王宇坤　魏中举　冯绍辉　杜卫东　谢帅　肖念波

摘要：采用膏体对采空区进行充填处理，使充填体与采空区顶底板形成顶板-充填体-底板相互关联的支承体系，该技术通过控制底板破坏的深度，可以对地下水资源起到较好的保护作用，尤其是承压水上采煤条件下，能够明显改善煤矿的安全生产条件;另一方面，该技术通过对地表下沉变形的有效控制，实现开采的不搬迁，可大大提高煤炭采出率;而且，将矿山固体废物作为充填材料进行利用，变废为宝，可大大改善矿区的生态环境，文章分析了承压水上安全高效采煤的国内外研究现状。

关键词：承压含水层;底板破坏;安全高效

引言

虽然近年来我国对于清洁能源进行了大力开发和研究，但我国的主要能源依然以煤炭资源为主的格局在未来的几十年里估计不会发生改变。据此，为了实现我国经济的可能持续发展，实现能源的清洁和合理开采势在必行。我国煤炭工业经过百余年的发展，长期以来贯行优先开采优质、赋存条件较好的煤层，随着埋深较浅的煤层被大量采完，我国多数煤矿被迫进入深部进行采煤，目前我国许多煤矿的采深已经超过千米。但随着煤矿采深的增加，冲击矿压、地热、煤与瓦斯突出、底板突水等矿井灾害也大量增加，这对于煤矿的安全高效开采构成了严重的威胁。井田范围内地面村庄分布较多，村庄下采煤显著，矿区地表共有村庄78个，村庄下压煤量中可采储量约为7900万t，占比超过80 %。该煤矿不仅面临建筑物下采煤的难题，同时矿井煤层开采还受到底板含水层突水的威胁，根据该煤矿现场水文钻孔钻探结果可知，目前开采的16号煤层底板距离下方十三灰含水层上表面的垂距在23.6 ～ 28.4m之间，属于近距离承压水上采煤条件（开采煤层与承压水之间垂距小于20m～30m，煤层开采时受承压含水层的显著影响）;各钻孔探测含水层的水量基本未超过25 m/h，各钻孔探明十三灰含水层的水压在3.9 ～ 4.4 MPa范围之内，属于高承压含水层（水压超过3MPa），突水系数为0.32 ～ 0.48 MPa/m。通过研究确定采用膏体充填采空区的绿色采矿技术，该技术不仅可以控制地表的下沉變形，也可以控制煤层下伏煤岩层破坏的深度，而且能够提高资源的采出率，是一举多得的技术措施。膏体充填开采技术，浆体材料主要通过就地取材，再通过重力作用或充填泵泵送，将充填膏体浆体沿铺设的充填管路输送到井下待充填区域，膏体充填开采技术属于绿色采矿技术的重要部分。采用膏体对采空区进行充填处理，使充填体与采空区顶底板形成顶板-充填体-底板相互关联的支承体系，该技术通过控制底板破坏的深度，可以对地下水资源起到较好的保护作用，尤其是承压水上采煤条件下，能够明显改善煤矿的安全生产条件;另一方面，该技术通过对地表下沉变形的有效控制，实现开采的不搬迁，可大大提高煤炭采出率;而且将矿山固体废物作为充填材料进行利用，变废为宝，可大大改善矿区的生态环境。

1 承压水上采煤研究现状

国外像波兰、匈牙利、西班牙等国，他们国家煤层赋存条件中底板岩溶水较多，这些国家对于岩溶水上采煤下伏煤岩破坏深度课题的研究较早。而如美国、加拿大、澳大利亚等国，虽然产煤量较大，但由于赋存原因而基本没有底板突水问题，所以这些国家对于这方面的课题研究较少。M.鲍莱茨基等为了研究分析工作面开采后下伏煤层的破坏特征，提出了工作面下伏煤岩层底鼓变形、开裂和底板大块岩层挤压隆起变形等理论。

