0 引 言
煤炭在我国一次能源生产和消费结构中长期占比60%以上，是我国能源安全的压舱石。随着煤炭开采重心的战略转移，西北地区已成为我国能源供应的主要基地。近年来，鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田开发不仅受顶板水害威胁，影响煤炭资源安全开采，尤其是陕北榆神府矿区由于地处黄河流域北部，生态环境脆弱，随着工作面尺寸大、推进速度快等高强度开采，不仅导致覆岩破坏剧烈,而且也使得地表下沉速度快、移动变形量大、非连续破坏明显，引起水资源和生态环境损害。因此，在保障侏罗纪煤田资源开发安全的前提下，减少煤矿开采对水资源的损害，实现煤炭开采与矿区生态环境协调发展，是黄河流域煤炭工业高质量发展必须破解的重大科学难题[1]。
针对受水害威胁的侏罗纪煤田，董书宁等[2]基于侏罗纪煤炭资源赋存条件、顶板含水层特征、顶板水害分布范围与防控难题，对离层水害、薄基岩溃水溃沙、厚层砂岩水害和烧变岩水害4种典型顶板水害进行了系统研究。我国关于矿区水体保护思想的论述最早是刘天泉[3]院士团队于1981年提出的，指出在水库、井泉等要求保护的水体下采煤的前提是不允许导水裂缝带波及水体，而且须针对受护水体留设防水安全煤岩柱。20世纪90年代初，随着陕北侏罗纪煤田开发中引发的一系列矿山环境问题，文献[4-5]正式将采煤、保水和生态环境保护作为1个系统工程统一规划的保水采煤思路提出，经过近30年的发展，保水采煤历经萌芽、形成、发展和成熟4个时期。我国学者[6-14]根据不同水体和地质采矿条件，对水体压煤的保水开采问题，在我国的多个矿区重点围绕水文地质保障基础、导水裂缝带高度、保水开采工艺等开展了保水采煤系统深入的研究，形成了自然保水、采取一定技术措施保水和水资源再利用三大类保水开采技术。尤其是针对特殊保水开采区，提出了局部充填开采隔水层控制技术、再造覆岩关键隔水层的技术、注浆加固和强化采空区围岩结构技术、以及煤矿地下水库等技术；针对矿井水处理，提出了利用井下采空区处理矿井水的循环系统和水资源利用技术。
近年来，张玉军等[15]综合考虑煤矿安全、经济合理以及低损害等重要因素，提出并发展了“控水采煤”的绿色理念，并将该理念与保水开采相融合，在保障侏罗纪煤田资源开发安全的前提下，最大程度地实现对水资源的保护，从而实现控水保安全保水保生态的目标。据此，笔者以鄂尔多斯盆地侏罗系煤田为工程背景，开展了不同水文地质和采矿条件下覆岩结构类型、导水裂缝带发育规律、地表裂缝分布形态及深度、隔水层稳定性分析以及疏控水方案等方面系统研究，进行了基于确保采动隔水层稳定的浅层地下水保水，基于浅埋厚土层阻水效应的地表水保水，以及基于控疏结合的深部多重含水层保水开采实践。
1 基于厚基岩采动隔水层稳定的浅层地下水保水开采实践
1.1 研究区概况
研究矿井王家塔煤矿位于东胜煤田的东北部，含煤地层为侏罗系延安组，煤层厚度为4.57～11.70 m，平均7.86 m，埋深140～225 m，采用综采放顶煤开采方法。地层由老至新为三叠系延长组、侏罗系延安组、侏罗系安定-直罗组、白垩系志丹群、新近系上新统和第四系。煤层覆岩含水层为第四系潜水含水层和基岩裂隙承压含水层，其中基岩含水层包括白垩系和侏罗系地层。第四系潜水含水层为矿区周边居民生产生活用水的取水层位，水位埋深0～2 m，富水性弱～中等，透水性强。基岩裂隙承压含水层的富水性均较弱。主采煤层上覆100 m范围岩性以泥岩、粉细砂岩为主，其中泥岩类岩层平均厚度为33.37 m，砂岩类岩层平均厚度达66.63 m。岩石力学强度为5.0～35.9 MPa，平均抗压强度仅为15.45 MPa。根据水理性质分析，泥质岩黏粒含量不高，黏粒一般小于15%，细砂岩和中粗砂岩干燥后在水中强烈崩解成砂状，属于具膨胀性和崩解性的极软岩。综合岩性结构、物理力学及水理特性分析，研究区覆岩整体具有下硬上软的强度特征，上部泥岩易崩解，隔水性能一般；砂岩胶结性差，具有强崩解性，虽不具有隔水性，但受采动影响后能较好地抑制采动裂隙继续向上发展。而下部地层为中粗砂岩，钙质胶结程度高，则不利于控制覆岩破坏。
