_煤水双资源型矿井开采技术方法与工程应用武强
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州人，博士研究生。E－mail： shenjianjun11987@ 163. com
第 42 卷第 1 期 2017 年 1 月
煤炭学报 JOUＲNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Vol．42 No．1 Jan． 2017 9
Mining techniques and engineering application for “Coal-Water” dual-resources mine
“煤 － 水”双 资 源 型 矿 井 开 采 技 术 方 法 与 工 程 应 用
武 强1，2，申建军1，2，王 洋1，2
（ 1．中国矿业大学（ 北京） ，北京 100083； 2．国家煤矿水害防治工程技术研究中心，北京 100083）
摘 要： 由于我国东、西部地区煤－水资源呈逆向分布，为解决煤炭资源安全绿色开发、水资源供
给、生态环保之间的尖锐矛盾和冲突，实现煤矿区水害防治、水资源保护利用、生态环境改善的多赢
目标，在阐述“煤－水”双资源型矿井开采概念与内涵的基础上，提出了根据矿井主采煤层的具体充
水水文地质条件优化开采方法和参数工艺、多位一体优化结合、井下洁污水分流分排、水文地质条
件人工干预、充填开采等“煤－水”双资源型矿井开采的技术和方法。以蔚县矿区兴源矿为工程背
关键词： 双资源型矿井； 保水采煤； 多位一体优化结合； 压力拱； 屈服煤柱
中图分类号： TD823； TD745
文献标志码： A
文章编号： 0253－9993（ 2017） 01－0008－09
收稿日期： 2016－09－30 修回日期： 2016－11－09 责任编辑： 韩晋平 基金项目：“十三五”国家重点研发计划资助项目（ 2016YFC0801801） ； 国家自然科学基金资助项目（ 41572222，41430318） 作者简介： 武 强（ 1959—） ，男，内蒙古呼和浩特人，中国工程院院士。E－mail： wuq@ cumtb. edu. cn。通讯作者： 申建军（ 1987—） ，男，山东德
Abstract： Due to the reverse distribution of coal and water resources in Eastern China and Western China，the mining techniques and methods were proposed based on the concept of mining for “Coal-Water”dual-resources mine，which elaborated optimization of mining method，parameters and mining technology，optimization and combination of multinity，underground separation discharge of clean water and sewage，intervention of hydrogeological condition，filling mining based on the specific filling-water hydrogeological conditions of main mineable coal seam in order to address the problem of security and green development on coal resources，the supply of water resources，the sharp contradictions and conflicts between ecological balance and environmental protection； and realize the targets on controlling and protecting water inrush，the protection and utilization of water resources，and the improvement of ecological environment．A case study in Xingyuan coal mine of Yuxian mining area was carried out and analyzed．The mining method for the coal seam under the unconsolidated aquifer with thin bedrock and the mechanical model of clamped beam were established，and the author presented the design method of coal pillar based on the yielding theory and amended the calculation formula of load overlying coal pillar．The results show that the key to the yielding pillar design is the existence of main key stratum and formation of stable expansion pressure，and the strata weight under expanding pressure arch was supported by the yielding pillar with enough strength．The safety coefficient is larger under the following three conditions： room 5 m，while pillar 4 m； room 5 m，while pillar 5 m； and room 6 m，while pillar 5 m． Key words： dual-resources mine； coal mining under water-containing； optimization and combination of multinity； pressure arch； yielding pillar
