武 強(qiáng)，申建軍，王 洋

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083;2.國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，北京 100083)

“煤-水”雙資源型礦井開采技術(shù)方法與工程應(yīng)用

武 強(qiáng)1,2，申建軍1,2，王 洋1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083;2.國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，北京 100083)

編者按 隨著我國煤炭工業(yè)戰(zhàn)略西移，西北干旱半干旱富煤、缺水礦區(qū)采煤導(dǎo)致的含水層結(jié)構(gòu)變異及誘發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題，越來越多的受到關(guān)注。針對這一問題，1992年我國地質(zhì)科技工作者提出了保水采煤問題，1995年首次使用“保水采煤”一詞。20多年來，地質(zhì)、采礦、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域的科技工作者，圍繞保水采煤問題進(jìn)行了多角度探索和研究，初步建立了保水采煤技術(shù)體系，工程實踐獲得重要進(jìn)展。本期第2～27篇論文基于國家973計劃、國家自然科學(xué)基金等項目支持，展示了保水采煤的科學(xué)進(jìn)展和思考，闡述了煤-水雙資源型礦井的開采理念和技術(shù)，厘定了保水采煤的概念和科學(xué)內(nèi)涵，闡述了保水采煤基礎(chǔ)理論進(jìn)展，研究了西北沙漠礦區(qū)植被發(fā)育與地下水的關(guān)系、采動植被損傷機(jī)理與控制技術(shù)。針對保水采煤的關(guān)鍵技術(shù)如淺埋煤層巖層控制、導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度控制及探測監(jiān)測技術(shù)、采動巖層與地下水變化的高精度測量技術(shù)、基于含水層結(jié)構(gòu)保護(hù)的隔水層再造技術(shù)、充填保水采煤技術(shù)及應(yīng)用、保水采煤區(qū)水資源漏失量計算等進(jìn)行了多角度探索與論述，研究區(qū)域涉及我國西北、華北煤礦區(qū)。本期“保水采煤的理論與實踐”專題是我國期刊首次集中展示保水采煤領(lǐng)域的科技創(chuàng)新成果與進(jìn)展，希望有益于完善保水采煤技術(shù)體系、促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)文明建設(shè)。

由于我國東、西部地區(qū)煤-水資源呈逆向分布，為解決煤炭資源安全綠色開發(fā)、水資源供給、生態(tài)環(huán)保之間的尖銳矛盾和沖突，實現(xiàn)煤礦區(qū)水害防治、水資源保護(hù)利用、生態(tài)環(huán)境改善的多贏目標(biāo)，在闡述“煤-水”雙資源型礦井開采概念與內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)礦井主采煤層的具體充水水文地質(zhì)條件優(yōu)化開采方法和參數(shù)工藝、多位一體優(yōu)化結(jié)合、井下潔污水分流分排、水文地質(zhì)條件人工干預(yù)、充填開采等“煤-水”雙資源型礦井開采的技術(shù)和方法。以蔚縣礦區(qū)興源礦為工程背景，提出了松散含水層下薄基巖區(qū)房式保水開采方案，建立了煤房“固支梁”力學(xué)模型，提出了基于讓壓理論的煤柱設(shè)計方法，修正了屈服煤柱上覆載荷計算公式。結(jié)果表明：主關(guān)鍵層的存在和穩(wěn)定擴(kuò)大壓力拱的形成是屈服煤柱設(shè)計的關(guān)鍵，且屈服煤柱具有足夠的強(qiáng)度支撐擴(kuò)大壓力拱下方的覆巖重量；采5留4、采5留5、采6留5等方案具有可靠的安全系數(shù)。

雙資源型礦井；保水采煤；多位一體優(yōu)化結(jié)合；壓力拱；屈服煤柱

據(jù)《中國礦產(chǎn)資源報告》(2015)，截止2014年底，我國查明的煤炭資源儲量為1.53萬億t，另據(jù)《中國國土資源公報》(2016)，2015年煤炭勘查新增查明資源儲量375.4億t，同時我國原煤產(chǎn)量已連續(xù)多年居世界第1位。我國煤炭資源儲量雖然豐富，但是，煤炭資源與水資源呈逆向分布，存在“有煤的地方缺水，有水的地方缺煤”的局面。另外，我國煤礦床充水條件極為復(fù)雜，使得大部分礦區(qū)面臨著水害威脅、水資源緊缺與生態(tài)環(huán)境惡化等問題[1-3]。

隨著我國華北地區(qū)深部及西北地區(qū)煤炭資源的開采，這些問題及其產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)效應(yīng)更加突出，具體表現(xiàn)為[4]：① 礦井水害。人為疏干和采動裂隙對含水層的自然疏干增加礦井涌水量及排水費用；災(zāi)害性突水由于排水能力不足造成人員傷亡和財產(chǎn)損失；② 當(dāng)?shù)毓┧?。大量疏排水?dǎo)致地下水位大幅度下降，地下水降落漏斗范圍不斷擴(kuò)大，造成礦區(qū)及周圍地區(qū)人畜飲用水和灌溉用水短缺；③ 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。采煤引起的地下水位及流場改變、地表河水?dāng)嗔?、地下與地表水體污染等問題使礦區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。

