姚桥煤矿微山湖水体下采煤防止水技术研究设计专题报告

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23 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54 的急倾斜煤层时，由于采空区冒落的煤和岩块向下滚动，迅速填满采空区下部，使采空区下部的上复岩层的移动量大为减小，采空区上部的上复岩层遭受最大的变形。这时的复岩破坏特征是，采空区上边界的冒落带、裂隙带大大高于采空区下部，破坏影响除顶板岩层外，还波及到底板岩层及采空区上边界的所采煤层本身。其破坏形态如图。这时除考虑回采上限以上垂直方向的冒落带、裂隙带高度外，当有基岩含水层时，还需考虑法线方向的高度。随着煤层倾角的增大，回采上限以上垂直方向的冒落带、裂隙带高度也随之增大。开采缓倾斜中厚煤层或厚煤层开采中倾斜煤层后复岩破坏情况示意开采急倾斜煤层后复岩破坏形态示意覆岩冒落带、裂隙带的最大高度，是确定防水安全煤柱的重要依据。解放以来，各矿区通过大量实测资料，总结出了一些经验公式，作为进行水体下采煤时设计防水煤柱的参考。必须说明的是，由于采矿地质条件的复杂性，要用一个数学公式完全概括各种具体情况是有困难的，因此各个经验公式仅是根据一些特定条件总结得来的。下面是“煤炭工业设计规范” 中总结的采用全部垮落法管理顶板时计算冒落带、裂隙带最大高度的经验公式：影响冒落带、裂隙带高度的因素很多，大量的实测资料表明，在具体的地质采矿条件下，冒落带、裂隙带高度的发展具有以下特征，在采用经验公式计算时，需要考虑到这此因素。1）覆岩岩性是影响冒落带、裂隙带高度的重要因素。不少矿区的观测结果表明，在基岩风化带，由于岩层软弱，不易产生连通性裂隙，其冒落带、裂隙带高度比未风化的岩层显著降低。2）当直接顶、老顶全为坚硬岩层时，由于其稳定性好，在冒落过程中复岩的下沉量最小，开采空间全靠冒落的岩块碎胀充填，冒落过程发展得最充分，冒落带、裂隙带高度也最大，较中硬岩层约大50%-60% 。在这种情况下开采急倾斜煤层时，回采上限以上的煤层可能滑落，有时甚至可能发展到地表，需要特别注意。当顶板为软弱岩层时，冒落过程中覆岩的下沉量较大，开采空间由于复岩正体下沉而不断缩小，冒落过程得不到充分发展，其冒落带、裂隙带高度偏小，仅为中硬岩层的70%左右，对水体下采煤有利。3) 当开采缓倾斜厚煤层时，由于重复采动使上复岩层软化，移动速度加快，破碎顶板来不及充分冒落就已成正体下沉，所以其裂隙带高度与累计采厚不成正比例增加。同时，随着分层开采数目的增加，冒落带高度占裂隙带高度的比例越来越大，如以划分4个分层为例，开采第四分层后，冒落带高度占裂隙带高度的60%。这一规律对开采浅部煤层时特别重要，要严加预防，避免冒落带直接进入到水体。4）实测资料表明，缓倾斜厚煤层分层开采时，第一分层的裂隙带高度已达全煤厚采完后最终裂隙带高度的50%左右；开采急倾斜煤层第一小阶段垂高30米左右时，裂隙带高度己发展到全阶段采完后最终裂隙带高度的70%-80%。这一现象也是由于复岩经受重复采动，岩层软化，容易正体下沉缩小了开采空问所致。根据这一规律，降低第一分层采高或第一小阶段垂高，有利于降低裂隙带高度。5）地质构造对冒落带、裂隙带高度的影响很大。据有关矿区资料，在断层带内裂隙带高度较同一地区正常地质条件下高2-8倍，有的甚至高十几倍。尤其是当断层严重风化、破碎时，要特别注意，必须保留足够的防水煤柱。