控水采煤技術原理、關鍵技術及在砂巖含水層下綜放開采實踐

張 玉 軍

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013; 2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013; 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

煤炭在我國一次能源生產和消費結構中長期占比60%以上，2019年共生產煤炭37.5億t，對我國經濟發展具有重大作用。盡管目前煤礦以開采綠色資源量為主，但仍有部分煤礦為水文地質條件復雜類型，而且水體類型多樣，水體下壓煤現狀錯綜復雜，水害類型也呈復雜多樣性。近年來，水害事故起數和死亡人數均呈下降趨勢，但較大水害事故仍有上升趨勢，安全形勢仍然十分嚴峻。災害性突水由于排水能力不足造成人員傷亡和財產損失，過量的疏放增加礦井涌水量及排水費用，導致地下水位大幅度下降，使礦區生態環境遭到嚴重破壞。國內外專家學者在理論和技術研究基礎上進行了不同水體下開采工程實踐，在覆巖破壞規律、水體下采煤技術、水害防治等方面都取得了開創性的研究成果。針對不同類型水體，成功地實現了留設防水、防砂及防塌煤柱等條件下不同開采工藝安全開采;針對水害防治技術，主要從探測、監測、預測、治理、礦井水資源化與綜合利用等方面入手，形成了頂板水疏水降壓、底板灰巖水注漿改造與加固等水害治理技術。近年來，又相繼開發了煤礦井下防治水定向鉆進與注漿技術，研制了動水大通道突水鉆孔控制注漿高效封堵成套技術，建立了大尺度淺埋煤層涌水潰沙災害評價準則等[1-9]。隨著社會對生態環境保護的日益重視，促使防治水技術需要與采煤方法及其各有關技術的發展變化、現代化安全生產需求的結合更加緊密。因此，以滿足安全開采和經濟合理雙重要求為前提最大限度地開采水體下壓煤，實現水體下壓覆煤炭資源的安全、高效和綠色開采，是當前急需解決的問題。

筆者將控水采煤技術與綜放開采工藝特點相結合，應用到內蒙古鐵北煤礦半固結砂巖含水層下綜放控水開采實踐中，實現了3～8 m階梯型采厚安全開采，既控制了工作面的涌水量、改善了工作面作業環境又有效防止了突水潰沙災害的發生，取得了綜放控水安全開采的成功。

1 控水采煤技術的提出、思路及原則

1.1 控水采煤技術思路

近水體下采煤是指對位于水體影響范圍以內的煤層的開采。預防礦井潰水或超限涌水以保證安全經濟地采出煤炭，并對有經濟價值的水體進行保護，以免遭受井下開采的不良影響是近水體采煤解決的重要問題。控水安全開采技術，就是綜合考慮煤礦安全和經濟合理重要因素，針對不同充水能力與補給條件的含水層，結合具體的地質采礦條件和相應的采煤工藝，通過有效的技術方法和措施，充分利用覆巖破壞規律和巖層尤其是受到采動破壞性影響巖層的滲透性能及其變化特征以及含水層富水特征，來控制工作面的涌水量大小及涌水形式，并以滿足安全開采和經濟合理雙重目標為前提，最大限度地開采水體下壓煤的技術[1]，技術思路如圖1所示。

圖1 控水采煤技術思路Fig.1 Technical idea of controlling water mining

充水水源和充水通道是控水采煤技術的2個關鍵因素。在充水水源一定的情況下，充水通道將成為影響工作面涌水量的最關鍵因素。充水通道的過水能力主要取決于巖層本身的滲透性能和采動破壞性影響的程度。針對充水能力和補給條件都比較有限的弱含水層，一般只需控制工作面的充水形式就可以達到控水采煤的目的;而對于充水能力較強補給又比較充足的強含水層，不僅要控制工作面的充水形式，而且還要限制充水通道的過水能力，才能夠達到控水采煤的目的。

