劉清寶，丁 湘，馮 潔，張 坤

“八位一體”閉環(huán)式煤礦頂板水害管控模式的構(gòu)建與應(yīng)用

劉清寶1，丁 湘2，馮 潔2，張 坤2

(1. 中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2. 中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

煤礦水害防治是礦井安全管控的重點(diǎn)之一，但缺乏全面、系統(tǒng)、可控的技術(shù)管理手段，制約著煤炭資源的安全高效開(kāi)采，為了科學(xué)、有效地指導(dǎo)煤礦水害防治工作，以鄂爾多斯盆地深部煤礦頂板水害為例，運(yùn)用系統(tǒng)工程與閉環(huán)式管理的理論體系，提出了“立體探查、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、追蹤探放、分段疏降、采前評(píng)價(jià)、階梯排水、監(jiān)測(cè)預(yù)警、總結(jié)優(yōu)化”的頂板水害閉環(huán)式管控模式，該模式涵蓋了水文地質(zhì)條件探查、水害預(yù)測(cè)、頂板水疏排、水害監(jiān)測(cè)預(yù)警等全過(guò)程的管理、控制，形成了從水害治理效果到水害防治過(guò)程中每個(gè)階段的反饋通路，組成一個(gè)水害防治閉合回路，保障了防治水工作有據(jù)可依、偏差可控。將該模式應(yīng)用于深部復(fù)雜水文地質(zhì)條件的煤礦頂板防治水技術(shù)與管理，實(shí)現(xiàn)了煤礦水害防治技術(shù)與生產(chǎn)管理的協(xié)同創(chuàng)新，保障了煤礦安全高效開(kāi)采，為深部復(fù)雜水文地質(zhì)條件煤層開(kāi)采頂板防治水技術(shù)與管理提供借鑒。

八位一體；閉環(huán)；管控模式；煤礦水害；鄂爾多斯盆地

我國(guó)煤炭資源豐富，是我國(guó)基礎(chǔ)性能源的重要組成部分，在一次性能源結(jié)構(gòu)中占 60%左右，在未來(lái)幾十年內(nèi)，煤炭作為我國(guó)主體能源的地位不會(huì)改變。然而，煤礦突水一直制約著煤炭安全高效開(kāi)采，2020年，全國(guó)煤礦共發(fā)生水害死亡事故7起、死亡25人，同比增加4起、15人，分別占全國(guó)煤礦事故起數(shù)和死亡人數(shù)的5.7％和11.1％[1]。隨著煤礦開(kāi)采深度的逐步增加，水文地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，煤礦水害危險(xiǎn)性增大，對(duì)防治水工作提出了更高的要求。