1.2 覆岩采动裂隙高度与特征监测分析
为了监测研究区受采动影响后覆岩上行导水裂缝发育高度及特征，综合采用地面钻孔冲洗液漏失量观测法，并配合岩心破碎程度观测和钻孔彩色电视窥视系统，实测获得了该矿综放开采条件下覆岩裂隙发育高度与特征。共布置2个地面钻孔，分别位于回风巷和运输巷内。探测钻孔位置煤层埋深分别为208、212 m，在煤层开采厚度为5.0 m的条件下，最终实测确定出CH01钻孔的垮落带高度为19.90 m，导水裂缝带高度为68.40 m；CH02钻孔的垮落带高度为23.45 m，导水裂缝带高度为71.00 m。裂采比为13.7～14.2，覆岩采动裂缝监测成果如图1所示。分析图1可知，覆岩在80～110 m深度发育原生裂隙，受软弱岩层的抑制作用，采动导水裂隙顶点终止于砂质泥岩和粉砂岩中，从采动裂隙发育形态上看，采动破坏也不够充分，以高角度纵向延展裂隙为主，偶见纵横交错裂隙，钻孔窥视可见部分层段软弱岩层受采动后遇水发生局部塌落现象。
图1 覆岩采动裂隙监测成果
Fig.1 Monitoring results of overlying rock mining fractures
1.3 地表采动裂缝分布范围与深度实测分析
1.3.1 地面采动裂缝分布范围分析
通过对工作面回采过程中地面裂缝分布现场调查和监测，工作面开切眼位置两侧下沉盆地边缘出现比较固定的裂缝，裂缝方向与采空区边界方向基本一致，裂缝宽度一般20～50 mm，伴有较明显的地表裂缝带状分布区，以工作面开切眼位置地表裂缝最为发育，裂缝最大宽度约为250 mm，随着工作面不断向前推进，在工作面前方动态拉伸区不断出现动态裂缝，该裂缝一般每隔6～10 m出现1条，与回采线大致平行，呈弧状裂缝，裂缝宽度一般10～30 mm，发育成熟一般需20 d左右，之后裂缝逐渐闭合消失。总的来看，裂缝在工作面上山方向较为发育。图2为工作面回采期间，地表裂缝发育形态及分布。整个地表裂缝发育剧烈，以平行开采工作面倾向为特征，裂缝发育集中区域位于工作面中部，裂缝张口宽度最大可达50 cm以上，呈楔形，局部裂缝在两帮出现台阶状。
图2 地表裂缝发育分布及形态
Fig.2 Distribution and morphology of surface fractures
1.3.2 地面采动裂缝深度监测
为精确获取煤层开采地表裂缝发育深度，应用高密度电法仪和槽探法分别在工作面开切眼附近对地表裂缝的发育深度进行了实测。图3和图4分别为高密度电法L1和L2线视电阻率反演剖面图。
图3 高密度电法L1线视电阻率反演剖面图
Fig.3 High-density electrical L1 line apparent resistivity inversion profiles
图4 高密度电法L2线视电阻率反演剖面图
Fig.4 High-density electrical L2 line apparent resistivity inversion profiles
从纵向方向看，剖面图上部为高阻层，厚度在10～20 m，推测为第四系的反映。剖面图下部为相对低阻层，其视电阻率在140 Ω·m以下，推测为基岩。从横向方向看，在第四系浅部有从地表向地下延伸的高阻，结合地面裂缝的分布，分析认为在图中反映6个(LI线)和8个(L2线)裂缝(图中蓝色虚线所示)，裂缝发育深度在5～10 m。