1.2 控水采煤技術的原則

(1)先疏后采。采用疏水鉆孔預先疏放含水層的靜儲量，降低回采初期含水層水壓力和瞬時涌水量，避免工作面瞬間涌水量超限，限制工作面涌水量在可承受的范圍內。

(2)回采疏降。覆巖采動裂隙存在垂向分區特征，導水裂縫從下而上分為垮落區、嚴重斷裂區、一般開裂區、微小開裂區。尤其是微小開裂區部分可起到既能實現安全開采又能限制涌水量大小的雙重作用。通過控制不同分區進入含水層的范圍，控制涌水量。借助回采裂縫的導水性差異實現對含水層的逐步疏降。通過一定的開采技術措施，控制采動破壞影響程度，使之與控制工作面涌水量和實現邊疏邊采相適應，如圖2所示。

圖2 回采疏降含水層示意Fig.2 Mining and drainage aquifer

(3)推進與疏水相協調。在工作面正上方和后方采空區形成疏降漏斗，對含水層水位起到疏降作用，控制在安全水量范圍之內。

因此，該技術普遍適用于可疏性較好、補給來源有限的含水層，可通過鉆孔預先疏放一定量的靜儲量，同時采用回采裂縫垂向導水性差異和滯后壓實的特性，實現涌水量大小和形式可控的條件。

2 控水采煤關鍵技術

2.1 預測分析技術

(1)覆巖破壞高度預計。覆巖破壞規律及其發育高度是水體下采煤安全性分析的關鍵參數，是防水煤巖柱留設、疏放水設計和防治水措施制定的前提和基礎。我國在對覆巖破壞規律和發育高度大量的實測、統計分析和理論研究基礎上，得到了計算厚煤層分層開采時，單層采厚不超過3 m、累計采厚不超過15 m時的頂板導水裂縫帶高度的經驗公式，并編入我國《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》，在一定程度上滿足了我國煤礦水體下采煤設計的初步要求。針對厚煤層綜放開采覆巖破壞規律，雖然實測及理論研究成果相對較少，但基本掌握了綜放開采條件下的覆巖破壞發育規律，導水裂縫帶發育高度預計基本以類比法和裂采比進行預計，垮落帶和導水裂縫帶計算高度經驗公式可參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范指南》。并探索了某些特殊地質采礦條件下和條帶開采的覆巖破壞高度，逐步豐富了覆巖破壞規律綜合研究技術體系[8-10]。

(2)涌水量預計。目前主要有解析法和數值法，應用最多的是大井法，其他方法例如富水系數法、類比法等等。近年來開展了孔隙裂隙巖體與滲流特征研究，基于固-流耦合數值模擬的方法，模擬采動影響下含水層的滲流來預測涌水量(圖3)。利用GMS等大型滲流軟件，通過構建三維地質模型來模擬地下水的滲流場和涌水量(圖4)。研究了考慮采掘活動規律的頂板涌水量動態預測方法，克服了以往“大井法”靜態涌水量預測方法的局限性[11-12]。提出了針對強富水半固結砂巖含水層條件采用鉆孔疏水分流技術來避免工作面涌水量超限的技術和方法，得出了避免采煤工作面涌水量超限的臨界水位值預計方法。

圖3 基于固流耦合數值模擬涌水量預計Fig.3 Prediction of water inflow based on solid flow coupled numerical simulation

圖4 基于GMS大型滲流軟件涌水量預計Fig.4 Prediction of water inflow based on GMS large-scale seepage software

2.2 探測與監測技術

(1)覆巖破壞高度實測。覆巖破壞高度與特征的探測技術和手段主要有鉆孔法和物探法兩大類。鉆孔主要以地面鉆孔沖洗液漏失量法和井下仰孔分段注水法為主(圖5)，同時配合采用鉆孔電視、鉆孔超聲成像、鉆孔聲速、數字測井等手段。物探法以高密度電阻率法、雷達探測、地震探測、瞬變電磁法、EH-4電磁法為主要手段(圖6)。近年來，隨著探測技術手段的發展和地質條件的變化，覆巖破壞探測技術與新技術手段的結合更加緊密，微震監測、微電阻率掃描、光纖測試以及示蹤氣體法測定等新技術和新方法也被廣泛應用到現場實測中。覆巖破壞高度與特征的探測正由傳統的單一技術向著鉆探和物探多手段結合、地面和井下相結合、傳統手段與新技術專業解釋相結合等方向發展，既可以減少鉆探工程量和降低鉆探工程費用，又有利于提高探測效果，提高了觀測精度和適用性，取得了較好的效果[13-16]。

