近距煤層高效保水開采理論與方法

馬立強，張東升，金志遠，王爍康，余伊河

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054; 2.中國礦業(yè)大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 3.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116; 4.貴州理工學院 礦業(yè)工程學院，貴州 貴陽 550003)

伴隨著煤炭資源的長期持續(xù)高強度開采以及東部地區(qū)煤炭資源的日漸枯竭，西北五大煤炭基地(陜北、黃隴、神東、寧東和新疆)已成為我國煤炭資源的核心供應(yīng)區(qū)，目前年均產(chǎn)煤量超過全國的1/3，有力地保障了國家經(jīng)濟的快速發(fā)展[1]。然而，西北地區(qū)氣候干旱，植被覆蓋度低，同時該區(qū)水資源短缺，僅占全國水資源的3.9%。淺表水作為該地區(qū)植被的重要水源，易因煤炭開采而滲漏，使當?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境進一步惡化。例如，對陜北煤炭基地的主體-榆神府礦區(qū)的統(tǒng)計結(jié)果表明，水位降深>15 m和8～15 m的區(qū)域面積分別超過300 km2和350 km2，其中70%以上的水位明顯下降區(qū)是由高強度開采直接導致的[2-3]。且采后含水層的補徑排等動力系統(tǒng)能力受到破壞，使礦區(qū)和臨近地區(qū)水質(zhì)惡化，導致受到污染的酸性和有毒礦井水向周圍地區(qū)排泄和擴散[4]。

在最大限度地提高煤炭資源采出率的同時，減少開采造成的(生態(tài))地下水位下降，是采煤人實現(xiàn)水資源保護性采煤的一個長久夢想。自20世紀90年代以來，采煤科技界一直在探索基于巖層控制的保水采煤方法[5-11]。我國采礦界在保水采煤(保水開采)領(lǐng)域進行了卓有成效的理論探索和工程實踐，提出了房柱開采、條帶開采、短壁開采和長壁充填等保水開采技術(shù)[1,12-13]。筆者前期也曾針對鄂爾多斯盆地單一(首采)煤層提出了沙基型淺埋煤層長壁保水開采技術(shù)及適用性分類體系[14-15]。但前期研究成果主要以單一煤層或首采煤層為研究對象、以犧牲煤炭資源回收率或開采效率為代價，涉及淺埋近距煤層重復擾動區(qū)多次采動條件下的相關(guān)研究較少。

西北地區(qū)僅侏羅紀煤田資源儲量就超過我國總量的二分之一，涵蓋陜北、黃隴、神東、寧東和新疆五大煤炭生產(chǎn)基地(其中神東、寧東、陜北和黃隴煤田的保有資源儲量占我國總量的1/3)。這些煤層普遍具有厚度大、層數(shù)多且間距近的特征，隨著西部煤炭資源的開發(fā)，必然面臨近距煤層開采的問題。但煤炭地下開采對淺表層水資源的影響非常敏感和劇烈，尤其是在淺埋藏條件下，保水采煤面臨諸多重大技術(shù)難題:一是近距煤層反復開采擾動區(qū)覆巖導水裂隙控制;二是淺埋煤層極薄阻隔層低損傷控制;三是淺表水資源運移與涌(突)水災害的監(jiān)測預警。如何應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，創(chuàng)新解決西部煤層的保水開采科學問題，發(fā)展與之相關(guān)的采動巖層移動和導水裂隙控制基礎(chǔ)理論，形成基于西北淺埋近距煤層水資源保護的高效采煤理論與技術(shù)體系，是當前研究的重點。

針對我國西北煤炭資源的開采現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，本文提出(淺埋)近距煤層群保水開采構(gòu)想，以期實現(xiàn)對煤炭資源高效開采、水資源保護和潛在突水災害有效防控，形成基于西北淺表(生態(tài))水資源保護的淺埋近距煤層高效開采關(guān)鍵技術(shù)體系，實現(xiàn)煤炭及其伴生水資源的安全、高效和綠色開采，達到煤炭資源大開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護相協(xié)調(diào)發(fā)展的目標。

