水体下综放开采技术的研究

　　水体下采煤是在地表或煤层上覆岩层中存在水体的情况下如何实现安全采煤的技术，而放顶煤采煤方法具有掘进率低、效率高、适应性强及易于实现高产等优势，并且在我国取得了迅速的发展，在水体下使用该方法具有较好的前景。放顶煤采煤法始于20世纪40年代末50年代初，由法国、前苏联、南斯拉夫等国首先使用。我国于1982年引进了综采放顶煤技术，80年代末我国综采放顶煤已走在世界的前列，并已经向国外输出综放开采的成套技术。

　　2水体下采煤的影响因素

　　2．1  水体类型

　　——地表水。赋存在地球水圈中、积聚在海洋、湖泊、河流、水库灌渠、山谷冲沟、洪区、沼泽、坑塘以及地面沉陷积水区等统称为地表水。

　　——地下水。赋存在地球岩石圈中，积聚在岩石空隙中的水称为地下水。如第三、第四纪沉积的砂层水、基岩含水、岩溶水和老采空区积水等。从采矿工程角度出发，可将地下含水层按埋藏条件分为松散层内和基岩内的含水层。

　　地表水特别是大型地表水储存量大，补给充分，且常常互相连通，较大的地表水体一旦与矿井采空区沟通，将严重危胁井下生产及人身安全或造成淹井事故。同时开采疏漏地表及近地表水，将损害区域生态环境，加剧荒漠化程度。地下水比地表水距开采矿层更近一些，且赋存情况不易搞清，其具有随机性、突发性和不可预测性，因此对其下方开采的安全威胁更大。

　　2．2覆岩类型和地层结构

　　根据水文地质的不同，将覆岩分为含水层(或透水层)和隔水层(或相对隔水层)，前者透水性大，不利于水体下开采；后者隔水性能好，有利于水体下采煤。地层的结构可分为单一、复合、封闭或半封闭结构。

　　3水体下开采的特殊性

　　水体下开采时，当覆岩中的导水裂隙带接触水体时，水就会沿着充水通道涌入采空区。如果上覆水体小或为弱含水层，且补给不足，这种涌水只恶化劳动条件，增加矿井排水量。随着采空区面积的扩大，当导水裂隙带达到最大高度后，由于上覆岩层的双向压缩，导水裂隙带的高度会由于裂隙的闭合而有所降低。这种情况尤其容易在中硬岩层和软岩中出现，此时矿井涌水量会有所减少。由于采空区上覆岩层破坏最厉害的部位是在采空区周边上部岩层中，所以采空区周边即采区边界一般涌水量大。当导水裂隙沟通大型水体(如地表水、老窑水、溶洞水或地下暗河等)时，就会造成上覆水体溃入井下甚至挟泥砂涌入的严重水患。如果水体补给充足，而且充水通道由于水流冲刷而畅通，井下排水能力难以应付时，就会导致严重的淹井灾害。在水体下使用放顶煤开采，主要应关注导水裂隙带在采动前后的渗透性变化，根据不同的覆岩条件，确定上覆岩层的透水性能，避免和井下回采地点的水力联系。如果上覆地表存在水工建筑物等一些人工设施(如水坝、观测站等)，应及时地观测地表的变化，特别是采动前后弯曲带的变化，避免人员和财产的损失。

　　4水体下放顶煤开采分析

　　4．1  水体下开采常用的采煤方法

　　水体下采煤主要是防止上覆水体中的水或泥砂溃入井下，从而增加井下煤炭开采的危险性和排水费用。多年来，我国水体下采煤解放了大量的水下煤炭资源，并获得了丰富的经验，形成了具有我国特点的理论体系。

　　水体下开采方法按照先深后浅，先远后近，先采隔水层厚的地点、后采隔水层薄的地点，先采条件好、后采条件复杂地点的原则。采煤方法一般有单一长壁、倾斜分层人工假顶长壁、仓房式、急倾斜煤层沿走向推进的伪倾斜柔性掩护支架等。在水体下实施综放开采始于90年代初期，应用比较普遍，在兖州、邢台、龙口、大屯、淮南等矿区，针对不同富水性的松散含水层水体和不同类型的覆岩，在留设防水、防砂及防爆煤柱等条件下，都成功地实现了综放安全开采。顶板管理一般有全部跨落、水砂充填、矸石充填及留煤柱支撑顶板等。

　　4．2水体下的放顶煤开采

　　在水体下使用放顶煤开采工艺，使采场的上覆岩层活动规律及结构特点发生了较大的变化，造成了明显的矿压凸现。由于在水体下使用综放开采使煤炭的一次开采厚度加大，开采强度也随之增加，采动破坏性影响程度明显加剧对水体下安全采煤产生重大影响，具体应采取一些技术措施，把工作面涌水量控制在保证安全生产，且同时取得良好经济效益的水平上，从而最大限度地开采水体下压煤。

