近水體采煤技術(shù)探究

俞 才，劉 捷

近水體采煤技術(shù)探究

俞 才1，劉 捷2

(1.中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán)公司，山西 忻州 036600;2.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003)

我國(guó)煤礦的水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜，特別是華北煤田受奧灰?guī)r溶水威脅的礦井占礦井總數(shù)的80%，近水體采煤已成為制約我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的主要瓶頸。論述了在水體下和水體上采煤技術(shù)的特點(diǎn)，并介紹了其應(yīng)用現(xiàn)狀。

煤礦;近水體采煤;措施

近水體采煤不僅可能對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成威脅，而且會(huì)對(duì)水資源造成極大地破壞。根據(jù)水體位于礦層的位置不同，將近水體煤層開(kāi)采分為水體下開(kāi)采和承壓水體上開(kāi)采。當(dāng)煤層位于水體下方時(shí)，稱之為水體下開(kāi)采。當(dāng)煤層位于承壓水體上方時(shí)，稱為水體上開(kāi)采。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)我國(guó)“三下一上”壓煤量約為137.9 億 t，而其中水體下 19.05 億 t，承壓水體上17.34億t，兩者共占總壓煤量的1/4。近幾年，我國(guó)一部分學(xué)者對(duì)近水體采煤方法進(jìn)行了研究，并在理論和實(shí)踐方面取得了一定的成果，但是要從根本上杜絕礦井水害的威脅仍然任重道遠(yuǎn)。本文從水體上和水體下采煤兩方面對(duì)近水體開(kāi)采技術(shù)做一探究。

1 水體上采煤技術(shù)

水體上采煤專指在高壓石灰?guī)r含水層上近距離煤層的開(kāi)采。我國(guó)高壓石灰?guī)r含水層分布較廣，約占全國(guó)總面積的1/5，而這些地區(qū)也正是重要的產(chǎn)煤地，近60%的煤礦受到不同程度的底板巖溶承壓水的威脅，局部地區(qū)水壓值已經(jīng)達(dá)到2.0～6.5 MPa，加之煤層與其下覆的灰?guī)r巖溶含水層之間的隔水層厚度較小，一般只有10～20 m，最大不超過(guò)60 m，突水幾率增大，淹井的事故逐年上升。

1.1 承壓水體上采煤底板突水的一般規(guī)律

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐，我國(guó)已經(jīng)基本能掌握影響承壓水體上采煤底板突水的主要因素及一般規(guī)律。主要包括以下幾點(diǎn)：

1)突水水源為底板強(qiáng)承壓含水層，大多為富水性好、水壓力大的灰?guī)r含水層。

2)在開(kāi)采工作面，突水點(diǎn)大多分布在工作面煤壁附近、上下平巷邊緣以及切眼、停采線處的煤壁附近。

3)突水事故與構(gòu)造特別是斷層密切相關(guān)，70%以上的突水事故都與構(gòu)造影響相關(guān)。

4)底板承壓含水層水壓、底板隔水巖層的厚度及隔水性能對(duì)底板突水有顯著影響。底板承壓含水層水壓越大，底板隔水巖層的厚度越小，隔水層的阻水能力越差，越容易發(fā)生突水事故。

5)底板突水與采動(dòng)礦壓顯現(xiàn)有很強(qiáng)的一致性，而且絕大多數(shù)都發(fā)生在頂板來(lái)壓前后，頂板的初次來(lái)壓和二次來(lái)壓時(shí)，發(fā)生底板突水事故占總底板突水事故的90%。

6)底板突水與原始導(dǎo)高有一定關(guān)系。底板含水層地下水未受采動(dòng)影響時(shí)，沿隔水巖層底部導(dǎo)水裂隙上升一定高度，這個(gè)高度稱為原始導(dǎo)高。原始導(dǎo)高越大，越容易發(fā)生底板突水。

1.2 承壓水體上采煤技術(shù)

在承壓水體上采煤，要根據(jù)具體的地質(zhì)和開(kāi)采技術(shù)條件，選擇合適的治理方案。根據(jù)我國(guó)近幾年來(lái)的實(shí)踐，主要有以下幾種方法：

1)疏水降壓技術(shù)。疏水降壓是指煤層頂?shù)装搴畬踊蛎合档貙雍畬?，通過(guò)地表及地下疏干方式，并借助疏水巷道、抽水鉆孔和吸水鉆孔及相應(yīng)的排水設(shè)備，使煤層頂?shù)装搴畬铀畨航档椭敛擅喊踩畨骸?/p>

