Green and efficient water conservation mining technology in shallow and strongly water-rich areas
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摘要:
西部地区煤层资源丰富，开采强度大，传统开采方式容易导致含水层水资源流失，产生严重的缺水问题，因此，研究浅埋强富水区的保水开采技术，通过控制岩层移动保持含水层的稳定性，研发低成本、广适用的保水开采技术和材料，形成浅埋强富水区煤层的绿色高效保水开采体系，实现煤炭开采与水资源保护的双重目标，对保障水资源安全、维护生态平衡和促进经济发展具有重要意义。本文首先分析了保水开采现状与难题，从技术先进性和安全性等方面对现有技术进行了对比，从材料、设备和工艺等方面进行了深入研究，总结并分析了不同技术的适用条件。接着以锦界煤矿为例，依据保水采煤方案和导水裂隙带实测高度，对井田进行区域划分，提出“分区分类治理”的原则，并创新性地提出了采前第四系松散含水层底部隔水层再造技术，形成了有效隔离，实现了煤炭开采与水资源保护的协调发展，保护了自然地貌和地表植被。同时，针对现有综采架后膏体充填不高效，且支架无法做到充填非充 填灵活转换的问题，设计提出了一种新型充填非充填两用支架，既可作为同一工作面分段 充填、非充填支架两种模式交替使用，又可进行后部支架拆解，安装掩护梁侧护板，满足 普通支架使用需求，提高了设备使用效率。最后对采后导水裂隙带裂隙顶部注浆修复改造技术和注浆效果评价进行了总结，以锦界煤矿的应用为例进行了说明，对鄂尔多斯盆地类似条件煤层开采具有广泛指导意义，为煤炭行业的绿色开采提供了重要支持。
Abstract:The western region is rich in coal seam resources, and the intensity of mining is high. Traditional mining methods can easily lead to the loss of water resources in aquifers, resulting in serious water shortage problems. Therefore, researching water conservation mining technology in shallow-buried strong water-rich areas is of great significance for ensuring water resource safety, maintaining ecological balance, and promoting economic development. By controlling the movement of rock strata to maintain the stability of aquifers, developing cost-effective and widely applicable water conservation mining technologies and materials, a green and efficient three-dimensional water conservation mining system for coal seams in shallow-buried strong water-rich areas can be formed, achieving dual goals of coal mining and water resource protection. This paper first analyzes the current situation and difficulties of water conservation mining, compares existing technologies from aspects of technological advancement and safety, and conducts in-depth research on materials, equipment, and processes, summarizing and analyzing the applicable conditions of different technologies. Then, taking the Jinjie coal mine as an example, based on the water conservation coal mining plan and the actual measured height of the water-conducting fracture zone, the mining field is divided into regions, proposing the principle of “regional classification management”. Innovatively, the paper proposes the technology of remaking the bottom water-blocking layer of the quaternary loose water-rich layer before mining, forming an effective isolation, achieving coordinated development of coal mining and water resource protection, and protecting natural topography and surface vegetation. At the same time, in response to the inefficiency of the current comprehensive mining frame back paste filling and the inability of the support to flexibly switch between filling and non-filling, a new type of filling and non-filling dual-use support is designed and proposed. It can be used as a filling support and can also be used