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马立强1,2,3，张东升2,3，金志远4，王烁康2,3，余伊河2,3
(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054; 2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116; 3.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116; 4.贵州理工学院 矿业工程学院，贵州 贵阳 550003)
摘 要:地下煤炭资源开采极易导致珍贵的浅表水资源流失，从而造成地表植被死亡和生态系统失衡。为保护维系西部矿区生态环境的浅表层水(河流湖泊水和第四系砂层潜水)，尤其是为保护地下潜水(生态)水位，基于前期已取得的浅埋单一煤层保水开采理论成果和岩层控制工程经验，提出保(生态)水位和突水防治一体化的近距煤层水资源保护性采煤构想。以“高效保水采煤”为目标，针对近距煤层与极近距浅表水下开采条件，研究解决反复开采扰动区区域覆岩导水裂隙协同控制、极薄阻隔层低损伤控制，以及采掘面涌(突)水灾害监测预警等技术难题。提出长壁保水采煤方法、壁式连采连充保水采煤方法和采掘面突水红外监测辐射预警方法，实现近距煤层安全高效保水采煤,具体包括近距煤层岩层控制、采动覆岩导水裂隙带高度计算、隔水层变形计算和承载煤岩红外辐射响应等理论和特征，以及反复开采扰动区域导水裂隙控制、充填体主动接顶和“采-支-运”快速作业等技术。最终确定了保水开采薄弱区，形成基于水资源保护的浅埋近距煤层工作面优化布置、采煤方法配置与水资源运移监测的高效采煤理论与方法体系。研究成果已在陕北与华北等矿区进行了保水采煤实践，为实现我国煤炭资源的绿色化开采提供支撑。
关键词:保水采煤;近距煤层;壁式连采连充;红外辐射;岩层控制
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马立强，张东升，金志远，等.近距煤层高效保水开采理论与方法[J].煤炭学报,2019,44(3):727-738.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6048
MA Liqiang,ZHANG Dongsheng,JIN Zhiyuan,et al.Theories and methods of efficiency water conservation mining in short-distance coal seams[J].Journal of China Coal Society,2019,44(3):727-738.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6048
中图分类号:TD74;TD82
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2019)03-0727-12
收稿日期:2018
1214
修回日期:20190216
责任编辑:郭晓炜
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2015CB251600);国家自然科学基金资助项目(51874280);江苏高校优势学科建设工程资助项目
作者简介:马立强(1979—),男,宁夏吴忠人,教授,博士。E-mail:ckma@cumt.edu.cn
MA Liqiang1,2,3,ZHANG Dongsheng2,3,JIN Zhiyuan4,WANG Shuokang2,3,YU Yihe2,3
(1.School of Energy,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China; 2.Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining,Ministry of Education,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 3.School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 4.School of Mines,Guizhou Institute of Technology,Guiyang 550003,China)
Abstract:The exploitation of underground coal resources can easily lead to the loss of precious shallow water resources,which leads to the death of surface vegetation and the imbalance of ecosystem.To protect the shallow water resources (river,lake and diving of quaternary sand aquifer),which maintains the ecological environment of the western mining area,especially to protect the underground diving (ecological) water level,the concept of water conservation mining in short-distance coal seams was put forward based on the previous theoretical achievements of water conservation mining in shallow single coal seam and the experience of rock control engineering.The concept integrated the protection of ecological water level,and the prevention and control of water inrush.In order to achieve an efficient water conservation mining under the mining conditions of short-distance coal seams and extremely short-distance shallow water resources,this paper studied the technical problems,such as the collaborative control of strata water-conducting fractures in the disturbed area of repeated mining,the low-damage control of ultra-thin barrier layers and the monitoring and warning of water inrush (outburst) on mining surface.The study presented the long wall water conservation mining method,the water conservation mining under continuous mining and filling with wall system and the infrared monitoring and warning methods for water inrush in working face to realize the safe and efficient mining.More specifically,the methods included the strata control of short-distance coal seams,the calculation of the height of water-conduct fractures,the deformation calculation of aquicludes,the infrared radiation theories of loaded coal and rock,the control of water diversion fractures in the disturbed area of repeated mining,the filling body actively connected to the roof and the rapid operation technology among mining,supporting and transportation.Meanwhile,the weak areas of water conservation mining were determined.Based on water resource protection,the optimized working face layout of shallow buried and short-distance coal seams,mining method allocation and water resource movement monitoring,an efficient mining theory was formed.The achievements have been achieved in the practice of water conservation mining in north Shaanxi and north China,which provides supports for green mining in China.