2)帷幕注漿堵水技術(shù)。帷幕注漿堵水是煤礦實(shí)現(xiàn)疏堵結(jié)合的有效措施之一。帷幕工程的目的是使外來(lái)水源中的大部分截堵在煤層開(kāi)采范圍之外，而開(kāi)采區(qū)域內(nèi)部可以通過(guò)疏水降壓等方法實(shí)現(xiàn)安全回采。

3)帶壓采煤綜合治理技術(shù)。帶壓開(kāi)采就是利用隔水層采煤。一定厚度的隔水層具有一定抵抗水壓的能力，并可以安全開(kāi)采到一定深度的煤層。帶壓開(kāi)采無(wú)需事先專門排水，一般也可以做到安全生產(chǎn)，但是，在水文地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，卻存在底板突水的危險(xiǎn)，并且當(dāng)開(kāi)采深度延伸后，水壓增大到隔水層厚度不能抵抗的時(shí)候，又會(huì)給帶壓開(kāi)采帶來(lái)很大的難度。因此，這里提出了帶壓開(kāi)采綜合治理方案，其特點(diǎn)和內(nèi)容主要包括：“以防為主，帶壓開(kāi)采，適當(dāng)疏排，輔以截堵”。具體說(shuō)就是以防水為指導(dǎo)思想，在查清區(qū)域和礦井水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行帶壓采煤。在采前和采煤過(guò)程中，可在礦區(qū)外圍截堵地下補(bǔ)水源，盡量減少奧灰水的動(dòng)儲(chǔ)量;同時(shí)，在帶壓采煤中，根據(jù)礦井涌水量大小和水壓大小，進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖杷祲?，最終實(shí)現(xiàn)安全開(kāi)采的目的。

1.3 底板突水的防治措施

底板防治水技術(shù)措施可根據(jù)具體的地質(zhì)水文條件來(lái)選擇，同時(shí)還受到礦井的生產(chǎn)實(shí)際、采煤方法以及經(jīng)濟(jì)投入能力等多因素制約，因此需要根據(jù)多方面的綜合分析后，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定較為合理的底板防治水技術(shù)措施。

1)全礦井疏水降壓。從理論上看，當(dāng)?shù)装宄袎汉畬铀畨哼^(guò)大，水體上煤層開(kāi)采安全性不足時(shí)，可以采取疏水降壓等技術(shù)措施，降低底板承壓含水層水壓，將其控制在安全范圍之內(nèi)，從而消除底板承壓含水層的突水威脅，解放水體上壓煤資源。

2)局部疏水降壓。當(dāng)?shù)装宄袎汉畬痈凰院?，或補(bǔ)給條件好、動(dòng)儲(chǔ)量大、全礦井疏降底板承壓含水層難度很大，不具備技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性時(shí)，在一定條件下，在開(kāi)采工作面周圍局部疏水降壓，使開(kāi)采工作面底板含水層在開(kāi)采期間和開(kāi)采后一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)處于安全范圍內(nèi)，可有效避免底板突水。

3)底板隔水層注漿改造。在底板隔水巖層隔水性能差、有底板突水危險(xiǎn)時(shí)，采用注漿方法加固改造隔水巖層，主要是通過(guò)鉆孔進(jìn)行注漿，堵塞石灰?guī)r溶洞，加固破碎帶和裂隙帶，并封閉奧陶系石灰?guī)r的補(bǔ)給通道，以實(shí)現(xiàn)在承壓水體上安全采煤。

2 水體下開(kāi)采技術(shù)

地下開(kāi)采引起的巖層與地表移動(dòng)，并使開(kāi)采層圍巖中的含水層水、溶洞水以及位于開(kāi)采影響區(qū)域內(nèi)的地表水和泥砂進(jìn)入井下，直接影響到礦井的安全生產(chǎn)。地下水體類型示意圖見(jiàn)圖1。

2.1 水體下開(kāi)采的特點(diǎn)

水體下采煤主要考慮開(kāi)采所引起的覆巖中的裂縫是否相互貫通，以及貫通的裂縫是否觸及到水體。所以，研究覆巖運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)律和導(dǎo)水裂隙帶高度及其分布形態(tài)至關(guān)重要，只要開(kāi)采后頂板覆巖的裂縫帶高度波及不到含水體，開(kāi)采工作是不受水體影響的。

2.2 水體下采煤的安全技術(shù)措施

為了達(dá)到安全采出水體下壓煤的目的，可以從留設(shè)安全煤(巖)柱、處理水體和開(kāi)采措施三個(gè)方面來(lái)考慮。有時(shí)采用一種方法不能解決問(wèn)題，而必須多種方法聯(lián)合使用。