第 42 卷第 1 期 2017 年 1 月
煤炭学报 JOUＲNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Байду номын сангаас
Vol．42 No．1 Jan． 2017
编者按 随着我国煤炭工业战略西移，西北干旱半干旱富煤、缺水矿区采煤导致的含 水层结构变异及诱发的生态环境问题，越来越多的受到关注。针对这一问题，1992 年我国 地质科技工作者提出了保水采煤问题，1995 年首次使用“保水采煤”一词。20 多年来，地 质、采矿、生态环境等领域的科技工作者，围绕保水采煤问题进行了多角度探索和研究，初 步建立了保水采煤技术体系，工程实践获得重要进展。本期第 2 ～ 27 篇论文基于国家 973 计划、国家自然科学基金等项目支持，展示了保水采煤的科学进展和思考，阐述了煤－水双 资源型矿井的开采理念和技术，厘定了保水采煤的概念和科学内涵，阐述了保水采煤基础 理论进展，研究了西北沙漠矿区植被发育与地下水的关系、采动植被损伤机理与控制技 术。针对保水采煤的关键技术如浅埋煤层岩层控制、导水裂缝带发育高度控制及探测监 测技术、采动岩层与地下水变化的高精度测量技术、基于含水层结构保护的隔水层再造技 术、充填保水采煤技术及应用、保水采煤区水资源漏失量计算等进行了多角度探索与论 述，研究区域涉及我国西北、华北煤矿区。本期“保水采煤的理论与实践”专题是我国期刊 首次集中展示保水采煤领域的科技创新成果与进展，希望有益于完善保水采煤技术体系、 促进矿区生态文明建设。
随着社会对环境的重视，煤炭资源的开采需由过
去的粗放、无序、污染向高效、安全、绿色方向转变，尤 其在受水资源和生态环境约束的矿区，若想保证安全 采煤、满足水资源需求及减缓矿区生态环境破坏，绿 色开采中 的 保 水 采 煤 是 未 来 必 然 的 发 展 趋 势［5－8］。 针对华北缺水、大水矿区及西部生态脆弱矿区，我国 学者开展了大量的研究工作，不断发展和完善保水采 煤方法及内涵。范立民等认为在我国西部缺水矿区， 应通过合理布局和科学开采，使煤炭开采、水资源保 护与生态环境安全协调发展，结合陕北侏罗纪煤田地 质条件提出了开采区域评价方法和采煤方法等实现 “保水采煤”的途径［9－10］； 武强等论述了双资源煤矿 井建设与开发的理念，提出矿井地下水控制、利用、生 态环保“三位一体”优化结合、井下涌水清污分流、地 表与地下联合疏排和矿井水资源化等“煤 －水”双资 源矿井建设的具体技术方法［11］； 白海波等基于绿色 开采理念和采动岩体渗流理论，提出煤与水共采的观 点，利用潞安矿区奥陶系顶部隔水层，成功实施矿井 水资源化利用和煤与水共采［12－13］； 白喜庆等以峰峰 矿区为工程背景，通过科学设计矿井布局，在径流带 建供水水源地，根据地下水水位、流场及泉流量动态 变化，控制地下水排放量和人工开采量，达到矿井防
武强，申建军，王洋．“煤－水”双资源型矿井开采技术方法与工程应用［J］． 煤炭学报，2017，42（ 1） ： 8－ 16． doi： 10．13225 / j． cnki． jccs． 2016．5032 Wu Qiang，Shen Jianjun，Wang Yang．Mining techniques and engineering application for“Coal-Water”dual-resources mine［J］．Journal of China Coal Society，2017，42（ 1） ： 8－16．doi： 10．13225 / j．cnki．jccs．2016．5032
景，提出了松散含水层下薄基岩区房式保水开采方案，建立了煤房“固支梁”力学模型，提出了基于
让压理论的煤柱设计方法，修正了屈服煤柱上覆载荷计算公式。结果表明： 主关键层的存在和稳定
扩大压力拱的形成是屈服煤柱设计的关键，且屈服煤柱具有足够的强度支撑扩大压力拱下方的覆
岩重量； 采 5 留 4、采 5 留 5、采 6 留 5 等方案具有可靠的安全系数。
随着我国华北地区深部及西北地区煤炭资源的 开采，这些问题及其产生的环境负效应更加突出，具 体表现为［4］： ① 矿井水害。人为疏干和采动裂隙对 含水层的自然疏干增加矿井涌水量及排水费用； 灾害 性突水由于排水能力不足造成人员伤亡和财产损失； ② 当地供水。大量疏排水导致地下水位大幅度下 降，地下水降落漏斗范围不断扩大，造成矿区及周围 地区人畜饮用水和灌溉用水短缺； ③ 矿区生态环境。 采煤引起的地下水位及流场改变、地表河水断流、地 下与地表水体污染等问题使矿区生态环境遭到严重 破坏。
据《中国矿产资源报告》（ 2015） ，截止 2014 年 底，我国查明的煤炭资源储量为 1. 53 万亿 t，另据《中 国国土资源公报》（ 2016） ，2015 年煤炭勘查新增查明 资源储量 375. 4 亿 t，同时我国原煤产量已连续多年 居世界第 1 位。我国煤炭资源储量虽然丰富，但是， 煤炭资源与水资源呈逆向分布，存在“有煤的地方缺 水，有水的 地 方 缺 煤 ”的 局 面。 另 外，我 国 煤 矿 床 充 水条件极为复杂，使得大部分矿区面临着水害威胁、 水资源紧缺与生态环境恶化等问题［1－3］。
WU Qiang1，2，SHEN Jian-jun1，2，WANG Yang1，2
（ 1．China University of Mining ＆ Technology（ Beijing） ，Beijing 100083，China； 2．National Engineering Ｒesearch Center of Coal Mine Water Hazard Controlling，Beijing 100083，China）
