尹尚先，連會青，徐 斌，田午子，曹 敏，姚 輝，孟浩鵬

深部帶壓開采：傳承與創(chuàng)新

尹尚先1，連會青1，徐 斌1，田午子1，曹 敏2，姚 輝1，孟浩鵬1

(1. 華北科技學(xué)院 河北省礦井災(zāi)害防治重點實驗室，北京 101601； 2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

回顧了帶壓開采的傳承與創(chuàng)新發(fā)展歷程。闡述帶壓開采的概念及充要條件，以帶壓開采的內(nèi)涵為基礎(chǔ)，定義侵蝕基準(zhǔn)面為淺部和深部帶壓開采的分界線(面)，明確承壓水上采煤為帶壓開采，而含水層“下”采煤不屬于帶壓開采范疇，糾正《煤礦安全規(guī)程》中有關(guān)“頂、底板帶壓”的不妥表述。梳理了直接為帶壓開采服務(wù)的理論和技術(shù)，探(探查)、治(防治)、保(保障)3項技術(shù)，機(jī)理(致災(zāi)機(jī)理)、評價(危險性評價)、預(yù)測(災(zāi)變預(yù)測)3項理論，即構(gòu)成帶壓開采理論技術(shù)體系；華北煤田奧陶系巖溶隨深度增加發(fā)育減弱，由此推斷，空間上深部巖溶徑流帶多形成在古巖溶系統(tǒng)中，而現(xiàn)代巖溶徑流帶則發(fā)育于現(xiàn)代巖溶中。深部隔水層損傷裂隙增多，為采后承壓水導(dǎo)升奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。總結(jié)對比了淺部和深部底板巖溶水害特征，闡明深部奧陶紀(jì)灰?guī)r(簡稱奧灰)水突水機(jī)理，沿裂隙滲透、擴(kuò)容、壓裂，薄層灰?guī)r中轉(zhuǎn)，不斷向上導(dǎo)升，形成大面積散流突水。從理論上說明突水系數(shù)已不適用隔水層厚度超出80 m的情形，提出厚、巨厚隔水層帶壓開采評價方法：0331pT；依據(jù)隔水層厚度、底板破壞帶、奧灰導(dǎo)升帶、突水系數(shù)等因素將底板類型劃分為5類隔水層，提出相應(yīng)5級帶壓開采條件以及5種治理模式；針對深部帶壓開采復(fù)雜條件，倡導(dǎo)應(yīng)用“全時空”水害綜合防治思想理念及技術(shù)。面向未來，地質(zhì)體+水流的本構(gòu)模型仍是學(xué)術(shù)界需攻克的最大難題，現(xiàn)實的“卡脖子”難題，如深部巖溶發(fā)育規(guī)律、精細(xì)探查技術(shù)、水害機(jī)理及評價預(yù)測、綜合治理技術(shù)等，是實現(xiàn)安全帶壓開采的關(guān)鍵。

帶壓開采；深部；奧陶紀(jì)灰?guī)r；突水機(jī)理；評價方法

華北石炭–二疊紀(jì)煤田受底板奧陶紀(jì)灰?guī)r(簡稱奧灰)水威脅[1]。中華人民共和國成立以來，應(yīng)用帶(水)壓開采(簡稱帶壓開采)理論及技術(shù)解放了大量受水威脅的煤炭資源。隨著采深不斷增加，大部分礦井轉(zhuǎn)入深部開采，奧灰水突水威脅日趨加大，已達(dá)到突水系數(shù)允許開采上限，傳統(tǒng)的防治水技術(shù)和經(jīng)驗已不能滿足安全開采要求。淺部帶壓開采理論及技術(shù)的傳承，以及深部帶壓開采的創(chuàng)新，逐步提上議事日程。

1 帶壓開采發(fā)展歷程

我國華北聚煤盆地含煤地層底部沉積巨厚灰?guī)r基底(圖1)，該承壓含水層水頭高于煤層底板，形成區(qū)域性特有的帶壓開采情形。華北煤田奧陶紀(jì)灰?guī)r具有厚度大、富水性強(qiáng)、高承壓和不均一等特點[2]，而煤層與奧灰之間隔水層厚度有限，且往往受到構(gòu)造破壞，部分地區(qū)雖隔水層厚度較大，但中間又包含層數(shù)不等的薄層灰?guī)r含水層，使帶壓開采條件復(fù)雜化，煤層受水威脅嚴(yán)重。

1.1 帶壓開采概念

帶壓開采的概念由來已久[3]，是指在具有承壓水壓力的含水層上進(jìn)行的采煤。因此，帶壓開采的必要條件是“含水層‘上’的采煤”，即底板水害；含水層‘下’的采煤為水體下采煤，即頂板水害不屬于帶壓開采范疇。帶壓開采的充分條件是“具有承壓水壓力”，也就是底板含水層水頭高于煤層底板。如此來看，底板承壓含水層與其壓力水頭之間(圖1中紅色線條圈定區(qū)域)進(jìn)行的煤層開采均為帶壓開采，頂板水(包括離層水)不屬于帶壓開采范疇。

