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鄂尔多斯盆地位于我国西北地区东部，是印支运动后形成的中生代大型内陆凹陷，在早中侏罗世形成了丰富的煤炭资源，盆地属黄河中游，煤层以厚和特厚为主，煤田地质构造简单～中等[1-3]，煤层赋存稳定，水文地质条件一般为简单～中等。蒙陕矿区位于内蒙古与陕西交界处，近30 a来浅埋煤层进行了高强度的开采，由于水文地质条件相对简单，矿井涌水量普遍较小。但随着煤炭资源开采逐渐向深部延伸，顶板水害防治工作日趋严重[4-5]，其中，最大的问题就是矿井开采期间实际涌水量与勘探预测值有着很大的出入，矿井初步设计建立的排水系统很难满足正常生产过程中排水设防需求，随着矿井开采强度的加大，覆岩破坏范围增大，矿井水文地质条件越来越复杂，在巷道掘进和工作面回采过程中极易造成矿井涌水异常波动，使矿井防排水系统遭受冲击，威胁矿井生产安全[6-8]。
长期以来，水害一直是煤炭安全开采的一大自然隐患，我国水害防治理论经过多年来的探索研究，逐渐一套成熟的防治水安全开采技术体系，诸如上“三带”、三图双预测、关键层等。在多煤层群组开采中，主要采取下行开采，通过采前顶板疏放水工程对主要含水层水进行疏降[10-12]，这一方法适用于顶板含水层富水性弱～中等，或是在强富水含水层下，矿井建立了排水能力极大的主排、盘区、工作面等排水系统，矿井前期投入较大，且设备运维较为困难，这一开采形式对蒙陕地区深部矿井不是较为适合。
笔者以蒙陕地区呼吉尔特矿区门克庆矿井为工程背景，针对该矿井存在煤层埋深较大，煤层间距较近，顶板含水层高承压、富水性强且极不均一，隔水层薄等开采防治水难题，制定一套系统的防治水技术体系，为门克庆矿井乃至蒙陕矿区深部矿井近距离上下煤层联合开采顶板水害防治提供科学、合理与有效的方法。
门克庆矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗、伊金霍洛旗境内，属于呼吉尔特矿区中部。井田内地层由老至新发育有：三叠系上统延长组(T3y)、侏罗系中统延安组(J2y)、侏罗系中统直罗组(J2z)、侏罗系中统安定组(J2a)、白垩系下统志丹群(K1zh)和第四系全新统(Q4)。侏罗系中统延安组(J2y)为本井田含煤地层，在井田内无出露，根据区域地层资料，地层厚度228.06～323.21 m，平均281.86 m。总体上在井田的中西部地层厚度较大，东南部厚度变小。岩性主要由一套浅灰、灰白色各粒级的砂岩，灰色、深灰色砂质泥岩、泥岩和煤层组成，发育有水平纹理及波状层理，含2、3等5个煤组，与下伏延长组(T3y)呈平行不整合接触。矿井现阶段主要开采2,3煤组，埋深为620～730 m，包括2-1,2-2中、3-1煤层，煤层间距为18～50 m。井田构造形态总体为一北西向倾斜的单斜构造，岩层倾角1°～3°，褶皱、断层发育程度低，2煤组受古河床冲刷影响，南翼2-1煤被完全剥蚀，北翼局部剥蚀，井田内未发现陷落柱、岩浆岩侵入。
矿井设计生产能力12.0 Mt/a，采用立井开拓方式，一次采全厚采煤法，综合机械化采煤工艺，顶板管理采用全部垮落法，矿井首采区为11采区。2个投产工作面沿南北方向分别布置在2-2中煤、3-1煤，其中3-1煤布置一个厚煤层综采工作面、2-2中煤布置一个中厚煤层综采工作面。
根据含水介质、孔隙类型及含水特征等，门克庆井田内主要含水层自上而下可分为第四系全新统风积沙层孔隙潜水含水层、白垩系下统志丹群孔隙潜水-承压水含水层、侏罗系安定组裂隙承压水含水层、侏罗系中统直罗组碎屑岩类承压水含水层、侏罗系中统延安组碎屑岩类承压水含水层、三叠系上统延长组(T3y)碎屑岩类承压水含水层，隔水层主要有侏罗系中统安定组隔水层、安定组底板至2煤组顶板隔水层和侏罗系延安组2煤组底至3煤组顶板隔水层。