第 42 卷第 1 期 2017 年 1 月
煤炭学报 JOUＲNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Vol．42 No．1 Jan． 2017 9
Mining techniques and engineering application for “Coal-Water” dual-resources mine
“煤 － 水”双 资 源 型 矿 井 开 采 技 术 方 法 与 工 程 应 用
武 强1，2，申建军1，2，王 洋1，2
（ 1．中国矿业大学（ 北京） ，北京 100083； 2．国家煤矿水害防治工程技术研究中心，北京 100083）
摘 要： 由于我国东、西部地区煤－水资源呈逆向分布，为解决煤炭资源安全绿色开发、水资源供
给、生态环保之间的尖锐矛盾和冲突，实现煤矿区水害防治、水资源保护利用、生态环境改善的多赢
目标，在阐述“煤－水”双资源型矿井开采概念与内涵的基础上，提出了根据矿井主采煤层的具体充
水水文地质条件优化开采方法和参数工艺、多位一体优化结合、井下洁污水分流分排、水文地质条
件人工干预、充填开采等“煤－水”双资源型矿井开采的技术和方法。以蔚县矿区兴源矿为工程背
关键词： 双资源型矿井； 保水采煤； 多位一体优化结合； 压力拱； 屈服煤柱
中图分类号： TD823； TD745
文献标志码： A
文章编号： 0253－9993（ 2017） 01－0008－09
收稿日期： 2016－09－30 修回日期： 2016－11－09 责任编辑： 韩晋平 基金项目：“十三五”国家重点研发计划资助项目（ 2016YFC0801801） ； 国家自然科学基金资助项目（ 41572222，41430318） 作者简介： 武 强（ 1959—） ，男，内蒙古呼和浩特人，中国工程院院士。E－mail： wuq@ cumtb. edu. cn。通讯作者： 申建军（ 1987—） ，男，山东德
Abstract： Due to the reverse distribution of coal and water resources in Eastern China and Western China，the mining techniques and methods were proposed based on the concept of mining for “Coal-Water”dual-resources mine，which elaborated optimization of mining method，parameters and mining technology，optimization and combination of multinity，underground separation discharge of clean water and sewage，intervention of hydrogeological condition，filling mining based on the specific filling-water hydrogeological conditions of main mineable coal seam in order to address the problem of security and green development on coal resources，the supply of water resources，the sharp contradictions and conflicts between ecological balance and environmental protection； and realize the targets on controlling and protecting water inrush，the protection and utilization of water resources，and the improvement of ecological environment．A case study in Xingyuan coal mine of Yuxian mining area was carried out and analyzed．The mining method for the coal seam under the unconsolidated aquifer with thin bedrock and the mechanical model of clamped beam were established，and the author presented the design method of coal pillar based on the yielding theory and amended the calculation formula of load overlying coal pillar．The results show that the key to the yielding pillar design is the existence of main key stratum and formation of stable expansion pressure，and the strata weight under expanding pressure arch was supported by the yielding pillar with enough strength．The safety coefficient is larger under the following three conditions： room 5 m，while pillar 4 m； room 5 m，while pillar 5 m； and room 6 m，while pillar 5 m． Key words： dual-resources mine； coal mining under water-containing； optimization and combination of multinity； pressure arch； yielding pillar
