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余学义1,2，毛旭魏1,2，郭文彬1,2,3
(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054; 2.西安科技大学 教育部西部矿井开采与灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054; 3.呼伦贝尔学院 矿业学院，内蒙古 呼伦贝尔 021008)
摘 要:孟巴矿的地质采矿条件具有近地表松散富含水层厚、煤层顶板厚、煤层厚的“三厚”特征，开采煤层覆岩中含有多个含水层组，矿井水害是威胁矿井安全生产的主要因素。在覆岩多水体条件下，为了有效防止近地表厚松散UDT含水层进入井下，导致淹井灾害发生，提出上保下疏的开采水害防治模式。一分层安全开采的关键技术是控制复合关键层的结构稳定，应用初始后屈曲理论解析其稳定性，得出结构关键层的极限破坏长度，通过线性回归给出分层开采覆岩导水裂缝带发育高度预计计算公式，分析确定了一分层开采工作面宽度不超过150 m，限高开采3 m;依据对UDT含水层防护的安全煤岩柱高度确定二分层开采高度，二分层开采后覆岩结构关键层发生破坏，既能够有效疏放LDT隔水层以下含水层水，又能够保证LDT隔水层的完整性，达到UDT水体不发生下泄的目的，保障了矿井安全开采;根据工作面协调减损开采原理，确定开采分层合理错距约为82 m，下分层的巷道布置在上分层开采采空区下的厚煤层分层错距协调限高开采布置模式，实现有效降低了覆岩应力的叠加效应，减轻LDT隔水层的变形破坏程度。开采结果表明:厚煤层分层协调布置开采方法，有效减轻了UDT含水层下LDT隔水层应力叠加损伤程度，保护了隔水层的完整性;一分层限高综采，二分层限高综放开采分次疏放了煤层顶板至LDT底板2个含水层组，解决了矿井排水能力较小条件下的水害防治问题;分层工作面错距协调布置开采方法，有效降低了开采边界导水裂缝带发育高度，减小了LDT变形破坏程度，同时释放了一分层区段煤柱应力，实现了覆岩整体下沉，不但有效地降低了覆岩破坏高度，而且减小了冲击矿压冲击强度，开采期间UDT水位变化幅度稳定保持在一定范围内，实现了多水体条件下上保下疏的厚煤层分层安全开采模式。
关键词:厚松散含水层;限高协调开采;上保下疏开采模式;保水采煤(保水开采);导水裂缝带
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余学义，毛旭魏，郭文彬.孟巴矿厚松散含水层下协调保水开采模式[J].煤炭学报,2019,44(3):739-746.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6030
YU Xueyi，MAO Xuwei，GUO Wenbin.Coordinated waterproof mining mode under thick loose sand stratum in Barapukuria coal mine[J].Journal of China Coal Society,2019,44(3):739-746.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6030
中图分类号:TD823.8
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2019)03-0739-08
收稿日期:2018
1123
修回日期:20190102
责任编辑:常 琛
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51874230)
作者简介:余学义(1955—)，男，陕西定边人，教授，博士生导师。E-mail:yuxy@xust.edu.cn
YU Xueyi1,2，MAO Xuwei1,2，GUO Wenbin1,2,3
(1.School of Energy,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China; 2.Key Laboratory of Western Mines and Hazard Prevention of Ministry of Education,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China; 3.Mining College，Hulunbuir University，Hulunbuir 021008，China)
