。英国岩层移动专家根据长壁工作面开采后采空区
8、上方岩层破坏，向上扩展，由于岩层中出现裂隙，使上复岩层中含瓦斯岩层的瓦斯解吸而逸出的关系来分析，长壁工作面采空区上方的导水裂隙带最大扩展高度为200。此外，根据水体下采煤矿井涌水量的调查以及理论计算，采空区上方岩层透水性加大的区域高度可达120，最大为200。所以，技术条例中规定必须在采深大于200情况下才能进行海下采煤。1.1.3 加拿大和西德的水体下采煤加拿大海下采煤始于1874年，1968年海下采煤的产量为400万吨，占全国煤炭总产量的40%。加拿大海底煤田悉尼煤田位于加拿大东部诺瓦斯科夏省，煤层埋藏稳定，倾角约10-20 ，-1200 米水平以上的煤炭可采储量估计有8亿吨。目前最大的海
9、下采煤矿井林格煤矿日产量为8000吨。根据英国海下采煤的经验和本国生产的实际经验，加拿大矿业公司规定：海下采煤深厚比大于100时可以采用长壁工作面全部开采，深厚比小于100 ，用房柱式部分开采法开采。西德河下采煤历史也比较长。1911-1934年期间鲁尔煤田的矿井安全地在莱因 赫尔斯克运河下开采缓倾斜薄煤层和中厚煤层，使运河发生均匀的下沉。开采引起的地表和岩层的下沉一般说来是有害的，但西德采煤工程师成功地应用地表下沉方法来解决杜伊斯堡港口的疏浚问题杜伊斯堡港口下方共有4个煤层，总厚3.8米，采深120-600米，上两个煤层厚度为1.88米，采深较浅，采用风力充填的长壁工作面开采，下两个煤层采深
10、为486-906米，采用冒落开采。采后港口码头船坞和1800米长的柏林桥等均匀下沉无损坏，大桥设有千斤顶调整装置能根据需要将桥面顶起。港口河道采后下沉2米，水深也加大了2米，起到了港口疏俊的效果。1.2 国内发展状况我国煤矿在水体下积压了大量煤炭资源，据有关方面统计，全国各矿区在河流、沏泊、第四纪含水松散层以及地表积水区等各类水体下压煤量近40亿吨。由于水体压煤具有量大面广的特点，如果不开采，不仅不能合理开发资源，而且造成矿区建设和矿井开采技术上的困难。以往在解决水体下采煤问题时，因缺乏经验，曾经走过一段弯路例如，在留设防水煤柱尺寸方面，一些矿区曾按照国外的经验，把水体和建筑物两者同等看待，只
11、允许水体经受建筑物同样的变形，因而套用在建筑物下开采时要求的安全开采系数，来留设水体下开采时的防水安全媒柱，使安全开采上限定得很低，要求保留很大的煤柱。比如对较大一些的河流，把它作为一级建筑物考虑，只允许河流底部产生的倾斜变形值4 毫米#/米，水平变形值3毫米/米，认为要在采厚的200-300倍以下才能保证安全开采。这样就把大量便于开采的煤炭搁置起来，成为呆滞煤量。事实上，水体与建筑物两者有本质区别。井下开采后，水体是否遭受破坏并向井下充水，决定于具体地质条件和开采技术等因素。往往出现这样的情况，开采后地表已经产生裂缝或使建筑物遭受破坏，而井下涌水量并无明显增加。因此采用建筑物下开采时要求的安
12、全开采深度来确定水体下采煤的安全开采上限，显然是不合理的，又如对平原矿区地表下沉区的积水处理问题，开始阶段，有的矿区对开采地点的地层结构和开采条件等缺乏具体分析，认为地表一旦有积水就威胁井下生产，因此采用机械排水措施排除开采区域上方的地表积水，如1964年前淮北和徐州矿区都曾这样做过，也有的矿区被迫暂时停产，待排除地表积水后再恢复生产，这样不仅占用大量设备，耗费电力，而且在低洼内涝地区，雨季洪水泛滥，汪洋一片，积水根本无法排除实际情况是，由于开采后基岩导水裂隙不是无限止地向上发展以及粘土层或基岩保护层大都有隔水作用等因素，地表积水不一定会溃入井下，开采实践在不少矿区取得了顶水采煤的成功经验。解