Key words:water-preserved coal mining;short-distance coal seams;continuous mining and filling with wall system;infrared radiation;strata control
伴随着煤炭资源的长期持续高强度开采以及东部地区煤炭资源的日渐枯竭，西北五大煤炭基地(陕北、黄陇、神东、宁东和新疆)已成为我国煤炭资源的核心供应区，目前年均产煤量超过全国的1/3，有力地保障了国家经济的快速发展[1]。然而，西北地区气候干旱，植被覆盖度低，同时该区水资源短缺，仅占全国水资源的3.9%。浅表水作为该地区植被的重要水源，易因煤炭开采而渗漏，使当地脆弱的生态环境进一步恶化。例如，对陕北煤炭基地的主体-榆神府矿区的统计结果表明，水位降深>15 m和8～15 m的区域面积分别超过300 km2和350 km2，其中70%以上的水位明显下降区是由高强度开采直接导致的[2-3]。且采后含水层的补径排等动力系统能力受到破坏，使矿区和临近地区水质恶化，导致受到污染的酸性和有毒矿井水向周围地区排泄和扩散[4]。
在最大限度地提高煤炭资源采出率的同时，减少开采造成的(生态)地下水位下降，是采煤人实现水资源保护性采煤的一个长久梦想。自20世纪90年代以来，采煤科技界一直在探索基于岩层控制的保水采煤方法[5-11]。我国采矿界在保水采煤(保水开采)领域进行了卓有成效的理论探索和工程实践，提出了房柱开采、条带开采、短壁开采和长壁充填等保水开采技术[1,12-13]。笔者前期也曾针对鄂尔多斯盆地单一(首采)煤层提出了沙基型浅埋煤层长壁保水开采技术及适用性分类体系[14-15]。但前期研究成果主要以单一煤层或首采煤层为研究对象、以牺牲煤炭资源回收率或开采效率为代价，涉及浅埋近距煤层重复扰动区多次采动条件下的相关研究较少。
西北地区仅侏罗纪煤田资源储量就超过我国总量的二分之一，涵盖陕北、黄陇、神东、宁东和新疆五大煤炭生产基地(其中神东、宁东、陕北和黄陇煤田的保有资源储量占我国总量的1/3)。这些煤层普遍具有厚度大、层数多且间距近的特征，随着西部煤炭资源的开发，必然面临近距煤层开采的问题。但煤炭地下开采对浅表层水资源的影响非常敏感和剧烈，尤其是在浅埋藏条件下，保水采煤面临诸多重大技术难题:一是近距煤层反复开采扰动区覆岩导水裂隙控制;二是浅埋煤层极薄阻隔层低损伤控制;三是浅表水资源运移与涌(突)水灾害的监测预警。如何应对上述挑战，创新解决西部煤层的保水开采科学问题，发展与之相关的采动岩层移动和导水裂隙控制基础理论，形成基于西北浅埋近距煤层水资源保护的高效采煤理论与技术体系，是当前研究的重点。
针对我国西北煤炭资源的开采现状与发展趋势，本文提出(浅埋)近距煤层群保水开采构想，以期实现对煤炭资源高效开采、水资源保护和潜在突水灾害有效防控，形成基于西北浅表(生态)水资源保护的浅埋近距煤层高效开采关键技术体系，实现煤炭及其伴生水资源的安全、高效和绿色开采，达到煤炭资源大开发与生态环境保护相协调发展的目标。
煤炭地下开采后，浅埋煤层地下生态水位会受到不同程度的影响[16]，且存在矿井涌(突)水风险[15]。为保护维系西部矿区生态环境的浅表层水(河流湖泊水和第四系砂层潜水)，尤其是为保护地下潜水(生态)水位，针对西部煤炭资源保水开采面临的技术难题，综合煤地质、采矿与安全(突水防治)理念，提出保矿区地下生态水位和突水防治一体化的水资源保护性采煤构想。