Abstract:The geological mining conditions of Barapukuria coal mine are characterized by “three thick” features of strata structure,namely the aquifer with thick unconsolidated formation near the surface,the special thick coal seam and thick roof.There are many aquifer groups in the overburden strata above coal seams.Water hazard in the coal mine is the main factor that threatens safe mining.Under the condition of overburden and multi-water body,in order to prevent the water in the loose UDT aquifer near the surface entering the underground longwall face,and avoid the water outburst disaster in the mine,the prevention and control mode of mining water hazard is put forward to protect the upper aquifer and drain the lower aquifer.The key technology of one-layer safe mining is to control the structural stability of compound key stratum.The initial post-buckling theory is used to analyze the stability of compound key stratum,and the ultimate failure length of key stratum is obtained.Under stratified mining condition,the formulas for predicting the development height of water conducted fracture zone in overlying strata are given by linear regression,and the width of working face in stratified mining is not more than 150 m and the mining height is limited to 3 m.According to the safe height of coal pillar to protect UDT aquifer,the mining height of second-layer mining is determined.After second-layer mining,the key stratum of overburden structure is destroyed,which can not only effectively drain the aquifer water below the LDT aquiclude,but also ensure the integrity of the LDT aquiclude,and it can achieve the purpose of UDT water body with no leaking,which ensures the safe mining of the coal mine.According to the principle of coordinated and damage reduction mining in working face,it is determined that the reasonable offset of mining layers is about 82 m.Layout pattern of stratified thick coal seam and limited mining height with rational offset is put up.The roadway of lower seam is located under the upper goaf,which can reduce the superposition of overburden stress and the deformation and damage of LDT aquiclude.The mining results show that the method of layered coordinated mining in thick seam can effectively reduce the stress