1 近距煤層保水開采構(gòu)想

煤炭地下開采后，淺埋煤層地下生態(tài)水位會受到不同程度的影響[16]，且存在礦井涌(突)水風險[15]。為保護維系西部礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的淺表層水(河流湖泊水和第四系砂層潛水)，尤其是為保護地下潛水(生態(tài))水位，針對西部煤炭資源保水開采面臨的技術(shù)難題，綜合煤地質(zhì)、采礦與安全(突水防治)理念，提出保礦區(qū)地下生態(tài)水位和突水防治一體化的水資源保護性采煤構(gòu)想。

研究思路與框架(圖1)為:深入開展水資源保護性采煤相關(guān)基礎(chǔ)理論研究，通過對煤礦采動巖體破壞與移動規(guī)律的深入研究，用力學方法系統(tǒng)揭示采場礦壓、巖層移動和采動裂隙的發(fā)育與控制機理;發(fā)明高效高回收率水資源保護性采煤方法，是攻克保水采煤關(guān)鍵技術(shù)難點的根本保障，也是實現(xiàn)保水采煤和提高生產(chǎn)效率的重要前提;設(shè)計發(fā)明與新方法相匹配的技術(shù)裝備及監(jiān)測系統(tǒng);在各種采礦地質(zhì)條件中的試驗與推廣應(yīng)用。

圖1 近距煤層保水開采研究框架Fig.1 Research framework of water conservation mining

2 長壁高效保水采煤方法

2.1 保水開采基礎(chǔ)理論

(1)近距煤層巖層控制理論。

研究典型淺埋煤層中的關(guān)鍵層運動過程及其與軟、硬巖層的結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)[17]，分析煤層采動水資源流失機理和隔水層穩(wěn)定性控制理論。在揭示近距離煤層群反復開采擾動區(qū)覆巖導水裂隙與滲流場的時空演變機理，以及采動淺表水動態(tài)響應(yīng)機制基礎(chǔ)上，基于保護帶隔水性等效評價方法，明確了基于采動覆巖隔水性等效厚度評價的垮落帶、斷裂帶及保護帶高度的計算方法[8,18]。

(2)采動覆巖等效滲流阻隔層理論。

保水采煤不同于傳統(tǒng)的采場突水防治，少量地下水流失也會對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成影響。因此，準確定量評價采動影響下覆巖滲透性，實現(xiàn)巖層破裂后地下水運移狀態(tài)的可控化，是保水采煤的基礎(chǔ)問題[19]。煤層開采后會對覆巖造成擾動，引起上覆各個巖層滲透性發(fā)生變化?；跐B流力學中巖層等效滲透系數(shù)理論，分別計算覆巖中各個巖層的等效滲透系數(shù)。有的巖層由于滲透性變化較大，其采動后的滲透系數(shù)大于地下水滲透的臨界滲透系數(shù)，會失去阻隔地下水滲透的能力，如垮落帶和斷裂帶下部的巖層;有的巖層雖然采動后滲透系數(shù)發(fā)生了變化，但其仍然大于地下水滲透的臨界滲透系數(shù)，即仍具有阻隔水的能力，如裂隙帶上部和彎曲下沉帶的巖層，我們把這些巖層稱為等效阻隔層。因此，可以通過分析煤層開采后覆巖等效阻隔層的滲透性變化來判斷煤層開采是否造成上覆水資源流失，突破了以往僅僅確定導水裂隙是否導通隔水層的單一判據(jù)的限制。

(3)近距煤層保水開采實用性條件分類。

分析近距煤層的埋深、層間距等既定地質(zhì)參數(shù)，以及采高等開采參數(shù)對覆巖導水裂隙發(fā)育規(guī)律的影響，并給出能夠?qū)崿F(xiàn)保水開采各參數(shù)的界定范圍。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了近距煤層保水開采適用條件分類體系[20]。