圖5 地面-井下鉆孔與鉆孔電視相結合實測Fig.5 Surface-underground drilling combined with drilling TV

圖6 電導率剖面儀確定的“兩帶”高度Fig.6 Results of the “two-band” height determination by the conductivity profiler

(2)地下水動態監測。水體下采煤的安全監測技術對于實現水體下安全采煤是非常必要的，通過地面和井下長觀孔水位、水量、水溫以及水質的變化，反映地下各含水層水位動態變化和關聯情況。目前地下水水位、礦井涌水量自動監測系統的應用已十分普遍，水質的自動監測也已經實現，尤其是光柵傳輸技術的應用使得監測系統的可靠性等明顯提高，但對于完整的水害預警技術來講，還缺少對覆巖采動破壞過程的動態監測和實時預警部分[17]。

2.3 控制技術

(1)覆巖破壞控制。通過控制覆巖破壞的范圍及程度，以達到對涌水、涌砂、潰泥通道加壓限制或控制的目的，如對于綜合機械化采煤如何保持覆巖均勻、勻速破壞以及如何實現局部區域減輕破壞;對于綜放開采如何均勻放頂煤以保持覆巖破壞均衡以及如何實現開采厚度等的可控制和可量測等。采動覆巖破壞控制技術常用的主要有分層間歇開采技術、充填開采技術、部分開采(條帶開采)技術、協調開采技術等。鑒于綜放開采的覆巖破壞高度尤其是裂高明顯大于分層開采情況，提出了綜采分層開采與放頂煤開采相結合的覆巖破壞控制技術。并且針對綜放開采的特點，提出了預采頂分層綜放開采、綜放快速開采、局部限厚綜放開采、條帶綜放開采、巖層內部離層帶注漿減沉、采空區部分充填開采等綜合覆巖破壞控制技術。

(2)涌水量大小及形式控制。提出了不同類型含水層的涌水量控制技術，針對弱含水層，僅控制充水形式，針對強含水層，控制充水形式和充水強度。通過控制工作面的涌水量和充水形式，使得其涌水量不超限，充水過程對采煤作業環境的影響程度降到最低，這里則包括了對含水層的處理措施，如通過采前疏降或疏干和回采過程中的邊采邊疏，對采動破壞性影響程度的控制和靈活利用等，如導水裂縫帶的裂縫開裂程度是由下而上逐步減弱的，位于其上部的微小開裂部分對于工作面涌水量的大小是可以起到限制作用的，最終達到控水采煤的目的[18-19]。

3 控水采煤技術在半固結砂巖含水層下綜放開采實踐

3.1 研究區概況

研究區扎賚諾爾鐵北煤礦位于蒙東地區，主采煤層Ⅱ2a，平均厚度12.4 m，經濟可采厚度7～8 m，煤層傾角為6°。煤層頂板賦存7個半固結砂巖含水層，由下至上分別為1′含，1含,2含，3含,4含，5含,6含，砂巖膠結性和滲透性差，具有流動性，含水層富水性強弱不一，如圖7所示。礦井初期采用綜采分層開采(貼煤層頂界布置采場),含水層與煤層距離小于第1分層開采厚度形成的垮落帶高度，垮落帶進入頂板砂巖含水層，存在潰沙威脅;當第2分層開采時，頂板巖層已遭受第1分層開采的強烈擾動，軟化、泥化現象將非常明顯，潰沙、潰泥的威脅也將進一步加重，礦區內已生產礦井曾多次發生突水潰沙乃至淹沒采場等災害。因此，研究相適應的采煤工藝方法，防止突水潰沙災害的同時，安全高效合理的開采整個煤層是鐵北礦需要解決的重要問題。