長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭科技工作者開(kāi)展大量的煤礦水害防治技術(shù)研究與工程實(shí)踐，取得了豐碩的科研成果。在水文地質(zhì)條件探查方面，董書寧等[2-3]研究了煤炭智能開(kāi)采的地質(zhì)保障技術(shù)及鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田典型頂板水害防控技術(shù)，將智能開(kāi)采地質(zhì)保障技術(shù)分為高精度綜合探測(cè)、一體化智能在線監(jiān)測(cè)、工作面地質(zhì)透明化三大關(guān)鍵技術(shù)；虎維岳[4]研究了深部煤炭開(kāi)采地質(zhì)安全保障技術(shù)及研究方向，金學(xué)良等[5]、陳香菱[6]研究了煤田地質(zhì)勘探關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用。在煤礦水害預(yù)測(cè)方面，武強(qiáng)等[7-9]提出了煤層頂板涌(突)水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的“三圖—雙預(yù)測(cè)”方法，成功應(yīng)用于我國(guó)多個(gè)煤礦。在頂板水疏排方面，靳德武等[10]在榆神礦區(qū)淺埋煤層提出了減水開(kāi)采中預(yù)疏放水標(biāo)準(zhǔn)的確定方法；楊建等[11]研究了蒙陜深埋煤層頂板水疏放標(biāo)準(zhǔn)；李永濤等[12]、趙寶峰等[13]、呂兆海等[14]研究了頂板疏放水與工作面涌水規(guī)律，評(píng)價(jià)了含水層的疏放性；王厚柱等[15]研究了深部開(kāi)采礦井水害區(qū)域治理關(guān)鍵技術(shù)，提出了以工作面外巷鉆孔導(dǎo)流、鄰面鉆孔截流、雙側(cè)采空區(qū)截流和長(zhǎng)距離定向鉆孔追蹤探放水為核心的巨厚頂板砂巖含水層區(qū)域治理技術(shù)。而煤礦水害管理方面的成果主要圍繞2018年國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布的《煤礦防治水細(xì)則》展開(kāi)，是目前煤礦水害防治的規(guī)范性文件，河北省針對(duì)本省水文地質(zhì)條件，于2016年出臺(tái)了《煤礦防治水管理辦法》，煤礦防治水管理主要指出不同的水害類型對(duì)應(yīng)的防治技術(shù)、制度、保障措施等。張瑯[16]、王鵬娟[17]研究了煤礦水害防治管理體系的建立，從防治水管理機(jī)構(gòu)建立、防治水管理制度制定、資金支持、人才配備等方面進(jìn)行了闡述；牟林等[18]為滿足大水礦區(qū)對(duì)防治水技術(shù)與統(tǒng)籌管理方法創(chuàng)新的迫切需求，提出了生產(chǎn)企業(yè)與科研院所優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的“產(chǎn)研”合作模式；梁慶華等[19]提出礦井防治水2個(gè)“四位一體”技術(shù)體系模式，即區(qū)域防治水是基礎(chǔ)、局部防治水是重點(diǎn)、先探后采是原則、應(yīng)急救援是保障。針對(duì)煤礦單一水害問(wèn)題的防治先進(jìn)技術(shù)發(fā)展較快，但尚未與生產(chǎn)管理緊密結(jié)合，缺乏系統(tǒng)、全面的管理體系，從而影響了煤礦生產(chǎn)各階段的煤礦防治水技術(shù)銜接、反饋與優(yōu)化，阻礙了防治水技術(shù)進(jìn)一步快速發(fā)展的步伐，減弱了煤礦防治水成效，加之深部礦井水文地質(zhì)情況復(fù)雜，煤礦防治水任務(wù)更加艱巨。

基于此，筆者運(yùn)用系統(tǒng)工程與閉環(huán)式管理理論體系，提出“八位一體”閉環(huán)式煤礦頂板水害管控模式，并應(yīng)用于深部礦井頂板水害防治，以期為礦井安全高效開(kāi)采提供保障，助力煤礦企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

1 “八位一體”閉環(huán)式煤礦水害管控模式的提出

1.1 必要性

我國(guó)煤礦防治水技術(shù)管理方面成績(jī)顯著，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 防治水先進(jìn)技術(shù)推廣應(yīng)用更快，河北等地推廣地面定向鉆進(jìn)技術(shù)，對(duì)灰?guī)r含水層進(jìn)行區(qū)域性、超前性徹底改造；河北冀中能源集團(tuán)率先實(shí)施地面區(qū)域超前治理，單個(gè)定向水平鉆孔最大鉆進(jìn)距離由800 m提高至1 100 m，研制的礦井突水微震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

(2) 防治水理念轉(zhuǎn)變得更先進(jìn)，從過(guò)程治理向超前預(yù)防、局部治理向區(qū)域治理、井下治理向井上下治理轉(zhuǎn)變。河北、陜西等地提出“超前預(yù)防、區(qū)域治理” “井上下治理相結(jié)合”；貴州堅(jiān)持“物探先行、鉆探跟進(jìn)、探掘分離、不探不進(jìn)”；山西、四川、吉林、新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)實(shí)行“逢掘必探”，對(duì)掘進(jìn)工作面實(shí)現(xiàn)全方位、立體式探查；江西、江蘇推行井上下物探、鉆探相結(jié)合的綜合探查措施，采用多種手段相互驗(yàn)證；冀中能源集團(tuán)提出“超前主動(dòng)、區(qū)域治理、全面改造、達(dá)標(biāo)開(kāi)采”；山東肥城礦業(yè)集團(tuán)實(shí)行水害探查“精細(xì)化”、奧灰治理“源頭化”、減擾開(kāi)采“常態(tài)化”、雙液注漿“領(lǐng)先化”、帷幕截流“規(guī)?；薄⒅卫泶胧岸嘣?，這些新理念新方法推動(dòng)了水害防治工作深入開(kāi)展。

