承壓水上安全高效采煤國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

王宇坤　魏中舉　馮紹輝　杜衛(wèi)東　謝帥　肖念波

摘要：采用膏體對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填處理，使充填體與采空區(qū)頂?shù)装逍纬身敯?充填體-底板相互關(guān)聯(lián)的支承體系，該技術(shù)通過(guò)控制底板破壞的深度，可以對(duì)地下水資源起到較好的保護(hù)作用，尤其是承壓水上采煤條件下，能夠明顯改善煤礦的安全生產(chǎn)條件;另一方面，該技術(shù)通過(guò)對(duì)地表下沉變形的有效控制，實(shí)現(xiàn)開(kāi)采的不搬遷，可大大提高煤炭采出率;而且，將礦山固體廢物作為充填材料進(jìn)行利用，變廢為寶，可大大改善礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，文章分析了承壓水上安全高效采煤的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：承壓含水層;底板破壞;安全高效

引言

雖然近年來(lái)我國(guó)對(duì)于清潔能源進(jìn)行了大力開(kāi)發(fā)和研究，但我國(guó)的主要能源依然以煤炭資源為主的格局在未來(lái)的幾十年里估計(jì)不會(huì)發(fā)生改變。據(jù)此，為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可能持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)能源的清潔和合理開(kāi)采勢(shì)在必行。我國(guó)煤炭工業(yè)經(jīng)過(guò)百余年的發(fā)展，長(zhǎng)期以來(lái)貫行優(yōu)先開(kāi)采優(yōu)質(zhì)、賦存條件較好的煤層，隨著埋深較淺的煤層被大量采完，我國(guó)多數(shù)煤礦被迫進(jìn)入深部進(jìn)行采煤，目前我國(guó)許多煤礦的采深已經(jīng)超過(guò)千米。但隨著煤礦采深的增加，沖擊礦壓、地?zé)帷⒚号c瓦斯突出、底板突水等礦井災(zāi)害也大量增加，這對(duì)于煤礦的安全高效開(kāi)采構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。井田范圍內(nèi)地面村莊分布較多，村莊下采煤顯著，礦區(qū)地表共有村莊78個(gè)，村莊下壓煤量中可采儲(chǔ)量約為7900萬(wàn)t，占比超過(guò)80 %。該煤礦不僅面臨建筑物下采煤的難題，同時(shí)礦井煤層開(kāi)采還受到底板含水層突水的威脅，根據(jù)該煤礦現(xiàn)場(chǎng)水文鉆孔鉆探結(jié)果可知，目前開(kāi)采的16號(hào)煤層底板距離下方十三灰含水層上表面的垂距在23.6 ～ 28.4m之間，屬于近距離承壓水上采煤條件（開(kāi)采煤層與承壓水之間垂距小于20m～30m，煤層開(kāi)采時(shí)受承壓含水層的顯著影響）;各鉆孔探測(cè)含水層的水量基本未超過(guò)25 m/h，各鉆孔探明十三灰含水層的水壓在3.9 ～ 4.4 MPa范圍之內(nèi)，屬于高承壓含水層（水壓超過(guò)3MPa），突水系數(shù)為0.32 ～ 0.48 MPa/m。通過(guò)研究確定采用膏體充填采空區(qū)的綠色采礦技術(shù)，該技術(shù)不僅可以控制地表的下沉變形，也可以控制煤層下伏煤巖層破壞的深度，而且能夠提高資源的采出率，是一舉多得的技術(shù)措施。膏體充填開(kāi)采技術(shù)，漿體材料主要通過(guò)就地取材，再通過(guò)重力作用或充填泵泵送，將充填膏體漿體沿鋪設(shè)的充填管路輸送到井下待充填區(qū)域，膏體充填開(kāi)采技術(shù)屬于綠色采礦技術(shù)的重要部分。采用膏體對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填處理，使充填體與采空區(qū)頂?shù)装逍纬身敯?充填體-底板相互關(guān)聯(lián)的支承體系，該技術(shù)通過(guò)控制底板破壞的深度，可以對(duì)地下水資源起到較好的保護(hù)作用，尤其是承壓水上采煤條件下，能夠明顯改善煤礦的安全生產(chǎn)條件;另一方面，該技術(shù)通過(guò)對(duì)地表下沉變形的有效控制，實(shí)現(xiàn)開(kāi)采的不搬遷，可大大提高煤炭采出率;而且將礦山固體廢物作為充填材料進(jìn)行利用，變廢為寶，可大大改善礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