综合分析门克庆矿井水文地质条件，认为影响2-2中煤开采的含水层为直罗组砂岩含水层，影响矿井3-1煤开采的含水层为3-1煤顶板延安组砂岩含水层和直罗组砂岩含水层(图1)，直罗组砂岩含水层是矿井主要充水含水层，地层厚度为117.75～219.45 m，平均为157.18 m，含水层出水段累计厚度为11.74～110.69 m，平均67.15 m，含水层厚度约占地层总厚度的21.57%，单位涌水量为0.060 8～0.206 8 L/(s·m)，渗透系数为0.071 7～0.598 2 m/d，地下水化学类型为SO4·HCO3—Na·Mg型水，矿化度2 300～3 100 mg/L。在门克庆井田范围内2煤组顶板砂岩含水层在区域上普遍分布、厚度大、隔水层较薄，表现出富水性强且极不均一的特点。含水层距离2煤组顶板仅0.3～6.0 m，局部地段下部隔水层缺失，井下探放水钻孔测定水压最高达4.8 MPa。含水层富水性强、富水性极不均一，导致顶板水疏放难度较大，且在3-1煤与2-2中煤同采期间，矿井涌水量会因采掘活动的影响而大幅增加，造成矿井涌水异常波动，排水系统压力大，威胁矿井生产安全[13-14]。
图1 门克庆井田3-1煤层顶板含隔水层结构示意
Fig.1 Structure of aquifer and aquifuge of 3-1 coal seam roof in Menkeqing Minefield
井田区孔隙潜水主要赋存在第四系全新统(Q4)风积沙层和第四系更新统(Q3)萨拉乌苏组松散层中。井田区内第四系广泛分布，地下水的补给来源主要以大气降水垂向入渗为主，其次为邻区地下水的侧向径流补给，以及下伏基岩裂隙承压水的越流补给。潜水的径流方向受地形控制，总的径流方向是由北向南或由东北向西南径流。潜水的排泄方式以径流排泄为主，其次是人工开采排泄及地面蒸发等。
井田区承压水主要赋存于白垩系下统志丹群(K1zh)、侏罗系中统直罗组(J2z)以及侏罗系下统延安组(J2y)砂岩中，无基岩出露，地下水的主要补给来源为井田外承压水的侧向径流补给，其次为上覆第四系孔隙水的下渗补给。承压水的径流方向沿地层走向由北向南径流。承压水的排泄以侧向径流排泄为主，其次为人工凿井取水排泄，以及矿井疏干排水等[15-16]。
门克庆煤矿首采区北翼3-1煤工作面面临顶板砂岩水威胁，同时2煤组掘进生产面临疏水难度大、矿井安全难以保障、接续困难、排水系统压力大、掘进效率低、经济效益差等难题，针对上述问题，提出煤层顶板水害立体防控总体思路：
1)通过3-1煤采前疏放水与采后导水裂缝带泄水降低直罗组砂岩含水层水位(图2)，可掩护2煤组的安全掘进与回采，避免了近“探”、近“放”所带来的水害威胁[17]。
图2 顶板疏放孔疏水断面示意
Fig.2 Schematic of drainage section of roof hole
2)坚持以“防”为主，“防”“治”结合的防治水思路：①建立和完善水文观测系统，采用物探和钻探相结合，监测与试验相结合，井上、井下立体探查方式，重点查明3-1煤工作面顶板直罗组含水层的开采水文地质条件，以及古河床冲刷带的含(导)水性和富水情况，探查研究顶板“三带”发育规律和充水含水层富水特征及其与上覆白垩系巨厚层砂岩孔隙裂隙含水层之间的水力联系情况；②进一步优化防治水技术措施，在保障矿井安全的前提下，实现防治水工作、工程与矿井生产接续和经济效益的统一[18]。具体包括：①以预防为主，杜绝恶性突水事故发生。对突水隐患：一是要查清并排除；二是健全排水系统；三是要有可靠的避灾措施；②结合水文地质条件，重点富水异常区分布情况，坚持预先可控疏放至安全标准后渐进回采的原则，实现“消峰平谷”，使顶板水平稳泄出；③有计划、有针对性地进行采区水文地质条件精细调查、勘探和观测工作，分析研究地下水的赋存和运动规律，为防治水工作提供技术依据。
针对门克庆矿井2,3煤组采掘水害问题，在上述总体思路的指引下，提出近距离煤层顶板水害立体防控方案(图3)，该方案通过3-1煤采前疏放水与采后导水裂缝带泄水可保障2煤组巷道掘进与工作面回采中的防治水安全。
图3 近距离煤层顶板水害立体防控技术方案
Fig.3 Stereoscopic prevention and control technology scheme of roof water disaster in contiguous coal seam