(4)煤柱影響區(qū)域覆巖滲流理論。

工作面開采后，由于采空區(qū)上覆巖層重量主要由四周圍巖支承，因此相對于采空區(qū)中部，其邊界即區(qū)段煤柱影響區(qū)支承壓力集中，覆巖裂隙更加發(fā)育，且難以自行彌合，是采動地表和地下水漏失的主要滲流通道。因此，根據(jù)采空區(qū)-煤柱協(xié)同作用機理，分析煤柱垂向支承壓力的分布特征，確定煤柱影響區(qū)域邊界范圍。在此基礎(chǔ)上，研究自一側(cè)工作面開切眼至兩側(cè)工作面開采結(jié)束這一過程中，煤柱影響區(qū)域覆巖采動應(yīng)力路徑演變規(guī)律，以及煤柱形狀、尺寸和力學性質(zhì)等煤柱留設(shè)參數(shù)對煤柱影響區(qū)覆巖采動應(yīng)力路徑的影響?；诓蓜討?yīng)力場-裂隙場-滲流場耦合機理，分析煤柱影響區(qū)覆巖采動裂隙發(fā)育規(guī)律，揭示煤柱影響區(qū)覆巖滲透性對煤柱留設(shè)參數(shù)的動態(tài)響應(yīng)特征，建立煤柱影響區(qū)覆巖滲透性隨煤柱留設(shè)參數(shù)變化的模型，實現(xiàn)煤柱影響區(qū)域覆巖滲透性控制。

2.2 反復開采擾動區(qū)覆巖導水裂隙控制技術(shù)

提出了近距煤層保水開采薄弱區(qū)的消除和轉(zhuǎn)移

等控制方法，并確定了關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

2.2.1 近距煤層布置的臨界距離

(1)臨界內(nèi)錯距

上、下煤層采煤工作面采用內(nèi)錯布置方式時，如果下煤層開采后，上煤層開采邊界附近的覆巖導水裂隙發(fā)育程度能夠保持在原有穩(wěn)定狀態(tài)，不再繼續(xù)發(fā)育條件下的內(nèi)錯距為臨界內(nèi)錯距。煤層開采后其上覆巖層破斷，形成巖層破斷線。巖層破斷線與水平線的夾角為巖層破斷角，一般為60°～78°。而巖層破斷角往往大于巖層移動充分采動角。建立淺埋近距煤層采煤工作面臨界內(nèi)錯距計算模型，如圖2所示。臨界內(nèi)錯距Ln計算公式為

Ln=(hx-ws)cotψs+(hx+hc-ws)cotδx

(1)

式中，hx為上煤層上方、含水層下方巖層的總厚度，m;ψs為上煤層開采后的充分采動角，(°);δx為下煤層開采后的巖層移動邊界角，(°);ws為上煤層開采時的隔水層的最大下沉值，m;hc為淺埋近距煤層層間巖層厚度，m。

圖2 淺埋近距煤層采煤工作面臨界內(nèi)錯距計算模型Fig.2 Model of critical inward displacement distance for the workingface of Shallowly-buried Short-distance Coal Seams

圖3 淺埋近距煤層采煤工作面臨界外錯距計算模型Fig.3 Calculation model of critical outward displacement distance for the workingface of Shallowly-buried Short-distance Coal Seams

(2)臨界外錯距

淺埋近距煤層下煤層工作面整體外錯布置示意如圖3所示。當淺埋近距煤層采用外錯布置方式時，如果下煤層開采后的隔水層下沉盆地無變形區(qū)邊緣點位于上煤層開采時的隔水層移動邊緣點(巖層移動邊界線與隔水層頂面的交點)以外，則下煤層開采時不會引起上煤層開切眼側(cè)的覆巖導水裂隙二次發(fā)育。建立淺埋近距煤層臨界外錯距計算模型，如圖3所示。臨界外錯距Lw的計算公式為

Lw=(hc+Ms+hx)cotψx+hxcotδs

(2)