1 承壓水上采煤研究現(xiàn)狀

國(guó)外像波蘭、匈牙利、西班牙等國(guó)，他們國(guó)家煤層賦存條件中底板巖溶水較多，這些國(guó)家對(duì)于巖溶水上采煤下伏煤巖破壞深度課題的研究較早。而如美國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)，雖然產(chǎn)煤量較大，但由于賦存原因而基本沒(méi)有底板突水問(wèn)題，所以這些國(guó)家對(duì)于這方面的課題研究較少。M.鮑萊茨基等為了研究分析工作面開(kāi)采后下伏煤層的破壞特征，提出了工作面下伏煤巖層底鼓變形、開(kāi)裂和底板大塊巖層擠壓隆起變形等理論。

在20世紀(jì)初，國(guó)外對(duì)于工作面下伏隔水層和含水層突水之間的關(guān)系開(kāi)始進(jìn)行研究。1944年，匈牙利研究者韋格.弗倫斯提出工作面下伏隔水層概念的第一人，根據(jù)該研究理論，工作面下伏含水層突水的主要影響因素包括兩個(gè)：隔水層的厚度和下伏含水層的水壓。20世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)研究者B.斯列薩列夫提出工作面下伏煤巖層梁式模型理論，該模擬把底板看作受載均布且兩端固定的梁，再結(jié)合靜力學(xué)理論研究分析了工作面下伏含水層的水壓對(duì)煤層底板的破壞作用過(guò)程，進(jìn)而推導(dǎo)出了底板含水層的水壓值的計(jì)算公式。該公式計(jì)算過(guò)于簡(jiǎn)單，局限性較大，僅僅適用于小巷道的開(kāi)采面。20世紀(jì)60年代，我國(guó)研究者開(kāi)始借鑒前蘇聯(lián)、匈牙利等國(guó)家的開(kāi)采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論，在結(jié)合保護(hù)層開(kāi)采理論，我國(guó)研究者也開(kāi)始對(duì)承壓水上采煤下伏煤巖層突水的相關(guān)課題進(jìn)行研究，并提出了底板突水系數(shù)的定義。在20世紀(jì)80年代，隨著我國(guó)煤礦資源的大量開(kāi)采及采煤深度的不斷增加，保障承受水上安全采煤的問(wèn)題也日益嚴(yán)峻，我國(guó)許多研究者根據(jù)我煤層的賦存條件和開(kāi)采實(shí)際條件，總結(jié)出了針對(duì)我國(guó)煤層開(kāi)采實(shí)際的底板突水防治理論體系。根據(jù)巖石力學(xué)相關(guān)理論知識(shí)，國(guó)外學(xué)者C.F.Santos和Z.T.Bieniawski通過(guò)對(duì)巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則的改進(jìn)研究，提出了釋放能臨界點(diǎn)的定義，研究分析了工作面下伏煤巖層的破壞機(jī)理和承載能力。

在1996年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的錢(qián)鳴高院士在對(duì)工作面采煤前后下伏煤巖層結(jié)構(gòu)演變的研究基礎(chǔ)上，提出了關(guān)鍵層理論，該理論認(rèn)為工作面下伏煤巖層中隔水層的承載能力取決于關(guān)鍵層。通過(guò)結(jié)合巖石力學(xué)的理論，張金才等提出了底板“兩帶”理論。并結(jié)合塑性滑移線場(chǎng)理論和彈性理論，分析了下伏煤巖層采動(dòng)裂隙的分布規(guī)律和擴(kuò)展深度，并推導(dǎo)了下伏煤巖層的導(dǎo)水裂隙帶的理論計(jì)算式。劉天泉等通過(guò)總結(jié)底板裂隙發(fā)育及分布規(guī)律，提出了底板“下三帶”理論。

