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專
題
部
分
承壓水上采煤技術研究
劉園
（中國礦業(yè)大學 江蘇 徐州 01080112）
摘 要：隨著煤炭科學技術水平的不斷進步、煤礦開采技術水平的不斷提高，承壓水上安全采煤技術也在不斷發(fā)展。承壓水上采煤的問題越來越來顯出重要性和迫切性。本文敘述了承壓水上采煤底板突水因素與類型，并將遙感技術應用于巖溶陷落柱分布的預測中。
關鍵詞：承壓水上；底板突水；采煤技術；采煤方法
1 地下水與含水層
1.1定 義
地下水系：指地面以下所有的水。由于地下水水文工作者主要研究飽和帶中的水，他們利用地下水運動這個術語表示飽和帶中的水。在農田排水及農藝學中，這個術語還表示潛水面以上不完全飽和地層中的水。本書中，利用地下水這一術語主要表示飽和帶中的水。
承壓水上采煤；又名帶壓開采，是指開采煤層底板含水層中承壓水頭高度高于回采工作面水平條件下的回采。
含水層：含水層是指具有下述兩種性質的地層或巖層；含有水；一般的野外條件下允許大量的水在其中運動。
阻水層：與含水層相反，是一種可以含水，但在一般的野外條件下，不能大量導水的地層。從實用的觀點出發(fā)，阻水層可以認為是隔水層。
隔水層；存在于含水層與開采煤層底板、巷道和采空區(qū)之間的能阻礙或減弱水流動的巖層，該巖層內的孔隙不連通，地下水無運動條件，常以吸著水存在，無重力水。亦稱不遠水層或保護層。
陰水系數：又稱阻水系數，是指各種巖石的等值隔水層厚度總和()減去等值隔水層厚度的修正值()，除以水壓(p)所得的值，即
V——隔水系數；
——等值隔水層厚度的修正值，在確定防水煤柱時，的值為10m，在確定主要巖層含水層的相對隔水層厚度時，值為8m，其他情況下，值為5m；
P——水壓，MPa；
——等值系數。；M。 為選取標準單位厚度(如泥巖)的隔水一阻水作用值；為與Mo相比較的不同質量而單位厚度相同的巖層的隔水一阻水作用值。部分等值系數見表1-1。
突水系數：指水壓值與隔水層厚度的比值，即 （1-1）
T——突水系數，MPa／m；
p——水壓值；MPa；
m——隔水層厚度，m 。
弱透水層：與含水層相反，弱透水層是一種導水速度十分緩慢的半透水層。通常稱為越流地層。
非含水層：是既不含水又不導水的地層。
空隙空間：巖石中沒有被固體顆粒占據的那一部分叫做空隙空間(或孔隙空間、孔隙、空隙，裂隙)?？障犊臻g合有水和(或)空氣。在地層內只有連通的空隙才能起導水通道的作用。
圖1—1表示巖石空隙的幾種類型?？障兜拇笮】梢詮木薮蟮氖?guī)r洞穴到水主要靠吸附力存在于其中的微小的亞毛細孔洞。巖石的空隙一般分為兩種，即原生空隙與次生空隙。
含水層的垂向分布；地面以下的水在垂宜剖面上的分布可以按照空隙空間中含水的相對比例劃分成兩個帶：飽和帶與充氣帶。飽和帶中的全部空隙充滿著水。充氣帶位于飽和帶之上，其中同時包含著氣體(主要是空氣及水蒸氣)和水。
圖1—2表示地面以下水的分布概況。水(例如大氣降水或灌溉水)自地面滲入，在重力作用下向下運動和聚集，最后在某些不透水地層之上充滿巖石中所有相互連通的空隙。在不透水地層之上形成了飽和帶。飽和帶的上界面為潛水面，潛水面是一個其表面上壓力等于大氣壓力的面。
1.2含水層的分類
大多數含水層是由非固結或部分固結的砂礫石組成，它們分布在廢礦井、古河道、平原和山谷之中。其范圍大小不同。厚度也可以從幾米到幾百米。在砂和礫石固結類巖石中，由于顆粒被膠結在一起，滲透性減小。
在世界的許多地方，厚度、密度、孔隙率和滲透性有很大變化的石灰?guī)r地層是重要含水層，尤其在大部分原生石灰?guī)r被溶蝕遷移的時候。石灰?guī)r中的洞穴可以從微小的原生小孔到形成地下河道的大裂縫及大洞穴。由于水流沿斷層及型隙溶解巖石，因而隨著時間的推移，它們被不斷擴大，從而增大了巖石的透水性，最后石灰?guī)r地區(qū)發(fā)展為巖镕(喀斯特)地區(qū)。就大范圍而言，喀斯特含水層的宏觀性狀大致與砂礫石含水層相似，是煤礦帶壓開采的最大威脅。
火山巖、玄武巖是相當好的含水層。玄武巖含水層的孔隙也許比松散砂礫石含水層小，但由于大多數孔穴具有連通的特點，故其滲透性可以比砂礫石含水層大很多倍。以巖床、巖脈和巖頸等形式出現的許多淺層浸入巖，滲透性都很小，其中絕大多數不含水，因此可以作為地下水流的阻隔邊界。
結晶巖與變質巖屬于相對不透水層，它們構成弱含水層。當這類巖石出現在地表附近時，由于風化與破碎，滲透性會逐漸變大。
粘土及粘土與粗粒物質的混合物，雖然孔隙串一級很高，但由于孔隙小，故為相對不遠水層。含水層可以看成是受降水和河流自然補給或通過井孔及其他人工方式補給的地下水水庫。含水層中的水可以通過泉和河流自然地排泄，也可以用人工方法從井中排出。含水層可以根據潛水面是否存在劃分為無壓含水層和承壓含水層兩大類。