隨著社會對環(huán)境的重視，煤炭資源的開采需由過去的粗放、無序、污染向高效、安全、綠色方向轉(zhuǎn)變，尤其在受水資源和生態(tài)環(huán)境約束的礦區(qū)，若想保證安全采煤、滿足水資源需求及減緩礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞，綠色開采中的保水采煤是未來必然的發(fā)展趨勢[5-8]。針對華北缺水、大水礦區(qū)及西部生態(tài)脆弱礦區(qū)，我國學(xué)者開展了大量的研究工作，不斷發(fā)展和完善保水采煤方法及內(nèi)涵。范立民等認(rèn)為在我國西部缺水礦區(qū)，應(yīng)通過合理布局和科學(xué)開采，使煤炭開采、水資源保護(hù)與生態(tài)環(huán)境安全協(xié)調(diào)發(fā)展，結(jié)合陜北侏羅紀(jì)煤田地質(zhì)條件提出了開采區(qū)域評價方法和采煤方法等實現(xiàn)“保水采煤”的途徑[9-10]；武強(qiáng)等論述了雙資源煤礦井建設(shè)與開發(fā)的理念，提出礦井地下水控制、利用、生態(tài)環(huán)?！叭灰惑w”優(yōu)化結(jié)合、井下涌水清污分流、地表與地下聯(lián)合疏排和礦井水資源化等“煤-水”雙資源礦井建設(shè)的具體技術(shù)方法[11]；白海波等基于綠色開采理念和采動巖體滲流理論，提出煤與水共采的觀點，利用潞安礦區(qū)奧陶系頂部隔水層，成功實施礦井水資源化利用和煤與水共采[12-13]；白喜慶等以峰峰礦區(qū)為工程背景，通過科學(xué)設(shè)計礦井布局，在徑流帶建供水水源地，根據(jù)地下水水位、流場及泉流量動態(tài)變化，控制地下水排放量和人工開采量，達(dá)到礦井防治水與巖溶地下水保護(hù)利用的目標(biāo)[14]。

筆者在“煤-水”雙資源型礦井開采內(nèi)涵思想的指導(dǎo)下，提出根據(jù)礦井主采煤層具體充水水文地質(zhì)條件優(yōu)化開采方法與參數(shù)工藝、多位一體優(yōu)化結(jié)合、井下潔污水分流分排、水文地質(zhì)條件人工干預(yù)、充填開采等技術(shù)和方法，并以蔚州礦區(qū)興源礦為例，提出松散含水層下薄基巖區(qū)房式保水開采方案，研究基于“固支梁”和讓壓概念的煤房煤柱寬度設(shè)計理論。

1 “煤-水”雙資源型礦井開采概念與內(nèi)涵

“煤-水”雙資源型礦井開采概念：在確保礦井生產(chǎn)安全、水資源保護(hù)利用、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的前提下實施的開采技術(shù)和方法，以達(dá)到水害防控、水資源保護(hù)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)三位一體結(jié)合系統(tǒng)整體最優(yōu)的目的。

“煤-水”雙資源型礦井開采內(nèi)涵(圖1)：在煤炭資源開發(fā)中，將地下水視作資源，通過合理的開采技術(shù)方法，不僅消除其“災(zāi)害屬性”的負(fù)效應(yīng)，通過將礦井水資源化利用，挖掘其“資源屬性”的正效應(yīng)，同時盡量避免破壞擾動與煤系同沉積的含水層結(jié)構(gòu)，達(dá)到煤炭和水的“雙資源”共同開發(fā)與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展目的，最終實現(xiàn)煤礦區(qū)水害防控、水資源保護(hù)利用、生態(tài)環(huán)境改善的多贏目標(biāo)。

圖1 “煤-水”雙資源型礦井開采技術(shù)內(nèi)涵

2 技術(shù)方法

2.1 優(yōu)化開采方法和參數(shù)工藝

我國長壁式采煤技術(shù)非常成熟，已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，且隨著綜采綜放成套技術(shù)及配套設(shè)備的發(fā)展，我國建成了多個年產(chǎn)千萬噸級大型高產(chǎn)高效礦井。近年來，6.3 m大采高工作面和300,360,400 m超長工作面分別得到廣泛應(yīng)用，7.0 m超大采高在神東礦區(qū)實現(xiàn)了多個工作面的回采，國內(nèi)首個450 m超長工作面在哈拉溝煤礦也已試驗成功[15-16]。長壁大采高采煤法具有煤炭損失少、單產(chǎn)高、采煤系統(tǒng)簡單、對地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，極大的促進(jìn)了煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，滿足了國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活需要，是我國采用最為普遍的一種采煤方法，但是這種長壁大采高采煤法是在對環(huán)境擾動不重視的情況下發(fā)展起來的，大規(guī)模、高強(qiáng)度的開采對上覆巖層及地表破壞相當(dāng)大，對含水層結(jié)構(gòu)、地下水系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境造成了巨大的影響，是一種犧牲水資源和生態(tài)環(huán)境為代價的采煤法。