陳啟輝，馮啟言等為了研究分析煤層厚度1.15m的薄煤層開(kāi)采后工作面開(kāi)采過(guò)程中下伏煤巖的破壞深度及其規(guī)律，通過(guò)ADINA數(shù)值模擬分析，得到在工作面采煤經(jīng)過(guò)正斷層區(qū)域時(shí)，下伏含水層突水的最危險(xiǎn)位置在工作面經(jīng)過(guò)斷層帶和頂板初次來(lái)壓的地段，在工作面無(wú)斷層地質(zhì)構(gòu)造影響下，下伏煤巖層呈現(xiàn)“馬鞍型”破壞的形狀，底板破壞深度峰值出現(xiàn)在頂板初次來(lái)壓時(shí)，其值達(dá)到11m;當(dāng)工作面受斷層地質(zhì)構(gòu)造影響時(shí)，底板在初次來(lái)壓時(shí)將發(fā)生拉裂破壞，其破壞深度達(dá)16m，相比較于無(wú)斷層影響時(shí)增大了45%。史先志[11-15]為了研究分析煤層開(kāi)采深度較大、底板含有高承壓水條件下煤層開(kāi)采過(guò)程中底板變形破壞及太原組灰?guī)r裂隙型高承壓含水層的突水機(jī)理，揭示了大埋深（埋深696m～765m之間）、高承壓水（含水層水頭壓力值約為4.3MPa）條件下二2煤層開(kāi)采過(guò)程中底板破壞的演化特征，并基于該演化特征構(gòu)建了裂隙型太原組灰?guī)r含水層的突水模式，得出了大埋深高地應(yīng)力、高承壓含水層水壓共同作用下，煤層底板在采動(dòng)影響下裂隙逐漸向深部擴(kuò)展和高承壓含水層導(dǎo)升裂隙逐漸向上擴(kuò)展直至上下相互貫通進(jìn)而導(dǎo)致突水的理念，并提出了底板隔水層突水臨界時(shí)有效隔水層厚度表達(dá)式。彭祥超[11-15]基于工作面底板巖體在煤層采動(dòng)應(yīng)力變化和底板含水層水壓的共同作用條件下，系統(tǒng)分析了承壓水上急傾斜煤層開(kāi)采誘發(fā)工作面底板巖層的破壞和突水特征，從沿煤層走向和傾向兩方面出發(fā)分析底板破壞及突水受煤層角度、工作面傾斜長(zhǎng)度及走向推進(jìn)距離影響的關(guān)系;并基于承壓水上急傾斜煤層開(kāi)采特點(diǎn)，構(gòu)建了承壓水上急傾斜煤層開(kāi)采的流固耦合三維數(shù)值模擬力學(xué)模型，通過(guò)FLAC3D軟件模擬分析了沿煤層走向和傾斜方向底板巖體垂直應(yīng)力、底板位移、塑性區(qū)等特征。徐智敏等[11-15]通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合，以新義礦為典型工程案例，對(duì)高承壓水上采煤底板受采動(dòng)影響而發(fā)生破壞及突水通道的發(fā)育演化規(guī)律進(jìn)行分析，得出開(kāi)采過(guò)程中底板巖層應(yīng)力、孔隙水壓力及電阻率的變化特征，并提出將其作為預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)礦井臨突的重要信息源;基于流–固耦合構(gòu)建了底板采動(dòng)破壞數(shù)值模擬力學(xué)模型，通過(guò)模擬得出底板破壞深度最大為23.75m，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)11011試驗(yàn)工作面底板破壞深度約為25 m的結(jié)果相接近。

通過(guò)歸納總結(jié)現(xiàn)有研究成果可發(fā)現(xiàn)，其研究普遍基于距離承壓含水層較遠(yuǎn)、高承壓含水層條件下煤炭資源開(kāi)采，雖然構(gòu)建了諸多可以理論分析底板應(yīng)力分布和破壞深度的力學(xué)模型，且所總結(jié)的底板應(yīng)力分布和破壞特征在基于莫爾一庫(kù)倫準(zhǔn)則下均可合理解釋和描述其規(guī)律，但對(duì)于煤礦在“三下一上”特殊條件下的采煤工程，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況往往非常特殊且復(fù)雜，尤其在近距離、高承壓含水層上復(fù)雜條件下采煤極易造成底板巖層的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致底板隔水關(guān)鍵層功能的失效，從而使底板突水的安全風(fēng)險(xiǎn)性增大。據(jù)此，基于近距離、高承壓含水層復(fù)雜開(kāi)采條件下煤炭資源的綠色、安全高效開(kāi)采仍然是亟需進(jìn)行深入研究的重大課題。

2 承壓水上充填開(kāi)采研究現(xiàn)狀

充填開(kāi)采技術(shù)屬于綠色采礦技術(shù)重要組成部分，該技術(shù)不僅可以控制地表的下沉變形，也可以控制煤層下伏煤巖層破壞的深度，而且能夠提高資源的采出率，是一舉多得的技術(shù)措施。根據(jù)充填開(kāi)采的技術(shù)和工藝對(duì)其進(jìn)行歸類(lèi)，將充填開(kāi)采劃分為四個(gè)階段[16-20]：