致于冒落带裂隙带高度的测定方法，各矿区经常采用的是工作面直接观测法和钻孔冲洗液消耗量观测法。前者用以测定冒落带的高度，后者则反映了裂隙带与导水的直接关系，对确定裂隙带高度具有实用价值。这种方法的实质是，在采空区上方地表打钻，根据钻进时冲洗液消耗量明显增加，孔内水位急剧下降等异常现象，确定导水裂隙带的起点，由这一点到回采上限的垂距即为裂隙带高度。用这利方法测定的结果，一般比较可靠，但要打较多的钻孔，成本高、费时，且只能在开采后进行。因此用这种方法所测结果主要用于验证予测结果或供地质条件类似矿区采用比似法时参考。近些年来，有的矿区还初步试用了以下几种方法来进行综合比较。这些方法还都有待进一步实践和完善。如；1）钻孔电视观测法。其实质是，在钻孔中悬挂探头（电视摄象部分）作360 旋转，观测孔壁受采动破坏情况，并直接由测井电缆转送到设在地面的电视机屏幕上。这种方法的优点是直观，可以提高予报水体下开采安全程度的正确性。缺点是不能判定所见裂缝与采空区是否连通，所以也只能作为一种辅助手段。2）无线电钻孔透视仪观测法。其实质是，在采空区范围外分别打两个钻孔，一个钻孔内放置无线电发射机，另一个钻孔内放接收机。无线电波在不同介质中或受破坏的均质体中传播时受到不同的衰退，衰退的大小决定于介质的电阻率。当岩层中出现裂隙溶洞时，其电阻率就降低，当无线电波穿透这些低电阻的异常体时就容易衰退。根据采动前后所测得的不同深度接收场强曲线的对比，来确定导水裂隙带的高度。这种方法对在河下采煤时采空区上方法无法打钻的情况下比较适宜。3）有限单元法。这是近年来摸索采用的一种应力分析方法。它的实质是把煤系地层进行一定的简化，将各岩层假定为一个连续、均质、却同性的弹性体，然后将它变换为由有限个单元体组成的离散的结构物，根据简化的边界条件，应用弹性理论进行律算，求得煤层开采前后结构物内部的应力分布，再以煤层开采前后主应力比值的相对变化来预测导水裂隙带的高度。这种方法可与现场实测、摸拟实验等方法结合起来，综合分析，互为补充。4）流量测井法。这是一种水文物探方法。当煤系地层原生裂隙比较发育，正常钻探漏水量有时就比较大，若用冲洗液消耗量法测定裂隙带高度，往往难以取得可靠的结果。由于裂隙带内岩层的渗透性比天然状态下增强，流量测井法就是利用这一特性，使用钻孔流速仪在所测钻孔中不同深度测定地下水纵向流速及其变化，来确定钻孔中涌水层、吸水层和隔水层的位置及厚度，通过对比同一钻孔;开采前后涌水层、隔水层和吸水层相对位置的变化，来确定吸水层即渗透性增强带的上边界，这个上边界至煤层开采上限的垂距即为裂隙带的最大高度。4 水体下采煤的主要技术措施在有粘土层存在的地区，是进行水体下采煤的有利条件。但有无粘土层毕竟是一个客观存在。为了安全的进行水体下采煤工作，主要还应采取相应的技术措施。通过多年的实践，各矿区摸索了多种形式的行之有效的开采措施，除保留一定厚度的煤柱，在安全深度下开采外，还有以下几个方面。4.1 选择合适的开采方法采煤方法和顶板管理是控制基岩导水裂隙高度的重要因素，而基岩导水裂隙高度是决定水体下开采的安全性及其开采上限的重要依据。多年来，各有关矿区针对各类水体的特点、地层结构以及煤层赋存情况，采用了多种开采方法。