for the disassembly of the rear support, installing the side protection plate of the protective beam, meeting the needs of ordinary support use, and improving the efficiency of equipment use. Finally, the paper summarizes the technology of grouting repair and transformation of the top of the water-conducting fracture zone after mining and the evaluation of grouting effects, and illustrates it with the application of the Jinjie coal mine. It has a wide guiding significance for similar conditions of coal seam mining in the Ordos Basin and provides important support for green mining in the coal industry.
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0. 引 言
中国是世界最大的煤炭生产与消费国，煤炭在中国能源领域占据重要位置，2023年，全国原煤产量完成47.1亿t，比上年增长3.4%。全国能源消费总量57.2亿t标准煤，煤炭消费量占能源消费总量50%以上[1-4]。随着煤炭产量的增长，与之相伴的环境问题进一步凸显。为此，提出了绿色开采理念[5-8]。
绿色开采是指在保证煤炭开采安全、质量等前提下，通过对工程的科学管理和采取技术进步措施，最大限度地节约资源与减少对环境负面影响的施工活动[9-12]。绿色开采目前主要包括保水开采、煤与瓦斯共采、矸石减排、减沉开采与环境修复等技术[13-16]，要根据不同矿区的资源、环境条件及其问题，有针对性地明确技术应用重点[17-20]。
晋陕蒙为干旱半干旱缺水地区，也是我国煤炭主产区，为落实“黄河流域生态保护和高质量发展”国家重大战略，保护缺水矿区水资源[21-23]，亟须查明开采前后地下水流场变化、导水裂隙带发育规律、矿井涌水量的补径排水文地质条件[24-27]。因此，开展浅埋强富水区下绿色高效保水开采关键技术研究是实现绿色开采重点，以实现煤炭资源开发与水资源保护并重、能源保供与生态保护协调发展，对保持当地工农业生产稳定、居民正常生活起到至关重要作用[28-29]。
保水开采是指通过控制岩层移动维持具有供水意义和生态价值含水层(岩组)结构稳定或水位变化在合理范围内，寻求煤炭开采量与水资源承载力之间最优解的煤炭开采技术[30-33]。陕西煤田地质局等首次明确“保水开采”概念，强调煤田开发需在保护浅层地下水前提下进行。叶贵钧等[34-36]从煤炭绿色开发的角度出发，对保水技术进行了综合性研究。孙伟博等[37]运用数值模拟的方法，模拟了导水裂隙发育过程，研究了不同回填方法在相应地质条件的保水效果。缪协兴等[38]对保水开采技术原理以及开采破坏效果进行了研究，并进行了技术改良与实践应用。李红等[39]对回填材料的力学性质进行了研究，得到了其流动性随时间的变化规律。随着技术的不断发展，研究者们通过数值模拟、技术改良和实践应用，不断优化保水开采技术，以实现煤炭资源的绿色开发[40-43]。
充填保水开采是实现保水开采的重要途径[44-47]，但成本较高，研发低成本、适用性广的保水开采技术、充填材料和工艺是煤炭科技界面临的新课题，保水开采技术从经济和技术两方面都具备可行性与广泛的应用前景[48-51]。
笔者在总结我国浅埋强富水区特征以及煤层开发中存在的问题、技术瓶颈的基础上，梳理了目前保水开采中的技术进展[52-55]，分析了膏体充填保水开采技术以及地面注浆改造中涉及到的相关技术[56-59]，研究了相关技术的原理、关键流程、技术重点以及创新所在[60-61]，以期实现浅埋强富水区下的绿色高效保水开采，助力我国煤炭产业高质量发展。
1. 煤矿保水开采技术现状与难题
保水开采核心是寻求煤炭开采量与水资源承载力之间最优解的煤炭开采技术。目前保水采煤的技术途径主要有两类：其一是在煤层开采的同时利用岩层的隔水能力阻止被保护的水源向矿井充水，从而实现保水开采，这样做的前提是岩层必须具备有效的隔水能力并且可以利用；其二是通过人工主动干预方式，阻止或尽可能减少被保护的水源向矿井充水，人工干预方式包括隔水层注浆加固改造、河流铺底导流、侧向帷幕截流、通道封堵、覆岩破坏带后修复、充填开采等多种技术途径及其组合。
现阶段保水开采从理论研究走向了工程实践，众多学者开展了保水开采地质基础研究，划分了煤层覆岩结构类型和保水开采地质条件分区，提出了生态水位保护采煤理念，编制了基于保水开采的采煤方法规划图，用于指导工程实践。我国西部部分煤矿开展了保水开采工程实践，实现了高强度采煤条件下煤层顶、底板含水层结构的保护，促进了矿区地质环境保护。如神东矿区哈拉沟煤矿22404工作面在通过松散层富水区域时，部分上覆岩层较薄，且缺少有效隔水层或隔水层较薄，威胁22404工作面安全回采的主要充水含水层为基岩上覆第四系松散孔隙潜水层，在初始状态下22404工作面过哈拉沟段有突水溃沙危险；哈拉沟煤矿实施了过沟开采松散层注浆改造工程，在22404工作面过哈拉沟开采过程中，未发生透水和溃沙事故，保证了工作面的安全生产[62-63]。
由于保水开采的重点在于环境保护，在开采过程中必定会增加成本，降低产能[64-65]。如榆阳煤矿开展充填保水开采，每吨煤成本增加约100元。榆树湾煤矿采用限高开采，将原设计的7 m采高变更为“7 m适采区、5 m适采区和3 m适采区”[66-68]。充填保水开采是实现保水开采的重要途径，但成本较高，未来研发低成本、适用性广的保水开采技术、充填材料和工艺是煤炭科技界面临的新课题。
目前而言，开展保水开采的矿区有2类，一类是迫于环保、水资源政策的压力，主动实施保水开采技术，解放煤炭资源。另一类是为了预防顶底板突涌水的需要而被动实施保水开采技术，这是目前开展绿色开采，实施保水开采技术的主要类型。
2. 保水开采技术方案对比
保水开采技术主要包括膏体充填保水开采技术、离层注浆保水开采技术、限高保水开采技术、侧方注浆保水开采技术、隔水层再造保水开采技术、底板注浆加固保水开采技术等，不同工艺方案的比选主要参考两个原则，分别是技术可行性和安全性。
