“八位一体”闭环式煤矿顶板水害管控模式的构建与应用

刘清宝，丁 湘，冯 洁，张 坤

“八位一体”闭环式煤矿顶板水害管控模式的构建与应用

刘清宝1，丁 湘2，冯 洁2，张 坤2

(1. 中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054；2. 中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)

煤矿水害防治是矿井安全管控的重点之一，但缺乏全面、系统、可控的技术管理手段，制约着煤炭资源的安全高效开采，为了科学、有效地指导煤矿水害防治工作，以鄂尔多斯盆地深部煤矿顶板水害为例，运用系统工程与闭环式管理的理论体系，提出了“立体探查、预测预报、追踪探放、分段疏降、采前评价、阶梯排水、监测预警、总结优化”的顶板水害闭环式管控模式，该模式涵盖了水文地质条件探查、水害预测、顶板水疏排、水害监测预警等全过程的管理、控制，形成了从水害治理效果到水害防治过程中每个阶段的反馈通路，组成一个水害防治闭合回路，保障了防治水工作有据可依、偏差可控。将该模式应用于深部复杂水文地质条件的煤矿顶板防治水技术与管理，实现了煤矿水害防治技术与生产管理的协同创新，保障了煤矿安全高效开采，为深部复杂水文地质条件煤层开采顶板防治水技术与管理提供借鉴。

八位一体；闭环；管控模式；煤矿水害；鄂尔多斯盆地

我国煤炭资源丰富，是我国基础性能源的重要组成部分，在一次性能源结构中占 60%左右，在未来几十年内，煤炭作为我国主体能源的地位不会改变。然而，煤矿突水一直制约着煤炭安全高效开采，2020年，全国煤矿共发生水害死亡事故7起、死亡25人，同比增加4起、15人，分别占全国煤矿事故起数和死亡人数的5.7％和11.1％[1]。随着煤矿开采深度的逐步增加，水文地质条件越来越复杂，煤矿水害危险性增大，对防治水工作提出了更高的要求。

长期以来，煤炭科技工作者开展大量的煤矿水害防治技术研究与工程实践，取得了丰硕的科研成果。在水文地质条件探查方面，董书宁等[2-3]研究了煤炭智能开采的地质保障技术及鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田典型顶板水害防控技术，将智能开采地质保障技术分为高精度综合探测、一体化智能在线监测、工作面地质透明化三大关键技术；虎维岳[4]研究了深部煤炭开采地质安全保障技术及研究方向，金学良等[5]、陈香菱[6]研究了煤田地质勘探关键技术与应用。在煤矿水害预测方面，武强等[7-9]提出了煤层顶板涌(突)水危险性评价的“三图—双预测”方法，成功应用于我国多个煤矿。在顶板水疏排方面，靳德武等[10]在榆神矿区浅埋煤层提出了减水开采中预疏放水标准的确定方法；杨建等[11]研究了蒙陕深埋煤层顶板水疏放标准；李永涛等[12]、赵宝峰等[13]、吕兆海等[14]研究了顶板疏放水与工作面涌水规律，评价了含水层的疏放性；王厚柱等[15]研究了深部开采矿井水害区域治理关键技术，提出了以工作面外巷钻孔导流、邻面钻孔截流、双侧采空区截流和长距离定向钻孔追踪探放水为核心的巨厚顶板砂岩含水层区域治理技术。而煤矿水害管理方面的成果主要围绕2018年国家煤矿安全监察局发布的《煤矿防治水细则》展开，是目前煤矿水害防治的规范性文件，河北省针对本省水文地质条件，于2016年出台了《煤矿防治水管理办法》，煤矿防治水管理主要指出不同的水害类型对应的防治技术、制度、保障措施等。张琅[16]、王鹏娟[17]研究了煤矿水害防治管理体系的建立，从防治水管理机构建立、防治水管理制度制定、资金支持、人才配备等方面进行了阐述；牟林等[18]为满足大水矿区对防治水技术与统筹管理方法创新的迫切需求，提出了生产企业与科研院所优势互补的“产研”合作模式；梁庆华等[19]提出矿井防治水2个“四位一体”技术体系模式，即区域防治水是基础、局部防治水是重点、先探后采是原则、应急救援是保障。针对煤矿单一水害问题的防治先进技术发展较快，但尚未与生产管理紧密结合，缺乏系统、全面的管理体系，从而影响了煤矿生产各阶段的煤矿防治水技术衔接、反馈与优化，阻碍了防治水技术进一步快速发展的步伐，减弱了煤矿防治水成效，加之深部矿井水文地质情况复杂，煤矿防治水任务更加艰巨。

