华北型煤田奥灰水害防治技术综述

茹 婷

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054)

华北型煤田奥灰水害防治技术综述

茹 婷

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054)

文章归纳了华北型煤田奥灰水害主要特点，介绍了底板突水机理、水害探查技术、水害综合防治技术现状，最后提出了华北型煤田水害防治面临的挑战。

华北型煤田；奥灰水害；突水机理；探查技术；防治技术；挑战

华北型煤田西起贺兰山构造带、东至海岸线，南到秦岭构造带、北至阴山构造带，是我国重要的产煤基地[1]。因其分布广、煤层多、储量大、交通便利及紧邻经济发达的华东、华南地区，在我国能源工业中占有举足轻重的地位。但由于华北型煤田煤层底板保护层完整性较差，煤层下伏奥陶系灰岩(或寒武系)岩溶发育，岩溶水的动储量巨大，煤层在开采时，下伏高承压岩溶含水层中的水往往突破采煤工作面的底板，或通过断面、岩溶陷落柱等导水通道充入矿井，给煤炭安全生产带来了严重的威胁和危害。据统计，华北岩溶水水害事故占全国煤矿水害事故的55%[2]。目前，北方主要矿区受岩溶水威胁的煤炭储量约有150多亿t，占探明储量的27%[3]，要将这些煤炭从承压水威胁中解放出来，实现安全高效生产，有必要对华北型煤田水害防治技术现状有所了解 ，以便指导煤矿安全高效生产 。

1 华北型煤田奥灰水害的主要特点[3-5]

华北型煤田水害的主要特点包括以下几方面：

(1)突水灾害的突发性强，水量往往较大且比较稳定，人员伤害大。

(2)奥灰是威胁下组煤开采的最重要含水层，表现在两个方面：一方面奥灰含水层以水平或垂向侧向等方式补给薄灰，造成奥灰与薄灰水力联系极为密切，局部地段成为一个含水体；另一方面在矿压、水压作用下，在局部地段底板破碎带易发生底板突水。

(3)隔水层厚度小，下组煤距薄灰和奥灰间距小，随着开采水平的延伸，水压逐渐增大，突水系数普遍超过规定。

(4)深部水文地质条件不清，岩溶裂隙网络发育不均一，且构造探明程度相对较低，遇导水构造出水的可能性较大。

2 华北型煤田奥灰水害防治技术现状

2.1 底板突水机理

近几十年来，国内外学者已经对底板突水机理做了大量研究，多种底板突水机理理论陆续被提出。20世纪40年代至50年代，匈牙利韦格弗伦斯提出“底板相对隔水层”的概念，他指出，煤层底板突水不仅与隔水层厚度有关，而且还与水压力有关。突水条件受相对隔水层厚度的制约。相对隔水层厚度是等值隔水层厚度与水压力值之比[6]。60年代以煤科总院西安勘探分院为代表，提出了采用突水系数作为预测预报底板突水与否的标准，突水系数就是单位隔水层所能承受的极限水压值[6]。60年代初由山东科技大学荆自刚、李白英提出“下三带”理论，该理论认为，开采煤层底板由上至下也存在着三带，即：底板破坏带，完整岩层带，承压水导升带[7]。90年代，煤科总院北京开采所王作宇、刘鸿泉等人提出“原位张裂与零位破坏”理论，该理论认为，矿压、水压联合作用于工作面对煤层的影响范围可分为三段:超前压力压缩段、卸压膨胀段和采后压力压缩-稳定段[8-9]。90年代煤科总院北京开采所刘天泉、张金才等从力学分析角度出发，提出了“薄板模型”理论：即底板岩体由采动导水裂隙带及底板隔水带组成[10-11]。90年代中科院地质所提出“强渗通道”说，该理论认为底板是否发生突水关键在于是否具备突水通道。这分为两种情况:其一，底板水文地质结构存在与水源勾通的固有突水通道，当其被采掘工程揭穿时，即可产生突破性的大量涌水，构成突水事故；其二，底板中不存在这种固有的突水通道，但在工程应力、地壳应力以及地下水共同作用下，沿底板岩体结构和水文地质结构中原有的薄弱环节发生形变、蜕变与破坏，形成新的贯穿性强渗通道而诱发突水[12-13]。90年代由煤科院西安分院提出了“岩水应力关系”说。该学说认为底板突水是岩(底板砂页岩)、水(底板承压水)、应力(采动应力和地应力)共同作用的结果[6]。90年代中期中国矿业大学钱鸣高、黎梁杰建立了采场底板岩体的KS理论。该理论认为，煤层底板在采动破坏带之下，含水层之上存在一层承载能力最高的岩层，称为“关键层”[14]。21世纪初由山东科技大字施龙青提“下四带”理论模型，它将开采煤层底板自开采煤层底板的顶到含水层之间的岩层划分出四个组成带:矿压破坏带、新增损伤带、源始损伤带、原始导高带[15]。