同时，对推测可能存在地裂缝的位置进行槽探揭露，如图5所示，探槽底部挖掘至基岩，岩性坚硬，裂缝宽度迅速减小，肉眼难以识别，微裂缝深度无法确定。采用石灰水标记印迹的方法，裂缝深部由于裂隙较窄及黄土充填等原因，石灰水渗不下去，确定本次探测得到的地表裂缝发育深度为16.6 m。
图5 探槽法探测裂缝深度
Fig.5 Detecting depth of crack by grooving
1.4 采动地下含(隔)水层稳定性分析
厚基岩条件下，主采煤层与保护含水层之间的隔水层稳定性是实现保水采煤的关键。综合煤层开采的覆岩破坏高度和地表裂缝的监测结果，分析覆岩含(隔)水层受采动影响后的流场分布情况。在与第四系含水层有直接水力联系的白垩系地层底界以下安定组顶部有一稳定沉积的泥岩类隔水层，该岩层厚度大于5.0 m，平均厚度为14.57 m，该层泥岩强度较低，黏土矿物绝对含量约为15%，具有弱膨胀性和较好的抗渗隔水性能，在原始状态下基本阻隔了白垩系地层与下伏承压含水层的水力联系，这是阻隔地表裂缝与井下裂缝沟通的良好隔水层，是实现上覆水体保水开采的有利条件和关键层位。实测导水裂缝带最大高度为71.00 m，采动导水裂缝顶点终止于直罗组的砂质泥岩和粉砂岩中，不能导通白垩系含水层。同时，研究区范围内白垩系地层底界埋深均大于30.00 m，大于监测的地表裂缝发育深度，地表裂缝不会破坏安定组顶部的泥岩层的隔水性。因此，采动形成的上行和下行裂缝均没有进入到安定组顶部稳定的泥岩类隔水层，保持了该隔水层的稳定性，阻隔了第四系潜水含水层与基岩含水层产生的水力联系，可以实现潜水含水层的保水开采目标。覆岩采动裂缝与地表裂缝的连通情况如图6所示。
图6 采动上行和下行裂缝连通情况
Fig.6 Mining uplink and downlink crack connectivity
为了进一步了解采动覆岩破坏与地表裂缝的连通情况，以该矿区某工作面的地质采矿条件，基于FLAC3D数值模拟软件，建立了数值模型，模拟覆岩破坏、裂隙演化、地表裂缝演化以及与导水裂缝带的连通情况，模拟结果如图7所示。从图中可以看出，由于采动影响引起地表及顶板岩层移动并在一定范围内产生塑性破坏。随着开采推进，导水裂缝带呈现“马鞍”形态，最大高度终止于直罗组，地表塑性区破坏呈现开采边界发育深度大，中间小的“倒马鞍”形态，但覆岩采动裂隙未与地表裂缝(塑性区)贯通，在采动影响下安定组顶部泥岩隔水层保持了稳定性。
图7 采动覆岩与地表裂缝连通性模拟
Fig.7 Connectivity simulation of mining overlay and surface fracture
1.5 研究区浅层地下水保水开采实践
研究区3101工作面为矿井首采工作面，煤层埋深180～240 m，其中开切眼位置采厚4.8 m，埋深187 m，地表为河流冲洪积物沉积，属于局部低洼区，第四系表层以粉细砂、粗砂和砾石为主，基底为砂质黄土和胶结性较差的砾岩层。由于潜水位埋深较浅，煤层开采后开切眼位置形成明显的积水区。同时，根据矿井涌水量观测台账，工作面生产期间井下涌水量均稳定在40m3/h左右，说明地表积水没有过地表裂缝进入井下。另外，在3101工作面范围内开切眼附近有砖混结构井壁的水源井，水源井底部距地表12.5 m，工作面回采前后，水源井井壁未发生开裂性破坏，井内水位稳定。由上述观测资料可知，3101工作面回采期间第四系潜水含水层未受采动破坏，潜水位未发生改变，即3101工作面开采后地表裂缝未沟通第四系潜水含水层与下伏基岩含水层，且地表裂缝与覆岩采动裂缝也未发生连通，实现了潜水含水层的保水开采目标。
2 基于浅埋厚土层阻水效应的地表水保水开采实践
2.1 研究区概况
