我国煤矿离层涌突水致灾机理及其防控关键技术研究进展*

2021-09-19张培森朱慧聪吴玉华段中稳李复兴

工程地质学报 2021年4期

张培森朱慧聪吴玉华段中稳牛辉李复兴

(①山东科技大学，矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，青岛 266590，中国) (②山东科技大学，矿业工程国家级实验教学示范中心，青岛 266590，中国) (③安徽省皖北煤电集团有限责任公司，宿州 234000，中国)

0 引言

高效稳定的能源供应体系是实现高速度和高质量兼并发展的重要保障。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，最高年产在2014年达到峰值38.7×108t(孙超等， 2021)，原煤年消耗量在一次能源消费结构中的占比常年稳定在55%以上(程磊等， 2016)。预计到2030年左右，煤炭在能源消费结构中所占据的比重仍能达到50%(钱鸣高等， 2018)。由此可见，未来很长一段时期内，煤炭在我国能源领域的主体地位不会动摇，仍然是推动经济发展的中坚能源。当前，随着新能源(如太阳能、风能、核能、地热能、波浪能等)产业的迅速崛起，煤炭在能源消费结构中的占比会有所下降，但当前经济社会的发展对能源的需求总体上仍然呈现上升的趋势，煤炭行业也将伴随经济新常态局面的形成而迎来新的发展契机，同时也要面对新的挑战，煤矿安全建设即为面临的挑战之一。

图 1 离层动态发育时空分布规律Fig. 1 Temporal and spatial distribution of dynamic development of bed separation

矿井突水事故是采矿工程的伴生灾害，严重影响煤矿安全生产建设的进程。据不完全统计(孙文洁等， 2017；苗耀武等， 2021)， 2000～2020年间我国共发生煤矿水害事故1193起，导致4745人死亡，其中较大事故和重大事故导致的死亡人数分别占统计年份区间内死亡总人数的53%和38%。由此可见，煤矿突水事故的发生会严重威胁井下工作人员的生命安全，严重制约矿井的发展。近年来，随着煤炭开采深度和开采强度的加大，煤层赋存水文地质环境相对更加复杂，矿山压力显现增强，覆岩运动更为显著。在此地质背景下，顶板离层突水(武强等， 2013；隋旺华等， 2019)渐呈多发态势，引起了越来越多专家学者的重视，开展了相关研究。孙学阳等(2016)基于组合梁理论开展了离层动态发育特征的相似材料模拟试验研究，分析了离层的动态突水过程；钱鸣高等(1996)、许家林等(2004)认为在采场覆岩中，主关键层与亚关键层之间、亚关键层与亚关键层之间变形的不协调性是不同岩性岩层层间发育离层的主控因素，且受限于关键层岩体自身的高强度力学性质，离层层位的最大发育高度一般位于主关键层以下；张培森等(2020a)通过数值模拟分析和相似材料模拟实验开展了对特厚煤层开采过程中覆岩离层发育层位的判别以及竖向、横向裂隙动态发育特征的研究，研究结果表明，竖向裂隙的发育主要分为线性增长和台阶式增长两个阶段，横向裂隙的发育自下而上呈现交替发育与闭合的特征，且其发育高度与工作面推进距离呈正相关。朱卫兵等(2009)通过开展相似材料模拟实验得出海孜煤矿巨厚火成岩下离层涌突水致灾的发生机理：关键层控制覆岩运动时，亚关键层的挠曲小于主关键层，使巨厚火成岩将部分载荷经离层积水传递给下部岩体，增加了亚关键层所承担的载荷，当亚关键层基岩厚度较薄时易发生复合破断，从而引起基岩的整体破断和砌体梁结构的失稳滑落，导致离层积水沿突水通道涌突至下部采场；孟召平(1999)、王经明等(2010)、孙魁等(2018)认为离层上位岩层破断产生的冲击倾向性与其力学特性有关，冲击势能的形成是由于高强度的上位岩层在断裂前后的能量积聚和快速释放所致，是离层水体发生涌突的主控因素之一。谢宪德(1992， 1997)、李吴波等(2009)对南桐煤矿和打通一矿离层突水机理的研究成果进行分析后得出，在持续的采场扰动作用下，导水裂隙带高度不断发育，带内的裂隙不断延伸拓展，当导水裂隙带中的纵向裂隙延伸至隔水层后，会将隔水层切穿，使其有效隔水性能丧失，离层空间内的积水沿切穿裂隙涌入下部采场产生突水灾害；赵德深等(2002)、李小琴(2011)、曹丁涛(2013)通过引入底板突水危险性评价中的经验突水系数法确定了离层在积水静水压力作用下能破坏其下位完整岩层的极限厚度，得出离层空间内积水的静水压力是离层发生涌突水的主要诱导因素之一。