如新坟各矿采用水砂充填法在小汉河下开采2米左右的缓倾斜煤层2大同同家梁矿在坚硬顶板条件下采用仑房式采煤法开采口泉河下4.2-5.2米厚的煤层；淮南孔集、李咀孜矿采用水平分层垮落法在含水砂层下开采厚6-7.5米、倾角70的急倾斜厚煤层； 徐州新河一号井采用伪倾斜沿走向柔性掩护支架采煤法在含水松散层下开采了75-85的4米厚的急倾斜煤层；淮北矿区采用倾斜分层垮落法在含水砂层和地表积水区下开采缓倾斜厚煤层等等。在这些开采方法中，除垮落法外，其它如水砂充填、歼石自溜充填等充填开采方法以及仑房式、刀柱式等保留煤柱的开采方法，它们的实质都是尽量保持顶板的完整性，还有对于缓倾斜厚煤层及急倾斜厚煤层采取的分层间歇式开采方法，即对缓倾斜厚煤层采用多分层，分层间隔4-6个月，对急倾斜厚煤层采用小阶段、长走向，每分段间隔3-4个月的开采方法。所有这些方法，其目的都是为了降低岩层导水裂隙的高度，使水体免受破坏，减少矿井涌水量，有利于进行水体下采煤。4.2 疏降水体当在含水层附近开采，隔水层受到破坏时，需要在回采前或回采过程中，将水体疏干或降低水位。疏降水体通常有以下几种方法：1）煤层直接顶底板为强含水层时，采取予先疏降措施，即在回采前疏干或降低水位；2）煤层顶板为弱含水层时，一般采取边采边疏的措施，即在回采过程中利用工作面自然涌水，使含水层疏干降压；3）当在上下部水力联系密切的松散层和透水性较强的煤系基岩下采煤时，一般采取予先疏干和地面防水相结合的措施。疏干方法有巷道疏干、钻孔疏干及巷道钻孔联合疏干等方法，也有先开采本煤层的下一个工作面，疏干顶板含水层、降低水位后每牙采上一个工作面的方法。图为某矿在直接顶板为石灰岩含水层下开采第十三层煤的示意，先在其下部13-15米处的第十五层煤内开疏水巷道，并向上打疏水钻孔予先疏干石灰岩水，然后再开采第十三层煤。图为石灰岩在煤层底部时，采用疏干石门和疏放降压钻孔相结合的疏千方法示意。图为某矿在第四纪含水松散层下开采缓倾斜厚煤层，采取边采边疏的方法，先采下部301工作面，利用回采自然疏干后，再回采上部的302工作面，将开采上限由-75米提高到-62米。煤层顶板为石灰岩时疏水开采示意图利用疏干石门和疏放降压钻孔疏放底板含水层水示意利用由下而上回采顺序疏放第四纪含水层示意4.3 处理水体补给来源就是在回采前用水文地质和工程地质的方法，堵截开采影响范围内的水体的主要和集中的来源，减少动水补给量。一般有河流改道、帷幕注浆堵水以及地面防水等。这些措施，都需根据水体本身的特点以及矿区地形、地层结构等具体情况因地制宜采用。此外，从有利于缓和岩层移动，降低导水裂隙的高度出发，各矿区还曾配合采爵释低缓倾斜厚煤层第一分层采高，采取自下而上的开采顺序，超前掘进底板岩石巷道起疏水作用，在开采急倾斜煤层时严禁超限采煤，在开采基岩风化带浅部煤层时，在工作面留护顶煤，缩小控顶距，加强支护质量，防止局部冒落，在煤层严重风化地段，躲开风化区，合理布置巷道，以及在开拓开采前，予先搞清含水层地层结构，准确掌握基岩面标高和风化带深度，避免人为地减少含水层与煤层间的隔水层厚度等综合措施。这些都对保证水体下安全采煤起到了良好的作用。总之，水体下采煤的安全性，当在河下、地表水体下采煤时，决定于河底有无较厚且稳定的粘土层以及所留煤柱尺寸与采煤引起的裂隙带高度是否适应。一般情况下，在有粘土层的河床下采煤，只要深厚比超过20，采用垮落法开采是可能的；在没有粘土层的河床下采煤，一般应采用充填法开采或留设较大尺寸的煤柱。当在第四纪含水松散层下采煤时，首先要分析松散层地层结构，确定出主要的含水层作为预防对象，然后根据其沉积特征、富水性以及采煤可能引起的裂隙带高度，确定合理的煤柱尺寸。