(3) 防治水政策支持力度更大。山東、湖北先行關(guān)閉水害威脅嚴(yán)重、無(wú)經(jīng)濟(jì)效益的煤礦，從源頭上根除水患威脅。河北開(kāi)灤范各莊礦實(shí)施防治水“三優(yōu)先、兩否決”，“三優(yōu)先”即公司會(huì)議優(yōu)先討論防治水事宜、生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)先考慮防治水工作、井下優(yōu)先安排防治水工程；“兩否決”即未安排防治水工作的生產(chǎn)計(jì)劃一票否決，未落實(shí)防治水措施的工作一票否決，確保防治水措施落地落實(shí)。

(4)防治水地質(zhì)保障工作更扎實(shí)，各地不斷加強(qiáng)水害致災(zāi)因素普查、科技支撐研究等基礎(chǔ)工作。2016年以來(lái)，四川省財(cái)政安排1 465萬(wàn)元，市、縣財(cái)政配套3 000多萬(wàn)元，企業(yè)投入8 000多萬(wàn)元，集中開(kāi)展煤礦水害普查治理；黑龍江龍煤集團(tuán)在經(jīng)營(yíng)困難情況下，投入1億多元，施工3萬(wàn)多米水文地質(zhì)鉆孔，完成15個(gè)勘探報(bào)告；安徽皖北煤電集團(tuán)發(fā)揮“國(guó)家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心”作用，建立和完善底板承壓水、頂板水等水害防治成套技術(shù)體系，連續(xù)16 a杜絕水害事故。

煤礦防治水技術(shù)、管理理念先進(jìn)，但鮮有將防治水技術(shù)與管理統(tǒng)籌，全面、系統(tǒng)、循環(huán)管控煤礦防治水各個(gè)階段。隨著煤炭資源開(kāi)采逐漸向深部過(guò)渡，煤礦防治水壓力更大，因此，有必要開(kāi)展水害防治技術(shù)與管理的協(xié)同創(chuàng)新研究，探索煤礦水害防治新路徑，指導(dǎo)煤礦安全高效開(kāi)采。

目前，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作模式容易使很多建設(shè)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題在項(xiàng)目建設(shè)初期發(fā)現(xiàn)不了、解決不了，直到項(xiàng)目建設(shè)期間或投產(chǎn)后逐步暴露再研究解決，在這過(guò)程中勢(shì)必會(huì)造成項(xiàng)目管理成本增加、工期延后、投資超額、項(xiàng)目質(zhì)量缺陷等問(wèn)題。如某礦區(qū)煤礦建設(shè)項(xiàng)目由于初期地質(zhì)資料不準(zhǔn)確、水害防治及沖擊地壓研究不充分，導(dǎo)致千萬(wàn)噸級(jí)礦井未能按照沖擊地壓和水文地質(zhì)復(fù)雜礦井設(shè)計(jì)，造成開(kāi)拓開(kāi)采系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、安全設(shè)施設(shè)計(jì)不到位，礦井投產(chǎn)后追加改造及安全費(fèi)用達(dá)數(shù)十億元。

1.2 目標(biāo)

本文提出的“八位一體”閉環(huán)式煤礦水害管控模式旨在從防治水工作的源頭——水文地質(zhì)條件探查開(kāi)始，逐步深入研究水害危險(xiǎn)性，實(shí)施防治水工程，不斷檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)、調(diào)整防治水工作的每個(gè)階段，以期避免防治水工作重復(fù)、無(wú)效開(kāi)展，提升煤礦防治水技術(shù)與管理的整體水平，加快煤礦防治水工作邁上新臺(tái)階，在保障煤礦安全生產(chǎn)的前提下，實(shí)現(xiàn)降本增效，并在類似條件礦井進(jìn)行推廣應(yīng)用。

