地表水体下压煤开采研究

地表水体下压煤开采研究摘要：地表水体下进行煤层开采的可行性研究课题是一个跨煤炭、水利、地质和环保行业的综合性研究课题，传统的以最大限度开采资源的研究方法已经不再适用。

本文在近年来研究成果的基础上认为：地表水体下采煤的保护对象不单是矿井本身，还应该包括相应的水工结构；研究内容范围要扩大；应该多专业、跨系统联合研究；多采用高新技术，特别是一些测量技术；尽快建立健全相关法律制度。

并以实际工程为例，强调上述新认识的必要性和迫切性，为相关管理部门作出决策提供重要的科学依据。

关键词：地表水体，压煤开采地面塌陷库区渗漏渗流场Abstract: The research on mining under surface waterbody is a research problem related with Ministryof Coal Water Resource Geology and Environment and it has been not applicable to use the traditionalmethod to exploit maximum resource. In recent years some viewpoints are presented on the basis of studyresults: 1 the protected object while mining under surface waterbody is not only mine and it shouldinclude relevant hydro-structure 2 the scope of research content should be enlarged 3 many spacialitiesand systems should be combined to research 4 high and new technology should be adopted especiallysome measure techniques 5 the comprehensive correlated law system should be established as soon as.We take example for the practical project and emphasize necessity and urgency property of the newviewpoints above to offers an important scientific basis for making decision to department in charge. Key words: surface waterbody coal mining cognition Evaluation of safety of mining under the large reservoirs area Wu Xiong Beijing Key Laboratory of Water Resources and Environment Engineering，China University of Geosciences，Beijing 100083，China1 前言在地表水体下进行煤层开采与在建筑物和太大，超过矿井的排水能力，会造成淹井的重大铁路下采煤并称为“三下”采煤，其理论与技术在事故。

因此，煤炭系统的研究主要是控制“两带”煤炭系统研究中已比较成熟，其标志是原煤炭工的发育高度，而对煤层开采引发的地表塌陷、研业部于1985 年8 月颁发的《建筑物、水体、铁究区渗流场的改变等问题涉及较少。

随着易采煤路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（以下炭资源的日益枯竭，为了开采的接续、保证煤炭1简称“规程”），该规程于2000 年 5 月又进行的产量以及环境保护等问题，一些原来没有想开了修订。

该规程是我国自建国以来进行“三下” 采的煤炭资源如今也要进行开采，如在小浪底库采煤所取得的理论成果和实践经验的总结，反映区下、岳城水库库区下、南四湖下、东武仕水库了我国“三下”采煤的总体研究水平。

库区下以及淮河下进行煤炭资源开采，这样就引长期以来，对在地表水体下采煤的研究主要发出一些新问题。

比如说，1 在与地表水体相由煤炭系统的科研单位和大专院校承担，认为在关的水利设施附近，包括大坝、库区和堤防等范地表水体下采煤时的保护对象主要是矿井本身，围内能否进行煤层开采？如果能，开采界限如何即保证在水体下开采时矿井的安全2--3 ，由于确定？2 现场测量是确定煤层开采引发的地是在水体下进行煤层开采，因此最受关注的是对表塌陷深度及范围的一个重要手段，如何在地表煤层开采后“两带”的发育高度进行研究，如果水体下进行地表变形监测？3 在地表水体下“两带”发育高度沟通了地表水体或采场上覆富进行煤层开采，对研究区域渗流场和地质环境如水性强的含水层后，势必会发生涌水，若涌水量何影响？能否诱发地质灾害（如滑坡等）的发生等？这一研究领域，除了要研究“两带”发育高度外，作者近年来针对上述问题做了一些工作，对还至少需要研究一下几项内容：1 煤层开采引在水库库区下进行煤炭资源开采的可行性问题发的地表塌陷范围及深度对水工结构安全运行进行了一些研究，对其有了一些新的认识。