研究思路与框架(图1)为:深入开展水资源保护性采煤相关基础理论研究，通过对煤矿采动岩体破坏与移动规律的深入研究，用力学方法系统揭示采场矿压、岩层移动和采动裂隙的发育与控制机理;发明高效高回收率水资源保护性采煤方法，是攻克保水采煤关键技术难点的根本保障，也是实现保水采煤和提高生产效率的重要前提;设计发明与新方法相匹配的技术装备及监测系统;在各种采矿地质条件中的试验与推广应用。
图1 近距煤层保水开采研究框架
Fig.1 Research framework of water conservation mining
(1)近距煤层岩层控制理论。
研究典型浅埋煤层中的关键层运动过程及其与软、硬岩层的结构耦合效应[17]，分析煤层采动水资源流失机理和隔水层稳定性控制理论。在揭示近距离煤层群反复开采扰动区覆岩导水裂隙与渗流场的时空演变机理，以及采动浅表水动态响应机制基础上，基于保护带隔水性等效评价方法，明确了基于采动覆岩隔水性等效厚度评价的垮落带、断裂带及保护带高度的计算方法[8,18]。
(2)采动覆岩等效渗流阻隔层理论。
保水采煤不同于传统的采场突水防治，少量地下水流失也会对矿区生态环境造成影响。因此，准确定量评价采动影响下覆岩渗透性，实现岩层破裂后地下水运移状态的可控化，是保水采煤的基础问题[19]。煤层开采后会对覆岩造成扰动，引起上覆各个岩层渗透性发生变化。基于渗流力学中岩层等效渗透系数理论，分别计算覆岩中各个岩层的等效渗透系数。有的岩层由于渗透性变化较大，其采动后的渗透系数大于地下水渗透的临界渗透系数，会失去阻隔地下水渗透的能力，如垮落带和断裂带下部的岩层;有的岩层虽然采动后渗透系数发生了变化，但其仍然大于地下水渗透的临界渗透系数，即仍具有阻隔水的能力，如裂隙带上部和弯曲下沉带的岩层，我们把这些岩层称为等效阻隔层。因此，可以通过分析煤层开采后覆岩等效阻隔层的渗透性变化来判断煤层开采是否造成上覆水资源流失，突破了以往仅仅确定导水裂隙是否导通隔水层的单一判据的限制。
(3)近距煤层保水开采实用性条件分类。
分析近距煤层的埋深、层间距等既定地质参数，以及采高等开采参数对覆岩导水裂隙发育规律的影响，并给出能够实现保水开采各参数的界定范围。在此基础上，构建了近距煤层保水开采适用条件分类体系[20]。
(4)煤柱影响区域覆岩渗流理论。
工作面开采后，由于采空区上覆岩层重量主要由四周围岩支承，因此相对于采空区中部，其边界即区段煤柱影响区支承压力集中，覆岩裂隙更加发育，且难以自行弥合，是采动地表和地下水漏失的主要渗流通道。因此，根据采空区-煤柱协同作用机理，分析煤柱垂向支承压力的分布特征，确定煤柱影响区域边界范围。在此基础上，研究自一侧工作面开切眼至两侧工作面开采结束这一过程中，煤柱影响区域覆岩采动应力路径演变规律，以及煤柱形状、尺寸和力学性质等煤柱留设参数对煤柱影响区覆岩采动应力路径的影响。基于采动应力场-裂隙场-渗流场耦合机理，分析煤柱影响区覆岩采动裂隙发育规律，揭示煤柱影响区覆岩渗透性对煤柱留设参数的动态响应特征，建立煤柱影响区覆岩渗透性随煤柱留设参数变化的模型，实现煤柱影响区域覆岩渗透性控制。
提出了近距煤层保水开采薄弱区的消除和转移
等控制方法，并确定了关键技术参数。
2.2.1 近距煤层布置的临界距离
(1)临界内错距
上、下煤层采煤工作面采用内错布置方式时，如果下煤层开采后，上煤层开采边界附近的覆岩导水裂隙发育程度能够保持在原有稳定状态，不再继续发育条件下的内错距为临界内错距。煤层开采后其上覆岩层破断，形成岩层破断线。岩层破断线与水平线的夹角为岩层破断角，一般为60°～78°。而岩层破断角往往大于岩层移动充分采动角。建立浅埋近距煤层采煤工作面临界内错距计算模型，如图2所示。临界内错距Ln计算公式为