2 “八位一體”閉環(huán)式煤礦水害管控模式的內(nèi)涵

常規(guī)的防治水工程技術(shù)管理工作未形成閉環(huán)指導(dǎo)，各階段防治水工作不能有效整合，防治水工作的組織、統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)和規(guī)劃不能進(jìn)行合理配置及對(duì)現(xiàn)有資源的有效利用。“八位一體”閉環(huán)式防治水工程技術(shù)管理體系，有效整合各項(xiàng)技術(shù)管理工作，包括立體探查、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、追蹤探放、分段疏降、采前評(píng)價(jià)、階梯排水、監(jiān)測(cè)預(yù)警、總結(jié)優(yōu)化等8方面，通過(guò)比較每一階段成果與水害治理效果之間的偏差，不斷調(diào)整水害防治過(guò)程，根據(jù)水害治理效果反饋至水害預(yù)測(cè)，調(diào)整預(yù)測(cè)方法，形成從水害治理效果到過(guò)程每個(gè)階段的反饋通路，組成一個(gè)水害防治閉合回路，各項(xiàng)工作相輔相成、互相驗(yàn)證，有效提高防治水工程技術(shù)水平，確保礦井安全高效生產(chǎn)(圖1)。

圖1 “八位一體”閉環(huán)式頂板水害管控策略

2.1 立體探查

地質(zhì)保障工作是煤礦安全生產(chǎn)的前提，隨著地質(zhì)勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，三維高精度探測(cè)技術(shù)普遍應(yīng)用，地球物理勘探、鉆探、化探等多手段的聯(lián)合，為井上下立體探查，空間透明地質(zhì)體的實(shí)現(xiàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。井田勘探階段、煤礦生產(chǎn)階段逐步將煤炭資源開(kāi)采區(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件查清，通過(guò)采前探查、生產(chǎn)揭露，不斷修正、完善、明晰地質(zhì)體，從未知到已知，從黑體到灰體到透明體，為準(zhǔn)確指導(dǎo)水害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作提供依據(jù)。

2.2 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是在做好常規(guī)的地質(zhì)預(yù)報(bào)及水情水害預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，結(jié)合井下探查結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量成果，不斷修正，采用先進(jìn)的水害預(yù)測(cè)理論更準(zhǔn)確地指導(dǎo)超前探查設(shè)計(jì)、疏放水設(shè)計(jì)、掘進(jìn)、回采等工程作業(yè)。對(duì)高效開(kāi)展井下防治水工程具有十分重要的作用，同時(shí)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)揭露不斷驗(yàn)證預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確程度，對(duì)預(yù)測(cè)出現(xiàn)的偏差進(jìn)行分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化預(yù)測(cè)方法，提高預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平。

2.3 追蹤探放

探放水作為煤礦防治水的一項(xiàng)重要工作，近年來(lái)在施工工藝、設(shè)備升級(jí)等多方面已經(jīng)取得了多項(xiàng)進(jìn)展，深部侏羅系礦井主要的水害為頂板砂巖水，其特點(diǎn)是砂巖含水層厚度大、富水性強(qiáng)并且承壓，在掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)遇到頂板滴水、淋水的現(xiàn)象，雖不能造成災(zāi)害，但是對(duì)生產(chǎn)作業(yè)有一定的影響，為消除這一影響，提出了追蹤探放技術(shù)，引進(jìn)千米鉆機(jī)施工定向鉆孔，根據(jù)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果，在掘進(jìn)區(qū)域頂板直接充水含水層底部施工超前探放水工程，不但可查明前方的地質(zhì)及構(gòu)造發(fā)育情況，又可對(duì)掘進(jìn)前方的直接充水頂板水進(jìn)行疏放。

2.4 分段疏降

在煤礦回采工作面進(jìn)行采前頂板砂巖水疏放可有效降低工作面回采時(shí)的涌水量，減少排水壓力，同時(shí)有助于煤質(zhì)水分的降低，但隨著對(duì)頂板含水層分布規(guī)律及富水性的分析，認(rèn)為頂板水分為2部分，即靜態(tài)儲(chǔ)量和動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量，提前將靜態(tài)儲(chǔ)量疏放一部分，降低了含水層的水頭壓力，釋放一定量的積水，則回采過(guò)程中因頂板導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通含水層造成的工作面涌水壓力可得到緩解。但疏放水效果和排水費(fèi)用受疏放時(shí)間及受回采影響的不同區(qū)段影響，所以要根據(jù)涌水量的科學(xué)預(yù)測(cè)進(jìn)行疏放設(shè)計(jì)，同時(shí)要根據(jù)含水層的水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算水位恢復(fù)的時(shí)間段，確定提前疏放的時(shí)間，這樣既可以起到降低工作面涌水量的作用，又可以分步實(shí)施，減輕排水系統(tǒng)壓力，達(dá)到安全和經(jīng)濟(jì)的平衡。

2.5 采前評(píng)價(jià)

