第18讲海下采煤技术实践

第18讲海下采煤技术实践煤炭科学研究总院西安分院主讲人：靳德武CCRI.XI’ANBRANCH国内外海下煤炭开采现状迄今为止，世界上有五个海下采煤国家，它们是英国、澳大利亚、智利、日本和加拿大。80年代初,英国有近60%以上的煤炭产量出自海底，当时约有1.5万个矿井开采东北部海底浅部煤层。日本和澳大利亚海下煤炭产量也曾在全国煤炭产量中占有相当大的比重。CCRI.XI’ANBRANCH我国龙口北皂煤矿海域扩大区H2101工作面试采成功结束了没有海下采煤的技术实践，使我国成为世界上第六个海底下采煤的国家。CCRI.XI’ANBRANCH由于海下采煤的特殊性，各国政府严格审查和管理，多数以法规、政府命令和规程的形式对海下采煤作了严格的规定和限制，如加拿大对海下采煤就以皇家法案的形式进行管理。CCRI.XI’ANBRANCH由于地质条件差异较大，各国都根据各自矿区的生产实践经验来确定开采方法、开采深度及煤柱尺寸，如在海底下采用长壁陷落式采煤时，海底距煤层的最大安全距离英国为105m，加拿大为213m，澳大利亚为60倍采厚，智利为105m，日本则更大，为200～300m。CCRI.XI’ANBRANCH总体上讲，各国均考虑地质条件、隔水层和采煤方法的影响，注重从各自的经验出发规定上限。其中澳大利亚的规定最为详尽也最为严格，法规也最为健全。由于地质条件和国情不同，无论是根据最大变形值还是最大限厚，各种衡量标准在一个国家内可能合理，而在另外一个国家可能就不合适，很难形成统一的标准。CCRI.XI’ANBRANCH国外海下采煤国家煤柱尺寸及开采规定极限变形值法总高度煤系地层总高度煤系地层/mm·m-1/m厚度/m/m厚度/m英国＞105＞60＞60＞4510＞213或100倍＞76或采厚100倍采厚澳大利亚＞60倍采厚＞46＞60倍＞46—智利＞150———5日本200～30060～10060～100—86国别长壁陷落法采煤房柱法或充填法开采加拿大——CCRI.XI’ANBRANCH长期以来，我国也积累了丰富的水体下、湖泊下及河下采煤的经验，对水体下采煤，在《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中作了详尽的规定。CCRI.XI’ANBRANCH海下采煤的特殊困难和问题海下采煤以前，难以取得足够的地质资料，勘探费用过高。同其它井工开采相比，海下采煤不允许任何由于海床变形和破坏而造成的淹井事故；一旦淹井，后果不堪设想。CCRI.XI’ANBRANCH海下采煤的突出优点不会导致地表破坏，无需支付昂贵的搬迁费用及耕地损失费用。海底开采邻近地区没有老采空区和小窑的干扰，而其它煤田则要受到老采空区和小窑开采的影响。海底采煤可以在沿海煤田矿井的基础上实现，无需像内陆煤田一样，需另建矿井。CCRI.XI’ANBRANCH（1）海下采煤的关键问题海下采煤关键是要防止海水通过采动裂隙、导水断层和封闭不良钻孔及其它导水通道溃入矿井。CCRI.XI’ANBRANCH（2）海下采煤矿井防治水工作由于海陆地层相似，因此首先应该进行全面分析和掌握陆地矿井水文地质规律，以及水文地质灾害发生的原因和排除方法；CCRI.XI’ANBRANCH其次运用近海陆地施工水位长期观测孔，并加强水文地质分析工作，利用水质跟踪分析的方法，掌握矿涌水与海水的关系以及各含水层水与海水的关系；CCRI.XI’ANBRANCH最后利用各类巷道施工井下钻孔，结合井下物探进一步查明小构造的分布情况，参照陆地冒裂带观测研究成果，再增加一定的保险系数用于海下也是可行的；CCRI.XI’ANBRANCH（3）海下采煤应查明的主要问题海域第四系底界起伏形态、基岩厚度、结构和赋存状态，直接影响到第四系保护煤柱的留设，而勘探查明程度不高，要进一步查明；CCRI.XI’ANBRANCH应用超前探测技术开展海域断层导水性的专门研究,尤其大型断层；CCRI.XI’ANBRANCH（4）近海区综放采煤导水裂缝带高度预计-以北皂煤矿4303工作面为例为了全面准确预计导水裂缝带的高度,分别采用:经验类比分析法有限元数值模拟计算方法预计导水裂缝带的高度；CCRI.XI’ANBRANCH研究结果表明,导水裂缝带发育高度与采厚有着密切的联系,一般情况下,二者成近似分式函数关系。