技术可行性从技术先进性、环境适应性和方案、设备的可控性等方面进行技术可行性论证；安全性对技术方案的设备、作业人员、环境等因素的安全方面进行技术可行性分析、论证。不同保水开采技术方案对比见表1。
表 1 不同保水开采技术方案对比Table 1. Comparison of different water retention mining technology options保水开采
技术膏体充填保水开采 离层注浆保水开采 限高保水开采 侧方注浆保水开采 隔水层再造
保水开采底板注浆加固
保水开采优点 岩层控制效果好，
“三下”采煤的主要技术；
兼顾减沉和处废不影响矿井生产；兼顾
减沉和处废地表变形降低，
回采工艺简单不影响矿井生产 减少地表变形，
防止上覆
含水层破坏防止奥灰水流失 缺点 新增回采面，投资大、
工艺复杂，成本高，
开采效率较低不适用浅埋煤层，受地层条件限制，注浆时机
选择很重要回采效率降低，煤炭资源存在浪费 处理规模受煤层
采高和岩性等
因素影响工艺复杂，
成本高工艺复杂，井下
空间受限适应性 适用于各种采高的
回采工作面适用于埋深较大，且有
离层空间的回采面适用于大采高
煤层适用于露天煤矿 适用于土层隔水层缺失或土层隔水层厚度较小的区域 适用于煤层底板隔水层薄弱带加固 在保水开采技术体系中，尽管存在多种技术，但本文重点介绍膏体充填技术和隔水层再造技术[69-71]。因为膏体充填技术和隔水层再造技术在实际应用中表现出卓越的效果和广泛的适用性，且在不同地质条件下均取得了显著成果，具有显著的推广价值和应用前景。通过详细介绍这两种技术的原理、优缺点以及适用条件等，旨在提供深入的理解和实用的参考，推动保水采煤技术的发展与应用。
3. 分区分类治理原则与保水开采总体思路
以锦界煤矿为例进行说明，锦界煤矿位于榆神矿区内，该区域地下水有独立的补给、径流和排泄条件。地下水类型主要包括松散层孔隙潜水和基岩裂隙承压水，矿井的水文地质条件受到地形、地貌和构造的控制，主要含水层包括第四系松散砂层孔隙潜水和风化基岩裂隙含水层。
锦界煤矿第四系松散层潜水、烧变岩含水层、地表水体也是当地居民生活用水及生态环境的主要控制水体。根据陕西省《保水采煤技术规范》并结合区域及锦界井田含隔水层空间展布规律及补径排条件、开采煤层赋存特征、开采工艺、采动导水裂隙带实测结果、地下水资源赋存现状与矿井防治水工作现状，综合确定锦界煤矿保水采煤的目标水体主要包括第四系松散砂层水、青草界沟与河则沟常年性沟流地表水体及3-1煤隐伏露头区烧变岩水。
因此，在保障矿区安全、高效、绿色开采的同时，保护矿区地下水资源，维持矿区可持续发展的前提下，根据《锦界煤矿保水采煤方案》以及导水裂隙带实测高度，进行保水采煤分区治理，将井田划分为以下五大区域，分布如图1所示。
1）导水裂隙带未导通第四系松散砂岩含水层区域；
2）导水裂隙带导通第四系松散砂岩含水层区域；
3）导水裂隙带导通地表区域；
4）存在黄土层薄弱区，且导水裂隙带导通第四系松散砂岩含水层区域；
5）存在黄土层薄弱区，且导水裂隙带导通不了第四系松散砂岩含水层区域。
根据不同区域特点，选择不同方案，实现“分区分类治理”，确定锦界煤矿保水开采总体思路如下：
1）第四系松散砂层水：锦界煤矿大部分区域赋存土层隔水层，局部存在土层薄弱区，隔水效果差，需要人工构建隔水层。锦界煤矿地层剖面示意图如图2所示。
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图 2 锦界煤矿地层剖面示意Figure 2. Schematic diagram of geological section in the weak soil layer area土层薄弱区：通过地面注浆改造含水层，构建人工隔水层的方法切断松散砂层水与风化基岩水之间的水力联系，将松散砂层水与风化基岩水隔绝，避免第四系松散含水层水下渗。导水裂隙带导通松散砂层含水层区域：对松散含水层水造成影响，拟采用随采随治(地面注浆改造松散含水层或充填开采)的方案进行保护。导水裂隙带导通地表区域和强富水区：针对埋藏浅导水裂隙带直接波及到地表的区域无法通过地面注浆改造实现保水，考虑采用充填开采的方式阻止导水裂隙带波及松散砂层水。经分析主要集中在二盘区青草界沟及河则沟附近;另外根据环评要求，强富水区下开采也采用充填开采。
2）地表水:针对青草界沟与河则沟地表水体保护，计划采取采前构筑拦水坝、设置导水管等人工管道引流方式防止河水下渗，采后待覆岩稳定后采用回填土层、压实挤密铺设多层防渗层、修复河道等人工防渗处理方式恢复地表水环境均衡。采前人工管道引流如图3所示。
3）烧变岩水:针对3-1煤隐伏露头区烧变岩水体，3-1煤回采期间采用留设防隔水煤(岩)柱的方式进行保护。防隔水煤（岩）柱留设位置环绕烧变岩区域。
保水采煤注浆治理整体技术原理如图4所示。
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图 4 保水采煤注浆治理整体技术原理Figure 4. Overall technical principle of grouting governance for water-preserved coal mining总之，保水采煤技术途径的选择是灵活的，不是一成不变的，会随着具体条件和实际需求的变化而改变。即使是在同一个矿井，所采取的保水采煤技术途径也不是单一的，往往是多种技术途径并存。“分区分类治理”为煤矿保水开采提供了新的思路，因地制宜，辨证施治，根据具体条件和实际需求合理选取。
4. 综采架后膏体充填保水开采关键技术
综采架后膏体充填保水开采关键技术主要起到充填开采顶板不垮落、地表不下沉，起到减沉、保水作用。
利用顶板管理方法实现等效采后的降低，控制导水裂隙带发育高度、减少地表沉降，其实质是利用砂子、碎石或炉碴等材料充填采空区，借以支撑围岩，达到减少沉降的目的。主要包括高强速凝煤电固废充填材料研究和安全高效膏体充填设备与工艺技术研究，技术流程如图5所示。
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图 5 综采架后膏体充填保水开采技术流程Figure 5. Comprehensive mining post-shelf paste filling and water preservation mining technology process这种方式优点是能有效防止地表沉陷，维护地表生态环境；提高采矿安全性，减少采空区坍塌风险；利用矿井废弃物和工业副产物，实现资源综合利用和环境保护；改善矿区地下水环境，减少地下水流失。缺点是充填材料和工艺成本较高；充填过程复杂，需要专业设备和技术支持；施工时间较长，可能影响煤炭生产效率；适用于埋藏浅、覆岩较厚的矿区，特别适合在地表下沉敏感区域和地下水丰富区域使用。
