水体下和水体上采煤理论与技术

水体下和水体上采煤理论与技术

2013级采矿研究生小组成员：李英杰、兰学强、江雷、郭旭东海下采煤理论与技术报告人：兰学强海、湖、河水体下采煤理论与技术

地表水赋存在地球水圈中，有江河湖海、水库、灌渠、山谷冲沟、稻田、洪区、沼泽、坑塘以及地面沉陷积水区等。地表水属单一型水体。赋存在地球岩石圈中，积聚在岩石空隙中的水称为地下水。主要有第三、第四系冲积层内的砂层水、砂砾岩水及砂石层水（统称松散含水层）；基岩内的砂岩、砾岩、砂砾岩、石灰岩岩溶含水层及老采空区积水（称基岩含水层）。从采矿工程角度出发，可将地下含水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。松散含水层的特点是流速小、流小。基岩含水层的特点是含水层位于两个隔水层之间并承受静水压力，所以称为承压水。地下水我国的北皂煤矿一角海下采煤相对于其他地质采煤的区别和难点同一般露天开采和井工开采相比，海下采煤有其特殊性。除了存在一般井工开采所遇到的共性问题之外，海下采煤尚存在：①难以取得足够的地质资料，勘探费用过高；②易造成淹井事故；③需向海底延伸或建立海上人工岛对海底煤炭就地气化和液化，否则运输费用显著增加；④通风与排水费用可能显著增加。海下采煤相对于其他地质采煤的优缺点优点：①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；②不会造成由于地表沉陷等开采损害而引起的农田损失和地下水资源的严重流失和环境污染；③不受老采空区和小窑开采的影响；④海底采煤可以在沿海煤田矿井的基础上实现，不需另建矿井。我国海下采煤技术的应用同内陆煤矿相比，海底下采煤要取得地质资料相当困难，费用也过大，必须通过海上钻台和打钻船打深海钻孔取得海底煤田地质资料。邻近渤海湾的龙口矿区，是我国第一的海滨矿区。龙口矿业集团进军海域始于上世纪80年代，经历了勘探、调研、论证、设计、施工阶段。1984年开始，多次到英国、加拿大、日本进行考察，并对国内水下采煤情况进行调研，收集了大量水下采煤的技术资料。1989年开始，先后对海域扩大区进行了单道地震勘探和二维地震勘探，在海上打出了4个钻孔，完成了海域首采区三维地震勘探，探明海域扩大区的地质储量，为海下采煤的成功实施提供了详细的基础资料。1998年，原龙口矿务局正式向山东省政府提出对北皂煤矿海域扩大区进行试采技术研究与开发的立项申请，获准实施。海下采煤实图海下开采安全技术体系（1）海域地质及水文地质基础资料的获取（2）合理确定海下安全开采范围（3）建立海下开采防治水责任体系（4）建立海下自动排水系统实现分区隔离开采（5）开展井下超前探测（6）建立自动化保障系统海下开采安全技术体系1.海域地质及水文地质基础资料的获取一般以“物探为主、物探先行，钻探、测井密切配合”原则。在物探的基础上采用海上简易钻井平台实施了海域钻探工程。2.合理确定海下安全开采范围海下浅部开采受海水水害影响远大于深部，为了合理确定海下安全开采范围，在查明地质及水文地质条件的基础上，进行岩层伺服渗透试验、海下开采导水裂隙高度观测、安全开采技术论证，确定了安全开采深度。生产过程中严格控制海下开采深度，先期在深部进行试采，积累开采经验后，由深及浅进行开采。。

