我國煤礦離層涌突水致災機理及其防控關鍵技術研究進展*

張培森 朱慧聰 吳玉華 段中穩 牛 輝 李復興

(①山東科技大學， 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地， 青島 266590， 中國) (②山東科技大學， 礦業工程國家級實驗教學示范中心， 青島 266590， 中國) (③安徽省皖北煤電集團有限責任公司， 宿州 234000， 中國)

0 引 言

高效穩定的能源供應體系是實現高速度和高質量兼并發展的重要保障。我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，最高年產在2014年達到峰值38.7×108t(孫超等， 2021)，原煤年消耗量在一次能源消費結構中的占比常年穩定在55%以上(程磊等， 2016)。預計到2030年左右，煤炭在能源消費結構中所占據的比重仍能達到50%(錢鳴高等， 2018)。由此可見，未來很長一段時期內，煤炭在我國能源領域的主體地位不會動搖，仍然是推動經濟發展的中堅能源。當前，隨著新能源(如太陽能、風能、核能、地熱能、波浪能等)產業的迅速崛起，煤炭在能源消費結構中的占比會有所下降，但當前經濟社會的發展對能源的需求總體上仍然呈現上升的趨勢，煤炭行業也將伴隨經濟新常態局面的形成而迎來新的發展契機，同時也要面對新的挑戰，煤礦安全建設即為面臨的挑戰之一。

圖 1 離層動態發育時空分布規律Fig. 1 Temporal and spatial distribution of dynamic development of bed separation

礦井突水事故是采礦工程的伴生災害，嚴重影響煤礦安全生產建設的進程。據不完全統計(孫文潔等， 2017； 苗耀武等， 2021)， 2000～2020年間我國共發生煤礦水害事故1193起，導致4745人死亡，其中較大事故和重大事故導致的死亡人數分別占統計年份區間內死亡總人數的53%和38%。由此可見，煤礦突水事故的發生會嚴重威脅井下工作人員的生命安全，嚴重制約礦井的發展。近年來，隨著煤炭開采深度和開采強度的加大，煤層賦存水文地質環境相對更加復雜，礦山壓力顯現增強，覆巖運動更為顯著。在此地質背景下，頂板離層突水(武強等， 2013； 隋旺華等， 2019)漸呈多發態勢，引起了越來越多專家學者的重視，開展了相關研究。孫學陽等(2016)基于組合梁理論開展了離層動態發育特征的相似材料模擬試驗研究，分析了離層的動態突水過程； 錢鳴高等(1996)、許家林等(2004)認為在采場覆巖中，主關鍵層與亞關鍵層之間、亞關鍵層與亞關鍵層之間變形的不協調性是不同巖性巖層層間發育離層的主控因素，且受限于關鍵層巖體自身的高強度力學性質，離層層位的最大發育高度一般位于主關鍵層以下； 張培森等(2020a)通過數值模擬分析和相似材料模擬實驗開展了對特厚煤層開采過程中覆巖離層發育層位的判別以及豎向、橫向裂隙動態發育特征的研究，研究結果表明，豎向裂隙的發育主要分為線性增長和臺階式增長兩個階段，橫向裂隙的發育自下而上呈現交替發育與閉合的特征，且其發育高度與工作面推進距離呈正相關。朱衛兵等(2009)通過開展相似材料模擬實驗得出海孜煤礦巨厚火成巖下離層涌突水致災的發生機理：關鍵層控制覆巖運動時，亞關鍵層的撓曲小于主關鍵層，使巨厚火成巖將部分載荷經離層積水傳遞給下部巖體，增加了亞關鍵層所承擔的載荷，當亞關鍵層基巖厚度較薄時易發生復合破斷，從而引起基巖的整體破斷和砌體梁結構的失穩滑落，導致離層積水沿突水通道涌突至下部采場； 孟召平(1999)、王經明等(2010)、孫魁等(2018)認為離層上位巖層破斷產生的沖擊傾向性與其力學特性有關，沖擊勢能的形成是由于高強度的上位巖層在斷裂前后的能量積聚和快速釋放所致，是離層水體發生涌突的主控因素之一。謝憲德(1992， 1997)、李吳波等(2009)對南桐煤礦和打通一礦離層突水機理的研究成果進行分析后得出，在持續的采場擾動作用下，導水裂隙帶高度不斷發育，帶內的裂隙不斷延伸拓展，當導水裂隙帶中的縱向裂隙延伸至隔水層后，會將隔水層切穿，使其有效隔水性能喪失，離層空間內的積水沿切穿裂隙涌入下部采場產生突水災害； 趙德深等(2002)、李小琴(2011)、曹丁濤(2013)通過引入底板突水危險性評價中的經驗突水系數法確定了離層在積水靜水壓力作用下能破壞其下位完整巖層的極限厚度，得出離層空間內積水的靜水壓力是離層發生涌突水的主要誘導因素之一。