表 1 煤矿典型离层水突水事故概况统计Table 1 Statistics of typical water inrush accidents from bed separation in coal mines

诸多专家学者已对离层水害的防治技术开展了研究，并结合工程实践，检验了相关防治技术的科学价值，形成了离层水害的防治技术体系。周玉华(2017)建立了离层水害隐患判别的“三步走”体系，提出了“边探边掘，物探先行，钻探跟进，高位探放水”的离层水害防治原则，并在现场检验了其科学性和合理性；李凤荣等(2009)在淮北某煤矿运用钻孔注水井中测流、长历时井下钻孔放水实验以及钻孔电视成像等探测技术，获取了该矿工作面覆岩中“积水离层带”、“真空离层带”的分布层位，同时创新了探放水钻孔的布设方法，提高了钻孔探放水预控离层水害的效果；曹海东(2017)结合关键层理论提出了判别离层发育层位的计算公式，并通过数值模拟分析验证了该公式在离层水害预测方面的适用性；乔伟等(2011a，2011b)提出当采场倾斜方向宽度较窄时，采场覆岩内部的破坏达不到充分采动情况下的极限破坏程度，岩层运移速度和变形量均存在局限性，致使导水裂隙带高度得不到充分的发展，离层的发育程度达不到极限状态而始终处于平缓发展阶段，能够长期稳定存在，并产生突水风险，不利于离层水害防治；李宏杰等(2014)提出了顶板离层水害的全方位综合防治技术，基于传统打钻开展超前疏放水的防治技术，在钻孔内下入透水套管，降低开采过程中因超前破坏而发生堵孔的概率，提高了钻孔的疏放水持续时间和疏放水效果。

笔者从具有突水威胁性的离层水体的形成机制、离层涌突水致灾机理和离层水害预防预控技术3个方面对煤矿离层水害的研究进展进行总结概述和分析，指出了当前离层水害防治领域亟待解决的难题，对离层水害预测预控技术进行了展望，以便于相关专家学者对矿井离层水害的研究现况和前沿理论的发展有一个更加直观系统的认识。

1 具备突水危险性的离层发育机制

随工作面的推进，当切眼一侧煤(岩)壁至放顶线的距离达到直接顶初次垮落步距后，顶板来压，直接顶垮落，基本顶开始出现裂隙，但此时基本顶(含)之上的岩体结构内裂隙发育程度较低，岩层间没有产生显著的分离；工作面继续推进，基本顶岩梁悬露面积和悬露跨度进一步增大，当岩梁悬露跨度达到极限断裂步距后，基本顶岩梁断裂，其上覆岩体结构中的裂隙进一步延伸拓展，开度增大，同时次生裂隙发育，导水裂隙带初步形成；在工作面推进过程中的高强度连续扰动影响下，导水裂隙带高度沿垂向进一步发育。当导水裂隙带上部和弯曲沉降带下部一定范围内的相邻岩层岩性为软硬互层、层面为滑动接触时(景继东等， 2006)，层间黏聚力会使下位岩层在自重作用下对上位岩层产生拉力，当该拉力达到层间极限抗拉强度时，上下位岩层分离，发生不同程度的沉降，各自独立弯曲变形(下位岩层挠度大于上位岩层)，该相邻岩层交界面处形成一个密闭的负压空间。随上下位岩层层间法向位移差的不断增大，交界面处的分离程度进一步增大，离层空间逐步成型。在离层空间周围补给水源水头压力和离层空间负压的双重作用下，补给水源通过劣化构造(断层、裂隙、裂隙网络等)对离层空间进行补水，具备突水危险性的离层水体逐渐形成。

工作面推进过程中，覆岩始终处于运动状态，导致垮落带和导水裂隙带逐渐向上发育，故而离层亦随工作面的推进呈现动态发育的特征，纵向上由低层位向高层位发展，横向上向工作面推进的方向发展，整体发育迹线呈“梯形”状(赵德深等， 1997；吴侃等， 2000；蒋金泉等， 2015)，如图 1所示。