短壁式采煤法是以短工作面為主要特征，設(shè)備投資少，出煤快，礦山壓力顯現(xiàn)較弱，短壁采煤法對上覆巖層破壞規(guī)模、導(dǎo)水裂隙帶高度、地表下沉程度的影響均減小[17]；限高開采或分層間歇開采是一種控制采厚的采煤方法，其覆巖的垮落帶高度和裂隙帶高度比一次采全厚要小很多，對含水層下安全采煤十分有利。由于短壁采煤法、限高開采或分層間歇開采效率相對較低、采區(qū)采出率相對較低等缺點，在以往單純追求煤炭開采效率情況下一直不受重視。

依據(jù)煤炭開采的完全成本核算觀點而言，長壁大采高采煤法是高效率但是低效益，短壁采煤法、限高開采或分層間歇開采是高效益低效率，企業(yè)最終追求目標(biāo)是可持續(xù)的高效益；從煤炭開采的系統(tǒng)論觀點而言，系統(tǒng)最終準(zhǔn)求的是整個開采系統(tǒng)總體效益最優(yōu)，而不是系統(tǒng)中某個子系統(tǒng)效益最優(yōu)，煤炭企業(yè)最終準(zhǔn)求的是總體效益最大化。因此，當(dāng)長壁大采高采煤法無法保障控水采煤時，將其優(yōu)化為高效益短壁式采煤法(如短壁、條帶、房式/房柱式等開采方法)或限高開采或分層間歇開采，在某些條件下又能煥發(fā)出新的生命力，不失為一種好的方法。

根據(jù)主采煤層的具體充水水文地質(zhì)條件，動態(tài)優(yōu)化開采方法和參數(shù)工藝。“三圖-雙預(yù)測法”對天然狀態(tài)水文地質(zhì)條件下控水采煤評價預(yù)測、分區(qū)方案制定和優(yōu)化采煤方法與參數(shù)工藝的重要技術(shù)支撐手段。首先采用一次采全高綜采或綜放開采進(jìn)行評價分區(qū)，圈定不宜開采區(qū)域，對于安全區(qū)可直接進(jìn)行開采，對于危險區(qū)可減小采高實行限高開采或分層開采，重新進(jìn)行分區(qū)評價，若仍不滿足安全需求，可采用短壁式采煤法實現(xiàn)“煤-水”雙資源型礦井開采，如圖2所示。

圖2 基于“三圖-雙預(yù)測法”的采煤方法選擇流程

2.2 多位一體優(yōu)化結(jié)合模式

根據(jù)礦井具體的充水水文地質(zhì)特征，選擇可協(xié)調(diào)解決煤炭資源安全開發(fā)、水資源保護(hù)利用、生態(tài)環(huán)保之間尖銳矛盾與沖突的多位一體優(yōu)化結(jié)合模式。

對于有突(涌)水危險的煤層，若不采取短壁式開采或充填開采，則需進(jìn)行必要的地下水疏排，而我國大型煤炭基地主要處于水資源供需矛盾較為突出的地區(qū)，14個大型煤炭基地中有11個基地處于干旱、半干旱地區(qū)[18]，生態(tài)環(huán)境脆弱傳統(tǒng)的疏降強(qiáng)排加劇了水資源危機(jī)。據(jù)統(tǒng)計，2012年全國煤礦每年實際排水量達(dá)71.7億m3，平均噸煤排水量達(dá)2.0～4.0 m3，有些煤礦利用率僅為20%～30%，直接將污水白白排到河流，造成水資源浪費和水污染[19]。對于煤礦而言，礦井水外排還需繳納水資源費和排污費，增加了噸煤成本。

國家能源局等部門在《關(guān)于促進(jìn)煤炭安全綠色開發(fā)和清潔高效利用的意見》中提出，到2020年，在水資源短缺礦區(qū)、一般水資源礦區(qū)、水資源豐富礦區(qū)，礦井水或露天礦礦坑水利用率分別不低于95%,80%,75%。2015年國家頒布的《水污染防治行動計劃》(“水十條”)也明確指出：“推進(jìn)礦井水綜合利用，煤炭礦區(qū)的補(bǔ)充用水、周邊地區(qū)生產(chǎn)和生態(tài)用水應(yīng)優(yōu)先使用礦井水，加強(qiáng)洗煤廢水循環(huán)利用”。因此，礦井水的資源化利用日益受到煤礦企業(yè)、環(huán)保部門和地方政府的高度重視，是今后水資源短缺礦區(qū)緩解供水緊張、減輕環(huán)境污染的必然趨勢。

