承壓水上安全高效采煤國內外研究現狀分析

王宇坤　魏中舉　馮紹輝　杜衛東　謝帥　肖念波

摘要：采用膏體對采空區進行充填處理，使充填體與采空區頂底板形成頂板-充填體-底板相互關聯的支承體系，該技術通過控制底板破壞的深度，可以對地下水資源起到較好的保護作用，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條件;另一方面，該技術通過對地表下沉變形的有效控制，實現開采的不搬遷，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行利用，變廢為寶，可大大改善礦區的生態環境，文章分析了承壓水上安全高效采煤的國內外研究現狀。

關鍵詞：承壓含水層;底板破壞;安全高效

引言

雖然近年來我國對于清潔能源進行了大力開發和研究，但我國的主要能源依然以煤炭資源為主的格局在未來的幾十年里估計不會發生改變。據此，為了實現我國經濟的可能持續發展，實現能源的清潔和合理開采勢在必行。我國煤炭工業經過百余年的發展，長期以來貫行優先開采優質、賦存條件較好的煤層，隨著埋深較淺的煤層被大量采完，我國多數煤礦被迫進入深部進行采煤，目前我國許多煤礦的采深已經超過千米。但隨著煤礦采深的增加，沖擊礦壓、地熱、煤與瓦斯突出、底板突水等礦井災害也大量增加，這對于煤礦的安全高效開采構成了嚴重的威脅。井田范圍內地面村莊分布較多，村莊下采煤顯著，礦區地表共有村莊78個，村莊下壓煤量中可采儲量約為7900萬t，占比超過80 %。該煤礦不僅面臨建筑物下采煤的難題，同時礦井煤層開采還受到底板含水層突水的威脅，根據該煤礦現場水文鉆孔鉆探結果可知，目前開采的16號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（開采煤層與承壓水之間垂距小于20m～30m，煤層開采時受承壓含水層的顯著影響）;各鉆孔探測含水層的水量基本未超過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，屬于高承壓含水層（水壓超過3MPa），突水系數為0.32 ～ 0.48 MPa/m。通過研究確定采用膏體充填采空區的綠色采礦技術，該技術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，是一舉多得的技術措施。膏體充填開采技術，漿體材料主要通過就地取材，再通過重力作用或充填泵泵送，將充填膏體漿體沿鋪設的充填管路輸送到井下待充填區域，膏體充填開采技術屬于綠色采礦技術的重要部分。采用膏體對采空區進行充填處理，使充填體與采空區頂底板形成頂板-充填體-底板相互關聯的支承體系，該技術通過控制底板破壞的深度，可以對地下水資源起到較好的保護作用，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條件;另一方面，該技術通過對地表下沉變形的有效控制，實現開采的不搬遷，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行利用，變廢為寶，可大大改善礦區的生態環境。

1 承壓水上采煤研究現狀

國外像波蘭、匈牙利、西班牙等國，他們國家煤層賦存條件中底板巖溶水較多，這些國家對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、加拿大、澳大利亞等國，雖然產煤量較大，但由于賦存原因而基本沒有底板突水問題，所以這些國家對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、開裂和底板大塊巖層擠壓隆起變形等理論。

在20世紀初，國外對于工作面下伏隔水層和含水層突水之間的關系開始進行研究。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：隔水層的厚度和下伏含水層的水壓。20世紀40年代，前蘇聯研究者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，再結合靜力學理論研究分析了工作面下伏含水層的水壓對煤層底板的破壞作用過程，進而推導出了底板含水層的水壓值的計算公式。該公式計算過于簡單，局限性較大，僅僅適用于小巷道的開采面。20世紀60年代，我國研究者開始借鑒前蘇聯、匈牙利等國家的開采實踐經驗和理論，在結合保護層開采理論，我國研究者也開始對承壓水上采煤下伏煤巖層突水的相關課題進行研究，并提出了底板突水系數的定義。在20世紀80年代，隨著我國煤礦資源的大量開采及采煤深度的不斷增加，保障承受水上安全采煤的問題也日益嚴峻，我國許多研究者根據我煤層的賦存條件和開采實際條件，總結出了針對我國煤層開采實際的底板突水防治理論體系。根據巖石力學相關理論知識，國外學者C.F.Santos和Z.T.Bieniawski通過對巖體強度準則的改進研究，提出了釋放能臨界點的定義，研究分析了工作面下伏煤巖層的破壞機理和承載能力。