　　放顶煤开采的生产效率取决于顶煤的冒落是否充分和冒落下的顶煤能否顺利输出，在顶煤冒落性较好的条件下，顶煤的采出率与放顶煤效果取决于合理的放顶煤工艺参数的确定。由顶煤放出规律确定水体下采煤时对弯曲带、裂隙带和破碎带的影响，特别是对裂隙带的影响。

　　对于放下顶煤的采场而言，由于开采条件的限制，顶煤一般发生沿走向的水平位移和铅垂方向的垂直位移，位移的结果使顶煤发生断裂和破碎，对于倾角较小的走向长壁放顶煤工作面，其顶煤主要表现为水平位移。而老顶位于直接顶或直接位于煤层上部坚硬的岩层，能维持很大的悬露面积，一般不跨落。由于对在水体下使用放顶煤方法，对放顶提出了更高的要求。

　　直接顶厚度的确定：直接顶冒落将充满采空区空间，顶煤的跨落放出是一个动态过程，直接顶厚度由下式求出：

　　放顶煤开采条件下，直接顶的可能冒落厚度仍为一次采出厚度的倍数，一般采场条件下该数值约1．9～2．5倍，其结果由我国放顶煤开采的实测研究所证实。目前，国内外对薄或厚煤层分层开采(一次采高3m)引起的覆岩破坏规律进行了大量的研究，提出了不同的覆岩条件下(坚硬、中硬和软弱岩层)开采预计覆岩跨落带和导水裂缝带的最大高度公式，该公式科学地指导了水体下开采。由于综放开采一次采出厚度大，地表及覆岩的移动、破坏更为剧烈，跨落带和导水裂缝带的高度与其它采煤方法相比发展的更高。现今，国内外缺乏对综放开采覆岩破坏规律的认识。我国《“三下”开采规程》中对不同类型的水体，须留设的安全煤岩柱的厚度等做了明确的技术规定，并给出了指导水体下安全采煤的单一煤层长壁开采以及特厚煤层普通分层开采的覆岩冒落带、导水裂隙带的计算公式。但由于影响覆岩破坏状况的地质因素众多，各工作面采矿条件复杂，尤其是目前国内外尚没有足够的数据统一综放开采覆岩地表破坏规律的条件下，现有的经验和规定均不能在水体下煤层开采中推广。

　　5放顶煤采煤法的应用

　　——采用水文地质钻探、单孔和群孔抽水实验、地面水文长观孔水位动态观测、井下涌水量动态观测、水质及水温动态观测等手段和方法，测试含水层富水性以及观测地下水动态变化规律。

　　——采用工作面水情及异常情况、地下水以及应用井下围岩温度场观测进行水情预测预报，从而加强现场安全监测。

　　——采用地质、水文地质观测法、巷探法和各种物测法等，加强现场测试防水岩柱。

　　——采用巷道位移法、巷道压力法、钻孔深基点位移法、孔壁变形法以及钻孔沉降仪法、钻孔倾斜仪法，测试现场覆岩变形情况。

　　——采用钻孔冲洗液法、钻孔声速法、钻孔超声成像法、数字测井法、巷探法、井下观测巷钻探法、钻孔水位法以及地面电法、地质透射雷达和微震技术等方法，测试覆岩破坏规律。

　　——采用水准测量、全面观测、顶板下沉观测和支架载荷观测及GPS方法等，测试地表移动及采场矿压显现规律。

　　——采用钻孔应力法、钻孔应变法、盈利解除法和声速法等，测试岩体应力与强度。

　　水体下采煤条件下安全技术对实现水体下综放安全开采具有十分重要的意义，特别是对于防止灾害事故的发生及扩大也将发挥重大的作用。随着水体下开采煤炭资源的不断深入发展、技术经验的不断积累，以上安全检测技术也将得到开发利用。

　　6  结语

　　综放开采煤层采出厚度大、覆岩与地表变形量大，破坏严重，如何使覆岩破坏不发生破坏性的迭加效应，避免因地表突然塌陷上覆水体溃入井下造成淹井事故，科学、经济地组织安排矿井采掘连续工作。既需要进行煤岩组分、物理力学性质、隔水岩层隔水性能的恢复、顶板再生等方面的研究工作，还有必要针对覆岩破坏及地表移动变形的时空规律，进行深入的观测研究工作。在水体下采用综放开采，应对水文地质冒落带、导水裂隙带和下沉带“三带”高度、地表移动和矿山压力等方面进行全面、系统地观测和综合研究．从而得到较准确和可靠的数据及结论，并且在对近水体区域煤层的开采过程中，得出相应的或是相似的开采经验，确定合理的开采方法。我国的地质条件比较复杂，水体下的压煤量比较大，综放开采根据其高产高效的特点。在水体下采煤领域将有较广泛的发展空间。