表 1 煤礦典型離層水突水事故概況統計Table 1 Statistics of typical water inrush accidents from bed separation in coal mines

諸多專家學者已對離層水害的防治技術開展了研究，并結合工程實踐，檢驗了相關防治技術的科學價值，形成了離層水害的防治技術體系。周玉華(2017)建立了離層水害隱患判別的“三步走”體系，提出了“邊探邊掘，物探先行，鉆探跟進，高位探放水”的離層水害防治原則，并在現場檢驗了其科學性和合理性； 李鳳榮等(2009)在淮北某煤礦運用鉆孔注水井中測流、長歷時井下鉆孔放水實驗以及鉆孔電視成像等探測技術，獲取了該礦工作面覆巖中“積水離層帶”、“真空離層帶”的分布層位，同時創新了探放水鉆孔的布設方法，提高了鉆孔探放水預控離層水害的效果； 曹海東(2017)結合關鍵層理論提出了判別離層發育層位的計算公式，并通過數值模擬分析驗證了該公式在離層水害預測方面的適用性； 喬偉等(2011a，2011b)提出當采場傾斜方向寬度較窄時，采場覆巖內部的破壞達不到充分采動情況下的極限破壞程度，巖層運移速度和變形量均存在局限性，致使導水裂隙帶高度得不到充分的發展，離層的發育程度達不到極限狀態而始終處于平緩發展階段，能夠長期穩定存在，并產生突水風險，不利于離層水害防治； 李宏杰等(2014)提出了頂板離層水害的全方位綜合防治技術，基于傳統打鉆開展超前疏放水的防治技術，在鉆孔內下入透水套管，降低開采過程中因超前破壞而發生堵孔的概率，提高了鉆孔的疏放水持續時間和疏放水效果。

筆者從具有突水威脅性的離層水體的形成機制、離層涌突水致災機理和離層水害預防預控技術3個方面對煤礦離層水害的研究進展進行總結概述和分析，指出了當前離層水害防治領域亟待解決的難題，對離層水害預測預控技術進行了展望，以便于相關專家學者對礦井離層水害的研究現況和前沿理論的發展有一個更加直觀系統的認識。

1 具備突水危險性的離層發育機制

隨工作面的推進，當切眼一側煤(巖)壁至放頂線的距離達到直接頂初次垮落步距后，頂板來壓，直接頂垮落，基本頂開始出現裂隙，但此時基本頂(含)之上的巖體結構內裂隙發育程度較低，巖層間沒有產生顯著的分離； 工作面繼續推進，基本頂巖梁懸露面積和懸露跨度進一步增大，當巖梁懸露跨度達到極限斷裂步距后，基本頂巖梁斷裂，其上覆巖體結構中的裂隙進一步延伸拓展，開度增大，同時次生裂隙發育，導水裂隙帶初步形成； 在工作面推進過程中的高強度連續擾動影響下，導水裂隙帶高度沿垂向進一步發育。當導水裂隙帶上部和彎曲沉降帶下部一定范圍內的相鄰巖層巖性為軟硬互層、層面為滑動接觸時(景繼東等， 2006)，層間黏聚力會使下位巖層在自重作用下對上位巖層產生拉力，當該拉力達到層間極限抗拉強度時，上下位巖層分離，發生不同程度的沉降，各自獨立彎曲變形(下位巖層撓度大于上位巖層)，該相鄰巖層交界面處形成一個密閉的負壓空間。隨上下位巖層層間法向位移差的不斷增大，交界面處的分離程度進一步增大，離層空間逐步成型。在離層空間周圍補給水源水頭壓力和離層空間負壓的雙重作用下，補給水源通過劣化構造(斷層、裂隙、裂隙網絡等)對離層空間進行補水，具備突水危險性的離層水體逐漸形成。

