“煤-水”双资源型矿井开采技术方法与工程应用

武 强，申建军，王 洋

(1.中国矿业大学(北京)，北京 100083;2.国家煤矿水害防治工程技术研究中心，北京 100083)

“煤-水”双资源型矿井开采技术方法与工程应用

武 强1,2，申建军1,2，王 洋1,2

(1.中国矿业大学(北京)，北京 100083;2.国家煤矿水害防治工程技术研究中心，北京 100083)

编者按 随着我国煤炭工业战略西移，西北干旱半干旱富煤、缺水矿区采煤导致的含水层结构变异及诱发的生态环境问题，越来越多的受到关注。针对这一问题，1992年我国地质科技工作者提出了保水采煤问题，1995年首次使用“保水采煤”一词。20多年来，地质、采矿、生态环境等领域的科技工作者，围绕保水采煤问题进行了多角度探索和研究，初步建立了保水采煤技术体系，工程实践获得重要进展。本期第2～27篇论文基于国家973计划、国家自然科学基金等项目支持，展示了保水采煤的科学进展和思考，阐述了煤-水双资源型矿井的开采理念和技术，厘定了保水采煤的概念和科学内涵，阐述了保水采煤基础理论进展，研究了西北沙漠矿区植被发育与地下水的关系、采动植被损伤机理与控制技术。针对保水采煤的关键技术如浅埋煤层岩层控制、导水裂缝带发育高度控制及探测监测技术、采动岩层与地下水变化的高精度测量技术、基于含水层结构保护的隔水层再造技术、充填保水采煤技术及应用、保水采煤区水资源漏失量计算等进行了多角度探索与论述，研究区域涉及我国西北、华北煤矿区。本期“保水采煤的理论与实践”专题是我国期刊首次集中展示保水采煤领域的科技创新成果与进展，希望有益于完善保水采煤技术体系、促进矿区生态文明建设。

由于我国东、西部地区煤-水资源呈逆向分布，为解决煤炭资源安全绿色开发、水资源供给、生态环保之间的尖锐矛盾和冲突，实现煤矿区水害防治、水资源保护利用、生态环境改善的多赢目标，在阐述“煤-水”双资源型矿井开采概念与内涵的基础上，提出了根据矿井主采煤层的具体充水水文地质条件优化开采方法和参数工艺、多位一体优化结合、井下洁污水分流分排、水文地质条件人工干预、充填开采等“煤-水”双资源型矿井开采的技术和方法。以蔚县矿区兴源矿为工程背景，提出了松散含水层下薄基岩区房式保水开采方案，建立了煤房“固支梁”力学模型，提出了基于让压理论的煤柱设计方法，修正了屈服煤柱上覆载荷计算公式。结果表明：主关键层的存在和稳定扩大压力拱的形成是屈服煤柱设计的关键，且屈服煤柱具有足够的强度支撑扩大压力拱下方的覆岩重量；采5留4、采5留5、采6留5等方案具有可靠的安全系数。

双资源型矿井；保水采煤；多位一体优化结合；压力拱；屈服煤柱

据《中国矿产资源报告》(2015)，截止2014年底，我国查明的煤炭资源储量为1.53万亿t，另据《中国国土资源公报》(2016)，2015年煤炭勘查新增查明资源储量375.4亿t，同时我国原煤产量已连续多年居世界第1位。我国煤炭资源储量虽然丰富，但是，煤炭资源与水资源呈逆向分布，存在“有煤的地方缺水，有水的地方缺煤”的局面。另外，我国煤矿床充水条件极为复杂，使得大部分矿区面临着水害威胁、水资源紧缺与生态环境恶化等问题[1-3]。

