位于顶板和底板双重超薄隔水层下的受限采煤防水隐患技术

为什么水在深部煤矿至关重要

在深部地下，煤矿面临一种看不见的敌人：被夹在煤层上下岩层中的受压地下水。如果这些保持水位的天然岩石“塞子”非常薄，开采可能会突然打开隐藏的通道，引发猛烈的水涌。这篇论文探讨了如何通过重塑围岩与水文系统，安全地开采这样的危险煤层。

脆弱的岩—水“三明治”结构

作者关注的是中国北部的一个矿区，那里一条煤层像三明治中的夹心，位于上下两层含水岩体之间。仅有非常薄的相对致密岩层将煤层与这些高压含水层隔开。传统方法通常可以应对来自顶板或底板的单向水害，但在这里两侧同时存在风险。以往研究大多处理单一含水层或较厚的保护层，因此这种“上下双薄隔板”情形长期未被充分研究，许多此类煤层实际上被视为无法开采。

测试安全与危险的开采方式

为了解煤体移除后会发生什么，团队建立了一个详细的三维地质数值模型，模拟了四种不同方案：常规机械化采矿、通过注浆加固底板、用固体材料回填采空区，以及注浆加固与回填相结合。模型跟踪围岩应力如何转移以及哪里出现裂缝或破坏。如果裂缝穿透薄弱保护层连通含水层，水就可能直接进入采空区，构成严重的涌水隐患。

单侧防护失效时会发生什么

模拟结果表明，不采取任何特殊措施的开采会在顶板形成高大的裂区，在底板形成深达含水层的破坏带，两者都很容易连通附近的含水层。仅用注浆加固底板确实有作用：它在煤层下方构筑了一个强度更高的人造屏障，大幅减少了底板的损伤深度。然而顶板仍然会形成高大的裂缝带，可能与上部含水层连通。另一方面，回填对顶板非常有效：回填体支撑上覆岩层，平滑应力峰值，使顶板裂缝远短于上方的薄保护层。但底板仍接近破坏临界状态，在薄弱处裂缝带仍可能触及含水层。

两种方法结合如何改变岩体系统

该研究的关键见解是：底板注浆和回填采矿结合效果最佳。注入到深层含水层上方岩体的浆液使底板屏障变厚、变强，而回填支撑顶板，减少弯曲与破裂。在耦合方案中，采区周围的应力不再集中成尖锐峰值，而是以弧形平缓分布。因此，模拟预测顶板裂缝会止步于上部含水层之下，而底板破坏也将停留在远离深层含水层的区域。作者随后在实际矿区应用了这一组合方法，监测与裂缝相关的微震，并在钻孔中进行了水压试验以绘制水体可能迁移的范围。实测的裂缝高度与深度与模拟结果相差约半米，验证了保护层的完整性。

对未来煤炭开采的意义

简单来说，研究表明当煤层夹在非常薄且对水敏感的岩层之间时，单独的底板加固或回填都不足以确保安全。但当这两种技术经精心设计并联合应用时，它们可以将一个原本不可采且高度危险的煤层转变为可安全开采的资源。组合方法能保持裂缝短小，增厚阻挡受压水的屏障，并防止形成直通采区的水流通道。对于世界上其他具有类似危险地质条件的煤田，这项工作提供了一个兼顾资源开采与防范灾难性涌水的切实可行、已验证的方案。

引用: Wang, G., Yin, S., Cao, M. et al. Water hazard prevention technology for confined mining beneath dual extremely thin aquicludes in roof and floor. Sci Rep 16, 13426 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43043-4

关键词: 煤矿水害, 含水层保护, 回填采矿, 注浆加固, 受限煤层开采