2 离层涌突水致灾机理

2.1 离层突水致灾条件

孕育离层水害的条件主要包括4个方面(黎灵等， 2018；舒宗运等， 2020；吴禄源， 2020；张培森等， 2020a；张文泉等， 2021)：

(1)存在相对稳定可持续的密闭空间，周围补给水源对其进行足量的补水，形成具有突水危险性的离层水体。

(2)离层赋存环境周围存在补水通道，可联通补给水源和离层空间。

(3)离层赋存环境周围存在补给水源，通过补水通道与离层空间产生水力联系，对离层空间进行补水。

(4)离层赋存环境中发育有突水通道，将离层水体与导水裂隙带导通，使离层积水通过突水通道下泄至采场。

当且仅当此4个条件同时成立，离层才存在发生涌突水致灾的可能。

2.2 离层涌突水致灾机理概述

对比较典型的煤矿离层水害事故发生概况进行统计分析，如表 1所示，根据动力来源将导致离层水体失稳突水的直接诱因分为上位岩层破断产生的强冲击、离层积水的静水压力、采场回采活动的强扰动3个方面，其中离层积水的静水压力致突属于静水压突水(乔伟等， 2011b)，上位岩层破断产生的强冲击和采场回采活动的强扰动致突属于动水压突水(谢宪德， 1992)。

根据突水动力源可将突水模式分为动突水、静突水和动+静突水3类(闫奋前， 2020)。其中：单一的动突水指离层空间内的积水产生的静水压力对隔水带连续性和完整性的影响较小，而随工作面的推进，离层空间逐渐扩大，上位岩层达到极限破断距后发生瞬时破断，对离层积水产生巨大的冲击作用，该冲击通过积水向下传递并作用于隔水带使其发生断裂或破断，进而发生突水灾害；单一的静突水是指在工作面推进过程中，含水层水不断对离层空间进行补水，隔水带所承受的积水静水压持续增大，在上位岩层未达到极限破断距发生破断之前，积水静水压对隔水带中的微裂隙产生扩张作用，使之与导水裂隙带中的裂隙贯通，从而离层积水下泄发生突水；所述的动+静突水是指离层空间内存在一定量的积水，产生的静水压力不足以使隔水带发生破裂，但已使隔水带岩体接近强度极限，处于一个微弱的平衡，此时，当离层上位岩体岩性较差(厚度和硬度较小)且达到极限破断距发生断裂时，产生的冲击作用将积水和隔水带的弱平衡打破，冲击作用和静水压力的耦合使隔水带发生破断，离层积水下泄产生突水灾害，突水示意图如图 2所示。

图 2 动+静突水示意图Fig. 2 Schematic diagram of dynamic and static water inrush

2.2.1 上位岩层破断产生的强冲击

充水离层的上位岩层一般为强度较高的坚硬岩体，可以有效承载其上覆岩体的自重，且在覆岩运动过程中产生的挠曲较小，故该层位岩层上部岩体内无明显缺陷结构(离层、裂隙、裂隙网络、破碎带等)，连续性较好，因此从传递岩梁理论(宋振骐， 1979)的角度可将离层上位岩层及其上覆岩体视为一个协同运动的整体。随上下位岩层层间法向位移差的不断增大，上位岩层的悬露跨度亦随之增大，同时在采场重复扰动、地质构造运动、岩层原位应力以及岩层自重等的耦合作用下，上位岩层持续蓄积能量，当蓄积的弹性势能达到峰值时会在岩体内瞬时释放，产生强烈的冲击倾向性，对上位岩层造成破坏，使其发生断裂垮落。

上位岩层破断后产生的破碎岩体对离层空间内的积水产生冲击作用形成冲击波，该冲击波在离层积水中向下传递，直至到达下位岩层中，冲击波转化为具有一定穿透性的透射波(乔伟等， 2011b)，对下位岩层产生冲击压缩作用，使之聚集弹性势能。当弹性势能达到岩体可承受的能量峰值后在岩体中瞬时释放，产生强烈的破坏作用，使隔水带连续性遭到破坏。而后，离层积水在水头压力和上位岩层破断产生的冲击作用下涌入隔水带的裂隙中，水流和水压对裂隙产生二次冲刷、扩张作用，进一步破坏了隔水带的连续性，使其有效隔水厚度减小，直至隔水带全厚度破断，隔水带内发育的裂隙与导水裂隙带中的裂隙网络贯通形成突水通道，离层空间内的积水经此涌突至下部采场造成突水灾害。