圖7 覆巖含水層分布及巖性特性Fig.7 Distribution and lithology of overburden aquifer

3.2 綜放控水開采實踐

3.2.1采動覆巖破壞高度預計及對不同含水層影響分析

(1)極軟弱覆巖破壞高度預計。鐵北煤礦覆巖中泥巖、砂巖類巖石的單向抗壓強度波動范圍都較大，其最小的單向抗壓強度甚至小于1 MPa，反映出巖石的膠結程度差異較大。巖石單向抗壓強度多小于20 MPa，屬于軟弱～極軟弱類覆巖。針對極軟弱類型覆巖條件下的導水裂縫帶發育高度，目前國內缺乏極軟弱覆巖導水裂縫帶高度實測數據，但根據鐵北煤礦左部首采工作面回采實踐，在采厚3.2 m時導水裂縫帶高度約29 m，裂采比約為9.1;同屬該礦區的靈東礦在采厚不超過11.6 m時導水裂縫帶高度小于62 m，裂采比小于5.6。因此，選取類似礦井開采實踐經驗得到的經驗數值繪制趨勢圖，采用趨勢分析方法來預計極軟弱覆巖條件下的導水裂縫帶發育高度，圖8為類似礦井和覆巖條件下導水裂縫帶高度的實測值繪制的趨勢圖[20]。因此根據趨勢圖采用選取特征值進行趨勢分析，計算得到不同采厚條件下垮落帶和導水裂縫帶值，見表1。

圖8 極軟弱覆巖條件下的導水裂縫帶發育高度及趨勢Fig.8 Development height and trend of hydraulic fracture zone under extremely weak overburden

(2)采動對不同含水層影響分析。根據覆巖破壞高度預計以及含水層的賦存規律分析，當開采厚度為3 m左右時，預計導水裂縫帶將直接波及1′含和1含，局部將接近2含，預計垮落帶不波及頂板半固結砂巖含水層;當開采厚度達到4 m左右時，預計導水裂縫帶將直接波及1′含和1含，并將在局部波及2含，預計垮落帶接近1′含，局部波及1含;當開采厚度達到6 m左右時，預計導水裂縫帶將直接波及1′含、1含和2含，局部將直接波及3,4,5含分層區內的3含，預計垮落帶局部波及或接近1′含及1含;當開采厚度達到7～8 m時，預計導水裂縫帶將完全波及1′含、1含、2含，局部直接波及分層區內的3含、4含或合層區內的3,4，5含，預計垮落帶將局部波及或進入1′含及1含。

3.2.2綜放控水開采總體方案

(1)控水采煤總體方案。防止潰水、潰沙，避免工作面涌水量超限，是實現半固結砂巖含水層下壓煤開采的關鍵，基于控水開采采前預疏與邊采邊疏相結合的技術原則，利用綜放開采采場沿設計開采厚度的底部布置，放煤厚度靈活調整可控的特點，提出控水采煤的總體方案為“頂水開采與疏干或疏降開采相結合、先疏后采與邊采邊疏相結合、鉆孔疏干或疏降與回采疏干或疏降相結合、分段控制放頂煤開采厚度與含水層疏降程度相結合”。

(2)處理水體的基本原則。對1′含、1含采用先疏后采措施，要求在采前予以疏干或疏降至潰沙安全水位，解除造成泥砂流動的水動力條件以避免潰沙;對2含采用先疏后采與邊疏邊采的措施，要求在采前預先疏降以降低回采期間的涌水壓力，通過邊采邊疏予以疏干或基本疏干;對3含、4含、5含采用邊采邊疏與部分頂水開采的措施，利用泥巖類隔水層中的采動裂縫隨著下沉壓實密合而使得導水、透水能力減弱甚至完全恢復原有隔水能力的特點，爭取做到僅在回采期間排放含水層的大量涌水，而在回采結束后盡可能的減少涌水量，減輕排水負擔，降低排水費用;對6含及其以上含水層則采用頂水開采措施。

