煤礦井下采煤技術(shù)體系研究

煤礦井下采煤技術(shù)體系研究

在采礦和生產(chǎn)過(guò)程中，通常不保留建筑物、鐵路和水體下的碳柱。這不僅造成大量煤炭資源的積壓,而且造成礦井不能合理進(jìn)行開采。尤其是在埋深大、煤層層數(shù)多的礦區(qū),壓煤量相當(dāng)驚人。據(jù)我國(guó)某礦區(qū)統(tǒng)計(jì),僅一個(gè)工業(yè)廣場(chǎng)煤柱壓煤量就達(dá)7000萬(wàn)t～9000萬(wàn)t,相當(dāng)于一個(gè)中型礦井的全部?jī)?chǔ)量。隨著煤炭資源的不斷開發(fā)和開采技術(shù)的不斷提高,“三下”采煤技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,已由僅在個(gè)別建筑物及小型水體下開采,發(fā)展到能在大片建筑群和大面積水體下開采;由只能用充填法開采,發(fā)展到能用陷落法開采;由用條帶法、房柱法開采,發(fā)展到全面開采;由建筑物下單個(gè)工作面的小塊回采,發(fā)展到階梯狀多個(gè)工作面的大面積全柱回采;由按上下層順序開采,發(fā)展到擇優(yōu)開采(不一定按上下層順序)。1綜合開采技術(shù)為了適應(yīng)密集建筑群下采煤的需要,除了廣泛研究和大量采用適應(yīng)地表變形的建筑物代替舊有的抗變形能力小的建筑物以及新的有效的加固維修舊有建筑物的方法以外,大力發(fā)展綜合開采技術(shù)體系是從根本上減少開采引起地表變形的重要途徑。1.1長(zhǎng)工作面開采地表移動(dòng)規(guī)律表明,地表不均勻下沉和地表變形最大值都出現(xiàn)在地表下沉盆地的邊緣區(qū)。其原因在于,每一個(gè)開采邊界形成以后,就會(huì)引起地表的各種變形,而且隨時(shí)間的增加,地表變形由動(dòng)態(tài)進(jìn)入靜態(tài),并達(dá)到最大值。因此,井下每出現(xiàn)一個(gè)永久性開采邊界,地表就出現(xiàn)一個(gè)較大的變形。所謂全柱開采,就是在整個(gè)城市、整個(gè)工廠、整個(gè)車站、整個(gè)線路、整個(gè)井筒煤柱范圍內(nèi),一層一層地進(jìn)行大面積全面開采,并在煤柱內(nèi)不形成開采邊界,以最大限度地減少開采對(duì)地面建筑物的有害影響。為了實(shí)現(xiàn)全柱開采,最根本的是要求柱內(nèi)不出現(xiàn)永久性開采邊界。為此,必須實(shí)行長(zhǎng)工作面開采。具體設(shè)計(jì)時(shí),首先要圈定地面建筑物的保護(hù)范圍及其在各個(gè)煤層的煤柱邊界,然后在全柱范圍內(nèi)采用長(zhǎng)工作面進(jìn)行開采,以達(dá)到在煤柱范圍內(nèi)不形成永久性開采邊界的目的。長(zhǎng)工作面開采,就是利用長(zhǎng)工作面形成的地表下沉盆地中央?yún)^(qū)變形很小的特點(diǎn),使建筑物總是位于地表下沉盆地的中央?yún)^(qū),以免受開采影響的損壞。但應(yīng)該注意的是,下沉盆地中央?yún)^(qū)的最終靜態(tài)變形值雖然很小,但在工作面推進(jìn)過(guò)程中,仍然會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變形,只有在動(dòng)態(tài)變形值小于建筑物允許變形值的情況下,采取這一措施才是適宜的。此外,還應(yīng)考慮地下潛水位的高低。當(dāng)?shù)叵聺撍惠^高時(shí),地表下沉后,潛水將會(huì)對(duì)建筑物產(chǎn)生有害的影響。在生產(chǎn)實(shí)踐中,長(zhǎng)工作面的布置有單一長(zhǎng)工作面(A)、臺(tái)階狀長(zhǎng)工作面(B)、分區(qū)階梯狀工作面(C)、順序開采工作面(D),如圖1所示。為了減少開采邊界的影響,在分層開采厚煤層和煤層群時(shí),可把上下分層(或煤層)中的開采邊界錯(cuò)開一定距離,以減少地表變形值的累加。