2.2.2 离层积水的静水压力

离层空间和补水通道形成后，赋存于离层周围的水源(砂岩含水层水、地表水、断层水、岩溶水、孔隙水等(凌志强， 2014))在其自身水头压力和离层空间负压的双重作用下会通过补水通道对离层空间进行补水。离层接受补水的过程中，积水量持续增加，水头升高，水头压力随之增大。当含水层总储水量小于离层空间总容积时，离层水体处于不饱和积水的状态；当含水层总储水量大于离层空间总容积时，在离层空间骨架整体强度足以承受满载积水时所产生的静水压力的前提下，离层空间最终会充满水，积水量保持动态平衡，真空负压消失，此时，含水层水体、导水通道内的水体与离层水体三者贯通，补水水源通过导水通道内的水体与离层积水产生水力联系，所共同形成的静水压作用于隔水层上，静水压作用前后离层空间的状态如图 3～图4所示。在此情况下，隔水层同时受离层积水、导水通道内的水体、含水层水体共同产生的水压及岩体自重的耦合作用，同时，离层积水渗入隔水层内的微裂隙中，水流和水压力对裂隙进行二次冲刷、扩张作用，使隔水层连续性降低，有效隔水厚度减小，直至其有效隔水作用完全丧失时，离层水沿突水通道涌突至下部采场。

图 3 离层空间接受补水前的状态Fig. 3 State of the bed separation space before receiving water recharge

图 4 离层空间开始接受补水后的状态Fig. 4 State of the bed separation after receiving water recharge

2.2.3 采场持续性回采活动产生的强扰动

随工作面的推进，覆岩悬露跨度逐渐增加，悬露部分的自重作用越趋显著。此时覆岩仍处于假塑性状态，且在工作面推进方向上保持传递力的联系，而后在采场扰动的影响下发生运移和沉降。将采场上覆岩层简化为两端固支的岩梁，则岩梁受力状态为顶界面受压底界面受拉，当某一层位及其下附岩层的有效累积层重达到该层位岩层与相邻上覆岩层层间的极限抗拉强度时，层间开始出现微小分离面，相邻上覆岩层底界面在张拉应力的作用下开始发育纵向裂隙。随采场扰动的继续，裂隙不断延伸、拓宽，顺垂向岩层逐层递进发育(王强等， 2001)。当裂隙发育高度波及至隔水带时，纵向裂隙对隔水带进行穿刺，使隔水带具有有效隔水性能的厚度减小；直至裂隙将隔水带完全切穿，隔水性能完全丧失，离层积水沿纵向裂隙和下部导水裂隙带内的裂隙网络涌突至采场。

辅助回采工作开展的采场活动如采空区疏放水等也会影响离层的发育。胡东祥(2010)通过开展相似材料模拟实验得出，对于采空区存在积水的采场，积水和垮落岩块形成的堆积体对采场覆岩存在支撑作用，可减缓覆岩的运移和沉降，对离层的发育有抑制作用。而对采空区积水的疏排工作使原有的堆积体对上覆岩层的支撑平衡被打破，上覆岩层沉降产生的挠曲有所增加，促进了离层的发育，导水裂隙带高度的发育亦在一定程度上加快，会降低隔水层的阻隔水能力，加大离层发生涌突水的风险。

3 离层水害预防预控关键技术

3.1 离层水害预防技术

对离层水害预防措施的制定，应在工作面推进前对煤层赋存的水文地质条件进行具体分析，在充分考虑保证工作面正常安全循环作业的前提下制定预防技术方案，目前可从理论预判和工程技术措施的调整两个方面开展离层水害预防工作。

3.1.1 理论预判

离层赋存于采场覆岩中，且其骨架也主要由岩体构成，故对离层发育层位预判理论的提出应从采场覆岩物理力学性质(如层厚、密度、碎胀性、抗拉强度、抗压强度等)的角度进行研究。

