天地科技股份有限公司：张玉军——控水采煤技术原理、关键技术及在砂岩含水层下综放开采实践

创新点

（1）针对当前近水体采煤技术的现状和工程实践，基于覆岩采动裂缝垂向导水性的差异和滞后压实的特性，创新发展了控水采煤的理念，解决了传统的水体下留设不同类型防水煤岩柱技术而造成煤炭资源的大量损失，或者单一采用含水层疏降技术不仅容易形成人为导水通道,而且过量的钻孔对含水层的疏放增加矿井涌水量及排水费用，同时导致地下水水位大幅度下降，使矿区生态环境遭到严重破坏等问题。

（2）将控水采煤技术与综放开采工艺特点相结合，应用到半固结砂岩含水层下综放控水开采实践中，实现了3 ~8 m阶梯型采厚的安全开采。

作 者

张玉军1,2

2单 位

1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室

3研究背景 煤炭在我国一次能源生产和消费结构中长期占比60%以上,2019年共生产煤炭37.5亿t,对我国经济发展具有重大作用。尽管目前煤矿以开采绿色资源量为主,但仍有部分煤矿为水文地质条件复杂类型,而且水体类型多样,水体下压煤现状错综复杂,水害类型也呈复杂多样性。 近年来,水害事故起数和死亡人数均呈下降趋势,但较大水害事故仍有上升趋势,安全形势仍然十分严峻。灾害性突水由于排水能力不足造成人员伤亡和财产损失,过量的疏放增加矿井涌水量及排水费用,导致地下水位大幅度下降,使矿区生态环境遭到严重破坏。国内外专家学者在理论和技术研究基础上进行了不同水体下开采工程实践,在覆岩破坏规律、水体下采煤技术、水害防治等方面都取得了开创性的研究成果。 针对不同类型水体,成功地实现了留设防水、防砂及防塌煤柱等条件下不同开采工艺安全开采;针对水害防治技术,主要从探测、监测、预测、治理、矿井水资源化与综合利用等方面入手,形成了顶板水疏水降压、底板灰岩水注浆改造与加固等水害治理技术。近年来,又相继开发了煤矿井下防治水定向钻进与注浆技术,研制了动水大通道突水钻孔控制注浆高效封堵成套技术,建立了大尺度浅埋煤层涌水溃沙灾害评价准则等。

随着社会对生态环境保护的日益重视,促使防治水技术需要与采煤方法及其各有关技术的发展变化、现代化安全生产需求的结合更加紧密。因此,以满足安全开采和经济合理双重要求为前提最大限度地开采水体下压煤,实现水体下压覆煤炭资源的安全、高效和绿色开采,是当前急需解决的问题。

4摘 要 针对我国煤矿水文地质及采矿条件千差万别、水体类型错综复杂的现状和水体下压煤开采的工程实践,详细阐述了控水采煤技术的思路、技术原理、技术原则和关键技术,即综合考虑煤矿安全和经济合理等重要因素,针对不同充水能力与补给条件的含水层,通过钻孔预先疏放一定量的含水层静储量,同时采用采动裂缝垂向导水性的差异和滞后压实的特性,实现涌水量大小和形式可控。
该技术解决了传统的水体下采煤留设不同类型防水煤岩柱技术而造成煤炭资源的大量损失,或者单一采用含水层疏降技术不仅容易形成人为导水通道,而且过量的钻孔对含水层的疏放增加矿井涌水量及排水费用,同时导致地下水位大幅度下降,使矿区生态环境遭到严重破坏等问题。将控水采煤技术与综放开采工艺特点相结合,应用到内蒙古铁北煤矿半固结砂岩含水层下综放控水开采实践中。
研究结果表明:针对铁北煤矿煤层顶板砂岩含水层的赋存状态与富水程度、不同采动覆岩破坏程度、主采煤层与含水层的空间关系,基于控水开采采前预疏与边采边疏相结合的技术原则,利用综放开采采场沿煤层底部布置,放煤厚度灵活调整可控的特点,提出的“顶水开采与疏干或疏降开采相结合、先疏后采与边采边疏相结合、钻孔疏干或疏降与回采疏干或疏降相结合、分段控制放顶煤开采厚度与含水层疏降程度相结合”控水采煤的总体方案是可行的,实现了3~8m阶梯型采厚安全开采,既控制了工作面的涌水量、改善了工作面作业环境,又有效防止了突水溃沙灾害的发生,取得了综放控水安全开采的成功。

5部分图片

控水采煤技术思路

回采疏降含水层示意

基于固流耦合数值模拟涌水量预计

基于GMS大型渗流软件涌水量预计

地面-井下钻孔与钻孔电视相结合实测

电导率剖面仪确定的“两带”高度

覆岩含水层分布及岩性特性

极软弱覆岩条件下的导水裂缝带发育高度及趋势

分段控制放顶煤开采厚度示意

只采不放阶段采动影响

逐步放煤阶段性采动影响

最终设计采放厚度阶段采动影响

综放工作面推进距离、采厚、钻孔涌水量与工作面涌水量关系

含水层水位变化及含水层埋深关系

6作者简介

张玉军，男，1978年6月13日生，河北怀安人，博士，研究员，硕士生导师，中国煤炭科工集团三级首席科学家，中煤科工开采研究院有限公司（天地科技股份有限公司开采设计事业部）安全与生态环境研究所副所长，中国煤炭学会煤矿开采技术鉴定委员会委员，《煤炭科学技术》、《中国安全科学学报》青年编委。获孙越崎青年科技奖、全国煤炭企业建功立业优秀大学毕业生称号。主持和参与国家、省部级科研项目20余项，其中12项获省部级科技进步奖，一等奖2项，二等奖4项，三等奖6项。发表论文40余篇，SCI/EI检索9篇，授权发明专利4项。

研究方向

“三下”采煤及采动岩层控制、低损害开采，主攻近水体采煤、矿井水安全与防控

主要成果

创新发展了“控水开采”绿色开采理念，成功实践了地表大型水体、基岩含水层以及不同类型复合水体下的综放控水安全开采，基于采动覆岩破坏理论和多重含水层充水规律，提出蒙陕深部复合水体下安全控水开采技术；首次针对弱固结含水砂层提出了突水溃砂的预测判据和疏降水位计算方法；提出基于采动裂隙岩体应力—渗流耦合模型的岩体渗透特征及工作面涌水量预计方法；建立了基于固流耦合理论的有效隔水层厚度底板突水预测判据。研究成果已推广应用于我国多个矿区，取得显著的经济社会效益，推动了我国煤矿控（保）水开采技术的发展。

来源：

张玉军.控水采煤技术原理、关键技术及在砂岩含水层下综放开采实践[J].煤炭学报,2020,45(10):3380-3388.

ZHANG Yujun. Principle and key technologies of controlled water mining and practice of fully-mechanized mining under soft sandstone aquifer[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(10):3380-3388.

责任编辑：韩晋平 编辑整理：郭晓炜 审核：常 琛

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