基于此，笔者运用系统工程与闭环式管理理论体系，提出“八位一体”闭环式煤矿顶板水害管控模式，并应用于深部矿井顶板水害防治，以期为矿井安全高效开采提供保障，助力煤矿企业高质量发展。

1 “八位一体”闭环式煤矿水害管控模式的提出

1.1 必要性

我国煤矿防治水技术管理方面成绩显著，主要表现在以下几个方面：

(1) 防治水先进技术推广应用更快，河北等地推广地面定向钻进技术，对灰岩含水层进行区域性、超前性彻底改造；河北冀中能源集团率先实施地面区域超前治理，单个定向水平钻孔最大钻进距离由800 m提高至1 100 m，研制的矿井突水微震监测预警系统，处于国内领先水平。

(2) 防治水理念转变得更先进，从过程治理向超前预防、局部治理向区域治理、井下治理向井上下治理转变。河北、陕西等地提出“超前预防、区域治理” “井上下治理相结合”；贵州坚持“物探先行、钻探跟进、探掘分离、不探不进”；山西、四川、吉林、新疆生产建设兵团实行“逢掘必探”，对掘进工作面实现全方位、立体式探查；江西、江苏推行井上下物探、钻探相结合的综合探查措施，采用多种手段相互验证；冀中能源集团提出“超前主动、区域治理、全面改造、达标开采”；山东肥城矿业集团实行水害探查“精细化”、奥灰治理“源头化”、减扰开采“常态化”、双液注浆“领先化”、帷幕截流“规模化”、治理措施“多元化”，这些新理念新方法推动了水害防治工作深入开展。

(3) 防治水政策支持力度更大。山东、湖北先行关闭水害威胁严重、无经济效益的煤矿，从源头上根除水患威胁。河北开滦范各庄矿实施防治水“三优先、两否决”，“三优先”即公司会议优先讨论防治水事宜、生产计划优先考虑防治水工作、井下优先安排防治水工程；“两否决”即未安排防治水工作的生产计划一票否决，未落实防治水措施的工作一票否决，确保防治水措施落地落实。

(4)防治水地质保障工作更扎实，各地不断加强水害致灾因素普查、科技支撑研究等基础工作。2016年以来，四川省财政安排1 465万元，市、县财政配套3 000多万元，企业投入8 000多万元，集中开展煤矿水害普查治理；黑龙江龙煤集团在经营困难情况下，投入1亿多元，施工3万多米水文地质钻孔，完成15个勘探报告；安徽皖北煤电集团发挥“国家煤矿水害防治工程技术研究中心”作用，建立和完善底板承压水、顶板水等水害防治成套技术体系，连续16 a杜绝水害事故。

煤矿防治水技术、管理理念先进，但鲜有将防治水技术与管理统筹，全面、系统、循环管控煤矿防治水各个阶段。随着煤炭资源开采逐渐向深部过渡，煤矿防治水压力更大，因此，有必要开展水害防治技术与管理的协同创新研究，探索煤矿水害防治新路径，指导煤矿安全高效开采。

目前，在实际应用过程中，传统设计工作模式容易使很多建设中的重点、难点问题在项目建设初期发现不了、解决不了，直到项目建设期间或投产后逐步暴露再研究解决，在这过程中势必会造成项目管理成本增加、工期延后、投资超额、项目质量缺陷等问题。如某矿区煤矿建设项目由于初期地质资料不准确、水害防治及冲击地压研究不充分，导致千万吨级矿井未能按照冲击地压和水文地质复杂矿井设计，造成开拓开采系统设计不合理、安全设施设计不到位，矿井投产后追加改造及安全费用达数十亿元。