随着我国华北地区深部及西北地区煤炭资源的开采，这些问题及其产生的环境负效应更加突出，具体表现为[4]：① 矿井水害。人为疏干和采动裂隙对含水层的自然疏干增加矿井涌水量及排水费用；灾害性突水由于排水能力不足造成人员伤亡和财产损失；② 当地供水。大量疏排水导致地下水位大幅度下降，地下水降落漏斗范围不断扩大，造成矿区及周围地区人畜饮用水和灌溉用水短缺；③ 矿区生态环境。采煤引起的地下水位及流场改变、地表河水断流、地下与地表水体污染等问题使矿区生态环境遭到严重破坏。

随着社会对环境的重视，煤炭资源的开采需由过去的粗放、无序、污染向高效、安全、绿色方向转变，尤其在受水资源和生态环境约束的矿区，若想保证安全采煤、满足水资源需求及减缓矿区生态环境破坏，绿色开采中的保水采煤是未来必然的发展趋势[5-8]。针对华北缺水、大水矿区及西部生态脆弱矿区，我国学者开展了大量的研究工作，不断发展和完善保水采煤方法及内涵。范立民等认为在我国西部缺水矿区，应通过合理布局和科学开采，使煤炭开采、水资源保护与生态环境安全协调发展，结合陕北侏罗纪煤田地质条件提出了开采区域评价方法和采煤方法等实现“保水采煤”的途径[9-10]；武强等论述了双资源煤矿井建设与开发的理念，提出矿井地下水控制、利用、生态环保“三位一体”优化结合、井下涌水清污分流、地表与地下联合疏排和矿井水资源化等“煤-水”双资源矿井建设的具体技术方法[11]；白海波等基于绿色开采理念和采动岩体渗流理论，提出煤与水共采的观点，利用潞安矿区奥陶系顶部隔水层，成功实施矿井水资源化利用和煤与水共采[12-13]；白喜庆等以峰峰矿区为工程背景，通过科学设计矿井布局，在径流带建供水水源地，根据地下水水位、流场及泉流量动态变化，控制地下水排放量和人工开采量，达到矿井防治水与岩溶地下水保护利用的目标[14]。

笔者在“煤-水”双资源型矿井开采内涵思想的指导下，提出根据矿井主采煤层具体充水水文地质条件优化开采方法与参数工艺、多位一体优化结合、井下洁污水分流分排、水文地质条件人工干预、充填开采等技术和方法，并以蔚州矿区兴源矿为例，提出松散含水层下薄基岩区房式保水开采方案，研究基于“固支梁”和让压概念的煤房煤柱宽度设计理论。

1 “煤-水”双资源型矿井开采概念与内涵

“煤-水”双资源型矿井开采概念：在确保矿井生产安全、水资源保护利用、生态环境质量的前提下实施的开采技术和方法，以达到水害防控、水资源保护利用与生态环境保护三位一体结合系统整体最优的目的。

“煤-水”双资源型矿井开采内涵(图1)：在煤炭资源开发中，将地下水视作资源，通过合理的开采技术方法，不仅消除其“灾害属性”的负效应，通过将矿井水资源化利用，挖掘其“资源属性”的正效应，同时尽量避免破坏扰动与煤系同沉积的含水层结构，达到煤炭和水的“双资源”共同开发与矿区生态环境保护的协调、可持续发展目的，最终实现煤矿区水害防控、水资源保护利用、生态环境改善的多赢目标。

图1 “煤-水”双资源型矿井开采技术内涵

2 技术方法

2.1 优化开采方法和参数工艺

我国长壁式采煤技术非常成熟，已经达到世界先进水平，且随着综采综放成套技术及配套设备的发展，我国建成了多个年产千万吨级大型高产高效矿井。近年来，6.3 m大采高工作面和300,360,400 m超长工作面分别得到广泛应用，7.0 m超大采高在神东矿区实现了多个工作面的回采，国内首个450 m超长工作面在哈拉沟煤矿也已试验成功[15-16]。长壁大采高采煤法具有煤炭损失少、单产高、采煤系统简单、对地质条件适应性强等优点，极大的促进了煤炭工业的快速发展，满足了国民经济建设和人民生活需要，是我国采用最为普遍的一种采煤方法，但是这种长壁大采高采煤法是在对环境扰动不重视的情况下发展起来的，大规模、高强度的开采对上覆岩层及地表破坏相当大，对含水层结构、地下水系统和生态环境造成了巨大的影响，是一种牺牲水资源和生态环境为代价的采煤法。

