水体下采煤

第10章水体下开采10.1概述⒈我国水体下开采概况水体下开采包括地表水体（河流、湖泊、水库等）和地下水体（开采矿物以上的含水层）下矿物的安全开采。我国地域广阔，水文地质条件复杂，受上覆水体威胁的矿物储量相当丰富。我国从20世纪50年代开始进行水体下采煤的研究，表10—1、10—2、10—3为我国水体下采煤部分实例[43]。表10—1我国部分水体下开采情况一览表水体名称流量(31ms)河床性质煤层产状要素涌水量Q（31ms）备注M/m/（）H/mH/M最大一般阜新清河最大278，一般0.22，雨季1.39砂砾层厚度3m～6m1.65～12268168工作面360工作面50～80顶板上法线距离60～90m有砂岩含水层本溪太子河最大2000，一般80砂砾层厚4～8m2.4~2.810~15380136河下采区162河下采区30～60煤层顶板为10～26m南桐蒲河最大711，一般60～80大部基岩出露2.9428~37300102工作面492工作面200以下上距含水长兴灰岩48m，长兴灰岩与河通井陉四矿绵河最大800一般10～20砂砾层厚10～15m，底部有粘地质砂4m分二层采3~818~3010采区439工作面采区250～300工作面30～120水砂充填剩余高度0.6~0.8m江西乐安江最大10100大部基岩出露2煤层累厚4~9m159724工作面0.8~1.2矿井10~15断层多，岩性好，不导水湖南资江漫滩最大7030，最小4.8大部基岩出露3层煤累厚4～520~3012124工作面27.96工作面3~8河床出露梓门桥灰岩广西合山南水库最大蓄水量220万m3最小10万m3水库底有0~3m残积亚粘土及碎石1.846~88948工作面3.04m工作面1.27~2.4淮南淮河最大108000，一般164河床底有10m左右厚的泥灰岩4层煤累计厚度7.6m45~48100.313.2工作面1.01工作面0.3~0.7采区10～15第10章水体下开采第页152山东微山湖最大容水量50亿m3一般37.7亿m3湖底有4~16m第四纪松散层平均2.3m2515065.2采区西翼总涌水量30本采面为第一试采面表10—2河床与基岩之间无粘土层开采实例矿名水体类型采厚/m采煤方法煤岩柱高度/m柱高采厚比涌水量/（31ms）包头大磁矿阜新清河门矿北票三宝三井鸡西小恒山二井新汶张庄矿新汶禹村矿新汶张庄矿召河沟清河马牛河阎家沟河小汶河东南河小汶河2.51.01.81.21.82.81.8单一长壁全垮法单一长壁全垮法单一长壁全垮法单一长壁全垮法单一长壁全垮法走向长壁水砂充填法走向长壁水砂充填法6037~4710044~4552.12412.62437~475637~38298.67.030.7淋水正常60正常正常0.5表10-3河床与煤系地层之间含粘土层开采实例矿名水体类型采厚/m采煤方法煤岩柱高度/m柱高采厚比涌水量/31ms基岩粘土层峰峰黄砂矿阜新兴隆矿峰峰通顺矿枣庄柴里矿徐州大黄山矿鹤壁张庄矿徐州新河矿卧牛井平顶山三矿井径四矿胜利斜井淮南李嘴孜矿淮南毕家岗矿红色沟兴隆沟和村沟排洪沟不穿河李弯沟废黄河稻田沟绵河绵河绵河3.21.8~2.55.18.05~65.54~53.3（两层煤）2.32.95.5倾斜分层下行垮落单一长壁全垮法倾斜分层下行垮落倾斜分层下行垮落倾斜分层下行垮落倾斜分层下行垮落倾斜分层下行垮落走向长壁全部垮落法伪倾斜分层上行水砂充填伪倾斜柔性掩护支架倾斜分层下行垮落31524037202928~30462.5~6.05017020.51035102715852021010~141095~6108~10133~43831正常最大104，稳定40正常正常无明显变化正常无明显变化无明显变化无明显变化正常正常40多年来，我国水体下采煤，不仅采出了大量水下煤炭资源，还获得了丰富经验，发展了理论，形成了一套具有我国特点的理论体系。