煤矿矿井水安全防控与保护技术及实践-张玉军

近日，在国家矿山安全监察局组织的“矿山安全科技进河南”活动中，中煤科工开采研究院有限公司安全与生态环境研究分院院长张玉军分享了《煤矿矿井水安全防控与保护技术及实践》的报告。

一、研究背景

我国煤矿区水体类型丰富多样，涵盖地表水、顶板孔隙裂隙水、底板灰岩水、老空水等，且突水通道如采动裂缝、陷落柱、钻孔等变化多端。在高强度开采与特殊复杂水文地质条件的相互作用下，矿井水害依旧是主要灾害之一。

含水层疏水降压作为水害防控的关键手段，虽能起到一定作用，但过量疏放不仅会增加矿井涌水量和排水费用，还会致使地下水位大幅下降，使得水害精准防控与水资源保护面临巨大挑战。

尽管我国已形成了一套适用于煤矿实际的水体下、承压水上采煤及水害防控安全开采技术，但随着煤炭开采深度、厚度和规模的不断加大，深部矿井、高强度开采以及特殊地质和生态环境条件等因素，使得煤矿水害精准防控与水资源保护的难度显著增加。因此，亟需开展并创新水害防治与水资源协同保护理论与技术，构建不同地质及开采条件下的含水体防控与保护技术体系。

二、顶板含水层控水开采技术及应用

（一）我国顶板水害防控与水资源保护发展现状

依据地表水体、松散含水层水体和基岩含水层水体的赋存状态、水力联系以及水体下采煤的经验，可将水体分为单一水体和复合水体两大类型，共 7 种。其中，单一水体包括单纯的地表水体、松散含水层水体和基岩含水层水体，共 3 种；复合水体是上述单一水体的不同组合，常见的有 4 种。

我国从五十年代便开始了水体下采煤的系统研究与实践，成功实现了海域、河流、湖泊、水库、松散含水层、基岩含水层、岩溶等各种水体下的采煤，并形成了一套符合我国煤矿实际的理论和安全开采技术与措施。

（二）控水开采技术原理及体系构建

综合考量煤矿安全、经济和水资源保护等合理因素，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、相应的采煤工艺和覆岩控制技术，基于覆岩采动裂隙垂向导水性差异分区特征和采动覆岩隔水特性，通过控制导水裂缝带垂向不同分带进入含水层的扰动范围，来控制工作面充水量和充水形式，最终实现 “控水保安全，保水促生态” 的双重目标。

该技术解决了水体下留设不同类型防水煤岩柱导致煤炭资源大量损失，以及过量疏放含水层造成地下水位大幅下降、矿区生态环境严重破坏等问题。

（三）关键技术

1.基于瞬变电磁的顶板含水层富水性精细探测技术

开发了考虑关断时间的全空间全程视电阻率计算方法，有效解决了探测过程中因虚假高阻异常导致探查结果存在较大盲区，难以满足近距离煤层顶板含水层富水性探测精度要求的问题。

2.基于主控岩层的导水裂缝带发育高度预计方法

以我国 14 大煤炭基地为区域，绘制了国内厚及特厚煤层综放和大采高综采条件下导水裂缝带高度分布图，成功解决了高强度开采导水裂缝带高度准确预计的难题。

3.采动覆岩破坏全周期多参量协同动态监测方法

构建了静态观测与动态观测相结合的多参量协同监测体系。静态观测通过地面或井下钻孔冲洗液漏失量观测配合钻孔窥视分析覆岩破坏高度；动态观测借助电法、微震、光纤等方法获取不同采动程度下的覆岩破坏情况，实现了对采动岩层的导水性、物性、能量释放以及覆岩应力、变形、水位等多参量的动态监测。

4.顶板坚硬主控岩层预裂弱化控制导水裂缝带技术

利用顶板破坏高度随岩层完整性和强度降低而显著降低的特性，采用预裂技术将原连续性好的坚硬岩层压裂为非连续性的软弱岩层，抑制采动裂隙向上发展，减少对顶板含水层的扰动范围和影响程度，解决了传统以牺牲资源回收率和改变采煤工艺为主的导水裂缝带控制问题。

5.含水层弱扰动精准消峰可控疏放技术

提出了基于排水能力约束的顶板含水层采前精准预疏降方法，依据采动裂缝导水能力确定采前疏放水目标层位和安全水位高度，科学设计疏放钻孔和疏降层位，解决了对含水层不必要的过度疏降问题，减少了人为钻孔涌水通道。

6.“微震 - 矿压 - 水文” 一体化监测预警平台

开发了包含 “含水层水位绝对值、变化速度以及变化趋势” 三参量的采动含水层扰动程度动静权重综合预测模型，结合基于微震事件追踪的导水裂缝带发育高度预测方法，建立了水文监测预警平台。

（四）工程实践案例

1.蒙东弱固结松软含水层综放控水开采应用

针对蒙东扎赉诺尔矿区顶板多层弱固结砂岩含水层存在突水及溃砂灾害的问题，采用可控疏水与分段阶梯控制放煤相结合，以及先疏后采与边疏边采、部分顶水开采相结合的方式，实现了对不同含水层的科学疏降，应用该技术 10 余年来未出现工作面突水及溃砂灾害。