圖1 華北煤田煤巖層結(jié)構(gòu)及帶壓開采條件

依據(jù)帶壓開采定義，《煤礦安全規(guī)程》[3]第三百零三條關(guān)于帶壓開采的表述不妥：對于煤層頂、底板帶壓的采掘工作面，應(yīng)當(dāng)提前編制防治水設(shè)計，制定并落實水害防治措施。前已述及，頂板水害不屬于帶壓開采范疇，而本條款“煤層頂、底板帶壓”明顯在概念上就存有疑義，另外，本條款原意是針對帶壓開采的約束，加“頂”字后，所有頂板水均適用于本條款，顯然限制對象“擴(kuò)大化”了。查閱2001版《煤礦安全規(guī)程》相應(yīng)條款，第二百八十七條是這樣表述的：煤系底部有強(qiáng)承壓含水層并有突水危險的工作面，在開采前，必須編制探放水設(shè)計，明確安全措施。很明顯，原條款就是針對底板水而言，“頂”字是后來《煤礦安全規(guī)程》修訂過程中增加的，一字之差改變了條款指向和帶壓開采的意義，應(yīng)該予以更正。

1.2 帶壓開采理論技術(shù)體系

除開采技術(shù)本身外，為消除水害威脅，3項技術(shù)和3項理論直接為帶壓開采服務(wù)，探(探查)、治(防治)、保(保障)，即構(gòu)成帶壓開采技術(shù)體系；機(jī)理(致災(zāi)機(jī)理)、評價(危險性評價)、預(yù)測(災(zāi)變預(yù)測)，構(gòu)成帶壓開采理論體系。

1.2.1 技術(shù)體系

①探查技術(shù) 包括水文地質(zhì)條件勘察和采場條件探查(探放水)[4]。水文地質(zhì)條件勘察應(yīng)查明系統(tǒng)(單元)條件并建立水文地質(zhì)概念模型；采場條件探查，即探放水，包括掘進(jìn)階段的探放水及回采階段的探查，達(dá)成查“疑”明晰隱患之目標(biāo)。

②防治技術(shù) 包括預(yù)防和治理，無論是疏水降壓還是注漿加固或注漿改造[2,5]，均應(yīng)達(dá)成消“疑”解除后患之目標(biāo)。

③保障技術(shù) 即回采過程的安全保障，包括技術(shù)保障和管理保障。技術(shù)保障如防排水系統(tǒng)、監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)等；管理保障如機(jī)構(gòu)、人員、設(shè)備、物資等條件，責(zé)任制等規(guī)章制度，應(yīng)急預(yù)案和逃生路線及演練等[6]。

1.2.2 理論體系

①致災(zāi)機(jī)理 即描述突水災(zāi)害形成原因。由于地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，用一種機(jī)理解釋不同地質(zhì)采礦條件下的突水過程，是不現(xiàn)實的。但不論何種情形，基本力學(xué)機(jī)制只有壓裂導(dǎo)升和整體斷裂破壞2種[7]。

②安全評價 即突水危險性評價[8]，一般依據(jù)力學(xué)機(jī)制，即可給定突水與否的判別臨界值，但由于影響突水的因素太多，而地質(zhì)體又非均質(zhì)，導(dǎo)致得到評價結(jié)果絕非易事。目前定量評價方法較少，多數(shù)為半定量的統(tǒng)計方法。

③災(zāi)變預(yù)測 包括突水位置、時間及突水量的預(yù)測，回答在哪里、何時突水，突水量大小。就目前的理論技術(shù)水平，實現(xiàn)精確預(yù)測尚不太可能[9]，理論上，復(fù)雜介質(zhì)地質(zhì)體和水流尚無精確本構(gòu)模型，加之眾多不確定因素，需持之以恒追求卓越。

1.3 帶壓開采技術(shù)發(fā)展歷程

帶壓開采是在與底板奧灰水斗爭中以生產(chǎn)實踐為基礎(chǔ)逐步完善的一門學(xué)問，其成長歷史大致可分為3個階段。

1.3.1 理論技術(shù)體系的形成階段

此階段，帶壓開采的提出；淺部上組煤突水系數(shù)≤ 0.06 MPa/m，自然狀態(tài)下帶壓開采。

中華人民共和國成立之前及初期，煤炭開發(fā)絕大部分在淺部露頭區(qū)域，有頂板水和采空區(qū)水問題，基本不涉及底板水。北京煤田地質(zhì)科學(xué)研究所整體搬遷至西安后[10]，從1957年開始著手研究礦井防治水方法，初步涉及底板水問題，以峰峰礦區(qū)為基地，擴(kuò)展到太行山東南麓；1959年地質(zhì)部水文工程地質(zhì)局及研究所提出了中國固體礦床水文地質(zhì)分類，明確為孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水[1]。1959年后，煤炭工業(yè)部北京科學(xué)研究院煤田地質(zhì)研究所(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司前身)完成山東省淄博礦區(qū)煤田水文地質(zhì)條件及夏莊煤礦一立井的徐家莊灰?guī)r疏干研究[10]，邁出底板灰?guī)r水采用疏干降壓方法防治的第一步。1964年焦作礦區(qū)水文地質(zhì)會戰(zhàn)，提出了底板突水危險性評價的“突水系數(shù)”法，水化學(xué)和水文物探方法為巖溶水探測提供有力支撐[10]。1972—1974年，山東省淄博礦區(qū)的北大井注漿堵水工程，被淹40 a的礦井實現(xiàn)復(fù)產(chǎn)，標(biāo)志著底板灰?guī)r水堵水方法成功應(yīng)用[10]。1974年以后，以峰峰、邯鄲礦區(qū)經(jīng)驗為基礎(chǔ)，逐步向華北擴(kuò)展[2]，1975—1979年，煤炭工業(yè)部地質(zhì)勘探研究所開展了“帶(水)壓開采綜合防治水解放下三層煤”研究，引入突水系數(shù)，利用底板隔水層帶(水)壓開采受水威脅煤炭資源[11]；“六五”期間，國家科技攻關(guān)專題“華北典型煤礦奧陶紀(jì)灰?guī)r水上開采(防治水)技術(shù)”[5]，采用多種手段對區(qū)域巖溶發(fā)育規(guī)律及底板隔水性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，1984年《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》[12]將突水系數(shù)作為帶壓開采的評價方法；到1986年《煤礦防治水條例》[13]出臺，從開采方法到探查、防治及保障的防治水技術(shù)體系基本形成，突水機(jī)理、安全評價及突水預(yù)測的帶壓開采理論也初具雛形。