3.1.1.1 实用矿山压力理论

由实用矿山压力理论(宋振骐， 1979；宋振骐等，2017，2019)可知，工作面采动过后，当切眼至放顶线的距离达到顶板初次垮落步距时，顶板在来压作用下发生破断、垮落，垮落后的岩层呈现大小不一的碎块状，对采空区进行充填。采场覆岩中能够发育离层的基本条件之一即为采空区中垮落带破碎岩体堆积高度的顶端至导水裂隙带底界面之间存在足够的空间可使覆岩发生运移，进而存在发育离层的可能。若在离层发育前采空区中堆积的垮落带破碎岩体已对覆岩运移产生约束作用，则覆岩中几无发育离层特别是具有突水危险性的离层的可能。据此可得判别式(杨庆等， 2014)：

M-∑(Ki-1)hi>0

(1)

式中：M为所采煤层的厚度(m)；Ki为煤层采出后垮落带范围内第i层岩层的碎胀系数；hi为煤层采出后垮落带范围内第i层岩层的原始厚度(m)。

3.1.1.2 关键层理论

由关键层理论(钱鸣高等， 1996；许家林等， 2004)“采场覆岩中存在控制覆岩整体运动的一组或几组岩层即关键层，离层最大发育高度止于关键层”可知，在确定覆岩关键层(包括主关键层和亚关键层)层位的前提下，对关键层所处层位及其下附岩层进行力学特性分析可以得出离层发育层位的预判公式：

(2)

式中：Ei为第i层岩层的弹性模量；hi为第i层岩层的厚度(m)；ρi为第i层岩层的密度(kg·m-3)。

3.1.2 工程技术措施的调整3.1.2.1 调整工作面推进速度

回采工作面的推进速度会直接影响到覆岩运移和沉降情况(樊银辉， 2017)，而覆岩的运移和沉降又是导致层间发育离层的关键影响因素。故可通过调整工作面的推进速度来降低覆岩离层发育的概率。

(1)加快工作面推进速度。随工作面推进速度的提升，悬露顶板跨度迅速增大，覆岩自重所产生的载荷使悬露部分的岩层变形加快，并由下至上逐层递进沉降，垮落带和导水裂隙带高度的发育也更加迅速，可使覆岩更接近充分采动的状态，故而覆岩中发育离层的概率可大幅降低。

(2)保持工作面匀速推进。非充分采动情况下，地表下沉量达不到该矿所处水文地质条件下的最大值，使得煤层开采厚度不能完全以下沉值的形式传递至地表，而是大量存在于覆岩中。避免工作面频繁停采，可使覆岩尽可能达到充分采动的状态，减少离层发育的空间。

3.1.2.2 调整采高

(1)加大采高。采出后的纵向空间增大，相同推进速度下，大采高工作面覆岩中的垮落带和导水裂隙带高度发育更快，覆岩能够更加接近充分采动的状态，从而使可发育离层的空间最小化，破坏离层发育的基本条件，达到预防离层发育的目的。

(2)减小采高。采出后的纵向空间减小，覆岩中可发育离层的空间随之减小，同时采出空间纵向上的减小可使顶板破碎岩块更快地对采空区进行饱和程度更高的充填，进一步减缓垮落带以上岩层的运移速率和沉降幅度，从而可以加大离层有效隔水层的厚度，对离层积水起到更为有效的阻隔作用。

3.1.2.3 应用绿色开采技术

考虑采用充填开采、房柱式开采、条带开采等绿色开采技术，减小覆岩中离层的发育空间。当前，充填开采、房柱式开采、条带开采等技术已有较为成熟的理论体系和工程应用实践经验(孟达等， 2007；解兴智， 2012；余伟健等， 2012；谢生荣等， 2018；何宁， 2020；刘建功等， 2020)，故可直接在充分分析煤层赋存条件及绿色开采技术适用性的前提下，选择一种最优技术作为离层水害预防工作方案中的一个环节，直接应用于防治水工程中。

3.2 离层水害预控技术

针对离层水害预控技术的探讨研究，可以对离层水害孕育条件进行反演推理。离层水害孕育条件包括密闭可持续的离层空间、发育有补水通道、存在稳定的补给水源、发育有突水通道4个方面，只要破坏其中一个以上(含一个)的条件，则发生离层涌突水事故的概率就会大幅降低。