短壁式采煤法是以短工作面为主要特征，设备投资少，出煤快，矿山压力显现较弱，短壁采煤法对上覆岩层破坏规模、导水裂隙带高度、地表下沉程度的影响均减小[17]；限高开采或分层间歇开采是一种控制采厚的采煤方法，其覆岩的垮落带高度和裂隙带高度比一次采全厚要小很多，对含水层下安全采煤十分有利。由于短壁采煤法、限高开采或分层间歇开采效率相对较低、采区采出率相对较低等缺点，在以往单纯追求煤炭开采效率情况下一直不受重视。

依据煤炭开采的完全成本核算观点而言，长壁大采高采煤法是高效率但是低效益，短壁采煤法、限高开采或分层间歇开采是高效益低效率，企业最终追求目标是可持续的高效益；从煤炭开采的系统论观点而言，系统最终准求的是整个开采系统总体效益最优，而不是系统中某个子系统效益最优，煤炭企业最终准求的是总体效益最大化。因此，当长壁大采高采煤法无法保障控水采煤时，将其优化为高效益短壁式采煤法(如短壁、条带、房式/房柱式等开采方法)或限高开采或分层间歇开采，在某些条件下又能焕发出新的生命力，不失为一种好的方法。

根据主采煤层的具体充水水文地质条件，动态优化开采方法和参数工艺。“三图-双预测法”对天然状态水文地质条件下控水采煤评价预测、分区方案制定和优化采煤方法与参数工艺的重要技术支撑手段。首先采用一次采全高综采或综放开采进行评价分区，圈定不宜开采区域，对于安全区可直接进行开采，对于危险区可减小采高实行限高开采或分层开采，重新进行分区评价，若仍不满足安全需求，可采用短壁式采煤法实现“煤-水”双资源型矿井开采，如图2所示。

图2 基于“三图-双预测法”的采煤方法选择流程

2.2 多位一体优化结合模式

根据矿井具体的充水水文地质特征，选择可协调解决煤炭资源安全开发、水资源保护利用、生态环保之间尖锐矛盾与冲突的多位一体优化结合模式。

对于有突(涌)水危险的煤层，若不采取短壁式开采或充填开采，则需进行必要的地下水疏排，而我国大型煤炭基地主要处于水资源供需矛盾较为突出的地区，14个大型煤炭基地中有11个基地处于干旱、半干旱地区[18]，生态环境脆弱传统的疏降强排加剧了水资源危机。据统计，2012年全国煤矿每年实际排水量达71.7亿m3，平均吨煤排水量达2.0～4.0 m3，有些煤矿利用率仅为20%～30%，直接将污水白白排到河流，造成水资源浪费和水污染[19]。对于煤矿而言，矿井水外排还需缴纳水资源费和排污费，增加了吨煤成本。

国家能源局等部门在《关于促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见》中提出，到2020年，在水资源短缺矿区、一般水资源矿区、水资源丰富矿区，矿井水或露天矿矿坑水利用率分别不低于95%,80%,75%。2015年国家颁布的《水污染防治行动计划》(“水十条”)也明确指出：“推进矿井水综合利用，煤炭矿区的补充用水、周边地区生产和生态用水应优先使用矿井水，加强洗煤废水循环利用”。因此，矿井水的资源化利用日益受到煤矿企业、环保部门和地方政府的高度重视，是今后水资源短缺矿区缓解供水紧张、减轻环境污染的必然趋势。