1.3.2 理論技術(shù)體系的推廣應(yīng)用階段

此階段，淺部下組煤和中深部上組煤帶壓開采：突水系數(shù)＞0.06 MPa/m，20世紀(jì)80年代后期以井下底板隔水層注漿加固或薄層灰?guī)r(簡稱薄灰)改造為主的工程實踐。

改革開放以來，特別是煤炭十年黃金期，理論蓬勃發(fā)展。突水機(jī)理方面，以分類探討為主，如底板巖層為斷層破壞、陷落柱破壞、完整底板[7]，又如工作面和巷道等，提出了相應(yīng)突水機(jī)理；評價方法由突水系數(shù)，擴(kuò)展到帶壓系數(shù)、阻水系數(shù)[14]，以及五圖雙系數(shù)、脆弱性指數(shù)法[15-16]；突水預(yù)測預(yù)報方面，有3類代表性成果，巖體結(jié)構(gòu)方法、非線性動力學(xué)方法、決策分析方法[17]。2009年《煤礦防治水規(guī)定》[18]出臺，標(biāo)志著帶壓開采理論技術(shù)基本成型。

帶壓開采的工程實踐為建立理論技術(shù)體系奠定了堅實的基礎(chǔ)。隨著生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，煤層開采向深部拓展的腳步不斷加快，為應(yīng)對淺部下組煤和中深部上組煤帶壓開采底板頻繁出水，華北各煤田結(jié)合自身條件，探索發(fā)展物探、鉆探、化探及水文地質(zhì)試驗等先進(jìn)勘察技術(shù)，邯邢、淄博、肥城等礦區(qū)[19-21]率先開展井下底板隔水層注漿加固或薄灰改造為主的治理工程實踐，得到大面積推廣應(yīng)用，監(jiān)測預(yù)警技術(shù)等保障技術(shù)初露鋒芒[22]，形成了解放下組煤的綜合技術(shù)儲備。

1.3.3 深部帶壓開采的傳承和創(chuàng)新階段

此階段，深部上、下組煤帶壓開采：突水系數(shù)＞0.1 MPa/m，21世紀(jì)初超前區(qū)域治理。

我國東部淺部煤炭資源枯竭，不得不轉(zhuǎn)向深部資源開采?！笆晃濉逼陂g，重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(計劃)項目查明了深部資源現(xiàn)狀及開采條件，建立深部勘探與評價的技術(shù)體系[23]；實際觀測表明[24]，深部大面積分散出水，采用傳統(tǒng)井下底板注漿技術(shù)封堵治理，已經(jīng)不完全適用：一是出水點多面廣，底板鉆孔注漿就需要將工作面底板全部加固改造，甚至要擴(kuò)展到工作面外側(cè)，工程量巨大，且不能封堵水源；二是只針對出水區(qū)域注漿，會出現(xiàn)“摁下葫蘆起了瓢”這種局面，由于源頭并未切斷，注漿區(qū)域封堵了出水，但注漿點周圍又會突破形成新的出水點，水量從一個點轉(zhuǎn)移到另一個點，為水源源頭未切斷的后果，不能解決根本問題。

新情況促使超前區(qū)域治理方法的形成與應(yīng)用。隨著定向鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和國產(chǎn)化，到2010年，超前區(qū)域治理技術(shù)基本成形[25]。之后，超前區(qū)域治理又出現(xiàn)新問題，即便是將防治區(qū)域從工作面擴(kuò)大到采區(qū)甚至更大范圍，實施超前區(qū)域治理，也不能保證不再出水，梧桐莊和邢東等煤礦都已經(jīng)發(fā)生過類似情況，在完成奧灰定向分支水平鉆孔注漿治理后，工作面回采過程中仍然出現(xiàn)底板突水事故[26]。工程問題反過來推動技術(shù)的進(jìn)步，全時域與全空域四維度(時間維度+空間三維度)水害“全時空”綜合防治技術(shù)應(yīng)運而生[26]。

2 深部及深部帶壓開采

2.1 深部概念

深部是由地應(yīng)力水平、采動應(yīng)力狀態(tài)和圍巖屬性共同決定的力學(xué)狀態(tài)，目前，國內(nèi)外關(guān)于“深部開采”概念說法不一。例如南非、加拿大等國家，開采深度為 800~1 000 m的地下開采即為深井開采[27]；英國、波蘭等國家的專家定義750 m 開采深度即為深井開采[27]；部分其他國家定義開采深度600 m即為深部開采[28]；我國學(xué)者將煤礦深部資源開采的深度定為700~1 500 m[28]。