4.1 高强速凝煤电固废充填材料技术研究
4.1.1 电厂固废改性技术研究
通过研究水泥、粉煤灰、矸石微粉、脱硫石膏、矿粉和减水剂配比对膏体材料性能的影响规律，研究骨料粒径、液固比、胶骨比、反应温度、促凝剂种类对膏体材料凝结时间、流动度、早期强度作用的影响权重，可以探明材料组分调控、性能优化规律。通过热重、水化热、XRD、SEM-EDS、红外、纳米压痕等微观手段探究膏体材料微观结构组成与性能演变过程，阐明固废组成、外加剂种类及掺量对膏体材料早期性能的作用机制，为进一步调控材料性能提供理论依据。
4.1.2 多源固废充填材料对生态环境影响分析
充填材料的选取首先要保证材料来源广、成本低，其次，可因地制宜，就近选取材料，减少对环境的影响，加强采煤和环境治理的协调统一，促使矿区环境保护工作进入一个健康、良好的发展轨迹。
测试膏体充填材料研发所需的多源固废（煤矸石、粉煤灰、气化渣、脱硫石膏等）自身化学成分，分析固废原料风险赋存情况。将存在污染风险的固废进行震荡浸出毒性试验，揭示地下水环境下污染物析出情况。
基于多源固废自身污染物浸出结果，考虑固废配比、胶凝强化的影响，选择上述获得的配比，对膏体充填材料固化体进行不同温度环境震荡浸出试验，浸出溶液选择去离子水、酸性溶液、碱性溶液，模拟地下水环境为正常环境、极端酸性环境、极端碱性环境对负碳胶凝材料污染物浸出影响。
根据分析膏体充填材料试样通过表面释放至浸出液中污染物的速率和累计量，分析充填材料长期风险累计效益。绕流浸出试验以整块固化体作为试验对象，将固化体浸入到浸提剂中，保持一定的水固比，当固化体中的污染物与浸提剂的自然扩散达到平衡时，置换成新的浸出液，重复浸出过程，该方法以保持固化体本身的形状为前提进行动态释放通量测试，模拟更接近实际环境状况，能够有效预测长期风险累积效应。
以锦界煤矿为例，煤矿附近多个生产煤矿等都有矸石产生，锦界矿充填开采时，其矸石量不能满足充填需求时，可从周边矿井调运，其次，选取矸石充填，不仅消耗了以往开采形成的矸石山，减少了对环境的影响，同时也能够很大程度上地降低上覆岩层的变形与破坏，有利于上覆岩层的稳定性，减少对含水层的影响，保护水资源，实现绿色开采。
4.1.3 电厂固废与矸石配比技术研究
通过开展小型试验探究膏体材料泵送工艺与外加剂加入工艺；开展不同尺寸规模囤积膏体材料的凝结试验，分析面积区域和堆积量的大小对材料凝结和强度特性的影响规律；开展膏体材料公里级距离的半工业性环管试验，测试材料流动性能和可泵性能，以确定矸石基速凝早强膏体充填材料的配制工艺。
然后通过堆积体量对膏体材料凝结特性影响机制研究，开展不同尺寸规模囤积膏体材料的凝结试验，分别分析不同的区域面积和堆积高度的大小对材料凝结和强度特性的影响规律，确定考虑了凝结时间和强度特性的适用于不同堆积高度的最佳膏体材料配制方案。
4.2 安全高效膏体充填设备、工艺技术研究
首先进行膏体充填保水开采控制指标及充填技术参数要求研究。通过理论计算、数值模拟、物理模拟等方法，研究采空区不同充填条件下覆岩移动规律研究，研究平面充填率、接顶率、充填体强度等参数对覆岩移动的影响，分析其主控因素，研究实现有效控制第四系松散含水层破坏的采空区充填设计方案，包括充填体分布、充填率、充填体强度等参数指标。
接着进行充填区域安全快速隔离工艺技术研究。针对架后充填区域膏体充填料浆快速隔离封堵问题，采用物理和数值相似模拟等方法，研究综采支架后方隔离挡板封堵方式；研究分析基于隔离挡板与柔膜协同的膏体充填料浆快速隔离封堵工艺，实现架后充填区域与采煤区域的快速密封隔离，减少充填作业隔离辅助时长，促进充填效率提升。
为适应高产高效的矿井需求，建造相似模型，采用物理和数值相似模拟，对膏体充填支架后方的充填体快速构筑技术进行研究，通过分析整个密封、支护工艺流程，研究支架后方侧挡板密封的形式和加装方式，加快待充空间内的凝结效率，确保充填支架的快速推进。
然后进行架间充填管路、布料管等充填设备与支架匹配性技术研究。以膏体充填料浆输送特性、输送能力等要求为基础，选配耐磨充填管路材料；基于充填能力需求，设计充填管路、布料管路的孔径参数；通过数值模拟等方法，研究充填管路、布料管路在综采充填支架间的布局设计方案；采用流体输送数值模拟等方法，研究膏体料浆在架间充填管路、布料管路中流动特性（摩阻、流速等），优化管路布局设计方案，研发形成满足高效充注且与综采充填支架相匹配的充填、布料管路设备。
最后进行不同充填步距、充填量与工作面高效推采工艺技术研究。基于综采工作面埋藏深度、顶板特性、周期来压、产能需求等，采用理论分析等方法，研究不同充填步距下的充填作业和采煤作业的时间接续关系，形成满足的单个工作面煤炭产能需求的采煤-充填接续设计方案。
针对架后采空区内充填体的构筑方式以及采空区二次料浆充注方式开展研究，分析基于架后隔膜密封的充填体快速构筑工艺，研究架后待充空间的密封工序、采空区二次注浆工序分别和采煤工序之间的最佳配合工艺。
4.3 膏体充填效果监测评价技术研究
4.3.1 充填体与顶板耦合作用监测方法研究
选择部分研究区域，在采空区注浆之前，在煤层顶板中装入料浆监测设备及相关的顶板应力和位移监测设备，在采空区充入之后，在充填体的上下左右等多个位置中置入应力和位移监测设备，并保持设备的实时信号传输，通过对置入的监测设备进行信号监测，获取监测的应力和位移数据，通过数据分析研究充填体的受力机制及与顶板的相互作用机制，融合多种监测数据，建立数据分析方法，进一步确定充填体的最佳凝结强度和凝结时间，为进一步降低充填体的凝结时间和凝结强度提供基础数据，为降低生产成本提供决策依据。
根据在采空区上覆岩层中植入的相关的监测设备监测到的数据结果，研究充填工作面矿压显现规律、充填体受力特性、充填体与围岩的相互作用、支架适应性，评价膏体充填对控制矿压、地表减沉的效果，提出最优充填方案。
借助充填过程中的大量的监测设备获得的监测数据，分析研究充填过程中的压力、流量、充填速度等工艺参数对强度的影响；研究膏体充填后的养护环境（温度、湿度等）对强度发展的影响；对充填体的强度进行监测，评估其是否满足工程要求。
4.3.2 考虑多因素的浅埋煤层充填效果评价机制研究
结合充填后的地表变形参数对地面建筑或上覆岩层中水体等的影响程度，考虑充填后的采矿技术条件、顶底板移近量、充填体参数、采充工艺、覆岩滞留空隙等多方面因素，区别可量化和非可量化指标，建立充填效果评价方法，形成一套切实可行的充填效果评价机制，为浅埋煤层的保水开采技术提供一种充填效果评价方法，为进一步优化充填工艺提供参考。
4.4 安全高效膏体充填快速隔离技术
4.4.1 充填囊袋的材质选择及与充填工艺的配套选型
