控水采煤技术原理、关键技术及在砂岩含水层下综放开采实践

张 玉 军

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013; 2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013; 3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

煤炭在我国一次能源生产和消费结构中长期占比60%以上，2019年共生产煤炭37.5亿t，对我国经济发展具有重大作用。尽管目前煤矿以开采绿色资源量为主，但仍有部分煤矿为水文地质条件复杂类型，而且水体类型多样，水体下压煤现状错综复杂，水害类型也呈复杂多样性。近年来，水害事故起数和死亡人数均呈下降趋势，但较大水害事故仍有上升趋势，安全形势仍然十分严峻。灾害性突水由于排水能力不足造成人员伤亡和财产损失，过量的疏放增加矿井涌水量及排水费用，导致地下水位大幅度下降，使矿区生态环境遭到严重破坏。国内外专家学者在理论和技术研究基础上进行了不同水体下开采工程实践，在覆岩破坏规律、水体下采煤技术、水害防治等方面都取得了开创性的研究成果。针对不同类型水体，成功地实现了留设防水、防砂及防塌煤柱等条件下不同开采工艺安全开采;针对水害防治技术，主要从探测、监测、预测、治理、矿井水资源化与综合利用等方面入手，形成了顶板水疏水降压、底板灰岩水注浆改造与加固等水害治理技术。近年来，又相继开发了煤矿井下防治水定向钻进与注浆技术，研制了动水大通道突水钻孔控制注浆高效封堵成套技术，建立了大尺度浅埋煤层涌水溃沙灾害评价准则等[1-9]。随着社会对生态环境保护的日益重视，促使防治水技术需要与采煤方法及其各有关技术的发展变化、现代化安全生产需求的结合更加紧密。因此，以满足安全开采和经济合理双重要求为前提最大限度地开采水体下压煤，实现水体下压覆煤炭资源的安全、高效和绿色开采，是当前急需解决的问题。

笔者将控水采煤技术与综放开采工艺特点相结合，应用到内蒙古铁北煤矿半固结砂岩含水层下综放控水开采实践中，实现了3～8 m阶梯型采厚安全开采，既控制了工作面的涌水量、改善了工作面作业环境又有效防止了突水溃沙灾害的发生，取得了综放控水安全开采的成功。

1 控水采煤技术的提出、思路及原则

1.1 控水采煤技术思路

近水体下采煤是指对位于水体影响范围以内的煤层的开采。预防矿井溃水或超限涌水以保证安全经济地采出煤炭，并对有经济价值的水体进行保护，以免遭受井下开采的不良影响是近水体采煤解决的重要问题。控水安全开采技术，就是综合考虑煤矿安全和经济合理重要因素，针对不同充水能力与补给条件的含水层，结合具体的地质采矿条件和相应的采煤工艺，通过有效的技术方法和措施，充分利用覆岩破坏规律和岩层尤其是受到采动破坏性影响岩层的渗透性能及其变化特征以及含水层富水特征，来控制工作面的涌水量大小及涌水形式，并以满足安全开采和经济合理双重目标为前提，最大限度地开采水体下压煤的技术[1]，技术思路如图1所示。

图1 控水采煤技术思路Fig.1 Technical idea of controlling water mining

充水水源和充水通道是控水采煤技术的2个关键因素。在充水水源一定的情况下，充水通道将成为影响工作面涌水量的最关键因素。充水通道的过水能力主要取决于岩层本身的渗透性能和采动破坏性影响的程度。针对充水能力和补给条件都比较有限的弱含水层，一般只需控制工作面的充水形式就可以达到控水采煤的目的;而对于充水能力较强补给又比较充足的强含水层，不仅要控制工作面的充水形式，而且还要限制充水通道的过水能力，才能够达到控水采煤的目的。

1.2 控水采煤技术的原则

(1)先疏后采。采用疏水钻孔预先疏放含水层的静储量，降低回采初期含水层水压力和瞬时涌水量，避免工作面瞬间涌水量超限，限制工作面涌水量在可承受的范围内。

(2)回采疏降。覆岩采动裂隙存在垂向分区特征，导水裂缝从下而上分为垮落区、严重断裂区、一般开裂区、微小开裂区。尤其是微小开裂区部分可起到既能实现安全开采又能限制涌水量大小的双重作用。通过控制不同分区进入含水层的范围，控制涌水量。借助回采裂缝的导水性差异实现对含水层的逐步疏降。通过一定的开采技术措施，控制采动破坏影响程度，使之与控制工作面涌水量和实现边疏边采相适应，如图2所示。