式中，Ms為上煤層厚度，m;ψx為下煤層開采時的充分采動角，(°);δs為上煤層開采時的巖層移動邊界角，(°)。

2.2.2 近距煤層保水開采薄弱區(qū)控制

(1)消除法

水資源易流失區(qū)域(保水開采薄弱區(qū))的消除法示意如圖4所示，其中，Ls為上煤層工作面走向長度;Lz為下煤層工作面走向長度;Lq為上煤層工作面傾向長度;Lx為下煤層工作面傾向長度。上煤層開采后，覆巖內(nèi)產(chǎn)生導水裂隙，且易發(fā)生滲流的區(qū)域主要集中在開采邊界附近。下煤層開采過程中，如果內(nèi)、外錯距都較小，必然會引起上煤層開采邊界附近的覆巖導水裂隙受重復開采擾動而二次發(fā)育。為控制水資源易流失區(qū)域的導水裂隙二次發(fā)育，提出整體外錯布置的方法。即采用整體外錯布置方式(外錯距大于臨界外錯距)，保證上煤層開采后覆巖內(nèi)產(chǎn)生導水裂隙的區(qū)域整體下沉，使上煤層開采后形成的導水裂隙在下煤層開采后不會二次發(fā)育，保持在下煤層開采前的原有狀態(tài)。同時，下煤層開采過程中，尤其是開采邊界附近，需加快工作面推進速度(15 m/d以上)，以使覆巖內(nèi)的導水裂隙能盡快閉合。

圖4 水資源易流失區(qū)域的消除法Fig.4 Eliminating method for zones of water resources easily lost

(2)轉(zhuǎn)移法

水資源易流失區(qū)域(保水開采薄弱區(qū))的轉(zhuǎn)移法示意如圖5所示。

圖5 水資源易流失區(qū)域的轉(zhuǎn)移法Fig.5 Transfer method for zones of water resources easily lost

工作面傾向長度一般不會超過400 m，如果上煤層工作面傾向長度較大，下煤層開采時無法采用整體外錯布置方式或采用整體外錯布置方式無法消除水資源易流失區(qū)域時，可采用水資源易流失區(qū)域的轉(zhuǎn)移法。

水資源易流失區(qū)域的轉(zhuǎn)移法:開采淺埋近距煤層時，采用內(nèi)、外錯聯(lián)合布置方式(上、左、右邊界采用外錯布局方式，下邊界采用內(nèi)錯布置方式)，上煤層開采后，水資源易流失區(qū)域集中在開采邊界附近;下煤層開采后，該水資源易流失區(qū)域由開采邊界轉(zhuǎn)移到采空區(qū)中部，且在上煤層開采邊界與下煤層開采邊界交接處附近形成水資源易流失的高發(fā)區(qū)域。

3 壁式連采連充保水采煤方法

3.1 壁式連采連充保水采煤方法內(nèi)涵

針對目前長壁充填保水采煤方法存在的充填時間和充填空間不足、采煤與充填作業(yè)協(xié)調(diào)困難等問題，開發(fā)了一種能將快速機械化采煤和充填作業(yè)相結(jié)合的“多支巷布置、采充并行”壁式連采連充保水采煤方法。該方法在開采塊段內(nèi)采用負壓通風，按正常壁式采煤工作面布置回采巷道，采用大斷面寬巷(開采支巷或采煤支巷)掘進的方式進行采煤，并充填開采后的寬巷[21]。該方法綜合了旺格維利快速連續(xù)采煤法和寬巷式充填采煤法的優(yōu)點，將傳統(tǒng)的旺格維利柱式體系采煤法變革為高效的壁式連采連充采煤方法，實現(xiàn)大斷面開采(采煤)支巷高效采煤、整體支護與主動充填接頂一體化，解決了極薄阻隔層低損傷控制難題，可有效控制極近距條件下淺表水資源的流失與生態(tài)環(huán)境的保護。

在長壁開采區(qū)段中，按照旺格維利法布置開采支巷，并進行多輪跳采，始終保持多條支巷充填與多條支巷采煤同時作業(yè)的“采充并行”高效開采模式(圖6)。開采前，將整個回采塊段沿傾斜或垂直于運輸巷方向劃分出多條開采(采煤)支巷，并將支巷劃分為多個開采階段。按照開采順序，采用連續(xù)采煤機間隔開采支巷，每條支巷開采完畢立即進行密閉并充填。上一條支巷充填作業(yè)的同時進行下一條支巷的開采，在采場內(nèi)即形成“采充并行”充填保水開采模式，直至采場內(nèi)所有支巷開采并充填完畢。