1)留設(shè)安全煤(巖)柱措施。在煤層至水體底面垂直距離很近的條件下，必須在水體和煤層開(kāi)采上限之間留設(shè)一定垂深的巖層塊段和煤層，稱之為安全煤(巖)柱。其實(shí)質(zhì)就是留一定的煤(巖)柱把上覆水體和采煤造成的覆巖破壞裂隙帶隔離開(kāi)來(lái)，使上覆水體和泥砂不潰入井下，以達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

2)處理水體措施。處理水體是水體下采礦的一項(xiàng)有效措施。主要包括兩方面：疏降水體和處理水體補(bǔ)給來(lái)源。a)疏降水體措施。在水體下采礦時(shí)，有時(shí)水體距離礦層很近，不可能采取留設(shè)防水煤巖柱和采取開(kāi)采措施的方法進(jìn)行開(kāi)采，必須對(duì)水體進(jìn)行疏降，以降低含水層水壓和水量。疏降水體的方法有鉆孔疏降、巷道疏降、聯(lián)合疏降、回采疏降和多礦井分區(qū)排水聯(lián)合疏降等方法。b)處理水體補(bǔ)給來(lái)源。處理水體補(bǔ)給來(lái)源就是在回采前用水文地質(zhì)、工程地質(zhì)的方法對(duì)補(bǔ)給水體的主要來(lái)源進(jìn)行處理。具體的方法有：河流改道、帷幕注漿堵水、巷道截水以及通過(guò)地面修筑攔洪壩、建水庫(kù)、填裂縫、鋪河床、修水渠等，使地面水與井下不連通。

3)開(kāi)采技術(shù)措施。水體下采煤除了正確防治上覆水體外，還要根據(jù)實(shí)際的水文地質(zhì)條件選擇適當(dāng)?shù)木C合性開(kāi)采技術(shù)措施，以減少覆巖的破壞高度和采區(qū)的涌水量，實(shí)現(xiàn)井下安全生產(chǎn)，并盡可能提高回采率。水體下開(kāi)采的技術(shù)措施主要包括以下幾方面：a)試探開(kāi)采。試探開(kāi)采就是先采遠(yuǎn)離水體、后采水體下的煤層;先采隔水層厚、后采隔水層薄的煤層;先采地質(zhì)條件簡(jiǎn)單、后采地質(zhì)條件復(fù)雜的煤層;先采較深部、后采較淺部的煤層。通過(guò)先易后難地試探性開(kāi)采，逐步接近水體。這不僅能夠在試采中確切地了解采動(dòng)對(duì)防水煤(巖)柱的破壞程度，而且還能不斷地摸索出更適合本地區(qū)的最佳開(kāi)采方案。b)分區(qū)開(kāi)采。分區(qū)開(kāi)采是水體下采煤減少災(zāi)害損失的一個(gè)重要措施。主要是采用同一井田內(nèi)的采區(qū)之間設(shè)置隔離煤柱或永久性防水閘門以及建立若干單獨(dú)井田同時(shí)開(kāi)采的兩個(gè)方案。這樣一旦發(fā)生突水事故，可以有效地控制水情，縮小災(zāi)害的影響范圍。c)減小覆巖破壞高度的開(kāi)采措施。采取一些井下開(kāi)采措施，減少導(dǎo)水裂縫帶高度，防治破壞留設(shè)的安全煤柱，也是水體下采煤保證安全生產(chǎn)的積極措施。常用的技術(shù)方法主要有充填開(kāi)采、部分開(kāi)采、分層間歇開(kāi)采、長(zhǎng)走向小階段開(kāi)采以及正常等速開(kāi)采等。以上技術(shù)措施的實(shí)施，必須在保證建立完善的防排水系統(tǒng)和健全的搶險(xiǎn)救災(zāi)制度的基礎(chǔ)上才能得以實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)幾十年的研究、試驗(yàn)和推廣應(yīng)用，近水體采煤技術(shù)已經(jīng)是挖掘老礦生產(chǎn)潛力，提高新礦生產(chǎn)能力，改善礦區(qū)生產(chǎn)環(huán)境，保證煤礦可持續(xù)發(fā)展不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。

［1］ 張華興，郭惟嘉.“三下”采煤新技術(shù)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008：54－65.

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Research on Near Water Mining Technology

Yu Cai，Liu Jie

Mine hydrogeological condition is complex，especially in North China Coalfield by Ordovician karst water in coal mine threatened account for 80%of the total mines，near water coal mining has become the main bottleneck which restricts safe production of coal mines in China.Discusses under water and above water coal mining technology，and introduces the application current situation.

Coal mine;Near water;Coal mining;Measure

TD82

A

1672－0652(2011)11－0031－03

2011－10－25

俞 才(1980—)，男，山西山陰人，2004年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦掘進(jìn)工作，(E－mail)sxdtdxlj@163.com