海下开采安全技术体系3.建立海下开采防治水责任体系为了确保海下安全开采，矿井设立了防治水管理机构，配备专职的水文地质工程技术人员，制定了《海下开采防治水管理制度》、《海域水情在线监测系统管理规定》、《矿井水水质化验管理规定》等海下开采防治水制度，形成了一套完善的防治水责任体系。在海域形成了地下水情在线观测系统、井下人员定位系统、水质在线监测及水质快速化验系统，设立了应急预案，组织进行水害应急演练。4.建立海下自动排水系统实现分区隔离开采在一定海域水平设中央泵房及水仓，泵房内安设一定数目水泵，采用一定规格的玻璃钢管直排地面。海域排水系统一般要采用远程控制和自动控制技术，实现元人值守，确保海域涌水能及时排出。在必要的地方建立防水闸门，坚持定期维护和保养，每年进行两次关闭试验，确保其灵活可靠，一旦海水溃入能及时关闭海下开采安全技术体系5.开展井下超前探测海下开采中，严格执行《煤矿防治水规定》，防治水工作坚持“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原则，采取防、堵、疏、排、截的综合防治原则，开展超前探测，消除水患。同时，先后采用音频电透、瞬变电磁探测技术在工作面回采前对工作面顶底板及周边进行探测，以一定量的钻探工程量进行验证，物探钻探相结合，确保了探测的可靠性。6.建立自动化保障系统为了进一步减少海下作业人员数量，提高开采技术水平，建立自动化保障机制，以海域为中心建设了自动化控制系统，包括风井自动化监控系统、海域排水自动化控制系统、海域皮带运输自动化控制系统、海域供电自动化控制系统及建立了安全预警系统、安全生产检测监控系统、井下人员定位系统以及工业电视监视系统，实现了生产过程自动化、安全监控数字化、企业管理信息化和信息管理集约化。针对今后海下采煤提出以下建议：

(1)对于新从事海下采煤的公司，最大的问题是如何运送海下煤炭。使用深海型的自动采煤机器人，将煤炭通过管道传送到采矿船或海上采油使用的半下潜式平台，就能够解决煤炭的运送问题。由于上世纪七、八十年代，国际上投入了6亿多美元用于海底锰结核矿开采技术的研发，深海采矿技术得到了很大发展，而且深海机器人已经是成熟的工业技术，广泛使用于海上石油开采和海下搜救中，今后必将使用于海下采煤中。(2)从事“黑烟囱”研究的目的，主要是因为陆地的金属硫化沉积物与海底非常相似，将其作为研究陆地沉积物的一种途径。我们希望通过了解海洋地质，能为我们研究陆地上的沉积物带来一些启发。”针对今后海下采煤提出以下建议(3)海下采煤对环境的影响比陆地采煤要小。海下采煤可以避免陆地采煤带来的许多问题。比如，海下采煤也不会触及活跃的黑烟囱，即不会威胁到活跃黑烟囱附近聚集的各种海底生命。(4)海下采煤是一个经济、社会、环境和技术相结合的综合性难题，必须在偏重于安全和防止环境污染的基础上，在技术可行的条件下寻求综合经济效益最佳。进行中国的海下放采煤，借鉴国外的成功经验很重要，同时必须结合我国海域具体地质情况，建立具有中国特色的海下采煤技术及安全体系。湖下采煤理论与技术报告人：郭旭东湖下采煤理论与技术在采矿工程中确定某一煤层的开采方案时，首先要分析开采煤层上覆岩层的垮落带和导水断裂带的高度及其形态，最大高度的发育时间等等，然后根据这些分析来确定煤层的开采上限，或者说是确定合理的安全开采高度。开采上限是指煤层开采的最大高度。安全采深是指煤层安全开采最大标高的深度。(1)开采引起的导水裂隙带是否波及湖水底部．造成矿井透水和淹井．即水患问题。(2)开采引起的上覆岩层存在许多裂缝形成导水通道．即裂缝问题。湖泊下采煤是否可行的关键技术问题地表水、地下水涌入开采空间的机理