图2 回采疏降含水层示意Fig.2 Mining and drainage aquifer

(3)推进与疏水相协调。在工作面正上方和后方采空区形成疏降漏斗，对含水层水位起到疏降作用，控制在安全水量范围之内。

因此，该技术普遍适用于可疏性较好、补给来源有限的含水层，可通过钻孔预先疏放一定量的静储量，同时采用回采裂缝垂向导水性差异和滞后压实的特性，实现涌水量大小和形式可控的条件。

2 控水采煤关键技术

2.1 预测分析技术

(1)覆岩破坏高度预计。覆岩破坏规律及其发育高度是水体下采煤安全性分析的关键参数，是防水煤岩柱留设、疏放水设计和防治水措施制定的前提和基础。我国在对覆岩破坏规律和发育高度大量的实测、统计分析和理论研究基础上，得到了计算厚煤层分层开采时，单层采厚不超过3 m、累计采厚不超过15 m时的顶板导水裂缝带高度的经验公式，并编入我国《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，在一定程度上满足了我国煤矿水体下采煤设计的初步要求。针对厚煤层综放开采覆岩破坏规律，虽然实测及理论研究成果相对较少，但基本掌握了综放开采条件下的覆岩破坏发育规律，导水裂缝带发育高度预计基本以类比法和裂采比进行预计，垮落带和导水裂缝带计算高度经验公式可参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范指南》。并探索了某些特殊地质采矿条件下和条带开采的覆岩破坏高度，逐步丰富了覆岩破坏规律综合研究技术体系[8-10]。

(2)涌水量预计。目前主要有解析法和数值法，应用最多的是大井法，其他方法例如富水系数法、类比法等等。近年来开展了孔隙裂隙岩体与渗流特征研究，基于固-流耦合数值模拟的方法，模拟采动影响下含水层的渗流来预测涌水量(图3)。利用GMS等大型渗流软件，通过构建三维地质模型来模拟地下水的渗流场和涌水量(图4)。研究了考虑采掘活动规律的顶板涌水量动态预测方法，克服了以往“大井法”静态涌水量预测方法的局限性[11-12]。提出了针对强富水半固结砂岩含水层条件采用钻孔疏水分流技术来避免工作面涌水量超限的技术和方法，得出了避免采煤工作面涌水量超限的临界水位值预计方法。

图3 基于固流耦合数值模拟涌水量预计Fig.3 Prediction of water inflow based on solid flow coupled numerical simulation

图4 基于GMS大型渗流软件涌水量预计Fig.4 Prediction of water inflow based on GMS large-scale seepage software

2.2 探测与监测技术

(1)覆岩破坏高度实测。覆岩破坏高度与特征的探测技术和手段主要有钻孔法和物探法两大类。钻孔主要以地面钻孔冲洗液漏失量法和井下仰孔分段注水法为主(图5)，同时配合采用钻孔电视、钻孔超声成像、钻孔声速、数字测井等手段。物探法以高密度电阻率法、雷达探测、地震探测、瞬变电磁法、EH-4电磁法为主要手段(图6)。近年来，随着探测技术手段的发展和地质条件的变化，覆岩破坏探测技术与新技术手段的结合更加紧密，微震监测、微电阻率扫描、光纤测试以及示踪气体法测定等新技术和新方法也被广泛应用到现场实测中。覆岩破坏高度与特征的探测正由传统的单一技术向着钻探和物探多手段结合、地面和井下相结合、传统手段与新技术专业解释相结合等方向发展，既可以减少钻探工程量和降低钻探工程费用，又有利于提高探测效果，提高了观测精度和适用性，取得了较好的效果[13-16]。

图5 地面-井下钻孔与钻孔电视相结合实测Fig.5 Surface-underground drilling combined with drilling TV

图6 电导率剖面仪确定的“两带”高度Fig.6 Results of the “two-band” height determination by the conductivity profiler

(2)地下水动态监测。水体下采煤的安全监测技术对于实现水体下安全采煤是非常必要的，通过地面和井下长观孔水位、水量、水温以及水质的变化，反映地下各含水层水位动态变化和关联情况。目前地下水水位、矿井涌水量自动监测系统的应用已十分普遍，水质的自动监测也已经实现，尤其是光栅传输技术的应用使得监测系统的可靠性等明显提高，但对于完整的水害预警技术来讲，还缺少对覆岩采动破坏过程的动态监测和实时预警部分[17]。