本文的影响；2 煤层开采对区域渗流场及矿山环境就是对所取得的研究成果的一个总结4-5。

的影响；3 煤层开采引发研究区地质灾害的可能性研究；4 采矿诱发地震（冲击地压）发生2 地表水体下采煤的保护对象的的可能性及控制研究等。

确定4 多专业、跨系统联合研究前已叙及，目前认为水体下采煤时的保护对象主要是矿井本身，即
保证在水体下开采时矿上述研究内容必然导致多学科、跨系统的联井的安全。

只有在必要时（如水体为地面灌溉合研究。

在专业方面，需要采矿学、工程测量、用的水库）才考虑水体及其附属设施的保护2-3。

岩土工程、计算力学、渗流分析、环境工程以因此，水体下采煤研究的重点也是从煤炭生产及水资源保护及评价等多专业联合；在行业部角度出发，把保护矿井本身和最大限度地开采门方面，需要煤炭、水利以及环保等跨系统联煤炭资源作为科学研究的目的，将采煤方法的合研究。

发展变化和高产高效安全生产紧密结合在一5 研究中多运用高新技术起，形成了一套成熟的水下开采技术，如综合机械化采煤顶水安全技术、综合机械化放顶煤随着计算机技术的迅速发展和普及，许多高顶水安全开采技术、留设防砂煤柱放顶煤安全新技术应运而生。

这些高新技术的应用使得研技术、留设防塌煤柱放顶煤安全技术、综采一究成果更加准确、可靠。

比如说，以往观测“两次采全高留设防塌煤柱安全技术、高落式顶水带”发育高度采用传统的钻孔冲洗液方法，其优采煤安全技术以及在干旱地区的保水采煤技术点是简单、易操作，其缺点是精度较低、费用等，这些新技术的应用给煤矿带来了更大的经较高。

目前，已开发出钻孔声速法、钻孔超声济利益。

但以上成果对开采活动引发的地表塌成像法、钻孔彩色电视法、直流电法、瞬变电陷对水工结构等的破坏研究比较少，影响了水磁、探地雷达以及微震监测等新技术，目前，工结构功能的下降。

如煤层开采引发的地表塌这些新技术已成功地应用于现场实践中3 。

还陷导致淮河大堤防洪能力下降，不得已只能不有，现场测量是进行煤层开采引发地表塌陷研断地加高大堤的高度。

因此，在地表水体下进究的重要手段，以往的研究是采用一些传统的行煤层开采除了要保护矿井的安全，还应保护手段（如吊绳法、测杆法等）进行测量，由于相关水工结构的安全运行，二者的地位是同等是测量水下地形，因此其测量难度较大，表现重要的。

出测点少、测试精度及效率低等特点。

在实际工程中，只好借鉴引用在陆地下采煤引发地表 3 研究内容范围扩大塌陷的一些数据。

这样得出的计算结果可能与本文认为，在地表水体下进行开采活动除了实际相差较大，处理不当，会造成大的工程事需要保护矿井和水工结构的安全，还应对研究区故。

目前，国内外已研发出系列水下测量仪器，的环境和水资源进行保护，以前对这方面的研究如单频回声测深仪、双频回声测深仪、多波速较少，导致矿山环境问题日益突出，如煤层开采条带测深仪、浑水测深仪以及浅地层剖面测深导致淮河大堤防洪能力下降，不得已只能不断地仪等，结合GPS 导航定位，可以精确地测量出加高大堤的高度，同时使得淮南市出现了严重的水下地形和浅部地层，精度很高，该技术已成地表塌陷和生态环境问题，迫使淮南市可能整体功地应用于海底、航道、水库等的测量，作者6搬迁。

同样，煤层开采导致南四湖湖底发生大近年来使用双频回声测深仪和浅地层剖面测深面积塌陷，造成地下水污染，破坏了整个区域的仪进行过煤层开采后水下地形变形测量以及江生态环境7。

随着社会的进步，人们对环境和水河堤防质量检测工作，取得了良好的应用效果8资源保护的重视程度越来越高，认识到资源开采。

必须同环境保护协调地发展，因此，目前的研究当然，由于人们对高新技术认识是一个渐进内容比较单一，没有将该问题放入资源-环境-社的过程，总体来说，目前高新技术的应用还没会发展这个大系统中去综合考虑，存在较大的问有得到普遍应用。