(1)矿井水排、供、生态环保“三位一体”优化结合

对于具备可疏性矿井，宜采用矿井排水、供水、生态环保“三位一体”优化结合模式，其实质是将矿井疏排水经过分级处理后，全部或部分用来代替矿区和当地正在运行中的供水水源井。“三位一体”优化模型在保证地下水压力疏降到安全开采标高且满足矿区一定的需水量但不引起其环境质量降低的条件下，以寻求不同供水目的所获得最大经济效益为优化目标，具体可通过以下措施：

① 井下疏放水采用专门疏水巷、回采巷道超前疏干和探放水等疏降方式。

② 采用井下排水和地面抽水联合疏降，以丰水期最大涌水量作为设计供水量。地面抽水目的是解决因井下突发性事故引起的井下停排造成的水源中断或因枯水期造成的供水缺口等问题。

③ 在对矿井水疏降较为有效的地下水系统的某些补给部位，建立能够保证生态环境质量的各种用途的供水水源地，预先截取补给矿井的地下水水流。

(2)矿井地下水控制、利用、生态环保“三位一体”优化结合

对于可疏性差矿井，宜采用矿井地下水控制、利用、生态环保“三位一体”优化结合模式，其实质是在对补给矿井地下水实施最大限度控制、最大限度减少矿井涌水量的基础上，将有限的矿井排水分质处理后最大化加以利用。通过对矿井水实施有效控制和利用，防止地下水水位大幅下降和水资源浪费，避免矿区生态系统恶化。

矿井地下水控制措施包括：① 留设防水煤岩柱；② 增强隔水层的隔水能力，如煤层顶底板注浆加固、注浆封堵导水通道等；③ 降低导水裂隙带发育高度，如实行限高开采或厚煤层分层开采，也可在第四系强富水含水层下对煤层覆岩实施局部轻微爆破松散或注水软化；④ 帷幕注浆，隔离开采区域；⑤ 建立地面浅排水源地，预先截取补给矿井的地下水流；⑥ 建立水源井预先疏排诸如强径流带等地下水强富水地段等。采取控制措施后矿井排水量大大减少，且污水所占比例较大，可分级处理后进行资源化综合利用，如图3所示。

图3 矿井水处理与资源化综合利用

许多缺水矿区和大水矿区煤矿将矿井水作为第2资源进行开发利用，如蔚州矿区北阳庄煤矿的矿井排水除满足矿区生产生活用水需求外，还可满足电厂(在建)用水需求；山东华泰矿业通过井下处理使矿井水达到了饮用水标准，井下工人可直接饮用，矿井水排到井上除自身矿区使用外，还供给市区和莱芜电厂使用；锦界煤矿涌水量达3 200 m3/h以上，最大涌水量达5 499 m3/h，通过成立专门水务部门，负责处理、管理、分派水资源，采用井下清污分流和地面污水处理，以供水管网、农业灌溉、人畜饮用、工业用水等方式实现了矿井水资源零浪费。矿井水的分质处理与分级利用，可以减少深井水的开采量，节约地下水资源，保护矿区地下水和地表水的自然平衡，有效缓解“水源型缺水”和“水质型缺水”问题。

(3)矿井水控制、处理、利用、回灌与生态环保“五位一体”优化结合

对于具备回灌条件的矿井，可采用矿井水控制、处理、利用、回灌、生态环保“五位一体”优化结合模式，其实质是采取各种防治水措施后，将有限的矿井排水进行水质处理后，最大限度的在井上井下利用，最后将剩余的矿井水补充到具有足够厚度和透水性的不影响矿井安全生产的含水层，防止地下水水位下降。统一规划矿井水“五位一体”优化管理模型，从水文地质条件、水质、施工方案等方面进行调研和技术论证，是实现矿井废水零排放的有效途径，既保护了当地生态环境，同时也实现了煤矿的绿色开采。

2.3 井下洁污水分流分排技术

根据矿井水形成类型，西北地区矿井水大部分为顶板基岩裂隙水及松散层水，华北地区大部分为底板灰岩水，其他地区的出水点也都比较集中，分散的矿井水相对较少，在井下涌水量大的集中出水点和疏放水处，洁污分流工程容易实施。

