我国缺油、少气、相对富煤的资源禀赋特征，决定了煤炭在我国能源供给中具有举足轻重的地位，并且在今后较长一段时期内，煤炭作为我国主体能源的地位不会发生根本性改变。随着东部煤炭资源逐渐枯竭，我国煤炭开发重心逐步向西部转移，其中鄂尔多斯盆地的侏罗纪煤炭资源开发已经成为国民经济发展的重要保障。

鄂尔多斯盆地是我国重要的含煤盆地，其侏罗纪煤炭资源储量占全国总储量的30%左右。由于古地理环境和构造运动的共同作用，鄂尔多斯盆地侏罗系煤层上部覆盖有基岩孔隙裂隙含水层和第四系松散层孔隙含水层，局部区域烧变岩含水层发育，在大规模机械化采煤的扰动下，导水裂隙带易导通含水层(体)，引发顶板水害事故。砂泥岩叠合离层水害、薄基岩溃水溃沙灾害、巨厚砂岩含水层水害和侧向补给型烧变岩水害等四类顶板水害的隐蔽性和致灾性强，一旦发生往往会造成重大的人员伤亡和财产损失，严重制约国家能源战略的实施和西部千万吨矿井群的建设。

以往我国矿井水害研究的重点主要集中在东部矿区的底板灰岩水害，针对西部鄂尔多斯盆地煤层顶板水害缺乏持续性和系统性的研究，顶板水害发生机理不清，防治水技术多依靠经验，无法有针对性地指导煤层顶板水害防控工作的开展。为了保障鄂尔多斯盆地煤炭资源安全开发，推动矿井防治水技术的进步，针对顶板水害开展其分布特征、形成机理、判识方法与防控技术的研究势在必行。

董书宁研究团队采用理论分析、室内试验与测试、数值模拟与相似材料模拟等方法，选取受顶板水害影响较大的典型矿区(矿井)作为研究对象，结合水文地质学、工程地质学、采矿学、沉积学等学科理论，较为全面地对砂泥岩叠合离层水害、薄基岩溃水溃沙灾害、巨厚砂岩含水层水害和侧向补给型烧变岩水害四类典型顶板水害的形成机理和防控技术开展研究，并取得了较好的现场应用效果，为鄂尔多斯盆地侏罗纪煤炭资源安全、高效、绿色开发提供技术支撑。

《鄂尔多斯盆地煤层典型顶板水害成因与防控技术》以鄂尔多斯盆地煤炭开采工程为背景，在查明矿区地质、水文地质条件的基础上，系统总结出鄂尔多斯盆地煤层开采面临的离层水害、薄基岩溃水溃沙灾害、巨厚砂岩含水层水害和烧变岩水害四种典型顶板水害类型，研究了各类水害的特征及形成机理，并提出了各类水害的探查、预防、治理措施，主要取得以下成果。

(1) 鄂尔多斯盆地煤炭和地下水同时赋存的现状，使得盆地内侏罗系煤层开采普遍受到顶板水害威胁，其中离层水害分布于宁东煤田、黄陇煤田、桌子山煤田和陇东煤田，薄基岩溃水溃沙灾害主要发生在陕北侏罗纪煤田，巨厚砂岩含水层水害属于砂岩含水层的一种特殊情况，对黄陇煤田、宁东煤田、东胜煤田影响较为严重，烧变岩水害在陕北侏罗纪煤田部分矿区呈条带状分布。

(2) 本书分析了砂泥岩叠合型离层水害形成机理，提出束状钻孔疏放为核心的离层水害防控技术。通过综合分析离层水害发生矿井的煤层顶板岩层组合和水害特征，提出直罗组砂岩含水层富水性评价主控因素，采用灰色关联度法、三角形隶属度函数、语气算子比较法和模糊综合评判法构建富水性评价模型，并对工作面充水的直罗组含水层进行富水性分区；利用RFPA和FLAC3D软件数值模拟研究了工作面开采覆岩破坏规律，结合莫尔-库伦破坏准则、数值模拟、相似材料物理模拟，对工作面回采过程中离层发育层位和形成条件进行判别，从而揭示了砂泥岩叠合型离层水害发生机理，即“工作面回采—砂泥岩层非协同变形产生离层—离层空间充水—泥岩层破断透水—泥岩层闭合隔水—后部砂泥岩层非协同变形产生离层”，并提出了红柳煤矿具备离层水害形成条件的临界泥岩层厚度为19m。以充水含水层富水性、泥岩层厚度为主要判识指标，对离层水害危险性进行分区。基于工作面来压步距、推进速度、离层发育位置和钻孔施工速度，形成了“束状钻孔、靶向探放”的致灾离层水害精准防控技术，并在红柳煤矿010201工作面取得了良好的应用效果。