相信随着人们认识水平的提题和片面性。

本文认为，对于在地表水体下采煤高以及科学技术的发展导致新技术成本的降低，越来越多的高新技术将会广泛应用到生产—2—实践中去。

矿委托科研单位进行能否在岳城水库下继续开采的可行性论证，申家庄煤矿委托国内煤炭系6 建立健全法律规章制度统一家权威单位进行研究，研究角度及思路完以前，在水体下采煤只要经过煤炭管理部门全是按照煤炭系统传统的研究方法和手段进批准即可进行，无须向水利部门、环保部门申行，专家鉴定后认为水下开采安全防治研究还报。

虽然国家后来于1998 年7 月1 日颁布了《中有待于深化，海委又责令申家庄煤矿尽快组织华人民共和国水法》（以下简称“水法”），但水科研单位进行论证，接受委托后，课题组在已法中
也没有明确规定在地表水体下进行采矿活有研究成果的基础上，采用现场地质调查、室动的限制，仅在“第三章—“水、水域和水工程的内外试验以及数值模拟技术相结合的综合研究保护”中的“第二十六条”中规定：“开采矿藏或者方法进行了一系列研究，为水利管理部门作出兴建地下工程，因疏干排水导致地下水水位下决策提供了科学依据。

降、枯竭或者地面塌陷，对其他单位或者个人的生活和生产造成损失的，采矿单位或者建设7.2 煤层开采引发的地面塌陷对水库大单位应当采取补救措施，赔偿损失”。

另外，国坝安全的影响研究务院1991 年 3 月22 日发布了《水库大坝安全管理条例》（以下简称“条例”），该条例在“第早在1985 年，煤炭科学研究总院刘天泉院三章—大坝管理”中的“第十三条”规定：“禁止在士总结了申家庄及附近煤矿开采技术条件和地大坝管理和保护范围内进行爆破、打井、采石、表塌陷监测资料，在此基础上，对申家庄煤矿采矿、挖沙、取土、修坟等危害大坝安全的活地表塌陷范围进行了计算和预测。

2002 年 6 月，动”。

上述法律、规章制度没有对能否在水库库申家庄煤矿再次委托煤炭科学研究总院对其地区水体下进行采矿活动有明确说明，“水法”中没表移动规律进行研究。

上述两次研究都是采用有禁止在水工结构下进行采矿活动，只是强调煤炭系统传统的概率积分方法进行的，计算结如果采矿活动引发如地下水位下降、枯竭或地果最大塌陷深度为 3.35m，影响边界为282m。

面塌陷等矿山地质环境问题时，只要进行赔偿本文采用数值模拟的方法对其进行研究，计算就可以了；“条例”中虽然禁止在大坝管理和保护程序采用FLAC-3D，计算结果如图1 所示，最范围内进行采矿活动，但没有明确规定大坝的大塌陷深度为2.659m，影响边界为960m。

从上管理和保护范围。

这些问题导致水利部门和环述计算结果可以看出，采用各种计算方法得出保部门在处理该类问题时显得非常被动。

因此，的煤层开采引发的地表塌陷范围仅仅为960m，对于涉及到多行业的在地表水体下进行采矿活而煤田边界距离大坝有5km，因此，不会对大动的问题，法律上应当进行严格的规定。

只有坝的安全运行造成影响。

这样，才能达到煤炭行业、水利系统和环保系本区地貌形态为剥蚀的丘陵地形，比较平统“多赢”的局面，既保证煤炭资源的合理开采，又保证水库的安全运行，还不会对研究区环境坦，又没有发育顺河谷方向的断层，因此，煤层产生大的破坏，从而实现多方利益的最大化。

开采引发的地表移动不会造成库岸发生滑坡、坍塌等次生地质灾害。

7 实例分析7.1 工程简介大坝河北省磁县申家庄煤矿是地方国有重点煤矿，是磁县经济的支柱企业，岳城水库是国家大型水库，库容13 亿m3，是邯郸和安阳生活用水的水源地。