3.2 采動斷裂帶高度及隔水層變形理論

3.2.1 采動覆巖斷裂帶發(fā)育高度理論

基于連采連充保水采煤方法，針對充填采場支巷對采動覆巖裂隙發(fā)育的控制作用，建立了“充填體-基本頂-覆巖”的力學結(jié)構(gòu)模型，如圖7所示，其中，α為采場支巷與運輸巷的夾角，(°);f為充填體的支撐強度;L0為采場支巷寬度;I為基本頂慣性矩;I0為常量;q為覆巖載荷;θ4為所有采場支巷充填完畢基本頂梁結(jié)構(gòu)的傾斜角;hR為隔水層厚度;y為單元體上、下邊界到中性軸O-O的距離;hu為導水裂隙發(fā)育高度;M為基本頂所受的彎矩。分析覆巖裂隙產(chǎn)生及演化機理，研究不同充填率條件下覆巖采動裂隙發(fā)育高度變化特征，得到了覆巖裂隙發(fā)育高與支巷充填率之間滿足如下雙曲線函數(shù)關(guān)系:

(3)

式中，Hf為覆巖裂隙發(fā)育高度，m;M為采高，m;φ為充填率;λ為充填率對覆巖裂隙發(fā)育的影響程度系數(shù)。

圖6 “多支巷布置、采充并行”壁式連采連充保水采煤方法Fig.6 Water-preserved mining of wall-type continuous mining and filling with multi-branch roadway layout and filling while mining

圖7 覆巖裂隙帶發(fā)育高度分析(連采連充)Fig.7 Analysis on development height of overlying rock fracture zones

3.2.2 隔水層變形計算理論

基于壓力拱理論和極限平衡理論，建立了采煤和充填各階段，煤柱和充填體的承載力學模型。在計算支巷煤柱載荷，分析煤柱群穩(wěn)定性，得出了采煤工作面和充填工作面之間的最大空巷數(shù)目基礎(chǔ)上。結(jié)合煤柱塑性破壞區(qū)和彈性核區(qū)的承載變形規(guī)律，研究壁寬巷式保水采煤各階段直接頂?shù)南鲁亮?，提出了包含隔水層和地表在?nèi)上覆各巖層的下沉撓度曲線方程wi和水平變形量εi的計算方法。

(i≥2)

(4)

(5)

式中，U為直接頂下沉量，m;n為支巷數(shù)目，條;b為支巷寬度，m;Hi為第i層巖層距直接頂?shù)拇怪本嚯x，m;H2為基本頂距直接頂?shù)拇怪本嚯x，m;θ為巖層移動影響角，(°);x為該點與下沉盆地中心的水平距離。

3.3 “多支巷布置、采充并行”保水采煤關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 高效充填與主動接頂技術(shù)

(1)高膨脹充填材料。

研制了以粉煤灰作為骨料，石灰、石膏、水泥、添加劑作為輔料的高水膨脹充填材料。該材料力學性能優(yōu)異、膨脹率高、流動性好，可滿足現(xiàn)場實際需要[22]。確定了高水膨脹材料的關(guān)鍵配比范圍，即水固比為0.8∶1.0～0.9∶1.0，粉煤灰、石膏、石灰、水泥、添加劑的質(zhì)量比為24.6∶0.8∶5.1∶1.8∶1.0。制成水料的質(zhì)量比為(1.3～1.5)∶1.0的充填料漿，充填材料的密度為1.5～1.6 g/cm3。料漿在2 h內(nèi)呈液體狀態(tài)，可實現(xiàn)自流輸送。2 h以后開始固化，并有約10%的體積膨脹。在滿足現(xiàn)場實際需要的凝結(jié)時間前提下，材料63 d強度、3 h膨脹率和泌水率可分別可達到5.39～5.52 MPa,9.9%～10.8%和0.30%～0.33%。