superposition damage of LDT aquiclude under UDT aquifer and protect the integrity of aquiclude.In one-layer limited-height fully mechanized mining and two-layer limited-height fully mechanized caving mining,two aquifer groups from coal seam roof to LDT floor are separately drained,which solves the problem of water hazard prevention and control under the condition of small drainage capacity of mine.The staggered coordinated layout mining method of stratified working face effectively reduces the development height of water conducted fracture zone at mining boundary,reduces the degree of LDT deformation and damage,releases the stress of coal pillar in a stratified section,and realizes the overall subsidence of overburden.It not only effectively reduces the height of overburden failure,but also reduces the impact strength of rock burst.During the mining,UDT water level changes within a certain range,which realizes the safe mining mode of thick seam with upper and lower sparse seams under the condition of multi-water body.
Key words:thick loosened aquifer;limited height harmonic mining;mining model of protecting upper aquifer and dredging lower aquifer;water-preserved coal mining;water conducted fracture zone
孟加拉国巴拉普库利亚矿(以下简称“孟巴矿”)是我国承建、承包生产的矿井，也是目前孟加拉国惟一的煤矿。孟巴矿采矿地质条件特殊，矿井开采安全受水害[1-2]、冲击矿压[3]、采空区发火及地热多种灾害威胁。由于上覆岩层中隔水层分布较少甚至缺失，所以新近系Upper Dupi Tila(简称UDT)松散富含水层是威胁矿井安全生产的主要灾害，因此寻求一种有效开采方法即能够有效减轻水害威胁又能保护UDT富含水层不发生泄漏，对于孟巴矿安全经济开采具有重要意义。
地下煤炭开采后引起的水资源破坏问题很早就引起了国内外学者的关注。在国外为了预防开采对水资源产生破坏提出了法律性措施:十五六世纪比利时为了防止开采导致水资源破坏，颁布了一项法令对破坏引起列日城用水含水层者处以死刑[4];19世纪70年代以来美国针对煤炭开采引起的水资源消耗等生态问题，实施了“国家地下水资源总评价”等工程，将地表水、地下水均考虑到煤炭开采影响因素中，并于1977年颁布了Surface mining control and reclamation Act,SMCRA[5-6]等。澳大利亚地区在距离水体400 m的层位采煤，仍要做出细致的研究，可见人们对水下开采越来越重视[7-8]。BOOTH C J等学者针对美国伊利斯诺州的长壁工作面开采进行研究，提出开采引起的地下水位下降的可恢复性[9-10]。随着我国在水体下开采的资源越来越多，我国学者针对水下开采也进行了系统研究。保水开采理念最早在1992年由范立民提出的[11]，随后1995—1998年煤田地质总局、陕西煤田地质局185队、中煤水文地质局和中国矿业大学等单位联合针对陕北境内侏罗纪煤田开采进行研究首次使用“保水开采”一词，并为后续研究奠定了一定的理论基础[12]。2003年陕西煤田地质局在上述理论基础上进行了进一步细致的研究，提出了保水开采的条件和相应的措施。同年，钱鸣高院士提出了煤矿绿色开采理念，保水开采属于绿色开采中重要的一项研究[13-14]。自提出保水开采以来，范立民[15-16]、王双明[17]、黄庆享[18-20]等国内专家针对保水开采进行了系统研究，提出保水开采分区原则，给出理论依据及相应开采方法，形成了一套完整的成熟的保水开采理论体系。