13、放以来，随着煤炭工业的发展，水体下采煤也获得了迅速发展，不少矿区积极开展了水体下采煤的实践和研究工作，成功的在各类水体下采出了大量煤炭，积累了许多第一性资料，获得了一些规律性认识。迄令拿国共有100多个矿近近千个工作面进行了水体下采煤工作。水体下采煤的规模由小到大，开采深度由深到浅，开采条件由有隔水层到基岩直接与含水体接触，开采方法由单一长壁开采发展到分层开采，由开采缓倾斜煤层发展到开采急倾斜煤层，使采深采厚比逐渐减小，即防水煤柱厚度相对减小，呆滞煤量不断减少，安全开采的技术措施日趋完善，复岩破坏状况的观测手段也日益增加，积累了相当丰富的实践经验，并逐步形成了我们自己的一套水体下采煤理论，填补
14、了我国煤炭科学技术的空自，对合理开发和充分利用国家资源，延长矿井寿命，挖掘矿井潜力发挥了一定作用。2 现有的水体下采煤类型由于含水体与地层接触方式以及地层结构的不同，迄今各矿区进行的水体下采煤实践大体有以下几种类型。2.1 在河下采煤分两种情况。一种是河床与煤系基岩之间无粘土层，即河床直接位于基岩之上或河床与基岩之间仅有含水砂层，如图。这种情况下进行河下采煤的条件最为不利。目前在这种条件下采煤的实例大都是开采缓倾斜煤层。由于煤系基岩的隔水性和富水性不同，其安全开采的采深采厚比有很大变化。当用垮落法开采时，深厚比大的达100多，一般为50-60 ，最小的30-40。这些深厚比值不一定是合理的，只
15、反映了现有的开采实践结果，不能作为设计的依据当用充填法开采时，其深厚比大大减小，一般为10-20。无粘土层时河下含沙层下采煤示有黏土层是河下采煤示意图另一种情况是河床与基岩之间有松散层复盖，其底部有粘土层，见图。这种情况下现有的实践也大都是开采缓倾斜煤层。由于粘土层的隔水作用，其安全开采的深厚比相应减小。当用垮落法开采时，最小的为5-8，一般为10-20。如徐州大黄山一号井在季节性河流不牢河下开采，采厚5-8米，倾角10，倾斜分层全部垮落，基岩厚20米，粘土层厚10米，深厚比5-6（粘土层计算在煤柱厚度内，下同） ，开采后涌水量无变化。2.2 在地表塌陷积水区及水库等水体下采煤这种情况从水向矿
16、井的充水条件来说与河下采煤相似，一是否安全采煤在很大程度上决定于基岩的隔水性以及冲积层内有无粘土层及其厚度等情况。现有的开采实践，当用垮落法开采缓倾斜煤层时，最小深厚比为6-8 ，一般为15。当冲积层内有粘土层时，开采急倾斜煤层也取得了满意的结果。如唐山矿用水平分层垮落法在地表积水区下开采17米厚的煤层，倾角85。，基岩厚176米，冲积层内粘土层厚50米，深厚比为13 ，采后水量无明显增加。在有粘土层情况下进行河下或地表积水区下采煤，虽然其安全性要好得多，但当粘土层厚度不大时，为缓和下沉强度，防止粘土层错断，一般仍需保留一定厚度的基岩作为保护层。2.3 在第四纪松散层下采煤这种类型比较普遍，华东各矿区更为突出，如充州、滕县淮北以及淮南等矿区，都有在第四纪
