蒙陕矿区深部侏罗纪煤田顶板水害防控技术现状与展望

洪益青，祁和刚，丁 湘，王 洋，许 霞

(1.中国中煤能源集团有限公司,北京 100120； 2.中煤能源研究院有限责任公司, 西安 710054；3.中煤地质工程总公司，北京 100040)

我国侏罗纪煤炭资源地质储量约占总量的60%，主要集中分布于西北地区，其中鄂尔多斯盆地煤炭资源探明储量居全国首位。我国规划的14个大型煤炭基地中有4个处于蒙、陕、甘、宁四省交界处。其中，处于蒙陕接壤区的陕北、神东两大基地是现阶段最具开发潜力的煤炭主产区，已经形成大规模开发格局。随着开采强度加大，尤其是开采水平的延伸，顶板水害问题日益突出，突水灾害时有发生，造成大量生命财产损失和负面社会影响，同时还严重制约着我国煤炭开发战略西移。蒙陕煤炭主产区深部顶板水害防控是亟待解决的重要科学技术难题。近10年来，围绕这一难题，蒙陕矿区开展了大量水文地质调查、水文地质勘探和防治水工程技术实践工作。与此同时，在防治水理论、顶板水害形成机理、水害精准防控技术研究等方面取得了重大进展[1-4]。本文旨在总结阶段性研究成果，展望下一步研究方向，梳理尚需解决的关键技术问题，以期为侏罗纪煤田顶板水害防控技术研究贡献力量。

1 研究进展和取得的成果

针对蒙陕矿区深部侏罗纪煤田面临的严峻水害形势和防治水瓶颈问题，基于深部矿井埋藏深、水压大、富水性强且不均一、含(隔)水层空间结构复杂等特殊的水文地质条件，近年来，通过艰苦卓绝的努力，对深部侏罗纪煤田水文地质条件的认识不断深入，逐步形成了适合本区的防治水技术体系。

1.1 沉积控水规律研究

近年来，针对蒙陕矿区深部侏罗系存在多相变、多旋回、渐进式的沉积模式，同时受到古地理环境变迁，使矿井主要充水含水层的富水性极不均一，平面上的富水条带和剖面上的富水砂岩透镜体并存等问题，通过与华北型石炭-二叠纪煤田构造控水理论的比较研究，丁湘等人[1]提出沉积相和岩相古地理演化是本区矿井水文地质条件和水害类型的客观主控原因，并以鄂尔多斯侏罗纪聚煤盆地沉积地层架构为基础，对位于煤田深部的呼吉尔特、纳林河、榆横等矿区典型矿井的侏罗系沉积相类型进行了详细划分，掌握其沉积相特征、含(隔)水层空间展布形态、富水规律和水化学特征，并分析含水层的沉积体系和岩相古地理演化历史对不同矿区典型水害类型的控制作用，掌握了深部侏罗纪煤田沉积控水规律，对顶板水害防治工作的展开起到理论指导作用。

1.2 水害预测预报

1.2.1 煤层顶板涌(突)水分区预测方法

在解决华北型隐伏煤田顶板水害的研究过程中，武强教授[5]早在2000年就提出了煤层顶板水害评价的“三图-双预测法”。该方法从充水水源、通道和强度三大关键技术难题出发，定量地圈定出水害防控的重点“靶区”，为矿井水害预测预报提供重要的理论指导。在此基础上，赵宝峰等人[6]根据我国深部侏罗纪煤田顶板含水层的沉积和构造特征，选取了含水层的断层分维值、褶皱分维值、粗砂岩厚度、砂岩厚度、砂岩层数和砂地比6个评价指标，采用灰色关联度法分析了各评价指标与富水性的相关性，并运用语气算子比较法和模糊综合评价法对含水层富水性进行了分区评价。邸春生等人[7]基于沉积地质条件，以井田为尺度开展了含、隔水层沉积体系的精细划分和富水性分区，并通过探查与生产实践检验了划分与分区方法的合理性，为井下探放水设计以及顶板水害防治提供了决策依据。

1.2.2 顶板涌水量动态预测

由于深部侏罗系煤田顶板含水层通常为中-粗砂岩或砂砾岩，含水层厚度较大，富水性较强，当工作面开采产生的导水裂缝带波及至含水层时，静储量的短时间释放，表现为瞬时水量较大，衰减速度较快，残余水量较小等特点。因此，刘洋等人[8-10]提出了动态补给量和静态储量叠加分析矿井涌水量的预测计算方法，通过参数优化与计算方法优化对采煤工作面涌水量进行了准确预测。矿井涌水量是一个随着矿井生产进度的进行而不断动态变化的量，预测矿井涌水量必须根据矿井的接续计划和各采掘活动点的出水量来预测，赵宝峰等人[11]提出的基于时空动态的矿井涌水量精细预测方法充分考虑到了不同区段内地层的富水性特征，利用这种方法预测的矿井涌水量更加符合实际情况。