由于孟巴矿的特殊地质条件，地层中的含水层较多，是矿井安全生产研究的主要对象，UDT含水层厚，含水量丰富且分布较广，如果导水裂缝带波及到UDT含水层，将会导致淹井灾害发生，所以并不能以传统意义的水体下开采进行研究，针对孟巴矿特殊地质条件提出上保下疏协调开采模式，即采用合适的开采工作面布置方式，达到含煤地层中的水能够被逐步疏放，保护UDT含水层底板的LDT隔水层的完整性和隔水性能，保证UDT水体不泄漏。
孟巴井田揭露地层中缺失了中生代的全部地层，使新生代地层直接覆盖在古生代的含煤地层之上，井田地层由下至上依次为古生界的寒武系复合基底、石炭—二叠系含煤地层Gondwana组以及新生界的古近系Lower Dupi Tila(简称LDT)组、新近系UDT组、第四系Madhupur(莫图布尔)黏土组，见表1。主采Ⅵ煤层，赋存稳定，厚度在29.00～41.52 m，平均36.14 m，属稳定特厚煤层，煤层倾角5°～30°。含煤地层岩性主要以粉砂岩、中粒砂岩、粗砂岩、含粒粗砂岩为主，夹薄层泥岩、炭质泥岩。Ⅵ煤的伪顶岩性为炭质泥岩、泥岩，厚度为0.11～2.20 m，属稳定性较差的岩层;顶板是巨厚砂岩，单轴抗压强度为46 MPa，属于中硬岩层，中等～易冒落顶板[2]。
表1 孟巴矿井田地层简表
Table 1 Field layer profiles of Barapukuria mine
孟巴矿矿井地层是典型的冈瓦纳地层结构，对煤炭开采具有一定的特殊性，岩层整体因成岩作用差呈现岩性强度较低、孔隙率较大、含水率较高、缺失中生代地质沉积痕迹、在煤系地层中无隔水层的特征[21-22]。孟巴矿所处的冈瓦纳地层地质采矿条件具有“三厚”特征，即地表10 m土层下具有110 m左右厚度的松散砂岩富含水层，渗透系数为0.505～40.160 m/d;煤层顶板直接赋存120 m的砂岩，具有岩层分层性差、整体性强的特征，渗透系数为0.005～0.938 m/d;厚煤层，开采煤层Ⅵ煤平均厚36 m。煤系地层中有效的隔水层缺失，仅在UDT富含水层底板存在LDT隔水层，在北部厚度0～30 m，可有效隔断UDT富含水层水对煤系砂岩的补给，LDT等厚线如图1所示。
图1 LDT等厚线图
Fig.1 LDT contour map
根据开采煤层上覆岩层特征分析，矿井含水层可分为UDT富含水层和开采煤层至LDT隔水层两个含水层组，由于矿井阶段排水系统的排水能力有限，在厚煤层分层开采中宜通过分层开采分次疏放含煤地层中含水层的水，并同时保护UDT富含水层不产生下泄，才能保证矿井生产的安全。Ⅵ煤顶板为120 m厚的砂岩层，其分层性差、整体性强，加之近地表110 m厚的松散砂层的加载作用，开采矿压显现明显，冲击矿压显现较强。
孟巴矿的特殊地层决定了威胁矿井安全开采灾害的多样性和复杂性，首先是新近系UDT砂岩其具有厚度大、岩层松散(无法提取岩芯)富含水性，渗透系数达0.505～40.16 m/d，冈瓦纳含煤地层渗透系数0.002 5～0.938 m/d，矿井开采水害防治是矿井安全生产必须解决的主要问题;其次是由于开采煤层顶板为分层性较差，厚度达120 m的砂岩，在UDT松散砂岩重力加载作用下，形成了较强的采场冲击矿压威胁。综合矿井开采防水、防冲这两种主要灾害的特征，分析矿井地层结构特征，在开采过程中通过分层限高，限制分层开采覆岩破坏高度，降低覆岩应力集中，实现含煤地层水的逐步疏放、覆岩分段破坏释放集中矿压和分层协调布置开采降低LDT隔水层变形损伤程度，防止UDT富含水层击穿LDT隔水层[23]，实现UDT水体下的上保下疏开采模式。
矿井开采中既要确保LDT隔水层的有效隔水性能，保护UDT含水层的水不发生下泄，同时因矿井排水系统的排水能力较小，含煤地层中的水体要通过控制分层覆岩破坏高度实现逐渐疏放。
水体下开采主要研究采动覆岩导水裂缝带与水体赋存的位置关系，根据孟巴矿开采煤层覆岩含水层的富水性，导水裂缝带沟通多个基岩含水层可能造成淹井事故，在这种条件下，采用工作面协调布置减损开采技术，可以为矿井安全、高产、稳产提供保障，同时对水体的保护和水体下煤炭资源的开发，具有重要的借鉴作用和参考价值。孟巴矿开采煤层顶板至LDT隔水层底板为200余米厚的冈瓦纳地层，按照地层岩性、富水性和岩层结构可将开采煤层覆岩划分为3组含水层组，如图2所示。Ⅵ煤至Ⅴ煤为含水层1，Ⅴ煤顶板至LDT底板为含水层2，UDT含水层为含水层3。
图2 含水层划分示意
Fig.2 Aquifer division diagram