以锦界煤矿为例，针对煤矿的生产地质条件，考虑煤矿井下作业要求防静电、阻燃、耐刺破、高强度密封囊袋，优选适宜锦界煤矿的充填囊袋材质以及充填囊袋的支撑结构设计，如图6、图7所示；结合锦界煤矿充填工作面的布设长度、充填步距以及膏体材料的凝结特性要求，分别设置两种尺寸规格的充填囊袋：18 m×3.5 m×0.9 m和1.8 m×3.5 m×0.9 m，如图8所示。结合充填囊袋的尺寸要求，在充填支架后方设置一后侧板，用于对垂直工作面推进方向的充填囊袋进行塑形、隔挡如图9所示；为方便充填囊袋在架后待充空间内的快速布设及充注，需要在充填支架的后方顶梁处设置囊袋临时存放处及布料阀位置处设置挂袋装置，每个充填袋可预留1~2个布料阀。
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图 6 结构化充填囊袋整体结构示意Figure 6. Schematic diagram of overall structure of structured filling bag![]()
图 7 膏体充填囊袋的充水效果及串珠式囊袋的结构示意Figure 7. Water-filling effect of cream-filled bladder and schematic structure of beaded bladder![]()
图 8 不同充填袋尺寸在工作面中的布设示意Figure 8. Schematic layout of different bag sizes in the working face![]()
图 9 膏体充填囊袋在支架后方的布设方式示意Figure 9. Schematic of how cream-filled bladder is laid out behind the stent4.4.2 充填支架内充填设备空间布设适配技术
考虑充填支架后方空间有限，充填支架后方采用充填囊袋密封、布设、鼓包、充注的工艺复杂，对当前的充填支架后半部分结构进行优化，确保充填料浆主管道、料浆三通切换阀、布料阀以及充填囊袋存放位置的合理布局，方便充填囊袋快速送入采空区的同时，对充填料浆输送管道不产生影响，要求布料阀沿顶梁布设，充填主管道与布料阀之间的管道布设紧贴支架立柱或位于最后两根立柱的前方，实现充填支架后方充填设备存放空间的合理布设及人工检修通道的顺畅；借助压缩空气使布设到待充空间内充填囊袋的支撑结构快速充满实现充填囊袋的快速塑形，达到充填囊袋充满待充空间的效果，下一步开始对充填囊袋进行注浆；充填囊袋内的料浆充注，要求料浆充注主管道能够借助电控三通阀实现主管道内清洗管路液体顺畅排放到沉淀池，当主管道内的料浆浓度达到要求时，借助电控三通阀实现对多个架后充填囊袋的快速充注；随着充填料浆的充注，借助充填囊袋自带的传感器和压力阀实现对充填状态的实时监控及袋内多余气体的实时排出，防止充填囊袋内的压力过高。
4.4.3 单步充填参数与工作面高效推采适配技术
基于锦界煤矿综采工作面埋藏深度、顶板特性、周期来压、产能需求等，参考相邻、相似矿井的实施经验，暂定采用综采膏体填充的方式对架后采空区进行充填。当一个充填囊袋的空间形成，即可对该待充空间进行充填囊袋布设及充注，随着支架的推进，逐步完成整个工作面的充填，该项方案能够实现最大化利用充注时间；但该方案的实施需要参考具体的实施条件及具体工况，充填支架操作和充填空间准备时间无法适配时，可采用全工作面充填支架移动、充填袋准备、料浆充注的方式实现架后采空区的充注；分析两种尺寸规格的充填囊袋充填工艺的高效性，经过不断地工艺优化获得满足产能需求的单个工作面采煤−充填接续方案。
高强速凝煤电固废充填材料研究通过改性电厂固废和分析多源固废对生态环境的影响，通过材料组分调控、性能优化和生态风险管理的方法，为膏体充填保水开采技术的应用提供了理论基础和环境保障。
4.5 充填非充填两用支架
针对现有综采架后膏体充填不高效，且支架无法做到充填非充填灵活转换，设计提出了一种新型支架ZC12000/22/40D ，既可作为充填支架使用，又可满足普通支架使用需求，如图10所示。
该支架前后铰接，前、后工作阻力均为12 000 kN；支架后部设有隔离挡板，隔离支架与后部充填空间；支架在非充填状态后顶梁下摆，顶梁下摆角度满足开采要求。支架作为普通支架使用时，可实现后部支架拆解，可安装掩护梁侧护板，满足普通支架使用需求，具体参数见表2。
表 2 支架参数Table 2. Support parameter table指标 参数 支架型号 ZC12000/22/40D 支架宽度/mm 1 680～1 880 支架高度/mm 2 200～4 000 初撑力/kN 15825 平均支护强度/MPa 1.15～1.25 额定工作阻力/kN 24 000 有效推移步距/mm 865 对地平均比压/MPa ≤2.8 支架中心距/mm 1 750 操纵方式 电液控制 泵站压力/MPa 31.5 5. 地面注浆改造顶板保水开采关键技术
地面注浆改造顶板主要目的是注浆改造隔水层，阻止第四系含水层水下泄。
注浆保水开采是利用帷幕注浆的方式，封堵地下水的径流通道，控制地下水的流动路径，进而达到保水开采的目的。矿山帷幕注浆是在地下水径流通道处通过注浆形成一定尺寸和范围的帷幕墙体，人为改变水文地质条件和进水边界，实现对地下水的拦截或封堵，从而达到矿产资源安全回采和含水层水资源保护的双重目的。目前帷幕隔水墙通常为防渗墙法、旋喷桩隔水墙法及注浆帷幕隔水墙法，其构建方法据实际条件而定
地面注浆施工设备简单，通常由钻孔机械、注浆泵、搅拌装置、喷枪、流量计、止浆塞等组成，可采用大型成套钻注设备，具有较强的环境适应性，钻注施工效率高。适用于需要保护松散层含水层的区域以及土层隔水层缺失或厚度不足的区域，还需要有明确的水文地质条件，以便确定注浆层位和厚度。
地面注浆改造分为采前和采后两种，目前采后地面注浆改造技术已相对成熟，采前注浆作为一种新技术，需要在开采前就通过注浆改造松散层，提前阻断导水裂隙带，减少开采对水资源的影响。
通过收集地质及水文地质资料，分析主要含水层地下水流场特征和实测煤层开采导水裂隙带发育规律，采用定向钻探和注浆改造实现第四系松散含水层底部注浆加固再造相对隔水层和实现煤层采后导水裂隙自修复封堵及挤密改造技术，实现煤炭资源开发与水资源保护并重、能源保供与生态保护协调发展，形成一套煤矿保水开采技术体系。技术路线如图11所示。
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图 11 地面注浆改造顶板保水开采关键技术路线Figure 11. Ground grouting to reform the roof water preservation mining key technology route通过采前改造、采后修复实现保水开采，是综合水文地质、工程地质、钻探工程、材料化学及采矿工程多学科融合，具有显著的先进性，所解决问题为矿井当前亟待解决的大量涌水问题，工艺技术适用于该类型矿井，每年节省大量水处理费，具有显著经济环境效益，下面以锦界煤矿为例进行说明。