(1)礦井水排、供、生態(tài)環(huán)保“三位一體”優(yōu)化結(jié)合

對于具備可疏性礦井，宜采用礦井排水、供水、生態(tài)環(huán)?！叭灰惑w”優(yōu)化結(jié)合模式，其實質(zhì)是將礦井疏排水經(jīng)過分級處理后，全部或部分用來代替礦區(qū)和當(dāng)?shù)卣谶\行中的供水水源井。“三位一體”優(yōu)化模型在保證地下水壓力疏降到安全開采標(biāo)高且滿足礦區(qū)一定的需水量但不引起其環(huán)境質(zhì)量降低的條件下，以尋求不同供水目的所獲得最大經(jīng)濟(jì)效益為優(yōu)化目標(biāo)，具體可通過以下措施：

① 井下疏放水采用專門疏水巷、回采巷道超前疏干和探放水等疏降方式。

② 采用井下排水和地面抽水聯(lián)合疏降，以豐水期最大涌水量作為設(shè)計供水量。地面抽水目的是解決因井下突發(fā)性事故引起的井下停排造成的水源中斷或因枯水期造成的供水缺口等問題。

③ 在對礦井水疏降較為有效的地下水系統(tǒng)的某些補(bǔ)給部位，建立能夠保證生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的各種用途的供水水源地，預(yù)先截取補(bǔ)給礦井的地下水水流。

(2)礦井地下水控制、利用、生態(tài)環(huán)?！叭灰惑w”優(yōu)化結(jié)合

對于可疏性差礦井，宜采用礦井地下水控制、利用、生態(tài)環(huán)?！叭灰惑w”優(yōu)化結(jié)合模式，其實質(zhì)是在對補(bǔ)給礦井地下水實施最大限度控制、最大限度減少礦井涌水量的基礎(chǔ)上，將有限的礦井排水分質(zhì)處理后最大化加以利用。通過對礦井水實施有效控制和利用，防止地下水水位大幅下降和水資源浪費，避免礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)惡化。

礦井地下水控制措施包括：① 留設(shè)防水煤巖柱；② 增強(qiáng)隔水層的隔水能力，如煤層頂?shù)装遄{加固、注漿封堵導(dǎo)水通道等；③ 降低導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，如實行限高開采或厚煤層分層開采，也可在第四系強(qiáng)富水含水層下對煤層覆巖實施局部輕微爆破松散或注水軟化；④ 帷幕注漿，隔離開采區(qū)域；⑤ 建立地面淺排水源地，預(yù)先截取補(bǔ)給礦井的地下水流；⑥ 建立水源井預(yù)先疏排諸如強(qiáng)徑流帶等地下水強(qiáng)富水地段等。采取控制措施后礦井排水量大大減少，且污水所占比例較大，可分級處理后進(jìn)行資源化綜合利用，如圖3所示。

圖3 礦井水處理與資源化綜合利用

許多缺水礦區(qū)和大水礦區(qū)煤礦將礦井水作為第2資源進(jìn)行開發(fā)利用，如蔚州礦區(qū)北陽莊煤礦的礦井排水除滿足礦區(qū)生產(chǎn)生活用水需求外，還可滿足電廠(在建)用水需求；山東華泰礦業(yè)通過井下處理使礦井水達(dá)到了飲用水標(biāo)準(zhǔn)，井下工人可直接飲用，礦井水排到井上除自身礦區(qū)使用外，還供給市區(qū)和萊蕪電廠使用；錦界煤礦涌水量達(dá)3 200 m3/h以上，最大涌水量達(dá)5 499 m3/h，通過成立專門水務(wù)部門，負(fù)責(zé)處理、管理、分派水資源，采用井下清污分流和地面污水處理，以供水管網(wǎng)、農(nóng)業(yè)灌溉、人畜飲用、工業(yè)用水等方式實現(xiàn)了礦井水資源零浪費。礦井水的分質(zhì)處理與分級利用，可以減少深井水的開采量，節(jié)約地下水資源，保護(hù)礦區(qū)地下水和地表水的自然平衡，有效緩解“水源型缺水”和“水質(zhì)型缺水”問題。

(3)礦井水控制、處理、利用、回灌與生態(tài)環(huán)?！拔逦灰惑w”優(yōu)化結(jié)合

對于具備回灌條件的礦井，可采用礦井水控制、處理、利用、回灌、生態(tài)環(huán)?！拔逦灰惑w”優(yōu)化結(jié)合模式，其實質(zhì)是采取各種防治水措施后，將有限的礦井排水進(jìn)行水質(zhì)處理后，最大限度的在井上井下利用，最后將剩余的礦井水補(bǔ)充到具有足夠厚度和透水性的不影響礦井安全生產(chǎn)的含水層，防止地下水水位下降。統(tǒng)一規(guī)劃礦井水“五位一體”優(yōu)化管理模型，從水文地質(zhì)條件、水質(zhì)、施工方案等方面進(jìn)行調(diào)研和技術(shù)論證，是實現(xiàn)礦井廢水零排放的有效途徑，既保護(hù)了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，同時也實現(xiàn)了煤礦的綠色開采。