在集中出水点和疏放水处，修建专门洁净水排水沟或管路，将洁净矿井水由工作面集中汇入到专门修建的洁净水仓，专门的排水沟和水仓按照饮用水工程标准进行设计和施工，并设置排水沟盖板，避免洁净水在井下输送过程中受到任何污染，最后通过洁净水泵房排到地面。洁净矿井水未被污染，与含水层地下水原始水质相同，pH为中性，低浊度，低矿化度，不含有毒、有害离子，可直接或经过简单的消毒处理后作为生活饮用水和农业灌溉用水；而矿井污水则分流至污水仓，经过混凝、沉淀后通过污水泵房排到地面污水处理站，处理后可满足对水质要求低的工业用水需求。

2.4 水文地质条件人为干预

人为对水文地质条件实施干预也是保水开采的重要技术，主要措施包括：① 隔水层注浆加固和改造技术。当充水含水层富水性强且水头压力大时，或在煤层薄隔水层带、构造破碎带、导水裂隙带，隔水层加固的注浆方法实属上策；② 局部富水区注浆。将水分散到导水裂隙带波及不到的区域，把富水区改造为弱富水区或隔水层。

2.5 充填开采

充填开采是一种利用井上/井下矸石、炉(矿)渣、粉煤灰、尾砂、建筑垃圾等固废材料充填采空区解放呆滞煤炭资源的绿色开采技术[20-21]，如图4所示。对受水害威胁煤层实施充填开采，可以控制上覆岩层破坏与地表移动变形及处理固体废弃物，在保护水资源和生态环境的同时，又能消除水害威胁[22-23]。针对局部开采方法资源采出率低的缺点，可以采用充填开采回收留设的煤柱。

图4 充填开采技术

充填开采需要专门的设备设施和足够的充填材料，工艺复杂，降低了生产效率，初期投资大，增加了吨煤成本。2013年国家能源局、财政部、国土资源部及环保部联合印发了《煤矿充填开采工作指导意见》，旨在促进安全有保障、资源利用率高、环境污染少、综合效益好和可持续发展的新型煤炭工业体系建设，但是受煤价下滑影响，充填开采的推广受到一定的限制，需要国家政策的引导和扶持。对于“三下一上”煤炭资源开采，“以矸换煤”充填开采将是今后“煤-水”双资源型矿井开采的发展方向。

3 工程应用

笔者以蔚县矿区兴源矿为例，提出松散含水层下薄基岩区房式保水开采方案，该案例属于“煤-水”双资源型矿井开采技术与方法中优化开采方法与参数工艺的工程应用，通过煤房煤柱宽度设计理论，研究房式开采对顶板覆岩破坏的基本特征，旨在不进行疏放水的前提下解放新生界松散层水体下部分煤柱，进而实现“煤-水”双资源型矿井开采。

3.1 工程背景

兴源矿6号煤倾角2°～5°，平均3°，厚度2.5～3.0 m，在井田南部含1层厚度0.25～0.78 m的泥岩夹矸。煤层顶板岩性为泥岩、粉砂岩、细砂岩，底板岩性为粉砂岩、细砂岩及泥岩。四采区南部基岩厚度30～55 m，松散层厚度140～245 m，松散层下段砂砾石含水层厚度7.50～34.30 m，岩性为粗砂、砾石及砾卵石，通过补勘施工的兴补1孔得该段抽水试验单位涌水量1.746 L/(s·m)，渗透系数为5.832 m/d，水位标高1 017.698 m。水质类型为HCO3-Ca-Mg型，矿化度小于0.5 g/L。该含水层富水性弱—中等，在古河道部位富水性强。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中规定，水体采动等级为I级，不允许导水裂隙带波及到水体，而6号煤顶板基岩厚度小于导水裂隙带高度，不适合采用长壁采煤法，只有优化开采方法与参数工艺才能实现安全采煤。

