采煤概论ppt课件-23三下采煤.ppt
2023/3/27,“三下一上”采煤,目 录,岩层与地表移动特征,建筑物下及村庄下采煤,铁路下采煤,水体下采煤,承压水体上采煤,“三下一上”采煤是指建筑物下、铁路下、水体下和承压水体上采煤。,根据1994年的不完全统计，我国的“三下”压煤量达12.2Gt，其中建筑物及村庄下压煤7.83Gt，铁路下压煤1.49Gt，我国有125条较大的河流压煤，还有微山湖、太湖、大冶湖和渤海等湖海下压煤。在华北、东北和华东平原地区普遍有第四系含水砂层覆盖。在华北和华东地区的主要矿区开采石炭二叠纪煤层。石炭二叠系的基盘是奥陶系石灰岩，厚度很大并含有丰富的岩溶承压水，煤底板突水会给矿井造成严重的威胁。,第一节 岩层与地表移动特征,煤层被采出之后，形成了空间，其上覆岩层与底板岩层的原始应力平衡状态遭到破坏，从而发生移动、变形和破坏，这一过程称岩层移动。根据实际观测资料证明，上覆岩层移动稳定后，其移动、变形和破坏具有明显的分带性。采用长壁垮落采煤法，当采深为采高的25倍或以上时，上覆岩层移动、变形与破坏可分为三个带：垮落带、断裂带或导水断裂带、弯曲带或整体移动带。,通过最终移动盆地的最大下沉点沿煤层走向或倾向作断面，称移动盆地的主断面、前者称走向主断面，后者称倾斜主断面。,边界角：0 0 0,移动角：,裂缝角：”,充分采动角(a)沿走向主断面(充分采动时)(b)沿倾斜主断面(充分采动时)(c)沿走向主断面(超充分来动时)(d)沿倾斜主断面(超充分采动时),在移动盘地的倾斜主断面上，地表移动盆地在下山方向的影响范围扩大，最大下沉点不在采空区中央的正上方，而是向下山方向偏移，最大下沉点的位置用最大下沉角确定。90-K式中 煤层倾角；K开采影响的传播系数，K=0.5-0.8。,地表移动和变形在地表移动盆地内，每点的移动除最大下沉点(或区间)外，均指向采空区中心，并分为铅直移动和水平移动两个分量。此外，各点的铅直移动分量和水平移动分量均不相同，因此地表会出现各种不同类型的变形。,地质和采矿条件对地表移动和变形的影响(一)地质条件对地表移动和变形的影响1上覆岩层的性质2煤层倾角3开采深度与开采厚度 一般用深(H)与厚(M)之比(H/M)来表示地下开采对地表的影响。H/M越大，地表移动变形平缓；反之，H/M越小，地表移动变形剧烈，有时可能出现断裂、台阶或塌陷。4水文地质条件5断层及其他弱面6地形,地质和采矿条件对地表移动和变形的影响(二)采矿条件对地轰移动和变形的影响1.采煤方法及顶板管理方法的影响2采空区面积的影响3重复采动影响,第二节 建筑物及村庄下采煤,一、地表移动对建筑物的影响1.下沉2.倾斜3.水平变形4.曲率,二、建筑物下和村庄下采煤的开采措施(一)减小地表最大下沉值(1)充填开采(2)部分开来：主要有条带式采煤法和房式采煤法(3)分层开采,二、建筑物下和村庄下采煤的开采措施(二)消除或减少开采影响的叠加(1)完全开采(2)顺序开采(3)合理地布置备煤层或各分层的开采边界(4)正确地安排工作面推进方向(三)协调开采 协调开采就是当数个煤层或厚煤层数个分层同时开采时，控制各煤层或各分层工作闭之间的错距，使地表拉伸变形与压缩变形互相抵消，以达到减小地表水平变形的目的。