1.2.1承壓含水層
承壓水是指充滿于二個隔水層之間的地下水。由于隔水頂板的存在，它的補給區(qū)小于分布區(qū)，動態(tài)較穩(wěn)定，不易被污染，承受靜水壓力，當地形適宜時，鉆孔開鑿到含水層后，水即可噴出地表，形成自流，故承壓水又被稱為自流水。承壓水的形成首先決定于地質構造，在適宜的地質構造條件下，無論孔隙水、裂隙水、巖溶水都可以形成承壓水。坯適宜于形成承壓水的地質構造大體可分為向斜構造和單斜構造，這二種地質構造，在不同的地質發(fā)展歷史過程中，可以被一系列的榴曲和斷裂所復雜化．因此可以看出自流水的形成與地區(qū)的地質發(fā)展史有著密切的關系。
適宜于承壓水形成的盆地構造或向斜構造在水文地質學中稱為自流盆地。
自流盆地按照水文地質特征可分為3個組成部分：。補給區(qū)，6承壓區(qū)，c排泄區(qū)，如圖1—3。承壓含水層的補給區(qū)有地表補給、潛水補給及承壓水含水層之間的補給，如圖1—4。圖1—6所示。
承壓水的補給來源可以是多方面的。首先來自面頭區(qū)的大氣降水補給。補給量大小主要取決于露頭區(qū)范圍大小、降水量、降水性質、出露地段地形、含水層透水性等因索。當露頭區(qū)內存在地表水體時，地表水也可成為承壓水的補給水源。地表水有時通過場洞，深切河谷，隔水層尖滅的“天宙”地段滲漏補給承壓水。當承壓水補給區(qū)位于潛水層下面，潛水則可泄入承壓含水層。潛水也可通過隔水頂板尖滅地段或弱透水層越流補給承壓水。生活、工業(yè)廢水有時大量酒人承壓含水層，成為其補給源。當包含有幾個承壓含水層的大型自流盆地或自流斜地，通過導水斷裂或弱透水層的越流作用，各承壓含水層之間可以發(fā)生相互補給或排泄的現象。圖1—7為上升泉的形成條件示意圖。一般情況下，承壓含水層的儲水量大，壓力高出的威脅日趨嚴重，是礦井突水的主要含水層。
1.2.2潛水含水層
潛水是埋藏在地表以下第一個穩(wěn)定隔水層以上，具有自由水面的重力水。潛水一般埋藏在第四紀松散沉積物的孔隙中和裸露基巖的裂隙、镕陳中。潛水的自由水畫稱為潛水面。潛水面至地面的鉛直距離為該處潛水的埋藏深度。水面的絕對標高．稱為該處的潛水位。由潛水面至隔水底板頂面之間，均充滿重力水，稱為潛水含水層，其距離則為含水層的厚度，如圖1—8所示。多數情況下，潛水的分布區(qū)就是其補給區(qū)，二者完全一致。
潛水面的形狀大多為傾斜的拋物線型，在特定條件下也可以是水平的。潛水面坡度變化可以很大，首先與地區(qū)的地貌形態(tài)有關，在強烈割切的山區(qū)。沿山坡一帶可達百分之幾，在乎坦的平原區(qū)中則只有千分之幾。一般地面坡度愈大，潛水面的坡度也愈大，二者經常一致，而且潛水面的坡度總是小于地面坡度。其次含水層的變厚或因含水層透水性變好時，潛水面坡度也會趨于平緩．在盆地或洼地可形成潛水湖，如圖1—8、圖1—9所示。
潛水的補給主要是大氣降水和地表水，有時通過斷裂構造帶由承壓水補給。其排泄一般為蒸發(fā)或補給于地表河流。由于地形的影響使?jié)撍纬蓧毫μ荻榷l(fā)生徑流。
潛水含水層也是煤礦開采的一大威脅，尤其是在徑流帶、自流盆地處，如裂隙或構造斷裂發(fā)育，可涌人礦井而發(fā)生淹井事故。
1.2.3越琉含水層
不論是承壓含水層還是無壓含水層均能通過其上或(和)其下的封閉地層獲得水或漏失水，這種含水層叫做越流含水層。雖然這類封閉地層具有較高的滲透阻力，但是當它們在大范圍內與所研究的含水層接觸時，大量的水可以通過它們流入或流出含水層。在各種情況下，越流量與越流方向均受弱透水地層兩側測壓水頭差的控制。顯然，在每一種具體條件下，含水層上覆的某個地層是不透水層，還是弱透水層或僅僅是滲透性與所考慮的含水層不同的另一種透水地層并不是一件容易的事。通常，考慮成弱逆水層的地層(即越流層)都比主含水層的厚度小。
位于弱透水地層之上的潛水含水層(或其一部分)是一種有越流的潛水含水層。至少有一個弱透水封閉層的承壓含水層(或其一部分)叫做有超流的承壓含水層。
圖1—10表示幾種含水層和觀測孔。上部為潛水含水層，其下有兩個承壓含水層。在補給區(qū)．含水層B變?yōu)闈撍畬?。含水層A、B和c的一部分是有越流的，越流方向流量的大小取決于每個含水層的測壓水面高度。由于潛水位和承壓水頭高度的變化，各水層承壓和無壓部分之間的界線可以隨時間而變化。潛水含水層的一種特殊信形是上層捕水含水層。當在潛水面和地面之間分布有局部不進水(或相對不透水)時，在這種不適力地層之上就會形成另一種地下水體——上層滯水含水層。沉積物中的土及亞粘土透鏡體經常有薄的上層滯水含水層，有時這些含水層只能存在一個比較短的時間，因為上層滯水可以流人下部的潛水含水層。
