我国水体下保水采煤技术研究进展

　第４６卷第１期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰１　　２０１８年１月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊａｎ.２０１８　我国水体下保水采煤技术研究进展鞠金峰１ꎬ２ꎬ许家林３ꎬ４ꎬ李全生５ꎬ６ꎬ朱卫兵３ꎬ４ꎬ王晓振３ꎬ４(１􀆰中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心ꎬ江苏徐州　２２１００８ꎻ２􀆰矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室ꎬ江苏徐州　２２１００８ꎻ３􀆰煤炭资源与安全开采国家重点实验室ꎬ江苏徐州　２２１１１６ꎻ４􀆰中国矿业大学矿业工程学院ꎬ江苏徐州　２２１１１６ꎻ５􀆰煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室ꎬ北京　１０００１１ꎻ６􀆰神华集团有限责任公司科技发展部ꎬ北京　１０００１１)摘　要:针对我国水体下保水采煤的理论与实践ꎬ就采动覆岩导水裂隙演化规律ꎬ以及在此基础上形成的保水采煤技术研究进展进行了综述和展望ꎮ结果表明:导水裂隙作为地层含水层破坏与地下水漏失的主要根源ꎬ其动态发育与发展直接受控于覆岩关键层的破断运动ꎻ因而ꎬ可按具体开采条件下覆岩关键层的赋存情况进行导水裂隙带高度的确定ꎬ从而科学指导水体下保水采煤对策的制定ꎮ依据水体下保水采煤所包括的４个层次的内涵ꎬ分别从顶板突水灾害防治、含水层原位保护、采动破坏含水层的再恢复、采动漏失水资源的转移储存与利用等４个方面ꎬ进行了相关保水采煤技术研究进展的论述ꎬ在此基础上提出了今后的研究方向ꎮ关键词:绿色开采ꎻ保水采煤ꎻ导水裂隙带ꎻ顶板含水层ꎻ关键层中图分类号:ＴＤ８２３　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)０１－００１２－０８Ｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｗａｔｅｒ－ｐｒｅｓｅｒｖｅｄｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｉｎＣｈｉｎａＪＵＪｉｎｆｅｎｇ１ꎬ２ꎬＸＵＪｉａｌｉｎ３ꎬ４ꎬＬＩＱｕａｎｓｈｅｎｇ５ꎬ６ꎬＺＨＵＷｅｉｂｉｎｇ３ꎬ４ꎬＷＡＮＧＸｉａｏｚｈｅｎ３ꎬ４(１􀆰ＩｏＴ/ＰｅｒｃｅｐｔｉｏｎＭｉｎｅＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｕｚｈｏｕ　２２１００８ꎬＣｈｉｎａꎻ２􀆰ＴｈｅＮａｔｉｏｎａｌａｎｄＬｏｃａｌＪｏｉｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｔｅｒｎｅｔＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＭｉｎｅꎬＸｕｚｈｏｕ　２２１００８ꎬＣｈｉｎａꎻ３􀆰ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＳａｆｅＭｉｎｉｎｇꎬＸｕｚｈｏｕ　２２１１１６ꎬＣｈｉｎａꎻ４􀆰ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｉｎｅｓꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｕｚｈｏｕ　２２１１１６ꎬＣｈｉｎａꎻ５􀆰ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｉｎＣｏａｌＭｉｎｉｎｇꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０００１１ꎬＣｈｉｎａꎻ６􀆰ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔꎬＳｈｅｎｈｕａＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｔｄ.ꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０００１１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｔｈｅｏｒｉｅｓａｎｄｐｒａｃｔｉｃｅｓｉｎｗａｔｅｒ－ｐｒｅｓｅｒｖｅｄｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｉｎＣｈｉｎａꎬｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｔｈｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｌａｗｏｆｍｉｎｉｎｇ－ｉｎｄｕｃｅｄｗａｔｅｒｃｏｎｄｕｃｔｅｄｚｏｎｅｉｎｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎａｎｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｗｈｉｃｈｔｈｅｗａｔｅｒ－ｐｒｅｓｅｒｖｅｄｍｉｎｉｎｇｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓｏｒｓｏｌｕ￣ｔｉｏｎｓｆｏｒｍａｔｔｅｄｈａｓｂｅｅｎｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒꎬａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｏｕｔｌｏｏｋｓ􀆰Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄａｑ￣ｕｉｆｅｒａｎｄｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｌｏｓｓｈａｖｅａｒｅｒｏｏｔｅｄｉｎｔｈｅｍｉｎｉｎｇ－ｉｎｄｕｃｅｄｆｒａｃｔｕｒｅ􀆰Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｔｈｅｂｒｅａｋｉｎｇｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｋｅｙｓｔｒａｔａ(ＫＳ)􀆰Ｉｎｔｈｉｓａｓｐｅｃｔꎬｔｈｅｈｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｗａｔｅｒ－ｆｌｏｗｉｎｇｆｒａｃｔｕｒｅｄｚｏｎｅｃａｎｂｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｏｃｃｕｒ￣ｒｅｎｃｅｏｆＫＳｉｎｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎｕｎｄｅｒｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｍｉｎｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ􀆰Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙꎬｔｈｅｗａｔｅｒ－ｐｒｅｓｅｒｖｅｄｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｃａｎｂｅｄｒａｗｕｐｓｃｉｅｎｔｉｆｉ￣ｃａｌｌｙ􀆰Ｉｎｔｅｒｍｓｏｆｔｈｅｆｏｕｒｌｅｖｅｌｓｏｆｃｏｎｎｏｔａｔｉｏｎꎬｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｗａｔｅｒ－ｐｒｅｓｅｒｖｅｄｍｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｅｎｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｉｎｆｏｕｒａｓｐｅｃｔｓ:ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｄｉｓａｓｔｅｒｉｎｒｏｏｆꎬｉｎ－ｓｉｔｕｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄａｑｕｉｆｅｒꎬｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｉｎｉｎｇ－ｄｅｓｔｒｏｙｅｄａｑｕｉｆｅｒꎬａｎｄｔｈｅｓｔｏｒａｇｅｏｆｔｈｅｍｉｎｉｎｇ－ｌｏｓｔｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒａｎｄｉｔｓｒｅｃｙｃｌｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ􀆰Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｂｏｖｅꎬｔｈｒｅｅｍａｉｎｐｒｏｊｅｃｔｓｔｈａｔｓｈｏｕｌｄｂｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎｆｕｔｕｒｅｈａｖｅｂｅｅｎｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ􀆰Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｇｒｅｅｎｍｉｎｉｎｇꎻｗａｔｅｒ－ｐｒｅｓｅｒｖｅｄｍｉｎｉｎｇꎻｗａｔｅｒｃｏｎｄｕｃｔｅｄｚｏｎｅꎻｒｏｏｆａｑｕｉｆｅｒꎻｋｅｙｓｔｒａｔａ收稿日期:２０１７－１０－２４ꎻ责任编辑:杨正凯　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰０１􀆰００２基金项目:国家重点研发计划资助项目(２０１６ＹＦＣ０５０１１０４)ꎻ国家自然科学基金资助项目(５１６０４２５９)ꎻ煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室开放基金资助项目(ＳＨＪＴ－１６－３０􀆰２)作者简介:鞠金峰(１９８６—)ꎬ男ꎬ江苏如皋人ꎬ副研究员ꎬ博士ꎮＴｅｌ:１３７７６５８３４１０ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｊｊｆｃｕｍｔ＠１６３􀆰ｃｏｍ引用格式:鞠金峰ꎬ许家林ꎬ李全生ꎬ等􀆰我国水体下保水采煤技术研究进展[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１):１２－１９􀆰ＪＵＪｉｎｆｅｎｇꎬＸＵＪｉａｌｉｎꎬＬＩＱｕａｎｓｈｅｎｇꎬｅｔａｌ􀆰Ｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｗａｔｅｒ－ｐｒｅｓｅｒｖｅｄｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｉｎＣｈｉｎａ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１):１２－１９􀆰２１鞠金峰等:我国水体下保水采煤技术研究进展２０１８年第１期０　