我国煤炭资源十分丰富，且地域分布辽阔，煤炭在我国一次性能源结构中占60%左右，在未来几十年内，煤炭仍将是我国的主体能源[1]。鄂尔多斯盆地是我国重要的含煤盆地，其侏罗纪煤炭资源量占全国的31.9%[2]。国家批复建设的14个亿吨级大型煤炭基地中，神东、陕北、黄陇及宁东4个基地开采鄂尔多斯盆地侏罗纪煤炭资源，随着“一带一路”战略的实施及我国煤炭生产重点逐步西移，鄂尔多斯盆地侏罗纪煤炭资源开发已成为我国煤炭工业可持续发展的重要支撑[3]。
鄂尔多斯盆地侏罗纪煤层上覆地层中广泛发育基岩孔隙裂隙和第四系松散含水层，由于侏罗纪煤层开采条件较好，通常采用大规模机械化采煤，大尺度工作面机械化开采后对顶板覆岩扰动强度大，工作面回采产生的导水通道很容易沟通上覆含水层，造成工作面顶板水害事故[4-5]。鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田顶板水害主要表现为离层水害、溃水溃沙、巨厚砂岩水害与烧变岩水害，据不完全统计，这4种典型水害占顶板水害总量90%以上。顶板水害不仅给煤炭企业造成巨大的经济损失，还严重制约我国千万吨矿井群建设和国家煤炭资源开发战略西移的顺利实施。
长期以来人们认为鄂尔多斯盆地地处西北干旱缺水区，对煤炭资源开发过程中顶板水害的严重程度认识不足，加之以往矿井防治水研究的重点主要集中在受底板奥灰水威胁的华北型煤田[6-7]，导致鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田顶板水害形成机理研究基础薄弱，致灾判别标准难以量化，缺乏有效顶板水害防控技术措施等突出问题。为了保障侏罗纪煤田资源开发的安全，开展了跨区域、长周期、多学科产学研用协同科技攻关，针对威胁鄂尔多斯盆地侏罗纪煤炭资源开发的4种典型顶板水害形成机理、主控因素、判识方法开展了系统研究，形成了相应的顶板水害防控关键技术。
1 鄂尔多斯盆地典型顶板水害特征
1.1 鄂尔多斯盆地煤炭资源赋存特征
鄂尔多斯盆地地跨陕、甘、宁、蒙、晋5省(区)，面积40万km2，盆地赋存丰富的煤炭、石油和天然气资源，已成为我国重要的能源生产、储备和调配基地。鄂尔多斯盆地是中国煤炭资源最富集的地区,含有侏罗纪、石炭二叠纪、三叠纪含煤岩系，埋深小于2 000 m的煤炭资源总量为19 765亿t，占全国煤炭资源总量的43.1%，其中侏罗纪煤炭资源总量为14 630亿t，占74%，煤层除延安一带缺失外，其余地区均有分布，含煤10～15层，可采5～7层，累计厚度15～20 m。
鄂尔多斯盆地侏罗纪含煤岩系是盆地中最重要的含煤岩系之一，由于其分布面积广，各地沉积环境不同，因而各地含煤性和聚煤作用的时空变化较大，形成盆地内不同地区煤层层数、厚度分布的差异。盆地南部主要可采煤层位于含煤岩系最下部，其分布范围、结构、煤质均与三叠系顶部形态密切相关;盆地北部厚度最大的主要可采煤层位于含煤岩系最上部，其显著特点是分布范围与厚度变化小;盆地西部煤层数量多、单层厚度小[8]。
1.2 鄂尔多斯盆地煤层顶板含水层特征
根据含水层系统分部特征及其与侏罗纪煤田可采煤层的相对位置关系，对侏罗纪煤炭资源开采具有威胁的顶板含水层系统包括侏罗系孔隙裂隙含水层系统、白垩系孔隙裂隙含水层系统和第四系孔隙含水层系统见表1。
1.3 鄂尔多斯盆地顶板水害分布
由于鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田煤炭资源赋存与含水层系统的复杂性，煤炭资源开发面临不同程度、不同类型、不同条件的顶板水害威胁[9-10]。以往认为鄂尔多斯盆地位于干旱、半干旱地区，降水量小，煤层顶板砂岩含水层以孔隙和裂隙为主，地下水向工作面充水以渗流为主，工作面开采时发生大规模顶板水害事故的可能性较小，但在实际生产中发现特定沉积、构造和开采条件能够导致严重的顶板透水事故。基于对鄂尔多斯盆地离层水害、薄基岩溃水溃沙、厚层砂岩水害和烧变岩水害充水含水层、分布范围、顶板覆岩组合、防治难点及存在问题的分析见表2，顶板水害具有区域性、隐蔽性、突发性、复杂性、强致灾性等特点。