(3) 分析了顶板薄基岩回采工作面溃水溃沙灾害形成机理，提出了“四项控制法”为核心的溃水溃沙灾害防控技术。通过分析浅埋煤层顶板垮落特征，从溃水溃沙灾害防控角度出发，提出了竖“两带”、横“两区”理论和“导水沙裂隙带”概念；以垮落性裂隙带、网络性裂隙带及导水裂隙带高度为分类依据，提出了超薄基岩、薄基岩可通过注浆加厚、含水层疏放等措施实现溃水溃沙灾害的防控；建立了“导水沙拱”力学模型，推导出导水沙裂隙带高度理论计算公式，为判别薄基岩回采工作面是否发生溃水溃沙灾害提供理论依据。通过分析水沙流突出类型影响因素，得出溃水溃沙灾害发生时水沙源、通道、动力源和流动空间这四个必要条件，建立了溃水溃沙发生的临界水力坡度与临界水头判别公式，为受溃水溃沙灾害威胁的薄基岩回采工作面含水沙层水头疏降提供理论支撑。根据竖“两带”、横“两区”理论，针对垮落性裂隙带、网络性裂隙带所引发的溃水溃沙灾害的特征和类型，提出了条件探查、基本因素确定、溃水防控、溃沙防控的“四项控制法”防灾措施，并将研究成果应用于哈拉沟煤矿薄基岩富水沙层工作面，通过排水系统设置、井下疏降水及地面拦截水、塌陷区铺膜等方法，实现了薄基岩工作面的安全回采。

(4) 提出了巨厚砂岩含水层分层抽水精细探查技术，提出了“适当波及、主动防控”的水害防控新理念与技术体系。创新性地采用双封隔器分层抽水系统对巨厚洛河组砂岩含水层进行分层抽水、取样、测试，以地下水动力学基础理论为指导，建立了双封隔器抽水的非完整井流参数求解模型，并计算出彬长矿区分层抽水的各层参数；以分层抽水成果为主，结合分层水化学测试、非同层抽水试验，查明了彬长矿区巨厚洛河组砂岩含水层为非均质各向异性含水层，垂向可分为上、中、下三段，且下段富水性较弱；形成了煤层开采全过程的导水裂隙带综合探查方法，并在彬长矿区综放开采工作面进行裂隙带高度实测，辅助开展覆岩破坏FLAC3D软件数值模拟和相似材料物理模拟，综合确定彬长矿区煤层综放开采导水裂隙带高度可达采高的22.3倍，多数区域均可波及洛河组含水层下段；概化出裂隙带仅波及洛河组砂岩含水层下段的水文地质概念模型，采用有限差分模拟软件Visual MODFLOW模拟该水文地质条件下含水层渗流规律，发现导水裂隙带仅波及洛河组含水层下段时，含水层水位不会整体下降，且充水强度也小于初始认识；以此为基础提出了巨厚砂岩含水层仅下段受裂隙带波及条件下的递进渗流充水模式，该模式的形成条件为含水层非均质各向异性、垂向渗透性低、裂隙带部分波及。在渗流规律认识基础上，提出了“适当波及、主动防控”的巨厚砂岩含水层水害防控思路，以控制涌水量为核心，允许裂隙带适当波及含水层，并建立涌水量精准预测方法与配套的防、排、控水综合技术体系。

(5) 分析了侧向补给型烧变岩水害形成机制，提出了以帷幕墙构建为核心的烧变岩水害防控技术。利用水文地质钻探、物探、化探、地面抽水和井下疏放水试验等手段查明了研究区烧变岩分布范围与水文地质特征，弄清了5-2煤的主要充水水源和充水通道，揭示了水库水与烧变岩水的水力联系，建立了烧变岩注浆帷幕截流保水开采新技术。5-2煤开采的充水水源为4-2煤烧变岩水，主要补给源为常家沟水库水，补给通道为4-2煤烧变岩空隙介质，充水断面为4-2煤烧变岩全过水断面；4-2煤烧变岩受注体为砖红色碎裂结构岩石，空隙率为8%～15%，渗透系数为65.3～148.7m/d，受注体可注性好；帷幕墙东西向长度为625m，采用双排钻孔布置，顶界面标高不低于常家沟水库水位标高+1137m；制定了科学的钻探和注浆施工工序和工艺。实施的双位双向引流注浆、烧变岩全断面分区注浆、防渗截流效果即时检验等注浆帷幕关键技术效果较好。目前，152-2和15208工作面已回采结束，工作面涌水量不超过5m3/h，实现了5-2煤的安全、绿色开采。