煤层开采后，顶板上覆水体是否能构成开采的威胁，关键在于含水层富水性及导水裂隙带发育高度，覆岩破坏一旦波及到强含水体，就会导致水体溃入井下，若开采后顶板覆岩的裂隙带发育高度触及不到强含水体，则采煤就是相对安全的。从这个意义上讲，水体需作为一个整体加以保护，回采时应严格控制覆岩破坏高度，因此，笔者提出采用房式采煤法解放新生界松散含水层下薄基岩区6号煤呆滞资源，实现“煤-水”双资源型矿井开采。

3.2 房式开采煤房宽度设计

在煤层中开掘巷道或煤房后，顶板岩层被巷道或煤房两侧煤柱支撑，形成类似“梁”的结构。根据两侧煤柱对顶板岩梁的约束条件，顶板岩梁按“固支梁”进行分析，力学模型如图5所示。

图5 固支梁力学模型

图5中A点为坐标轴原点，梁厚度为h，跨度为L，受均布载荷q，Fs为剪力，M为弯矩。

根据力学公式可知，确保岩梁不因跨度中央最大拉应力超过其抗拉强度破坏的极限跨距为

式中，σt为顶板岩梁岩层抗拉强度，MPa；F为安全系数，一般取2～4。

取q=γh=0.69 kg/cm2，σt=0.9 MPa，h=2.85 m，F=4，按“固支梁”理论计算煤房的极限跨度为7.28 m，因此，确定煤房设计宽度为5 m或6 m。

3.3 基于让压理论的煤柱宽度设计

煤柱主要用来支撑上覆岩层自重和保护巷道或煤房的完整性，以及控制地表沉陷，由于煤柱宽度设计不合理，就有可能引起煤柱失稳。对于新生界松散层水体下采煤，煤柱失稳造成上覆岩层破坏，进而形成溃水溃砂事故，如图6所示，6408工作面基岩厚度35～42 m，按采6 m留3 m开采，二开切眼开采到45 m位置时5号采房顶板初次来压后发生涌水，初期水量30 m3/h，后期稳定水量13 m3/h，之后三开切眼采用采5 m留5 m方式回采，未发生顶板涌水情况。因此，研究煤柱强度和煤柱载荷的计算方法，合理的确定煤柱宽度，对于确保煤柱的稳定性具有重要的意义，笔者基于屈服煤柱的力学特性，并在传统的安全系数设计理念中引入压力拱理论，提出了房柱式保水开采煤柱设计方法。

图6 煤柱失稳导致顶板溃水示意

不同用途的煤柱尺寸和所需要保持稳定的时间不相同，其力学机理和上覆载荷分布规律也不相同，不同类型煤柱上的应力分布如图7所示。

图7 不同类型煤柱上的应力分布(Syd S.Peng，有改动)

刚性煤柱中间存在一个稳定的核区，在整个服务年限内煤柱来支撑载荷，而屈服煤柱不是在任何阶段都要抵抗和承受载荷，而是随着载荷增加，在适当的时间和变形速率下发生屈服，但是在一定的时间内煤柱是稳定的，不会发生失稳破坏[24-26]。因此，从应力状态和资源采出率考虑，屈服煤柱更适合于房式开采。

受开采活动影响，煤柱上的应力重新分布，在支承压力作用下，煤柱边缘出现塑性区逐渐屈服，屈服区宽度计算公式[27]为

式中，M为煤柱高度，m；β为屈服区与核区界面处的侧压系数，由于该界面处于临界弹性状态，侧压系数一般等于煤体的泊松比，取0.25～0.40；d为开采扰动因子，d=1.5～3.0；c为煤层顶底板接触面的黏聚力，MPa；φ为煤层与顶底板接触面的摩擦角，(°)；σzl为煤柱极限强度，MPa。