1.2 目标

本文提出的“八位一体”闭环式煤矿水害管控模式旨在从防治水工作的源头——水文地质条件探查开始，逐步深入研究水害危险性，实施防治水工程，不断检验、评价、调整防治水工作的每个阶段，以期避免防治水工作重复、无效开展，提升煤矿防治水技术与管理的整体水平，加快煤矿防治水工作迈上新台阶，在保障煤矿安全生产的前提下，实现降本增效，并在类似条件矿井进行推广应用。

2 “八位一体”闭环式煤矿水害管控模式的内涵

常规的防治水工程技术管理工作未形成闭环指导，各阶段防治水工作不能有效整合，防治水工作的组织、统筹、协调和规划不能进行合理配置及对现有资源的有效利用。“八位一体”闭环式防治水工程技术管理体系，有效整合各项技术管理工作，包括立体探查、预测预报、追踪探放、分段疏降、采前评价、阶梯排水、监测预警、总结优化等8方面，通过比较每一阶段成果与水害治理效果之间的偏差，不断调整水害防治过程，根据水害治理效果反馈至水害预测，调整预测方法，形成从水害治理效果到过程每个阶段的反馈通路，组成一个水害防治闭合回路，各项工作相辅相成、互相验证，有效提高防治水工程技术水平，确保矿井安全高效生产(图1)。

图1 “八位一体”闭环式顶板水害管控策略

2.1 立体探查

地质保障工作是煤矿安全生产的前提，随着地质勘探技术的不断发展，三维高精度探测技术普遍应用，地球物理勘探、钻探、化探等多手段的联合，为井上下立体探查，空间透明地质体的实现奠定了良好的基础。井田勘探阶段、煤矿生产阶段逐步将煤炭资源开采区的地质、水文地质条件查清，通过采前探查、生产揭露，不断修正、完善、明晰地质体，从未知到已知，从黑体到灰体到透明体，为准确指导水害预测预报工作提供依据。

2.2 预测预报

预测预报是在做好常规的地质预报及水情水害预报的基础上，结合井下探查结果及现场测量成果，不断修正，采用先进的水害预测理论更准确地指导超前探查设计、疏放水设计、掘进、回采等工程作业。对高效开展井下防治水工程具有十分重要的作用，同时通过现场揭露不断验证预测预报结果的准确程度，对预测出现的偏差进行分析，总结经验，优化预测方法，提高预测预报水平。

2.3 追踪探放

探放水作为煤矿防治水的一项重要工作，近年来在施工工艺、设备升级等多方面已经取得了多项进展，深部侏罗系矿井主要的水害为顶板砂岩水，其特点是砂岩含水层厚度大、富水性强并且承压，在掘进过程中会遇到顶板滴水、淋水的现象，虽不能造成灾害，但是对生产作业有一定的影响，为消除这一影响，提出了追踪探放技术，引进千米钻机施工定向钻孔，根据预测预报结果，在掘进区域顶板直接充水含水层底部施工超前探放水工程，不但可查明前方的地质及构造发育情况，又可对掘进前方的直接充水顶板水进行疏放。

2.4 分段疏降

在煤矿回采工作面进行采前顶板砂岩水疏放可有效降低工作面回采时的涌水量，减少排水压力，同时有助于煤质水分的降低，但随着对顶板含水层分布规律及富水性的分析，认为顶板水分为2部分，即静态储量和动态储量，提前将静态储量疏放一部分，降低了含水层的水头压力，释放一定量的积水，则回采过程中因顶板导水裂隙带导通含水层造成的工作面涌水压力可得到缓解。但疏放水效果和排水费用受疏放时间及受回采影响的不同区段影响，所以要根据涌水量的科学预测进行疏放设计，同时要根据含水层的水文地质参数计算水位恢复的时间段，确定提前疏放的时间，这样既可以起到降低工作面涌水量的作用，又可以分步实施，减轻排水系统压力，达到安全和经济的平衡。

2.5 采前评价

采前评价是防治水工作的关键环节，回采前已做了大量准备工作，但能否有效控制水害风险，消除水害隐患需要一个科学的评价体系，需要从不同类型水害出发，根据地质资料分析判断是否存在隐蔽致灾地质因素，是否需要采取相应的措施。重点评价疏放水效果是否达到要求的量化指标，同时根据涌水量预测评价排水系统是否满足要求，提出合理的防治水工作建议，确保工作面回采不受水害威胁。