鐵路下采煤時(shí),由于實(shí)行了全柱開采,煤柱范圍內(nèi)的開采邊界少,就更加有可能采用順坡的措施,即對(duì)線路不墊到原有標(biāo)高,從而大大減少線路維修工作量并有利于處理線站下沉。1.2煤柱開采量的要求當(dāng)煤柱范圍內(nèi)有幾個(gè)礦、幾個(gè)采區(qū)同時(shí)開采,或者相鄰礦、采區(qū)所有煤層層號(hào)不相同時(shí),應(yīng)在開采厚度上,按等厚原則開采,以減少因采厚不同造成地表變形值的增加。根據(jù)地表移動(dòng)規(guī)律,在煤柱范圍內(nèi),每一處的采厚差別,實(shí)際上就是一個(gè)開采邊界。因此,這種厚度差別應(yīng)控制在地表建筑物的抗變形能力范圍內(nèi)。一般最多不應(yīng)超過(guò)一個(gè)人工分層或2m～3m。1.3層帶兩側(cè)同時(shí)開采當(dāng)煤柱范圍內(nèi)有井田邊界或斷層帶時(shí),應(yīng)在井田邊界或斷層帶兩側(cè)實(shí)行同時(shí)開采,以減少出現(xiàn)開采邊界的不利影響。特別是對(duì)于保護(hù)斷層帶上方的地面建筑物,采用斷層兩側(cè)同時(shí)開采的方法,是減少斷層影響的惟一可行的措施。1.4地表下沉與采深的比較地表移動(dòng)觀測(cè)資料及建筑物下采煤實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,地表下沉與采深的平方根近似地成反比關(guān)系。因此,加大采深可能在一定程度上減少地表的下沉值和變形值。1.5工作面位置的合理分配在條件許可的情況下,應(yīng)該實(shí)行協(xié)調(diào)開采。即在同時(shí)開采兩個(gè)鄰近煤層(厚煤層的兩個(gè)分層),或同一煤層的幾個(gè)工作面時(shí),通過(guò)在推進(jìn)方向上合理地布置工作面之間的最佳距離和工作面的相互位置及開采順序,使地表變形值不產(chǎn)生累加,最好能抵銷一部分變形值。大體上有兩種方法:①上下兩個(gè)煤層(厚煤層的兩個(gè)分層)的協(xié)調(diào)開采。在開采一個(gè)厚度較大的煤層時(shí),可以同時(shí)開采其上面或下面的一個(gè)薄煤層,以便抵銷一部分變形值,從而達(dá)到減少建筑物的最大動(dòng)態(tài)變形值及其受采動(dòng)影響的次數(shù)(如圖2a所示)的目的。在有條件同時(shí)開采兩個(gè)煤層時(shí),還可以根據(jù)井上、井下情況,合理布置上、下煤層中工作面的相互位置,以便達(dá)到抵消地表變形值的目的。②同一煤層(分層)的協(xié)調(diào)開采。在開采較大面積的煤柱時(shí),采用合理布置工作面的相互位置及回采順序的方法(如圖2b所示),也可以達(dá)到減少地表變形值的目的。例如,把對(duì)建筑物有影響的煤層劃分為兩個(gè)小工作面,先采1號(hào)工作面時(shí),建筑物所處位置最終的拉伸變形值較小,當(dāng)2號(hào)工作面開采后,因建筑物處于兩個(gè)工作面中間,最終壓縮變形值也比較小。據(jù)國(guó)外開采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),每個(gè)工作面的寬度可取充分采動(dòng)條件下寬度的1/5～1/4。1.6連續(xù)推進(jìn)的影響條件在開采大面積煤柱時(shí),一般應(yīng)連續(xù)地進(jìn)行開采,否則就會(huì)形成開采邊界,增加地表變形值。為此,應(yīng)盡量在開采前及開采過(guò)程中為工作面連續(xù)推進(jìn)創(chuàng)造條件。例如,在開采井筒煤柱時(shí),應(yīng)預(yù)先截?cái)嘣畜?代之以可縮性井箅,并事先回采緊靠井筒周圍的塊段(范圍40m×40m或60m×60m)以利于大面積回采整個(gè)井柱時(shí)的連續(xù)開采。1.7地表平整性的要求地表移動(dòng)觀測(cè)資料及建筑物下采煤實(shí)踐表明,地表移動(dòng)的方向總是指向采空區(qū)的,即總是垂直于開采邊界的。因此,受地表拉伸應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫,往往是平行于開采邊界的,又是一條一條地出現(xiàn)的。