（1）在20世紀(jì)40年代之前，為充填開(kāi)采的第一階段，這個(gè)時(shí)期的充填開(kāi)采主要采用干式的廢石充填。廢石干式充填技術(shù)是將礦山廢棄煤矸石充填采空區(qū)，對(duì)于充填物的使用效果和性質(zhì)未進(jìn)行深入的研究，充填的最初目的僅僅是為了對(duì)礦山廢棄煤矸石進(jìn)行處理。典型應(yīng)用案例如，在20世紀(jì)初期，澳大利亞和加拿大一些礦井開(kāi)始采用干式的廢石充填技術(shù)。20世紀(jì)50年代前，我國(guó)的煤礦企業(yè)開(kāi)始引入廢石干式充填技術(shù)，到50年代初我國(guó)的煤礦企業(yè)已大量采用該充填采礦方法。根據(jù)1955年國(guó)內(nèi)統(tǒng)計(jì)，干式廢石充填法在開(kāi)采黑色金屬的礦井中的占比約為54.8%，在開(kāi)采有色金屬礦井中的占比約為38.2%，從而實(shí)現(xiàn)使用干式廢石充填法的礦石產(chǎn)量在總礦石產(chǎn)量中的占比達(dá)到1/3以上。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量的實(shí)踐應(yīng)用表明，廢石干式充填技術(shù)不僅效率低，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，在20世紀(jì)50年代以后，隨著崩落采礦法的興起，該充填技術(shù)逐漸被淘汰。

（2）在20世紀(jì)40年代至50年代之間，為充填開(kāi)采的第二階段，這個(gè)時(shí)期的充填開(kāi)采主要采用水砂充填。水砂充填技術(shù)最先在20世紀(jì)40年底至50年代之間被加拿大和澳大利亞某些礦山提出并實(shí)踐，該技術(shù)通過(guò)水力把尾砂輸送至煤礦井下采空區(qū)待充填區(qū)域。水砂充填技術(shù)中采用的充填料的濃度通常只有60%～70%之間，濃度相對(duì)較低，所以充填料需要在井下工作面進(jìn)行大量的脫水處理，去除充填料尾砂中的細(xì)泥。為了保證水砂充填開(kāi)采脫水的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提出了滲透速度在脫水過(guò)程中要達(dá)到超過(guò)100mm/h的要求。在20世紀(jì)60年代之后，我國(guó)才開(kāi)始引入國(guó)外的水砂充填技術(shù)，到70年代，我國(guó)采用水砂充填技術(shù)的黑色、有色及黃金礦井達(dá)到60多座。水砂充填技術(shù)在我國(guó)在相對(duì)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)被廣泛的采用，該技術(shù)主要可用作地表建筑物的保護(hù)，也可用作控制地表的下沉變形。水砂充填技術(shù)在50年代以后，在蛟河、遼源、新汶、井陘、扎賚諾爾、撫順、鶴崗、阜新等礦區(qū)得到廣泛采用，根據(jù)1957年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)通過(guò)水砂充填技術(shù)采煤量占全國(guó)采煤量的15.58%，產(chǎn)量達(dá)到1117萬(wàn)t。但由于水砂充填技術(shù)的成本較高，工藝系統(tǒng)復(fù)雜，到到70年代以后，該技術(shù)逐漸被淘汰，目前我國(guó)礦井基本已經(jīng)完全淘汰了該技術(shù)。

（3）在20世紀(jì)60年代至70年代之間，為充填開(kāi)采的第三階段，這個(gè)時(shí)期的充填開(kāi)采主要采用尾砂低濃度膠結(jié)充填。尾砂低濃度膠結(jié)充填技術(shù)最先在20世紀(jì)60年代被澳大利亞一些礦井應(yīng)用，通過(guò)該技術(shù)對(duì)礦柱進(jìn)行回采，充填料中添加水泥占比12%。膠結(jié)充填在我國(guó)最先出現(xiàn)時(shí)以混凝土充填為主?；炷脸涮罴夹g(shù)對(duì)于充填料的配比要求較高，而且充填料的輸送工藝很復(fù)雜，在20世紀(jì)70年代之后細(xì)沙膠結(jié)充填就逐漸被取代混凝土充填技術(shù)。