工作面推進過程中，覆巖始終處于運動狀態，導致垮落帶和導水裂隙帶逐漸向上發育，故而離層亦隨工作面的推進呈現動態發育的特征，縱向上由低層位向高層位發展，橫向上向工作面推進的方向發展，整體發育跡線呈“梯形”狀(趙德深等， 1997； 吳侃等， 2000； 蔣金泉等， 2015)，如圖 1所示。

2 離層涌突水致災機理

2.1 離層突水致災條件

孕育離層水害的條件主要包括4個方面(黎靈等， 2018； 舒宗運等， 2020； 吳祿源， 2020； 張培森等， 2020a； 張文泉等， 2021)：

(1)存在相對穩定可持續的密閉空間，周圍補給水源對其進行足量的補水，形成具有突水危險性的離層水體。

(2)離層賦存環境周圍存在補水通道，可聯通補給水源和離層空間。

(3)離層賦存環境周圍存在補給水源，通過補水通道與離層空間產生水力聯系，對離層空間進行補水。

(4)離層賦存環境中發育有突水通道，將離層水體與導水裂隙帶導通，使離層積水通過突水通道下泄至采場。

當且僅當此4個條件同時成立，離層才存在發生涌突水致災的可能。

2.2 離層涌突水致災機理概述

對比較典型的煤礦離層水害事故發生概況進行統計分析，如表 1所示，根據動力來源將導致離層水體失穩突水的直接誘因分為上位巖層破斷產生的強沖擊、離層積水的靜水壓力、采場回采活動的強擾動3個方面，其中離層積水的靜水壓力致突屬于靜水壓突水(喬偉等， 2011b)，上位巖層破斷產生的強沖擊和采場回采活動的強擾動致突屬于動水壓突水(謝憲德， 1992)。

根據突水動力源可將突水模式分為動突水、靜突水和動+靜突水3類(閆奮前， 2020)。其中：單一的動突水指離層空間內的積水產生的靜水壓力對隔水帶連續性和完整性的影響較小，而隨工作面的推進，離層空間逐漸擴大，上位巖層達到極限破斷距后發生瞬時破斷，對離層積水產生巨大的沖擊作用，該沖擊通過積水向下傳遞并作用于隔水帶使其發生斷裂或破斷，進而發生突水災害； 單一的靜突水是指在工作面推進過程中，含水層水不斷對離層空間進行補水，隔水帶所承受的積水靜水壓持續增大，在上位巖層未達到極限破斷距發生破斷之前，積水靜水壓對隔水帶中的微裂隙產生擴張作用，使之與導水裂隙帶中的裂隙貫通，從而離層積水下泄發生突水； 所述的動+靜突水是指離層空間內存在一定量的積水，產生的靜水壓力不足以使隔水帶發生破裂，但已使隔水帶巖體接近強度極限，處于一個微弱的平衡，此時，當離層上位巖體巖性較差(厚度和硬度較小)且達到極限破斷距發生斷裂時，產生的沖擊作用將積水和隔水帶的弱平衡打破，沖擊作用和靜水壓力的耦合使隔水帶發生破斷，離層積水下泄產生突水災害，突水示意圖如圖 2所示。

圖 2 動+靜突水示意圖Fig. 2 Schematic diagram of dynamic and static water inrush

2.2.1 上位巖層破斷產生的強沖擊

充水離層的上位巖層一般為強度較高的堅硬巖體，可以有效承載其上覆巖體的自重，且在覆巖運動過程中產生的撓曲較小，故該層位巖層上部巖體內無明顯缺陷結構(離層、裂隙、裂隙網絡、破碎帶等)，連續性較好，因此從傳遞巖梁理論(宋振騏， 1979)的角度可將離層上位巖層及其上覆巖體視為一個協同運動的整體。隨上下位巖層層間法向位移差的不斷增大，上位巖層的懸露跨度亦隨之增大，同時在采場重復擾動、地質構造運動、巖層原位應力以及巖層自重等的耦合作用下，上位巖層持續蓄積能量，當蓄積的彈性勢能達到峰值時會在巖體內瞬時釋放，產生強烈的沖擊傾向性，對上位巖層造成破壞，使其發生斷裂垮落。