2.6 阶梯排水

根据不同区段工作面预测涌水量的大小来布设工作面排水系统，以实现阶梯排水。随着工作面的回采，采动影响范围逐渐增大，需要精准预测矿井涌水量，掌握其动态变化规律，优化排水系统，例如，合理配比排水设施，达到降本增效的目的，在阶梯排水系统设置的同时，实现清水、污水分流排放。

2.7 监测预警

随着矿井水害监测预警技术的发展，井上下水情自动实时监测系统集水文数据采集、数据网络共享、数据处理、水害预警、辅助决策于一体[20-22]，同时在对地下水的监测过程当中应用现代化的监测手段，可以实时掌握水文地质动态，并能及时做出正确处理。系统实现信息收集处理自动化的全过程，进而能及时发现安全隐患。

2.8 总结优化

总结优化环节主要是针对采后总结，是非常重要的管理环节，在开采过程中遇到的技术问题、呈现的优秀管理方法，要进行积极总结分析评价，一方面可指导矿井后续相似工作面的防治水工作，另一方面可指导下一步的预测预报、探放水工作，使防治水技术管理形成闭环。

3 “八位一体”闭环式煤矿顶板水害管控模式的应用

在鄂尔多斯盆地某矿井深部煤层开采中应用“八位一体”闭环式煤矿顶板水害管控模式，具体工作流程如下。

1) 采用井上下钻探、物探联合手段精细探查水文地质条件

地质勘探阶段施工地面探煤孔、水文孔查清煤层及其顶板含、隔水层分布与主要特征，开展地面三维地震勘探、可控源音频大地电磁测深、瞬变电磁勘探等，探查三维空间地下地质构造情况及岩性，研究同一时间段或同一岩层的属性特征，查明主要含水层在平面上的展布规律及属性特征。研究区主要为侏罗系陆相沉积，直接充水含水层延安组及直罗组主要为三角洲沉积体系与河流沉积体系，由于河流滞留沉积作用和心滩沉积作用导致岩性的差异，即物性和岩层反射波的振幅能量、频率方面存在较大差异，从而确定了古河道中心位置，这是布设疏放水钻孔的重点区域。煤炭资源回采前在井下开展直流电法、音频电透视、钻探等，进一步查明工作面顶板富水异常区。

以纳林河二号矿31121工作面为例，通过综合探查与沉积特征确定工作面平面上疏放水的重点范围(图2)。根据煤层顶板砂体分布情况(含隔水层空间分布)与导水裂隙带发育高度等资料，分析确定出工作面垂向上疏放的重点区段及层段，即可根据平面范围及垂向上的疏放层段布置疏放水钻孔。

2) 基于沉积控水预测顶板水害危险性

不同的沉积相作用导致岩性具有差异，不同岩性岩层富水性也不同，煤层顶板含水层富水性与沉积相关系密切。在研究煤层顶板含水层富水性与导水裂隙带发育规律的基础上，选择影响煤层顶板水害的主控因素，选择母杜柴登矿建立顶板水害危险性评价体系(图3)，采用层次分析法计算各主控因素权重，运用GIS多源信息叠加的方法完成顶板水害危险性分区评价(图4)，指导后续探放水工作。

图2 31121工作面富水异常分布

图3 顶板水害危险性评价指标体系

将本次预测结果与顶板疏放水钻孔终孔水量(图5a)进行对比可知，工作面切眼附近、700～ 800 m及2 300～3 300 m区域，钻孔终孔水量较大，其他区域钻孔水量相对较小；由工作面涌水量随进尺的变化情况(图5b)可知，工作面涌水量整体上随着回采进尺的增加而逐渐增加，当工作面回采至700～ 800 m与2 300～2 800 m时，曲线斜率显著增加，工作面涌水量显著增大，说明这2个区域矿井水害威胁较大。本次评价结果与实际涌水量情况较为吻合，因此，该方法在研究区进行煤矿顶板水害危险性评价可行，评价结果可靠。