Ln=(hx-ws)cot ψs+(hx+hc-ws)cot δx
(1)
式中，hx为上煤层上方、含水层下方岩层的总厚度，m;ψs为上煤层开采后的充分采动角，(°);δx为下煤层开采后的岩层移动边界角，(°);ws为上煤层开采时的隔水层的最大下沉值，m;hc为浅埋近距煤层层间岩层厚度，m。
图2 浅埋近距煤层采煤工作面临界内错距计算模型
Fig.2 Model of critical inward displacement distance for the workingface of Shallowly-buried Short-distance Coal Seams
图3 浅埋近距煤层采煤工作面临界外错距计算模型
Fig.3 Calculation model of critical outward displacement distance for the workingface of Shallowly-buried Short-distance Coal Seams
(2)临界外错距
浅埋近距煤层下煤层工作面整体外错布置示意如图3所示。当浅埋近距煤层采用外错布置方式时，如果下煤层开采后的隔水层下沉盆地无变形区边缘点位于上煤层开采时的隔水层移动边缘点(岩层移动边界线与隔水层顶面的交点)以外，则下煤层开采时不会引起上煤层开切眼侧的覆岩导水裂隙二次发育。建立浅埋近距煤层临界外错距计算模型，如图3所示。临界外错距Lw的计算公式为
Lw=(hc+Ms+hx)cot ψx+hxcot δs
(2)
式中，Ms为上煤层厚度，m;ψx为下煤层开采时的充分采动角，(°);δs为上煤层开采时的岩层移动边界角，(°)。
2.2.2 近距煤层保水开采薄弱区控制
(1)消除法
水资源易流失区域(保水开采薄弱区)的消除法示意如图4所示，其中，Ls为上煤层工作面走向长度;Lz为下煤层工作面走向长度;Lq为上煤层工作面倾向长度;Lx为下煤层工作面倾向长度。上煤层开采后，覆岩内产生导水裂隙，且易发生渗流的区域主要集中在开采边界附近。下煤层开采过程中，如果内、外错距都较小，必然会引起上煤层开采边界附近的覆岩导水裂隙受重复开采扰动而二次发育。为控制水资源易流失区域的导水裂隙二次发育，提出整体外错布置的方法。即采用整体外错布置方式(外错距大于临界外错距)，保证上煤层开采后覆岩内产生导水裂隙的区域整体下沉，使上煤层开采后形成的导水裂隙在下煤层开采后不会二次发育，保持在下煤层开采前的原有状态。同时，下煤层开采过程中，尤其是开采边界附近，需加快工作面推进速度(15 m/d以上)，以使覆岩内的导水裂隙能尽快闭合。
图4 水资源易流失区域的消除法
Fig.4 Eliminating method for zones of water resources easily lost
(2)转移法
水资源易流失区域(保水开采薄弱区)的转移法示意如图5所示。
图5 水资源易流失区域的转移法
Fig.5 Transfer method for zones of water resources easily lost
工作面倾向长度一般不会超过400 m，如果上煤层工作面倾向长度较大，下煤层开采时无法采用整体外错布置方式或采用整体外错布置方式无法消除水资源易流失区域时，可采用水资源易流失区域的转移法。
水资源易流失区域的转移法:开采浅埋近距煤层时，采用内、外错联合布置方式(上、左、右边界采用外错布局方式，下边界采用内错布置方式)，上煤层开采后，水资源易流失区域集中在开采边界附近;下煤层开采后，该水资源易流失区域由开采边界转移到采空区中部，且在上煤层开采边界与下煤层开采边界交接处附近形成水资源易流失的高发区域。