综合矿井水体的赋存特征，岩层含(隔)水性，导水裂缝带的发育规律，确定孟巴矿特厚煤层分层协调减损开采水害防治模式为:通过控制分层开采高度，实现覆岩水体的上保下疏、基岩水体分步疏排，分层工作面限高协调错距布置、间歇开采，避免LDT隔水层拉应力区叠加破坏，降低LDT隔水层的损伤程度，以保证UDT含水层不击穿LDT隔水层，实现LDT水体下的安全开采[24-25]。具体方法为:一分层开采厚度控制在Ⅵ煤顶板120 m厚的砂岩的关键层结构稳定的基础上，能够有效控制一分层开采覆岩破坏高度，实现一分层开采主要疏放含水层1;二分层开采控制覆岩导水裂缝带高度在LDT隔水层以下，实现二分层开采主要疏放含水层2。即通过分层限高开采，保证导水裂缝带不波及LDT隔水层;通过协调错距开采，减轻LDT隔水层完整性和变性破坏程度，而达到保护UDT强含水层不下泄。
4.1.1 一分层工作面开采宽度、厚度确定
要实现一分层开采主要疏放含水层1的目标，必须控制一分层开采后关键层的结构稳定，Ⅵ煤顶板岩层结构如图3所示。
图3 Ⅵ煤顶板结构柱状
Fig.3 VI coal roof structure histogram
根据现场探测和模拟实验结果，在孟巴矿开采条件下，一分层开采裂采比为25，二分层开采累计采厚裂采比为23，取保护层厚度为分层开采厚度的5倍，线性回归得出孟巴矿分层开采覆岩导水裂缝带发育高度预计计算公式:
H=(n+27)∑M-15n2
(1)
式中，n为分层层数;∑M为累计开采高度，m。
根据式(1)计算一分层开采后覆岩导水裂缝带高度为69 m，结构关键层距煤层顶板72 m未受到导水裂缝带的破坏。此时的结构关键层处于弯曲下沉状态，根据冈瓦纳地层的特殊条件，将从力学特征上简化为:松散UDT含水层为主要加载层;煤系地层对载荷起传递作用;结构关键层为主要承载层，其稳定性可以通过初始后屈曲理论进行解析，即关键层从原始状态发生弯曲达到后曲屈状态产生的位能增量[22]可表示为
P=Wx+Wy
(2)
式中，P为关键层产生的总位能增量;Wx为载荷岩层沿倾斜方向的位能增量;Wy为载荷岩层沿垂直方向的位能增量。
挠曲变形函数通过弧长的傅里叶级数展开后取一阶为
(3)
式中，y为最大挠度，m;s为弧长，m;l为结构跨度，m。
通过材料力学可知结构的应变能表达式为
(4)
式中，D为抗弯刚度，
为弹性模量，Pa;h为结构厚度，m;k为曲率，10-3m-1。
结合式(3)和式(4)可得出均布载荷q做功即载荷沿垂直方向的位能为
式中，α为岩层倾角，(°);q为上覆岩层施加的载荷，N/m。
载荷岩层沿倾斜方向的位能为
Wx=-qsin αΔl=
l-
(6)
将式(5)和式(6)代入式(2)中进行无量纲化，再进行泰勒公式(1+x)m型展开，利用驻值定理得出结构关键层稳定的充分必要条件为
(7)
式中结构关键层的抗弯刚度D可由下式计算:
(8)
式中，E1，E2分别为上、下岩层的弹性模量，Pa;h1，h2分别为上、下岩层的厚度，m;h为复合岩层中心层的位置，m，计算公式为
结构关键层上部厚度17.4 m(h1)的细砂岩弹性模量为4 695 MPa(E1)，下部厚度15.2 m(h2)的中砂岩弹性模量为4 482 MPa(E2)，结构关键层承载的覆岩容重已求得近似为5 120 kN/m3，代入式(7)和式(8)中计算得到结构关键层的极限破坏长度为178.05 m，结合钻孔探测得到覆岩裂隙角为79°。
同理，以式(1)来限定工作面采高，以式(6)和式(7)来限定工作面采宽，考虑到一分层大面积开采，选取小于临界状态的采宽与采高，分析确定一分层工作面宽度不超过150 m，开采高度3 m时，覆岩关键层结构是稳定的，能够有效抑制导水裂缝带向上发展，可以实现主要疏放Ⅵ煤顶板砂岩含水层水体的目的。
4.1.2 二分层限高保水开采
孟巴矿二分层开采后结构关键层发生破坏，对上覆岩层无法起到承载作用，此时覆岩破坏发育高度完全依赖于岩体的残余碎胀系数，所以对于导水裂缝带高度的控制尤为重要。根据式(1)计算，二分层除了1204，1203工作面采用分层综采(采高3.0 m)外，其余工作面均采用分层综合机械化放顶煤开采方法开采，采放厚度在5～8 m。通过地表探测孔:1204工作面17号探测孔、1210工作面16号探测孔、1214工作面25号探测孔，应用钻孔钻液漏失量探测方法，配合钻孔电视成像方法，结合实验模拟方法研究，二分层开采后导水裂缝带最大高度在LDT底板以下15～25 m，通过二分层限高开采方法，既控制了二分层导水裂缝带发育高度，同时实现了基岩含水层的有效疏放和UDT含水层有效保护的上保下疏矿井安全开采模式。
协调开采技术是基于协调理论的矿井开采部署、开采顺序和开采参数在空间和时间方面的科学有效衔接和管理，通过科学规划开采布局和开采顺序，选择合理开采参数，降低覆岩应力的叠加效应，减轻采动覆岩的破坏程度，避免灾害发生或减轻灾害强度的开采技术[26]。
4.2.1 分层错距布置减损原理
根据工作面协调减损开采原理，在二分层开采工作面与一分层开采边界外错距布置，使二分层回采巷道位于一分层采空区下并应用综放方法开采，这种工作面布置方式开采，有效破坏一分层采空区的区段煤柱，实现覆岩整体下沉，降低了覆岩导水裂缝带发育高度，加速了导水裂缝通道的闭合，保证了隔水层的稳定性。边界错距布置开采防止隔水层拉伸应力叠加产生下行裂隙在承压水体作用下被击穿。