1.3含水層的性質
含水層的導水、貯水和給水度是含水層的主要性質。
水力傳導系數表示在水力梯度作用下臺水層傳導地下水的能力，它是多孔介質和其中流動著的流體的一種組合性質。如果含水層中的流動基本上為水平流動，則含水層的導水系數表示通過含水層整個厚度的導水能力。導水系數等于含水層的水力傳導系數與含水層厚度的乘積。
含水層的貯水系數表示存貯在含水層中的水量變化和相應的測壓面高度變化之間的關系。
承壓含水層的貯水系數定義為水頭降低(或升高)一個單位時，從水平棧截面為一個單位的含水層垂直柱體中釋出(或存入)的水的體積，如圖1—11所示。
在潛水含水層的情況下，水實際上是由于潛水位降低而從空隙空問中排出并為空氣所代替，然而重力排水并不能排出包含在空隙空間中的全部水。一定量的水在分子引力與表面張力的支持下能夠抗住重力而保持在固體顆粒之間的空隙中。因此，潛水含水層的貯水系數比孔隙串小，其差稱為持水串(土樣中反抗重力作用而保持下來的水分與土樣總體積之比)。為了反映這種現象，通常把潛水含水層的貯水系數稱為給水度。
由含水層和水的壓縮性所引起的彈性貯水系數要比給水度小得多。具體地說，大多數承壓含水層的貯水系數在lo‘—Io—’之間，而大多數沖積層的給水皮為10％—x％。這說明排出(或注入)相同體積的水，承壓含水層中水頭高度的變化要
比無壓含水層中水位高度的變化大得多。
在定義承壓含水層的貯水系數時，假定不存在時間延遲問題，并且認為水是隨著水頭的下降而瞬時釋出的。然而，尤其是在紉顆粒物質中，由于低水力傳導系數限制著水自貯存中釋放，因而可以發(fā)生明顯的時間延遲現象。對于潛水含水層來說也是如此，因為疏于過程槽要一定的時間。
表示越流含水層特征的一個參數是弱透水層(又稱半封閉層)的阻力系數。阻力系數定義為弱透水層厚度與其水力傳導系數之比。當這值較大時，通過弱透水層的越流量則較小。另一個參數叫做越流因數。它等于含水層的導水系數與弱透水層的阻力系數的乘積的平方根。
在確定某一地層是否為含水層以及為何種類型的含水層時，上述各種參數可作為指標。
2 底板突水類型
煤層底板突水實質是煤層下伏承壓水沿采煤工作面底板隔水層巖體內部通道突破底板隔水層的阻隔，以突發(fā)、緩發(fā)或滯發(fā)的形式向上涌人工作面采空區(qū)的過程。研究它的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律是進行突水預測預報的前提，是制定合理開采方案和預防措施的依據。因此，研究突水的機理，對突水進行分類是很重要的。同時各種不同類型的底板突水在其成分上是不同的，為了查明底板突水產生的原因和條件，首先因對底板突水進行分類。
2.1按突水地點
分為巷道突水和采場突水。巷道突水多以構造破壞為主，承壓水通過斷裂或構造破碎帶進入底板，形成充水，一旦巷道揭露出來后，承壓水就迅速涌入。采場突水多以采礦破壞為主，礦山壓力破壞和消弱了底板隔水層的厚度和強度，造成與汗水層的密切水力聯系。
2.2按突水的動態(tài)
分為爆發(fā)型、緩沖型和滯后型三種。爆發(fā)型主要是由于存在充水斷層加上突水處的底板隔水能力很弱引起的，其突水的特點為來勢猛、速度快和沖擊力強等。緩沖型主要是由采礦、構造破壞等迭加作用所造成的。由于突水處有一定的隔水能力，突水來的慢，量由小到大。滯后型主要是承壓水沿裂隙長期沖蝕及礦壓持續(xù)作用的結果。
2.3按突水量大小
分為特大型突水、大型突水、中型突水和小型突水，如表2-1：
表2-1 按突水量大小底板突水分類
突水類型
小型
中型
大型
特大型
突水量/（）
<5
5~20
20~50
>50
3 影響底板突水的主要因素
煤層底板突水有兩個必要條件：一是要有突水的水源條件，二是要有能進行突水的通道條件。
3.1水源條件
水源條件包括水量和水壓，水量愈豐富，突水條件越大，危險也就愈大。水壓是突水的動力，處于封閉狀態(tài)的巖溶水不斷溶蝕、沖刷裂隙，形成通道，由含水層進入底板隔水層，水壓愈大，破壞愈嚴重。
3.2地質構造
地質構造主要指的是斷裂構造，它是突水的主要控制因素，斷裂構造的存在破壞了煤層底板的完整性，降低了巖體本身的強度，削弱了底板隔水層阻抗變形的能力。導致一定厚度的斷層或斷裂破碎帶的存在，如果為充水構造或導水構造，那么當工作面推進到該斷裂帶，甚至接近該斷裂帶時，都將會導致承壓水的直接涌出，造成突水事故。
3.3隔水層的阻水能力
底板隔水層是唯一起阻隔突水作用的因素，隔水層的阻力能力取決于隔水層的強度、分層厚度和裂隙發(fā)育程度。在其他條件一定的情況下，隔水層厚度越大，強度越高，突水的機率也就越小。
3.4礦山壓力
開采引起的支撐壓力誘發(fā)底板突水，有以下規(guī)律：