将M=2.5～3.0 m，β=0.3，d=1.5，c=2.5 MPa，φ=28°，σzl=10 MPa代入式(2)中，计算得煤柱单侧屈服区宽度为2.2～2.6 m，因此，若煤柱宽度小于等于双侧屈服区宽度，则待下一个煤房开采后，屈服区将贯通整个煤柱，煤柱整体处于塑性状态，此时煤柱由两侧松弛区和中间塑性区组成，中间弹性区的宽度为0。煤柱两侧松弛区承受的垂直应力小于原始应力；煤柱塑性区的垂直应力随着与采掘空间之间距离的增加而增加，到达煤柱中心时达到峰值，煤柱呈“拱形”应力状态，如图8所示。

图8 两侧采空煤柱“拱形”应力状态

支承压力叠加导致煤柱中心承受的垂直应力大于其极限破坏强度，煤柱发生屈服和破坏，但此时煤柱不一定失稳，即屈服不一定破坏，破坏不一定失稳。由于屈服煤柱的让压力学特性，上覆岩层变形下沉，与上部较硬关键层产生离层，当煤柱让压、载荷通过顶板或底板转移到相邻支承压力带时，压力拱便已形成，如图9所示。

图9 压力拱与屈服让压煤柱作用机理

压力拱形成后，屈服煤柱支撑的载荷为拱下方的覆岩自重，压力拱稳定时，其上覆载荷亦趋于稳定，煤柱变形破坏转为随时间的蠕变。由于“煤柱受压—让压变形—覆岩下沉—离层—应力传递转移”这一过程的不断演化，压力拱不断扩大，如图10所示。

图10 回采阶段压力拱演化过程

因此，综上分析，笔者结合前人已有的研究成果提出煤柱稳定性评价体系具备以下3点：

① 煤柱屈服区宽度和煤柱宽度要匹配，避免临界煤柱的出现，否则会导致煤柱高应力集中，引起煤柱突然失稳破坏，不利于扩大压力拱的形成；

② 覆岩中存在主关键层，上覆岩层在变形过程中能够产生离层，进而形成所需要的稳定压力拱，压力拱支撑拱上方的覆岩自重；

③ 屈服煤柱具有足够的强度支撑压力拱下方的覆岩自重，压力拱应为整个区段回采完之后形成的最大稳定压力拱。

由于煤柱载荷和强度确定方法存在不确定性，而安全系数在工程中可用来解释不确定因素，即

式中，F为安全系数，煤柱的安全系数越大，破坏失稳的概率越低，建议安全系数为1.3～5.0，一般为1.5～2.0；σp为煤柱强度；σa为作用在煤柱上的载荷。

根据普式压力拱理论，压力拱高度计算公式为

其中，f为普氏系数，取为2；W0为工作面斜长，取100 m；h0为采高，取3.0 m；θ为岩体的内摩擦角，取30°。经计算，最大压力拱高度为25.9 m。

根据辅助面积法和压力拱理论，修正的煤柱载荷计算公式为

其中，γ为上覆岩体平均容重，取25 kN/m3；H′为最大压力拱高度，取25.9 m；Re为采出率，Re=Wo/(Wo+Wp)，Wo,Wp为煤房、煤柱宽度，m。

煤柱强度采用Obert-Duvall线性计算公式：

或采用Bieniawski-Hairton非线性计算公式：

式中，σm为现场极限立方煤体强度，σm=0.235 7σc，σc为煤体单轴抗压强度，MPa；h1为煤柱高度，m。

考虑到采出率和安全性，建议采用的安全系数F为1.3～2.0。在开采过程中，若先期方案煤柱失稳，采空区涌水量增加，应封闭本块段，在下一个块段换一个安全系数更大的开采方案。工作面采煤工艺为爆破落煤，2JPB-30型耙矿绞车装煤，SGB-620/40T刮板输送机运煤、DSJ-800型带式输送机运输，后期进一步优化为连续采煤机开采。通过房式开采已顺利实现6408工作面、6号煤残采工作面等安全回采，回采期间煤柱未发生失稳现象，采空区涌水量没有明显增加。