上位巖層破斷后產生的破碎巖體對離層空間內的積水產生沖擊作用形成沖擊波，該沖擊波在離層積水中向下傳遞，直至到達下位巖層中，沖擊波轉化為具有一定穿透性的透射波(喬偉等， 2011b)，對下位巖層產生沖擊壓縮作用，使之聚集彈性勢能。當彈性勢能達到巖體可承受的能量峰值后在巖體中瞬時釋放，產生強烈的破壞作用，使隔水帶連續性遭到破壞。而后，離層積水在水頭壓力和上位巖層破斷產生的沖擊作用下涌入隔水帶的裂隙中，水流和水壓對裂隙產生二次沖刷、擴張作用，進一步破壞了隔水帶的連續性，使其有效隔水厚度減小，直至隔水帶全厚度破斷，隔水帶內發育的裂隙與導水裂隙帶中的裂隙網絡貫通形成突水通道，離層空間內的積水經此涌突至下部采場造成突水災害。

2.2.2 離層積水的靜水壓力

離層空間和補水通道形成后，賦存于離層周圍的水源(砂巖含水層水、地表水、斷層水、巖溶水、孔隙水等(凌志強， 2014))在其自身水頭壓力和離層空間負壓的雙重作用下會通過補水通道對離層空間進行補水。離層接受補水的過程中，積水量持續增加，水頭升高，水頭壓力隨之增大。當含水層總儲水量小于離層空間總容積時，離層水體處于不飽和積水的狀態； 當含水層總儲水量大于離層空間總容積時，在離層空間骨架整體強度足以承受滿載積水時所產生的靜水壓力的前提下，離層空間最終會充滿水，積水量保持動態平衡，真空負壓消失，此時，含水層水體、導水通道內的水體與離層水體三者貫通，補水水源通過導水通道內的水體與離層積水產生水力聯系，所共同形成的靜水壓作用于隔水層上，靜水壓作用前后離層空間的狀態如圖 3～圖4所示。在此情況下，隔水層同時受離層積水、導水通道內的水體、含水層水體共同產生的水壓及巖體自重的耦合作用，同時，離層積水滲入隔水層內的微裂隙中，水流和水壓力對裂隙進行二次沖刷、擴張作用，使隔水層連續性降低，有效隔水厚度減小，直至其有效隔水作用完全喪失時，離層水沿突水通道涌突至下部采場。

圖 3 離層空間接受補水前的狀態Fig. 3 State of the bed separation space before receiving water recharge

圖 4 離層空間開始接受補水后的狀態Fig. 4 State of the bed separation after receiving water recharge

2.2.3 采場持續性回采活動產生的強擾動

隨工作面的推進，覆巖懸露跨度逐漸增加，懸露部分的自重作用越趨顯著。此時覆巖仍處于假塑性狀態，且在工作面推進方向上保持傳遞力的聯系，而后在采場擾動的影響下發生運移和沉降。將采場上覆巖層簡化為兩端固支的巖梁，則巖梁受力狀態為頂界面受壓底界面受拉，當某一層位及其下附巖層的有效累積層重達到該層位巖層與相鄰上覆巖層層間的極限抗拉強度時，層間開始出現微小分離面，相鄰上覆巖層底界面在張拉應力的作用下開始發育縱向裂隙。隨采場擾動的繼續，裂隙不斷延伸、拓寬，順垂向巖層逐層遞進發育(王強等， 2001)。當裂隙發育高度波及至隔水帶時，縱向裂隙對隔水帶進行穿刺，使隔水帶具有有效隔水性能的厚度減小； 直至裂隙將隔水帶完全切穿，隔水性能完全喪失，離層積水沿縱向裂隙和下部導水裂隙帶內的裂隙網絡涌突至采場。

輔助回采工作開展的采場活動如采空區疏放水等也會影響離層的發育。胡東祥(2010)通過開展相似材料模擬實驗得出，對于采空區存在積水的采場，積水和垮落巖塊形成的堆積體對采場覆巖存在支撐作用，可減緩覆巖的運移和沉降，對離層的發育有抑制作用。而對采空區積水的疏排工作使原有的堆積體對上覆巖層的支撐平衡被打破，上覆巖層沉降產生的撓曲有所增加，促進了離層的發育，導水裂隙帶高度的發育亦在一定程度上加快，會降低隔水層的阻隔水能力，加大離層發生涌突水的風險。