根据概率积分法分析岩层内部应力和水平变形，如图4所示，右侧是未进行错距布置的工作面，煤柱上方的应力集中叠加，LDT隔水层上的水平变形拉伸区拉伸变形叠加，增加了LDT产生拉伸破坏的不稳定性;左侧是进行错距开采布置的工作面，上分层开采后产生的变形与下分层开采后产生的变形避免叠加，且一分层开采后在LDT隔水层上产生的压缩水平变形ε1与二分层开采后产生的拉伸变形ε2相互抵消，使得LDT平缓下沉。合理的错距可按下式计算:
(9)
式中,L为合理错距，m;r1，r2分别为一、二分层开采对应在LDT隔水层位置的主要影响半径，m;H1,H2分别为一、二分层与LDT隔水层的距离，m;tan β为主要影响角正切。
图4 分层错距与对齐开采LDT水平变形叠加
Fig.4 Stratified offset and alignment mining LDT horizontal deformation overlay
一分层开采煤层顶板距LDT隔水层220 m，二分层开采煤层顶板距LDT隔水层230 m，取tan β=2.2，由式(3)计算出一、二分层开采分层错距约为82 m。
4.2.2 分层错距布置间歇开采
根据一、二分层开采各分层顶板至LDT隔水层的垂距，由式(9)计算出二分层工作面与对应一分层工作面的错距布置距离，如图5所示。二分层工作面按1204,1203,1214,1206,1205依次顺序进行开采。这种工作面布置方法:① 避免分层工作面在边界位置水平变形叠加，减轻LDT隔水层拉伸变形破坏，达到防水目的;② 二分层开采后通过顶煤放煤量控制，达到完全释放一分层煤柱应力，即不但增加了顶煤回收量，而且使得覆岩在UDT松散层的加载作用下，整体快速下沉。
图5 分层工作面错距布置方法示意
Fig.5 Schematic diagram of the layout method of layered working face error
一分层共开采了13个工作面，分层开采高度均为3.0 m，二分层共开采了9个工作面，其中1203,1204工作面采用分层综采，开采高度3.0 m，其余工作面均采用综放方式开采，采放高度4.5～8.0 m。矿井生产各个工作面回采期间涌水量如图6所示，浅部1101,1203工作面开采期间涌水量超出500 m3/h，1205工作面受构造影响涌水量达到900 m3/h，其余工作面开采期间涌水量均在500 m3/h以下范围，实现了在矿井排水能力限制条件下的水体下安全开采。同时工作面协调错距布置间歇开采，与一分层开采相比二分层开采矿山压力显现明显降低，冲击矿压强度降低，由于二分层开采有效地破坏了一分层采空区煤柱，实现了覆岩快速整体沉降，密实了采空区，也降低了采空区发火的危险性。
为了实时监测开采过程中UDT水位变化，专门于井田内布置了观测孔群(分别命名为：P11/2,P11/3,SOB11/2,SOB11/3,SOB11/4,SHOB11/2,SHOB6)，2017年11月至2018年11月近1 a的水位观测变化数据如图7所示，由于存在LDT天窗区，UDT水位变化规律与当地降雨密切相关，雨季水位上升，旱季水位下降，但UDT整体水位变化幅度稳定保持在一定范围内，未出现持续下降现象，表明UDT含水层并未与导水裂缝带贯通建立水力通道。
图6 各个工作面回采期间涌水量
Fig.6 Water inrush during each mining face
图7 UDT含水层水位变化
Fig.7 Water-level fluctuation of UDT aquifer
1214工作面采空区范围内一分层平均采厚3 m，二分层平均采厚为7 m，是整个开采区域中累计采厚最大的地方，所以在二分层回采结束后于1214工作面采空区实施地面钻孔探测2个分层开采结束后导水裂缝带发育高度，可以有效说明2个分层开采后覆岩裂隙发育情况。钻孔实施共372.86 m，在137.07～173.61 m段进行了抽水实验，实验结果显示该段即LDT隔水层段渗透系数为0.028 95 m/d，具有良好的隔水性，说明2个分层协调开采结束后LDT隔水层未发生大变形破坏，且具有良好的隔水性。涌水量未超过煤系地层含水层上限涌水量、UDT水位变化情况和最大采高处LDT的完整性3个方面表明上保下疏水体下开采模式有效防止了UDT含水层中的水进入井下。
(1)孟巴矿具有特殊的冈瓦纳地层结构，地质采矿条件具有“三厚”特征:松散砂岩富含水层厚、煤层顶板厚、煤层厚，这种结构决定了矿井水害防治和防冲是矿井安全开采中需要解决的关键问题。
(2)依据地层岩性、富水性、岩层结构和矿井阶段排水能力将孟巴矿覆岩含水层划分为3组含水层，应用理论方法给出了厚煤层分层工作面宽度和分层开采高度，达到了逐步疏放了含煤地层水体的目的。
(3)提出了上保下疏开采模式，定义了协调减损开采科学涵义，通过理论计算结合工程探测数据，分析确定了限高协调分层错距开采方法及其参数，将上保下疏水害防治模式成功地应用于孟巴矿UDT强含水层下厚煤层分层开采中。
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