针对目前长壁充填保水采煤方法存在的充填时间和充填空间不足、采煤与充填作业协调困难等问题，开发了一种能将快速机械化采煤和充填作业相结合的“多支巷布置、采充并行”壁式连采连充保水采煤方法。该方法在开采块段内采用负压通风，按正常壁式采煤工作面布置回采巷道，采用大断面宽巷(开采支巷或采煤支巷)掘进的方式进行采煤，并充填开采后的宽巷[21]。该方法综合了旺格维利快速连续采煤法和宽巷式充填采煤法的优点，将传统的旺格维利柱式体系采煤法变革为高效的壁式连采连充采煤方法，实现大断面开采(采煤)支巷高效采煤、整体支护与主动充填接顶一体化，解决了极薄阻隔层低损伤控制难题，可有效控制极近距条件下浅表水资源的流失与生态环境的保护。
在长壁开采区段中，按照旺格维利法布置开采支巷，并进行多轮跳采，始终保持多条支巷充填与多条支巷采煤同时作业的“采充并行”高效开采模式(图6)。开采前，将整个回采块段沿倾斜或垂直于运输巷方向划分出多条开采(采煤)支巷，并将支巷划分为多个开采阶段。按照开采顺序，采用连续采煤机间隔开采支巷，每条支巷开采完毕立即进行密闭并充填。上一条支巷充填作业的同时进行下一条支巷的开采，在采场内即形成“采充并行”充填保水开采模式，直至采场内所有支巷开采并充填完毕。
3.2.1 采动覆岩断裂带发育高度理论
基于连采连充保水采煤方法，针对充填采场支巷对采动覆岩裂隙发育的控制作用，建立了“充填体-基本顶-覆岩”的力学结构模型，如图7所示，其中，α为采场支巷与运输巷的夹角，(°);f为充填体的支撑强度;L0为采场支巷宽度;I为基本顶惯性矩;I0为常量;q为覆岩载荷;θ4为所有采场支巷充填完毕基本顶梁结构的倾斜角;hR为隔水层厚度;y为单元体上、下边界到中性轴O-O的距离;hu为导水裂隙发育高度;M为基本顶所受的弯矩。分析覆岩裂隙产生及演化机理，研究不同充填率条件下覆岩采动裂隙发育高度变化特征，得到了覆岩裂隙发育高与支巷充填率之间满足如下双曲线函数关系:
(3)
式中，Hf为覆岩裂隙发育高度，m;M为采高，m;φ为充填率;λ为充填率对覆岩裂隙发育的影响程度系数。
图6 “多支巷布置、采充并行”壁式连采连充保水采煤方法
Fig.6 Water-preserved mining of wall-type continuous mining and filling with multi-branch roadway layout and filling while mining
图7 覆岩裂隙带发育高度分析(连采连充)
Fig.7 Analysis on development height of overlying rock fracture zones
3.2.2 隔水层变形计算理论
基于压力拱理论和极限平衡理论，建立了采煤和充填各阶段，煤柱和充填体的承载力学模型。在计算支巷煤柱载荷，分析煤柱群稳定性，得出了采煤工作面和充填工作面之间的最大空巷数目基础上。结合煤柱塑性破坏区和弹性核区的承载变形规律，研究壁宽巷式保水采煤各阶段直接顶的下沉量，提出了包含隔水层和地表在内上覆各岩层的下沉挠度曲线方程wi和水平变形量εi的计算方法。
(i≥2)
(4)
(5)
式中，U为直接顶下沉量，m;n为支巷数目，条;b为支巷宽度，m;Hi为第i层岩层距直接顶的垂直距离，m;H2为基本顶距直接顶的垂直距离，m;θ为岩层移动影响角，(°);x为该点与下沉盆地中心的水平距离。
3.3.1 高效充填与主动接顶技术
(1)高膨胀充填材料。