(2)主動接頂與監(jiān)測。

采用重力自流充填作業(yè)方法，充填工藝流程為:充填骨料和輔料→成漿罐→鉆孔管路→井下充填管路→運輸主巷→充填巷。發(fā)明了控制覆巖裂隙和極薄阻隔層損傷的保水開采主動充填接頂方法[23]，實現(xiàn)褶曲煤層、局部冒頂區(qū)域的充填體接頂，并可對開采支巷充實率和充填體凝固前后的壓力進行實時動態(tài)監(jiān)測。

3.3.2 “采-支-運”快速作業(yè)技術(shù)

為實現(xiàn)大斷面開采支巷的快速掘進(采煤)，并減少支護成本、確保巷道安全穩(wěn)定，提出煤巷快速經(jīng)濟支護技術(shù)。其基本原理是在用最小的支護成本達到最好的控制效果，同時支護方式與支護參數(shù)最有利于巷道快速施工，采用能夠保證巷道安全穩(wěn)定的最少的錨桿(索)等支護材料，通過合理設(shè)計支護方式與參數(shù)，優(yōu)化施工工藝過程，達到最高的支護強度，施工速度最快的目的，形成安全、經(jīng)濟、快速成巷的支護技術(shù)體系。其關(guān)鍵在于如何在支護密度相對較低的情況下，實現(xiàn)巷道的可靠支護和快速施工?？焖俳?jīng)濟支護的基本思路:針對具體煤巷圍巖條件，找出能夠保證巷道安全穩(wěn)定的最低支護強度，確定出巷道錨桿(索)最大間排距，然后進一步優(yōu)化支護方式與參數(shù)，改進臨時支護裝置，優(yōu)化施工工藝過程，降低圍巖應(yīng)力，提高支護體整體性和可靠性，確定出高強度經(jīng)濟支護與快速施工方案與參數(shù)。形成了整體支護技術(shù)與工藝，并開發(fā)出快速裝填礦用錨桿藥卷錨固劑的方法和裝置[24]。

形成采裝運一體化采煤方法，配合連續(xù)采煤機割煤和梭車裝煤運煤，形成了快速采煤、支護和運輸?shù)摹岸嘀锊贾?、采充并行”壁式高效采煤作業(yè)線。煤炭運輸流程為:連續(xù)采煤機→梭車→連續(xù)運輸機→刮板運輸機→帶式輸送機。工作面投資不超過1 000萬元，噸煤充填成本低于60元，日產(chǎn)量超4 500 t。

4 采掘工作面涌水的紅外輻射監(jiān)測預警

煤巖破裂是引發(fā)礦井采掘工作面涌(突)水等災害的根本原因，因此，如何準確有效地對礦山煤巖的破裂過程進行監(jiān)測與預警，進而形成一套采掘工作面涌(突)水預測方法和預測指標，是采掘工作面涌(突)水預警與防災減災的重要基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)保水開采和巖層控制的重要理論基礎(chǔ)。

4.1 承載煤巖體紅外輻射理論

4.1.1 紅外輻射信息去噪

由于紅外輻射系統(tǒng)本身的特點以及現(xiàn)有技術(shù)手段的限制，使獲得的紅外輻射信息夾雜著許多“干擾”信號[25-26]。為進行紅外輻射信息去噪，提取采掘工作面承載煤巖體有效紅外輻射信息，提出了添加參照煤巖的紅外輻射觀測實驗方法(圖8)，分析了影響加載煤巖紅外輻射信息的因素及其特征，建立了紅外輻射本底噪聲校正模型，發(fā)明了煤巖裂隙發(fā)育和微滲流過程中的熱紅外信息去噪方法[27]。在對紅外輻射信息進行有效去噪后，實現(xiàn)了信號和噪聲的高度分離，將紅外輻射信息的信噪比由傳統(tǒng)的0.40提高到70.69[26]，解決了承載煤巖紅外輻射信息信噪比低的難題，為紅外輻射信息特征分析提供了可靠保障。