分析研究区水文地质条件和矿井充水条件，制定出3-1煤防治水措施，主要内容包括巷道掘进阶段的超前探放水、工作面回采前的分段疏放水、工作面回采中泄水巷泄水以及工作面回采后的采空区自然疏放水等。通过实施这些措施，以达到削峰平谷、煤水分流，实现3-1煤安全生产，同时掩护2煤组的掘进与回采的目的。2煤组后续开采中通过采取巷道掘进阶段和工作面回采前的补充探放水、工作面回采中泄水巷泄水以及工作面回采后的采空区自然疏放水等防治水措施，达到煤水分流、安全生产的目的。在保障矿井安全生产的前提下，结合矿井实际情况，对防治水技术措施进一步优化，以实现矿井防治水与矿井生产接续和经济效益的统一。
1)低位邻面截流、分区防控、层组治理。在对矿井主要充水含水层沉积地质和水文地质条件、地下水流场特征等充分研究的基础上，通过矿井采掘布局调整，按照“断源截流”的思路，根据来水侧方向，将顶板水治理按照“低位邻面截流”模式，实现顶板水的“分区防控、层组治理”。
2)煤层顶板富水区分析、探查与圈定。首先开展顶板含隔水层沉积展布规律分析，初步划分井田富水区，同时采用井下物探方法进行进一步的探查，两者相结合综合圈定工作面顶板富水异常区，井下物探探测时间选择在工作面巷道全部贯通，设备尚未安装时进行。
3)疏放水试验。根据首采工作面具体情况，依据疏放水可疏性评价结果，布置和实施疏放水试验工程，初步确定疏放水的层位和标高，疏放水钻孔布置的间距、倾角、方位角等参数，确定放水时间与疏放水量关系等关键参数，为下一步疏放水工程的正常实施提供依据，并初步预测工作面采后涌水量，为工作面排水系统设置提供依据。
4)疏放水工程方案优化。依据疏放水试验，设计初步的疏放方案，实施顶板水的预疏放，在工作面回采后，根据采后涌水特征，对前一阶段工作面预疏放水成果资料与设计资料进行分析，并对后期持续疏放水工程方案进行不断优化，疏放水的优化工程随井下防治水工作与采掘工程的进行逐步展开[19]。
5)工作面顶板砂岩水分段可控预疏放。通过上述总结与分析，对后续探放水钻孔布置方式及相关参数进行优化调整，由工作面开切眼向回采方向分段开展疏放水。
6)工作面开采防治水安全专项评价。工作面联合试运转前，对前述探查、疏放成果进行总结，对前期疏放水效果进行评价；对工作面采后涌水量进行进一步预测计算，并对矿井、采区、工作面排水系统进行全面评价；进而论证工作面开采可行性。
7)工作面后续探放水工程再优化。随着工作面顶板水探放工程的开展和工作面里段回采，在以采后涌水量、涌水位置、涌水动态过程、采空区涌水水化学特征、井下水压、地面水位、矿压显现规律等数据进行动态监控、实时分析的基础上，将上述数据与前期沉积地质分析、物探探查、涌水量预计结果进行对比，对已回采段开采情况进行总结，进而对工作面外段疏放水工程进行分段再优化，在保证工作面安全回采的同时，最大限度地减少钻探工程量，实现安全效益与经济效益的有效统一。
按照上下煤组顶板水疏放的实施步骤，开展了门克庆矿井3-1,2-2中煤层顶板水害立体防控，具体实施步骤为，先进行上组煤富水性探查工作，把沉积地质分析和富水性探查圈定的富水异常区与异常层段作为上组煤探放水重点区段与层段[20]，待上组煤顶板钻孔疏放及采空区水疏放完毕后，再进行下组煤富水性探查工作，同时通过沉积地质分析和富水性探查工作成果，进一步确定下组煤疏放重点(表1、图4、图5)[21]。
表1 门克庆矿井11-3101、11-2201工作面顶板相对富水异常区平面分布情况
Table 1 Plane distribution of relative water-rich abnormal area in roof of No.11-3101, 11-2201 working face of Menkeqing Coal Mine
11-3101工作面11-2201工作面富水异常区编号富水异常区位置/m 富水性富水异常区编号富水异常区位置/m富水性1距开切眼66～320中等1距离回撤通道220～340 中等2距开切眼350～550中等～强2距离回撤通道380～960 较强3距开切眼650～830弱～中等3距离回撤通道900～1 130 中等4距开切眼983～1 450中等～强4距离回撤通道1 420～1 660 中等5距开切眼1 460～1 950中等～强6距开切眼2 050～2 450中等～强7距开切眼2 500～2 830中等～强
图4 门克庆矿井11-3101工作面富水异常区平面分布情况示意
