西部矿区顶板水害防治技术取得新突破

近日，笔者从国家能源集团宁夏煤业公司红柳煤矿了解到，由中国煤炭科工集团西安研究院有限公司承担、红柳煤矿协作研发的西部矿区煤层采动顶板涌水动力学机制及水害防控关键技术取得新突破，为煤矿水害防治技术提供了新方法，并在宁夏、陕西等地多个矿区进行有效推广应用，收到了良好的经济效益和社会效益。该技术获得2020年度中国煤炭工业协会科学技术奖一等奖。

据了解，全国可采侏罗系煤炭资源占煤炭总储量的67%以上，主要分布在山西、陕西、内蒙古、新疆、甘肃、宁夏6个地区。侏罗系延安组上组煤开采过程中，普遍面临顶板水害威胁。其中，顶板水害威胁相对严重的典型区域包括宁夏鸳鸯湖和马家滩、陕西榆神府和黄陇彬长、内蒙古上海庙东部等矿区。这些矿区顶板水害威胁严重，致使部分矿井未能达产甚至被迫停产。

目前，煤矿采煤工作面在采动过程中出现顶板集中涌水时，主要采用常规防治水方法，即“采前顶板水钻孔预疏放+采动过程工作面涌水强排”。这种防治水方法虽然保障了采煤工作面的安全回采，但是延长了矿井无效生产时间，增加了经济成本，而且生产效率较低。为此，上述矿区急需科学合理、经济高效的顶板水害防治技术体系。

中国煤炭科工集团西安研究院有限公司技术研究人员与红柳煤矿技术人员组成项目组，于2017年1月至2019年12月，先后研究了区域顶板含水层扰动卸压涌水动力学机制，提出了集含水层富水性分区、涌水量精准动态预测、顶板水控制疏放为一体的水害防治关键技术体系;从基础理论上弥补了长期以来矿区对顶板含水层涌水机理认识的不足，形成了顶板巨厚含水层水害防治关键技术体系，为我国西部矿区水害防治提供了依据。

为解决煤矿涌水量预测精度低、动态性不强的问题，该项目组创建了煤层顶板含水层涌水多阶动力系统预测理论，创新研发了采煤工作面涌水量多阶动力学动态预测技术，开发了采前快速预测、采动过程逐段校正的采煤工作面涌水量动态预测软件，将采煤工作面涌水量预测误差缩小至10%以内，实现了采煤工作面采动过程涌水量的精准动态预测;提出了基于沉积和构造耦合的含水层富水性评价方法，研发了以采煤工作面排水能力为约束条件，以疏放水工程量最少、时间最短为目标的顶板水控制疏放优化技术，减少了钻探工程量和疏放水总量，缩短了疏放水时间，解决了顶板含水层过度疏放、疏放水周期长、疏放水工程投入大等问题。

据介绍，该项目组成功揭示了顶板钻孔疏放水过程中的一阶动力学机制、采煤工作面开采过程中顶板涌水的二阶动力学机制，提出了基于沉积和构造耦合的含水层富水性分区方法，发明了采煤工作面回采过程中涌水量多阶动力学动态预测技术，形成了基于多目标非线性模型的顶板水控制疏放技术。

这些技术应用后，红柳煤矿的4个采煤工作面涌水量预测的准确率均达到88%以上，节约排水设备成本160万元、排水费用210万元。同时，宁夏煤业公司所属的锦界煤矿进一步优化了3个采煤工作面的防治水工程，减少探放水钻孔约800个，节约探放水钻孔及排水费用6414万元;哈拉沟煤矿在2个采煤工作面实施了顶板含水层富水性分区，既保证了安全回采，又多回收了50万吨煤炭资源。