2.3 控制技术

(1)覆岩破坏控制。通过控制覆岩破坏的范围及程度，以达到对涌水、涌砂、溃泥通道加压限制或控制的目的，如对于综合机械化采煤如何保持覆岩均匀、匀速破坏以及如何实现局部区域减轻破坏;对于综放开采如何均匀放顶煤以保持覆岩破坏均衡以及如何实现开采厚度等的可控制和可量测等。采动覆岩破坏控制技术常用的主要有分层间歇开采技术、充填开采技术、部分开采(条带开采)技术、协调开采技术等。鉴于综放开采的覆岩破坏高度尤其是裂高明显大于分层开采情况，提出了综采分层开采与放顶煤开采相结合的覆岩破坏控制技术。并且针对综放开采的特点，提出了预采顶分层综放开采、综放快速开采、局部限厚综放开采、条带综放开采、岩层内部离层带注浆减沉、采空区部分充填开采等综合覆岩破坏控制技术。

(2)涌水量大小及形式控制。提出了不同类型含水层的涌水量控制技术，针对弱含水层，仅控制充水形式，针对强含水层，控制充水形式和充水强度。通过控制工作面的涌水量和充水形式，使得其涌水量不超限，充水过程对采煤作业环境的影响程度降到最低，这里则包括了对含水层的处理措施，如通过采前疏降或疏干和回采过程中的边采边疏，对采动破坏性影响程度的控制和灵活利用等，如导水裂缝带的裂缝开裂程度是由下而上逐步减弱的，位于其上部的微小开裂部分对于工作面涌水量的大小是可以起到限制作用的，最终达到控水采煤的目的[18-19]。

3 控水采煤技术在半固结砂岩含水层下综放开采实践

3.1 研究区概况

研究区扎赉诺尔铁北煤矿位于蒙东地区，主采煤层Ⅱ2a，平均厚度12.4 m，经济可采厚度7～8 m，煤层倾角为6°。煤层顶板赋存7个半固结砂岩含水层，由下至上分别为1′含，1含,2含，3含,4含，5含,6含，砂岩胶结性和渗透性差，具有流动性，含水层富水性强弱不一，如图7所示。矿井初期采用综采分层开采(贴煤层顶界布置采场),含水层与煤层距离小于第1分层开采厚度形成的垮落带高度，垮落带进入顶板砂岩含水层，存在溃沙威胁;当第2分层开采时，顶板岩层已遭受第1分层开采的强烈扰动，软化、泥化现象将非常明显，溃沙、溃泥的威胁也将进一步加重，矿区内已生产矿井曾多次发生突水溃沙乃至淹没采场等灾害。因此，研究相适应的采煤工艺方法，防止突水溃沙灾害的同时，安全高效合理的开采整个煤层是铁北矿需要解决的重要问题。

图7 覆岩含水层分布及岩性特性Fig.7 Distribution and lithology of overburden aquifer

3.2 综放控水开采实践

3.2.1采动覆岩破坏高度预计及对不同含水层影响分析

(1)极软弱覆岩破坏高度预计。铁北煤矿覆岩中泥岩、砂岩类岩石的单向抗压强度波动范围都较大，其最小的单向抗压强度甚至小于1 MPa，反映出岩石的胶结程度差异较大。岩石单向抗压强度多小于20 MPa，属于软弱～极软弱类覆岩。针对极软弱类型覆岩条件下的导水裂缝带发育高度，目前国内缺乏极软弱覆岩导水裂缝带高度实测数据，但根据铁北煤矿左部首采工作面回采实践，在采厚3.2 m时导水裂缝带高度约29 m，裂采比约为9.1;同属该矿区的灵东矿在采厚不超过11.6 m时导水裂缝带高度小于62 m，裂采比小于5.6。因此，选取类似矿井开采实践经验得到的经验数值绘制趋势图，采用趋势分析方法来预计极软弱覆岩条件下的导水裂缝带发育高度，图8为类似矿井和覆岩条件下导水裂缝带高度的实测值绘制的趋势图[20]。因此根据趋势图采用选取特征值进行趋势分析，计算得到不同采厚条件下垮落带和导水裂缝带值，见表1。

图8 极软弱覆岩条件下的导水裂缝带发育高度及趋势Fig.8 Development height and trend of hydraulic fracture zone under extremely weak overburden

(2)采动对不同含水层影响分析。根据覆岩破坏高度预计以及含水层的赋存规律分析，当开采厚度为3 m左右时，预计导水裂缝带将直接波及1′含和1含，局部将接近2含，预计垮落带不波及顶板半固结砂岩含水层;当开采厚度达到4 m左右时，预计导水裂缝带将直接波及1′含和1含，并将在局部波及2含，预计垮落带接近1′含，局部波及1含;当开采厚度达到6 m左右时，预计导水裂缝带将直接波及1′含、1含和2含，局部将直接波及3,4,5含分层区内的3含，预计垮落带局部波及或接近1′含及1含;当开采厚度达到7～8 m时，预计导水裂缝带将完全波及1′含、1含、2含，局部直接波及分层区内的3含、4含或合层区内的3,4，5含，预计垮落带将局部波及或进入1′含及1含。