Fig.4 Plane distribution of water-rich abnormal area in No.11-3101 working face of Menkeqing Coal Mine
图5 门克庆矿井11-2201工作面顶板相对富水异常区平面分布情况示意
Fig.5 Plane distribution of water-rich abnormal area in No.11-2201 working face of Menkeqing Coal Mine
根据以上防控方案和实施步骤，对下煤层3-1煤3101工作面探放水钻孔进行设计。3101工作面顶板探放水工程共设计钻场30个，其中回风巷一侧16个钻场，运输巷一侧14个钻场；共设计钻孔142个，其中回风巷一侧72个，运输巷一侧70个；累积设计钻探进尺25 560 m。一期工程包括H1,H2,H3和Y1,Y2,Y3共6个钻场，30个钻孔，钻探进尺5 400 m。钻孔施工过程中，钻孔数量、相关参数、施工序次需要结合井下已有钻孔、现场施工条件、疏放试验成果、先期钻孔施工情况进行动态调整。
通过对3-1煤富水异常区的探疏，3101工作面顶板水得到有效疏放，达到了疏水降压，削峰平谷的目的，对工作面安全回采起到了关键作用；同时，通过工作面采空区对工作面顶板含水层进行顶板水疏放。门克庆矿井顶板“两带”发育至直罗组底部“七里镇砂岩”，该含水层水通过断裂、垮落带进入采空区，在采空区上方形成疏放漏斗，将降落漏斗内的顶板砂岩水进行有效疏放。门克庆矿井于3101工作面设计施工了一条泄水巷，专门用于辅助工作面采空区放水，并配备盘区水仓。巷道内布设4趟ø325排水管路，其中一趟用于收集采空区清水。采空区水经过工作面联巷防火防水闭墙预留泄水管内流出，通过预留ø325排水管路排入井底车场清水仓。
自2016年6月开始3101工作面开展顶板疏放水，2016年10月，该工作面开始回采。截至2019年7月，该工作面顶板水持续疏放，累计疏放水量达2 659.3万m3。累计疏放量及疏放水时间关系曲线如图6所示。
图6 门克庆矿井3101工作面累计疏放水量与疏放时间关系
Fig.6 Relationship curve between cumulative drainage volume and drainage time of No.3101 working face in Menkeqing Coal Mine
3101工作面位于2201工作面的西侧，3101工作面顶板水的疏放可以起到在来水方向减少2201工作面顶板砂岩水的补给，达到对其进行疏水降压的效果。
通过3101工作面回采及顶板疏放水，2201工作面顶板水压有所下降，尤其在工作面开切眼附近，由于其隔水层较薄，顶板砂岩水延巷道顶板裂隙不断下渗，2018年1月，对巷道超前探阶段施工的顶板孔水压、水量进行了再统计，统计数据具体见表2。22SF1-4孔在水量大幅衰减的情况下水压变化较小，在排除堵孔的情况下，分析其产生的原因主要有2点：①该孔为巷道开口施工的第1组超前探钻孔，上覆顶板含水层处于相对完整状态；②该孔终孔层位所达到的含水层与上覆含水层水利联系较强，原含水层静储量水疏放后，仍受到上覆含水层持续的补给，导致水压未出现明显下降的情况。
表2 门克庆矿井2201工作面超前探放水顶板钻孔水量、水压对比
Table 2 Water amount and pressure comparison of roof drainage borehole in 2201 working face of Menkeqing Coal Mine
孔号初始水量/(m3·h-1)疏放后水量/(m3·h-1)初始水压/MPa疏放后水压/MPa22SF1-4263.82.52.022SF2-4259.62.50.522SF4-43602.402201SH6-4308.03.21.02201SH4-415已封闭2.91.22201 H2-44015.03.22.2