第 42 卷第 1 期 2017 年 1 月
煤炭学报 JOUＲNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Байду номын сангаас
Vol．42 No．1 Jan． 2017
编者按 随着我国煤炭工业战略西移，西北干旱半干旱富煤、缺水矿区采煤导致的含 水层结构变异及诱发的生态环境问题，越来越多的受到关注。针对这一问题，1992 年我国 地质科技工作者提出了保水采煤问题，1995 年首次使用“保水采煤”一词。20 多年来，地 质、采矿、生态环境等领域的科技工作者，围绕保水采煤问题进行了多角度探索和研究，初 步建立了保水采煤技术体系，工程实践获得重要进展。本期第 2 ～ 27 篇论文基于国家 973 计划、国家自然科学基金等项目支持，展示了保水采煤的科学进展和思考，阐述了煤－水双 资源型矿井的开采理念和技术，厘定了保水采煤的概念和科学内涵，阐述了保水采煤基础 理论进展，研究了西北沙漠矿区植被发育与地下水的关系、采动植被损伤机理与控制技 术。针对保水采煤的关键技术如浅埋煤层岩层控制、导水裂缝带发育高度控制及探测监 测技术、采动岩层与地下水变化的高精度测量技术、基于含水层结构保护的隔水层再造技 术、充填保水采煤技术及应用、保水采煤区水资源漏失量计算等进行了多角度探索与论 述，研究区域涉及我国西北、华北煤矿区。本期“保水采煤的理论与实践”专题是我国期刊 首次集中展示保水采煤领域的科技创新成果与进展，希望有益于完善保水采煤技术体系、 促进矿区生态文明建设。
随着社会对环境的重视，煤炭资源的开采需由过
去的粗放、无序、污染向高效、安全、绿色方向转变，尤 其在受水资源和生态环境约束的矿区，若想保证安全 采煤、满足水资源需求及减缓矿区生态环境破坏，绿 色开采中 的 保 水 采 煤 是 未 来 必 然 的 发 展 趋 势［5－8］。 针对华北缺水、大水矿区及西部生态脆弱矿区，我国 学者开展了大量的研究工作，不断发展和完善保水采 煤方法及内涵。范立民等认为在我国西部缺水矿区， 应通过合理布局和科学开采，使煤炭开采、水资源保 护与生态环境安全协调发展，结合陕北侏罗纪煤田地 质条件提出了开采区域评价方法和采煤方法等实现 “保水采煤”的途径［9－10］； 武强等论述了双资源煤矿 井建设与开发的理念，提出矿井地下水控制、利用、生 态环保“三位一体”优化结合、井下涌水清污分流、地 表与地下联合疏排和矿井水资源化等“煤 －水”双资 源矿井建设的具体技术方法［11］； 白海波等基于绿色 开采理念和采动岩体渗流理论，提出煤与水共采的观 点，利用潞安矿区奥陶系顶部隔水层，成功实施矿井 水资源化利用和煤与水共采［12－13］； 白喜庆等以峰峰 矿区为工程背景，通过科学设计矿井布局，在径流带 建供水水源地，根据地下水水位、流场及泉流量动态 变化，控制地下水排放量和人工开采量，达到矿井防
武强，申建军，王洋．“煤－水”双资源型矿井开采技术方法与工程应用［J］． 煤炭学报，2017，42（ 1） ： 8－ 16． doi： 10．13225 / j． cnki． jccs． 2016．5032 Wu Qiang，Shen Jianjun，Wang Yang．Mining techniques and engineering application for“Coal-Water”dual-resources mine［J］．Journal of China Coal Society，2017，42（ 1） ： 8－16．doi： 10．13225 / j．cnki．jccs．2016．5032
景，提出了松散含水层下薄基岩区房式保水开采方案，建立了煤房“固支梁”力学模型，提出了基于
让压理论的煤柱设计方法，修正了屈服煤柱上覆载荷计算公式。结果表明： 主关键层的存在和稳定
扩大压力拱的形成是屈服煤柱设计的关键，且屈服煤柱具有足够的强度支撑扩大压力拱下方的覆
岩重量； 采 5 留 4、采 5 留 5、采 6 留 5 等方案具有可靠的安全系数。
随着我国华北地区深部及西北地区煤炭资源的 开采，这些问题及其产生的环境负效应更加突出，具 体表现为［4］： ① 矿井水害。人为疏干和采动裂隙对 含水层的自然疏干增加矿井涌水量及排水费用； 灾害 性突水由于排水能力不足造成人员伤亡和财产损失； ② 当地供水。大量疏排水导致地下水位大幅度下 降，地下水降落漏斗范围不断扩大，造成矿区及周围 地区人畜饮用水和灌溉用水短缺； ③ 矿区生态环境。 采煤引起的地下水位及流场改变、地表河水断流、地 下与地表水体污染等问题使矿区生态环境遭到严重 破坏。
据《中国矿产资源报告》（ 2015） ，截止 2014 年 底，我国查明的煤炭资源储量为 1. 53 万亿 t，另据《中 国国土资源公报》（ 2016） ，2015 年煤炭勘查新增查明 资源储量 375. 4 亿 t，同时我国原煤产量已连续多年 居世界第 1 位。我国煤炭资源储量虽然丰富，但是， 煤炭资源与水资源呈逆向分布，存在“有煤的地方缺 水，有水的 地 方 缺 煤 ”的 局 面。 另 外，我 国 煤 矿 床 充 水条件极为复杂，使得大部分矿区面临着水害威胁、 水资源紧缺与生态环境恶化等问题［1－3］。
WU Qiang1，2，SHEN Jian-jun1，2，WANG Yang1，2
（ 1．China University of Mining ＆ Technology（ Beijing） ，Beijing 100083，China； 2．National Engineering Ｒesearch Center of Coal Mine Water Hazard Controlling，Beijing 100083，China）