郝家梁煤矿地处陕北侏罗纪煤田榆神矿区的西南部，主采侏罗系3 号煤层，煤层厚度平均8.05 m，地层由上而下为全新统风积沙、冲、洪积层，上更新统萨拉乌苏组，中更新统离石组、新近系上新统静乐组，侏罗系中统延安组，下统富县组。研究区埋深100～180 m，基岩厚度6～55 m，黄土层平均厚73 m，红土层平均厚53 m，属于典型的浅埋薄基岩厚土层覆岩结构，井田内典型地质剖面如图8所示。地表有常年性十八墩河流，萨拉乌苏组分布于井田内低凹滩地和河床两侧，厚10～20 m，强富水，为农业生产、居民生活用水水源，基岩风化带含水层为工作面开采的直接充水含水层，富水性弱～中等，接受侧向火烧岩含水层补给。采用一次采全高综合机械化综采工艺，采高7 m，工作面倾向长200 m，推进长度1 700 m。新近系静乐组红土和第四系离石组黄土层为优良隔水层。
图8 水文地质地质剖面
Fig.8 Hydrogeological profile
2.2 薄基岩厚土层条件下导水裂缝带监测
为监测该矿浅埋深“薄基-厚土”型覆岩组合大采高条件下导水裂缝带发育特征及高度，尤其是研究厚红土层对导水裂缝带发育高度的抑制作用，分别在2301和30106工作面分别布置施工井下钻孔3个，采用钻孔分段注水法和钻孔窥视进行了实测。
2301工作面埋深105 m，正常基岩厚度6 m，风化带厚度10 m，红土层厚度55 m，黄土厚度35 m，采厚7 m，工作面宽220 m，实测获得导水裂缝带高度45.7～49.3 m，裂采比6.53～7.04。30106工作面埋深140～190 m，基岩厚度1.88 m，风化带厚度8.93 m，红土层厚度42.82 m，黄土厚度84.3 m，工作面走向长1 848 m，倾斜长220 m，实测获得导水裂缝带高度为50.1～54.5 m，裂采比7.16～7.78。由实测结果可知，较类似软弱顶板条件下开采裂采比降低了15%～53%，红土层对导水裂缝带发育抑制作用明显。导水裂缝带高度只发育至红土层，不能导通上覆萨拉乌苏组含水层，部分钻孔实测结果如图9所示。
图9 部分钻孔注水消耗量与钻孔窥视成果
Fig.9 Results of water injection consumption and borehole peeping
2.3 地表裂缝分布监测分析
通过对工作面回采过程中地面裂缝分布现场调查和监测，整个地表裂缝发育较剧烈，以平行工作面倾向、开切眼位置两侧下沉盆地边缘裂缝密集为特征，尤其在开切眼外侧裂缝以台阶状为主，落差最大达到1.8 m，随着工作面不断向前推进，在工作面前方动态拉伸区不断出现动态裂缝。在基岩较薄区域，地表裂缝超前工作面发育，超前距0.40～2.28 m，基岩较厚区域，地表裂缝普遍滞后工作面发育，最长达11.9～17.8 m。地表裂缝发育如图10所示。
图10 地表裂缝发育分布特征
Fig.10 Distribution characteristics of ground fractures
2.4 采动影响下红土隔水层阻水效应分析
通过扫描电镜和X射线衍射矿物成分分析发现，静乐组红土层的胶结性好，黏土矿物绝对含量最高达35.5%，属于黏性土层，遇水具有明显的软化特性和膨胀性，如图11所示。取煤层上方未受破坏的原状红土进行三轴加载试验并监测渗透特性变化，在初始加载时，土样原生裂隙逐渐减小，渗透系数大幅下降，进入屈服阶段后渗透系数又逐渐增大，随着应变的继续增加，破坏后的土样渗透系数并没有继续增加，而呈逐渐下降趋势。表明红土在围压作用下渗透性能具有自愈性，如图12所示。
图11 红土层电镜扫描图
Fig.11 SEM scanning of laterite
图12 红土层全应力应变渗透性曲线
Fig.12 Permeability curves of full stress-strain in red soil layer