3 離層水害預防預控關鍵技術

3.1 離層水害預防技術

對離層水害預防措施的制定，應在工作面推進前對煤層賦存的水文地質條件進行具體分析，在充分考慮保證工作面正常安全循環作業的前提下制定預防技術方案，目前可從理論預判和工程技術措施的調整兩個方面開展離層水害預防工作。

3.1.1 理論預判

離層賦存于采場覆巖中，且其骨架也主要由巖體構成，故對離層發育層位預判理論的提出應從采場覆巖物理力學性質(如層厚、密度、碎脹性、抗拉強度、抗壓強度等)的角度進行研究。

3.1.1.1 實用礦山壓力理論

由實用礦山壓力理論(宋振騏， 1979；宋振騏等，2017，2019)可知，工作面采動過后，當切眼至放頂線的距離達到頂板初次垮落步距時，頂板在來壓作用下發生破斷、垮落，垮落后的巖層呈現大小不一的碎塊狀，對采空區進行充填。采場覆巖中能夠發育離層的基本條件之一即為采空區中垮落帶破碎巖體堆積高度的頂端至導水裂隙帶底界面之間存在足夠的空間可使覆巖發生運移，進而存在發育離層的可能。若在離層發育前采空區中堆積的垮落帶破碎巖體已對覆巖運移產生約束作用，則覆巖中幾無發育離層特別是具有突水危險性的離層的可能。據此可得判別式(楊慶等， 2014)：

M-∑(Ki-1)hi>0

(1)

式中：M為所采煤層的厚度(m)；Ki為煤層采出后垮落帶范圍內第i層巖層的碎脹系數；hi為煤層采出后垮落帶范圍內第i層巖層的原始厚度(m)。

3.1.1.2 關鍵層理論

由關鍵層理論(錢鳴高等， 1996； 許家林等， 2004)“采場覆巖中存在控制覆巖整體運動的一組或幾組巖層即關鍵層，離層最大發育高度止于關鍵層”可知，在確定覆巖關鍵層(包括主關鍵層和亞關鍵層)層位的前提下，對關鍵層所處層位及其下附巖層進行力學特性分析可以得出離層發育層位的預判公式：

(2)

式中：Ei為第i層巖層的彈性模量；hi為第i層巖層的厚度(m)；ρi為第i層巖層的密度(kg·m-3)。

3.1.2 工程技術措施的調整3.1.2.1 調整工作面推進速度

回采工作面的推進速度會直接影響到覆巖運移和沉降情況(樊銀輝， 2017)，而覆巖的運移和沉降又是導致層間發育離層的關鍵影響因素。故可通過調整工作面的推進速度來降低覆巖離層發育的概率。

(1)加快工作面推進速度。隨工作面推進速度的提升，懸露頂板跨度迅速增大，覆巖自重所產生的載荷使懸露部分的巖層變形加快，并由下至上逐層遞進沉降，垮落帶和導水裂隙帶高度的發育也更加迅速，可使覆巖更接近充分采動的狀態，故而覆巖中發育離層的概率可大幅降低。

(2)保持工作面勻速推進。非充分采動情況下，地表下沉量達不到該礦所處水文地質條件下的最大值，使得煤層開采厚度不能完全以下沉值的形式傳遞至地表，而是大量存在于覆巖中。避免工作面頻繁停采，可使覆巖盡可能達到充分采動的狀態，減少離層發育的空間。

3.1.2.2 調整采高

(1)加大采高。采出后的縱向空間增大，相同推進速度下，大采高工作面覆巖中的垮落帶和導水裂隙帶高度發育更快，覆巖能夠更加接近充分采動的狀態，從而使可發育離層的空間最小化，破壞離層發育的基本條件，達到預防離層發育的目的。

(2)減小采高。采出后的縱向空間減小，覆巖中可發育離層的空間隨之減小，同時采出空間縱向上的減小可使頂板破碎巖塊更快地對采空區進行飽和程度更高的充填，進一步減緩垮落帶以上巖層的運移速率和沉降幅度，從而可以加大離層有效隔水層的厚度，對離層積水起到更為有效的阻隔作用。