3.2.3先疏后采與邊疏邊采相結合實施

利用鉆孔預先分流疏放水技術，在回采前將含水層水位預先疏降，可以起到減小回采時的工作面或采空區涌水量峰值和避免工作面涌水量超限。回采前含水層盡可能疏干或水位降低至潰沙臨界水位值以下，防止潰沙發生的臨界水位可由式(1)確定，當含水層的水頭大于該臨界水頭時，就存在潰沙的危險;反之，如果含水層的水頭低于臨界水頭時，將不存在潰沙的威脅，即可進入邊采邊疏階段。

(1)

式中，H為含水層的水頭高度;rw為涌水通道半徑;R為影響半徑;Jcr為臨界水力坡度;M為含水層厚度。

在采用鉆孔預先疏干難以實現或者需要時間很長的情況下，就要與回采疏干相結合。利用邊采邊疏，對于位于導水裂縫帶范圍內的含水層，在垂向上通過變采厚控制采動破壞性影響范圍實現對不同距離含水層的不同程度的疏降甚至疏干。在橫向上通過調整推進速度與疏水時間相協調，實現對采場正上方垮落帶范圍內含水層的超前預先疏干、裂縫帶含水層的預先疏降，從而控制回采工作面涌水大小。同時，利用裂縫帶范圍內的含水層之間賦存較穩定的泥巖隔水層，以及隔水層中的采動裂縫會隨著覆巖下沉壓實而密合，從而使得導水通道逐漸閉合的特性，控制該隔水層上部的含水層向工作面充水的形式為漸減水甚至為暫時水。

3.2.4分段控制放頂煤開采厚度與含水層疏降程度相結合實施

分段控制放頂煤開采厚度與含水層疏降程度相結合是實現半固結砂巖含水層下安全綜放開采的關鍵。分段控制放頂煤開采厚度主要是指利用綜采放頂煤開采便于靈活調整開采厚度的特點，通過逐漸增大開采厚度來實現采動破壞性影響范圍的逐步擴大，從而利用放頂煤工作面的自然涌水，實現對于煤層頂板位于導水裂縫帶范圍內各含水層由下到上的逐層疏干或疏降。從開切眼起，將工作面分成數個塊段，分塊段設計不同的開采厚度，分塊段逐步增大開采厚度，逐步、逐段、逐次疏干或疏降不同含水層，直至達到按照設計最大開采厚度，實現安全高效回采目的，如圖9所示。

圖9 分段控制放頂煤開采厚度示意Fig.9 Schematic illustration of the mining thickness of controlled caving coal

(1)只采不放階段。在回采前必須確認采用鉆孔對1′含和1含已實施采前疏干和疏降，自工作面開切眼起推進至距開切眼50 m范圍內，只采不放;控制垮落帶最大高度小于頂煤厚度與開采煤層頂板隔水層的厚度之和，如式(1)所示。具備既可以推進又不出現潰沙的基本條件，同時利用回采時形成的導水裂縫帶對1′含和1含予以進一步疏干(圖10)。

圖10 只采不放階段采動影響Fig.10 Effect of mining movement in straight mining stage

Hk

(2)

式中，Hk為垮落帶高度，m;Md為頂煤厚度;hg為隔水層厚度。

(2)逐步放煤階段(1′含和1含已疏干)。在回采前必須確認采用鉆孔和回采已對1′含和1含全部疏干。距開切眼50～150 m內，采3 m放2 m，累計采厚不超過5 m;距開切眼150～300 m內，采3 m放4 m，累計采厚不超過7 m;控制回采厚度增大后的垮落帶最大高度小于頂煤厚度與開采煤層頂板隔水層厚度及被疏干含水層的厚度總和，如式(2)所示。利用回采時形成的導水裂縫帶進一步對垮落帶以上的含水層予以疏干，工作面推進距離及推進速度則需要與含水層的疏干狀態相協調(圖11)。