为进一步研究红土层在采动影响下的阻水效应，采用流固耦合相似模拟试验方法研究红土层采动裂缝发育情况，如图13所示。结果表明：采动红土层在回转、反回转运动和遇水膨胀双重作用下，裂缝产生了弥合，隔水性能显著提高。模拟过程中监测了渗透系数的变化情况，渗透系数在开采扰动过程中发生了先增大、后减小的变化规律，表明红土层的隔水能力在采动后较短时间内得到了恢复(图14)。
图13 采动黏土层裂缝演化及隔水效应模拟
Fig.13 Simulation of fracture evolution and water barrier effect of mining clay layer
图14 不同开采阶段土体渗透系数的变化曲线
Fig.14 Variation curves of soil permeability coefficient in different mining stages
2.5 浅埋深薄基岩厚土层保水开采实践
郝家梁煤矿2301工作面正常开采时采高7 m，实测涌水量35～58 m3/h，主要来自基岩风化带。回采后地表河床形成塌陷积水坑，第四系及地表水未进入井下，实现了浅埋薄基岩厚土层条件下的全厚保水开采。2302工作面采厚7 m，河床区域埋深102 m，正常基岩厚度5 m，风化带厚度12 m，红土层厚度50 m，黄土层厚度35 m。回采期间工作面涌水量25～40 m3/h。回采后地表河床形成塌陷积水坑，第四系及地表水未进入井下，也实现了全厚保水开采，如图15所示。
图15 工作面开采后地表河流及地表积水情况
Fig.15 Surface river and area water after mining
3 基于控疏结合的深部多重含水层保水开采实践
3.1 研究区概况
纳林河二号矿井位于东胜煤田南部，主采侏罗系3-1煤，埋深530～590 m，上覆含水层主要有萨拉乌苏组含水层、白垩系洛河组含水层、直罗组含水层、延安组煤系地层含水层。31101工作面为研究区的首采工作面，工作面长240 m，推进长度2 100 m，采用一次采全厚大采高综采采煤法，煤层厚度4.36～7.05 m，工作面设计采高6 m。覆岩岩层组合以砂岩为主，上硬下软，属中硬偏坚硬类型，综合隔水性能一般。研究区域开采主要防治水问题是如何在高承压多重含水层威胁下实现厚煤层安全开采，同时尽可能地减少对环境和水资源的破坏。
3.2 导水裂缝带高度井上下联合监测分析
为了监测研究区受采动影响后覆岩导水裂缝带发育高度及特征，综合采用地面钻孔冲洗液漏失量、井下仰上钻孔注水观测法，并配合钻孔彩色电视窥视系统，实测获得了该矿一次采全高开采条件下覆岩裂隙发育高度与特征。1个采后孔布置在31101工作面地表，1个采前孔CH01(兼做采后观测CH01)和1个采后观测CH02布置在31102工作面辅运巷ZF10联络巷内。最终实测获得纳林河二号矿井厚煤层(5.3～6.0 m)综采一次采全高条件下的导水裂缝带发育高度，裂采比为17.1～22.06。
3.3 采动影响下多重含水层充水规律分析
为了分析采动对上覆各含水层的影响，借助GMS软件建立了主采煤层采动破坏与顶板含水层的空间模型，如图16所示。
图16 采动对含水层的影响
Fig.16 Effects of mining on aquifers
由于直罗组含水层底界距离3-1煤81.00～157.97 m，导水裂缝带将全部导通顶板延安组砂岩含水层，在局部区域导水裂缝带将进入到直罗组含水层的底部。3-1煤顶板延安组含水层、直罗组底部砂岩含水层是煤矿开采的直接充水含水层。因此，为避免延安组和直罗组底部砂岩含水层向工作面过量充水，在工作面回采前，采取钻孔疏放措施，预先疏干或疏降直接充水含水层水位。但是，大量的钻孔疏降势必造成对含水层水源的破坏。因此，如何合理控制疏降程度是确保回采安全和水资源保护的关键。
3.4 控保水开采实践
3.4.1 控疏开采技术思路与方案