（1） 無周期來壓或周期來壓不明顯的頂板，支撐壓力較小，對底板破壞較輕；有周期來壓的頂板，底板突水多發(fā)生在初次來壓或周期來壓期間，只是由于來壓期間支撐壓力較正常推進時大，對底板破壞嚴重。
（2） 突水點位置多數在工作面后部采空區(qū)邊緣附近。這些位置處頂板垮落不充分，底板處于膨脹狀態(tài)，斷裂張開，阻水能力最弱。
（3） 頂板初次來壓之前，在開切眼附近，由于基本頂大面積較長時間的懸露，或直接頂巖層跨落后不接頂，使底板巖層形成較大的自由面，給底板巖層的移動與破壞創(chuàng)造了條件。
（4） 工作面推進速度慢，工作面突然停止推進或在停采線處容易發(fā)生突水事故。這是由于支撐壓力作用的時間較長，底板破壞較嚴重。工作面推進速度快時，采空區(qū)底板未形成較大裂隙就會由膨脹狀態(tài)變?yōu)閴嚎s狀態(tài)，這有利于防止底板突水。
4 承壓水體上采煤
4.1承壓水體上采煤底板突水的一般規(guī)律
經過長期的研究和實踐，我國已經基本能掌握影響承壓水體上采煤底板突水的主要因素及一般規(guī)律。
主要包括以下幾點:
（1）突水水源為底板強承壓含水層，大多為富水性好、水壓力大的灰?guī)r含水層。
（2）在開采工作面，突水點大多分布在工作面煤壁附近、上下平巷邊緣以及切眼、停采線處的煤壁附近。
（3）突水事故與構造特別是斷層密切相關，70%以上的突水事故都與構造影響相關。
（4）底板承壓含水層水壓、底板隔水巖層的厚度及隔水性能對底板突水有顯著影響。底板承壓含水層水壓越大，底板隔水巖層的厚度越小，隔水層的阻水能力越差，越容易發(fā)生突水事故。
（5）底板突水與采動礦壓顯現有很強的一致性，而且絕大多數都發(fā)生在頂板來壓前后，頂板的初次來壓和二次來壓時，發(fā)生底板突水事故占總底板突水事故的 90%。
（6）底板突水與原始導高有一定關系。底板含水層地下水未受采動影響時，沿隔水巖層底部導水裂隙上升一定高度，這個高度稱為原始導高。原始導高越大，越容易發(fā)生底板突水。
4.2承壓水體上采煤技術
在承壓水體上采煤，要根據具體的地質和開采技術條件，選擇合適的治理方案。根據我國近幾年來的實踐，主要有以下幾種方法:
（1） 疏水降壓技術。疏水降壓是指煤層頂底板含水層或煤系地層含水層，通過地表及地下疏干方式，并借助疏水巷道、抽水鉆孔和吸水鉆孔及相應的排水設備，使煤層頂底板含水層水壓降低至采煤安全水壓。
（2） 帷幕注漿堵水技術。帷幕注漿堵水是煤礦實現疏堵結合的有效措施之一。帷幕工程的目的是使外來水源中的大部分截堵在煤層開采范圍之外，而開采區(qū)域內部可以通過疏水降壓等方法實現安全回采。
（3） 帶壓采煤綜合治理技術。帶壓開采就是利用隔水層采煤。一定厚度的隔水層具有一定抵抗水壓的能力，并可以安全開采到一定深度的煤層。帶壓開采無需事先專門排水，一般也可以做到安全生產，但是，在水文地質條件復雜的地區(qū)，卻存在底板突水的危險，并且當開采深度延伸后，水壓增大到隔水層厚度不能抵抗的時候，又會給帶壓開采帶來很大的難度。因此，這里提出了帶壓開采綜合治理方案，其特點和內容主要包括: “以防為主，帶壓開采，適當疏排，輔以截堵”。具體說就是以防水為指導思想，在查清區(qū)域和礦井水文地質條件的基礎上，進行帶壓采煤。在采前和采煤過程中，可在礦區(qū)外圍截堵地下補水源，盡量減少奧灰水的動儲量; 同時，在帶壓采煤中，根據礦井涌水量大小和水壓大小，進行適當的疏水降壓，最終實現安全開采的目的。
4.3底板突水的防治措施
底板防治水技術措施可根據具體的地質水文條件來選擇，同時還受到礦井的生產實際、采煤方法以及經濟投入能力等多因素制約，因此需要根據多方面的綜合分析后，并在試驗的基礎上，確定較為合理的底板防治水技術措施。
（1） 全礦井疏水降壓。從理論上看，當底板承壓含水層水壓過大，水體上煤層開采安全性不足時，可以采取疏水降壓等技術措施，降低底板承壓含水層水壓，將其控制在安全范圍之內，從而消除底板承壓含水層的突水威脅，解放水體上壓煤資源。
（2） 局部疏水降壓。當底板承壓含水層富水性好，或補給條件好、動儲量大、全礦井疏降底板承壓含水層難度很大，不具備技術經濟合理性時，在一定條件下，在開采工作面周圍局部疏水降壓，使開采工作面底板含水層在開采期間和開采后一定時間內持續(xù)處于安全范圍內，可有效避免底板突水。
（3） 底板隔水層注漿改造。在底板隔水巖層隔水性能差、有底板突水危險時，采用注漿方法加固改造隔水巖層，主要是通過鉆孔進行注漿，堵塞石灰?guī)r溶洞，加固破碎帶和裂隙帶，并封閉奧陶系石灰?guī)r的補給通道，以實現在承壓水體上安全采煤。
4.4承壓水上采煤方法
4.4.1條帶采煤方法