“深部”以具體工程深度為指標(biāo)定義，具有很大的局限性。何滿潮院士認(rèn)為深部是出現(xiàn)非線性力學(xué)現(xiàn)象的深度[29]；謝和平院士認(rèn)為原巖應(yīng)力趨于靜水應(yīng)力狀態(tài)是深部的典型和共同特征，并因此劃分深部開采為亞臨界深度、臨界深度和超深部臨界深度[30]。

關(guān)于深部開采，除上述巖體力學(xué)方面的定義外，歸納起來還有絕對深度、煤巖體賦存環(huán)境、災(zāi)害程度和方式、巷道變形和維護(hù)方式4種觀點[29-30]。上述觀點從工程環(huán)境、災(zāi)害程度或者維護(hù)成本等不同視角定義深部。

2.2 深部帶壓開采

從巖體力學(xué)角度來定義深部，分界為“非線性力學(xué)現(xiàn)象”的拐點；但從水害形成機(jī)制分析，不論在線性力學(xué)行為區(qū)(淺部)還是非線性力學(xué)行為區(qū)(深部)，承壓水的壓裂導(dǎo)升均有可能發(fā)生，只不過在深部導(dǎo)升更容易發(fā)生而已。如此看來，依據(jù)水壓裂原理，深部水害形成與力學(xué)定義的深部有關(guān)，但不是因果關(guān)系，也就是說，談深部帶壓開采，力學(xué)界定義的深部僅可作為參考。

奧灰含水層富水、承壓水壓力與隔水層阻水能力，是帶壓開采能否正常開展的決定性因素。奧灰?guī)r溶發(fā)育與深度有直接關(guān)系，筆者認(rèn)為，劃分巖溶的深部與淺部是侵蝕基準(zhǔn)面，一般在當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，地下水進(jìn)入深循環(huán)且循環(huán)不暢，巖溶發(fā)育明顯減弱，在侵蝕基準(zhǔn)面上、下，地下水循環(huán)和巖溶發(fā)育均有顯著變化，因此，從帶壓開采的角度來定義，侵蝕基準(zhǔn)面可為帶壓開采的分界線(面)，其下為深部，其上為淺部。

2.3 深部巖溶發(fā)育規(guī)律

華北石炭–二疊紀(jì)煤田主要可采煤層賦存于海陸交互相的太原組和陸相的山西組中，其基底為中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r。

早期籠統(tǒng)認(rèn)為華北奧陶系灰?guī)r為強(qiáng)富水含水層。實際上，中奧陶統(tǒng)沉積時經(jīng)歷了3次海進(jìn)和海退，沉積旋回明顯，巖溶發(fā)育具有多期性和反復(fù)性的特點，垂直及水平方向上其富水性不均一的特征得到廣泛認(rèn)同。1975 年在河北省峰峰礦區(qū)舉行的華北奧陶系專題地層會議，將華北地臺的中奧陶統(tǒng)分為3組8段[31]，西山、潞安、峰峰等華北礦區(qū)水文鉆孔及物探資料證明，奧灰含水層存在 3 個強(qiáng)含水層段(峰峰組上段、上馬家溝組上中段、下馬家溝組上中段)和3個弱富水段(峰峰組下段、上馬家溝組下段、下馬家溝組下段)；峰峰組下段的富水性較上段差，上馬家溝組上中段為區(qū)域主要含水層；奧灰頂部的充填帶為相對隔水層段。

除自身的沉積旋回和物性控制外，奧灰?guī)r溶發(fā)育還受到其埋藏深度的制約，一般情況下，在灰?guī)r露頭區(qū)巖溶發(fā)育，隨埋藏深度加大，巖溶發(fā)育越來越弱。

在小構(gòu)造單元內(nèi)，可溶性巖層中的地下水在重力作用下，沿巖層中的X節(jié)理及傾向流動，構(gòu)成立體框架狀溶蝕裂隙，這是巖溶儲水的基本單元；在橫向上，巖溶水的橫向流動則是受補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)的相對位置控制，形成順層溶蝕帶，是巖溶水溝通的主要通道；而沿大型構(gòu)造地下水集中運移，往往形成區(qū)域巖溶集中發(fā)育的徑流帶。

奧灰?guī)r溶發(fā)育常受當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面的制約，而構(gòu)造運動則控制著侵蝕基準(zhǔn)面的高低，不同高程的侵蝕基準(zhǔn)面，地下水交替循環(huán)的深度不同，其巖溶發(fā)育程度和深度也不同。在侵蝕基準(zhǔn)面以下的地段，地下水排泄相對困難，水力交替緩慢，巖溶一般發(fā)育較差；在侵蝕基準(zhǔn)面緩慢波動的地段，由于巖溶承壓水的彈性儲存和釋放，徑流及排泄通暢，有利于巖溶的發(fā)育。