本书汇集了研究团队多年来在鄂尔多斯盆地煤层顶板水害防控的重要成果，在总结大量的水害实例和防控经验的基础上，综合了理论研究、模拟测试、现场试验、工程示范等手段，分析了水害形成机理并构建防控技术体系，是鄂尔多斯盆地水害防控的重要理论与技术成果，对我国鄂尔多斯盆地及类似地区的煤炭资源安全、高效、绿色开发具有重要的借鉴意义。

展 望

随着“一带一路”倡议的提出及我国煤炭资源开发战略西移，鄂尔多斯盆地千万吨矿井群进一步开发建设，能源基地地位更加凸显。由于盆地内煤炭资源丰富、开采强度和开采规模巨大、地下水赋存条件优良，煤层开采将始终受到顶板水害的严重威胁，并面临着水资源保护的艰巨任务，煤炭资源开发与水资源和生态环境保护之间的协调难度大。为此，鄂尔多斯盆地水害防控工作将任重道远，未来顶板水害防控有以下几个重点发展方向。

(1)推进防治水工作治保结合，研发煤层顶板采动岩体裂隙修复矿井减水技术。厚层砂岩含水层的高强度涌水不仅威胁矿井安全，而且破坏了地下水环境。在综合研究不同岩性组合下导水裂隙闭合规律的基础上，研发大型工程性人为干预方法，减小采动裂隙导水能力、促进裂隙的修复愈合，切断顶板含水层水向采空区流动的导水通道，避免含水层向采空区持续大量充水，减小矿井涌水量，同时有效保护地下水资源。

(2)推进防治水工作治用结合，形成水害防控-矿井水资源综合利用-生态环境保护一体化技术。鄂尔多斯盆地多数矿井位于我国的生态脆弱区，区域水资源匮乏，生态环境脆弱。基于水害防控、矿井水资源综合利用与生态环境保护的综合需求，进行控水开采设计，减少矿井涌水；基于“分质利用”理念，开展矿井水资源化利用，缓解西部矿区富煤贫水的矛盾；以水为纽带，形成面向矿区生态环境保护的地质保障技术体系。

(3)推进防治水工作智能化进程，搭建水害预警与防控智能化平台。随着我国煤矿智能化建设进程的加速，可依托智能矿山在监测监控、数据传输等方面的优势，开发“水害防控专家决策系统”，实现基础数据自动监测与存储、排水路径辅助设计、水情自动监测、水患智能感知、排水系统自主控制等目标，推进煤矿防治水工作的智能化建设。

(4)推进全生命周期的矿井水防控工作，形成关闭(废弃)矿井水害风险评估与污染防控技术。随着鄂尔多斯盆地煤炭资源的持续高强度开发，部分矿井面临着煤炭资源的枯竭与停产闭坑，顶板含水层持续充水，使得闭坑矿井水位抬升，威胁周边矿井安全并污染上覆含水层。因此，亟须制定闭坑矿井的管理办法与相关法规，构建闭坑矿井水害与水环境风险评价方法，形成闭坑水害控制与水污染超前治理成套技术。

作者简介

董书宁，研究员、博士生导师，矿山水文地质学家、国务院特殊津贴获得者。现任中国煤炭科工集团有限公司科技委副主任、首席科学家、陕西省煤矿水害防治技术重点实验室主任，兼任国家安全生产专家组煤矿地质灾害组组长、中国煤炭工业协会技术委员会矿区勘探与水害防治专家委员会主任、煤炭工业安全科学技术学会水害防治专业委员会主任、国际矿井水协会中国国家委员会副主席、《煤田地质与勘探》主编、Mine Water & the Environment（SCI收录）副主编、《煤炭学报》（EI收录）编委等职务，是国家重点研发计划项目首席科学家。负责（参加）修订了《煤矿安全规程》、《煤矿防治水规定》和《煤矿防治水细则》等国家和行业规程规范。荣获国家科学技术进步二等奖2项、省部级科技进步一等奖14项，其他省部级科学技术奖励15项；发表学术论文90余篇，出版专（编）著5部、授权发明专利14项；获孙越崎能源大奖（2019年）、杰出工程师奖（2020年）等荣誉。

鄂尔多斯盆地煤层典型顶板水害成因与防控技术

董书宁 等 著

北京：科学出版社，2021.11

ISBN 978-7-03-068290-1

责任编辑：祝 洁

内容简介

本书通过系统分析鄂尔多斯盆地煤层赋存与水文地质条件，梳理了盆地范围内离层水害、溃水溃沙灾害、巨厚砂岩含水层水害和烧变岩水害四种典型顶板水害的主要分布范围与特征；运用水文地质学、工程地质学、采矿工程等多学科理论与方法，揭示了砂泥岩叠合离层水害形成机理、薄基岩溃水溃沙灾害发生条件、巨厚砂岩含水层“递进渗流”充水模式及侧向补给型烧变岩水害成因，建立了典型顶板水害危险性评价方法，提出了离层水害束状钻孔靶向探放技术、溃水溃沙灾害注浆加固与综合治理技术、巨厚砂岩含水层水害主动防控技术及烧变岩水害帷幕截流技术，并开展了相关的工程实践工作。