關于條帶開采法王作宇(1993)已作了詳盡的研究，此方法是把煤層劃分為比較正規(guī)的條帶狀進行開采，采一條，留一條，其回采率低，工作面搬家次數較多，不利于機械化開采，但由于條帶采煤法能夠大幅度降低覆巖移動強度，穩(wěn)定底扳，特別是在煤層上覆巖層中有厚層狀堅硬巖層，煤層底板巖層也較堅硬時，效果更為顯著。所以條帶法開采是承壓水上采煤的主要開采方法之一。
4.4.1.1條帶煤柱的圖設原則
(1)能使煤柱起到長期支撐覆巖的作用，不被壓垮或破壞。
(2)在一般情況下，條帶煤柱寬高比為：充填條帶大于2，冒落條帶大于50
(3)煤層底板只發(fā)生輕微的、均勻的移動和變形，不產生較大的破壞，仍能起到阻止承壓水上移的作用。
4.4.1.2條帶開采法分類
(1)冒落和充填條帶開采。采用全部垮镕法管理頂板的方法稱冒溶條帶法。日落條帶法則具有工藝簡單等優(yōu)點。采用充填法管理頂板的開采方法稱為充填法。充填物不僅可以支承頂板，更主要的是對保留煤柱的維護，由單向受力狀態(tài)轉變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)，提高煤往的承載能力，有助于頂板的長期穩(wěn)定。
(2)定采留比和變采留比條帶開采。在一個工作面內采留比是固定不變的，叫定采留比條帶開采，定采留比的條帶布置要求嚴格，適用于采區(qū)地質條件比較簡單的地段。在一個工作面內采留比不是固定的，叫變采留比條帶開采。變采留比的條帶布置靈活，在采區(qū)地質條件變化較大的地段采用有一定的優(yōu)越性。
(3)傾斜條帶開采和走向條帶開采。傾斜條帶開采的條帶長軸順煤層傾斜布置。它的適應性較強．缺點是工作面搬家次數頻蟹。走向條帶開采的條帶長軸顧煤層走向布置。它適應于傾角較緩的煤層，解決了工作面搬家次數領繁問題，但增加了巷道掘進量。正確確定條帶尺寸，是取得條帶法開采良好效果的決定性因宏。在確定條帶尺寸時，必須道守兩個基本原則，一是確保開采后條帶煤柱應有足夠的強度和穩(wěn)定性，以承受上覆巖層的壓力，減小覆巖的礦壓顯現。二是條帶開采的每一采出寬度，其尺寸應足以使底板巖層移動員小，最大限度地減小底板破壞深度。生產實踐及理論研究證明，煤柱尺寸取決于采深、采厚、采寬，上覆巖層容雹、煤的抗拉強度、底板水壓值等因索。采寬則取決于煤往尺寸、頂底板的力學特性及底板水力值等。
4.4.2短壁式采煤方法
工作面長度是影響底板破壞深度的主要因素之一，減小工作面長度是控制底板突水的主要開采措施。水文地質條件較復雜的礦區(qū)如采用長壁開采存在底板突水危險時，可用短壁式開采，以減少突水幾率保證安全采煤。因為短壁式采煤法可有效地減弱底板破壞強度，縮小破壞深度，增大中部未破壞層的厚度，有效地阻止底板巖溶承壓水的浸入。在相同工藝和水文地質條件下，走向長壁工作面的走向長度改變后不會導致礦壓的改變，因為采后印—70m以外的壓力恢復區(qū)可表現為采后壓力常態(tài)區(qū)；基本接近來前狀態(tài)。對礦壓大小起作用的是采后o—60m左右的老頂懇頂距及堵落情況。但當工作面長度變化時，底板抗水壓的能力逐漸降低，在印m以外，抗水壓能力幅度減小不明顯，如圖4-1所示。
從底板破壞帶實測資料分析中得知，工作面條件基本相似的情況下，工作面長度增加3．3倍，底板破壞深度增加4倍，在底板隔水層厚度不變的前提下，減小工作面長度，可減小底板破壞深度，增大相對隔水層厚度，增強抗水壓能力。因此，短壁式采煤法在防止底板突水方面具有重要作用。
4.4.3 采區(qū)內分段后退式采煤方法
除上述介紹的方法以外，承壓水上采煤常用的方法還有：琉水降壓法、帳幕法、底板隔水層帶壓開采法等。一般情況下，由于礦區(qū)水系龐大、補給好、水頭
高、奧灰水層厚，疏水降壓法和帳幕法實施的可能性較小。這些方法對地下水資源破壞嚴重，是環(huán)保法所不容許的。因此，尋求安全、高效的承壓水上開采方法是煤炭工業(yè)面臨的重大課題。
圖4-1 工作面斜長(L)與底板承壓水壓力(p)的關系曲線
4.4.3.1 帶壓分段后退式開采布局
目前國內外廣泛采用的開采順序在傾斜方向上有前進式和后退式兩種，但在承壓水上采煤中，大都采用前進式。這種方法具有先易后難，先淺后深，逐漸實現安全帶壓開采，初期投資小、見效快等優(yōu)點，缺點是；
①避災困難．由于每個工作面總是處于采空區(qū)的最低位量，其下僅有容量有限的水倉，一旦發(fā)生突水，首先淹沒工作面，直接威脅礦工和設備的安全。
②始終處于危險狀態(tài)下開采，每個工作面總是在頂、底板充分擾動情況下回采的突水的可能性最大、最危險。
③一個工作面一旦發(fā)生突水，只好關閉采區(qū)，其余區(qū)段將無法采出。