5.1 采前第四系松散含水层底部隔水层再造技术
首先进行第四系松散含水层可注性研究。通过岩芯测试第四系松散含水层粒径、表观密度、孔隙率等，为注浆材料最大粒径选择提供依据。利用室内模型试验，揭示注浆材料性质和注浆压力对浆液在松散含水层内扩散范围影响规律。采用现场试验方法，进一步验证和完善室内模型试验结果，为充注材料制备与定向孔施工工艺确定提供依据。
5.1.1 采前第四系松散含水层底部再造隔水层保水机制
煤层开采顶板导水裂隙带发育未穿越黄土隔水层，但是局部隔水层缺失（天窗区），开展采前第四系松散含水层底部再造隔水层，如图12所示，将第四系松散砂层底部注浆改造为隔水层。
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图 12 导水裂隙带发育未穿越黄土隔水层示意Figure 12. Schematic diagram of water-conducting fracture zone development not penetrating through loess aquitard煤层开采后导水裂隙带发育高度沟通至第四系松散含水层底部，离石组黄土隔水层失效，同时第四系地层厚度较厚，开展采前第四系松散含水层底部再造隔水层，如图13所示，阻挡第四系松散含水层地下水向下漏失，将第四系松散砂层底部注浆改造为隔水层。同时再建立试验模型，测定不同第四系松散含水层底部隔水层强度、厚度、形态对采动裂隙控制规律，研究不同裂隙特征条件下第四系含水层地下水渗漏程度，结合理论、数值及物理相似模拟分析细观特征，揭示第四系松散含水层底部再造隔水层保水机制。
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图 13 导水裂隙带发育高度沟通至第四系松散含水层底部示意Figure 13. Schematic diagram of the development height of the water-conducting fracture zone communicating to the bottom of the Quaternary loose aquifer5.1.2 采前第四系松散含水层及黄土层顶部定向成孔技术研究
地面定向钻孔开孔段施工后，采用跟管钻进工艺，实现穿越流砂层进入水平段，施工水平段定向钻孔导孔，完成后，采用地面定向钻大通径钻具施工二级孔，同时配合穿心下管工艺完成注浆外管（可钻PE管）下放，从而研究松散砂层定向成孔技术工艺，如图14所示。或采用井下定向钻孔，沿顶板基岩开孔后下入套管，后续裸孔钻进，孔深及注浆管长度随钻孔施工工艺过程中灵活调整，至终孔位置，下入注浆外管，另外井下钻孔必须安装孔口管和孔口防喷装置。
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图 14 地面定向钻探孔轨迹示意Figure 14. Schematic diagram of ground directional drilling hole trajectory定向钻孔结构：水平终孔层位沿松散砂层底部（或离石组顶面以下5 m内）钻进，预计再造厚度15~20 m；钻孔平面间距20 m，开孔钻头直径一般为ø153 mm（或以上，并根据松散砂层实际情况必要时调整增大孔径），采用跟管钻进工艺穿越松散砂层进入水平段，下入无缝钢管ø146 mm×6 mm套管固管，接续施工水平段定向钻孔导孔，后采用定向钻大通径钻具施工二级水平孔，配合穿心下管工艺完成注浆外管ø89 mm×4.5 mm（可钻PE管）下放。覆盖全部注浆改造区域，预计总钻探进尺
11000 m，如图15—图16所示。调研矿区煤基固废赋存特征，通过室内试验测定原物料物理化学性质，配置多元固废注浆材料，研究改性添加剂作用规律，基于原位聚合方法改进材料制备工艺，研发固废基低成本自膨胀高封堵性注浆材料。
通过研究钻孔孔径、孔深、空间布置、注浆压力、流量、终孔压力、终孔浆量等参数优化，研究注浆过程控制参量及阈值，优化采前第四系松散含水层底部隔水层注浆再造钻孔、制浆、注浆及检测工艺。
5.2 采后导水裂隙带裂隙顶部注浆修复改造技术
通过现场测试，测定采后煤层导水裂隙自修复特征规律，建立理论及数值模型，分析不同条件下采后煤层导水裂隙自修复影响因素，进行相关性分析，确定主控影响因素。
煤层开采后导水裂隙带发育至地表，或者无可利用第四系松散含水层进行再造隔水层，可通过导水裂隙带裂隙顶部合适层位注浆改造再造隔水层，防止第四系松散含水层和基岩含水层地下水下漏至采空区。
同时再建立试验模型，测定不同注浆封堵范围、注浆压力、注浆量对采后导水裂隙带裂隙顶部的改造规律，研究改造形式导水裂隙演化规律及长期效应，结合理论、数值及物理相似模拟分析细观特征，揭示注浆对导水裂隙带裂隙顶部封堵及挤密修复改造机制。
5.2.1 采后煤层导水裂隙注浆修复改造钻孔定向成孔技术
地面定向钻孔开孔段施工后，采用跟管钻进工艺，实现穿越流砂层进入水平段，施工水平段二级孔，成孔后，将阀式注浆管送至孔底方式，定向钻孔内采用单个封隔器，将注浆外管与钻孔之间灌入套壳料，定向钻孔内下入分段注浆装置，后退式，如图17所示。或者井下采用定向钻机带在顶板开孔后带角度钻进至水平段，定向钻进至水平段下入套管，定向钻孔水平段正常钻进，成孔后全段注浆。
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图 17 定向钻孔内下入分段注浆示意Figure 17. Schematic diagram of lowering segmental grouting in directional boreholes定向钻孔结构指的是水平终孔层位沿煤层顶板导水裂隙带裂隙顶部合适层位钻进，预计再造厚度15~20 m，钻孔平面间距20 m，开孔钻头直径一般为ø153 mm（或以上，并根据松散砂层实际情况必要时调整增大孔径）。钻孔开孔段施工后，采用跟管钻进工艺穿越松散砂层进入水平段，下入无缝钢管ø146 mm×6 mm套管固管，接续在裂隙内施工水平孔，成孔后，将阀式注浆管送至孔底ø89 mm×4.5 mm，采用单个封隔器，将注浆外管与钻孔之间灌入套壳料，定向钻孔内下入分段注浆装置，由孔底向外依次注浆。
5.2.2 低成本高充注性注浆材料研发与采后煤层导水裂隙注浆修复改造工艺技术
通过研究采后导水裂隙带裂隙顶部尺度及连通性特征，测定浆液可注性、充注范围及封堵性质，研究后期缓慢变形对材料长期封堵效果影响来研发长效封堵材料。