3.2.2综放控水开采总体方案

(1)控水采煤总体方案。防止溃水、溃沙，避免工作面涌水量超限，是实现半固结砂岩含水层下压煤开采的关键，基于控水开采采前预疏与边采边疏相结合的技术原则，利用综放开采采场沿设计开采厚度的底部布置，放煤厚度灵活调整可控的特点，提出控水采煤的总体方案为“顶水开采与疏干或疏降开采相结合、先疏后采与边采边疏相结合、钻孔疏干或疏降与回采疏干或疏降相结合、分段控制放顶煤开采厚度与含水层疏降程度相结合”。

(2)处理水体的基本原则。对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溃沙安全水位，解除造成泥砂流动的水动力条件以避免溃沙;对2含采用先疏后采与边疏边采的措施，要求在采前预先疏降以降低回采期间的涌水压力，通过边采边疏予以疏干或基本疏干;对3含、4含、5含采用边采边疏与部分顶水开采的措施，利用泥岩类隔水层中的采动裂缝随着下沉压实密合而使得导水、透水能力减弱甚至完全恢复原有隔水能力的特点，争取做到仅在回采期间排放含水层的大量涌水，而在回采结束后尽可能的减少涌水量，减轻排水负担，降低排水费用;对6含及其以上含水层则采用顶水开采措施。

3.2.3先疏后采与边疏边采相结合实施

利用钻孔预先分流疏放水技术，在回采前将含水层水位预先疏降，可以起到减小回采时的工作面或采空区涌水量峰值和避免工作面涌水量超限。回采前含水层尽可能疏干或水位降低至溃沙临界水位值以下，防止溃沙发生的临界水位可由式(1)确定，当含水层的水头大于该临界水头时，就存在溃沙的危险;反之，如果含水层的水头低于临界水头时，将不存在溃沙的威胁，即可进入边采边疏阶段。

(1)

式中，H为含水层的水头高度;rw为涌水通道半径;R为影响半径;Jcr为临界水力坡度;M为含水层厚度。

在采用钻孔预先疏干难以实现或者需要时间很长的情况下，就要与回采疏干相结合。利用边采边疏，对于位于导水裂缝带范围内的含水层，在垂向上通过变采厚控制采动破坏性影响范围实现对不同距离含水层的不同程度的疏降甚至疏干。在横向上通过调整推进速度与疏水时间相协调，实现对采场正上方垮落带范围内含水层的超前预先疏干、裂缝带含水层的预先疏降，从而控制回采工作面涌水大小。同时，利用裂缝带范围内的含水层之间赋存较稳定的泥岩隔水层，以及隔水层中的采动裂缝会随着覆岩下沉压实而密合，从而使得导水通道逐渐闭合的特性，控制该隔水层上部的含水层向工作面充水的形式为渐减水甚至为暂时水。

3.2.4分段控制放顶煤开采厚度与含水层疏降程度相结合实施

分段控制放顶煤开采厚度与含水层疏降程度相结合是实现半固结砂岩含水层下安全综放开采的关键。分段控制放顶煤开采厚度主要是指利用综采放顶煤开采便于灵活调整开采厚度的特点，通过逐渐增大开采厚度来实现采动破坏性影响范围的逐步扩大，从而利用放顶煤工作面的自然涌水，实现对于煤层顶板位于导水裂缝带范围内各含水层由下到上的逐层疏干或疏降。从开切眼起，将工作面分成数个块段，分块段设计不同的开采厚度，分块段逐步增大开采厚度，逐步、逐段、逐次疏干或疏降不同含水层，直至达到按照设计最大开采厚度，实现安全高效回采目的，如图9所示。

图9 分段控制放顶煤开采厚度示意Fig.9 Schematic illustration of the mining thickness of controlled caving coal

(1)只采不放阶段。在回采前必须确认采用钻孔对1′含和1含已实施采前疏干和疏降，自工作面开切眼起推进至距开切眼50 m范围内，只采不放;控制垮落带最大高度小于顶煤厚度与开采煤层顶板隔水层的厚度之和，如式(1)所示。具备既可以推进又不出现溃沙的基本条件，同时利用回采时形成的导水裂缝带对1′含和1含予以进一步疏干(图10)。