采前評(píng)價(jià)是防治水工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，回采前已做了大量準(zhǔn)備工作，但能否有效控制水害風(fēng)險(xiǎn)，消除水害隱患需要一個(gè)科學(xué)的評(píng)價(jià)體系，需要從不同類型水害出發(fā)，根據(jù)地質(zhì)資料分析判斷是否存在隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素，是否需要采取相應(yīng)的措施。重點(diǎn)評(píng)價(jià)疏放水效果是否達(dá)到要求的量化指標(biāo)，同時(shí)根據(jù)涌水量預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)排水系統(tǒng)是否滿足要求，提出合理的防治水工作建議，確保工作面回采不受水害威脅。

2.6 階梯排水

根據(jù)不同區(qū)段工作面預(yù)測(cè)涌水量的大小來(lái)布設(shè)工作面排水系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)階梯排水。隨著工作面的回采，采動(dòng)影響范圍逐漸增大，需要精準(zhǔn)預(yù)測(cè)礦井涌水量，掌握其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，優(yōu)化排水系統(tǒng)，例如，合理配比排水設(shè)施，達(dá)到降本增效的目的，在階梯排水系統(tǒng)設(shè)置的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)清水、污水分流排放。

2.7 監(jiān)測(cè)預(yù)警

隨著礦井水害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的發(fā)展，井上下水情自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集水文數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享、數(shù)據(jù)處理、水害預(yù)警、輔助決策于一體[20-22]，同時(shí)在對(duì)地下水的監(jiān)測(cè)過(guò)程當(dāng)中應(yīng)用現(xiàn)代化的監(jiān)測(cè)手段，可以實(shí)時(shí)掌握水文地質(zhì)動(dòng)態(tài)，并能及時(shí)做出正確處理。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息收集處理自動(dòng)化的全過(guò)程，進(jìn)而能及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患。

2.8 總結(jié)優(yōu)化

總結(jié)優(yōu)化環(huán)節(jié)主要是針對(duì)采后總結(jié)，是非常重要的管理環(huán)節(jié)，在開(kāi)采過(guò)程中遇到的技術(shù)問(wèn)題、呈現(xiàn)的優(yōu)秀管理方法，要進(jìn)行積極總結(jié)分析評(píng)價(jià)，一方面可指導(dǎo)礦井后續(xù)相似工作面的防治水工作，另一方面可指導(dǎo)下一步的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、探放水工作，使防治水技術(shù)管理形成閉環(huán)。

3 “八位一體”閉環(huán)式煤礦頂板水害管控模式的應(yīng)用

在鄂爾多斯盆地某礦井深部煤層開(kāi)采中應(yīng)用“八位一體”閉環(huán)式煤礦頂板水害管控模式，具體工作流程如下。

1) 采用井上下鉆探、物探聯(lián)合手段精細(xì)探查水文地質(zhì)條件

地質(zhì)勘探階段施工地面探煤孔、水文孔查清煤層及其頂板含、隔水層分布與主要特征，開(kāi)展地面三維地震勘探、可控源音頻大地電磁測(cè)深、瞬變電磁勘探等，探查三維空間地下地質(zhì)構(gòu)造情況及巖性，研究同一時(shí)間段或同一巖層的屬性特征，查明主要含水層在平面上的展布規(guī)律及屬性特征。研究區(qū)主要為侏羅系陸相沉積，直接充水含水層延安組及直羅組主要為三角洲沉積體系與河流沉積體系，由于河流滯留沉積作用和心灘沉積作用導(dǎo)致巖性的差異，即物性和巖層反射波的振幅能量、頻率方面存在較大差異，從而確定了古河道中心位置，這是布設(shè)疏放水鉆孔的重點(diǎn)區(qū)域。煤炭資源回采前在井下開(kāi)展直流電法、音頻電透視、鉆探等，進(jìn)一步查明工作面頂板富水異常區(qū)。

以納林河二號(hào)礦31121工作面為例，通過(guò)綜合探查與沉積特征確定工作面平面上疏放水的重點(diǎn)范圍(圖2)。根據(jù)煤層頂板砂體分布情況(含隔水層空間分布)與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度等資料，分析確定出工作面垂向上疏放的重點(diǎn)區(qū)段及層段，即可根據(jù)平面范圍及垂向上的疏放層段布置疏放水鉆孔。