从1984 年开始，申家庄煤矿就在岳城水库库区下进行试采，1996 年上级煤炭部图 1 申家庄煤矿扩大区地表沉降深度及范围预测图门正式批准该矿在水库下开采，申家庄煤矿采另外，为了校核计算结果，本文首次采用先区边界距岳城水库大坝最近距离为5km，2002 进的导航和定位技术结合声波测深仪对水下地年5 月申家庄煤矿接到了水利部海河水利委员形进行测量，定位和导航设备采用法国THALES会漳卫南运河管理局责令立即停止在岳城水库公司生产的Scorpio 6502 型双频动态GPS，测深库区以下采煤作业的通知，通知要求申家庄煤设备选用加拿大Knudsen Engineering 公司研制开发的320M 型双频测深仪，该测深仪发射有两水库库区水体下采煤能否导致库区水体渗漏的个频率，低频为33KHz，高频为210KHz，因此重要依据。

本文利用FLAC-3D 程序对“两带”发它既能利用高频信号测量水下地形，又能利用育高度进行了计算，同时结合已有的钻孔测试、低频信号的强穿透能力测量水下地形以下的“硬水质分析以及理论计算结果综合确定出申家庄层”标高，这样就消除了水库淤积对测量精度的煤矿“两带”发育高度介于100130m，顶板留设影响，使得测量效率和精度大大提高，取得了的防水安全煤岩柱厚度完全满足“规程”规定，库良好的应用效果，图2 为某一断面现场的测量区水体不会向采空区渗漏。

即使渗漏，由于采数据，图 3 为经后处理后的结果，上面的一条空区体积有限，也不可能造成库区水位发生骤线代表水下地形标高，下面的一条线为水下地降；另外，库区周边地形条件也会限制因煤层形以下“硬层”的
标高。

上述测量结果是煤层开采开采引发的地表塌陷造成库区水体大量向外泄前水下地形和“硬层”标高，等煤层开采后，再按漏，不会造成库区水位骤降。

照上述测量断面重新测量一次，这样不仅可以直观看出煤层开采引发的地表变形是否会对大7.4 煤层开采对库区渗流场、环境及大坝坝的安全运行造成影响，而且还可利用监测资安全的影响评价料对模型和参数进行“反演” ，进而对地面塌陷深度和范围进行预测。

由于煤田边界距离岳城水库大坝较远，相距有 5 km。

渗流计算结果表明，为安全起见，假设煤层开采使得库区范围内的岩土体都受到扰动，地层渗透系数均增大100 倍（实际上煤层开采只能造成库区局部地区地层的渗透系数增大），计算结果表明，库区水通过水库库底的铺盖淤泥层和坝体流向下游，上游库区下采煤引发的地层扰动对库区渗流场的变化影响很小，在大坝附近最大水头差仅为2.7％，最大单宽渗流量仅为2.6％，因此，煤层开采对库区渗流场和大坝的影响非常有限，不会对大坝安全运行造成影响。

另外，在计算中没有考虑2000 年对图2 某一断面水下地形及“硬层”现场测量结果岳城水库副坝进行加固增设防渗墙的情况。

近期增设的防渗墙将大大改善副坝的防渗作用，提高副坝的安全性9。

由于研究区地形相对比较平缓，库区内没有通向坝体的纵向河谷断层，煤层开采也不会引发库区水位骤降，因此，煤层开采不会造成环境地质灾害（如滑坡等）的发生。

7.5 煤层开采引发采矿诱发地震（冲击地压）的可能性研究图3 某一断面水下地形及“硬层”后处理结果从矿山地质因素角度分析，煤层埋深逐渐加大，最深处达1280m，说明地应力大；采场“老7.3 煤层开采引发库区水体渗漏及库水顶”结构较完整，不易冒落，说明具有完整的储位骤降的可能性研究能条件；断层发育，易形成应力集中区。

因此，申家庄煤矿，特别是扩大区煤层开采具备发生采矿诱发地震的某些条件。

但从开采技术角度岳城水库水体采动等级为Ⅰ级，决不能允许分析：1巷道布设在稳定的“内应力场”中，可“两带”发育高度波及到水体，必须留设顶板防水以大大降低回采工作面发生冲击地压的危险性安全煤岩柱，准确确定“两带”在一定开采方式和10-11 ；2 煤层开采顶板管理方式为全部跨落规模下的发育高度是关系到申家庄煤矿在岳城法，允许顶板岩层随采随冒落，对于不易自然—4—冒落的“老顶”，采用人工爆破的措施强制放顶，行研究，真正达到各系统“多赢.。