在加里東運動時期，我國北方地面上升，形成大面積的剝蝕–溶蝕區(qū)，中奧陶世以后的晚奧陶世、志留紀(jì)、泥盆紀(jì)130~150 Ma無地層沉積，古陸地長期處于剝蝕、溶蝕狀態(tài)，形成喀斯特(Karst)準(zhǔn)平原[32]。石炭紀(jì)中晚期，華北地殼快速下降，含煤地層在大多數(shù)向斜盆地覆蓋喀斯特平原，奠定了華北煤田的雛形。如圖2所示，燕山運動晚期，太行山褶皺隆起，使華北平原奧灰自西向東逐漸深埋，太行山裸露以及東麓淺埋區(qū)域，巖溶繼承古巖溶繼續(xù)改造發(fā)展，而深埋區(qū)域則基本保持了古巖溶的原貌，不再發(fā)展[33]。山西高原[34]整體抬升，侵蝕基準(zhǔn)面下移，灰?guī)r中的喀斯特繼續(xù)深切發(fā)展，古巖溶位于上一侵蝕基準(zhǔn)面，由于在奧灰?guī)r溶水位以上，基本也保持不再繼續(xù)發(fā)展；而現(xiàn)代巖溶發(fā)育較深，因大部分煤層高于現(xiàn)代巖溶水位而不帶壓或者壓力較小，因此，山西高原煤層帶壓開采形勢相對并不嚴(yán)重。

圖2 華北煤田巖溶發(fā)育

巖溶陷落柱是巖溶發(fā)育與徑流帶的產(chǎn)物[35]。由于深部巖溶發(fā)育弱，地下水循環(huán)交替弱，基本不具備陷落柱形成的條件，因此，深部的陷落柱應(yīng)為古巖溶陷落柱隨構(gòu)造變動而深埋形成，古巖溶陷落柱預(yù)示古徑流帶的存在；現(xiàn)代巖溶陷落柱則發(fā)育在現(xiàn)代徑流帶上。陷落柱發(fā)育始于印支運動及燕山運動早期的中生代早期，即形成于含煤地層沉積結(jié)束，基底開始隆起沉積間斷時期，結(jié)束于燕山運動晚期的中生代晚期；喜馬拉雅運動的新近紀(jì)以來，有些陷落柱重新復(fù)活。南方晚二疊世煤田煤層底板二疊系茅口灰?guī)r與上覆地層連續(xù)沉積，因此，極少發(fā)育有古巖溶陷落柱。

2.4 深部隔水層特征

帶壓開采是奧灰水與隔水層之間矛與盾的關(guān)系，除了奧灰?guī)r溶水，隔水層的性狀以及深部與淺部特征(自身特征、環(huán)境特征)同樣重要。

一般認(rèn)為，二疊系山西組賦存煤層為上組煤，石炭系太原組為下組煤。山西組含煤地層由煤層和砂巖類、頁巖類及泥巖類巖層組成，局部夾雜薄層灰?guī)r；太原組由煤層及薄層灰?guī)r、泥巖頁巖互層組成；在太原組與奧灰之間還有本溪組地層，該組地層在華北煤田大部分區(qū)域極薄或者缺失。在正常沉積環(huán)境下，上組煤開采有太原組和本溪組地層阻隔，一般不會形成奧灰突水；而下組煤，特別是下組煤下部煤層，由于距離奧灰近(圖3)，加之局部薄層灰?guī)r的中轉(zhuǎn)傳導(dǎo)，奧灰水容易突破隔水層形成突水。

從巖性組合結(jié)構(gòu)分析，如果把煤層到奧灰之間的巖層均視為隔水層，那么，隔水層中的泥質(zhì)巖層和粉砂巖、頁巖等巖性柔軟、透水性較弱，砂巖、石灰?guī)r硬脆且透水性較好，它們相互疊置組合，有利于緩解巖層變形，增強(qiáng)隔水性能；如果發(fā)育本溪組巖層，其底部的鋁土質(zhì)頁巖、泥巖是性能良好的隔水層。

由此看來，一般情況下，不論是開采上組煤還是解放下組煤，突水發(fā)生的情況為極少數(shù)，不涌水是常態(tài)，也正是基于此，充分利用自然隔水層阻水能力而進(jìn)行的帶壓開采才有其存在的價值，否則，一旦開采便到處涌水，帶壓開采就失去了意義。而突水的情況絕大部分是由于底板隔水層受到構(gòu)造破壞所致。

在淺部，地應(yīng)力小于圍巖強(qiáng)度，除構(gòu)造地段，巖體致密完整，能夠抵抗圍壓的巖層，自然可以抵御淺部較小的水頭壓力，因此，淺部突水基本上發(fā)生在構(gòu)造破壞地段，以集中過水通道形式呈現(xiàn)。在深部，地應(yīng)力不斷加大，一旦大于圍巖強(qiáng)度，則巖層發(fā)生形變產(chǎn)生裂隙，上覆煤層開采后，底板巖層垂向應(yīng)力解除，原有裂隙張開，在一定水壓力作用下，裂隙壓裂連通，形成承壓水的導(dǎo)升，微細(xì)裂隙導(dǎo)升匯集，在合適的位置和適當(dāng)時機(jī)，即可形成深部散面狀涌水，進(jìn)而形成集中通道突水。

注：底煤為石炭–二疊紀(jì)煤田下組煤最下層煤

3 深部帶壓開采突水特征、機(jī)理及評價

3.1 淺部及深部底板突水特征

3.1.1 淺部底板突水特征

傳統(tǒng)意義上的淺部，仍然以底板隔水層厚度一般在60~80 m以內(nèi)、底板承壓水壓力在3.0~4.0 MPa 以下為主；此時，突水系數(shù)法評價帶壓開采危險性的適用性很好?