当既在河流下（ 包括湖泊、积水区）又在含水松散层下采煤时，松散层水是主要预防对象。因为松散层水对矿井充水是直接补给的，而地表水体是间接补给关系，只有通过松散层的渗透才能与井下发生联系。因此一般在松散层水得到预防的悄况下，地表水也相应得到解决。如有的矿区在第四纪含水松散层下采煤，地表下沉区积水深8-9米，积水量近百万立方米，井下涌水量不变。当在基岩含水层下采煤时，主要决定于煤层与含水层之间的距离及岩性。层间距离大于裂隙带高度时，一般可不采取专门措施，否则应采取予先疏降或边采边疏等措施。5 工程实例姚桥煤矿座落在江苏省沛县和山东省微山县境内，昭阳湖西畔，距江苏省徐州市西北大约82km，距沛县县城约17km，距微山县县城约10km。区内铁路交通方便，有徐（州）沛（屯）铁路专用线，在沙塘与陇海铁路线接轨，支线直达姚桥煤矿。姚桥矿井工广距沛屯集配站8km。5.1 实验矿井湖区地质条件与湖下煤层实验5.1.1 湖区地质和水文地质条件姚桥煤矿为这次的试验矿井，该矿位于微山湖东南水域边沿，矿井西翼上方湖水水深一般为3-4m，湖床标高+28-+30m，下切湖底2-3m ，多与基岩直接接触。该区湖底松散层厚度10-15m，主要由砂砾强含水层构成，与湖水形成同一水体。姚桥矿开采煤层煤厚一般分别为4.8m ，煤质属低硫、低磷、中等偏低变质的烟煤，各层挥发份产率普遍较高。煤层倾角20-35。煤层煤顶板主要为火成岩（闪长扮岩）和砂岩，岩性坚硬或比较坚硬。在湖下试采区火成岩沿煤层煤侵入比较严重，多不可采。为低沼气矿，煤炭不易自燃。湖区地质构造主要为中小型斜切断层和火成岩侵入，断层导水性弱。煤层顶底板砂岩亦属弱含水。对矿井安全生产构成威胁的，主要是上方湖水及松散砂砾层水。5.1.2 湖下煤层试采情况和技术经济效果随着各项试验研究的展开，有计划地进行了湖下煤层的试验开采。试采区上方为河道穿切的微山湖水域，松散层厚0-6m。开采煤层采厚一般为2.5m。湖下试采特点与主要指：1)试采期间，湖下5个正规工作面和3个非正规工作面均实现了安全开采，采出煤炭28万t。2)在湖底松散层厚0-6m ，松散强含水层同湖水连成一体，煤层覆岩坚硬的困难条件下，采用走向长壁全部垮落采煤法，采厚最大为2.7m，煤岩柱垂高95m。这比包括英日等国海下采煤在内的国内外各种大型地表水体下采煤的煤岩柱尺寸都小。3） 在煤层覆岩坚硬和断裂构造发育的情况下，采取了强制崩落煤层顶板和防止断层滑移等技术措施，有效地防止了上覆岩层的非均衡破坏，从而保证了湖下安全采煤。殷庄煤矿原有开采范围处于微山湖畔的陆地下方。湖下采煤试验以前，矿井储量已经枯竭，濒临关闭，由于湖下采煤试验研究的进行，使该矿重新恢复了生机，。因矿井向西翼湖下延伸开采，获得可采走向长度3000m，使矿井设计能力增大，服务年限延长25年以上。5.2 湖下采煤试探测试实验主要成果及分析在湖区地质与水文地质、湖床沉降、覆岩破坏和矿山压力等方面，进行了大量的探测试验和研究，获得了丰富的技术资料和数据，其中，采用了十多种先进测试方法、手段，保证了所得资料、数据的准确、可靠性，为实现湖下安全、合理开采奠定了坚实基础。5.2.1 湖区地形和松散层沉积特征矿区全面开展了湖区地质与水文地质钻探、抽水与岩土试验以及并上下水动态观测，基本查明了湖区地质、水文地质条件与地下水动态。此间，还在湖面采用中科院东海研究站研制的GPY浅层剖面仪，对湖水深度和松散层厚度等进行了探测试验，实测6条走向剖面和7条倾向剖面，累计航程10000m以上。