2.3 井下潔污水分流分排技術(shù)

根據(jù)礦井水形成類型，西北地區(qū)礦井水大部分為頂板基巖裂隙水及松散層水，華北地區(qū)大部分為底板灰?guī)r水，其他地區(qū)的出水點也都比較集中，分散的礦井水相對較少，在井下涌水量大的集中出水點和疏放水處，潔污分流工程容易實施。

在集中出水點和疏放水處，修建專門潔凈水排水溝或管路，將潔凈礦井水由工作面集中匯入到專門修建的潔凈水倉，專門的排水溝和水倉按照飲用水工程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計和施工，并設(shè)置排水溝蓋板，避免潔凈水在井下輸送過程中受到任何污染，最后通過潔凈水泵房排到地面。潔凈礦井水未被污染，與含水層地下水原始水質(zhì)相同，pH為中性，低濁度，低礦化度，不含有毒、有害離子，可直接或經(jīng)過簡單的消毒處理后作為生活飲用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水；而礦井污水則分流至污水倉，經(jīng)過混凝、沉淀后通過污水泵房排到地面污水處理站，處理后可滿足對水質(zhì)要求低的工業(yè)用水需求。

2.4 水文地質(zhì)條件人為干預(yù)

人為對水文地質(zhì)條件實施干預(yù)也是保水開采的重要技術(shù)，主要措施包括：① 隔水層注漿加固和改造技術(shù)。當(dāng)充水含水層富水性強(qiáng)且水頭壓力大時，或在煤層薄隔水層帶、構(gòu)造破碎帶、導(dǎo)水裂隙帶，隔水層加固的注漿方法實屬上策；② 局部富水區(qū)注漿。將水分散到導(dǎo)水裂隙帶波及不到的區(qū)域，把富水區(qū)改造為弱富水區(qū)或隔水層。

2.5 充填開采

充填開采是一種利用井上/井下矸石、爐(礦)渣、粉煤灰、尾砂、建筑垃圾等固廢材料充填采空區(qū)解放呆滯煤炭資源的綠色開采技術(shù)[20-21]，如圖4所示。對受水害威脅煤層實施充填開采，可以控制上覆巖層破壞與地表移動變形及處理固體廢棄物，在保護(hù)水資源和生態(tài)環(huán)境的同時，又能消除水害威脅[22-23]。針對局部開采方法資源采出率低的缺點，可以采用充填開采回收留設(shè)的煤柱。

圖4 充填開采技術(shù)

充填開采需要專門的設(shè)備設(shè)施和足夠的充填材料，工藝復(fù)雜，降低了生產(chǎn)效率，初期投資大，增加了噸煤成本。2013年國家能源局、財政部、國土資源部及環(huán)保部聯(lián)合印發(fā)了《煤礦充填開采工作指導(dǎo)意見》，旨在促進(jìn)安全有保障、資源利用率高、環(huán)境污染少、綜合效益好和可持續(xù)發(fā)展的新型煤炭工業(yè)體系建設(shè)，但是受煤價下滑影響，充填開采的推廣受到一定的限制，需要國家政策的引導(dǎo)和扶持。對于“三下一上”煤炭資源開采，“以矸換煤”充填開采將是今后“煤-水”雙資源型礦井開采的發(fā)展方向。

3 工程應(yīng)用

筆者以蔚縣礦區(qū)興源礦為例，提出松散含水層下薄基巖區(qū)房式保水開采方案，該案例屬于“煤-水”雙資源型礦井開采技術(shù)與方法中優(yōu)化開采方法與參數(shù)工藝的工程應(yīng)用，通過煤房煤柱寬度設(shè)計理論，研究房式開采對頂板覆巖破壞的基本特征，旨在不進(jìn)行疏放水的前提下解放新生界松散層水體下部分煤柱，進(jìn)而實現(xiàn)“煤-水”雙資源型礦井開采。