3.1.2.3 應用綠色開采技術

考慮采用充填開采、房柱式開采、條帶開采等綠色開采技術，減小覆巖中離層的發育空間。當前，充填開采、房柱式開采、條帶開采等技術已有較為成熟的理論體系和工程應用實踐經驗(孟達等， 2007； 解興智， 2012； 余偉健等， 2012； 謝生榮等， 2018； 何寧， 2020； 劉建功等， 2020)，故可直接在充分分析煤層賦存條件及綠色開采技術適用性的前提下，選擇一種最優技術作為離層水害預防工作方案中的一個環節，直接應用于防治水工程中。

3.2 離層水害預控技術

針對離層水害預控技術的探討研究，可以對離層水害孕育條件進行反演推理。離層水害孕育條件包括密閉可持續的離層空間、發育有補水通道、存在穩定的補給水源、發育有突水通道4個方面，只要破壞其中一個以上(含一個)的條件，則發生離層涌突水事故的概率就會大幅降低。

3.2.1 超前疏放水

超前疏放水技術是先通過井下瞬變電磁法(林青等， 2016； 王冠等， 2018)、三維高密度電法(畢鵬程等， 2021)等探測技術對覆巖中的積水(包括離層補給水源和離層積水)層位等進行探測，而后通過布設地質鉆孔對積水進行疏放。鉆孔布設方法可分為地面(直通式)鉆孔和井下鉆孔，兩種布設方式的主要不同之處在于終孔位置以及鉆孔的鉆進深度不同，在離層水害防治工作實施時，綜合考慮目標疏放水體賦存地質條件的復雜程度，鉆孔要求長度等因素，來選擇鉆孔布設位置(地下或井下)。對井下鉆孔而言，根據單一煤層開采或多煤層開采工藝的不同，疏放水導流孔的開孔位置又可分為指向采空區側和指向工作面側兩類(喬偉等， 2021)，鉆孔布置方式如圖 5～圖6所示。

圖 5 導流孔指向采空區側分布Fig. 5 Distribution of diversion holes pointing to goaf side

圖 6 導流孔指向工作面側分布Fig. 6 Distribution of diversion holes pointing to working face side

對于超前疏放離層補給水源，完成疏放水工作后，沒有穩定的補給水源可以對離層進行足量的補水，致使離層始終處于真空負壓的“空腔體(雷利劍等， 2018)”狀態，不存在突水危險性。對于超前疏放離層積水，完成疏放水工作后，具有突水危險性的離層積水不復存在，極大程度上降低了發生涌突水的可能，且超前地質鉆孔破壞了離層空間的封閉負壓狀態，使其不再具備積存大體量水體的能力，不能再發育具有突水危險性的離層水體，同時也可以利用疏放水鉆孔查找補水通道、導水通道等劣化構造(李沖等， 2018)，破壞其水循環。為保證疏放水工作的有效性，打鉆后的疏放水過程要持續一定的時間，一般情況下持續兩個月以上為宜(褚彥德， 2017)。導流孔布設圖如圖 7所示。

圖 7 導流孔布設剖面圖Fig. 7 Cross section of diversion hole layout

3.2.2 鉆孔截流

鉆孔截流是首先超前對連通離層空間和補給水源的補水通道位置進行探測，而后在補給水源對離層進行補水的過程中，布設地質鉆孔穿過補水通道，對補水通道中的補給水流進行分流，以減少離層空間所獲得的補水量，降低可積水離層發育的概率。鉆孔截流從其布設方法的角度也可分為地面鉆孔和井下鉆孔兩類，其終孔位于離層發育區外，井下鉆孔的開孔可分為指向工作面側或采空區側(圖 5～圖6)。截流孔布設剖面圖如圖 8所示。

圖 8 截流孔布設剖面圖Fig. 8 Cross section of intercepting hole layout

3.2.3 地面抽排水

對離層積水的疏放、截流作業均為依靠水體自重作用通過施工的鉆孔將水體排出，存在其自身的技術局限性，具體表現為：

(1)鉆孔使用壽命受地質環境影響程度大。用于疏放、截流的地面或井下鉆孔均易受地質環境的影響，如離層積水中夾雜的泥沙石塊、鉆孔泥巖段受沖刷破碎的泥巖等隨積水下泄過程中在鉆孔中淤積，會對鉆孔造成阻塞，降低鉆孔疏放、截流的工作效率甚至直接將鉆孔淤塞住使鉆孔報廢。