1.3 充水规律与充水模式研究

鄂尔多斯深部侏罗纪煤田主要充水含水层为侏罗系上部以直罗组砂岩为主的孔隙-裂隙含水层，直罗组的沉积相、沉积环境演化、砂体空间展布等沉积地质条件是控制本区深部矿井水文地质条件的主要因素。杨建等人[12]研究顶板含水层的充水机理，分析其充水的一般规律，揭示了蒙陕矿区深部矿井工作面回采的充水规律，划分了顶板含水层的充水模式。在采取了可控预疏放措施后，工作面采后涌水主要以动态补给量为主，涌水过程一般呈现台阶式增长，实现了“消峰平谷”的防治水目标。通过沉积富水条带时，涌水量明显抬升，对矿井建设与生产期水害进行了准确预测预报。

1.4 顶板水害防控技术体系研究

丁湘等人[1]从井上下水文地质条件精细探查、顶板水害监测监控方法、顶板水可控疏放与疏放水工程布置等方面开展研究，形成了一整套深部侏罗系煤层开采水害防控的方法和技术体系。首先，根据蒙陕接壤区深埋煤层顶板水文地质特征，工作面疏放水目标，提出顶板水疏放的量化指标：①钻孔总水量、水压保持稳定，钻孔稳定水量总量与动态补给量相当，主要含水层疏降至不承压状态，变化幅度小于2%；②钻孔稳定总水量与本段动态涌水量相差<10%(72h)；③分段疏放水总量-(本段计算动态涌水量×疏放水时间)=本段静储量疏放量，静储量疏放量与计算静储量相差<10%。其次，研究制定了“综合勘探，精细探查；动态监测，预测预报；统筹兼顾，优化设计；可控疏放，消峰平谷”的水害防控技术路线。最终形成了一整套适合本区沉积地质条件的水害防控技术与方法体系，基本排除了水害隐患，实现了工作面采后涌水量的“消峰平谷”，保障了矿井安全建设与生产。

2 存在的主要问题与面临的挑战

虽然上述研究取得了一定成果，但是，随着研究工作的进一步深入和各个矿区水文地质条件的进一步揭露，新的问题不断涌现，对深部侏罗纪煤田顶板水害的防治工作提出了更高要求。

2.1 沉积控水规律有待进一步开展系统性和理论化研究

沉积环境控制砂体类型，是决定含(隔)水层孔隙度和渗透率的重要因素。在对沉积环境分析的过程中，对三维地震、电法勘探等资料的解释和利用程度不足，应对现有物探资料进行进一步梳理和精细解译，并进行沉积亚相和微相划分，为进一步准确定位含水层提供资料基础。岩相古地理、古地貌、古风化壳、不整合接触带及断裂构造等因素对含水层富水性的影响程度认识不足，应在沉积控水规律研究的基础之上，进行多因素回归分析，系统研究上述因素对矿井水文地质条件和充水规律的影响程度、尺度效应和耦合效应。基于沉积控水规律的含水层富水性分区是基于地下水赋存条件的静态评价，下一步应结合矿井充水机理和矿井涌水量进行矿井充水强度分区评价，将沉积控水和多因素耦合控水规律理论化，更好的为顶板水害预测预报提供理论指导。

2.2 采场涌水量大且煤水难以分流问题亟待解决

影响蒙陕矿区深部侏罗纪煤田生产的主要充水含水层为直罗组中、下部砂岩孔隙裂隙含水层。该含水层在区域上普遍分布，厚度大，富水性强，顶板探放水钻孔单孔涌水量达220m3/h，初始水压达6MPa。如呼吉尔特矿区门克庆矿井首采工作面回采条件下，矿井涌水量已达2 100m3/h，其中首采工作面总水量已达1 067m3/h(包含工作面水量170m3/h、采空区密闭墙水量897m3/h)。同时，由于煤层倾角较小，底板呈宽缓的波状起伏，且回采工作面推进长度大，易造成俯采段内大量采空水和顶板淋水涌入，使得采场煤水混杂、煤质变差，清淤、排水工作量大，恶化工作面作业环境的同时威胁设备安全与运输系统安全，严重制约了矿井的生产效率和经济效益，因此，迫切需要在矿井水区域治理、源头截流、采场煤水分离与清浊分流等方面寻求突破，以保障矿井的安全生产和顶板水害的有效治理。