,二、建筑物下和村庄下采煤的开采措施(四)合理确定工作面与建筑物的相对位置(1)平行长轴开采(2)合理地确定停采线与建筑物的相对位置,三、建筑物下和村庄下采煤的地面保护措施(1)变形缝(2)钢筋混凝土圈梁或钢拉杆加固(3)液压千斤顶调整(4)变形补偿沟,四、条带式采煤法的应用 条带式采煤法是一种部分开采的采煤方法，其实质是：在开采范围内，沿一定的方向将煤层划分为若干个条带，采出一条，保留一条，相间排列。依靠保留的条带煤柱支撑上覆岩层的载荷，以控制岩层和地表移动，使地表移动变形减小，达到保护建筑物的目的。,采宽的确定：确定采宽的基本原则是开采后地表移动不出现波浪起伏状，而是单一平缓的下沉盆地。地表移动是否出现波浪起伏状态，与采宽和采深有关。式中：b采宽 H采深留宽的确定：开采后煤柱的应力状态和强度、条带煤柱的宽高比、条带采煤的采出率。,第三节 铁路下采煤,一、铁路下采煤的特点(1)铁路担负着繁重的运输任务，尤其是国家铁路干线，是国民经济的大动脉。因此，在铁路下来煤必须保证列车安全和正常地运行。在安全上比一般建筑物要求更高。(2)铁路列车重量大、运行速度快，铁路线路受列车的动载荷作用。在铁路下采煤时，又增加了地表移动对铁路的影响。因此铁路线路的移动和变形较为复杂。(3)铁路下采煤，铁路线路在开采影响过程中可以通过日常的维修及时消除自身的移动和变形，保证铁路畅通无阻。这对一般建筑物来说，是很难做到的。,三、铁路下采煤的安全技术措施(一)开采技术措施(1)防止地表突然下沉(2)减少地表下沉(3)消除和减轻地表变形的叠加影响(4)合理地布置工作面(二)维修技术措施,第四节 水体下采煤,一、水体下采煤的持点(1)水体下采煤着重研究岩层与地表的破坏规律以及可能造成的水力联系，而不考虑地表移动与变形情况。(2)水体下采煤不仅要考虑到岩层与地表破坏规律，而且要考虑到水体的类型以及矿井地质和水文地质情况。(3)水体下采煤的主要对策是“隔离”或“疏降两类方案。前者适用于水量大、补给充分的条件；后者适用于水量小、补给有限的条件。因此，在水体下来煤时，要从安全、经济和煤炭采出率高等方面进行比较，确定合理的开采方案。,二、影响水体下采煤的因素(一)水体的类型根据我国水体下来煤的经验，一般有单纯地表水体、单纯松散层水体、单纯基岩含水层水体、地表水和松散层水构成的水体、松散层水和基岩水构成的水体、地表水和基岩水构成的水体以及地表水、松散层水和基岩水构成的水体等几种类型。(二)上覆岩层的类型 根据水文地质特征可将上覆岩层分为含水层(或透水层)和隔水层(或相对隔水层)两类。(三)地层的结构 地层的结构系指地层内含水层与隔水层在空间上的分布情况及相互关系。地层的结构可分为单一结构、复合结构、封闭或半封闭结构以及覆盖结构。,三、上覆岩层的破坏形态与规律(一)上覆岩层破坏的空间形态 上程岩层服坏的空间形态与煤层倾角有关。1)对于倾角为0-35的煤层，垮落带的边界在采空区边界范围以内；导水断裂带的边界在采空区边界范围以外，超出采空区边界约5-8M。垮落带与导水断裂带均呈马鞍形，导水断裂带的最高点位于采空区倾斜的上方。2)对于倾角为36-54的煤层，由于倾角增大，采空区上部垮落的岩块下滑充填采空下部，致使垮落带与导水断裂带的上部边缘增高，其上部边界大体上呈抛物线形状。3)对于倾角为55-90的煤层，垮落岩块滚动下滑加剧，充填采空区下部空间、限制垮落带与导水断裂带下边缘的发展。,(二)垮落带与导水断裂带高度的确定 垮落带与导水断裂带的高度与覆岩性质、煤层倾角、煤层厚度、厚煤层分层厚度、采空区尺寸、采煤方法和顶板管理方法以及地质构造等因素有关。采用长壁垮落采煤法时可参考相关公式计算。