淺部底板突水以現(xiàn)代巖溶徑流帶或富水帶為水源，水量豐富，水質(zhì)為以Ca-HCO3或Ca·Mg-HCO3為主的低礦化度水；突水通道以陷落柱、斷層等大中型構(gòu)造的集中過水通道為主，突水量大?

3.1.2 深部底板突水特征

大量深部底板突水案例表明，突水量呈階梯遞增，但峰值遠(yuǎn)小于淺部，突水通道以點狀分散為主，水質(zhì)高礦化度且陽離子以Na+或Na+、Ca2+為主，絕大多數(shù)為滯后突水[26]。

①充水水源 奧灰為總的策源地，奧灰水是總驅(qū)動發(fā)動機(jī)，薄灰既儲能又積勢，起到承上啟下的作用。

②充水通道 以大型構(gòu)造疊加裂隙帶出水為主要模式，壓裂分散出水為主要特征[26]。

③充水強(qiáng)度 涌水一般由小到大經(jīng)歷幾個甚至幾十個臺階達(dá)到峰值(圖4)[26,37]，隨后視補(bǔ)給情況穩(wěn)定或下降。

圖4 河北省峰峰礦區(qū)九龍礦突水水位和水量動態(tài)

④充水時間 伴隨回采初次或周期來壓出現(xiàn)涌水，由于壓裂過程或者觀測遲滯，出現(xiàn)“滯后”現(xiàn)象。

⑤充水水質(zhì) 深部奧灰高礦化度水由出水初期Na+或Na+、Ca2+逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃a2+或Ca2+、Na+，SO2– 4·Cl–或Cl–·SO2– 4逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO– 3，與正?；?guī)r水有所區(qū)別。

3.2 深部帶壓開采突水機(jī)理

正常巖層底板突水有2種模式：①薄板的整體破壞模式；②厚板的水壓裂導(dǎo)升破壞模式。從微觀角度看，水壓力、最小主應(yīng)力、裂縫的類型、尺寸及巖層的性質(zhì)等決定裂縫擴(kuò)展與否，整體表現(xiàn)為隔水層的阻水能力。但宏觀看，煤層底板阻水能力首先取決于隔水層的完整程度和厚度。

開采前，由于隱伏構(gòu)造或裂隙集中帶巖溶水導(dǎo)升一定高度后處于平衡靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)開采后，作用于底板的垂向地應(yīng)力解除，在高承壓水壓力作用下，奧灰水開始克服巖層阻力向上導(dǎo)升，經(jīng)過薄層灰?guī)r中轉(zhuǎn)站，繼續(xù)向上壓裂導(dǎo)升，直至與煤層底板擾動帶及破壞帶溝通，形成面狀散流突水(圖5)[26,37]。

3.3 深部帶壓開采評價

對于厚、巨厚隔水層，從理論上講，厚板整體破斷方式不可能發(fā)生，在無直通式構(gòu)造通道的前提下，奧灰水向上運移的方式只有沿裂隙水力壓裂導(dǎo)升。

針對華北典型奧灰–厚隔水層夾薄層灰?guī)r–煤層的三元煤巖層結(jié)構(gòu)模式，隔水層厚度遠(yuǎn)超出80 m，突水系數(shù)已不適用于此模式底板突水危險性評價[38]。

依據(jù)薄板理論[38]，突水臨界線為=0.001 12+ 0.001 9+0.1；按照統(tǒng)計規(guī)律，突水臨界線為= 0.140 9e0.058 3M；突水系數(shù)=/(圖6)。據(jù)突水點統(tǒng)計(圖6中黃色線條[39])，當(dāng)0＜≤30 m，=0.025 60.011 8為突水臨界；當(dāng)30 m＜≤80 m，=0.136 83.347 4為突水臨界。

進(jìn)入深部以后，由于地應(yīng)力增大，巖層損傷加重，即巖層自身裂隙發(fā)育，但在高應(yīng)力圍巖環(huán)境下裂隙閉合，因此，承壓水導(dǎo)升高度有限。一旦采動影響，圍巖應(yīng)力釋放，承壓水使裂隙張開并可能造成微裂隙的破裂延展，呈現(xiàn)承壓水的導(dǎo)升。實際觀測發(fā)現(xiàn)[24]，深部突水都以散點大面積涌水為特征，基于薄板關(guān)鍵層宏觀整體破斷機(jī)制將不再成立，厚板微觀壓裂導(dǎo)升機(jī)制控制了突水的發(fā)生發(fā)展。此時，水壓力與圍巖之間的平衡關(guān)系如下：

0=331p+T(1)

式中：0為巖層水力壓裂時的起裂壓力；3、1分別為圍巖最小和最大主應(yīng)力(地應(yīng)力)；p為孔隙水壓力；T為巖石抗拉強(qiáng)度。

由于開采后垂向應(yīng)力解除形成二維狀態(tài)，深部平衡關(guān)系變?yōu)椋?≥(3+T)。依據(jù)點狀分散涌水特征，深部底板治理技術(shù)，將由構(gòu)造治理轉(zhuǎn)向底板大面積改造，如超前區(qū)域治理。