表1 鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田煤层顶板含水层特征
Table 1 Characteristics of aquifer on coal seam in Jurassic coal field of Ordos basin
含水层系统侏罗系孔隙裂隙白垩系裂隙孔隙第四系孔隙含水层烧变岩直罗组洛河组萨拉乌苏组主要分布范围盆地东北部盆地内广泛分布盆地南部盆地东北部岩性细、中砂岩和粉砂岩、泥岩烧变后,分别呈块状和片状、棱片状细、中、粗砂岩,泥岩,底部发育含砾粗砂岩细、中、粗砂岩为主粉细沙、细沙、亚黏土为主,古河床中心底部一般含少量卵砾石厚度/m20～30,局部区域可达5030～100,局部区域可达200200～300,最大能够达到45030～80渗透系数/(m·d-1)一般>100,最大可达1 631.30.004～4.9580.016～0.8480.231～5.100单位涌水量/(L·(s·m)-1)9.980.003～5.8300.011～3.1850.084～1.500富水性强弱～强弱～强中等～强
表2 鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田典型顶板水害特征
Table 2 Typical roof water disaster characteristics of Jurassic coal field in Ordos basin
水害类型离层水害薄基岩溃水溃沙厚层砂岩水害烧变岩水害充水含水层直罗组、洛河组萨拉乌苏组直罗组、洛河组烧变岩分布范围盆地西部、南部盆地东北部煤层浅埋区域盆地内煤层深埋区域广泛分布盆地东北部煤层浅埋区域顶板覆岩组合砂岩与泥岩互层薄基岩上覆厚松散沙层隔水层较薄,上覆厚层砂岩烧变岩与煤层直接接触或位于煤层上部防治难点及存在问题水害形成主控因素不清,缺乏判识标准,探放时机和靶区难以确定缺少薄基岩划分标准,松散沙层注浆效果差厚层砂岩下工作面采用限制采高,浪费大量煤炭资源疏放烧变岩水或留设大量防隔水煤岩柱导致水资源及煤炭资源浪费
神东、陕北、黄陇和宁东煤炭基地分别位于盆地的东北部、南部和西部，各基地分别受到不同类型顶板水害的威胁(图1)，甚至部分区域的侏罗纪煤炭资源受到多种水害的威胁。
图1 鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田亿吨级煤炭基地及典型顶板水害分布
Fig.1 Distribution of hundred-million-ton coal bases and typical roof water disaster of Jurassic coal field in Ordos Basin
2 离层水害防控关键技术与应用
2.1 离层水害及其形成机理
2.1.1 典型离层水害
离层水害主要发生在宁东和黄陇煤田，红柳煤矿位于鄂尔多斯盆地西缘宁东煤田，I010201工作面为矿井的首采工作面，主采延安组2煤，2009年11月—2010年3月共推进了186 m，却发生了规模不等的4次顶板水害(图2)，最大突水量3 000 m3/h，造成I010201工作面被淹。
I010201工作面直接充水水源为顶板直罗组下段含水层，单位涌水量0.010～0.094 L/(s·m)，富水性弱，能够发生周期性规模较大的顶板水害，推测突水水源来自顶板离层空间。
图2 I010201工作面历次突水量与工作面推进距离
Fig.2 Diagram of successive water inrush and mining distance of working face I010201
2.1.2 工作面顶板覆岩组合特征
根据I010201工作面内部及周边地质勘探钻孔资料，工作面直接顶板为粉、细砂岩，平均厚度10 m，基本顶为直罗组下段含水层的下分层，平均厚度22.2 m，其上部为平均厚度20 m的泥岩，再向上为平均厚度40.6 m的直罗组下段含水层的上分层，I010201工作面顶板覆岩呈现出明显砂泥岩交互叠合沉积。