充水通道开采使上覆岩层移动和破坏，形成充水通道，使水体渗透或溃入井下。影响程度使矿井的涌水量增加（水体的水量少或补给不足）淹井（充水通道沟通的是地表水、采空区水、溶洞水或地下暗河等大型水体，井下排水能力难以满足）湖泊下开采技术措施1、试探开采生产实践表明，试探开采时水体下开采的一个重要技术原则。试探开采就是先采远离水体、后采近邻水体下面的煤层；先采隔水层厚、后采隔水层薄的煤层；先采地质条件简单、后采地质条件复杂的煤层；先采较深部，后采较浅部的煤层。通过先易后难地试探性开采，逐步接近水体。这样，不仅能够在试采中确切地了解采动对防水煤岩柱的破坏程度，而且能够不断地摸索出适合本地区的最佳开采方法和措施。湖泊下开采技术措施2、充填开采充填开采通过外来材料对采空区进行充填，以减少采出空间，减小覆岩移动破坏范围，从而达到安全采矿的目的。对水体上采矿而言，充填开采可减小支撑压力、增加底板的压力、减少底板上的鼓量和破坏深度，使承压水上开采安全。现场实测表明：填充开采顶板压力集中系数是全部垮落法开采的1/5~1/12，压力变化幅度值为1/6~1/15，底板破坏最大深度为5m左右。湖泊下开采技术措施3、部分开采部分开采包括条带开采、房柱式开采、刀柱式开采等短壁开采方法。其目的是减小工作面的开采宽度、从而减小顶、底板的破坏范围、使破裂范围不触及含水层、达到安全采矿的目的。湖泊下开采技术措施4、分区开采分区开采时湖泊下开采减少灾害损失的一个重要措施。分区开采有两种方法，一是在同一矿区内隔离采取进行开采；二是建立若干单独矿井同时开采或分别开采。该方法的目的就是使各采取相互独立，防止矿井突水时淹没整个矿井。在浅部开采和水源补给充足的条件下常采用此方法。湖泊下开采技术措施5、分层间歇开采分层间歇开采时将厚矿层分成几个分层进行开采的方法。从前面的冒落带、导水裂缝带高度计算公式中可见，冒落带、导水裂缝带高度随矿层采动次数的增加，其增加幅度逐渐减小。即分层开采时覆岩的冒落带、导水裂缝带高度比一次采全厚时要小的多，同时使整个覆岩破坏均衡，对水体下采矿有利。对于厚松散层下浅部矿层的开采或安全煤岩柱中基岩厚度较小的条件，分层间歇开采具有明显的效果。6、协调开采协调开采是湖泊上采矿减小底板采动破坏的有效方法。其目的就是通过适当地布置两矿层的工作面，以减小采动的支承压力和底板岩体破坏的深度。协调可分为不同矿层的协调开采和同一矿层的协调开采。湖泊下开采技术措施湖泊下采煤的安全煤岩柱留设

一、湖泊的采动等级及允许采动程度Ⅰ级

不允许导水断裂带波及到湖泊Ⅱ级

允许导水断裂带波及松散孔隙弱含水层湖泊，但不允许垮落带波及该湖泊Ⅲ级

允许导水断裂带进入松散孔隙弱含水层，同时允许垮落带波及该弱含水层湖泊安全煤岩柱的留设方法

留设安全煤岩柱的实质是确定开采上限，保证裂隙带或冒落带不涉及水体1、防水安全煤岩柱目的：不允许导水断裂带波及到水体结果：避免上覆水体涌入井下，并要使矿井涌水量不明显增加。

覆岩岩性松散层底部粘性土层厚度大于累计采厚松散层底部粘性土层厚度小于累计采厚松散层全厚小于累计采厚松散层底部无粘性土层坚硬4A5A6A7A中硬3A4A5A6A软弱2A3A4A5A极软弱2A2A3A4A