研制了以粉煤灰作为骨料，石灰、石膏、水泥、添加剂作为辅料的高水膨胀充填材料。该材料力学性能优异、膨胀率高、流动性好，可满足现场实际需要[22]。确定了高水膨胀材料的关键配比范围，即水固比为0.8∶1.0～0.9∶1.0，粉煤灰、石膏、石灰、水泥、添加剂的质量比为24.6∶0.8∶5.1∶1.8∶1.0。制成水料的质量比为(1.3～1.5)∶1.0的充填料浆，充填材料的密度为1.5～1.6 g/cm3。料浆在2 h内呈液体状态，可实现自流输送。2 h以后开始固化，并有约10%的体积膨胀。在满足现场实际需要的凝结时间前提下，材料63 d强度、3 h膨胀率和泌水率可分别可达到5.39～5.52 MPa,9.9%～10.8%和0.30%～0.33%。
(2)主动接顶与监测。
采用重力自流充填作业方法，充填工艺流程为:充填骨料和辅料→成浆罐→钻孔管路→井下充填管路→运输主巷→充填巷。发明了控制覆岩裂隙和极薄阻隔层损伤的保水开采主动充填接顶方法[23]，实现褶曲煤层、局部冒顶区域的充填体接顶，并可对开采支巷充实率和充填体凝固前后的压力进行实时动态监测。
3.3.2 “采-支-运”快速作业技术
为实现大断面开采支巷的快速掘进(采煤)，并减少支护成本、确保巷道安全稳定，提出煤巷快速经济支护技术。其基本原理是在用最小的支护成本达到最好的控制效果，同时支护方式与支护参数最有利于巷道快速施工，采用能够保证巷道安全稳定的最少的锚杆(索)等支护材料，通过合理设计支护方式与参数，优化施工工艺过程，达到最高的支护强度，施工速度最快的目的，形成安全、经济、快速成巷的支护技术体系。其关键在于如何在支护密度相对较低的情况下，实现巷道的可靠支护和快速施工。快速经济支护的基本思路:针对具体煤巷围岩条件，找出能够保证巷道安全稳定的最低支护强度，确定出巷道锚杆(索)最大间排距，然后进一步优化支护方式与参数，改进临时支护装置，优化施工工艺过程，降低围岩应力，提高支护体整体性和可靠性，确定出高强度经济支护与快速施工方案与参数。形成了整体支护技术与工艺，并开发出快速装填矿用锚杆药卷锚固剂的方法和装置[24]。
形成采装运一体化采煤方法，配合连续采煤机割煤和梭车装煤运煤，形成了快速采煤、支护和运输的“多支巷布置、采充并行”壁式高效采煤作业线。煤炭运输流程为:连续采煤机→梭车→连续运输机→刮板运输机→带式输送机。工作面投资不超过1 000万元，吨煤充填成本低于60元，日产量超4 500 t。
煤岩破裂是引发矿井采掘工作面涌(突)水等灾害的根本原因，因此，如何准确有效地对矿山煤岩的破裂过程进行监测与预警，进而形成一套采掘工作面涌(突)水预测方法和预测指标，是采掘工作面涌(突)水预警与防灾减灾的重要基础，也是实现保水开采和岩层控制的重要理论基础。
4.1.1 红外辐射信息去噪
由于红外辐射系统本身的特点以及现有技术手段的限制，使获得的红外辐射信息夹杂着许多“干扰”信号[25-26]。为进行红外辐射信息去噪，提取采掘工作面承载煤岩体有效红外辐射信息，提出了添加参照煤岩的红外辐射观测实验方法(图8)，分析了影响加载煤岩红外辐射信息的因素及其特征，建立了红外辐射本底噪声校正模型，发明了煤岩裂隙发育和微渗流过程中的热红外信息去噪方法[27]。在对红外辐射信息进行有效去噪后，实现了信号和噪声的高度分离，将红外辐射信息的信噪比由传统的0.40提高到70.69[26]，解决了承载煤岩红外辐射信息信噪比低的难题，为红外辐射信息特征分析提供了可靠保障。
图8 加载煤岩红外辐射观测现场
Fig.8 Infrared radiation observation of coal and rock under loading