④救災困難，由于突水位于最低點，欲堵水恢復生產，必須輔以強大的排水系統(tǒng)采區(qū)水位降至最低點，并在最危險的狀態(tài)下，實施堵水。
基于以上缺點，經過深入理論分析和開采實踐總結，作者提出了“帶壓分段后退式開采布局法”。首先，根據承壓水上采煤理論和實踐及礦區(qū)水文地質與工程地質條件，做出正確的帶壓開采分區(qū)，即按突水系數和煤層標高劃分為安全區(qū)、較安全區(qū)和危險區(qū)等，如圖8—5所示。如東山煤礦?650m水平以上，突水系數小于O．4，為安全區(qū)I；十550~+650m水平，突水系數0．4~O．5，為安全區(qū)Ⅱ；十450~+550m水平，突水系數0.5~0.6，為較安全區(qū)Ⅲ；+450m水平以下，突水系數大于0.6，為危險區(qū)IV o根據目前礦井的開采技術和管理水平，+450M水平以上為可采區(qū)，+450m水平以下為暫不開采區(qū)。然后，根據采區(qū)的頂、底板巖性和斌存特征，依據工作面長度與
底板承受的水壓關系，確定每個區(qū)的安全開采工作面長度和首采工作面長度，確保首采工作面安全開采。如東山煤礦底板隔水層厚度平均79m，依據我國帶壓
開采突水的實踐，確定第l安全區(qū)的工作面長度為120m，推進長度為800~1000m，第2安全區(qū)工作面長度為如90m．推進長度500~800M；較安全區(qū)的工作面長度為60M，推進長度300~500m，在這樣的采空面積條件下，可確保首采工作面安全回采(斷層構造區(qū)除外)。最后，在每個分區(qū)內，每個采區(qū)的區(qū)段實行由下向上的上行后退式回采，也就是說，每個分區(qū)的每個采區(qū)的首采工作面是在最危險區(qū)，但恰在員安全的狀態(tài)下回采，其原則是：在監(jiān)測、排水、堵水、管理、未擾動的最安全狀態(tài)下，用小面快速推進開采本分區(qū)最深處的一個工作面，從而解放其他工作面。
5 工程實例
煤層頂底板采動研究工作的深入,促進了承壓水上采煤技術的迅速發(fā)展。多種采煤方法的運用,擴大了水上采煤范圍,使承壓水上采煤成為礦井挖潛增產、減少資源積壓和浪費的重要途徑。由于多年的開采,焦煤公司朱村礦資源現已枯竭,主采煤層二1煤只剩下些殘留煤柱,目前大量開采一5煤已提上日程。一5煤層地質構造比較復雜,斷裂較發(fā)育,底板巖層含水量較大,水壓較高,屬于承壓水上煤層。為有效防止一5煤突水事故的發(fā)生,在主采盤區(qū)(54區(qū))采用膏體充填技術處理采空區(qū)并結合帶壓開采綜合防治方法,有效地防止了工作面突水。
5.1底板突水因素分析
5.1.1水源條件
根據巖性和地下水的貯存埋藏條件及含水性等特征,朱村礦一5煤層底板自上而下主要有2個含水層。
(1)L2灰?guī)r巖溶裂隙含水層。該層厚2·28~10·00 m,平均6·93 m,分布較穩(wěn)定。其巖溶裂隙發(fā)育很不均勻,靠近斷層帶巖溶裂隙較發(fā)育,富水性好;在完整地段發(fā)育較差。該層水在遇斷層或礦壓集中地帶多發(fā)生底鼓突水,突水量一般為1·5~5·0m3/min,最大達10 m3/min,該層水富水性強,水源充沛,是一5煤開采時底板突水威脅最大的含水層。(2)O2灰?guī)r溶洞裂隙含水層。該層厚350~400 m,為上部煤系地層的基底,其巖溶裂隙非常發(fā)育。該含水層以間接方式補給上覆石炭系各層灰?guī)r含水層,對一5煤開采一般不會直接造成威脅,但由于斷層錯動,使O2灰?guī)r與石炭系L8灰?guī)r、L2灰?guī)r對接或使它們之間的距離變短,也會造成礦井突水或突水量增大,威脅礦井安全生產。
5.1.2礦山壓力
在支承壓力[1]作用下,從煤體邊緣到采空區(qū)一定距離和一定深度內的底板出現水平拉應力;在壓縮區(qū)和膨脹區(qū)分界處的底板中出現剪應力。拉應力和剪應力使底板出現了一系列垂直于層面的裂隙。垂直裂縫交叉,形成底板破壞帶,從而在煤層底板形成了“下三帶”,如圖5-1所示。當h2=0時,極易使破壞帶與含水層或導升帶相連通,發(fā)生突水事故。
5.1.3隔水層
對一5煤開采威脅最大的是L2灰含水層,L2頂距一5煤底10·25~21·17 m,平均15·76 m,隔水層巖性為泥巖、粉砂巖及薄層灰?guī)r(L4、L3),該區(qū)隔水層厚度分布情況是:西部厚(20·74~21·17 m),東部薄(11·56~13·40 m);北部厚,南部薄。O2灰?guī)r上距一5煤底35·21~49·45 m,平均41·63 m;O2灰?guī)r上距L2底13·64~20·6 m,平均17·20 m;L2底距O2頂的隔水層巖性為粉砂巖、煤線及鋁土。上述隔水層具有一定的阻水能力,但由于巖溶較發(fā)育,水文地質較復雜,大大影響了隔水層