2) 基于沉積控水預(yù)測(cè)頂板水害危險(xiǎn)性

不同的沉積相作用導(dǎo)致巖性具有差異，不同巖性巖層富水性也不同，煤層頂板含水層富水性與沉積相關(guān)系密切。在研究煤層頂板含水層富水性與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)律的基礎(chǔ)上，選擇影響煤層頂板水害的主控因素，選擇母杜柴登礦建立頂板水害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系(圖3)，采用層次分析法計(jì)算各主控因素權(quán)重，運(yùn)用GIS多源信息疊加的方法完成頂板水害危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)(圖4)，指導(dǎo)后續(xù)探放水工作。

圖2 31121工作面富水異常分布

圖3 頂板水害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

將本次預(yù)測(cè)結(jié)果與頂板疏放水鉆孔終孔水量(圖5a)進(jìn)行對(duì)比可知，工作面切眼附近、700～ 800 m及2 300～3 300 m區(qū)域，鉆孔終孔水量較大，其他區(qū)域鉆孔水量相對(duì)較??；由工作面涌水量隨進(jìn)尺的變化情況(圖5b)可知，工作面涌水量整體上隨著回采進(jìn)尺的增加而逐漸增加，當(dāng)工作面回采至700～ 800 m與2 300～2 800 m時(shí)，曲線斜率顯著增加，工作面涌水量顯著增大，說(shuō)明這2個(gè)區(qū)域礦井水害威脅較大。本次評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際涌水量情況較為吻合，因此，該方法在研究區(qū)進(jìn)行煤礦頂板水害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)可行，評(píng)價(jià)結(jié)果可靠。

圖5 頂板水害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

3) 運(yùn)用長(zhǎng)距離定向鉆進(jìn)技術(shù)追蹤探放頂板水

針對(duì)頂板含水層富水性綜合探查與水害預(yù)測(cè)成果，運(yùn)用長(zhǎng)距離定向鉆進(jìn)技術(shù)[23](圖6)，在母杜柴登礦掘進(jìn)工作面煤層頂板富水性強(qiáng)的含水區(qū)域開(kāi)展疏放水工程，形成“先治后掘、分區(qū)設(shè)計(jì)、靶向追蹤、精細(xì)探放”的探放水技術(shù)思路，精準(zhǔn)完成了頂板水探放，有效解決礦井掘進(jìn)進(jìn)度與井下超前探放水之間的時(shí)間沖突，使鉆探作業(yè)可與掘進(jìn)同步進(jìn)行，極大地提升了掘進(jìn)效率。采用千米鉆機(jī)施工探放水鉆孔時(shí)，在主孔內(nèi)通常會(huì)開(kāi)分支孔，由于分支匯流至主孔，水流速度較高，流量較大，提高了探水孔內(nèi)的放水效率。同時(shí)，由于鉆場(chǎng)減少，使排水點(diǎn)更集中，便于將探放水孔內(nèi)的水排出工作面。經(jīng)定向鉆孔疏放頂板水，巷道掘進(jìn)過(guò)程中，頂板滴淋水現(xiàn)象明顯減少，掘進(jìn)頭未出現(xiàn)突水現(xiàn)象，保障了煤礦安全掘進(jìn)，累計(jì)施工定向鉆孔進(jìn)尺10 590 m，單孔最大出水量為220 m3/h，為煤礦節(jié)省支出9 319 200元，工作面的形成提前了超過(guò)102 d。

4) 頂板水區(qū)域分段疏降

在母杜柴登礦頂板富水區(qū)單側(cè)來(lái)水的采區(qū)，從礦井水區(qū)域治理角度，優(yōu)化調(diào)整工作面回采接續(xù)，優(yōu)先布置來(lái)水方向工作面作為采區(qū)首采工作面，利用首采工作面采空區(qū)作為疏水廊道，從而大幅度減少后續(xù)工作面采空區(qū)涌水量，實(shí)現(xiàn)頂板水集中疏排和區(qū)域治理(圖7)，將大幅度減少回采工作面采空區(qū)、采掘面前及落地污水量，實(shí)現(xiàn)采區(qū)礦井水的區(qū)域治理。