4.1.2 红外辐射敏感性
煤岩在承载破裂过程中，其表面红外辐射信息会发生变化，其在不同的损伤和破裂阶段表现出的力学行为不同，对应的红外辐射响应机制可能也不同，需要不同的红外辐射敏感性指标去表征。结合加载煤岩的红外辐射变化规律，提出“两图四曲线”定量分析指标，研究了红外辐射效应对应力的敏感性。其中“两图”是指原始红外热像序列图和差分红外热像序列图，“四曲线”是基于原始红外热像序列图的平均温度曲线和温度方差曲线，以及基于差分红外热像序列图的平均温度曲线和温度方差曲线[28]。利用该指标，定量分析了加载煤样的红外辐射敏感性(图9)，发现了煤岩破裂过程中的红外异常现象。为确定合理的采掘工作面承载(卸荷)煤岩红外辐射敏感指标奠定了研究基础。
图9 承载煤岩红外辐射指标敏感性分析
Fig.9 Sensitivity analysis of infrared radiation index of coal and rock under loading
4.1.3 红外信息对损伤演化的响应特征
采用红外热成像和AE联合观测技术，研究了承载煤岩损伤演化过程中的声热效应，发现了差分红外辐射方差指标和AE关联维数指标发生异常突变的同步性，如图10所示，其中，
为差分红外辐射方差的平均值;s为差分红外辐射方差的标准偏差。在此基础上，发现煤岩在损伤演化过程中，其表面红外辐射信息具有显著的同步响应特征。此外，分析了煤岩内部红外辐射的时空演化特征[29]，以及应力对红外辐射的控制效应[30]。发现了煤岩红外辐射与时间、载荷的量化关系，得到承载煤岩内部红外辐射温度与应力应变的相关系数[29]。
4.2.1 物理模拟裂隙渗流红外特征
将红外观测技术引入到采动岩体的物理相似模拟研究中[31]，分析了相似模拟实验中覆岩裂隙渗流时的红外辐射特征(图11)，为研究采动卸荷煤岩体渗流和损伤规律奠定了基础。在研究过程中，还逐步提炼出采用红外辐射响应信息来研究采动煤岩体渗透性变化的学术思想。
4.2.2 涌(突)水的红外辐射时空前兆
基于承载煤岩破裂破坏过程中的红外辐射演化特性，发明了临界距离煤岩裂隙发育红外辐射监测系统，设计了红外辐射监测煤岩裂隙发育过程的装置及方法，实现了采掘工作面煤岩体裂隙发育和微渗流的动态演变过程的实时无损监测。提出了煤岩破裂过程中裂隙发育区红外辐射监测定位方法，建立了煤岩破裂与破坏的红外辐射时空前兆判别标准[20,32-34](图12)，构建了水体在线红外探测预警系统，初步实现了对突水、水体位置以及水资源运移进行监测预警。
图10 承载煤岩损伤演化过程的声热效应
Fig.10 Acoustic thermal effect of damage evolution process of coal and rock under loading
图11 采动裂隙的红外辐射观测
Fig.11 Infrared radiation observation of fractures
图12 煤岩破坏前的红外辐射时空前兆
Fig.12 Time and space precursors of infrared radiation before coal and rock failure
(1)石纥台煤矿