3.2.1 超前疏放水

超前疏放水技术是先通过井下瞬变电磁法(林青等， 2016；王冠等， 2018)、三维高密度电法(毕鹏程等， 2021)等探测技术对覆岩中的积水(包括离层补给水源和离层积水)层位等进行探测，而后通过布设地质钻孔对积水进行疏放。钻孔布设方法可分为地面(直通式)钻孔和井下钻孔，两种布设方式的主要不同之处在于终孔位置以及钻孔的钻进深度不同，在离层水害防治工作实施时，综合考虑目标疏放水体赋存地质条件的复杂程度，钻孔要求长度等因素，来选择钻孔布设位置(地下或井下)。对井下钻孔而言，根据单一煤层开采或多煤层开采工艺的不同，疏放水导流孔的开孔位置又可分为指向采空区侧和指向工作面侧两类(乔伟等， 2021)，钻孔布置方式如图 5～图6所示。

图 5 导流孔指向采空区侧分布Fig. 5 Distribution of diversion holes pointing to goaf side

图 6 导流孔指向工作面侧分布Fig. 6 Distribution of diversion holes pointing to working face side

对于超前疏放离层补给水源，完成疏放水工作后，没有稳定的补给水源可以对离层进行足量的补水，致使离层始终处于真空负压的“空腔体(雷利剑等， 2018)”状态，不存在突水危险性。对于超前疏放离层积水，完成疏放水工作后，具有突水危险性的离层积水不复存在，极大程度上降低了发生涌突水的可能，且超前地质钻孔破坏了离层空间的封闭负压状态，使其不再具备积存大体量水体的能力，不能再发育具有突水危险性的离层水体，同时也可以利用疏放水钻孔查找补水通道、导水通道等劣化构造(李冲等， 2018)，破坏其水循环。为保证疏放水工作的有效性，打钻后的疏放水过程要持续一定的时间，一般情况下持续两个月以上为宜(褚彦德， 2017)。导流孔布设图如图 7所示。

图 7 导流孔布设剖面图Fig. 7 Cross section of diversion hole layout

3.2.2 钻孔截流

钻孔截流是首先超前对连通离层空间和补给水源的补水通道位置进行探测，而后在补给水源对离层进行补水的过程中，布设地质钻孔穿过补水通道，对补水通道中的补给水流进行分流，以减少离层空间所获得的补水量，降低可积水离层发育的概率。钻孔截流从其布设方法的角度也可分为地面钻孔和井下钻孔两类，其终孔位于离层发育区外，井下钻孔的开孔可分为指向工作面侧或采空区侧(图 5～图6)。截流孔布设剖面图如图 8所示。

图 8 截流孔布设剖面图Fig. 8 Cross section of intercepting hole layout

3.2.3 地面抽排水

对离层积水的疏放、截流作业均为依靠水体自重作用通过施工的钻孔将水体排出，存在其自身的技术局限性，具体表现为：

(1)钻孔使用寿命受地质环境影响程度大。用于疏放、截流的地面或井下钻孔均易受地质环境的影响，如离层积水中夹杂的泥沙石块、钻孔泥岩段受冲刷破碎的泥岩等随积水下泄过程中在钻孔中淤积，会对钻孔造成阻塞，降低钻孔疏放、截流的工作效率甚至直接将钻孔淤塞住使钻孔报废。

(2)导流孔、截流孔的施工受采空区覆岩岩性的限制。施工地质钻孔对于施工区域的地质条件有着具体的要求。当离层发育层位较高、离层隔水带厚度较大且岩性以黏土岩为主时，无论是地面疏放水钻孔还是井下导流孔、截流孔，其施工难度均较大。

针对所述问题，可考虑在地面施工钻孔(终孔位于离层空间)(张培森等， 2019b，2020b，2020c)，包括一级钻孔和二级钻孔，一级钻孔直径大于二级钻孔，一级钻孔内嵌厚壁套管，为防止松散层段对厚壁套管的影响，在厚壁套管外采用水泥浆全套管进行隔离封闭；二级钻孔扩至可能发育离层的地层底部，并下入厚壁花管，防止地层中泥岩层遇水软化崩解，使钻孔穿越泥岩段时孔身结构受到破坏，通过厚壁花管吸收含水层及离层空间中的水，设置矿用深井潜水泵对其进行抽排。地面钻孔结构示意图及其布设剖面图如图 9和图 10所示。