通过2016年巷道掘进阶段顶板含水层探查孔与2018年1月探查孔水量水压的对比分析如下：①钻孔的水压、水量都有不同程度的降低，说明提出的先开采下层3-1煤，通过其钻孔疏放水及采空区水疏放，待直接充水含水层水量、水压被疏降至可以保证2-2中煤顺利回采时，再开采上层2-2中煤的水害防治方案，达到了初步效果。②2201工作面顶板含水层水量、水压已下降，可进一步优化设计顶板疏放水钻孔，把沉积地质分析和井下瞬变电磁探测物探圈定的富水异常区与异常层段作为探放水重点区段与层段，形成顶板相对富水异常区平面图分布情况示意及疏放钻孔布置如图7和表3所示。
图7 门克庆矿井11-2201工作面顶板相对富水异常区平面图分布情况疏放钻孔布置
Fig.7 Plane diagram distribution of No.11-2201 working face roof relative water-rich anomaly area in Menkeqing Coal Mine and layout of drainage boreholes
表3 门克庆矿井11-2201工作面顶板相对富水异常区平面分布及钻孔施工情况
Table 3 Plane distribution and drilling construction of relative water-rich abnormal area in roof of 11-2201 working face of Menkeqing Mine
A富水异常区编号富水异常区位置/m孔号终孔水量/(m3·h-1)终孔水压/MPa1距开切眼1 330～1 4002距开切眼970～1 1703距开切眼750～9604距开切眼610～720TH1-118.02.4TH1-217.02.1TH2-16.01.6TH2-217.02.1TH2-318.02.4TH4-312.00.9TH8-39.01.0TH4-111.01.2TH4-212.01.1TH8-15.10.4TH8-26.00.35距开切眼220～460TH3-332.00.9TH7-120.00.6TH7-218.00.4TH7-318.00.86距开切眼70～160TH3-124.00.7TH5-211.20.67距开切眼0～40TH3-246.00.88距开切眼220～460TH6-112.00.7TH6-216.00.8TH6-313.00.8
针对深部侏罗纪煤田近距离煤层能否安全回采，其关键因素就是疏放水工作是否达到安全标准，以及工作面及矿井排水系统能否达到预测涌水量的要求。通过建立单孔涌水量、钻孔水压力、静储量3条评价指标，对3101,2201工作面安全回采对评价方法的进行了有效性验证。
1)单孔涌水量。水量稳定，24 h内，涌水量波动幅度不超过10%。其目的是将工作面顶板含水层静储量疏放彻底，使钻孔涌水主要来源为工作面顶板含水层动态补给量。
2)钻孔水压力。其主要目的是将工作面顶板含水层由高承压含水层疏降至不承压状态，即将顶板含水层水头疏降至含水层顶板以下。
3)静储量。本项指标评价的原则为，将工作面顶板含水层静储量疏放干净，达到“消峰平谷”的目的，有效减小采后涌水量；评价方法有2种，第1种为判定钻孔涌水量是否达到了稳定状态，第2种方法为对比预测的静储量与实际疏放的静储量，看静储量是否被疏放干净。
1)蒙陕深部侏罗纪近距离煤层3-1煤层回采后，位于导水裂缝带发育范围内的3-1煤顶板延安组砂岩含水层、2-2中煤顶板延安组砂岩含水层和直罗组一段砂岩含水层为工作面直接充水含水层。2-2中煤层工作面回采后，位于导水裂缝带发育范围内的直罗组底部砂岩含水层为工作面直接充水含水层；直罗组一段砂岩含水层是上下煤组(3-1,2-2中煤)共同的直接充水含水层。
2)针对侏罗纪深部煤田近距离煤层呈现的含水层高承压、富水性强且极不均一、隔水层薄的赋存特征，按照“低位邻面截流、分区防控、层组治理”的思路，采取上下煤层结合综合精细探查、统筹兼顾、优化探放水钻孔布设，探索了以区域和煤组为单位大范围治理顶板水害的模式，避免了近“探”近“放”所带来的水害威胁。
3)针对蒙陕矿区高承压含水层下近距离煤层能否安全回采的关键因素就是疏放水工作是否达到安全标准，研究通过建立单孔涌水量、钻孔水压力、静储量3条评价指标，并且通过门克庆矿井3 101,2201工作面安全回采对评价方法的有效性进行了验证。
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