西部煤炭主产区顶板水害及精准防控技术获突破

提到内蒙古鄂尔多斯地区，人们往往想到“大漠孤烟直、黄河落日圆”的西北边陲，年降水量261毫米至693毫米，是典型的干旱半干旱区。

就是这样一个看似缺水的地区，却让煤炭企业因煤层顶板水治理问题伤透了脑筋。

数据显示，2009年到2010年，神华宁煤集团红柳煤矿、神华神东煤炭集团哈拉沟煤矿以及中煤集团母杜柴登煤矿等多处煤矿发生顶板水害事故，涌水量远超预计值，少则每小时涌水212立方米，多则每小时涌水3000立方米，煤矿生产建设饱受困扰。

鄂尔多斯盆地北部顶板水害难题，已成为近年来煤炭行业重点攻克的对象。

从忽视到重视

鄂尔多斯陆块，在现代地貌上表现为高原，而它的发生发展历史，最早可以追溯到35亿年前的地质历史时期。

和地球上所有大陆一样，它经历了复杂的沧海桑田的发展历史——从古老结晶基底岩系发育和古生代盖层沉积阶段，到中新生代坳陷盆地阶段，再到陆块因受喜马拉雅运动的影响而整体抬高，陆块时降时升，海水时侵时退。

侏罗纪时期，鄂尔多斯陆块处于温暖潮湿的亚热带气候环境，植被发育，沉积了一套从西向东逐渐变薄的含煤层砂质沉积物。在今天的地图上，鄂尔多斯盆地横跨陕西省、甘肃省、山西省、宁夏回族自治区、内蒙古自治区5个省、自治区，面积37万平方公里。鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田保有资源储量占我国总量的三分之一，涵盖神东、宁东、陕北、黄陇四大煤炭生产基地。

鄂尔多斯盆地煤炭资源开发较晚，加之人们一直认为西北干旱半干旱地区少雨缺水，对矿井顶板水害的认识不足，因此鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田矿井水害频发。

1993年3月24日，神华神东煤炭集团大柳塔煤矿1203工作面发生突水事故，最大涌水量每小时达到408立方米，工作面被淹；2009年9月至2010年3月，神华宁煤集团红柳煤矿010201工作面回采期间发生4次突水事故，最大涌水量每小时达到3000立方米，工作面被迫2次停产；2001年5月31日，神华神东煤炭集团上湾煤矿22煤辅运一中巷发生突水溃沙事故，溃沙量4700立方米，导致掘进头被淹……十多年来，发生大小顶板水害事故11起，淹井、淹工作面、淹掘进头，甚至淹了人。

“这样下去肯定不行。”神华集团安监局业务经理刘生优说，“以往我国矿井防治水研究的重点主要集中在华北煤田的底板灰岩水害防治方面。近些年，我国东部煤炭资源逐渐枯竭，西部煤炭资源的开发逐渐提上议程，西部侏罗纪煤田所面临的顶板砂岩水害的严重程度开始引起人们的重视。”

2010年，神华集团与中煤科工集团西安研究院有限公司合作，组织神华神东煤炭集团、神华杭锦能源公司、神华宁煤集团等子公司，针对鄂尔多斯盆地北部煤层顶板水害形成机理及防治关键技术进行攻关。

从定性到定量

长期以来，人们对于侏罗纪煤田水害的严重性和频发性认识不够。针对鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田矿井水文地质条件和水害发生机理的研究较少，矿井防治水工作存在一定盲目性。

“研究基本上是从零做起的。”刘生优说，“每个地区的地质条件都有其特殊性，国内尚无研究可参考，国外也无既有经验可借鉴。”