石圪台煤矿位于陕西省神木县境内，主采煤层为12上煤和12煤。12上煤平均厚度2.1 m，12煤平均厚度2.7 m。12上煤平均埋深78.1 m，12煤平均埋深100.2 m，两煤层的平均间距约20 m。12上105工作面开采12上煤层，倾向长度为300 m，采用一次采全高走向长壁采煤法，采高为2.5 m。12105工作面开采12煤层，倾向长度为300 m，采高2.7 m。12105工作面开切眼外错于12上105工作面开切眼位置21～27 m，12105回风巷外错于12上105工作面回风巷约55 m。覆岩主要含水层为第四纪松散含水，其下部的黄土层和强风化细粒砂岩层为隔水层[35]。12上煤开采后，孔1和孔2的水位均能够在约30 d后保持稳定，表明上覆破断岩层形成的导水裂隙在岩层间的相互挤压作用下能够闭合，松散层潜水含水层中的水未受到破坏，该区可以实现保水开采。12煤开采过程中，工作面推过孔1约10 m时，孔1水位很快降到基岩顶面以下，截止工作面开采结束，孔1水位也没有恢复。12煤开采过程中，工作面推过孔2约20 m后，孔2水位已经下降到基岩顶面以下。工作面推过孔240～50 m之后，其水位开始逐渐上升，在推过孔2约200 m后，其水位趋于稳定。
12105综采工作面机头推进17.5 m，机尾推进21.5 m时发生了顶板涌(突)水事故，涌水总量约为47 000 m3，造成12105综采工作面设备被淹。涌水地点距离水位观测孔1较近，如图13所示。计算可得该处近距煤层的临界外错距为68.12 m。12105工作面开切眼外错于12上105工作面开切眼的距离仅为21～27 m，远小于临界外错距。因此，12煤层开采后，覆岩隔水层会产生导水裂隙，丧失隔水性能，导致水资源流失和涌(突)水，该区保水开采难以实现。
(2)王台铺煤矿
中国山西晋煤集团王台铺煤矿XV23块段对应地表有厂房、房屋及烟囱等建筑物。煤层平均厚度为2.5 m，倾角1°～2°。煤层普氏硬度f=2～4，平均埋深248 m，覆岩以砂岩、泥岩为主。直接顶为石灰岩，平均厚度8.5 m，单向抗压强度53.6～212.9 MPa。直接底为泥岩，平均厚度9.4 m，单向抗压强度12.1～58.4 MPa。
图13 水位观测孔布置及涌水位置
Fig.13 Layout of water level observation hole
采用壁式连采连充保水采煤方法[36]，将XV煤开采区域划分为若干条宽6 m、高2.6 m的巷道，并分为4个阶段开采。在实验块段煤炭资源采出率达96.8%的条件下，充填开采区域的最终地表下沉系数不超过0.02，地表变形量小于建筑物Ⅰ级损坏等级指标。整个采动覆岩的最大水平变形没有超过1.2 mm/m，覆岩中隔水层的隔水能力性没有被破坏，实现了上覆含水层和浅表水资源的原位保护[21]。
该技术与国内外同类研究、类似技术指标比较见表1。
表1 与其它保水采煤方法的主要技术指标比较
Table 1 Compare with the main technical indexes of other water conservation mining methods
(1)开发出能与综采采煤工艺相匹配的近距煤层长壁高效保水采煤方法与技术，解决了反复开采扰动区覆岩导水裂隙协同控制难题，实现了基于浅表水资源保护的近距煤层高效开采，适应当前我国西北矿区普遍采用长壁工作面进行大规模、高强度开采的现状及近距煤层赋存条件。
(2)提出了“多支巷布置、采充并行”壁式连采连充保水采煤方法，解决了极薄阻隔层低损伤控制难题，可实现极近距浅表水下的高效保水采煤。
(3)提出基于红外辐射地球物理原理的采动覆岩导水裂隙无损探测与监测预警技术，解决了采掘工作面涌(突)水红外监测预警难题，实现保水采煤技术实施效果的实时动态可控。
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