(2)導流孔、截流孔的施工受采空區覆巖巖性的限制。施工地質鉆孔對于施工區域的地質條件有著具體的要求。當離層發育層位較高、離層隔水帶厚度較大且巖性以黏土巖為主時，無論是地面疏放水鉆孔還是井下導流孔、截流孔，其施工難度均較大。

針對所述問題，可考慮在地面施工鉆孔(終孔位于離層空間)(張培森等， 2019b，2020b，2020c)，包括一級鉆孔和二級鉆孔，一級鉆孔直徑大于二級鉆孔，一級鉆孔內嵌厚壁套管，為防止松散層段對厚壁套管的影響，在厚壁套管外采用水泥漿全套管進行隔離封閉； 二級鉆孔擴至可能發育離層的地層底部，并下入厚壁花管，防止地層中泥巖層遇水軟化崩解，使鉆孔穿越泥巖段時孔身結構受到破壞，通過厚壁花管吸收含水層及離層空間中的水，設置礦用深井潛水泵對其進行抽排。地面鉆孔結構示意圖及其布設剖面圖如圖 9和圖 10所示。

圖 9 地面鉆孔結構示意圖Fig. 9 Structure diagram of surface variable diameter drilling

圖 10 地面鉆孔布設剖面圖Fig. 10 Layout profile of surface variable diameter boreholes

4 展 望

針對當前在離層水害預測預控治理理論和技術層面的不足之處，結合當下離層水害防治工作的實際，有針對性地從預防和預控兩個角度提出了若干構想和理論研究方法：從預防的角度提出將光纖探測技術應用于煤礦防治水領域的構想，從預控的角度提出“地面+井下”抽疏(截)聯動預控方法和一種無損采礦方法。

4.1 光纖探測技術

當前，對煤礦水害的探查方法均基于傳統的物理探測技術(如高密度直流電法、瞬變電磁法、地震槽波等)和鉆探技術，均存在探測精準率不高、探測布置施工工程量大、可探測范圍有限等技術局限性，不利于對離層水害開展精準防控。現今光纖傳感技術和光纖探測技術發展迅速，其在信息傳輸速度、傳輸量、傳輸精準度等方面具有顯著的優勢，已廣泛應用于諸多行業。王正帥等(2017)、柴敬等(2018)、雷武林等(2019)已將光纖技術應用于煤礦開采過程中的監測工作，并取得了較為理想的探測效果，基于此，未來可以考慮開展光纖探測技術在煤礦水害防治方面的應用，特別是用于探測離層發育層位、離層積水量、煤層覆巖運移變化規律及其應力分布狀態等，實現對離層水害的精準識別防控。

4.2 “地面+井下”抽疏(截)聯動預控方法

當前，對離層積水的疏放、截流等僅限于采用在井下或地面施工鉆孔的單一抽疏(截)方式，對不同情況(離層發育層位、離層賦存環境、離層隔水層巖性等)下離層積水的預處理措施存在局限性：單一的鉆孔布置方式難以實現對離層積水的充分抽疏(截)，不能保證抽疏(截)過后離層積水水位在安全范圍內； 地面鉆孔和井下鉆孔均存在被地層中遇水軟化崩解的泥巖堵塞、使鉆孔穿越泥巖段時孔身結構受到破壞的可能，會大幅降低鉆孔抽疏(截)水的效率，減少鉆孔的使用年限。

基于單一鉆孔布設方法在疏放、截流離層水技術方面的不足之處，提出了一種“地面+井下”抽疏(截)聯動預控方法，具體描述為：同時在地面和井下施工鉆孔，井下鉆孔進行疏、截作業，地面鉆孔進行抽排水作業，地面鉆孔和井下鉆孔之間可實現對水體的互補性抽疏(截)作業。采用所提“地面+井下”抽疏(截)聯動預控方法對離層積水進行預處理，可有效提高鉆孔疏排水效率、鉆孔利用率和使用壽命，能對離層積水進行相對更加充分的抽疏(截)作業，盡可能使最終的積水水位位于安全范圍內。“地面+井下”抽疏(截)聯動預控方法鉆孔布設剖面圖如圖 11所示。