以上理论极大丰富了我国煤矿防治水机理。但需要说明的是目前大多数突水机理理论是建立在线性特征基础上的，而实际底板突水的过程不仅具有线性特征，而且具有非线性特征，因此将非线性理论和信息融合技术应用矿井突水理论研究方面是该研究领域的发展方向[6]。

2.2 水害探查技术

采用地面三维地震勘探技术预测5m以上断层和地质孤立体，并结合各种地面和井下电磁法探测技术和钻探资料，探查小断层，预测构造的导水性、含水性、富水区范围、隔含水厚度变化、小窑水害位置等；利用常规水化学分析、井液和水温测定、水电阻率测定、水同位素测定等化探手段分析水动力场、水温水电阻率场和水化学场，建立各含水层水位观测系统和水质分析资料数据库，详细掌握各含水层的水文参数和水质等资料，辨别突水水源，奥灰水、薄层灰岩水、底板砂岩水[5,16]。

2.3 水害综合防治技术

2.3.1 疏水降压防治矿井水害技术

疏水降压防治矿井水害技术是指借助专门的工程(如疏水巷道、抽水钻孔或疏水钻孔)及相应的排水设备，积极的计划、有步骤地疏放或局部疏放影响安全的充水含水层[5]。

适用条件：当底板隔水层的厚度很薄，在自然状态下隔水层不能阻抗高压水的破坏和侵入，但下伏含水层的规模不大，补水量有限时，可考虑通过疏放水技术降低含水层中的压力水头，已达到实现带压开采的目的。此外，如果下伏含水层的含水性很强，但因构造被切割成为若干四周封闭或基本封闭的块段时，也可对某个或某些块段进行疏水降压。

2.3.2 截流注浆防治矿井水害技术

截流注浆防治矿井水害技术是指通过专门的设备和工程，根据具体的矿井水文地质条件和水害类型与特点，将预先研究配置成的低渗透性浆液或骨料注入含水层、隔水层中的空隙、断裂破碎带、喀斯特陷落柱、井巷或突(出)水口等，使之与围岩固结成不透水(或微透水)的、具有一定强度的整体而起到堵塞过水通道、充填导含水空隙、降低受注岩体渗透性、增大岩石强度和隔(阻)水作用的一种矿井水害防治技术方法。根据其用途可主要分为封堵导水通道、加固和加厚隔水底板和注浆帷幕封堵[17]。

2.3.2.1 封堵导水通道

封堵导水通道指的是利用利用注浆工程切断导水通道达到预防和治理矿井水害的目的。因此，注浆封堵导水通道可分为突水前预注浆封堵和突水后水害治理堵。

适用条件：掘进巷道前方或附近有导水断层及断层破碎带；掘进巷道或采煤工作面附近区域有导水陷落柱或不良导水钻孔。

2.3.2.2 加固和加厚隔水底板

加固和加厚隔水底板是指用底板注浆的办法将下伏含水层顶部的岩溶、裂隙封闭，使其变为相对隔水层，据多年现场实践，该项技术已成为防治煤层底板水害较为有效的实质性措施之一。

适用条件：当隔水地板厚度明显小于临界厚度值，而井下放水很困难或费用太高时，可采用加固和加厚隔水底板技术，但防治效果取决于施工前对下伏含水层顶部的岩溶、裂隙分布情况的掌握和注浆工艺是否恰当，此外，注浆深度必须超过矿压破坏带的深度，否则随着采煤工作面的推进，已经注浆加固部分又会重新被矿压破坏，达不到加固的效果。

在注浆实施过程中，为了提高注入量和注浆效果，还可采用以下辅助技术:酸溶法、水力压裂、爆炸压裂及高能气体压裂；人工受控定向导斜钻进技术解决了以往在某些特殊情况下施工(如通过陷落柱、破碎带、采空冒落带)时不能满足工程要求的难题，为在复杂地层及对某些特殊地质体的注浆堵水提供了坚实前提和基础，是目前其它有关技术无法替代的。

2.3.2.3 注浆帷幕封堵

基于此，我认为小亮的主要问题有懒散、自控力差、缺乏明确的追求目标三方面。明确的追求目标是核心，因为人一旦有了明确的追求目标就会变得勤奋、自律。鉴于此，帮助小亮找到明确的追求目标，成了我教育转化小亮的首要工作。

注浆帷幕封堵是指利用孔排注浆的方法在含水介质层中尽量垂直地下水流方向建造地下阻水墙。

适用条件：对于那些四周大都封闭，尚未完全封闭的块段，可采用注浆帷幕封堵、使其变为全封闭的块段在进行疏水降压。

2.3.3 地面顺层定向钻进注浆区域超前治理技术

考虑到深采煤层底板防治水威胁及目前在目前超前探测技术还不能完全探明隐伏断裂带或小构造的情况下，近几年提出了时间与空间相结合的“地面顺层定向钻进注浆区域超前治理技术”，以实现对煤层底板从“一面一治理”转变为以采区或更大区域以及受构造所分割的水文地质单元实施区域治理，从回采工作面形成后再治理提前到掘前预先主动治理，从以井下治理为主转变为以地面治理为主。