通过研究钻孔孔径、孔深、空间布置、注浆压力、流量、终孔压力、终孔浆量等参数优化，研究注浆过程控制参量及阈值，优化采后煤层导水裂隙注浆修复改造注浆钻孔、制浆、注浆及检测工艺。
5.3 注浆及效果监测效果评价技术
5.3.1 采前第四系松散层底部和采后导水裂隙带裂隙顶部注浆技术
以锦界煤矿为例，注浆层位采用地面或井下定向钻探施工采前第四系松散含水层底部和采后导水裂隙带裂隙顶部注浆钻孔，注浆再造相对隔水层，预计厚度15～20 m。
注浆材料基于经济性与技术成熟度考虑，主体材料采用水泥、工业固废或膨润土，其他材料为熟石灰、黄土或者风积沙等。
终孔注浆压力不低于4 MPa。对于注浆目的层为第四系松散砂层时浆液渗透扩散效果差，或对于注浆目的层为采后导水裂隙带裂隙顶部时浆液渗透扩散较为难控制时，采取控制注浆手段，以免浆液凝固堵塞通道或者浆液流失量大。
采前第四系松散含水层底部和采后导水裂隙带裂隙顶部注浆，两个治理区段总范围约
220000 m2，注浆量按下式估算：$$ V=SH\eta \xi \delta $$ 式中：$S $为注浆范围，m2；$H $为受注层段厚度，m；$ \eta $为注浆段孔隙率；$ \xi $为充填率；$\delta $为流失系数。
通过预估计算，采前第四系松散含水层底部和采后导水裂隙带裂隙顶部2个治理区段注浆量约为
160000 m3。5.3.2 注浆改造浆液扩散规律研究
主要步骤为物探动态监测、钻探检查孔施工、水位观测孔、采前采后改造、修复质量检测及保水效果评估方法研究。
首先利用高密度电阻率法，在采前第四系松散层底部和采后导水裂隙带裂隙顶部注浆加固区域，进行注浆前、过程中及结束后，按照一定周期时间间隔进行实时动态监测，有效监测浆液在地层中或者顶板裂隙带中运移扩散的规律情况，以及第四系松散砂层富水性变化情况，辅助评价再造相对隔水层的隔水效果，如图18所示。沿垂直定向钻孔方向平行布置高密度电法监测线，测线间距为60 m，电极极距为10 m，采用三级装置进行数据采集。为保证整个监测过程中采集数据的一致性，将电极埋入地表以下20 cm，监测过程中不再取出电极。注浆过程中每间隔3天对高密度电法监测线进行一次数据采集，注浆结束后在满足监测的条件下每间隔5 d对高密度电法监测线进行一次数据采集。数据采集当天对数据进行处理，处理过程中将注浆量、注浆压力等数据做为约束项对高密度电法数据进行约束反演计算，与之前的高密度结果进行差异对比达到监测注浆效果以及第四系松散砂层富水性变化情况的目的，结合多次监测结果得到三维动态监测结果，多维度评价再造相对隔水层的隔水效果。
接着进行钻探检查孔施工，采前第四系松散层底部和采后导水裂隙带裂隙顶部注浆加固改造结束后1个月，在地面或井下施工注浆目标层位定向钻探检查钻孔，2个治理区段各施工2个定向注浆检查孔，钻孔共4个，预计进尺约
3000 m。钻孔进入注浆层位后开始取芯至终孔，观察和测量注浆目标层胶结状态，所取岩芯进行室内渗透性试验，评价再造隔水层的渗透性，进而评价松散层注浆的质量和效果。当一定区域的检测孔岩层完整性较差时，应当对区域加密检测，必要时进行补充注浆。在检查钻孔中分段进行压水试验，通过压水试验对改造后地层渗透性进行检验。采用双栓塞分段压水测试，将测试段两端封闭，在一定压力下将水压入用栓塞隔开的一定长度的钻孔孔段内，对测试段进行压水试验，如图19所示。
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图 19 双栓塞分段压水试验装置示意Figure 19. Schematic diagram of a double-plug sectional pressure test device采前第四系松散层底部和采后导水裂隙带裂隙顶部，在两个治理区段以及外围未改造区域各施工3个水位观测孔，钻孔共6个，并安装水文动态监测仪。全孔下入花管观测第四系松散砂岩含水层水位，建议间隔一个雨季或者改造区域内大面积回灌一段时间后进行，监测注浆改造区域与外部区域第四系松散砂岩含水层地下水水位的动态变化情况，进一步为评价注浆保水效果提供资料支撑。
5.3.3 采前采后改造、修复质量检测及保水效果评估方法研究
第四系松散层和裂隙带顶部修复注浆加固改造形成隔水层后，对注浆效果、隔水层渗透性、第四系松散含水层富水性变化情况进行物探（钻探）动态监测。通过分析第四系松散层和裂隙带顶部修复注浆加固改造物探、钻探动态监测结果，研究第四系松散层水资源保护效果，并进行评价。
最后建立注浆改造前、改造中、改造后全过程，地面、覆岩、煤层、采空区全方位，水质、水温、水位、水量、裂隙尺度、应力应变特征监测，建设智能化注浆效果监测及评价系统，为设备的高效运行和工艺优化提供了支持。锦界煤矿注浆现场施工如图20所示。
6. 结 论
本文以问题为导向，对比分析了目前广泛采用的6种保水开采技术优劣势和适用性，结合锦界煤矿水文地质条件和浅埋富水区下煤层特点，提出了“分区分类治理”的原则和总体思路，创新性的提出了采前第四系松散含水层底部隔水层再造技术；同时针对现有综采架后膏体充填不高效，且支架无法做到充填非充填灵活转换，提出了充填非充填两用支架，提高设备使用效率，并以神东煤炭锦界煤矿为例进行了说明，本文主要工作如下：
1）提出“分区分类治理”原则：根据《锦界煤矿保水开采方案》以及导水裂隙带实测高度，结合锦界煤矿地质条件、含水层条件等确定保水采煤区域，将井田划分为五大区域，不同区域结合具体条件选择适宜的治理方案，即“分区分类治理”原则，为煤矿保水开采提供了新的思路，因地制宜，辨证施治。
2）综采架后膏体充填保水开采关键技术创新性地研发出高强速凝煤电固废充填材料，结合配套的材料制备工艺，形成煤电固废弃物“来源于煤、消纳于煤”的绿色循环理念，创新构建浅埋强富水区下机动可控、安全高效充填开采保水开采技术体系，有效减少地表沉陷，保护自然地貌和植被。
3）提出了采前第四系松散含水层底部隔水层再造技术，开采前就通过注浆改造松散层，提前阻断导水裂隙带，形成了有效隔离，减少开采对水资源的影响。
4）设计提出了一种新型充填非充填两用支架，既可作为同一工作面分段充填、非充填支架两种模式交替使用，又可进行后部支架拆解，安装掩护梁侧护板， 满足普通支架使用需求，提高了设备使用效率。
浅埋强富水区下高效保水开采技术体系在鄂尔多斯盆地具有广泛的应用前景，为煤炭行业的绿色开采提供了重要的借鉴意义。未来将探索其在不同地质条件下的适用性及经济性，通过技术创新推动煤炭产业高质量发展。
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图 2 锦界煤矿地层剖面示意
