在承压水体上安全采煤问题

我国华北及华东地区的主要矿区如开滦矿区、兖州矿区、新汶矿区、枣庄矿区，开采石炭二叠系煤层。煤系基底为奥陶系石灰岩，厚度大、岩溶裂隙发育、富水性强、水压大。当遇有地质构造（如断裂构造）时，奥陶系石灰岩与上覆的本溪组或太原组的石灰岩连通，发生水力联系，造成底板突水事故。有些煤层由于受奥陶系石灰岩承压水的威胁而不能开采。因此，研究和解决受奥陶系石灰岩承压水威胁煤层的安全开采问题，对于煤矿的安全生产和解放呆滞的煤炭资源具有重大的现实意义。
一、底板突水类型
1、按底板突水地点分：巷道突水、采煤工作面突水。
2、按突水的动态表现形式分：
（1）爆发型：突然爆发，即达峰值，过后突水近于稳定、减小。来势猛、速度快、冲击力大，常有岩石碎屑伴水突出。
（2）缓冲型：水量由小到大逐渐增大，经几小时、几天、甚至几月才达到峰值。
（3）滞后型：采掘工作面推过后，在巷道、采空区内发生突水，滞后时间几天、几个月、几年，突水量可急可缓。
3、按突水量大小分：
（1）特大型：突水量等于或大于50 ；
（2）大型：2049 ；
（3）中型：519 ；
（4）小型：小于5 。
二、开采后底板岩层破坏规律
在开采过程中，煤层底板应力重新分布造成底板岩层的变形与破坏，削弱了底板岩层的阻水能力，甚至形成突水通道。因此，研究开采后煤层底板的应力重新分布、变形与破坏规律，是研究煤层底板突水问题的基础。
1、开采过程中工作面底板应力变形特征
采煤工作面周围应力的分布情况：按应力大小分升高应力区(增压区)、降低应力区（减压区）和原始应力区（稳压区）（见图1）。
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采煤工作面底板应力与变形情况：按应力与变形性质分压缩区（压应力）、膨胀区（拉应力）、压缩区与膨胀区之间（剪应力）。拉应力与剪应力使底板出现一系列垂直于层面的断裂。垂直断裂与层理、顺层断裂交叉，形成底板破碎带（见图1）。
2、煤层底板“下三带”
根据煤层底板的破坏情况及地下水的导升情况，采煤工作面连续推进后，工作面及采空区煤层底板可分为三带（见图2）：
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（1）破坏带：直接与工作面邻接的底板，出现一系列沿层面和垂直于层面的断裂，使底板导水能力增强，因此又称为导水破坏带，其厚度称底板破坏深度h1，可达几米到十几米。
（2）保护层带：位于破坏带之下的完整岩层，岩层在支承压力作用下产生弹性变形或塑性变形，但仍保持连续性，其阻水能力未发生变化。因此，又称完整岩层带或阻水带。其厚度为h2。
（3）地下水导升带：位于保护层带之下，底板承压水，沿底板隔水层裂隙上升的高度，其厚度为h3。
（4）底板含水层顶部充填隔水带：有时底板含水层顶部存在泥质物的充填，具有隔水作用，其厚度以h4表示。
根据下三带理论，预测承压水体上采煤有四种情况，（见图3）
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三、影响底板突水因素
1、水源条件
水源条件包括水压和水量。水量是突水的物质基础；水压是突水的动力。水量越丰富，突水量越大，其危害性也越大。水压大，一方面冲破力大；另一方面在隔水层裂隙中导升高度增大，水压越大其破坏性越大。
2、矿山压力
（1）有周期来压的采煤工作面，在初次来压、周期来压时，支承压力大，对底板破坏严重，易发生底板突水事故。
（2）在采煤工作面后部采空区附近的底板处于降低应力区或变形膨胀区，顶板垮落不充分，断裂张开，阻水能力最弱，易于突水。
（3）初次来压前，在开切眼附近，老顶大面积悬露、且直接顶垮落不接顶，底板形成较大的自由面，易于突水；
（4）工作面推进速度太慢或停止时，在停采线处由于支承压力的长时
期作用，使底板破坏严重，易于突水。工作面推进速度快，采空区底板还来不及形成较大的断裂，就会由膨胀状态变为压缩状态，有利于防止底板突水；
（5）区段煤柱在侧向支承压力的作用下，边缘处破坏；煤柱边缘处顶板垮落不充分，易于突水。
3、隔水层（保护层）阻力
隔水层的强度、厚度及裂隙发育程度，影响隔水层阻力的大小。隔水层阻力系数(Z)，以Mpa/m表示，在一般情况下Z=0.10.3Mpa/m 。
4、地质构造
地质构造，特别是断裂构造，是造成煤层底板突水的主要原因。我国绝大部分（80%以上）的底板突水，是由断裂构造引起的。
（1）断裂错距的存在，缩短了含水层与煤层之间的距离，使底板隔水
层厚度减小甚至消失（见图4）。
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（2）断裂错动时，断裂影响范围内的岩石比较破碎，极大地破坏了隔水层岩石的完整性，降低了隔水层的阻水能力。
（3）断裂错动时，断裂影响范围内的岩石比较破碎，具有良好的储水和导水特征，当采煤工作面揭露到断裂构造时，即会发生底板突水。
（4）采煤工作面底板岩体中存在断裂构造时，使底板的破坏带深度增大。
四、承压水体上采煤防水安全媒岩柱的留设