通过浅层剖面探测和钻探得知：湖区地形比较平坦，除河道切割、人工开挖区外，相对高差很小。湖底松散层厚度一般变化在4-15m之间，由湖边向湖心逐渐增大。它一般由1.5m-2.5m厚的淤泥和砂浆、砂层、粘土砂浆砾石层构成，砂层厚约4m，分布稳定，单位涌水量q=1.063L/sm，渗透系数K=37.5m/d ，其水位水质同湖水保持一致。在试采区上方一带，因河道开挖、疏浚，使松散层缺失或严重变薄，致使湖水与基岩直接接触。试验表明，引用浅层剖面仪在湖上探测，可以节省大量的水上钻探工程和费用，有利于提高勘测成果精度，是探测地表水体涂度、底介标高和水下淤泥层、松散层厚度的一种先进的方法和手段。5.2.2 覆岩破坏移动、矿压显现规律及安全回采上限在试验研究过程中，对煤层工作面深入进行了煤层覆岩破坏、移动及矿山压力显现的测试研究。在沿用传统方法、手段的同时，采用了数字声波测井和地震跨孔测试、钻孔电视和超声成相、无线电透视和形变电阻率测深、岩层移动和矿压的自动遥测，以及在工作面上方不同高度设置观测巷道供作各项测试等手段方法，进行综合探测试验和对比验证，取得了良好效果。各工作面实测冒落带、导水裂缝带高度及其同采厚的比值。覆岩破坏、移动及矿压显现的规律、有关参数及其影响因素为：1）覆岩破坏状况及矿压显现，可归纳为有着明显差异的两类。顶板岩层中硬至偏软的72东工作面，以及顶板岩层中硬到比较坚硬的8102 、8103工作面，采后直接顶均可及时冒落，岩块大小不一，碎胀系数较大，可充满或基本充满采空区，老顶岩层下沉、断裂幅度不大，因而冒落带和裂缝带的发展高度比较正常，冒高采厚比在2.69-5.87之间，裂高采厚比一般为10.74-18.13，冒落带和裂缝带的发展形态，均呈类似马鞍形.工作面初次来压步距在32m以内，周期来压步距不超过15m 。直接顶为闪长扮岩，老顶为厚约20m砂岩。8101工作面，采后直接顶悬露面积大，发生周期性垮落，在采用人工强制崩落时，直接顶初次垮落步距为28m，周期性垮落步距为10-12m，由于直接顶周期性垮落，岩块大而又规则排列，碎胀性小，导致上部老顶岩层发生较大幅度下沉、断裂和垮落，因而冒落带发展得很高，达到采厚的4.52-9.04倍，平均占冒落裂缝全高的55%，冒落带呈宽缓的平拱形，裂缝带呈宽缓的马鞍形。上述说明，煤层覆岩岩性及组合结构，对覆岩破坏高度、发展形态和矿压显现起着关键作用，在直接顶和老顶均为坚硬岩层时，冒落裂缝发展高度、形态和工作面来压显现的异乎寻常的变化；是难以避免的。2）钻孔电视、超声成相和声波、地震跨孔测试等一致显示：各工作面的裂缝带岩层、竖向、高角度和离层裂缝都很发育，尤其是在其中下段，裂缝纵横交错、连通和导水性很强，而裂缝带顶介以上岩层，则发生一定幅度的弯曲下沉，并产生离层，在3102工作面裂缝带以上的岩层中，离层裂缝累计宽度与地层全厚之比平均为4.1mm/m，但高角度竖向裂缝极少，离层裂缝未被串通，因而在竖向上不具连通和导水性。在一定的地质开采条件下，裂缝带以上岩层是发生有一定程度离层的弯曲下沉，而不是“整体” 弯曲下沉，弯曲下沉带内的少量离层裂缝未相互沟通，具有隔水能力的岩层仍不失其固有的隔水性。依据有关测试成果、试采实践和采厚、覆岩性质、基岩面标高等具体条件，经计算分析，姚桥煤矿湖下煤层安全、合理的回采上限选定为-40-50m ，煤岩柱垂高为50-63m，但为确保安全生产，尚应采取有效的技术措施，防止坚硬顶板岩层的切冒和断层滑移，以及浅部地段可能发生的岩层抽冒和湖区钻孔导水，避免发生重大水患。