注：A=M/n，M-累计采厚，m；n-分层层数；本表不适用于综放开采054煤层防水安全煤岩柱保护层厚度/m054煤层防砂安全煤岩柱保护层厚度（m）覆岩岩性

松散层底部粘性土层或弱含水层厚度大于累计采厚

松散层全厚大于累计采厚

坚硬4A2A中硬3A2A软弱2A2A极软弱2A2A注：A=M/n，M-累计采厚，m；n-分层层数；本表不适用于综放开采5590煤层防水安全煤岩柱及防砂安全煤岩柱保护层厚度

覆岩岩性保护层厚度（m）55707190abcdabcd坚硬1518202217202224中硬1013151712151719软弱5810127101214a—

松散层底部粘性土层大于累计采厚

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松散层底部粘性土层小于累计采厚

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松散层全厚为小于累计采厚的粘性土层

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松散层底部无粘性土层水害及防治对策报告人：江雷水体下和水体上采煤理论与技术——水害及防治对策

*发生矿井水灾的原因(1)地面防洪、防水措施不当或管理不善，地表水(多为雨季降水)大量灌人井下，造成水灾。(2)水文地质情况不清，井巷接近老空积水区、充水断层、陷落柱、强含水层以及打开隔离煤柱，未执行探放水制度，盲目施工，或者虽然进行了探水，但措施不当。(3)井巷位置设计不当。如将井巷置于不良地质条件中或过分接近强含水层等水源，导致施工后，因地压和水压共同作用而发生顶、底板透水。如此案例国内曾有发生，但为数不多。发生矿井水灾的原因

(4)井巷施工质量伪劣，致使矿井井巷严重塌落、冒顶、跑砂导致透水，或工程钻孔在固井止水前误穿巷道，导致顶板含水透水。(5)测量错误，导致巷道穿透积水区。(6)井下无防水闸门或虽有而管理、组织不当，造成透水时无作用而淹井。(7)出现透水预兆未觉察或未被重视或处理不当造成透水。(8)排水设备能力不足或设备不完好。(9)排水设备平时维护不当。如水仓不按时清挖，储水能力不足而淹井。(10)其它原因发生矿井水灾(突水)的预兆

(1)本来是干燥光亮的煤，变得发暗潮湿，无光泽，空气变冷。(2)出现雾气。井下空气中含有大量水蒸汽，湿度较大，当采掘工作面接近积水区时，空气骤然变冷，水蒸气变成雾气。(3)煤岩壁挂汗。(4)挂红。煤壁浸出的水发涩，有H2S臭味，附着在裂隙表面有暗红色氧化铁水锈。(5)煤层发出嘶嘶水叫。(6)地板鼓起，有时出现压力射流，水有甜味。(7)顶板来压，产生裂缝，出现淋水。发现透水预兆的紧急处理

不管发现上述何种透水预兆，都必须立即停止掘进迎头工作，向上级汇报情况及时采取安全措施。采取边探边掘，探水眼必须超前掘进巷道，达到要求的超前安全距离。若是水情紧急，透水即将发生，必须立即发出警报迅速采取果断措施进行处理。防止透水事故发生，防止淹井，并及时撤出所有受水害威胁地点的人员。如果透水已经发生，各工作地点人员必须沿上山向高标、高巷道往上撤离水区。矿井水害的防治措施