通過(guò)區(qū)域采掘布局優(yōu)化調(diào)整采掘工作面，能有效截流已采工作面頂板水，保障回采工作面安全開(kāi)采。工作面回采前需開(kāi)展頂板水分段疏放工程，在系統(tǒng)研究頂板富水性的基礎(chǔ)上，按照邊施工、邊探查、邊放水試驗(yàn)、邊優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路開(kāi)展各項(xiàng)研究工作。對(duì)頂板疏放水鉆孔的施工數(shù)量、傾角、方位角、深度等進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 單側(cè)截流接續(xù)模式剖面圖

經(jīng)頂板疏放水試驗(yàn)，優(yōu)化疏放鉆孔：原鉆孔設(shè)計(jì)150 m，傾角45°，垂高106 m，已揭露全部含水層，保留原設(shè)計(jì)鉆孔深度，重點(diǎn)優(yōu)化鉆孔布設(shè)數(shù)量，即由原來(lái)每個(gè)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)4～6個(gè)鉆孔調(diào)整為2～3個(gè)，原設(shè)計(jì)共布置321個(gè)鉆孔，優(yōu)化后實(shí)際施工186個(gè)鉆孔；頂板含水層累計(jì)疏放水量約143萬(wàn)m3，其中，工作面里段650 m范圍內(nèi)已疏放水量達(dá)41萬(wàn)m3，包括動(dòng)儲(chǔ)量疏放量11.1萬(wàn)m3，靜儲(chǔ)量疏放量為29.9萬(wàn)m3，已超過(guò)預(yù)計(jì)的靜儲(chǔ)量29.7萬(wàn)m，說(shuō)明該段范圍內(nèi)頂板水靜儲(chǔ)量已基本得到疏放。為驗(yàn)證工作面頂板水疏降效果，礦方在切眼附近的回風(fēng)巷和輔運(yùn)巷分別施工一個(gè)探查鉆孔，施工結(jié)果表明，涌水量與水壓均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

5) 回采前頂板疏放水效果評(píng)價(jià)

經(jīng)頂板疏放水工程，總結(jié)、制定疏放水標(biāo)準(zhǔn)：

(1)鉆孔總出水量、水壓保持穩(wěn)定，變化幅度不高于2%；鉆孔穩(wěn)定總出水量與本段動(dòng)態(tài)涌水量相差小于10%(72 h)；

(2) 分段疏放水總量–(本段計(jì)算動(dòng)態(tài)涌水量×疏放水時(shí)間)=本段靜儲(chǔ)量疏放量，靜儲(chǔ)量疏放量與計(jì)算靜儲(chǔ)量相差小于10%；

(3) 根據(jù)條件相近礦井的經(jīng)驗(yàn)預(yù)估分段疏放水時(shí)間，約2～3個(gè)月，具體所需時(shí)間根據(jù)放水試驗(yàn)確定。

6) 利用階梯排水優(yōu)化排水系統(tǒng)

研究區(qū)礦井工作面充水水源主要為頂板砂巖水，無(wú)突水威脅，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果呈分段遞增趨勢(shì)，為保證工作面涌水能及時(shí)排出的同時(shí)，還要考慮排水系統(tǒng)布設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)了階梯式排水系統(tǒng)，具體如下。

(1) 階梯位置的選擇：根據(jù)動(dòng)靜態(tài)涌水量預(yù)測(cè)技術(shù)和首采工作面涌水量變化規(guī)律，總結(jié)出涌水量變化較大的位置，同時(shí)結(jié)合頂板砂巖水降落漏斗的技術(shù)參數(shù)，確定涌水量增加較大的位置，在相應(yīng)位置附近根據(jù)巷道剖面選擇相對(duì)低洼點(diǎn)修建臨時(shí)水倉(cāng)，并在該位置增加排水管路，這樣既保障工作面的排水能力，同時(shí)改變?nèi)锏啦荚O(shè)管路的傳統(tǒng)方式，大量減少材料、人工、維護(hù)費(fèi)用，并提高排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2) 排水能力梯度的設(shè)置：排水能力梯度一方面要考慮階梯位置管路的布置，同時(shí)要根據(jù)預(yù)測(cè)的涌水量設(shè)置科學(xué)合理的排水泵，并配置備用泵，同時(shí)配套使用雙回路專用供電電源。工作面由內(nèi)到外根據(jù)預(yù)測(cè)涌水量情況逐步提高排水能力，保障整個(gè)工作面排水系統(tǒng)安全可靠。