从分析水体类型、特征、赋存条件及上覆岩层的水文地质条件、地层结构入手，并根据地质采矿条件预计覆岩冒落带、导水裂隙带的高度、空间形态，掌握覆岩的移动破坏规律及两带与上覆水体之间的联系，从而确定煤层合理的开采上限。在确保矿井生产安全的条件下，实现资源利用的最大化和水资源的保护。开采损害与环境保护第页153我国水体下采煤技术的发展特点是：采深采厚比值小，开采方法多样化，技术措施因地制宜，采后效果好。从深厚比看，当河床与煤系基岩之间无黏土层或仅有含水砂层时，采用长壁全垮落法开采，深厚比最小为30～40，一般为50～60。1983年江西乐安江下采煤，深厚比仅为24.1，采用充填法开采时，深厚比为15～20，在这种情况下安全深厚比的大小取决于基岩中隔水层所占比例的大小。当河床与基岩之间有黏土层时多用全垮落法开采，深厚比最小5～8，一般10～30；采用充填法开采时，深厚比可减少到3～4。安全深厚比大小除与基岩中隔水岩层厚度有关外，主要取决于煤系地层上面覆盖黏土层的厚度。⒉水体类型矿区的水体可分为地表水和地下水两大类，根据含水层的数目、类型和各层间的水力沟通关系，又可分为单纯水体和复合水体，见图10—1[8]。（1）地表水：赋存在地球水圈中，积聚在海洋、湖泊、河流、水库灌渠、山谷冲沟、洪区、沼泽、坑塘以及地面沉陷积水区等统称为地表水。（2）地下水：赋存在地球岩石圈中，积聚在岩石空隙中的水称为地下水。例如第三、第四纪沉积的砂层水、基岩含水、岩溶水和老采空区积水等。从采矿工程角度出发，可将地下含水层按埋藏条件分为松散层内的含水层和基岩内的含水层两种。一般条件下，地表水特别是大型地表水储存量大，补给充分，且常常互相连通，较大的地表水体一旦与矿井采空区沟通，将严重威胁井下生产及人身安全，造成淹井事故。同时，开采疏漏地表及近地表水，将损害区域生态环境，加剧荒漠化程度。地下水比地表水距开采矿层更近一些，且赋存情况不易搞清，具有随机性、突发性和不可预测性，因此对开采的安全威胁更大。影响水体下开采的因素很多，在开采中不但要搞清楚水体的类型、容量，而且要搞清楚开采矿层到水体间的岩层岩性结构、物理力学特性，隔水层的厚度及其地质构造等形成的水力通道等，依据这些条件确定合适的防护措施及开采方法。⒊水经覆岩涌入矿井的机理地下开采后岩层和土层的隔水性可能受到影响。隔水层位于冒落带内时，其隔水性将会完全被破坏；隔水层位于裂缝带内时，其隔水性也被破坏，破坏的程度由导水裂缝带的下部向上部逐渐减弱；隔水层位于上覆岩层的弯曲带下部时，其隔水性可能受到微小影响；隔水层位于覆岩弯曲带中部或上部时，其隔水性不受采动影响。一般将采动破坏的顶板冒落带、裂隙带统称为导水裂隙带或渗透性增强带，而弯曲带称为渗透性微小变化带。采矿活动对上覆水体的影响有两方面：一是上覆岩层的移动和破坏，形成了充水通道，使水体中的水渗透和溃入井下，影响矿井的安全生产；二是地表的移动、变形与破坏，使地表水体的附属建筑物受到影响，如堤坝下沉量很大或断裂时，河湖中的水就要出槽漫流。水体下采矿要重点分析开采后覆岩冒落带和导水裂缝带对水体的影响，由于开采地质条件不同，这种影响大致可分为五种情况。⑴开采深度比较大，水体在地表或覆岩弯曲带上部，即水体底界面以下有一定厚度的弯曲带岩层，如图10—2所示。这种条件下的开采，对地表水体或松散含水层水体无明显影响。弯曲带内岩层虽然也可能存在伸张裂缝或离层，但这些裂缝一般互不连通。弯曲带岩层渗透水的能力开采前后变化第10章水体下开采第页154很小，基本上是原来的状况。图10—1水体类型及其组合图10—2水体在弯曲带图10—3导水裂隙带达到松散图10—4导水裂隙带波上部示意图层底部黏土隔水层及到含水层⑵开采深度比较小，导水裂缝带达到松散层底部，但未波及到地表水体或松散含水层水体，即松散层的底部是黏土隔水层，如图10—3所示。覆岩虽然产生了冒落和裂隙，但由于水体下存在黏土导水裂隙带导水裂隙带导水裂隙带开采损害与环境保护第页155隔水层，故松散含水层和地表水体中的水，都不能渗透到井下。