图5 顶板水害危险性预测结果验证

3) 运用长距离定向钻进技术追踪探放顶板水

针对顶板含水层富水性综合探查与水害预测成果，运用长距离定向钻进技术[23](图6)，在母杜柴登矿掘进工作面煤层顶板富水性强的含水区域开展疏放水工程，形成“先治后掘、分区设计、靶向追踪、精细探放”的探放水技术思路，精准完成了顶板水探放，有效解决矿井掘进进度与井下超前探放水之间的时间冲突，使钻探作业可与掘进同步进行，极大地提升了掘进效率。采用千米钻机施工探放水钻孔时，在主孔内通常会开分支孔，由于分支汇流至主孔，水流速度较高，流量较大，提高了探水孔内的放水效率。同时，由于钻场减少，使排水点更集中，便于将探放水孔内的水排出工作面。经定向钻孔疏放顶板水，巷道掘进过程中，顶板滴淋水现象明显减少，掘进头未出现突水现象，保障了煤矿安全掘进，累计施工定向钻孔进尺10 590 m，单孔最大出水量为220 m3/h，为煤矿节省支出9 319 200元，工作面的形成提前了超过102 d。

4) 顶板水区域分段疏降

在母杜柴登矿顶板富水区单侧来水的采区，从矿井水区域治理角度，优化调整工作面回采接续，优先布置来水方向工作面作为采区首采工作面，利用首采工作面采空区作为疏水廊道，从而大幅度减少后续工作面采空区涌水量，实现顶板水集中疏排和区域治理(图7)，将大幅度减少回采工作面采空区、采掘面前及落地污水量，实现采区矿井水的区域治理。

通过区域采掘布局优化调整采掘工作面，能有效截流已采工作面顶板水，保障回采工作面安全开采。工作面回采前需开展顶板水分段疏放工程，在系统研究顶板富水性的基础上，按照边施工、边探查、边放水试验、边优化设计的思路开展各项研究工作。对顶板疏放水钻孔的施工数量、倾角、方位角、深度等进行优化。

图7 单侧截流接续模式剖面图

经顶板疏放水试验，优化疏放钻孔：原钻孔设计150 m，倾角45°，垂高106 m，已揭露全部含水层，保留原设计钻孔深度，重点优化钻孔布设数量，即由原来每个钻场设计4～6个钻孔调整为2～3个，原设计共布置321个钻孔，优化后实际施工186个钻孔；顶板含水层累计疏放水量约143万m3，其中，工作面里段650 m范围内已疏放水量达41万m3，包括动储量疏放量11.1万m3，静储量疏放量为29.9万m3，已超过预计的静储量29.7万m，说明该段范围内顶板水静储量已基本得到疏放。为验证工作面顶板水疏降效果，矿方在切眼附近的回风巷和辅运巷分别施工一个探查钻孔，施工结果表明，涌水量与水压均达到稳定状态。

5) 回采前顶板疏放水效果评价

经顶板疏放水工程，总结、制定疏放水标准：

(1)钻孔总出水量、水压保持稳定，变化幅度不高于2%；钻孔稳定总出水量与本段动态涌水量相差小于10%(72 h)；

(2) 分段疏放水总量–(本段计算动态涌水量×疏放水时间)=本段静储量疏放量，静储量疏放量与计算静储量相差小于10%；

(3) 根据条件相近矿井的经验预估分段疏放水时间，约2～3个月，具体所需时间根据放水试验确定。

6) 利用阶梯排水优化排水系统

研究区矿井工作面充水水源主要为顶板砂岩水，无突水威胁，根据预测结果呈分段递增趋势，为保证工作面涌水能及时排出的同时，还要考虑排水系统布设的经济性，设计了阶梯式排水系统，具体如下。

(1) 阶梯位置的选择：根据动静态涌水量预测技术和首采工作面涌水量变化规律，总结出涌水量变化较大的位置，同时结合顶板砂岩水降落漏斗的技术参数，确定涌水量增加较大的位置，在相应位置附近根据巷道剖面选择相对低洼点修建临时水仓，并在该位置增加排水管路，这样既保障工作面的排水能力，同时改变全巷道布设管路的传统方式，大量减少材料、人工、维护费用，并提高排水系统的稳定性。