為使地面建筑物適應(yīng)地表的拉伸變形,必須使開采盡量平行于建筑物的長(zhǎng)軸方向(如圖3),即必須使建筑物長(zhǎng)軸平行于地表裂縫方向,以減少拉伸變形對(duì)建筑物的損害。對(duì)于建筑群下采煤,應(yīng)以其中主要的或大多數(shù)的建筑物、街道、設(shè)備的軸面為依據(jù)來(lái)布置開采邊界,而對(duì)于鐵路下采煤,由于鐵路線的結(jié)構(gòu)不同于房屋建筑物,因此,回采工作面應(yīng)在垂直于線路縱向方向推進(jìn),以減少線路的縱向變形值,并使線路路基不出現(xiàn)橫向傾斜和移動(dòng)。1.8建筑物不穩(wěn)定工況在單個(gè)塔式建筑物下開采時(shí),如果建筑物抵抗壓縮變形的能力較大,而對(duì)傾斜不十分敏感,則可以在建筑物正下方進(jìn)行對(duì)稱背向開采,使建筑物處于壓縮變形內(nèi)。國(guó)外一些煤礦在高爐、煙囪及教堂下開采時(shí),曾用此法(如圖4所示)。2水體下采煤?jiǎn)栴}的綜合解決技術(shù)水體下開采技術(shù)體系是在掌握覆巖破壞及地層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,針對(duì)水體類型及水體所在的地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用綜合性措施,合理解決水體下采煤?jiǎn)栴}的一種方法。2.1地層結(jié)構(gòu)分析方法礦區(qū)地面水和地下水,尤其是地下水受開采影響后的情況,主要取決于地層結(jié)構(gòu);地面水和地下水能否涌入礦井及其涌入量,也都首先取決于地層結(jié)構(gòu)。因此,對(duì)整個(gè)松散層(土)及整個(gè)煤柱(巖)的全部地層進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,是解決水體下采煤的重要原則。所謂地層結(jié)構(gòu)分析,就是按地層的巖性、巖相、巖體結(jié)構(gòu)面的分布及其力學(xué)性質(zhì),即成因類型、沉積環(huán)境、賦存特征、接觸關(guān)系及力學(xué)強(qiáng)度等,分析所采煤層上下覆蓋的全部地層中含水層和隔水層或堅(jiān)硬巖層和軟弱巖層在空間上的分布方式和相互關(guān)系,并充分利用其有利方面。從對(duì)井田、采區(qū)和工作面的水文地質(zhì)條件及涌水量的角度來(lái)看,安全煤柱及其上覆地層中含水層和隔水層的組合關(guān)系可以分為單一結(jié)構(gòu),復(fù)合結(jié)構(gòu),封閉、半封閉結(jié)構(gòu)及覆蓋結(jié)構(gòu)等類型。2.2礦區(qū)內(nèi)地面水和地下水賦存狀態(tài)在地層結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上,還要進(jìn)一步分析整個(gè)松散層,整個(gè)煤柱、整個(gè)采區(qū)、進(jìn)而整個(gè)井田、整個(gè)礦區(qū)范圍內(nèi)的地面水和地下水的賦存狀態(tài)及各含水層的水力關(guān)系。我國(guó)煤礦常見水體有單純的地面水體,單純的松散層水體,單純的基巖水體(包括巖溶水),地面水、松散層水二者聯(lián)通性好的水體,松散層水、基巖水二者聯(lián)通性好的水體,地面水、基巖水二者聯(lián)通性好的水體等。2.3礦井涌水量的影響主要在于防水煤柱的最小高度在采水體下采煤應(yīng)根據(jù)水體類型及地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn),區(qū)分兩種類型的煤柱。①防水煤柱。在保留水煤柱的條件下,礦井涌水量基本上不增加。防水煤柱的最小高度等于導(dǎo)水裂縫帶高度加上5m～30m厚度的保護(hù)層。②防砂煤柱。在保留防砂煤柱的條件下,礦井涌水量略有增加。防砂煤柱的最小高度應(yīng)等于冒落帶高度加上2m～15m厚度的保護(hù)層。