的阻水性能,使突水危險性加大。
圖5-1 底板下三帶示意圖
5.1.4補給條件
該區(qū)南界的三號井斷層南升北降,造成該斷層南盤的O2灰?guī)r與該區(qū)的L8、L5、L2灰?guī)r對接,成為該區(qū)L8、L5、L2灰?guī)r的強大補給水源,因此三號井斷層為導水斷層。斷裂構造可以充水導水,使隔水層的實際強度降低,使底板隔水層的有效厚度減小或消失,從而導致突水事故。
5.2承壓水上采煤方法
5.2.1膏體充填開采技術
膏體充填開采就是把煤礦附近的煤矸石、粉煤灰、爐渣、劣質土、城市固體垃圾等在地面加工成不需脫水的牙膏狀漿體(低成本的特殊“混凝土”),利用充填泵或重力作用通過管道輸送到井下、適時充填采空區(qū)的采礦方法,對煤礦采空區(qū)進行充填,達到支撐上覆巖層、防止地表沉陷的目的。該礦54002工作面采用普采,使用膏體充填技術處理采空區(qū)。在工作面的推進過程中,對工作面兩巷進行礦壓觀測和對工作面底板進行注水試驗得出了一些工作面頂底板變形和破壞規(guī)律。
5.2.1..1工作面礦壓觀測
在54002工作面膠帶巷和軌道巷分別建立測站[2]進行觀測,以期得出充填體對圍巖控制作用的效果和規(guī)律,最大限度地控制圍巖變形,防止底鼓突水和地表下沉,保證工作面兩巷完好。礦壓觀測結果如圖5-2、圖5-3所示。
圖5-2 巷道頂底板移近量
圖5-3 巷道兩幫移近量
工作面采用膏體充填法開采,頂板結構在工作面煤壁前方受煤體的支撐,在工作面內受支柱或支架支撐,而在采空區(qū)受充填體支撐,形成了“煤壁—回采工作面支架(支柱)—采空區(qū)充填體”的支撐體系。在上述支撐體系的作用下,頂板結構保持完整,基本頂在變形過程中能夠較好地受到由“頂板—充填體—底板—圍巖”力系的約束,礦壓顯現明顯緩和,圍巖移近量很小。
(1)工作面前方10~20 m處煤層上覆巖層開始運動,但下沉速度很小,為巖層起始沉降期。
(2)由進、回風巷測站工作面推過后期測量數據看出,工作面前后10~15 m范圍內,巷道頂底板移近變化速度增大,下沉量占最終下沉量的80%左右,為巖層主要下沉期。在此區(qū)域工作面及兩巷支撐壓力較大,做好對工作面前后支撐壓力范圍內的強有效的支護,在控制巷道變形的作用中至關重要。
(3)工作面后方20 m以外,上覆巖層沉降速度減緩并基本趨于穩(wěn)定,下沉量占最終下沉量的15%左右,稱為巖層沉降衰減期。
(4)由觀測數據可知,頂底板最大移近量為95mm,兩幫最大移近量為22·5 mm,礦壓顯現較緩和,膏體充填效果明顯。
5.2.1.2底板注水試驗
為有效防止工作面突水,在54002工作面進風巷進行鉆孔注水試驗。共施工8個鉆孔(圖5-4)。
圖5-4 鉆孔布置及局部地質
從距工作面50m進行觀測，到工作面采過30m結束，得到的觀測數據如圖5到圖7所示。
由觀測數據分析得出以下結論:
(1)在受斷層影響被3條斷層切割的塊狀區(qū)域內,終孔位置距離斷層交界面10 m左右的1#—5#鉆孔在開采過程中受斷層面活化影響較小;其注水量明顯變化的2#鉆孔是由于其部分測試段位于小煤層,而從其他鉆孔的注水量來看,巖層沒有因采礦引起整體破壞,推斷因礦壓造成的直接底破壞深度小于5 m。
(2)斷層交界面的6#鉆孔表明,受采礦、區(qū)域水文地質和承壓水影響,斷層面附近破碎帶活化,破碎帶滲透性大大增強,L4灰?guī)r與石英砂巖等破碎帶富水區(qū)域的水能夠通過巖層與層的離層和溝通裂隙涌出至直接底板。所以6#鉆孔可以看作是受斷層影響較為劇烈的典型地點,從而推斷在受斷層影響較為劇烈區(qū),底板破壞深度大于10 m,參考7#鉆孔注水曲線,可以判斷破壞深度在10~12 m。且斷
層附近巖層受擾動是在工作面前方10m處,但受采礦影響最為明顯的區(qū)域是在工作面后20m處,底板突水應多為滯后突水,所以在受大斷層影響突水危險性很高的局部區(qū)域,注漿鉆孔應提前打在工作面-10~20 m范圍內,這時底板原生裂隙開始擴展溝通,是注漿的最佳地段,以此防止底板滯后突水。
(3)斷層附近深孔8#孔再次導升破碎帶高度在4~6 m,按照底板“下三帶”的理論,一5煤底板有效隔水層為厚4~7m的石英砂巖,這是按照底板鉆孔的底板巖層柱狀圖資料計算得到的。
5.2.2帶壓開采綜合治理方法