(2) 排水能力梯度的设置：排水能力梯度一方面要考虑阶梯位置管路的布置，同时要根据预测的涌水量设置科学合理的排水泵，并配置备用泵，同时配套使用双回路专用供电电源。工作面由内到外根据预测涌水量情况逐步提高排水能力，保障整个工作面排水系统安全可靠。

7) 地下水实时动态监测

煤矿地下水动态监测数据可为煤矿水害危险性预测、矿井排水系统优化、顶板水疏降等提供依据，因此，研究区长期实时动态监测延安组三段和直罗组一段主要充水含水层水位、水温、水质、水压等信息，对保障煤矿安全至关重要。

8) 适合的防治水管控体系的建立

根据顶板防治水效果，不断调整前述条件探查方法、水害危险性预测方法及影响指标、顶板探放设计、排水系统优化等，指导矿井防治水工作顺利开展，形成适合研究区的顶板水害闭环管控体系。

4 结论

a.针对煤矿防治水技术与生产管理融合度低、制约矿井防治水工作的高效开展这一问题，提出了“八位一体”闭环式煤矿顶板水害管控模式，将生产管理融于防治水工作各个环节，实现防治水工作全过程闭环管控，对科学、高效开展煤矿防治水工作意义重大。

b. 采用千米定向钻进技术追踪探放厚砂岩、强富水、高承压区域顶板水，实现顶板水高效疏放，利用分段疏降、阶梯排水将清水、污水分流排放，缓解矿井排水压力，减少污水处理费用。

c.将“八位一体”闭环式煤矿顶板水害管控模式成功应用于鄂尔多斯盆地某矿深部煤层开采顶板水害防治工作，保障了煤矿安全高效生产，该模式可推广至条件类似煤炭开采区顶板水害防治。

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Construction and application of “eight in one” closed-loop management and control mode of roof water disaster in coal mines

LIU Qingbao1, DING Xiang2, FENG Jie2, ZHANG Kun2

(1. China Coal Xi’an Design Engineering Co., Ltd., Xi’an 710054,China; 2. China Coal Energy Research Institute Co., Ltd., Xi’an710054, China)

The prevention and control of coal mine water disaster is one of the key points of mine safety control, but the lack of comprehensive, systemetic, controllable technology management restricts the safe and efficient mining of coal resources. To guide the prevention and control of coal mine water disaster in a scientific and effective approach, taking the water disaster of coal mine roof as an example, using the theoretical system of system engineering and closed-loop management, this paper proposes a closed-loop management and control mode of roof water disasters, including stereoscopic probe, prediction, tracking exploration and discharge, subsection drainage, pre-mining evaluation, step drainage, monitoring and early warning, summary and optimization. The mode covers the management and control of the whole process of hydrogeological condition exploration, water disaster prediction, roof water drainage, as well as water disaster monitoring and early-warning, and forms a feedback path from the water disaster control effect to each stage of the water disaster prevention and control process. That means a closed loop of water disaster prevention and control was formed, which ensures that the water prevention and control work has scientific basis and can be regulated. This mode can be applied to roof water management and control under deep and complicated hydrogeological conditions, realizing the collaborative innovation of water control technology and management philosophy. It ensures the safe and efficient coal mining and provides reference for the roof water disaster management and control of coal mining under deep and complicated hydrogeological conditions.

eight in one; closed-loop; management and control mode; water disaster; Ordos Basin

TD745

A

1001-1986(2021)04-0170-08

2021-04-20；

2021-06-11

陕西省青年科技新星项目(2021KJXX-82)

刘清宝，1968年生，男，山东乳山人，教授级高级工程师，从事煤矿开采及安全技术方面的设计与研究工作. E-mail：1059246803@ qq.com

刘清宝，丁湘，冯洁，等. “八位一体”闭环式煤矿顶板水害管控模式的构建与应用[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(4)：170–177. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.020

LIU Qingbao，DING Xiang，FENG Jie，et al.Construction and application of “eight in one” closed-loop management and control mode of roof water disaster in coal mines[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：170–177.doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.020

(责任编辑 周建军 范章群)