2.蒙陕深部多重高承压顶板含水层控保开采技术实践

针对蒙陕深部纳林河二号煤矿顶板多重高承压含水层（水压 5.2MPa）威胁，利用延安组和直罗组采动裂缝发育的垂向分带性，采用 “先疏后采与边采边疏相结合” 的控水方案，相比传统疏干放净方案，在钻孔垂直高度、放水钻孔总长度、单孔最大水量、钻孔总放水量等多项指标上均有显著改善。

3.10m 超大采高顶板复合水体下控水开采应用

基于红土层遇裂缝可弥合再生隔水及对采动裂缝的抑制作用，采用 “静储量精准疏放 + 动补给增排分流 + 全空间流场监测 + 局部防切顶漏顶” 的复合顶板水防控方案，实现了超大采高控水安全高效开采和生态潜水地下水的有效保护。

三、底板灰岩含水层超前区域治理与保护技术

（一）底板灰岩水害现状及治理需求

底板奥陶系灰岩水是华北型石炭二叠纪煤田开采的主要威胁，该含水层含水能力高，岩溶裂隙发育，一旦突水将造成大量人员伤亡及财产损失。随着煤矿采深逐年增加，煤层底板水压逐渐增大，超薄隔水层底板逐渐增多，底板突水具有突发性强、无明显前兆、水量增速快、灾害控制难度大、突水往往具有时滞性、突水量与过水通道相互促进、经济人员损失大且复矿难度大等特征。

（二）地面区域治理技术

地面区域治理技术将煤炭行业地面预注浆技术与石油行业的定向井技术相结合，在巷道掘进或工作面回采之前，对底板含水层进行超前区域定向注浆改造，形成了 “探查、治理、检验、评估、补注” 为一体的区域治理技术，实现底板水害安全防控与水资源保护开采。

（三）关键成果

1.煤层底板破坏深度多参量全空间协同监测方法

采用钻孔注水试验法、钻孔窥视法、钻孔分布式光纤监测法、瞬变电磁法四种方法，构建了煤层底板全空间点 - 线 - 面协同监测模式，将煤层底板采动影响区从纵向上划分为导水裂隙带、微小裂隙带、物性差异带，更精确地指导了突水危险性评价及治理层位的确定。

2.奥灰地层可注性评估和治理靶区确定方法

融合多源地质数据挖掘、原位渗透性测试和数字岩心技术，揭示了豫西矿区奥灰地层 “整体低渗～裂隙闭合～构造隐伏” 的区域性特征，将区域治理改造分为紧急区、主要区、次要区、暂缓区和观察区 5 个等级。

3.三类带压开采概化地质模型及突水机理

基于豫西矿区典型承压水上开采地质条件，结合典型突水案例分析，提出了薄隔水层、中（厚）隔水层含隐伏断层、重复采动下厚隔水层煤层底板突水的三类概化地质模型，揭示了相应的突水机理。

4.精准定向导向技术与隐伏通道识别模型

研发了考虑子午角和磁偏角的精准定向导向技术，结合岩屑 - 伽马多因素融合隐伏通道识别模型，实现了泥质灰岩层位轨迹精准控制与隐伏导水通道靶向识别封堵。

5.“控压增量” 三阶段控制型注浆工艺

揭示了浆液颗粒相变团聚机制，提出了适用于低渗泥灰岩的 “控压增量” 三阶段控制型注浆工艺，该工艺使得注浆时间延长至 2~10 倍，延米平均注浆量由 1.2t 提升至 4.7t。

6.构造主控通道和原生低渗通道异化浆液扩散特征

基于注浆过程中的示踪试验、井下串浆、井下钻孔揭露注浆浆液、裂隙精细定量数值模拟等手段，获得了构造主控通道和原生低渗通道异化浆液扩散特征。

7.底板复合承压含水层多层立体区域治理模式

针对深部高水压突水特点，形成了底板复合承压含水层多层立体区域治理模式，实现了深部高承压水上减水开采和无害化开采。

（四）工程实践

孟津煤矿 11030 工作面区域治理累计钻探量 14136.04m、注浆量 44344t、平均注浆量 3.84t/m，首治工作面已正常推采结束，底板未出水。实践表明，工作面区域治理完成时间要提前于采掘 0.5~1 年，同时要重视井上下治理、检验工作，设置井下检验孔注浆标准，对于水压大、治理层位深的区域要局部加密治理和双层补强治理。

四、总结与展望

煤矿矿井水安全防控与保护技术的研究与应用，对于保障煤矿安全生产、保护水资源和生态环境具有重要意义。通过顶板含水层控水开采技术和底板灰岩含水层超前区域治理与保护技术的不断创新与实践，我国在煤矿水害防治领域取得了显著成效。未来，需进一步结合智能化、数字化技术，深化对复杂地质条件下矿井水害形成机理的研究，不断完善水害防控与水资源保护技术体系，为煤矿行业的绿色可持续发展提供更有力的技术支撑。