,四、水体下采煤朗安全技术措施(一)防治措施(1)留设安全煤岩柱顶水开采 留设安全煤岩柱的优点是：不改变原有的开采方法，不增加疏水系统和排水系统；但由于留设安全煤岩柱，增加了煤炭损失，增大了工作面的淋水。(2)疏干、疏降开采(3)顶疏结合开采(4)帐幕注浆堵水 利用钻孔将粘土、水泥等材料注入含水层中，形成地下挡水帷幕，切断地下水的补给通道。(5)处理好地表补给水源 采用河流改道、河流铺底、建立上游水库、筑拦洪坝、修拦洪沟、填渗水裂缝、架渡槽、设围沟以及排除内涝等措施，切断或改变地面补给水源。,四、水体下采煤朗安全技术措施(二)开采技术措施(1)试探开采 原则是：先远后近、先深后浅、先厚后薄(指隔水层)和先易后难，逐步接近水体。(2)分区隔离开采 在采区四周均留设防水隔离煤柱，在运输水平的绕道和石门内设永久性的防水闸门，一旦发生突水事故，关闭防水闸门，将采区与外界隔离，缩小灾害的影响范围。(3)全部充填、部分开采和分层间歇开采(4)正常等速开采,第五节、承压水体上采煤,我国华北及华东地区的主要矿区开采石炭二叠纪煤层。煤系的基底为奥陶系石灰岩(奥灰)，其特点是厚度很大、岩溶裂隙发育、富水性极强、水的压头高。当遇有构造裂隙时，奥灰易与上覆本溪群或太原群的薄层石灰岩连通，而发生水力联系，造成底板突水事故。,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、变形与破坏的规律，是防止底板突水的基础。,一、煤层底板岩层破坏与突水,一、煤层底板岩层破坏与突水,在支承压力的作用下，底板中出现水平拉应力；在压缩区和膨胀区分界处的底板中出现剪应力。拉应力和剪应力使底板出现断裂。垂直断裂与顺层断裂交叉，形成底板破坏带。成为底板突水的诱发因素。,一、煤层底板岩层破坏与突水,煤层底板的“下三带”根据煤层底板破坏情况及地下水的导升情况，在工作面连续推进后，煤层底板可分为“下三带”。,一、煤层底板岩层破坏与突水,破坏带：邻接工作面的直接底板受到破坏，出现一系列沿层面和垂直于层面的断裂，使其导水能力增强，其厚度称底板破坏深度完整岩层带：位于破坏带之下，岩层虽然受到支承压力的作用，甚至产生弹性或塑性变形，但仍然能保持连续性，其阻水能力未发生变化。因此，称完整岩层带或保护层带。地下水导升带：地下水导升带指底板含水层中的承压水沿隔水层裂隙上升的高度，即由含水层顶面至承压水导升标高之间的部分，其厚度为h3。地下水导升带的厚度，取决于承压水的压力及隔水层裂隙的发育程度和受开采影响的剧烈程度。,一、煤层底板岩层破坏与突水,根据“下三带”理论，对承压水体上采煤进行安全预测，存在4种情况,二、底板破坏深度的计算 底板破坏深度与开采深度、煤层开采厚度、煤层倾角、工作面长度、顶底板岩石性质（抗破坏能力）、采煤方法、顶板管理方法以及是否有断层等因素有关。根据现场实测资料，底板破坏深度一般从几米到十几米（现场实测最小的为3.5m，最大的达到38m）。,三、影响底板突水的因素水源条件 水源条件包括水量和水压，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，危害性也大。水压的作用表现为：处于封闭状态的岩溶水不断地溶蚀、冲刷构造裂隙，形成通道，由含水层上升进入到底板隔水层，从而破坏了底板隔水层。水压越大，这种破坏作用越严重，地下水导升带就越大。