本书可供水文地质、采矿工程、环境地质等领域的专业技术人员、管理人员等参考使用，也可供相关专业的高校师生参考。

目录速览

序一

序二

序三

前言

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 离层水害研究现状 2

1.2.2 溃水溃沙灾害研究现状 4

1.2.3 厚层砂岩含水层水害研究现状 7

1.2.4 烧变岩水害研究现状 11

1.3 本书研究内容 12

第2章 鄂尔多斯盆地水文地质条件及顶板水害特征 14

2.1 自然地理条件 14

2.2 区域地质及水文地质条件 15

2.2.1 区域地层 16

2.2.2 区域构造 20

2.2.3 区域水文地质条件 22

2.3 煤层顶板水害分布特征 27

2.3.1 煤炭储量及矿区建设 27

2.3.2 煤层典型顶板水害及分布 30

2.4 煤层典型顶板水害及其形成条件 33

2.4.1 离层水害 34

2.4.2 溃水溃沙灾害 43

2.4.3 巨厚砂岩含水层水害 47

2.4.4 烧变岩水害 58

第3章 砂泥岩叠合离层水害成因与防控技术 68

3.1 砂泥岩叠合离层水害及其特征 68

3.1.1 离层水害发生过程 68

3.1.2 离层水害周期性特征 69

3.1.3 工作面覆岩结构特征 69

3.2 砂泥岩叠合离层水害形成机理 70

3.2.1 含水层富水性研究 71

3.2.2 工作面覆岩破坏规律研究 82

3.2.3 砂泥岩叠合离层水害形成 98

3.3 砂泥岩叠合离层水害防控技术 120

3.3.1 离层水害危险性分区分级 120

3.3.2 离层水体精准探放技术 124

3.4 应用实例 125

3.4.1 离层水体验证性探放 125

3.4.2 离层充水含水层水源疏放 127

3.4.3 离层水探放效果 130

第4章 薄基岩溃水溃沙灾害成因与防控技术 133

4.1 薄基岩溃水溃沙灾害案例及特征 133

4.1.1 薄基岩溃水溃沙灾害案例 133

4.1.2 薄基岩回采工作面溃水溃沙特征 135

4.2 薄基岩回采工作面溃水溃沙形成机理 136

4.2.1 导水沙通道形成规律 136

4.2.2 薄基岩溃水溃沙灾害因素分析及形成机理 161

4.3 薄基岩回采工作面溃水溃沙灾害防控技术 168

4.3.1 溃水溃沙灾害预测 168

4.3.2 溃水溃沙灾害防控方法与关键技术 176

4.4 应用实例 197

4.4.1 回采工作面概况及充水因素分析 197

4.4.2 回采工作面溃水溃沙灾害防控措施 199

第5章 巨厚砂岩含水层水害成因与防控技术 209

5.1 巨厚砂岩含水层水害特征 209

5.2 巨厚砂岩含水层水害形成机理 211

5.2.1 巨厚砂岩含水层非均质特征精细勘探 211

5.2.2 综放开采导水裂隙带高度研究 224

5.2.3 巨厚砂岩含水层充水模式 245

5.2.4 递进渗流充水模式下涌水量预测 254

5.3 巨厚砂岩含水层水害防控技术 264

5.3.1 水害防控思路与技术体系 264

5.3.2 主动防控关键技术 265

5.4 应用实例 272

5.4.1 工作面概况 272

5.4.2 煤矿水害防控工程 272

5.4.3 工作面煤矿水害防控工程 272

5.4.4 水害防控效果 274

第6章 侧向补给型烧变岩水害成因与防控技术 276

6.1 烧变岩水害特征 276

6.2 侧向补给型烧变岩水害形成机制 278

6.2.1 烧变岩水害概况 278

6.2.2 水文地质条件探查 279

6.2.3 烧变岩水与水库水水力联系 293

6.3 侧向补给型烧变岩水害防控技术 295

6.3.1 注浆帷幕条件分析 295

6.3.2 注浆帷幕关键技术 298

6.4 烧变岩水害治理效果检验 307

6.4.1 治理效果即时检验 307

6.4.2 采前疏放水效果检验 309

6.4.3 采后效果验证 311

第7章 结论与展望 312

7.1 主要结论 312

7.2 展望 314

参考文献 316

（本文编辑： 王芳）

一起阅读科学!

科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm

专业品质 学术价值

原创好读 科学品味

科学出版社视频号

硬核有料 视听科学

传播科学，欢迎您点亮★星标，点赞、在看▼