圖8 加載煤巖紅外輻射觀測現(xiàn)場Fig.8 Infrared radiation observation of coal and rock under loading

4.1.2 紅外輻射敏感性

煤巖在承載破裂過程中，其表面紅外輻射信息會發(fā)生變化，其在不同的損傷和破裂階段表現(xiàn)出的力學行為不同，對應(yīng)的紅外輻射響應(yīng)機制可能也不同，需要不同的紅外輻射敏感性指標去表征。結(jié)合加載煤巖的紅外輻射變化規(guī)律，提出“兩圖四曲線”定量分析指標，研究了紅外輻射效應(yīng)對應(yīng)力的敏感性。其中“兩圖”是指原始紅外熱像序列圖和差分紅外熱像序列圖，“四曲線”是基于原始紅外熱像序列圖的平均溫度曲線和溫度方差曲線，以及基于差分紅外熱像序列圖的平均溫度曲線和溫度方差曲線[28]。利用該指標，定量分析了加載煤樣的紅外輻射敏感性(圖9)，發(fā)現(xiàn)了煤巖破裂過程中的紅外異?，F(xiàn)象。為確定合理的采掘工作面承載(卸荷)煤巖紅外輻射敏感指標奠定了研究基礎(chǔ)。

圖9 承載煤巖紅外輻射指標敏感性分析Fig.9 Sensitivity analysis of infrared radiation index of coal and rock under loading

4.1.3 紅外信息對損傷演化的響應(yīng)特征

4.2 采掘工作面涌(突)水紅外監(jiān)測預警

4.2.1 物理模擬裂隙滲流紅外特征

將紅外觀測技術(shù)引入到采動巖體的物理相似模擬研究中[31]，分析了相似模擬實驗中覆巖裂隙滲流時的紅外輻射特征(圖11)，為研究采動卸荷煤巖體滲流和損傷規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。在研究過程中，還逐步提煉出采用紅外輻射響應(yīng)信息來研究采動煤巖體滲透性變化的學術(shù)思想。

4.2.2 涌(突)水的紅外輻射時空前兆

基于承載煤巖破裂破壞過程中的紅外輻射演化特性，發(fā)明了臨界距離煤巖裂隙發(fā)育紅外輻射監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計了紅外輻射監(jiān)測煤巖裂隙發(fā)育過程的裝置及方法，實現(xiàn)了采掘工作面煤巖體裂隙發(fā)育和微滲流的動態(tài)演變過程的實時無損監(jiān)測。提出了煤巖破裂過程中裂隙發(fā)育區(qū)紅外輻射監(jiān)測定位方法，建立了煤巖破裂與破壞的紅外輻射時空前兆判別標準[20,32-34](圖12)，構(gòu)建了水體在線紅外探測預警系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了對突水、水體位置以及水資源運移進行監(jiān)測預警。

圖10 承載煤巖損傷演化過程的聲熱效應(yīng)Fig.10 Acoustic thermal effect of damage evolution process of coal and rock under loading

圖11 采動裂隙的紅外輻射觀測Fig.11 Infrared radiation observation of fractures

圖12 煤巖破壞前的紅外輻射時空前兆Fig.12 Time and space precursors of infrared radiation before coal and rock failure