帶壓開采綜合治理方法是在查清區(qū)域地質、礦井水文地質及構造地質情況的基礎上進行帶壓開采。焦作礦區(qū)采取“堵、疏、探、排”相結合的帶壓開采綜合治理方案,在防治底板突水方面取得了比較明顯的效果。該方法采取水文地質分析及物探手段,正確分析突水水源和富水區(qū),弄清導水通道,然后根據礦井的涌水量和水壓選擇以疏排為主,還是以堵排為主。朱村礦54區(qū)一5煤底板距L2灰10·25~21·17 m,平均15·76 m,由于局部地區(qū)地質條件復雜,水壓較大,底板注漿比較困難,采取以疏排為主、帷幕注漿為輔的方法,開采前在斷層附近預注漿,并打鉆孔排水,以降低水壓,確保安全生產。采用這種方法后,54002工作面在開采過程中,基本上未發(fā)生過突水事故,達到了安全生產的目的。對場地進行了填洼整平,既不占用農田,又解決了場地擴建問題,保證了施工圖設計質量。②平頂山市衛(wèi)東區(qū)某煤業(yè)有限公司技改設計工業(yè)場地防洪與排澇設計中,設計按規(guī)范規(guī)定礦井井口防洪標準設計重現期為100 a,校核重現期為300 a,工業(yè)場地防洪標準設計重現期為100 a。防洪設計高程也按重現期的計算水位(包括壅水和風浪襲擊高度)加安全高度進行了計算,并以校核標準檢驗,按二者的大值確定。但在現場深入細致的調查中發(fā)現,該礦井井田的南部為平煤集團鐵路專用線,鐵路路基比正常地面高10余m,排洪涵洞斷面較小, 700 m范圍內只有1個, 1998年與該礦井鄰近的小煤礦遭遇重現期為50 a的洪水,因山洪暴發(fā),枯樹等雜物堵塞排洪涵洞,鐵路路基形成攔水壩,洪水回灌,以致井口灌水,形成淹井事故。根據調查了解的情況,對原設計方案進行了優(yōu)化,通過技術分析和多方案比較,適當加高了防洪設計高程,在井田范圍外距涵洞口30m處設置鋼筋篦子攔截雜物,并對排洪涵洞進行清挖處理,保證了礦井安全,也避免了多余投資。(3)管路布設。井下通信線路、壓風管路、消防灑水管路在安裝、施工設計時即按《煤炭工業(yè)礦井設計規(guī)范》進行設計,實際施工時也按此要求。2007年7月底發(fā)生的河南陜縣支建煤礦透水事故中,正是因為有了暢通的通信線路、壓風管路的給氧送風、消防灑水管路輸送的牛奶面湯和科學施救措施,才挽救了69位礦工的生命。
5.3重視對計算成果和過程的合理性分析
在對中小煤礦技改工程設計中,對有關的計算成果和計算過程一定要進行定性、定量分析,對使用各種公式的應用條件要進行分析,因為這些計算參數、使用公式應用條件的選擇是否恰當,是否符合所應用工程的具體條件,會直接影響到設計成果的合理性。如,礦井提升絞車的選型設計中,提升能力的計算規(guī)定較多,且規(guī)范用語以“不宜”、“不應”較多,有時提升容器的質量及鋼絲繩直徑的選擇也會影響提升絞車選型計算設計的結果。因此,地方中小煤礦技改工程的設計,除嚴格執(zhí)行設計規(guī)范和各類煤礦規(guī)范規(guī)定外,還必須在設計前對每一項計算成果和參數進行合理性分析和檢查,必要時應進行重新計算和核定,才能保證施工圖設計文件的質量,為工程施工提供正確、安全、合理的數據。
5.4不斷學習和積累專業(yè)知識,提高綜合能力
專業(yè)技術水平和工作能力的提高,離不開持續(xù)學習和經驗的積累。在中小煤礦技改工程設計和施工中,由于煤礦工程涉及面廣,設計人員應熟練掌握《煤炭工業(yè)設計規(guī)范》、《煤炭工業(yè)礦區(qū)設計規(guī)范》、《煤炭工業(yè)小型礦井設計規(guī)范》、《煤炭工業(yè)礦區(qū)機電設備修理設施設計規(guī)范》、《煤礦井下消防、灑水設計規(guī)范》、《煤礦安全規(guī)程》等現行的煤礦規(guī)范規(guī)程,對即將實施的煤礦規(guī)范也應認真學習,如《煤礦井底車場硐室設計規(guī)范》、《煤礦斜井井筒及硐室設計規(guī)范》、《煤礦井下熱害防治設計規(guī)范》、《煤礦井下供配電設計規(guī)范》等,還需加強對工程力學、結構力學等專業(yè)知識的學習,加強對工業(yè)及民用建筑等方面行業(yè)規(guī)范(如荷載設計規(guī)范、結構設計規(guī)范規(guī)定)的學習。例如,平頂山市郟縣某煤業(yè)有限公司主井井底車場工程、地面主井絞車房工程都進行了全面的受力計算,才確保工程設計有了可靠的依據,彌補了原施工圖設計的缺陷,保證了工程設計、施工的質量。這得益于對專業(yè)知識的強化學習和掌握。因此,從事煤礦工程設計和施工的技術人員不但要有扎實的專業(yè)知識,而且還要熟悉和掌握有關門類的專業(yè)知識和規(guī)范。只有這樣,才能保證煤礦工程從設計到施工符合實際情況,少出問題,多出優(yōu)良工程。
6 結語
我國存在著嚴重的煤礦底板突水問題，頻繁發(fā)生的突水事故嚴重威脅著煤礦的安全生產運。采取合理的預測方法和相應的防治技術措施，才能有效地預防和控制底板突水事故的發(fā)生。
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