,矿山压力：绝大部分工作面底板突水与矿压有直接关系：（1）无周期来压或周期来压不明显的顶板，支承压力较小，对底板破坏轻；有周期来压的顶板，突水多发生在初次来压或周期来压期间，因为在初次来压或周期来压期间，对底板破坏严重。（2）突水点的位置多数在工作面后部采空区边缘附近。因为该处顶板垮落不充分，底板处于膨胀状态，断裂张开，阻水能力最弱。（3）顶板初次来压之前，在开切眼附近，由于老顶大而较长时间的悬露，或直接顶岩层垮落后不接顶，使底板岩层形成较大的自由面，给底板岩层的移动与破坏创造了条件。因此，开切眼附近是底板最易突水的位置之一。,三、影响底板突水的因素,(4)工作面推进速度慢、工作面突然停止推进或在工作面停采线处，容易发生突水事故。这是由于工作面推进速度慢或停止推进时，支承压力作用的时间较长，底板岩层破坏严重。工作面推进速度快时，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)区段煤柱承受工作面侧向支承压力，随工作面推进侧向支承压力越来越大，再加上区段煤柱边缘处采空区顶板垮落不充分。因此，区段煤柱附近也是发生底板突水的最可能位置之一。,三、影响底板突水的因素,隔水层的阻水能力隔水层的阻水能力取决于隔水层的强度、厚度和裂隙发育程度。强度越大、厚度越大、裂隙越少，其阻水能力越大。阻水能力一般以单位厚度所能承受的水压值表示，其单位为MPa/m。根据现场实际资料，一般约为0.10.3 Mpa/m。,三、影响底板突水的因素,地质构造 大量统计资料证明，底板突水事故80以上发生在断裂构造附近。底板突水首先要有带压的水体，其次要有突水的通道。底板突水的通道几乎都是利用底板隔水层中的断裂构造。断层改变了煤层与含水层的相对位置。由于断层改变了煤层与含水层之问的相对位置，使隔水层的有效厚度变薄或消失。为防止底板承压水沿断层面进入煤层，需在断层两侧留设断层防水煤柱。,三、影响底板突水的因素,焦作矿区地质构造是多条断裂组成的地垒、地堑群，28次较大突水的统计资料表明，断层密度大的矿井，突水次数多。如李封煤矿突水9次，断层密度位3.3条/km2，韩王矿突水6次，断层密度位3条/km2，朱村突水4次，断层密度位1.5条/km2，演马矿突水1次，断层密度位0.34条/km2。,三、影响底板突水的因素,四、底板突水的类型按突水地点分，底板突水有巷道突水与采煤工作面突水。按突水的动态表现形式有：(1)爆发型：直接在采掘工作地点附近发生，一旦突水，突水量在瞬间即达到峰值，突水峰值过后，突水量趋于稳定或逐渐减小。爆发型突水来势猛、速度快、冲击力大，常有岩块碎屑伴水冲出。如开滦范各庄矿、郑州局芦沟矿。(2)缓冲型：直接在采掘工作地点附近发生，突水量由小到大逐渐增长，经几小时、儿天甚至几个月才达到峰值。(3)滞后型：采掘工作面推进到一定距离后，在巷道或采空区内发生突水，其滞后时间为几天、几个月甚至几年，突水最可急可缓。,按突水量的大小可分为：特大型突水事故，突水量为50m3/min以上；大型突水事故，突水量为2049 m3/min；中型突水事故，突水量为519m3/min；小型突水事故，突水量小于5 m3/min。,四、底板突水的类型,五、承压水体上采煤方案 在承压水体上采煤，要根据具体的地质和开采技术条件，选择合适的治理方案。根据我国历年来的实践，主要有以下几种方案。1、深降强排方案 2、外截内排方案3、带压开采方案4、带压开采综合治理方案,Thank You!,