在20世纪初，国外对于工作面下伏隔水层和含水层突水之间的关系开始进行研究。1944年，匈牙利研究者韦格.弗伦斯提出工作面下伏隔水层概念的第一人，根据该研究理论，工作面下伏含水层突水的主要影响因素包括两个：隔水层的厚度和下伏含水层的水压。20世纪40年代，前苏联研究者B.斯列萨列夫提出工作面下伏煤岩层梁式模型理论，该模拟把底板看作受载均布且两端固定的梁，再结合静力学理论研究分析了工作面下伏含水层的水压对煤层底板的破坏作用过程，进而推导出了底板含水层的水压值的计算公式。该公式计算过于简单，局限性较大，仅仅适用于小巷道的开采面。20世纪60年代，我国研究者开始借鉴前苏联、匈牙利等国家的开采实践经验和理论，在结合保护层开采理论，我国研究者也开始对承压水上采煤下伏煤岩层突水的相关课题进行研究，并提出了底板突水系数的定义。在20世纪80年代，随着我国煤矿资源的大量开采及采煤深度的不断增加，保障承受水上安全采煤的问题也日益严峻，我国许多研究者根据我煤层的赋存条件和开采实际条件，总结出了针对我国煤层开采实际的底板突水防治理论体系。根据岩石力学相关理论知识，国外学者C.F.Santos和Z.T.Bieniawski通过对岩体强度准则的改进研究，提出了释放能临界点的定义，研究分析了工作面下伏煤岩层的破坏机理和承载能力。

在1996年，中国矿业大学的钱鸣高院士在对工作面采煤前后下伏煤岩层结构演变的研究基础上，提出了关键层理论，该理论认为工作面下伏煤岩层中隔水层的承载能力取决于关键层。通过结合岩石力学的理论，张金才等提出了底板“两带”理论。并结合塑性滑移线场理论和弹性理论，分析了下伏煤岩层采动裂隙的分布规律和扩展深度，并推导了下伏煤岩层的导水裂隙带的理论计算式。刘天泉等通过总结底板裂隙发育及分布规律，提出了底板“下三带”理论。

陈启辉，冯启言等为了研究分析煤层厚度1.15m的薄煤层开采后工作面开采过程中下伏煤岩的破坏深度及其规律，通过ADINA数值模拟分析，得到在工作面采煤经过正断层区域时，下伏含水层突水的最危险位置在工作面经过断层带和顶板初次来压的地段，在工作面无断层地质构造影响下，下伏煤岩层呈现“马鞍型”破坏的形状，底板破坏深度峰值出现在顶板初次来压时，其值达到11m;当工作面受断层地质构造影响时，底板在初次来压时将发生拉裂破坏，其破坏深度达16m，相比较于无断层影响时增大了45%。史先志[11-15]为了研究分析煤层开采深度较大、底板含有高承压水条件下煤层开采过程中底板变形破坏及太原组灰岩裂隙型高承压含水层的突水机理，揭示了大埋深（埋深696m～765m之间）、高承压水（含水层水头压力值约为4.3MPa）条件下二2煤层开采过程中底板破坏的演化特征，并基于该演化特征构建了裂隙型太原组灰岩含水层的突水模式，得出了大埋深高地应力、高承压含水层水压共同作用下，煤层底板在采动影响下裂隙逐渐向深部扩展和高承压含水层导升裂隙逐渐向上扩展直至上下相互贯通进而导致突水的理念，并提出了底板隔水层突水临界时有效隔水层厚度表达式。彭祥超[11-15]基于工作面底板岩体在煤层采动应力变化和底板含水层水压的共同作用条件下，系统分析了承压水上急倾斜煤层开采诱发工作面底板岩层的破坏和突水特征，从沿煤层走向和倾向两方面出发分析底板破坏及突水受煤层角度、工作面倾斜长度及走向推进距离影响的关系;并基于承压水上急倾斜煤层开采特点，构建了承压水上急倾斜煤层开采的流固耦合三维数值模拟力学模型，通过FLAC3D软件模拟分析了沿煤层走向和倾斜方向底板岩体垂直应力、底板位移、塑性区等特征。徐智敏等[11-15]通过数值模拟和现场实测相结合，以新义矿为典型工程案例，对高承压水上采煤底板受采动影响而发生破坏及突水通道的发育演化规律进行分析，得出开采过程中底板岩层应力、孔隙水压力及电阻率的变化特征，并提出将其作为预报监测矿井临突的重要信息源;基于流–固耦合构建了底板采动破坏数值模拟力学模型，通过模拟得出底板破坏深度最大为23.75m，与现场实测11011试验工作面底板破坏深度约为25 m的结果相接近。