圖5 華北煤田三元煤巖層結(jié)構(gòu)突水機(jī)理

圖6 帶壓開采水壓與隔水層厚度的理論及統(tǒng)計分析

在新采區(qū)的首采工作面，僅針對該面的底板加固改造將起到一定作用，但經(jīng)過幾個工作面甚至上下多煤層的開采擾動卸壓，該區(qū)域內(nèi)原始的三維應(yīng)力場轉(zhuǎn)變?yōu)槎S場(垂向應(yīng)力解除)，高承壓水不再受圍巖原始應(yīng)力場束縛，沿原生裂隙及次生裂隙不斷滲透擴(kuò)張，在原有滲流場的基礎(chǔ)上，改造成區(qū)域性四通八達(dá)的滲流網(wǎng)，此時，仍將單一工作面的底板改造成隔水底板已無法發(fā)揮作用，水的流動性和壓力會使其繞過注漿封堵段，形成繞流補(bǔ)給，而非沿垂向通道的補(bǔ)給關(guān)系。

由于在深部不能直接封堵源頭，可在水源與工作面之間進(jìn)行水流攔截；而淺部集中通道的封堵相對容易；但面對分散裂隙滲透擴(kuò)張再采用中間截流的辦法，其作用無法保障。

4 深部帶壓開采模式及關(guān)鍵技術(shù)

帶壓開采是指在具有承壓水壓力的含水層上進(jìn)行的采煤。一般是指單純利用自然條件下底板隔水層抵抗含水層水壓，并不是采取疏水降壓，或局部注漿加固改造的防治措施條件下實現(xiàn)安全目標(biāo)的開采。目前，華北型煤田各礦區(qū)多數(shù)是在采取疏水降壓或注漿加固改造措施后的“帶壓開采”，特別是深部開采，“自然帶壓開采”方法模式已不再適用。

4.1 開采模式

為應(yīng)用方便，依據(jù)將底板隔水層分為5類[26]，對應(yīng)將帶壓開采條件分為5級，相應(yīng)提出5種帶壓開采治理模式，詳見表1。

4.2 開采關(guān)鍵技術(shù)

深部帶壓開采圍巖條件復(fù)雜，宜貫徹“全時空”水害綜合防治思想理念[26]，實施全時域與全空域四維度(時間維度+空間三維度)水害防治技術(shù)。

“全時域”，即貫穿采掘全過程，評估預(yù)測–探治驗補(bǔ)–檢驗評價–監(jiān)測保障全鏈條“四位一體”技術(shù)流程控制[12]。

表1 5類深部帶壓開采治理模式

注：為隔水層厚度；p為底板破壞帶高度；d為奧灰導(dǎo)升帶高度；為突水系數(shù)；模式1隔水層判定是據(jù)突水點統(tǒng)計[39]，為圖6中黃色實線；模式2隔水層判定是依據(jù)統(tǒng)計規(guī)律，圖6中淺藍(lán)色虛線。

“全空域”，即三維立體空間上，井上井下立體布局，空間交叉網(wǎng)狀地面超前區(qū)域治理，井下多層段探、治、驗、補(bǔ)管控模式，形成全空域布局時間維度全鏈條覆蓋的綜合防治模式[26]。

所涉及的具體技術(shù)，如方案選擇、工藝配套、施工管理、材料配比、質(zhì)量把控、評價驗證等，工程實踐案例成果豐碩[40-42]，在此不贅述。

5 展望

盡管帶壓開采的理論和技術(shù)取得了長足進(jìn)步，但面對復(fù)雜的地質(zhì)與采礦條件，特別是深部極復(fù)雜環(huán)境，仍有大量科學(xué)技術(shù)難題等待攻關(guān)。

目前可以基本實現(xiàn)用科學(xué)語言來描述和刻畫宏觀突水過程，盡管細(xì)節(jié)不盡相同、觀點仍有分歧，但突水機(jī)理遠(yuǎn)未達(dá)到可以用精確理論表達(dá)的程度，觸及本質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系尚未建立；突水影響因素基本可以羅列齊全，但各因素與突水的關(guān)系、各因素之間的相互關(guān)系以及因素集對突水發(fā)生發(fā)展控制作用，研究深度只涉及表象未深入本質(zhì)，表現(xiàn)在評價方法上，統(tǒng)計方法和經(jīng)驗方法占據(jù)主導(dǎo)地位，精確理論的數(shù)學(xué)或力學(xué)評價方法缺失；由于地質(zhì)體介質(zhì)的不確定性和水流的復(fù)雜性，加之流–固耦合的實時動態(tài)效應(yīng)，地質(zhì)體本構(gòu)模型尚無法建立，導(dǎo)致時間空間四維度突水預(yù)測以及量的預(yù)測，乃空中樓閣。