（4）在20世紀(jì)80年代至90年代之間，為充填開(kāi)采的第四階段，此階段充填技術(shù)的代表為全尾砂膠結(jié)充填，具體又可分為高水充填、膏體充填。由于全尾砂膠結(jié)充填存在井下脫水困難且充填的強(qiáng)度難以得到保證，而且隨著我國(guó)對(duì)于礦山環(huán)境的保護(hù)要求不斷提高，全尾砂充填技術(shù)逐漸被礦山企業(yè)所淘汰，基于這樣的背景下膏體充填逐漸被國(guó)內(nèi)研究者提出并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。在20世紀(jì)80年代初，德國(guó)鉛鋅礦井首次提出進(jìn)行膏體充填的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。在德國(guó)應(yīng)用成功之后，在世界澳大利亞、坦桑尼亞、葡萄牙、南非、美國(guó)、摩洛哥、英國(guó)、加拿大、俄羅斯、土耳其等國(guó)也隨后開(kāi)始對(duì)該技術(shù)進(jìn)行試用和推廣。與煤礦企業(yè)不同的是，金屬礦山企業(yè)推廣應(yīng)用膏體充填技術(shù)主要目的是提高出礦品位和礦石采出率，而非針對(duì)地表沉陷治理的問(wèn)題。在20世紀(jì)90年代初，我國(guó)逐步開(kāi)始進(jìn)行膏體充填的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。充填開(kāi)采技術(shù)屬于綠色采礦技術(shù)重要組成部分，該技術(shù)不僅可以控制地表的下沉變形，也可以控制煤層下伏煤巖層破壞的深度，而且能夠提高資源的采出率，是一舉多得的技術(shù)措施。隨著煤炭資源的不斷減少且最終枯竭，加之我們國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)于能源需求的不斷增加，以及可持續(xù)性發(fā)展對(duì)環(huán)境保護(hù)提出的新要求，都使得礦山環(huán)境保護(hù)、“三下一上”特殊煤層賦存條件下采煤受到更高的重視。充填技術(shù)普通應(yīng)用于波蘭和德國(guó)，其中波蘭“三下”賦存條件的煤層采用充填技術(shù)開(kāi)采的煤炭產(chǎn)量占總量達(dá)到80%以上。相對(duì)而言，我國(guó)礦山企業(yè)對(duì)于充填開(kāi)采的理論和實(shí)踐研究起步較晚，從20世紀(jì)50年代初，干式充填開(kāi)始在我國(guó)礦井出現(xiàn)，到60～70年代發(fā)展到的水砂充填（不含膠結(jié)劑）和膠結(jié)充填，到80年代以后，膠結(jié)充填、膏體充填得到廣泛應(yīng)用和推廣。

周華強(qiáng)教授帶領(lǐng)的課題研究團(tuán)隊(duì)首次在濟(jì)寧市太平煤礦開(kāi)展厚煤層分層充填開(kāi)采技術(shù)工業(yè)性試驗(yàn)并取得較好應(yīng)用效果。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)研究得出：工作面底板破壞深度與采高成正比例增長(zhǎng)，直到采高上升至某一高度后，底板破壞深度開(kāi)始趨于穩(wěn)定值;采用傳統(tǒng)垮落法開(kāi)采時(shí)底板破壞深度在12m左右，突水系數(shù)在0.19～0.56之間，而采用膏體充填開(kāi)采后底板破深度下降至2 m左右，突水系數(shù)下降至0.08～0.20之間，底板破壞控制效果顯著。韓興華針對(duì)膏體充填開(kāi)采如何提高充填材料的接頂率和降低充填體的壓縮量的問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值模擬分別采用傳統(tǒng)垮落法和膨脹性膏體充填法時(shí)地表及覆巖的移動(dòng)變形特征，并通過(guò)不同充填開(kāi)采方案分析控制采場(chǎng)圍巖的效果。結(jié)果表明：當(dāng)未采用充填開(kāi)采時(shí)，受到地表移動(dòng)變形影響地表建筑物超過(guò)I級(jí)破壞允許值;在采用充填開(kāi)采的各方案中，隨著膨潤(rùn)土在充填材料中的占比逐漸增加，充填體控制地表沉陷和覆巖移動(dòng)變形的效果表現(xiàn)為先增強(qiáng)再逐漸減弱的特征，當(dāng)水泥與膨潤(rùn)土質(zhì)量之比為5：2時(shí)，地表下沉量、水平變形量及傾斜量都最低，此次膨脹性膏體充填體控制底板下沉和覆巖移動(dòng)的效果最佳。

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作者簡(jiǎn)介：王宇坤（2001.01-），男，漢族，貴州省盤(pán)州市人，在讀本科學(xué)生，主要從事采礦工程專(zhuān)業(yè)方面的學(xué)習(xí)和研究。

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202110977017）。