通过归纳总结现有研究成果可发现，其研究普遍基于距离承压含水层较远、高承压含水层条件下煤炭资源开采，虽然构建了诸多可以理论分析底板应力分布和破坏深度的力学模型，且所总结的底板应力分布和破坏特征在基于莫尔一库伦准则下均可合理解释和描述其规律，但对于煤矿在“三下一上”特殊条件下的采煤工程，现场实际情况往往非常特殊且复杂，尤其在近距离、高承压含水层上复杂条件下采煤极易造成底板岩层的破坏，进而导致底板隔水关键层功能的失效，从而使底板突水的安全风险性增大。据此，基于近距离、高承压含水层复杂开采条件下煤炭资源的绿色、安全高效开采仍然是亟需进行深入研究的重大课题。

2 承压水上充填开采研究现状

充填开采技术属于绿色采矿技术重要组成部分，该技术不仅可以控制地表的下沉变形，也可以控制煤层下伏煤巖层破坏的深度，而且能够提高资源的采出率，是一举多得的技术措施。根据充填开采的技术和工艺对其进行归类，将充填开采划分为四个阶段[16-20]：

（1）在20世纪40年代之前，为充填开采的第一阶段，这个时期的充填开采主要采用干式的废石充填。废石干式充填技术是将矿山废弃煤矸石充填采空区，对于充填物的使用效果和性质未进行深入的研究，充填的最初目的仅仅是为了对矿山废弃煤矸石进行处理。典型应用案例如，在20世纪初期，澳大利亚和加拿大一些矿井开始采用干式的废石充填技术。20世纪50年代前，我国的煤矿企业开始引入废石干式充填技术，到50年代初我国的煤矿企业已大量采用该充填采矿方法。根据1955年国内统计，干式废石充填法在开采黑色金属的矿井中的占比约为54.8%，在开采有色金属矿井中的占比约为38.2%，从而实现使用干式废石充填法的矿石产量在总矿石产量中的占比达到1/3以上。经过现场大量的实践应用表明，废石干式充填技术不仅效率低，而且劳动强度大，在20世纪50年代以后，随着崩落采矿法的兴起，该充填技术逐渐被淘汰。

（2）在20世纪40年代至50年代之间，为充填开采的第二阶段，这个时期的充填开采主要采用水砂充填。水砂充填技术最先在20世纪40年底至50年代之间被加拿大和澳大利亚某些矿山提出并实践，该技术通过水力把尾砂输送至煤矿井下采空区待充填区域。水砂充填技术中采用的充填料的浓度通常只有60%～70%之间，浓度相对较低，所以充填料需要在井下工作面进行大量的脱水处理，去除充填料尾砂中的细泥。为了保证水砂充填开采脱水的工业标准，提出了渗透速度在脱水过程中要达到超过100mm/h的要求。在20世纪60年代之后，我国才开始引入国外的水砂充填技术，到70年代，我国采用水砂充填技术的黑色、有色及黄金矿井达到60多座。水砂充填技术在我国在相对长的一段时间内被广泛的采用，该技术主要可用作地表建筑物的保护，也可用作控制地表的下沉变形。水砂充填技术在50年代以后，在蛟河、辽源、新汶、井陉、扎赉诺尔、抚顺、鹤岗、阜新等矿区得到广泛采用，根据1957年统计数据，我国通过水砂充填技术采煤量占全国采煤量的15.58%，产量达到1117万t。但由于水砂充填技术的成本较高，工艺系统复杂，到到70年代以后，该技术逐渐被淘汰，目前我国矿井基本已经完全淘汰了该技术。