引　　言煤炭资源开发易引发一系列采动损害和环境破坏问题ꎬ危及社会公共安全和自然生态ꎻ为此ꎬ钱鸣高院士[１]提出了煤矿绿色开采的理念ꎬ建立了以保水开采、充填减沉开采、煤与瓦斯共采等３大技术为主的技术框架ꎬ为我国煤炭资源的安全、绿色开发奠定了重要基础ꎮ水是维持区域生态环境稳定的关键要素之一ꎬ因而ꎬ研究实施煤炭开采过程中的水资源保护与利用技术(即保水采煤技术)是实现煤矿绿色开采的重要前提ꎮ由于采动岩层的移动和破坏ꎬ煤层开采对上部水体的扰动不可避免ꎬ轻者会改变上部水体的底界面标高和径流方向ꎬ重者则会破坏甚至疏干水体ꎬ当破坏水体的涌水量较大时将引发矿井突水灾害ꎮ因此ꎬ水体下的保水采煤应包括下列４个层次的内涵[２]:①要避免采煤工作面发生突水事故ꎬ实现工作面安全高效开采[２－４]ꎻ②采取技术措施减少或避免采煤对上部水体的破坏ꎬ保护地下水资源[５－６]ꎻ③针对采动破坏后的含水层采取人工修复或促进其自修复的措施ꎬ促使含水层再次恢复到原始赋存状态[７－８]ꎻ④要对采动漏失水资源(即矿井疏排水)进行资源化利用ꎬ一定程度上实现“煤水共采”ꎮ长期以来ꎬ我国广大煤矿科技人员一直致力于水体下保水采煤相关理论、技术、以及工程实践的研究ꎬ基于顶板水体富水特征评价及采动覆岩破坏与导水裂隙发育规律研究ꎬ建立了水体下保水采煤的技术体系ꎬ为我国水体下的保水采煤实践提供了良好的技术基础[９－１１]ꎮ从我国主要煤矿区的水文地质赋存特征看[５]ꎬ目前水体下的保水采煤主要存在２方面的难点:其一ꎬ华北、华南矿区一些水文地质条件复杂、富水性较强矿井的顶板水害防治难题ꎬ特殊条件下还会出现异常的突水与压架并发的事故ꎮ如ꎬ安徽皖北、淮南等矿区发生的厚层松散承压含水层下开采的突水压架事故[１２－１３]ꎬ以及陕西彬长矿区巨厚洛河组含水层下开采常易出现的离层区积水引发的突水压架事故[１４－１５]等ꎻ研究掌握此类开采条件下覆岩特殊的破断运动特征与导水裂隙发育规律是解决这一难题的关键ꎮ其二ꎬ西北矿区丰富煤炭资源开发与极度匮乏水资源保护利用之间的矛盾问题ꎮ由于该区域煤层赋存厚度大、层数多ꎬ但埋深普遍较浅ꎬ采动引起的含水层破坏与地下水流失往往难以避免ꎬ从限制采煤角度来保护地下水资源目前难以实现ꎻ实施人工干预措施促进含水层生态恢复或对采动漏失水资源进行转移储存和再利用是解决这一难题的有效途径ꎮ针对上述保水采煤难题ꎬ已有不少学者开展了研究ꎬ一定程度上解决了相关矿井安全开采与水资源保护协调的难题[８－１０ꎬ１２]ꎬ但尚存在一些亟需研究和突破的技术瓶颈ꎮ笔者在充分总结前人研究成果的基础上ꎬ对我国水体下保水采煤的相关理论与技术研究进展、以及有待进一步研究的问题进行综述和展望ꎬ从而为煤矿保水开采研究与实践提供参考ꎮ１　采动覆岩导水裂隙演化规律煤炭地下开采将引起上覆岩层的移动与破坏ꎬ从而在覆岩中形成导水裂隙ꎻ覆岩导水裂隙产生既为上部水体流失提供了通道ꎬ同时也成为地表生态退化的地质根源ꎮ因此ꎬ研究揭示覆岩采动破坏后导水裂隙发育、发展的动态演变规律是评价覆岩含水层水漏失程度、确定水体下保水采煤对策的重要理论依据ꎮ为此ꎬ许多研究学者对此进行了研究[１－４ꎬ７]ꎬ其主要涵盖开采参数与地质赋存对导水裂隙动态发育的影响、导水裂隙带高度的探测和预计等方面ꎮ１􀆰１　覆岩导水裂隙动态发育规律覆岩中的导水裂隙是在岩层张拉破坏或受压屈服后产生的ꎬ其动态发育过程与采动岩层的破断运动密切相关ꎮ为此ꎬ许家林等[５ꎬ１６－２１]基于岩层控制的关键层理论ꎬ对采动覆岩导水裂隙的动态发育规律开展了较为系统的研究ꎮ研究发现ꎬ煤层开采过程中ꎬ覆岩导水裂隙的发育高度随关键层的破断运动而呈台阶跳跃上升规律ꎻ仅当关键层的破断裂隙上下贯通而导水时ꎬ其所控制的岩层才产生贯通裂隙而导水ꎬ相应导水裂隙带高度跃升至上部邻近关键层底界面ꎮ如图１所示ꎬ当工作面推进至６０ｍ时ꎬ亚关键层１发生初次破断ꎬ导水裂隙发育至亚关键层２底部ꎻ由于亚关键层２没有破断ꎬ尽管工作面继续回采ꎬ导水裂隙发育高度并没有增大ꎬ出现了图１中的“台阶”平台ꎮ当工作面继续推进至８０ｍ时ꎬ亚关键层２发生初次破断ꎬ导水裂隙直接发育至亚关键层３底部ꎮ随着工作面继续推进ꎬ亚关键层３破断前ꎬ导水裂隙发育高度保持不变ꎮ直至工作面推进至１２０ｍ时ꎬ亚关键层３发生初次破断ꎬ但由于亚关键层３的破断裂缝３１２０１８年第１期煤炭科学技术第４６卷没有贯通ꎬ导水裂隙发育高度没有增加ꎬ仍保持在亚关键层３底界面以下ꎮ所以ꎬ当覆岩中关键层位置改变时ꎬ导水裂隙的发育情况也将有所不同ꎮ由此可见ꎬ覆岩导水裂隙的发育范围不仅与煤层采高等开采参数有关ꎬ还与覆岩关键层赋存密切相关ꎮ图１　导水裂隙发育高度随关键层破断的动态变化过程[７]Ｆｉｇ􀆰１　ＤｙｎａｍｉｃｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｅｉｇｈｔｏｆｗａｔｅｒｃｏｎｄｕｃｔｅｄｚｏｎｅａｓｔｈｅＫＳｂｒｅａｋｉｎｇ[７]在覆岩关键层产生破断、回转、反向回转直至稳定的过