上述科學(xué)難題非幾代人可以解決，將隨著科學(xué)技術(shù)水平的整體進(jìn)步，得到逐步解決，其歷程將艱辛而漫長。

目前應(yīng)重點關(guān)注制約現(xiàn)實安全帶壓開采的技術(shù)難題，未來一段時間內(nèi)帶壓開采“卡脖子”難題如下：

a. 巖溶發(fā)育規(guī)律?；?guī)r水源是帶壓開采的設(shè)防對象，如果灰?guī)r中無水，理論上帶壓開采不用設(shè)防，而灰?guī)r確實存在巖溶發(fā)育強(qiáng)烈不均一性的特點，大部分區(qū)域灰?guī)r不富水，只有徑流帶發(fā)育地帶才需要做工作。因此，應(yīng)緊緊圍繞巖溶及巖溶水賦存徑流規(guī)律開展研究，找到徑流帶，明了危險所在，保安全就相對簡單。

b. 灰?guī)r中有“水”，也不一定就突水，統(tǒng)計表明，既富水又存在構(gòu)造的地方才可能形成突水。為此，需要發(fā)展精細(xì)勘探探查技術(shù)，一要查清灰?guī)r富水區(qū)域，二應(yīng)查明構(gòu)造薄弱帶。

c. 盡管不能達(dá)到完全認(rèn)識事物本質(zhì)的程度，但探索的腳步永不停止。在現(xiàn)有巖體結(jié)構(gòu)、泛決策、非線性等分析方法的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮交叉學(xué)科的優(yōu)勢，宏觀與微觀相結(jié)合，分散出擊各個擊破，分類探索突水機(jī)理，分條件提出評價方法，分場景預(yù)測突水及突水量。

d. 最后一個難題就是“治”。目前，在沒有明確水源、通道等目標(biāo)的情況下，一般將開采區(qū)域作為靶區(qū)，進(jìn)行大面積超前區(qū)域治理；但重點區(qū)域可能治理不到位而導(dǎo)致治理效果不明顯或無效。因此，明晰治理目標(biāo)至關(guān)重要，其次才是如何“治”，方案選擇、工藝配套、施工管理、材料配比、質(zhì)量把控等，治理技術(shù)已經(jīng)從井下大面積注漿發(fā)展到目前超前治理的全時域與全空域四維度水害“全時空”綜合防治技術(shù)，但其治理效果還有待進(jìn)一步研究和驗證。

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Deep mining under safe water pressure of aquifer: Inheritance and innovation

YIN Shangxian1, LIAN Huiqing1, XU Bin1, TIAN Wuzi1, CAO Min2, YAO Hui1, MENG Haopeng1

(1. Hebei State Key Laboratory of Mine Disaster Prevention, North China Institute of Science and Technology, Beijing 101601, China; 2. School of Energy and Mining Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China)

The paper reviews the development course of inheritance and innovation of mining under pressure, expounds the concept and the necessary and sufficient conditions of mining under pressure, and on the basis of the connotation of mining under pressure, the base level of erosion is defined as the boundary(interface) of shallow and deep mining under pressure. The paper clarified that mining above confined water is mining under pressure, while mining under aquifer does not belong to the category, and corrects the improper expression of roof and floor pressure in “Coal Mine Safety Regulations”. This paper summarizes the theory and technology directly serving the mining under pressure, the three technologies of exploration, prevention and protection, the three theories of mechanism(disaster mechanism), evaluation(risk evaluation) and prediction(disaster prediction), which constitute the theoretical and technical system of mining under pressure. The development of Ordovician karst in North China coalfield weakens with the increase of depth. It can be inferred that the deep karst runoff belt in space is mostly formed in the palaeo-karst system, while the modern karst runoff belt is developed in the modern karst. The damage fractures in the deep aquifuge increase, which lays a material foundation for the rise of confined water after mining. This paper summarizes and compares the characteristics of karst water damage in shallow and deep floor, and clarifies the mechanism of deep Ordovician limestone water inrush, the permeability, dilatancy, fracturing along the fracture, and continuously rise through the transfer of thin limestone, thus forming a large area of divergent flow. It is theoretically explained that the water inrush coefficient is no longer applicable to the case that the thickness of the aquifuge exceeds 80 m, and an evaluation method of mining under pressure of thick and extremely thick aquifuge is proposed:0>331p+T. According to the thickness of the aquifuge, the height of the floor damage zone as well as the height of fracturing belt of the Ordovician limestone, and the water inrush coefficient, the floor is divided into five types of aquifuge, and the corresponding five levels of mining under pressure conditions and five treatment modes are put forward. Aiming at the complex conditions of deep mining under pressure, the paper advocates the application of "whole time-space" comprehensive water damage prevention ideas and technologies. Facing the future, the constitutive model of geological body + water flow is still the biggest problem to be overcome by the academic circle. Realistic problems of stranglehold, such as the development of deep karst, fine exploration technology, water damage mechanism and evaluation prediction, and comprehensive treatment technology, are the keys to realize the safe mining under pressure.

mining under pressure; deep; the Ordovician limestone; water inrush mechanism;evaluation method

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TD745

A

1001-1986(2021)01-0170-12

2020-11-15；

2020-12-25

國家自然科學(xué)基金項目(51774136，51974126)；河北省自然科學(xué)基金重點項目(D2017508099)

尹尚先，1964年生，男，山西朔州人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事煤礦防治水工作. E-mail：yinshx03@126.com

尹尚先，連會青，徐斌，等. 深部帶壓開采：傳承與創(chuàng)新[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(1)：170–181. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.018

YIN Shangxian，LIAN Huiqing，XU Bin，et al. Deep mining under safe water pressure of aquifer: Inheritance and innovation[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：170–181. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.018

(責(zé)任編輯 周建軍)