（3）在20世纪60年代至70年代之间，为充填开采的第三阶段，这个时期的充填开采主要采用尾砂低浓度胶结充填。尾砂低浓度胶结充填技术最先在20世纪60年代被澳大利亚一些矿井应用，通过该技术对矿柱进行回采，充填料中添加水泥占比12%。胶结充填在我国最先出现时以混凝土充填为主。混凝土充填技术对于充填料的配比要求较高，而且充填料的输送工艺很复杂，在20世纪70年代之后细沙胶结充填就逐渐被取代混凝土充填技术。

（4）在20世纪80年代至90年代之间，为充填开采的第四阶段，此阶段充填技术的代表为全尾砂胶结充填，具体又可分为高水充填、膏体充填。由于全尾砂胶结充填存在井下脱水困难且充填的强度难以得到保证，而且随着我国对于矿山环境的保护要求不断提高，全尾砂充填技术逐渐被矿山企业所淘汰，基于这样的背景下膏体充填逐渐被国内研究者提出并进行了现场应用。在20世纪80年代初，德国铅锌矿井首次提出进行膏体充填的现场应用。在德国应用成功之后，在世界澳大利亚、坦桑尼亚、葡萄牙、南非、美国、摩洛哥、英国、加拿大、俄罗斯、土耳其等国也随后开始对该技术进行试用和推广。与煤矿企业不同的是，金属矿山企业推广应用膏体充填技术主要目的是提高出矿品位和矿石采出率，而非针对地表沉陷治理的问题。在20世纪90年代初，我国逐步开始进行膏体充填的现场试验。充填开采技术属于绿色采矿技术重要组成部分，该技术不仅可以控制地表的下沉变形，也可以控制煤层下伏煤岩层破坏的深度，而且能够提高资源的采出率，是一举多得的技术措施。随着煤炭资源的不断减少且最终枯竭，加之我们国民经济发展对于能源需求的不断增加，以及可持续性发展对环境保护提出的新要求，都使得矿山环境保护、“三下一上”特殊煤层赋存条件下采煤受到更高的重视。充填技术普通应用于波兰和德国，其中波兰“三下”赋存条件的煤层采用充填技术开采的煤炭产量占总量达到80%以上。相对而言，我国矿山企业对于充填开采的理论和实践研究起步较晚，从20世纪50年代初，干式充填开始在我国矿井出现，到60～70年代发展到的水砂充填（不含胶结剂）和胶结充填，到80年代以后，胶结充填、膏体充填得到广泛应用和推广。

周华强教授带领的课题研究团队首次在济宁市太平煤矿开展厚煤层分层充填开采技术工业性试验并取得较好应用效果。通过现场研究得出：工作面底板破坏深度与采高成正比例增长，直到采高上升至某一高度后，底板破坏深度开始趋于稳定值;采用传统垮落法开采时底板破坏深度在12m左右，突水系数在0.19～0.56之间，而采用膏体充填开采后底板破深度下降至2 m左右，突水系数下降至0.08～0.20之间，底板破坏控制效果显著。韩兴华针对膏体充填开采如何提高充填材料的接顶率和降低充填体的压缩量的问题，通过数值模拟分别采用传统垮落法和膨胀性膏体充填法时地表及覆岩的移动变形特征，并通过不同充填开采方案分析控制采场围岩的效果。结果表明：当未采用充填开采时，受到地表移动变形影响地表建筑物超过I级破坏允许值;在采用充填开采的各方案中，随着膨润土在充填材料中的占比逐渐增加，充填体控制地表沉陷和覆岩移动变形的效果表现为先增强再逐渐减弱的特征，当水泥与膨润土质量之比为5：2时，地表下沉量、水平变形量及倾斜量都最低，此次膨胀性膏体充填体控制底板下沉和覆岩移动的效果最佳。

参考文献：

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[2]华心祝，杨朋.深井大断面沿空留巷底板变形动态演化特征研究[J]. 中国矿业大学学报，2018，47（3）：494-501.

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作者简介：王宇坤（2001.01-），男，汉族，贵州省盘州市人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。

国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202110977017）。