地面顺层定向钻进注浆区域超前治理技术是指采用地面定向孔沿目标层顺层钻进，高压注浆，大范围改造目标层，达到超前区域防治、实现安全掘进和回采的水害防治目的。该技术已在邯邢矿区九龙矿奥灰岩溶水害治理、淮北矿区朱庄矿、桃园矿三灰水害治理中成功应用[18-21]。

2.3.4 改变采煤方式

改变采煤方式对于隔水底板厚度较薄，突水威胁严重，而又无其他有效防治办法的矿井或采区，可改用适当的采煤方法，例如短壁开采、房柱式开采、条带开采、砌充填带以及充填法采煤，都能减小矿压并提高隔水底板抗水压的能力；快速回采、人工放顶，则能缩短悬顶时间，避免或减少底板岩体因蠕变而降低其力学强度的危险，但断壁开采、房柱式开采，会降低采煤效率，损失煤炭资源；充填法采矿会增加采煤成本，非万不得已，不宜采用。

留设保护煤柱对于突水系数严重超限，具有突水危险又不能进行疏降开采和构造复杂地段；灰岩含水层岩溶发育，灰岩富水性强，受水威胁严重的地段，采取留设防水煤柱的方法处理。当断层下降盘一侧的煤层与上升盘一侧的含水层直接接触或距离很近时，可沿断层带留设一定宽度的防水煤柱。

2.3.6 地面防渗堵漏

地面防渗堵漏在煤层底板下伏岩溶含水层的露头部位，如有地面河流通过时，地面水往往大量漏失灌入矿井。若河流水很大，漏失段不很长时，进行河床防渗堵漏工作，往往能使矿井涌水量显著减小。此外，在季节性水流地段，如果存在喀斯特漏斗、岩溶洼地等，在雨季往往导致地表水大量汇入矿井，及进行地面填堵工作，将会有效减小雨季的矿井涌水量。

3 华北型煤田水害防治面临的挑战

3.1 加强隐伏导水构造精细探查技术和装备的研发

目前超前探测技术对隐伏断裂带或小构造还不能完全探明，应针对性的研发新的隐伏导水构造精细探查技术和装备，从质和量上提高超前探的空间距离和探查精度。

3.2 加强对矿井水害预警指标体系、水害监控预警技术与装备研究

目前缺少成熟理论预测(裂隙)岩溶水运移规律，(裂隙)岩溶水的突水规律仍难以准测预测，下一步应加强矿井水害监控预警技术与装备的研究开发，以实现矿井突水前兆的适时监控、水害控制信息的过程与动态开发分析、水害发生的即时预警。

3.3 奥灰水害快速治理技术与装备研发

重点研究矿井突水淹井后突水水源的快速判别、出水点快速封堵、被淹矿井快速恢复等关键技术。研究高效快速的矿井水害防治的精确定位钻孔施工技术、高性能注浆材料、注浆工艺及装备。

3.4 防治水技术水平需进一步加强

已采用的截流注浆防治技术和工程，虽然取得了较为显著的效果，但在注浆工程上，存在“以量代质”的现象，在注浆材料的选择、注浆设备的采用、注浆参数的确定等方面，存在以经验为主、理论为辅的缺陷。

[1] 王心义,单智勇.岩溶裂隙型矿区水害防治技术及水资源综合利用[M].北京:煤炭工业出版社,2008:5.

[2] 李永军,李小明,许海涛.华北石炭二叠纪煤田岩溶水水害防治理论与方法研究[M].北京:煤炭工业出版社,2015:59.

[3] 赵铁锤.华北地区奥灰水综合防治技术[M].北京:煤炭工业出版社,2006:16.

[4] 施龙青.华北型煤田奥灰岩溶水防治理论与技术[M].北京:煤炭工业出版社,2015:25.

[5] 王心义,单智勇.岩溶裂隙型矿区水害防治技术及水资源综合利用[M].北京:煤炭工业出版社,2008:4.

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[11] 张金才,刘天泉.论煤层底板采动裂隙带的深度及分布特征[J].煤炭学报,1990(2):35-38.

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(本文文献格式：茹 婷.华北型煤田奥灰水害防治技术综述[J].山东化工,2017,46(5):50-52.)

Review on Prevention and Control Techniques of Ordovician Limestone Water Disaster in the North China Type Coal Field

RuTing

(Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp,Xi’an 710077,China)

The main characteristics of Ordovician limestone water disaster in north China type coal field are summarized. The floor water inrush mechanism, the damage detection technology, and present situation of prevention and control techniques of water disasters are introduced .Finally, the challenges on prevention and control of water disasters in the north China type coal field are proposed.

north china type coal field;ordovician limestone water disaster;water inrush mechanism; detection technology;prevention and control technique;challenge

2017-01-25

国家自然科学基金项目(41302132)

茹 婷(1981—)，女，陕西泾阳人，工程师，硕士研究生，2013年毕业于西安石油大学，主要从事煤层气地质与开发相关研究工作。

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1008-021X(2017)05-0050-03