1、防水安全煤岩柱的类型
承压水体上采煤，对于不同采动等级的水体，都必须留设安全媒岩柱。
表1为承压水体上采煤的采动等级、允许采动程度及留设的安全煤岩柱类型。
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2、防水安全煤岩柱的设计
原则：不允许底板采动导水破坏带波及水体，或与承压水导升带沟通。
计算公式：
(1) 含水层顶部无泥质物充填
ha=h1+h2＋h3 ，m
式中 ha － 防水安全煤岩柱厚度，m
h1 － 导水破坏带厚度，m
h2 － 阻水带或保护层带厚度，m
h3 － 承压水导升带厚度，m
（2）含水层顶部有泥质物充填
ha=h1+h2＋h4 ，m
式中 h4－ 充填隔水带厚度，m
3、防水安全煤岩柱基本参数的确定
（1）导水破坏带厚度确定
根据现场观测，破坏带厚度主要取决与工作面长度、开采深度、煤层倾角、煤层开采厚度以及开采方法和顶板管理方法等因素，其次是底板岩层的抗破坏能力，包括岩石强度、岩层组合和原始裂隙发育状况。根据实测结果，采用回归分析，得出以下统计公式：
h1=0.7007+0.1079L[page]
h1=0.3030.8
h1=0.0085H+0.1665a+0.1079L-4.3579
式中 h1 － 破坏带厚度，m
L － 工作面长度，m
H － 开采深度，m
a － 煤层倾角，°
（2）阻水带或保护层带厚度确定
根据现场钻孔水力压裂法实测的表示单位底板隔水岩层平均阻水能力的系数，可用下式表达：
Z=Pb/R
式中 Z－阻水系数，Mpa/m
R－裂缝扩展半径，一般取40－50m
Pb－岩体破裂压力，与地应力和岩体抗拉强度有关。
Pb＝3sb-sH+T-P0
式中 Pb－使岩体破裂时的临界水压力，Mpa
sb－作用于岩体的最小水平主应力，Mpa
sH－作用于岩体的最大水平主应力，Mpa
T －岩体的抗拉强度，Mpa
P0 －岩体空隙中的水压力，Mpa
阻水带带厚度等于作用在底板上的水压力（P）除以阻水系数（Z），即
h2=P/Z
根据我国部分矿区钻孔水力压力试验，不同岩层阻水系数一般是：
中、粗粒砂岩0.3~0.5Mpa/m；细粒砂岩约0.3Mpa/m；粉砂岩约0.2Mpa/m；泥岩0.1~0.3 Mpa/m；石灰岩约0.4Mpa/m；断层带因其中充填物性质及胶结或密实程度不同，其阻水能力变化很大，按弱强度充填物考虑，其阻水系数为0.05~0.10Mpa/m 。
（3）地下水导升带高度确定
地下水导升带的高度（h3）可采用物探和钻探方法确定，一般可在井下巷道中用电测深方法进行探测，必要时用钻探验证。当井下物探与钻探条件受限制时，也可通过以往勘探钻孔资料分析确定。断层带附近的地下水导升带高度一般比正常岩层中增大，有时甚至可达到或超过煤层。
（4）底板含水层顶部充填隔水带厚度确定
底板含水层顶部充填隔水带厚度（h4）可以采用物探和钻探方法综合确定，表2为现场实测结果。
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五、承压水体上采煤方案
1、深降强排
采用疏水井巷、疏水钻孔，将含水层水位降低至开采水平以下，以保证安全开采。但疏水工程量大，设备多，电耗大，投资大；使附近工农业用水缺乏；若井田内有奥灰，水量大、补给充足，难以实现深降强排方案。
2、外截内排
先采用帷幕注浆，截堵补给水源。再疏干降压，将承压水水位降至开采水平以下。要求水文地质条件清楚，补给径流集中，帷幕截流工程易施工。
3、带压开采
在开采过程中利用隔水层阻力，防止底板突水。承压水水位高于开采水平，底板要有足够的强度能承受承压水的压力。带压开采方案经济，但要探明水文地质条件，进行论证，并采取安全措施。
4、带压开采，综合治理
带压开采，开采前，堵截地下水补给水源；开采过程中，疏水降压。该方案既安全又经济。
六、承压水体上采煤安全技术措施。
1、防探水安全技术措施
（1）做好水文地质及构造地质工作：了解含水层、隔水层、岩溶、断层、裂隙分布、承压水径流、补给水源通路等情况。
（2）加强防探水工作：超前探明底板隔水层厚度、底板含水层含水性能、地下水导升高度、断层含水性能及裂隙富水程度。
（3）设置井上下水文工程设施：设置水文观测孔，建立水文观测制度，及时收集和整理水文观测资料，必要时设置专门的疏水巷道和疏水钻孔，增加排水设备，提高排水能力。
（4）必要时对底板破碎带进行注浆加固。
2、开采安全技术措施
（1）选择开采：按先易后难、由浅入深、先简单后复杂的原则进行开采；对条件相同的煤层，先进行试采，总结经验，找出规律，再逐步推广应用。。
（2）分区隔离开采：用留设隔离采区煤柱、设置水闸门等方法，缩小底板突水的影响范围。
（3）改革采区巷道布置：减少过断层，减少巷道交叉点数目，缩小巷道交叉点面积，巷道交叉点和采煤工作面上下出口要尽量避开小断层，无法避开时要对小断层进行加固。
（4）采煤方法：采用充填开采、部分开采、仰斜长壁开采、分层开采；缩短工作面长度，提高工作面推进速度；正确确定工作面推进方向。
作者：于润桥