Hk

(3)

式中，hg1,hg2為隔水層厚度;h1h為含水層厚度。

(3)達到最終設計采放厚度階段。距開切眼300 m至終采線范圍內，實現采3 m放5 m，累計采厚不超過最大經濟可采厚度8 m。控制達到最終設計采放厚度后垮落帶高度不波及2含，利用回采時形成的導水裂縫帶進一步對垮落帶以上的2,3，4,5含水層予以疏干，實現邊疏邊采與部分頂水開采相結合，實現6含全部頂水開采(圖12)。

圖12 最終設計采放厚度階段采動影響Fig.12 Effect of mining movement in the mining stage of final design

3.3 綜放控水開采效果分析

鐵北煤礦從2003年12月至2013年12月實現鐵北礦右部7個工作面，采放厚度3.0～11.9 m的安全開采，圖13為工作面推進距離、采厚、鉆孔涌水量與工作面涌水量關系曲線圖。回采初期，在新一采區7個綜放工作面的疏水巷道內共施工了138個仰上探放水鉆孔，總進尺約為5 053.83 m，基本上實現了對1′含及1含的采前預先疏干。在含水層疏降至安全水位后，各工作面回采期間，嚴格按照分塊段設計不同的開采厚度，分塊段逐步增大開采厚度，逐步、逐段、逐次疏干或疏降不同含水層，最終達到按照設計最大開采厚度。工作面涌水為25～100 m3/h，平均為64 m3/h，疏水鉆孔涌水量為525～795 m3/h，工作面開采期間未出現任何涌水量增大和潰沙等異常情況，實現了工作面安全回采。在回采過程中通過地面水文自動監測系統對2含、3含、5含的水位動態進行了監測，圖14為含水層水位變化及含水層埋深關系圖。由圖14可知，距離開采煤層頂板越近，含水層水位下降越明顯，下降幅度越大;距離采煤工作面回采區域越近，水位下降幅度越大，隨著采煤工作面回采區域逐漸遠離，水位還會逐步有所回升。采煤疏降所形成的疏降漏斗緊隨采煤工作面回采區域，由此說明回采疏水是形成Ⅱ2a煤層頂板砂巖含水層疏降漏斗的主要原因。

圖13 綜放工作面推進距離、采厚、鉆孔涌水量與工作面涌水量關系Fig.13 Relationship between advance distance,mining thickness,borehole water amount and of working face amount

圖14 含水層水位變化及含水層埋深關系Fig.14 Variation of aquifer water level and aquifer depth

4 結 論

(1)針對當前近水體采煤技術的現狀和工程實踐，詳細闡述了控水采煤的思路、技術原理和技術原則。解決了傳統的水體下留設不同類型防水煤巖柱技術而造成煤炭資源的大量損失，或者單一采用含水層疏降技術不僅容易形成人為導水通道，而且過量的鉆孔對含水層的疏放增加礦井涌水量及排水費用，同時導致地下水位大幅度下降，使礦區生態環境遭到嚴重破壞等問題。

(2)提出覆巖破壞和涌水量預測技術、覆巖破壞實測和地下水動態監測技術、覆巖破壞和涌水形式、水量控制技術是控水采煤的關鍵技術。

(3)將控水采煤技術與綜放開采工藝特點相結合，應用到半固結砂巖含水層下綜放控水開采實踐中，提出“頂水開采與疏干或疏降開采相結合、先疏后采與邊采邊疏相結合、鉆孔疏干或疏降與回采疏干或疏降相結合、分段控制放頂煤開采厚度與含水層疏降程度相結合”控水采煤總體方案，實現了3～8 m階梯型采厚安全開采，既控制了工作面的涌水量、改善了工作面作業環境又有效防止了突水潰沙災害的發生，取得了綜放控水安全開采的成功。