在1996年，中國礦業大學的錢鳴高院士在對工作面采煤前后下伏煤巖層結構演變的研究基礎上，提出了關鍵層理論，該理論認為工作面下伏煤巖層中隔水層的承載能力取決于關鍵層。通過結合巖石力學的理論，張金才等提出了底板“兩帶”理論。并結合塑性滑移線場理論和彈性理論，分析了下伏煤巖層采動裂隙的分布規律和擴展深度，并推導了下伏煤巖層的導水裂隙帶的理論計算式。劉天泉等通過總結底板裂隙發育及分布規律，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的薄煤層開采后工作面開采過程中下伏煤巖的破壞深度及其規律，通過ADINA數值模擬分析，得到在工作面采煤經過正斷層區域時，下伏含水層突水的最危險位置在工作面經過斷層帶和頂板初次來壓的地段，在工作面無斷層地質構造影響下，下伏煤巖層呈現“馬鞍型”破壞的形狀，底板破壞深度峰值出現在頂板初次來壓時，其值達到11m;當工作面受斷層地質構造影響時，底板在初次來壓時將發生拉裂破壞，其破壞深度達16m，相比較于無斷層影響時增大了45%。史先志[11-15]為了研究分析煤層開采深度較大、底板含有高承壓水條件下煤層開采過程中底板變形破壞及太原組灰巖裂隙型高承壓含水層的突水機理，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煤層開采過程中底板破壞的演化特征，并基于該演化特征構建了裂隙型太原組灰巖含水層的突水模式，得出了大埋深高地應力、高承壓含水層水壓共同作用下，煤層底板在采動影響下裂隙逐漸向深部擴展和高承壓含水層導升裂隙逐漸向上擴展直至上下相互貫通進而導致突水的理念，并提出了底板隔水層突水臨界時有效隔水層厚度表達式。彭祥超[11-15]基于工作面底板巖體在煤層采動應力變化和底板含水層水壓的共同作用條件下，系統分析了承壓水上急傾斜煤層開采誘發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分析底板破壞及突水受煤層角度、工作面傾斜長度及走向推進距離影響的關系;并基于承壓水上急傾斜煤層開采特點，構建了承壓水上急傾斜煤層開采的流固耦合三維數值模擬力學模型，通過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力、底板位移、塑性區等特征。徐智敏等[11-15]通過數值模擬和現場實測相結合，以新義礦為典型工程案例，對高承壓水上采煤底板受采動影響而發生破壞及突水通道的發育演化規律進行分析，得出開采過程中底板巖層應力、孔隙水壓力及電阻率的變化特征，并提出將其作為預報監測礦井臨突的重要信息源;基于流–固耦合構建了底板采動破壞數值模擬力學模型，通過模擬得出底板破壞深度最大為23.75m，與現場實測11011試驗工作面底板破壞深度約為25 m的結果相接近。

通過歸納總結現有研究成果可發現，其研究普遍基于距離承壓含水層較遠、高承壓含水層條件下煤炭資源開采，雖然構建了諸多可以理論分析底板應力分布和破壞深度的力學模型，且所總結的底板應力分布和破壞特征在基于莫爾一庫倫準則下均可合理解釋和描述其規律，但對于煤礦在“三下一上”特殊條件下的采煤工程，現場實際情況往往非常特殊且復雜，尤其在近距離、高承壓含水層上復雜條件下采煤極易造成底板巖層的破壞，進而導致底板隔水關鍵層功能的失效，從而使底板突水的安全風險性增大。據此，基于近距離、高承壓含水層復雜開采條件下煤炭資源的綠色、安全高效開采仍然是亟需進行深入研究的重大課題。

2 承壓水上充填開采研究現狀

充填開采技術屬于綠色采礦技術重要組成部分，該技術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，是一舉多得的技術措施。根據充填開采的技術和工藝對其進行歸類，將充填開采劃分為四個階段[16-20]：

（1）在20世紀40年代之前，為充填開采的第一階段，這個時期的充填開采主要采用干式的廢石充填。廢石干式充填技術是將礦山廢棄煤矸石充填采空區，對于充填物的使用效果和性質未進行深入的研究，充填的最初目的僅僅是為了對礦山廢棄煤矸石進行處理。典型應用案例如，在20世紀初期，澳大利亞和加拿大一些礦井開始采用干式的廢石充填技術。20世紀50年代前，我國的煤礦企業開始引入廢石干式充填技術，到50年代初我國的煤礦企業已大量采用該充填采礦方法。根據1955年國內統計，干式廢石充填法在開采黑色金屬的礦井中的占比約為54.8%，在開采有色金屬礦井中的占比約為38.2%，從而實現使用干式廢石充填法的礦石產量在總礦石產量中的占比達到1/3以上。經過現場大量的實踐應用表明，廢石干式充填技術不僅效率低，而且勞動強度大，在20世紀50年代以后，隨著崩落采礦法的興起，該充填技術逐漸被淘汰。