3.1 工程背景

興源礦6號煤傾角2°～5°，平均3°，厚度2.5～3.0 m，在井田南部含1層厚度0.25～0.78 m的泥巖夾矸。煤層頂板巖性為泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖，底板巖性為粉砂巖、細(xì)砂巖及泥巖。四采區(qū)南部基巖厚度30～55 m，松散層厚度140～245 m，松散層下段砂礫石含水層厚度7.50～34.30 m，巖性為粗砂、礫石及礫卵石，通過補(bǔ)勘施工的興補(bǔ)1孔得該段抽水試驗單位涌水量1.746 L/(s·m)，滲透系數(shù)為5.832 m/d，水位標(biāo)高1 017.698 m。水質(zhì)類型為HCO3-Ca-Mg型，礦化度小于0.5 g/L。該含水層富水性弱—中等，在古河道部位富水性強(qiáng)。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中規(guī)定，水體采動等級為I級，不允許導(dǎo)水裂隙帶波及到水體，而6號煤頂板基巖厚度小于導(dǎo)水裂隙帶高度，不適合采用長壁采煤法，只有優(yōu)化開采方法與參數(shù)工藝才能實現(xiàn)安全采煤。

煤層開采后，頂板上覆水體是否能構(gòu)成開采的威脅，關(guān)鍵在于含水層富水性及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，覆巖破壞一旦波及到強(qiáng)含水體，就會導(dǎo)致水體潰入井下，若開采后頂板覆巖的裂隙帶發(fā)育高度觸及不到強(qiáng)含水體，則采煤就是相對安全的。從這個意義上講，水體需作為一個整體加以保護(hù)，回采時應(yīng)嚴(yán)格控制覆巖破壞高度，因此，筆者提出采用房式采煤法解放新生界松散含水層下薄基巖區(qū)6號煤呆滯資源，實現(xiàn)“煤-水”雙資源型礦井開采。

3.2 房式開采煤房寬度設(shè)計

在煤層中開掘巷道或煤房后，頂板巖層被巷道或煤房兩側(cè)煤柱支撐，形成類似“梁”的結(jié)構(gòu)。根據(jù)兩側(cè)煤柱對頂板巖梁的約束條件，頂板巖梁按“固支梁”進(jìn)行分析，力學(xué)模型如圖5所示。

圖5 固支梁力學(xué)模型

圖5中A點為坐標(biāo)軸原點，梁厚度為h，跨度為L，受均布載荷q，F(xiàn)s為剪力，M為彎矩。

根據(jù)力學(xué)公式可知，確保巖梁不因跨度中央最大拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度破壞的極限跨距為

式中，σt為頂板巖梁巖層抗拉強(qiáng)度，MPa；F為安全系數(shù)，一般取2～4。

取q=γh=0.69 kg/cm2，σt=0.9 MPa，h=2.85 m，F(xiàn)=4，按“固支梁”理論計算煤房的極限跨度為7.28 m，因此，確定煤房設(shè)計寬度為5 m或6 m。

3.3 基于讓壓理論的煤柱寬度設(shè)計

煤柱主要用來支撐上覆巖層自重和保護(hù)巷道或煤房的完整性，以及控制地表沉陷，由于煤柱寬度設(shè)計不合理，就有可能引起煤柱失穩(wěn)。對于新生界松散層水體下采煤，煤柱失穩(wěn)造成上覆巖層破壞，進(jìn)而形成潰水潰砂事故，如圖6所示，6408工作面基巖厚度35～42 m，按采6 m留3 m開采，二開切眼開采到45 m位置時5號采房頂板初次來壓后發(fā)生涌水，初期水量30 m3/h，后期穩(wěn)定水量13 m3/h，之后三開切眼采用采5 m留5 m方式回采，未發(fā)生頂板涌水情況。因此，研究煤柱強(qiáng)度和煤柱載荷的計算方法，合理的確定煤柱寬度，對于確保煤柱的穩(wěn)定性具有重要的意義，筆者基于屈服煤柱的力學(xué)特性，并在傳統(tǒng)的安全系數(shù)設(shè)計理念中引入壓力拱理論，提出了房柱式保水開采煤柱設(shè)計方法。

圖6 煤柱失穩(wěn)導(dǎo)致頂板潰水示意

不同用途的煤柱尺寸和所需要保持穩(wěn)定的時間不相同，其力學(xué)機(jī)理和上覆載荷分布規(guī)律也不相同，不同類型煤柱上的應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 不同類型煤柱上的應(yīng)力分布(Syd S.Peng，有改動)

剛性煤柱中間存在一個穩(wěn)定的核區(qū)，在整個服務(wù)年限內(nèi)煤柱來支撐載荷，而屈服煤柱不是在任何階段都要抵抗和承受載荷，而是隨著載荷增加，在適當(dāng)?shù)臅r間和變形速率下發(fā)生屈服，但是在一定的時間內(nèi)煤柱是穩(wěn)定的，不會發(fā)生失穩(wěn)破壞[24-26]。因此，從應(yīng)力狀態(tài)和資源采出率考慮，屈服煤柱更適合于房式開采。