图10 只采不放阶段采动影响Fig.10 Effect of mining movement in straight mining stage

Hk

(2)

式中，Hk为垮落带高度，m;Md为顶煤厚度;hg为隔水层厚度。

(2)逐步放煤阶段(1′含和1含已疏干)。在回采前必须确认采用钻孔和回采已对1′含和1含全部疏干。距开切眼50～150 m内，采3 m放2 m，累计采厚不超过5 m;距开切眼150～300 m内，采3 m放4 m，累计采厚不超过7 m;控制回采厚度增大后的垮落带最大高度小于顶煤厚度与开采煤层顶板隔水层厚度及被疏干含水层的厚度总和，如式(2)所示。利用回采时形成的导水裂缝带进一步对垮落带以上的含水层予以疏干，工作面推进距离及推进速度则需要与含水层的疏干状态相协调(图11)。

Hk

(3)

式中，hg1,hg2为隔水层厚度;h1h为含水层厚度。

(3)达到最终设计采放厚度阶段。距开切眼300 m至终采线范围内，实现采3 m放5 m，累计采厚不超过最大经济可采厚度8 m。控制达到最终设计采放厚度后垮落带高度不波及2含，利用回采时形成的导水裂缝带进一步对垮落带以上的2,3，4,5含水层予以疏干，实现边疏边采与部分顶水开采相结合，实现6含全部顶水开采(图12)。

图12 最终设计采放厚度阶段采动影响Fig.12 Effect of mining movement in the mining stage of final design

3.3 综放控水开采效果分析

铁北煤矿从2003年12月至2013年12月实现铁北矿右部7个工作面，采放厚度3.0～11.9 m的安全开采，图13为工作面推进距离、采厚、钻孔涌水量与工作面涌水量关系曲线图。回采初期，在新一采区7个综放工作面的疏水巷道内共施工了138个仰上探放水钻孔，总进尺约为5 053.83 m，基本上实现了对1′含及1含的采前预先疏干。在含水层疏降至安全水位后，各工作面回采期间，严格按照分块段设计不同的开采厚度，分块段逐步增大开采厚度，逐步、逐段、逐次疏干或疏降不同含水层，最终达到按照设计最大开采厚度。工作面涌水为25～100 m3/h，平均为64 m3/h，疏水钻孔涌水量为525～795 m3/h，工作面开采期间未出现任何涌水量增大和溃沙等异常情况，实现了工作面安全回采。在回采过程中通过地面水文自动监测系统对2含、3含、5含的水位动态进行了监测，图14为含水层水位变化及含水层埋深关系图。由图14可知，距离开采煤层顶板越近，含水层水位下降越明显，下降幅度越大;距离采煤工作面回采区域越近，水位下降幅度越大，随着采煤工作面回采区域逐渐远离，水位还会逐步有所回升。采煤疏降所形成的疏降漏斗紧随采煤工作面回采区域，由此说明回采疏水是形成Ⅱ2a煤层顶板砂岩含水层疏降漏斗的主要原因。

图13 综放工作面推进距离、采厚、钻孔涌水量与工作面涌水量关系Fig.13 Relationship between advance distance,mining thickness,borehole water amount and of working face amount

图14 含水层水位变化及含水层埋深关系Fig.14 Variation of aquifer water level and aquifer depth

4 结 论

(1)针对当前近水体采煤技术的现状和工程实践，详细阐述了控水采煤的思路、技术原理和技术原则。解决了传统的水体下留设不同类型防水煤岩柱技术而造成煤炭资源的大量损失，或者单一采用含水层疏降技术不仅容易形成人为导水通道，而且过量的钻孔对含水层的疏放增加矿井涌水量及排水费用，同时导致地下水位大幅度下降，使矿区生态环境遭到严重破坏等问题。

(2)提出覆岩破坏和涌水量预测技术、覆岩破坏实测和地下水动态监测技术、覆岩破坏和涌水形式、水量控制技术是控水采煤的关键技术。

(3)将控水采煤技术与综放开采工艺特点相结合，应用到半固结砂岩含水层下综放控水开采实践中，提出“顶水开采与疏干或疏降开采相结合、先疏后采与边采边疏相结合、钻孔疏干或疏降与回采疏干或疏降相结合、分段控制放顶煤开采厚度与含水层疏降程度相结合”控水采煤总体方案，实现了3～8 m阶梯型采厚安全开采，既控制了工作面的涌水量、改善了工作面作业环境又有效防止了突水溃沙灾害的发生，取得了综放控水安全开采的成功。