5.2.3 湖床沉降与地表移动变形特征通过对72东和8101、8105、8102工作面上方湖床、地表沉降和8102井卞岩移的观测研究，获得了湖床沉降、地表移动变形的各项静态及动态参数。湖床、地表移动变形实测最大值见表。经曲线拟合和电算求得概率积分法的移动变形主要参数见表。实验工作面地表移动变形最大实测值概率积分法所需的地表岩层主要参数 从上述实测数据和计算参数可看出：1)72东工作面，地表下沉系数为0.63，这个参数及其他有关参数接近正常。这是因为，其上覆岩层以中硬偏软为主，直接顶随采随冒，老顶以较小幅度断裂下沉，冒落和破断岩块易被压实、压合，剩余碎胀系数较小，且采深小，接近于双向充分采动。2）层煤的几个工作面地表下沉系数为0.18-0.24 ，严重偏小，走向移动角及部分拐点偏移距严重偏大。其原因，煤层顶板较硬甚至非常坚硬，冒落、破碎岩块不易压实、压合，剩余碎胀系数较大，裂缝带之上沿，层煤侵入的较厚火成岩有较大的支承能力，采深大，上部岩层发生较多离层，及松散层很薄等影响所致。很明显，此等参数严重偏离正常值，是由特定的地质开采条件决定的。3)8102上方观测石门移动变形的实测值比较表中值可以看出来，除水平移动以外，均远大于相应的地表移动变位值。这说明在地面观测的同时，在井下作岩移观测，能够定量、生动地表述从采空区到地表的岩层移动变化趋势，有利于揭示地表移动同岩层移动的内在联系。姚桥矿湖下煤层煤开采，湖床沉降很少，下沉盆地相对平缓，盆地边缘裂缝少见，有利于湖下安全采煤。5.3 湖区煤层全面开发的必要性和社会经济效益煤炭在我国一次能源构成中占70%以上，煤炭生产和供应状况是整个国民经济发展的重要制约条件。华东地区经济比较发达，煤炭供应一直有较大缺口，到2010年预计达1-1.3亿吨。从外地调入不仅运费高，而且因京沪、陇海等铁路干线运力已趋饱和，也难满足地区用煤不断增长的需要，因此，出路主要还是提高本地区的产煤能力。在华东地区煤炭生产基地中，安徽两淮，资源丰富但老区产量下降幅度大，新区建井周期长，产煤能力难以较快增长。江苏徐州矿井普遍衰老，后备资源不足，煤炭产量势必持续下降。微山湖及其四周，资源丰富，煤炭开发和交通运输条件均较优越，具有迅速扩大开采规模，增加煤炭生产能力的良好条件。显然，使已有岸边矿井向湖下延伸开采和建设新的湖下采煤矿井是华东地区尽快扩大产煤能力的重要途径。所以有计划地全面开发积压在微山湖水域下及湖滨地段的大量煤炭资源，扩大以微山湖为中心的鲁西南和泳北这个煤炭基地的生产规模，对于满足整个国民经济，特别是华东地区经济建设的需要具有重要的现实意义和长远影响。微山湖地区煤炭资源的全面开发，还将产生巨大的社会经济效益，其中包括在陆地下采煤所不具有的特殊效益：1）在预计的全区102亿t地质储量中，精查、详查所获储量可供新建和扩建大中型矿井20对以上，这可大大缓和华东地区煤炭供求矛盾，减少从外地调入量，有利于缓和铁路运输紧张状况。2）沿湖一带矿井向湖下扩展，可以节省基建投资，延长矿井及矿区服务年限，保证矿井正常接替。3）湖下采煤不存在村庄、建筑物保护或搬迁，不存在对农田、山林的破坏，可节省村庄搬迁和土地赔偿费。4）湖下开采引起湖床自然沉降，增加水深和蓄水量，有利于灌溉、航运和水产事业的发展，可减少微山湖及京杭大运河疏浚开