水下煤开采的压力问题优化

(1)影响水体下采煤的地质及水文地质因素

1)煤层上方水体类型

根据我国煤田地质及水文地质条件,可以分为七种常见的水体:

①单纯的地表水体,指江、湖、河、海、沼泽、坑塘、水库、水渠、采空区地表下沉盆地积水、洪水、溪沟水、农田水等水体,水体底部有黏性土层,地表水与松散层及基岩含水层无直接的水力联系。

②单纯的松散含水层水体,指松散层中的砂层、砂砾层及砾石层水体,这类水体属孔隙水,其特点是流速小,补给速度慢。

③单纯的基岩含水层水体,指砂岩、砾石、砂砾岩和石灰岩岩溶含水层水体。这类水体属孔隙、裂隙及岩溶水类型。

④地表水体和松散含水层构成的水体,指松散含水层与地表水有密切水力联系的水体。

⑤松散含水层和基岩含水层构成的水体,指基岩含水层与松散含水层有密切水力联系的水体。

⑥地表水体和基岩含水层二者构成的水体,指基岩含水层直接接受地表水补给的水体。

⑦地表水体、松散含水层和基岩含水层三者构成的水体,指当基岩含水层受到松散层水的补给时,而地表水又补给松散含水层的水体。

2)岩性及地层结构

岩性及地层结构既是岩土层含水性和隔水性的决定因素,又是决定覆岩破坏和地表塌陷特征的关键。许多国家都把有无泥质岩土层及其在覆岩中含量的比例大小,作为评判能否在水体下采煤的标准。

体现岩性影响的主要因素主要有:岩土的颗粒组成;岩石的矿物成分及微观结构特征;力学性质;水理性质。

3)断裂构造

影响水体下采煤的主要断裂构造是断层和节理裂隙。它们本身可能成为水体一部分,也可能成为水体补给通道。因此,研究断裂构造的特征及分布,是水体下安全采煤的重要内容。

4)煤(岩)层赋存状态

煤(岩)层赋存状态包括煤(岩)层厚度、倾角、埋深及其与水体位置的关系,这是决定水体下采煤时应采取何种途径的重要因素。

(2)水体下压煤开采的技术途径

根据我国煤矿在水体下压煤开采的大量实践与成功经验,处理水体下压煤和采煤问题,有顶水采煤、疏堵、留设煤柱等途径。

1)顶水采煤

顶水采煤就是对水体不作任何处理,只在水体与煤层之间保留一定厚度的安全煤岩柱情况下进行采煤。顶水采煤留设防水、防砂和防塌等三种类型安全煤岩柱。在留设防水煤岩柱的情况下,矿井涌水量基本上不增加;在留设防砂煤岩柱的情况下,矿井涌水量有所增加,但不会涌砂溃水;在留设防塌煤岩柱的情况下,则可避免泥土塌向工作面。(www.xing528.com)

2)疏干采煤

疏干采煤是指先疏后采,或边疏边采两种情况。

先疏后采适应的条件:煤层直接顶板或底板为砂岩或石灰岩岩溶含水层,能够实现预先疏干时;松散含水层为弱或弱中含水层、水源补给有限,通过专门疏干措施或长期开拓与回采工程可以预先疏干时。

边疏边采指的是砂岩或石灰岩岩溶含水层为煤层基本顶,回采后,基本顶含水层的水由采空区涌出,不影响工作面作业,但在工作面内需要采取疏水措施。

3)顶、疏结合开采

在受多种水体威胁的条件下进行水体下采煤时,对远离煤层的水体,可以实行顶水采煤,而对直接位于煤层直接顶或离煤层一定距离的水体,则应实行疏干采煤。

4)帷幕注浆堵水

通常将水泥、黏土等材料注入含水层中,形成地下挡水帷幕,以切断地下水的补给通道。

(3)水体下采煤的开采技术措施

水体下采煤时,除留设相应的安全煤岩柱外,还必须采取适宜的开采技术措施和安全措施,以确保安全煤岩柱的可靠性和有效性。根据水体及安全煤岩柱的类型、地质、水文地质和开采技术条件,可选用下列开采技术措施和安全措施:

①保留防砂和防塌安全煤岩柱开采缓斜及倾斜厚煤层时,应采用倾斜分层长壁采煤方法,尽量减少第一、二分层的采高,增加分层之间的间歇时间,上下分层同一位置的回采间隔时间应不小于4～6个月,如果岩性坚硬,间隔时间应适当增加。

②开采急倾斜煤层时,应采用分小阶段间歇采煤方法,同时加大走向方向连续采煤长度,第一、二小阶段的垂高应小于其余小阶段。严禁超限开采设计范围之外的煤量,如果顶底板岩层坚硬、煤质松软,易发生煤体垮落时,则在第二水平甚至第三水平开采时,也应按上述规定执行。

③当松散含水层或基岩含水层处于预计冒落带和导水裂缝带范围内,但煤层顶板与含水层之间有隔水层存在时,工作面应当组织正规循环作业,保证工作面匀速推进,加大工作面支护密度,防止工作面顶板隔水层超前断裂。同时加强疏排水工作,保持水沟畅通,避免工作面作业条件恶化。

④如果松散层底部为强含水层,且与基岩含水层有密切的水力联系时,矿井初期应按防水煤岩柱要求确定开采上限或只将总回风巷标高提高。待对底部含水层疏干后再按防砂煤岩柱或防塌煤岩柱要求进行开采。

⑤在试采条件困难和地质、水文地质资料不足的情况下,可先采远离水体、隔水层较厚,且分布稳定,采深较大、地质和水文地质条件简单或易于进行观测试验的煤层,积累经验和数据后,再逐步扩大试采规模和范围。

⑥开采石灰岩岩溶水体下煤层时,应在开采水平、采区或煤层之间留设隔离煤柱或建立防水闸门(墙),设计隔离煤柱尺寸时,必须注意使煤柱至岩溶水体之间的岩体不受到破坏;或者在受突水威胁的采区建立单独的疏水系统,加大排水能力及水仓容量,或建立备用水仓。在水体上采煤时,可采用底板注浆加固等措施。导水断层两盘和陷落柱周围应留设煤柱,留设方法可依照《煤矿防治水细则》进行。

⑦在积水采空区和基岩含水层附近采煤,或有充水断层破碎带、陷落柱等存在时,应采用巷道、钻孔或巷道与钻孔相结合等方法,先探放、疏降,后开采,或边疏降边开采。

⑧当地表水体和松散强含水层下无隔水层时,开采浅部煤层,以及在采厚大、含水层水量丰富,水体与煤层的距离小于顶板导水裂缝带高度时,应用控制裂缝带发展高度的开采方法,如充填法或分带法开采,限制开采厚度等措施。

⑨近水体采煤时,应采用钻探或物探方法详细探明有关的含、隔水层界面和基岩面起伏变化,以保证安全煤岩柱的设计尺寸。

⑩在水体下采煤时,应对受水威胁的工作面和采空区的水情加强监测,对水量、水质、水位动态进行系统观测,及时分析;应设置排水巷道,定期清理水沟、水仓,正确选择安全避灾路线,配备良好的照明、通讯与信号装置;应对采区周围井巷、采空区及地表积水区范围和可能发生的突水通道做出预计,采取相应预防措施。