Figure 2. Schematic diagram of geological section in the weak soil layer area
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图 4 保水采煤注浆治理整体技术原理
Figure 4. Overall technical principle of grouting governance for water-preserved coal mining
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图 5 综采架后膏体充填保水开采技术流程
Figure 5. Comprehensive mining post-shelf paste filling and water preservation mining technology process
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图 6 结构化充填囊袋整体结构示意
Figure 6. Schematic diagram of overall structure of structured filling bag
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图 7 膏体充填囊袋的充水效果及串珠式囊袋的结构示意
Figure 7. Water-filling effect of cream-filled bladder and schematic structure of beaded bladder
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图 8 不同充填袋尺寸在工作面中的布设示意
Figure 8. Schematic layout of different bag sizes in the working face
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图 9 膏体充填囊袋在支架后方的布设方式示意
Figure 9. Schematic of how cream-filled bladder is laid out behind the stent
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图 11 地面注浆改造顶板保水开采关键技术路线
Figure 11. Ground grouting to reform the roof water preservation mining key technology route
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图 12 导水裂隙带发育未穿越黄土隔水层示意
Figure 12. Schematic diagram of water-conducting fracture zone development not penetrating through loess aquitard
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图 13 导水裂隙带发育高度沟通至第四系松散含水层底部示意
Figure 13. Schematic diagram of the development height of the water-conducting fracture zone communicating to the bottom of the Quaternary loose aquifer
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图 14 地面定向钻探孔轨迹示意
Figure 14. Schematic diagram of ground directional drilling hole trajectory
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图 17 定向钻孔内下入分段注浆示意
Figure 17. Schematic diagram of lowering segmental grouting in directional boreholes
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图 19 双栓塞分段压水试验装置示意
Figure 19. Schematic diagram of a double-plug sectional pressure test device
表 1 不同保水开采技术方案对比
Table 1 Comparison of different water retention mining technology options
保水开采
技术膏体充填保水开采 离层注浆保水开采 限高保水开采 侧方注浆保水开采 隔水层再造
保水开采底板注浆加固
保水开采优点 岩层控制效果好，
“三下”采煤的主要技术；
兼顾减沉和处废不影响矿井生产；兼顾
减沉和处废地表变形降低，
回采工艺简单不影响矿井生产 减少地表变形，
防止上覆
含水层破坏防止奥灰水流失 缺点 新增回采面，投资大、
工艺复杂，成本高，
开采效率较低不适用浅埋煤层，受地层条件限制，注浆时机
选择很重要回采效率降低，煤炭资源存在浪费 处理规模受煤层
采高和岩性等
因素影响工艺复杂，
成本高工艺复杂，井下
空间受限适应性 适用于各种采高的
回采工作面适用于埋深较大，且有
离层空间的回采面适用于大采高
煤层适用于露天煤矿 适用于土层隔水层缺失或土层隔水层厚度较小的区域 适用于煤层底板隔水层薄弱带加固 
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表 2 支架参数
Table 2 Support parameter table
指标 参数 支架型号 ZC12000/22/40D 支架宽度/mm 1 680～1 880 支架高度/mm 2 200～4 000 初撑力/kN 15825 平均支护强度/MPa 1.15～1.25 额定工作阻力/kN 24 000 有效推移步距/mm 865 对地平均比压/MPa ≤2.8 支架中心距/mm 1 750 操纵方式 电液控制 泵站压力/MPa 31.5
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