(1)要做好职工的教育培训，井下职工均要熟悉透水前的各种预兆，发现透水危害及时汇报并采取(上述)应急处理措施。(2)要建立必要的矿井防治水规章制度，把防洪、防治水工作落到实处。(3)加强矿井水文地质观测工作，注意收集整理资料，准确将积水巷、水窝、积水老窑绘在图上，以便进行采掘工程时制定相应的防范措施。(4)坚持有疑必探，先探后掘的方针。做好井下先探后掘的方针煤矿地下的地质条件是复杂的，地下水的情况也很复杂，在很多时候会遇到各种水害的威胁。根据现有关资料，对无法确保没有水害威胁地区，必须采取探放水措施，探水后消除了水害威胁再向前掘进。多年来与地下水作斗争的经验证明：“有疑必探，先探后掘”的方针是指导煤矿生产与各种水害作斗争的有效方针。决不可疏忽大意，不能蛮干，也不能为了赶生产怕麻烦而存有侥幸心理。在有老空水威胁地区必须进行探水，掘进工作面必须边探边掘。平巷掘进一般可对正前和巷道上帮进行钻孔探水，一般为3组钻孔，每组1～2个孔；在上山掘进时，一定要在巷道正前和左右2帮进行探水，钻孔不少于5组。煤矿水灾图片一览使用探水机械要注意如下事项(1)加强探水钻跟附近巷道的支架，最好在顶、帮、工作面打上坚固的顶柱，以防高压水冲垮煤壁和巷道支架。(2)探水工作地点挂牌，明确探水眼位置、方向、眼数、钻孔深度。打钻前要清理好巷道，准备好水沟和放水巷，并有和调度室联系的电话。(3)探水工作面要经常检查瓦斯，要加强通风。(4)水压大的探水眼要装套管，装水闸阀，便于调节水量。(5)探水时如遇到钻孔沿钻杆向外流出，应立即停止探水，固定钻杆，严禁移动钻机和拔钻。并向矿调及矿总工程师汇报，按指示行动。(6)疏放排水。疏放排水是煤矿加强含水层矿井防治水工作的1种基本手段。主要是借助疏水巷道、放水钻孔、水位降低钻孔、抽水钻孔等专门工程措施有计划、有步骤地使影响采掘安全的上覆或下伏强含水层中的地下水降低水位(水压)或使局部疏干。使用探水机械要注意如下事项(7)防水煤柱留设。在受水害威胁的地段，预留一定宽度和高度的煤柱，使工作面和水体保持一定的安全距离，以防地下水或其它水源浸入井下工作地点或巷道。该措施各类矿井均有使用。(8)堵截治水。堵截治水就是利用堵水材料将突水点或突水水流通道堵死，使水害地区与正常生产地区隔开，根除水害威胁或减少矿井排水。该措施大庆矿井于1989年曾使用过。当时，大庆矿井掘进3179工作面切割到位后，至切割反掘工作面机巷约42m时，揭露了与原煤炭湾井老空积水相通的导水断层。大量煤炭湾老空水沿导水断层涌人该施工巷道，该掘进头被迫撤退。最后从3179切割上部设置2道抗压墙和l道挡水墙才将该处涌水截住。使用探水机械要注意如下事项(9)水闸门和水闸墙。水闸门是用来预防井下涌水威胁矿井安全而设置的1种特殊闸门，它在正常情况下应不妨碍运输、通风和排水，一旦井下发生水害时，将其关闭可控制水流，把水害控制在一定范围，保证其它采区安全生产。同时，它也是淹井时，保障中央配电室，水泵房、井底车场的屏障。水闸墙分临时水闸墙和永久性水闸墙。临时性水闸墙是在有出水威胁的采掘工作面备有堵水材料，突水后迅速将水堵在小范围之内，起临时抢险作用，待事后加固；永久性水闸墙，是在开采结束后，永久隔绝有大量涌水可能的区段而砌筑的1种永久关闭的挡水建筑。(10)防止雨季地表水涌入矿井。在地面修筑防排水工程，防止或减少大气降水和地表水渗入井下。它是保证矿井安全生产的第一道防线，特别是对于以降雨和地表水为主要涌水来源的矿井尤为重要。它也是一项经常性的工作。在每年雨季前，都要建立专门的防洪(汛)机构，组织这一工作。使用探水机械要注意如下事项防止雨季地表水涌入矿井，具体应做好以下几点：①充填地表塌陷区和泄水通道。②挖排洪沟避免雨水灌人井下。③提前完成小煤窑调查工作，堵截小窑通往矿井排水通道。就该矿而言，这项工作至关重要。因为，该矿各井周边均有多处小窑