圖 11 “地面+井下”抽排(截)聯動預控方法布置示意圖Fig. 11 Layout diagram of “surface+underground” pumping (plugging) linkage pre-control method

4.3 一種無損采礦方法

由式(1)可知，煤層上覆巖層發育離層的條件之一即為具有足夠的采出空間。由此可以考慮使用充填開采技術對離層水害進行預控。雖然當前充填開采技術發展成效顯著、應用效果較好，但是，其仍存在諸多技術方面的不足，如采充并行作業困難、所用充填材料充填率低、充填成本高等。基于此，提出了一種采充獨立復合型液壓支架(張培森等， 2017)和一種無損采礦方法及其快速充填方法(張培森等， 2017，2019a)。采充獨立復合型液壓支架可同時掩護支撐覆巖形成兩個工作面，即采煤工作面和充填工作面，兩工作面一前一后，可實現隨采隨充，提高充填效率和充填效果，從根本上解決采充之間的作業矛盾，液壓支架結構如圖 12～圖13所示。所述的無損采礦方法選用與煤體強度相當的物料作為充填材料，同時為方便運輸、提高充填效率和充填效果，可將充填物料制作成規則塊體。改進巷道布置方式(圖 14)，從而在提高采空區充填率的同時也可進一步降低巷道開掘成本和運輸成本，提高煤礦的綜合效益。作為煤礦綠色開采技術領域的前沿課題，采充獨立復合型液壓支架和無損采礦法當前尚處于理論研究階段，仍需開展進一步的深入研究，完善相關理論體系、建立工程應用預案，為實際應用的開展奠定基礎。

圖 12 采充獨立復合液壓支架正視圖(最大控頂距時)Fig. 12 Front view of mining and filling independent composite hydraulic support(maximum control distance)

圖 13 采充獨立復合液壓支架側視圖(最小控頂距時)Fig. 13 Side view of mining and filling independent composite hydraulic support(minimum control distance)

圖 14 無損采礦法巷道布置圖Fig. 14 Roadway layout of non-destructive mining method

5 結 論

通過對離層水害研究現狀的總結概述，在離層發育機制、離層涌突水致災機理和離層水害的預防預控方面進行了分析，介紹了離層水害相關的一些前沿理論預判方法和工程預防預控技術，得出如下結論及研究前景展望：

(1)具備突水危險性的離層水體的形成機制：覆巖中軟硬互層的巖層間的極限抗拉強度小于下位巖層傳遞至上位巖層處的載荷作用，層間發生分離形成離層空間，經周圍補給水源的補水作用后形成離層水體。

(2)產生離層水害的4個基本條件：存在密閉可持續的離層空間；發育有補水通道；存在穩定的補給水源；發育有突水通道。離層涌突水致災的3個動力源：動水壓(上位高強度巖層破斷產生的強沖擊、采場持續性回采活動的強擾動)、靜水壓(離層積水的靜水壓力)； 突水模式包括動突水、靜突水和動+靜突水3類。

(3)從實用礦山壓力理論、關鍵層理論的角度構建離層發育層位預判模型，歸納總結出通過調整工作面的推進速度、調整采高等來控制離層的發育，或采用充填開采、房柱式開采等綠色開采技術實現對離層水害的綠色高效治理。

(4)結合地質勘探技術，運用超前疏放補水水源、超前疏放離層積水、鉆孔截流等工程技術方案實現破壞離層水體發育條件的目的。

(5)光纖傳感技術和光纖探測技術在信息傳輸速度、傳輸量、傳輸精準度等方面具有顯著的優勢，可以考慮展開光纖探測技術在煤礦防治水方面的應用，特別是用于探測離層發育層位、離層積水量等，實現對離層水害的精準識別防控。

(6)提出一種“地面+井下”抽疏(截)聯動預控方法，對離層積水進行地面和井下的抽疏(截)聯動作業，可有效提高防治水效果和作業效率。

(7)在理論上提出了一種采充獨立復合型液壓支架和一種無損采礦方法及其快速充填方法，可解決采充作業存在的矛盾，實現隨采隨充，大幅提高充填率，提高礦井的綜合效益，但無損采礦法目前僅處于理論研究的起步階段，下一步仍需開展更加深入的系統化研究。