据介绍，在西北地区，以往的水害防治存在定性多、定量少的特点。一个地方能不能进行开采，只给出“能”和“不能”两个选项，至于为什么能、为什么不能，往往依靠经验。

根据既有经验，工作面和矿井涌水量预测方法科学性和可靠性较差，涌水量预测值与实际值出入较大，无法作为矿井排水系统设计和开展防治水工作的依据。

顶板水害预报难、涌水量预测不准确、高压含水层探放难、离层水害防治难、溃水溃沙防控难成为水害治理的五大难点。

2010年，神华集团和中煤科工集团西安研究院有限公司合作开展鄂尔多斯盆地北部煤层顶板水害形成机理及防治关键技术研究。在研究过程中，神华集团投入科研经费超过1亿元，工程资金4.5亿元。项目研究人员进行水文地质调查5.6万平方公里，相当于3.4个北京市的面积；地面水文地质钻探32156.5米，井下钻探1725923米，超过地球半径的1/4；进行1362组水样采集与分析、12次岩石物理力学测试、5次室内相似材料模拟、32次数值模拟。

“我们的研究人员需要根据勘探结果，还原几亿年前的地质构造，模拟地质变迁，通过沉积相研究，识别定位含水层。”刘生优说，“研究发现，煤层顶板含水层为河流及三角洲沉积平面上呈条带状分布，在剖面上呈‘透镜体’状分布，解决了顶板水害预报难的问题。”

针对涌水量预测不准确的问题，研究人员采用动、静储量叠加预测工作面涌水量，按照时空分区预测矿井涌水量的方法，充分疏放静储量后，采后涌水量实现了“削峰平谷”，呈“台阶式”增加。

研究人员针对高压含水层探放难的问题，采用长距离顺层跟踪探放水工艺及可控疏放、“削峰平谷”的探放水流程；针对离层水害防治难的问题，确定离层水体的空间位置，选择探放时机，实行靶向探放离层水；针对溃水溃沙防控难的问题，揭示致灾条件和机理，注浆固沙阻断溃涌通道，疏水降压削减水沙动力。

“在顶板水预测方面，仅凭借经验的定性评价方式退出了历史舞台。”据刘生优介绍，在含水层沉积控水理论的指导下，通过研发含水层异常区探查物探装备，使含水层富水性预测精度提高了37%。疏放水钻孔、工作面和矿井的涌水量预测方法，将工作面和矿井涌水量预测精度分别提高了40%和30%。顶板含水层预疏放效果定量化评价方法，将含水层疏放水量有效减少了45%，工作面水害防治周期平均缩短了27天。

从应用到推广

从2013年开始，该项目的部分研究成果已逐步在相似条件的煤矿和矿区应用。截至2017年11月底，该项目研究成果已在神华集团神东矿区、宁东矿区，中煤集团纳林河矿区、葫芦素矿区和呼吉尔特矿区等受顶板水害威胁严重的煤矿（矿区）全面推广。

利用该项目成果，神华集团在神华、中煤、陕煤管辖的8个矿区21处煤矿，富水性分区36平方公里，异常体探查28次，探测准确率达87%以上；在42个工作面和12处煤矿完成涌水量预测，对28个水文地质条件复杂的工作面进行了疏放水效果评价，准确率达100%；对宁东矿区26个工作面进行了离层水害探查和治理，无一起离层水害事故发生；对神东矿区17个工作面进行了薄基岩突水溃沙防治，杜绝了突水溃沙事故。

该项目应用后，神华集团2017年新增销售额超过27.56亿元，近3年来，累计新增销售额近92.84亿元，累计新增利润超过17.51亿元。项目研究成果在神华国网能源公司、神华新疆能源公司、内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司、兖州煤业鄂尔多斯能化有限公司等煤炭企业得到推广应用，创造间接经济效益200亿元以上。

在直观的效益背后，该项目还先后培养了博士后、博士和硕士共19人，形成了一支高水平的矿井水害防治人才队伍；制订了一批国家与行业标准，创新了学科理论与技术体系。

“未来要做的工作还有很多 。”刘生优介绍，除了鄂尔多斯盆地，新疆侏罗纪煤田、东北第三纪煤田和白垩纪煤田等也普遍面临顶板水害的威胁。《煤炭工业发展“十三五”规划》明确了“压缩东部、限制中部和东北部、优化西部” 的全国煤炭开发总体布局，西部地区煤炭安全高效开采提上日程。目前，顶板水害致灾模式已初步建立，精准防控关键技术仍需不断完善。