⑶开采深度比较小，导水裂隙带波及到地表水体或松散含水层水体，如图10—4所示。由于岩层透水能力增强，水体中的水就渗漏到井下，使矿井涌水量增加。如果涌水量较大，矿井排水能力不足，就可能淹没矿井，但一般不会因此造成井下大的突水事故。⑷开采深度小，冒落带波及松散层底部，但未波及到地表水体或松散含水层水体，即松散层底部是黏土隔水层，如图10—5所示。一般情况下，水、砂不会透到井下。个别情况，比如松散层底部的黏土层很薄，开采后黏土层可能受到较大的拉伸变形，出现小裂缝。这使透水能力增强，井下涌水量有所增加，但由于黏土层又受压缩而裂隙闭合，或由于砂粒充填而堵塞裂隙，在短时间内水就不再透入井下。图10—5冒落带达到松散层底部隔水层图10—6冒落带波及到水体⑸开采深度小，冒落带波及地表水体或松散含水层水体，如图10—6所示。由于上覆岩层冒落后，岩石碎块杂乱无章，空隙较大，水、砂就会溃入井下，造成重大透水、透砂事故，甚至淹没矿井。以上是针对地表水和松散层水体受采动影响出现的几种情况。至于上覆基岩含水层水体受开采的影响，主要看水体与开采矿层之间的距离，和导水裂隙带切穿隔水层的情况。一般来说，如果导水裂隙带或导水断层不波及地表水体，不沟通老窑、溶洞、地下暗河等大的水体，就不会出现大的突然涌水淹井事故。以上分析了采矿活动造成的覆岩移动破坏形成充水通道的情况。在这三个采动影响带中，地下水的渗流特征由于充水裂隙的发育程度、裂隙特征的不同而存在着明显的差异。在裂隙带上部的整个弯曲带，由于活动裂隙极少，岩层渗透水的能力基本保持原始状态，所以地下水渗流的方式多是似层流形式，地下水多是通过岩层中岩石颗粒之间的孔隙和细小的微裂隙渗透，其速度低，渗流的各质点有秩序地运动。但由于采空区上覆岩层弯曲带空间呈似盆状的曲面，导致地下水有向盆底集中渗流的趋势，因此地下水渗流的流线不尽平行。与上述情况不同，在裂隙带，尤其是裂隙发育的裂隙带中下部，由于裂隙多，连通性好，容水空间和充水通道大大增加，地下水通过此带渗流呈现紊流流态类型，具有运动速度的脉冲和涡流，它的渗透速度高，在运动过程中各质点无秩序，流线杂乱无章。冒落带由于冒落岩块杂乱堆积，岩块间的空间很大，所以地下水的渗流是紊流型，其流动速度和水的流量都大大超过裂隙带。水体下开采时，当覆岩中的导水裂隙带接触水体时，水就会沿着充水通道涌入采空区。如果上冒落带冒落带第10章水体下开采第页156覆水体小或为弱含水层，且补给不足，这种涌水只恶化劳动条件，增加矿井排水量。随着采空区面积的扩大，当导水裂隙带达到最大高度后，由于上覆岩层的双向压缩，导水裂隙带的高度会由于裂隙的闭合而有所降低。这种情况尤其容易在中硬岩层和软岩中出现，这时矿井涌水量会有所减少。由于采空区上覆岩层破坏最厉害的部位是在采空区周边上部岩层中，所以采空区周边，即采区边界，一般涌水量大。当导水裂隙沟通大型水体，如地表水、老窑水、溶洞水或地下暗河等水体时，就会造成上覆水体溃入井下，成为甚至挟泥砂涌入的严重水患。如果水体补给充足，而且充水通道由于水流冲刷而畅通。井下排水能力难以应付时，就会导致严重的淹井灾害。⒋水体下安全开采的基本要求水体下安全开采的基本要求是：防止上覆水体和泥砂溃入井下，保证在不过多增加排水费用的前提条件下，尽量不恶化劳动条件，不出现淹井等事故；要在安全生产的同时，尽可能多地回收矿产资源；有些情况下，还要有效地保护地面水体(人工水库等)以及河溪湖滨的水工建筑。水体下开采的基本对策是采取隔离的方案或疏降的方案，以防止上覆水体或泥砂溃入井下。前者适用于水量大、补给充足的条件；后者适用于水量小、补给有限的条件。不论是采用那种方案，都应使井下涌水量的增加保持在矿井排水能力允许的限度内，以达到安全、经济、资源回收率高的目的。10.2防水煤岩柱的留设地表水和松散含水层下开采的核心问题就是确定合理的开采上限，或者说就是确定合理的安全开采深度。开采上限是指煤层开采的最高标高。安全采深是指矿层安全开采最大标高的深度。水下开采要涉及到在