受開采活動影響，煤柱上的應(yīng)力重新分布，在支承壓力作用下，煤柱邊緣出現(xiàn)塑性區(qū)逐漸屈服，屈服區(qū)寬度計算公式[27]為

式中，M為煤柱高度，m；β為屈服區(qū)與核區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù)，由于該界面處于臨界彈性狀態(tài)，側(cè)壓系數(shù)一般等于煤體的泊松比，取0.25～0.40；d為開采擾動因子，d=1.5～3.0；c為煤層頂?shù)装褰佑|面的黏聚力，MPa；φ為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦角，(°)；σzl為煤柱極限強(qiáng)度，MPa。

將M=2.5～3.0 m，β=0.3，d=1.5，c=2.5 MPa，φ=28°，σzl=10 MPa代入式(2)中，計算得煤柱單側(cè)屈服區(qū)寬度為2.2～2.6 m，因此，若煤柱寬度小于等于雙側(cè)屈服區(qū)寬度，則待下一個煤房開采后，屈服區(qū)將貫通整個煤柱，煤柱整體處于塑性狀態(tài)，此時煤柱由兩側(cè)松弛區(qū)和中間塑性區(qū)組成，中間彈性區(qū)的寬度為0。煤柱兩側(cè)松弛區(qū)承受的垂直應(yīng)力小于原始應(yīng)力；煤柱塑性區(qū)的垂直應(yīng)力隨著與采掘空間之間距離的增加而增加，到達(dá)煤柱中心時達(dá)到峰值，煤柱呈“拱形”應(yīng)力狀態(tài)，如圖8所示。

圖8 兩側(cè)采空煤柱“拱形”應(yīng)力狀態(tài)

支承壓力疊加導(dǎo)致煤柱中心承受的垂直應(yīng)力大于其極限破壞強(qiáng)度，煤柱發(fā)生屈服和破壞，但此時煤柱不一定失穩(wěn)，即屈服不一定破壞，破壞不一定失穩(wěn)。由于屈服煤柱的讓壓力學(xué)特性，上覆巖層變形下沉，與上部較硬關(guān)鍵層產(chǎn)生離層，當(dāng)煤柱讓壓、載荷通過頂板或底板轉(zhuǎn)移到相鄰支承壓力帶時，壓力拱便已形成，如圖9所示。

圖9 壓力拱與屈服讓壓煤柱作用機(jī)理

壓力拱形成后，屈服煤柱支撐的載荷為拱下方的覆巖自重，壓力拱穩(wěn)定時，其上覆載荷亦趨于穩(wěn)定，煤柱變形破壞轉(zhuǎn)為隨時間的蠕變。由于“煤柱受壓—讓壓變形—覆巖下沉—離層—應(yīng)力傳遞轉(zhuǎn)移”這一過程的不斷演化，壓力拱不斷擴(kuò)大，如圖10所示。

圖10 回采階段壓力拱演化過程

因此，綜上分析，筆者結(jié)合前人已有的研究成果提出煤柱穩(wěn)定性評價體系具備以下3點：

① 煤柱屈服區(qū)寬度和煤柱寬度要匹配，避免臨界煤柱的出現(xiàn)，否則會導(dǎo)致煤柱高應(yīng)力集中，引起煤柱突然失穩(wěn)破壞，不利于擴(kuò)大壓力拱的形成；

② 覆巖中存在主關(guān)鍵層，上覆巖層在變形過程中能夠產(chǎn)生離層，進(jìn)而形成所需要的穩(wěn)定壓力拱，壓力拱支撐拱上方的覆巖自重；

③ 屈服煤柱具有足夠的強(qiáng)度支撐壓力拱下方的覆巖自重，壓力拱應(yīng)為整個區(qū)段回采完之后形成的最大穩(wěn)定壓力拱。

由于煤柱載荷和強(qiáng)度確定方法存在不確定性，而安全系數(shù)在工程中可用來解釋不確定因素，即

式中，F(xiàn)為安全系數(shù)，煤柱的安全系數(shù)越大，破壞失穩(wěn)的概率越低，建議安全系數(shù)為1.3～5.0，一般為1.5～2.0；σp為煤柱強(qiáng)度；σa為作用在煤柱上的載荷。

根據(jù)普式壓力拱理論，壓力拱高度計算公式為

其中，f為普氏系數(shù)，取為2；W0為工作面斜長，取100 m；h0為采高，取3.0 m；θ為巖體的內(nèi)摩擦角，取30°。經(jīng)計算，最大壓力拱高度為25.9 m。

根據(jù)輔助面積法和壓力拱理論，修正的煤柱載荷計算公式為

其中，γ為上覆巖體平均容重，取25 kN/m3；H′為最大壓力拱高度，取25.9 m；Re為采出率，Re=Wo/(Wo+Wp)，Wo,Wp為煤房、煤柱寬度，m。

煤柱強(qiáng)度采用Obert-Duvall線性計算公式：

或采用Bieniawski-Hairton非線性計算公式：

式中，σm為現(xiàn)場極限立方煤體強(qiáng)度，σm=0.235 7σc，σc為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；h1為煤柱高度，m。