經(jīng)驗(yàn)證明,在許多情況下,可先留防水煤柱進(jìn)行試采,然后在試采基礎(chǔ)上,變防水煤柱為防砂煤柱。這樣既保證安全生產(chǎn),又能多回收煤炭資源。2.4分層開采,不穩(wěn)定分層開采,不符合分區(qū)分對(duì)于緩傾斜厚煤層來(lái)說(shuō),是采用傾斜分層的方法;對(duì)于急傾斜煤層,則是采用水平分層或沿走向推進(jìn)的偽傾斜柔性掩護(hù)支架的方法。且分層與分層之間,分階段與分階段之間需間歇一段時(shí)間后才能繼續(xù)開采。間歇開采是煤礦水體下采煤普遍采用的一種方法,特別是在水體下采淺部煤層,即采用防砂煤柱時(shí)必須采取的一種有效技術(shù)措施。由于對(duì)厚煤層采用了分層或分階段間歇回采的方法,使煤層覆巖的冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度,同一次采厚比較起來(lái)小得多。同時(shí)為形成正常的均布性破壞創(chuàng)造了有利條件,可靠地避免了出現(xiàn)異常非均布型覆巖破壞的可能性。緩傾斜厚煤層分層間的間歇時(shí)間一般為3個(gè)月～4個(gè)月。在采用分階段間歇開采傾斜煤層時(shí),一般是把一個(gè)水平(垂高100m左右)分成3個(gè)～4個(gè)階段(頂板易冒時(shí)采用3個(gè)小階段,難冒時(shí)采用4個(gè)小階段)。小階段垂高:第1、第2段為15m～20m,第3、第4段為25m～35m?；夭伤俣?第1、第2段回采時(shí)間不超過(guò)2個(gè)月～3個(gè)月,相鄰兩個(gè)小階段回采的間歇時(shí)間為3個(gè)月～4個(gè)月。2.5上限、開采面積、開采厚度采煤就是在水體下開采急傾斜煤層時(shí),特別是開采傾角在70°～75°以上的煤層時(shí),要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的開采上限、開采面積和開采厚度采煤,禁止采出計(jì)劃開采塊段以外的煤炭。具體作法是:按照設(shè)計(jì)塊段儲(chǔ)量及進(jìn)尺,規(guī)定和核定工作面產(chǎn)量。產(chǎn)量按班規(guī)定,每周根據(jù)工作面推進(jìn)度及儲(chǔ)量核定產(chǎn)量1次～2次,每一個(gè)小階段采完時(shí)總核定1次。由于第1、第2小階段超限采煤的條件更好,因此,對(duì)產(chǎn)量的規(guī)定和核定工作尤應(yīng)加強(qiáng)。2.6地質(zhì)及水文地質(zhì)勘探在淺部開采和留設(shè)防砂煤柱的情況下,如果厚松散層底部的含水砂層厚度大,砂層水水壓大,應(yīng)采取“先探后采”的措施。即在開始回采以前,在工作區(qū)和采區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行必要的地質(zhì)及水文地質(zhì)勘探工作。其目的在于進(jìn)一步搞清煤系地層與松散接觸面的標(biāo)高,進(jìn)一步揭露松散層底部含水層的巖性及富水性。2.7地下水的水位在開采前或開采過(guò)程中用鉆孔、巷道或鉆孔與巷道相結(jié)合等方式疏干(補(bǔ)給源有限時(shí))或降低一個(gè)采區(qū)、一個(gè)井田以及一個(gè)礦區(qū)的地下水水位,以保證含水層下面或上面煤層的安全開采。當(dāng)開采上限接近全砂含水松散層或松散層底部含水層時(shí),可以采取回采疏降措施,即利用回采工作面自然涌水疏干水體或降低含水層水位,如先采深部后采淺部等。在石灰?guī)r巖溶發(fā)育的礦區(qū),如果采用多礦井聯(lián)合排水方式,則有利于地下水位降低,加快礦井建設(shè)的速度。2.8建立采空?qǐng)銎鲬?yīng)區(qū)別有限補(bǔ)給和無(wú)限補(bǔ)給以及遠(yuǎn)補(bǔ)給和近補(bǔ)給。對(duì)無(wú)限補(bǔ)給,特別是近源無(wú)限補(bǔ)給應(yīng)在條件許可的情況下,盡量在礦區(qū)外圍或采區(qū)外圍堵截地面水和地下水的補(bǔ)給來(lái)源。一般有河流改道,人工填鋪河床,自然淤造河床,帷幕注漿,布置疏水