7) 地下水實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

煤礦地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可為煤礦水害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、礦井排水系統(tǒng)優(yōu)化、頂板水疏降等提供依據(jù)，因此，研究區(qū)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)延安組三段和直羅組一段主要充水含水層水位、水溫、水質(zhì)、水壓等信息，對(duì)保障煤礦安全至關(guān)重要。

8) 適合的防治水管控體系的建立

根據(jù)頂板防治水效果，不斷調(diào)整前述條件探查方法、水害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法及影響指標(biāo)、頂板探放設(shè)計(jì)、排水系統(tǒng)優(yōu)化等，指導(dǎo)礦井防治水工作順利開(kāi)展，形成適合研究區(qū)的頂板水害閉環(huán)管控體系。

4 結(jié)論

a.針對(duì)煤礦防治水技術(shù)與生產(chǎn)管理融合度低、制約礦井防治水工作的高效開(kāi)展這一問(wèn)題，提出了“八位一體”閉環(huán)式煤礦頂板水害管控模式，將生產(chǎn)管理融于防治水工作各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)防治水工作全過(guò)程閉環(huán)管控，對(duì)科學(xué)、高效開(kāi)展煤礦防治水工作意義重大。

b. 采用千米定向鉆進(jìn)技術(shù)追蹤探放厚砂巖、強(qiáng)富水、高承壓區(qū)域頂板水，實(shí)現(xiàn)頂板水高效疏放，利用分段疏降、階梯排水將清水、污水分流排放，緩解礦井排水壓力，減少污水處理費(fèi)用。

c.將“八位一體”閉環(huán)式煤礦頂板水害管控模式成功應(yīng)用于鄂爾多斯盆地某礦深部煤層開(kāi)采頂板水害防治工作，保障了煤礦安全高效生產(chǎn)，該模式可推廣至條件類似煤炭開(kāi)采區(qū)頂板水害防治。

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Construction and application of “eight in one” closed-loop management and control mode of roof water disaster in coal mines

LIU Qingbao1, DING Xiang2, FENG Jie2, ZHANG Kun2

(1. China Coal Xi’an Design Engineering Co., Ltd., Xi’an 710054,China; 2. China Coal Energy Research Institute Co., Ltd., Xi’an710054, China)

The prevention and control of coal mine water disaster is one of the key points of mine safety control, but the lack of comprehensive, systemetic, controllable technology management restricts the safe and efficient mining of coal resources. To guide the prevention and control of coal mine water disaster in a scientific and effective approach, taking the water disaster of coal mine roof as an example, using the theoretical system of system engineering and closed-loop management, this paper proposes a closed-loop management and control mode of roof water disasters, including stereoscopic probe, prediction, tracking exploration and discharge, subsection drainage, pre-mining evaluation, step drainage, monitoring and early warning, summary and optimization. The mode covers the management and control of the whole process of hydrogeological condition exploration, water disaster prediction, roof water drainage, as well as water disaster monitoring and early-warning, and forms a feedback path from the water disaster control effect to each stage of the water disaster prevention and control process. That means a closed loop of water disaster prevention and control was formed, which ensures that the water prevention and control work has scientific basis and can be regulated. This mode can be applied to roof water management and control under deep and complicated hydrogeological conditions, realizing the collaborative innovation of water control technology and management philosophy. It ensures the safe and efficient coal mining and provides reference for the roof water disaster management and control of coal mining under deep and complicated hydrogeological conditions.

eight in one; closed-loop; management and control mode; water disaster; Ordos Basin

TD745

A

1001-1986(2021)04-0170-08

2021-04-20；

2021-06-11

陜西省青年科技新星項(xiàng)目(2021KJXX-82)

劉清寶，1968年生，男，山東乳山人，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事煤礦開(kāi)采及安全技術(shù)方面的設(shè)計(jì)與研究工作. E-mail：1059246803@ qq.com

劉清寶，丁湘，馮潔，等. “八位一體”閉環(huán)式煤礦頂板水害管控模式的構(gòu)建與應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：170–177. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.020

LIU Qingbao，DING Xiang，F(xiàn)ENG Jie，et al.Construction and application of “eight in one” closed-loop management and control mode of roof water disaster in coal mines[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：170–177.doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.020

(責(zé)任編輯 周建軍 范章群)