考慮到采出率和安全性，建議采用的安全系數(shù)F為1.3～2.0。在開采過程中，若先期方案煤柱失穩(wěn)，采空區(qū)涌水量增加，應(yīng)封閉本塊段，在下一個塊段換一個安全系數(shù)更大的開采方案。工作面采煤工藝為爆破落煤，2JPB-30型耙礦絞車裝煤，SGB-620/40T刮板輸送機(jī)運煤、DSJ-800型帶式輸送機(jī)運輸，后期進(jìn)一步優(yōu)化為連續(xù)采煤機(jī)開采。通過房式開采已順利實現(xiàn)6408工作面、6號煤殘采工作面等安全回采，回采期間煤柱未發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，采空區(qū)涌水量沒有明顯增加。

表1 不同方案煤柱安全系數(shù)

Table 1 Safety coefficient of pillar

方案采出率Re煤柱載荷σa/MPa煤柱強(qiáng)度σp/MPa安全系數(shù)采5留30.631.932.071.1采5留40.561.622.211.4采5留50.501.422.381.7采6留30.672.162.071.0采6留40.601.782.211.2采6留50.551.582.381.5

4 結(jié) 論

(1)“煤-水”雙資源型礦井開采概念是在確保礦井生產(chǎn)安全、水資源保護(hù)利用、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的前提下實施的開采技術(shù)和方法，以解決煤炭資源安全綠色開發(fā)、水資源供給、生態(tài)環(huán)保之間的尖銳矛盾和沖突，實現(xiàn)煤礦區(qū)水害防治、水資源保護(hù)利用、生態(tài)環(huán)境改善的多贏目標(biāo)

(2)“煤-水”雙資源型礦井開采內(nèi)涵是在煤炭資源開發(fā)中，通過合理的開采技術(shù)方法，不僅消除地下水“災(zāi)害屬性”的負(fù)效應(yīng)，同時挖掘其“資源屬性”的正效應(yīng)，盡量避免破壞擾動與煤系同沉積的含水層結(jié)構(gòu)，達(dá)到煤炭和水的“雙資源”共同開發(fā)與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展目的。

(3)提出了根據(jù)礦井主采煤層的具體充水水文地質(zhì)條件優(yōu)化開采方法和參數(shù)工藝、多位一體優(yōu)化結(jié)合、井下潔污水分流分排、水文地質(zhì)條件人工干預(yù)、充填開采等“煤-水”雙資源型礦井開采的技術(shù)和方法。

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Mining techniques and engineering application for “Coal-Water” dual-resources mine

WU Qiang1,2，SHEN Jian-jun1,2，WANG Yang1,2

(1.ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China;2.NationalEngineeringResearchCenterofCoalMineWaterHazardControlling,Beijing100083,China)

Due to the reverse distribution of coal and water resources in Eastern China and Western China,the mining techniques and methods were proposed based on the concept of mining for “Coal-Water” dual-resources mine,which elaborated optimization of mining method,parameters and mining technology,optimization and combination of multinity,underground separation discharge of clean water and sewage,intervention of hydrogeological condition,filling mining based on the specific filling-water hydrogeological conditions of main mineable coal seam in order to address the problem of security and green development on coal resources,the supply of water resources,the sharp contradictions and conflicts between ecological balance and environmental protection;and realize the targets on controlling and protecting water inrush,the protection and utilization of water resources,and the improvement of ecological environment.A case study in Xingyuan coal mine of Yuxian mining area was carried out and analyzed.The mining method for the coal seam under the unconsolidated aquifer with thin bedrock and the mechanical model of clamped beam were established,and the author presented the design method of coal pillar based on the yielding theory and amended the calculation formula of load overlying coal pillar.The results show that the key to the yielding pillar design is the existence of main key stratum and formation of stable expansion pressure,and the strata weight under expanding pressure arch was supported by the yielding pillar with enough strength.The safety coefficient is larger under the following three conditions:room 5 m,while pillar 4 m;room 5 m,while pillar 5 m;and room 6 m,while pillar 5 m.

dual-resources mine;coal mining under water-containing;optimization and combination of multinity;pressure arch;yielding pillar

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5032

2016-09-30

2016-11-09責(zé)任編輯:韓晉平

“十三五”國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFC0801801)；國家自然科學(xué)基金資助項目(41572222，41430318)

武 強(qiáng)(1959—)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，中國工程院院士。E-mail:wuq@cumtb.edu.cn。通訊作者：申建軍(1987—)，男，山東德州人，博士研究生。E-mail:shenjianjun11987@163.com

TD823;TD745

A

0253-9993(2017)01-0008-09

武強(qiáng)，申建軍，王洋.“煤-水”雙資源型礦井開采技術(shù)方法與工程應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報,2017,42(1):8-16.

Wu Qiang，Shen Jianjun，Wang Yang.Mining techniques and engineering application for “Coal-Water” dual-resources mine[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):8-16.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5032