5 典型工程實例及關(guān)鍵技術(shù)指標

5.1 典型案例

(1)石紇臺煤礦

石圪臺煤礦位于陜西省神木縣境內(nèi)，主采煤層為12上煤和12煤。12上煤平均厚度2.1 m，12煤平均厚度2.7 m。12上煤平均埋深78.1 m，12煤平均埋深100.2 m，兩煤層的平均間距約20 m。12上105工作面開采12上煤層，傾向長度為300 m，采用一次采全高走向長壁采煤法，采高為2.5 m。12105工作面開采12煤層，傾向長度為300 m，采高2.7 m。12105工作面開切眼外錯于12上105工作面開切眼位置21～27 m，12105回風巷外錯于12上105工作面回風巷約55 m。覆巖主要含水層為第四紀松散含水，其下部的黃土層和強風化細粒砂巖層為隔水層[35]。12上煤開采后，孔1和孔2的水位均能夠在約30 d后保持穩(wěn)定，表明上覆破斷巖層形成的導水裂隙在巖層間的相互擠壓作用下能夠閉合，松散層潛水含水層中的水未受到破壞，該區(qū)可以實現(xiàn)保水開采。12煤開采過程中，工作面推過孔1約10 m時，孔1水位很快降到基巖頂面以下，截止工作面開采結(jié)束，孔1水位也沒有恢復。12煤開采過程中，工作面推過孔2約20 m后，孔2水位已經(jīng)下降到基巖頂面以下。工作面推過孔240～50 m之后，其水位開始逐漸上升，在推過孔2約200 m后，其水位趨于穩(wěn)定。

12105綜采工作面機頭推進17.5 m，機尾推進21.5 m時發(fā)生了頂板涌(突)水事故，涌水總量約為47 000 m3，造成12105綜采工作面設(shè)備被淹。涌水地點距離水位觀測孔1較近，如圖13所示。計算可得該處近距煤層的臨界外錯距為68.12 m。12105工作面開切眼外錯于12上105工作面開切眼的距離僅為21～27 m，遠小于臨界外錯距。因此，12煤層開采后，覆巖隔水層會產(chǎn)生導水裂隙，喪失隔水性能，導致水資源流失和涌(突)水，該區(qū)保水開采難以實現(xiàn)。

(2)王臺鋪煤礦

中國山西晉煤集團王臺鋪煤礦XV23塊段對應(yīng)地表有廠房、房屋及煙囪等建筑物。煤層平均厚度為2.5 m，傾角1°～2°。煤層普氏硬度f=2～4，平均埋深248 m，覆巖以砂巖、泥巖為主。直接頂為石灰?guī)r，平均厚度8.5 m，單向抗壓強度53.6～212.9 MPa。直接底為泥巖，平均厚度9.4 m，單向抗壓強度12.1～58.4 MPa。

圖13 水位觀測孔布置及涌水位置Fig.13 Layout of water level observation hole

采用壁式連采連充保水采煤方法[36]，將XV煤開采區(qū)域劃分為若干條寬6 m、高2.6 m的巷道，并分為4個階段開采。在實驗塊段煤炭資源采出率達96.8%的條件下，充填開采區(qū)域的最終地表下沉系數(shù)不超過0.02，地表變形量小于建筑物Ⅰ級損壞等級指標。整個采動覆巖的最大水平變形沒有超過1.2 mm/m，覆巖中隔水層的隔水能力性沒有被破壞，實現(xiàn)了上覆含水層和淺表水資源的原位保護[21]。

5.2 關(guān)鍵技術(shù)指標

該技術(shù)與國內(nèi)外同類研究、類似技術(shù)指標比較見表1。

表1 與其它保水采煤方法的主要技術(shù)指標比較Table 1 Compare with the main technical indexes of other water conservation mining methods

6 結(jié) 論

(1)開發(fā)出能與綜采采煤工藝相匹配的近距煤層長壁高效保水采煤方法與技術(shù)，解決了反復開采擾動區(qū)覆巖導水裂隙協(xié)同控制難題，實現(xiàn)了基于淺表水資源保護的近距煤層高效開采，適應(yīng)當前我國西北礦區(qū)普遍采用長壁工作面進行大規(guī)模、高強度開采的現(xiàn)狀及近距煤層賦存條件。

(2)提出了“多支巷布置、采充并行”壁式連采連充保水采煤方法，解決了極薄阻隔層低損傷控制難題，可實現(xiàn)極近距淺表水下的高效保水采煤。

(3)提出基于紅外輻射地球物理原理的采動覆巖導水裂隙無損探測與監(jiān)測預警技術(shù)，解決了采掘工作面涌(突)水紅外監(jiān)測預警難題，實現(xiàn)保水采煤技術(shù)實施效果的實時動態(tài)可控。