2.3 缺乏对矿井涌水量全周期动态预测与静储量充水过程的认识

侏罗纪煤田矿井涌水量与矿井生产进度、含水层静储量的释放过程和动态补给过程密切相关。目前，导致涌水量预测结果不准确的主要原因是未充分考虑 “时间效应”和“空间效应”的共同影响，未考虑 “沉积控水”导致的顶板含水层空间极不均一性特征，未考虑含水层静储量、动态补给量在充水过程中的作用过程等。因此，矿井涌水量预测应将“时空分区”与“动静储量”相互叠加，在充分考虑含水层动、静储量的同时，并分时段、分区段精细预测矿井涌水量。根据矿井的建井和生产接续计划，选取若干时间关键点将预测期进行时间分区，分别预测各时间分区内井下不同位置的涌水量，其中在工作面回采阶段，通过水文地质参数和方法的比拟比选优化，通过已采段和已回采工作面得到未采段和准备工作面的涌水量数据。同时，应进一步开展数值模拟、实验室研究和现场大流量放水试验，在获取准确水文地质参数的同时，研究静储量与动态补给量的综合充水作用过程，尤其是静储量中弹性释水和重力释水的作用过程。

2.4 缺乏区域性防控与水害治理的工程实践

目前所采用的常规钻孔逐个工作面疏放水方式钻探工程量大，钻孔在隔水层中的无效进尺所占的比例高，且不利于集中排水，缺乏区域性防控与治理顶板水害的技术手段。若采用采区整体疏放水，即在地下水的补给方向，利用长距离定向追踪探放水工艺，采取“断源截流、集中疏排、分区治理”的技术思路，可达到区域防控的水害治理目的，大幅度减少工作面采后涌水量。同时，从矿井生产布局、探放水工程布置、采掘时空安排等多方面探索以采区为单位大范围治理顶板水害的方式和方法，形成适合本区的顶板水害区域治理模式。

2.5 缺乏覆岩破坏规律与充水强度的关联性研究

蒙陕矿区深部矿井埋藏深度在500～700m，煤层顶板为巨厚坚硬砂岩且不易自然垮落，抗压强度在20～40MPa，抗压强度是抗张强度的8～10倍，在这种特殊沉积地质条件下，缺乏对覆岩破坏发育规律的系统性认识以及与含水层充水强度的关联系研究。因此，采用井下测试、物探、钻探和放水试验等手段，综合探查顶板含水层空间富水规律和覆岩破坏规律，获取准确的水文地质参数，掌握覆岩破坏规律和充水强度的关联性。

3 发展趋势和研究展望

在水害治理理念上，蒙陕矿区水害防治做到由事故处置向超前治理、局部治理向区域治理、突水灾害预防向矿井水综合治理、单一水害防治向水害与强矿压复合灾害协同治理转变的防治水思路是今后发展的大趋势。

3.1 深入研究水害区域治理与立体防控技术

以“断源截流、集中疏排、分区治理、上下联动”的水害防治原则，从矿井采掘布局、探放水工程布置、采掘时空安排、上下煤层水害立体防治、采空区调蓄与煤水分离等多项技术手段出发，实施区域治理与立体防控的顶板水害防治技术，以降低水害防治的吨煤成本，改善井下作业环境，增加企业生产效益，保障矿井安全开采，主要发展方向可包括：

(1)基于沉积控水的区域截流水害防控技术研究。针对侏罗纪深部煤田顶板含水层平面上呈条带分布的特征，按照“断源截流、集中疏排、分区治理”的思路，提高疏放水效率，采用长距离定向追踪探放水技术和常规钻探疏放水技术相结合，协调相邻矿井防治水工程，优化探放水工程布局，从矿井采掘布局、探放水工程布置、采掘时空安排等多方面探索以采区为单位大范围治理顶板水害的方式和方法，形成适合本区域的顶板水害区域治理模式。

(2)上、下煤层联合开采与双重水害分时立体防治。针对蒙陕矿区深部矿井沉积地质条件，可实行上下煤层联合开采与双重水害分时立体防治技术研究，通过合理的采掘布局，利用下部煤层巷道对上部煤层顶板含水层进行水害治理，从而掩护上部煤层的掘进和回采，同时利用上部煤层的采空区形成疏水廊道截流从而减少下部煤层回采过程中的涌水量。可主要通过研究低位长、短钻联合泄水、生产布局与采掘接续的再调整以及排水系统优化等技术方法，平衡上、下煤层回采中涌水量的相互关系，以实现上、下煤层开采过程中的涌水量协同控制，动态调蓄。