表1 不同方案煤柱安全系数

Table 1 Safety coefficient of pillar

方案采出率Re煤柱载荷σa/MPa煤柱强度σp/MPa安全系数采5留30.631.932.071.1采5留40.561.622.211.4采5留50.501.422.381.7采6留30.672.162.071.0采6留40.601.782.211.2采6留50.551.582.381.5

4 结 论

(1)“煤-水”双资源型矿井开采概念是在确保矿井生产安全、水资源保护利用、生态环境质量的前提下实施的开采技术和方法，以解决煤炭资源安全绿色开发、水资源供给、生态环保之间的尖锐矛盾和冲突，实现煤矿区水害防治、水资源保护利用、生态环境改善的多赢目标

(2)“煤-水”双资源型矿井开采内涵是在煤炭资源开发中，通过合理的开采技术方法，不仅消除地下水“灾害属性”的负效应，同时挖掘其“资源属性”的正效应，尽量避免破坏扰动与煤系同沉积的含水层结构，达到煤炭和水的“双资源”共同开发与矿区生态环境保护的协调、可持续发展目的。

(3)提出了根据矿井主采煤层的具体充水水文地质条件优化开采方法和参数工艺、多位一体优化结合、井下洁污水分流分排、水文地质条件人工干预、充填开采等“煤-水”双资源型矿井开采的技术和方法。

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Mining techniques and engineering application for “Coal-Water” dual-resources mine

WU Qiang1,2，SHEN Jian-jun1,2，WANG Yang1,2

(1.ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China;2.NationalEngineeringResearchCenterofCoalMineWaterHazardControlling,Beijing100083,China)

Due to the reverse distribution of coal and water resources in Eastern China and Western China,the mining techniques and methods were proposed based on the concept of mining for “Coal-Water” dual-resources mine,which elaborated optimization of mining method,parameters and mining technology,optimization and combination of multinity,underground separation discharge of clean water and sewage,intervention of hydrogeological condition,filling mining based on the specific filling-water hydrogeological conditions of main mineable coal seam in order to address the problem of security and green development on coal resources,the supply of water resources,the sharp contradictions and conflicts between ecological balance and environmental protection;and realize the targets on controlling and protecting water inrush,the protection and utilization of water resources,and the improvement of ecological environment.A case study in Xingyuan coal mine of Yuxian mining area was carried out and analyzed.The mining method for the coal seam under the unconsolidated aquifer with thin bedrock and the mechanical model of clamped beam were established,and the author presented the design method of coal pillar based on the yielding theory and amended the calculation formula of load overlying coal pillar.The results show that the key to the yielding pillar design is the existence of main key stratum and formation of stable expansion pressure,and the strata weight under expanding pressure arch was supported by the yielding pillar with enough strength.The safety coefficient is larger under the following three conditions:room 5 m,while pillar 4 m;room 5 m,while pillar 5 m;and room 6 m,while pillar 5 m.

dual-resources mine;coal mining under water-containing;optimization and combination of multinity;pressure arch;yielding pillar

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5032

2016-09-30

2016-11-09责任编辑:韩晋平

“十三五”国家重点研发计划资助项目(2016YFC0801801)；国家自然科学基金资助项目(41572222，41430318)

武 强(1959—)，男，内蒙古呼和浩特人，中国工程院院士。E-mail:wuq@cumtb.edu.cn。通讯作者：申建军(1987—)，男，山东德州人，博士研究生。E-mail:shenjianjun11987@163.com

TD823;TD745

A

0253-9993(2017)01-0008-09

武强，申建军，王洋.“煤-水”双资源型矿井开采技术方法与工程应用[J].煤炭学报,2017,42(1):8-16.

Wu Qiang，Shen Jianjun，Wang Yang.Mining techniques and engineering application for “Coal-Water” dual-resources mine[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):8-16.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5032