基于上述导水裂缝带高度监测结果，以及对各含水层的波及程度，结合裂隙承压含水层富水性不均一、衰减速度快、可疏降性较好的特点，借助采动裂缝发育的垂向分带性，即越靠近导水裂缝带上部，裂缝宽度越小，连通性和导水能力越差的特征，提出了“先疏后采与边采边疏相结合”的疏控水方案。通过先疏后采，预先疏放含水层的静储量，降低回采初期含水层压力和瞬时水量，避免工作面瞬间涌水量超限，限制工作面涌水量在可承受的范围内。
通过回采疏降，借助回采裂缝的导水性差异实现对含水层的逐步疏降。采前疏放水的目标层位为3-1煤顶板延安组含水层，同时，根据工作面的推进，采取分段疏降的方式预先疏降工作面前方的含水层静储量，避免对动态补给量的持续无效疏放，如图17所示。
3.4.2 蒙陕深部矿区多重高承压含水层下厚煤层开采实践纳林河二号井31101工作面针对导水裂缝带范围内的含水层采用全覆盖大量深孔高强度疏降方案，工程量大幅增加，而且全工作面施工终孔至直罗组的疏放水钻孔，势必会形成人为导水通道，将采动裂缝原来无法导通直罗组地层的区域人为疏降，导致总放水量大，给矿井造成不必要的排水负担。
31102工作面采用疏控水开采方案可以显著降低工作面疏放水工程投入，优化了疏放水方案，避免过量钻孔和钻孔深度太大成为导通顶板直罗组含水层的人为通道，弱化了采掘活动对地下水流场的扰动，减少了采前疏放水工程量，缩短了采前疏放水时间，大幅降低了工作面总排水量。开采效果对比见表1。
表1 31101和31102工作面控水开采效果对比
Table 1 Comparison on controlled water mining effect between No.31101 and No.31102 working face
项目31101工作面31102工作面对比控水方案对于延安组和直罗组底部含水层采用先疏后采,以“疏干、放净” 的高强度疏降导水裂缝带范围内的含水层的为主,即施工大量深孔对整个工作面范围内顶板含水层进行充分疏降,消除工作面回采期间的水害威胁。对于直罗组底部砂岩含水层采取边回采边疏降的方案,即控制采前疏放水钻孔不波及直罗组含水层,仅利用采动裂缝对其形成自然疏降;对于延安组含水层则采取“钻孔疏干或疏降与回采疏干或疏降相结合、先疏后采与边疏边采相结合”的方案。—放水钻孔数量/个18415大幅减少钻孔垂直深度/m12080减少40 m工程量/m32 9561 764减少31 191 m单孔最大水量/(m3·h-1)136.565降低71.5钻孔总放水量/m3296万6.4万减少289.6万含水层水位降/m289.6(距工作面1 100 m)204.9(距工作面731 m)削弱显著工作面总放水量/m3829.6万345.9万(含31101采空区密闭墙出水)大幅降低采空区最大涌水量/(m3·h-1)440.5325减少115
4 结 论
1)以鄂尔多斯盆地侏罗系煤田为工程背景，对不同水文地质和采矿条件下覆岩结构类型、导水裂缝带发育规律、地表裂缝分布形态及深度、隔水层稳定性分析以及疏控水方案等方面进行了系统研究。
2)实测获得王家塔煤矿软弱覆岩条件下综放开采裂采比为13.7～14.2，郝家梁煤矿薄基岩厚土层7 m大采高条件下裂采比为7.16～7.78，纳林河二号矿井深部厚煤层一次采全高条件下裂采比为17.10～22.06。
3)针对厚基岩浅层地下水保护，监测分析了导水裂缝带与地表裂缝发育特征及其连通性，提出了保证隔水层稳定性的保水开采技术；针对浅埋薄基岩厚土层条件下地表水体保护，研究了黏土隔水层对导水裂隙带的抑制作用和采动影响下的阻水效应，提出了基于采动黏土阻水效应的保水开采技术；针对深部多重高压含水层，提出了“先疏后采与边采边疏相结合”的疏控水技术，实现了安全开采前提下最大程度的对水资源的保护。
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