图 9 地面钻孔结构示意图Fig. 9 Structure diagram of surface variable diameter drilling

图 10 地面钻孔布设剖面图Fig. 10 Layout profile of surface variable diameter boreholes

4 展望

针对当前在离层水害预测预控治理理论和技术层面的不足之处，结合当下离层水害防治工作的实际，有针对性地从预防和预控两个角度提出了若干构想和理论研究方法：从预防的角度提出将光纤探测技术应用于煤矿防治水领域的构想，从预控的角度提出“地面+井下”抽疏(截)联动预控方法和一种无损采矿方法。

4.1 光纤探测技术

当前，对煤矿水害的探查方法均基于传统的物理探测技术(如高密度直流电法、瞬变电磁法、地震槽波等)和钻探技术，均存在探测精准率不高、探测布置施工工程量大、可探测范围有限等技术局限性，不利于对离层水害开展精准防控。现今光纤传感技术和光纤探测技术发展迅速，其在信息传输速度、传输量、传输精准度等方面具有显著的优势，已广泛应用于诸多行业。王正帅等(2017)、柴敬等(2018)、雷武林等(2019)已将光纤技术应用于煤矿开采过程中的监测工作，并取得了较为理想的探测效果，基于此，未来可以考虑开展光纤探测技术在煤矿水害防治方面的应用，特别是用于探测离层发育层位、离层积水量、煤层覆岩运移变化规律及其应力分布状态等，实现对离层水害的精准识别防控。

4.2 “地面+井下”抽疏(截)联动预控方法

当前，对离层积水的疏放、截流等仅限于采用在井下或地面施工钻孔的单一抽疏(截)方式，对不同情况(离层发育层位、离层赋存环境、离层隔水层岩性等)下离层积水的预处理措施存在局限性：单一的钻孔布置方式难以实现对离层积水的充分抽疏(截)，不能保证抽疏(截)过后离层积水水位在安全范围内；地面钻孔和井下钻孔均存在被地层中遇水软化崩解的泥岩堵塞、使钻孔穿越泥岩段时孔身结构受到破坏的可能，会大幅降低钻孔抽疏(截)水的效率，减少钻孔的使用年限。

基于单一钻孔布设方法在疏放、截流离层水技术方面的不足之处，提出了一种“地面+井下”抽疏(截)联动预控方法，具体描述为：同时在地面和井下施工钻孔，井下钻孔进行疏、截作业，地面钻孔进行抽排水作业，地面钻孔和井下钻孔之间可实现对水体的互补性抽疏(截)作业。采用所提“地面+井下”抽疏(截)联动预控方法对离层积水进行预处理，可有效提高钻孔疏排水效率、钻孔利用率和使用寿命，能对离层积水进行相对更加充分的抽疏(截)作业，尽可能使最终的积水水位位于安全范围内。“地面+井下”抽疏(截)联动预控方法钻孔布设剖面图如图 11所示。

图 11 “地面+井下”抽排(截)联动预控方法布置示意图Fig. 11 Layout diagram of “surface+underground” pumping (plugging) linkage pre-control method

4.3 一种无损采矿方法

由式(1)可知，煤层上覆岩层发育离层的条件之一即为具有足够的采出空间。由此可以考虑使用充填开采技术对离层水害进行预控。虽然当前充填开采技术发展成效显著、应用效果较好，但是，其仍存在诸多技术方面的不足，如采充并行作业困难、所用充填材料充填率低、充填成本高等。基于此，提出了一种采充独立复合型液压支架(张培森等， 2017)和一种无损采矿方法及其快速充填方法(张培森等， 2017，2019a)。采充独立复合型液压支架可同时掩护支撑覆岩形成两个工作面，即采煤工作面和充填工作面，两工作面一前一后，可实现随采随充，提高充填效率和充填效果，从根本上解决采充之间的作业矛盾，液压支架结构如图 12～图13所示。所述的无损采矿方法选用与煤体强度相当的物料作为充填材料，同时为方便运输、提高充填效率和充填效果，可将充填物料制作成规则块体。改进巷道布置方式(图 14)，从而在提高采空区充填率的同时也可进一步降低巷道开掘成本和运输成本，提高煤矿的综合效益。作为煤矿绿色开采技术领域的前沿课题，采充独立复合型液压支架和无损采矿法当前尚处于理论研究阶段，仍需开展进一步的深入研究，完善相关理论体系、建立工程应用预案，为实际应用的开展奠定基础。