综放开采时,由于其一次采放厚度明显增加,即当开采同样厚度的厚煤层时,若采用分层方法将其分为2～3层开采,则导水裂缝带一般发育较低。若采用放顶煤方法将其一次采放出来,则导水裂缝带的高度将会明显增加,仍呈近似分式函数关系。CCRI.XI’ANBRANCH通过综合对比分析,参照其它矿区综放开采的成功经验及其综放和综采导水裂缝带高度实测结果及其对比研究结果,选取北皂煤矿煤4层综放开采的裂高采厚比为9,由于煤层综放一次采放厚度为5m,因此得到其导水裂缝带的预计值为45m。CCRI.XI’ANBRANCH采用有限元法对北皂煤矿4303工作面开采煤4引起的导水裂缝带高度进行预计的结果为43.2m,说明北皂煤矿导水裂缝带的预计是可行的。目前,4303工作面已安全实现了水体下综放回采,从而证实了防水煤柱留设的合理性。CCRI.XI’ANBRANCH（5）近海区采煤防水煤岩柱的留设及回采上限的确定-以北皂煤矿一、三采区为例对水体下采煤的可靠性和安全性进行评价时,合理留设安全煤岩柱是十分重要的问题。根据北皂煤矿一、三采区第四系松散含水层的实际情况留设防水安全煤岩柱,就是保证导水裂缝带不波及松散层底部含水体,因此需要选取保护层厚度。CCRI.XI’ANBRANCH根据对北皂煤矿一、三采区第四系松散层宏观和微观结构的分析和研究可知,一、三采区浅部第四系松散层底部一般无粘土层,但基岩风化带隔水性较好且力学强度极低,根据现行的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程,这种条件下要按“松散层底部无粘性土层,覆岩岩性为极软弱”的情况选取保护层厚度(Hb),即Hb=3M式中M——煤层回采厚度。CCRI.XI’ANBRANCH这样选取的保护层厚度为15m。由于综放开采是近几年来才发展起来的一种高产高效采煤方法,根据分析和研究,若仍按《规程》的规定,则选取的保护层的厚度明显偏大。参照近几年来兖州等矿区成功实现水体下综放开采的成功经验,结合北皂煤矿煤4综放工作面开采的具体情况,经过综合对比分析和研究,决定选取其保护层厚度为2倍的采厚,即Hb=2M=2×5=10mCCRI.XI’ANBRANCH防水煤岩柱尺寸(Hsh)等于导水裂缝带的高度(Hli)加上保护层的厚度,即Hsh=Hli+Hb因此,当煤4综放厚度为5m时,防水煤岩柱的尺寸为Hsh=45+10=55m基岩柱垂高,由此,可以得出一、三采区的回采上限的位置和标高为-108m和-113m。确定回采上限的具体方法是,首先在各地质剖面上标出第四系底界,然后再根据具体的采煤方法和开采厚度,标出相应的防水煤岩柱尺寸。在确定上限时,从煤层顶板标起,即可得出回采上限。CCRI.XI’ANBRANCH三采区4303、4302煤4工作面综放开采实践证明，回采期间仅仅表现为局部淋水CCRI.XI’ANBRANCH海域开采技术实践海域扩大区矿井开拓方式和采区、工作面的布置符合海域下采煤“先深后浅”的原则，H2101工作面距海水垂高约350m，距第四系松散层底界垂高约255m，一般情况下，在采掘过程中，海水不会溃入矿井。CCRI.XI’ANBRANCH海域开采技术实践超前地质工作对保证海域工程正常施工至关重要，考虑到海域补充勘探不同于地面，若采用钻探，则需重新设置海洋钻井平台，不仅需要高昂的费用，且施工期大大超出矿井采掘接续的要求。为此，决定采用海上高分辨率三维数字地震勘探技术，对开采区域进行补充勘探。CCRI.XI’ANBRANCH海域开采技术实践开展了建立海域水质监测系统和井上、下水情在线自动实时监测系统的预警实践。CCRI.XI’ANBRANCH海水与各含水层水水质对比K++Na+Ca2+Mg2+CI-SO42-HCO3-CO32-海水12200459220018000873016007.9第四系浅部130.4111.188158.6418.72487.5第四系下部7882.32660.21620.916898.34811.9238.27.9泥灰岩2289355.423505200.1326.96247.7泥岩、泥灰岩互层煤1油21429.3912.6979.137.81638.2121.68.8煤2底板砂岩206010.443121401460167008.2PH8.2350.7709.5取样地点阳离子(ppm)阴离子(ppm)3836.7177.6180.15644.6CCRI.XI’ANBRANCH