(3)采场大流量落地水综合治理技术。工作面回采过程中总是伴随着煤泥水问题，可围绕三个方面进行研究：一是通过区域截留、顶板疏放、采空区后方泄水等手段减少工作面落地水的水量，研究制定煤泥水量减少方案；二是利用采空区调蓄和对煤泥水的沉淀、吸附作用，以采空区作为过滤、净化污水的载体，将井下排水直接注入采空区进行初级净化，然后再进行二次处理后供井下及地面生产使用，制定采空区调蓄与煤水分流方案，达到采场煤水分离的效果；三是通过优化矿井排水系统，实现清污分离，将未经生产污染的采空水、疏放水、探放水、顶板淋水收集后供井上下使用，实现矿井水的循环利用，提高排水效率，降低矿井排水设备维护和水处理成本，实现矿井水综合治理与矿井安全、高效、绿色开采的协调统一。

3.2 深入研究巨厚砂岩水害与矿压协同防治技术

针对水害与强矿压复合灾害问题，将定向顺层长钻孔、水力压裂技术应用到复杂沉积条件下巨厚层砂岩水害与矿压协同治理的研究当中，研究深部侏罗纪煤田顶板特殊的沉积环境，分析含水层的主控因素及含富水特性，研究巨厚砂岩的组合特征及力学性质。针对蒙陕矿区大采深、高矿压、强富水的特殊条件下提出利用长钻孔、高水压、强增透技术对巨厚砂岩进行疏水卸压和顶板弱化技术研究，同时开展巨厚砂岩关键层矿压显现规律及煤水共采技术研究，从而形成水害与矿压协同治理的关键技术体系。主要发展方向可包括：

(1)厚砂岩层下采煤矿压显现与充水规律研究。充分利用勘探及测试资料，认真分析煤层顶板覆岩的组合结构及岩石力学性质，开展关键层的富水性分区研究，掌握关键层的沉积相特征、厚度的空间展布及富水特征；开展覆岩破坏规律性及“三带”发育高度研究，结合矿井工作面回采过程中动态矿压监测数据、周期来压的步距和来压强度，综合分析矿压显现规律与顶板砂岩含水层的充水强度、沉积相特征及顶板岩石强度之间的控制性联系。

(2)定向长钻孔、高压增透、疏水卸压技术研究。针对蒙陕矿区煤层顶板含水层厚度大、矿压大、水压高、大导高、富水性极不均一等复杂水文地质条件以及工作面煤层顶板为厚层坚硬砂岩且不易自然垮落等特点，采用定向长钻孔技术，增加钻孔与岩层的接触面积，同时在长钻孔内利用本含水层水进行高压水压裂，在岩层内进行再造裂隙，从而增加砂岩体的联通性，使砂岩含水层水从弱径向流变为强径向流，扩大钻孔的疏放水半径，再利用短钻孔进行残余水疏放与验证，从而达到快速疏水降压的效果，减少工作面掘进及回采过程的涌水量。同时，利用高压水压裂技术可对强含水层及巨厚砂岩关键层进行重复压裂，在岩石中再造裂隙，达到弱化顶板厚层砂岩的目的，降低岩石的抗压与抗剪强度。

(3)上下联合、水压同治技术研究。针对蒙陕矿区深部矿井沉积地质条件，可实行“上层卸压、下层泄水”，实现水害与矿压协同治理的理念。利用下部煤层巷道对上部煤层顶板进行水害治理，从而掩护上部煤层的掘进和回采；利用上部煤层的采空区进行截流来保护下部煤层的掘进与回采；同时利用上部煤层回采对其上覆巨厚砂岩进行卸压，消除下部煤层回采的矿压动力显现威胁。通过时间和空间相互转换，确定合理的开拓布置与正确的开采方法，实现煤水同采、水害与强矿压灾害协同治理。

4 结语

现阶段取得的一系列研究成果对蒙陕矿区深部侏罗纪煤田防治水安全与矿井可持续发展做出了应有的贡献，也进一步凸显了矿井水文地质条件基础研究对煤矿安全生产的指导作用。目前，随着研究区矿井相继投产和开拓布局逐步形成，矿区水文地质条件进一步揭露，新的防治水问题不断涌现，对研究工作提出了更高要求。需要系统地梳理总结本区水文地质条件及防治水技术研究的得与失，提出新的研究方向，并通过学科交叉、理念创新、理论创新和技术创新，促进技术水平的进一步提高与升级换代，在为矿井防治水安全保驾护航的同时，着力在控水规律研究、顶板水害区域治理技术研究、矿井采掘布局和排水系统优化、矿井水处理与资源化循环利用、矿井无害化生产等方面集成创新，为将蒙陕矿区侏罗纪煤炭资源主产区建成安全高效、绿色和谐、生态友好的煤炭生产基地贡献力量。

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