（2）在20世紀40年代至50年代之間，為充填開采的第二階段，這個時期的充填開采主要采用水砂充填。水砂充填技術最先在20世紀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踐，該技術通過水力把尾砂輸送至煤礦井下采空區待充填區域。水砂充填技術中采用的充填料的濃度通常只有60%～70%之間，濃度相對較低，所以充填料需要在井下工作面進行大量的脫水處理，去除充填料尾砂中的細泥。為了保證水砂充填開采脫水的工業標準，提出了滲透速度在脫水過程中要達到超過100mm/h的要求。在20世紀60年代之后，我國才開始引入國外的水砂充填技術，到70年代，我國采用水砂充填技術的黑色、有色及黃金礦井達到60多座。水砂充填技術在我國在相對長的一段時間內被廣泛的采用，該技術主要可用作地表建筑物的保護，也可用作控制地表的下沉變形。水砂充填技術在50年代以后，在蛟河、遼源、新汶、井陘、扎賚諾爾、撫順、鶴崗、阜新等礦區得到廣泛采用，根據1957年統計數據，我國通過水砂充填技術采煤量占全國采煤量的15.58%，產量達到1117萬t。但由于水砂充填技術的成本較高，工藝系統復雜，到到70年代以后，該技術逐漸被淘汰，目前我國礦井基本已經完全淘汰了該技術。

（3）在20世紀60年代至70年代之間，為充填開采的第三階段，這個時期的充填開采主要采用尾砂低濃度膠結充填。尾砂低濃度膠結充填技術最先在20世紀60年代被澳大利亞一些礦井應用，通過該技術對礦柱進行回采，充填料中添加水泥占比12%。膠結充填在我國最先出現時以混凝土充填為主?；炷脸涮罴夹g對于充填料的配比要求較高，而且充填料的輸送工藝很復雜，在20世紀70年代之后細沙膠結充填就逐漸被取代混凝土充填技術。

（4）在20世紀80年代至90年代之間，為充填開采的第四階段，此階段充填技術的代表為全尾砂膠結充填，具體又可分為高水充填、膏體充填。由于全尾砂膠結充填存在井下脫水困難且充填的強度難以得到保證，而且隨著我國對于礦山環境的保護要求不斷提高，全尾砂充填技術逐漸被礦山企業所淘汰，基于這樣的背景下膏體充填逐漸被國內研究者提出并進行了現場應用。在20世紀80年代初，德國鉛鋅礦井首次提出進行膏體充填的現場應用。在德國應用成功之后，在世界澳大利亞、坦桑尼亞、葡萄牙、南非、美國、摩洛哥、英國、加拿大、俄羅斯、土耳其等國也隨后開始對該技術進行試用和推廣。與煤礦企業不同的是，金屬礦山企業推廣應用膏體充填技術主要目的是提高出礦品位和礦石采出率，而非針對地表沉陷治理的問題。在20世紀90年代初，我國逐步開始進行膏體充填的現場試驗。充填開采技術屬于綠色采礦技術重要組成部分，該技術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，是一舉多得的技術措施。隨著煤炭資源的不斷減少且最終枯竭，加之我們國民經濟發展對于能源需求的不斷增加，以及可持續性發展對環境保護提出的新要求，都使得礦山環境保護、“三下一上”特殊煤層賦存條件下采煤受到更高的重視。充填技術普通應用于波蘭和德國，其中波蘭“三下”賦存條件的煤層采用充填技術開采的煤炭產量占總量達到80%以上。相對而言，我國礦山企業對于充填開采的理論和實踐研究起步較晚，從20世紀50年代初，干式充填開始在我國礦井出現，到60～70年代發展到的水砂充填（不含膠結劑）和膠結充填，到80年代以后，膠結充填、膏體充填得到廣泛應用和推廣。

周華強教授帶領的課題研究團隊首次在濟寧市太平煤礦開展厚煤層分層充填開采技術工業性試驗并取得較好應用效果。通過現場研究得出：工作面底板破壞深度與采高成正比例增長，直到采高上升至某一高度后，底板破壞深度開始趨于穩定值;采用傳統垮落法開采時底板破壞深度在12m左右，突水系數在0.19～0.56之間，而采用膏體充填開采后底板破深度下降至2 m左右，突水系數下降至0.08～0.20之間，底板破壞控制效果顯著。韓興華針對膏體充填開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題，通過數值模擬分別采用傳統垮落法和膨脹性膏體充填法時地表及覆巖的移動變形特征，并通過不同充填開采方案分析控制采場圍巖的效果。結果表明：當未采用充填開采時，受到地表移動變形影響地表建筑物超過I級破壞允許值;在采用充填開采的各方案中，隨著膨潤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變形的效果表現為先增強再逐漸減弱的特征，當水泥與膨潤土質量之比為5：2時，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的效果最佳。

參考文獻：

[1]陳軍濤，郭惟嘉，尹立明，等.深部開采底板裂隙擴展演化規律試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2016，35（11）：2298-2306.

[2]華心祝，楊朋.深井大斷面沿空留巷底板變形動態演化特征研究[J]. 中國礦業大學學報，2018，47（3）：494-501.

[3]王連國，韓猛，王占盛，等.采場底板應力分布與破壞規律研究[J]. 采礦與安全工程學報，2013，30（3）：317-322.

作者簡介：王宇坤（2001.01-），男，漢族，貴州省盤州市人，在讀本科學生，主要從事采礦工程專業方面的學習和研究。

國家級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：202110977017）。