2.1.3 离层水害形成机理
鄂尔多斯盆地离层水害主要发生在煤层顶板砂泥岩交互叠合沉积条件下，其形成机理与东部矿区火成岩或页岩条件下离层水害存在较大差异[11]，工作面回采后顶板覆岩产生不均匀沉降，形成一定规模的离层空间，接受上部砂岩含水层的水量补给后形成离层水体，工作面继续回采过程中泥岩在矿压和水压作用下破断，导致离层水体溃入工作面，离层水害形成过程如图3所示。不同覆岩组合与开采条件下的泥岩特定厚度是离层水害发生的主控因素[12]。
图3 离层水害型形成过程示意
Fig.3 Schematic diagram of formation process of bed separation water disaster
2.2 离层水害主控因素及判识方法
对于砂泥岩交互叠合离层水害，泥岩隔水层厚度是控制水害发生的主要因素，其厚度过小会导致覆岩中形成较大规模离层空间的可能性较小，其厚度过大时离层水体无法突破泥岩溃入工作面。基于离层水害的形成机理及特征，将离层空间下部泥岩简化为简支梁模型，建立泥岩隔水层强度与矿压、水压的平衡方程，推导出导致离层水害发生的泥岩厚度计算公式为
(1)
其中，hn为泥岩隔水层溃水厚度，m;l为泥岩破断距，l=L-(cot θ1+cot θ2)H，m;P为砂岩含水层水压，MPa;σt为泥岩抗拉强度，MPa;γ为泥岩容重，N/m3;L为周期来压步距，m;θ1,θ2分别为开切眼和终采线一侧的断裂角，(°);H为离层与煤层距离(hli<H<L/(cot θ1+cot θ2)；hli为工作面导水裂隙带发育高度)，m。利用式(1)计算I010201工作面离层水害发生的泥岩隔水层厚度hn为19 m。
2.3 离层水害防控关键技术
基于离层水体形成位置与现场探查资料，推导出离层水体空间定位计算公式(式(2)，(3))，可圈定离层水体探放的靶向范围;建立了泥岩隔水层破断与周期来压之间的内在关系，为及时布设束状群孔彻底疏放离层水体提供依据(图4)。
d=[L-(cot θ2-cot θ1)H]/2
(2)
w=33.539(cos α-0.985)W
(3)
式中，d为离层水体中心与上一个周期来压破断点的距离，m;w为离层水体中心与下巷的距离，m;α为煤层倾角(α≤9°)，(°);W为工作面倾向长度，m。
图4 离层水体“束状布孔，靶向探放”示意
Fig.4 Schematic diagram of “bunch-shaped borehole
distribution,targeted exploration and drainage” of
bed separation water
2.4 现场应用
红柳煤矿I010201工作面顶板泥岩厚度为20 m，接近利用式(1)计算的hn=19 m，故I010201工作面具备离层水害形成的条件。利用式(2)，(3)计算了I010201工作面离层水体形成的位置，采用束状钻孔对离层水体中心位置进行了靶向探放，最大单孔水量为91 m3/h，在6个钻场施工了25个钻孔，累计共疏放离层水体21.2×104 m3，杜绝了I010201工作面离层水害的发生。
利用离层水害判识方法准确预判宁东基地红柳、石槽村、梅花井等煤矿29个工作面的离层水害危险性，对18个有离层水害威胁的工作面进行了离层水体探放，消除了离层水害隐患，安全回采煤炭资源3 000多万吨，实现了离层水害防控从“定性”到“定量”的跨越。
3 薄基岩溃水溃沙防控关键技术与应用
3.1 薄基岩溃水溃沙及其形成机理
3.1.1 典型薄基岩溃水溃沙
薄基岩溃水溃沙主要分布在神东矿区，2010-07-28，哈拉沟煤矿22402工作面在回采至38 m时，92号支架顶板出现溃沙，随后第150～160号支架间淋水量增大，溃水溃沙范围很快扩大至工作面机尾段，最终导致支架无法正常移动，采空区溃沙外溢至工作面，22402工作面被迫停产。
3.1.2 工作面顶板覆岩组合
22402工作面开切眼位于哈拉沟附近，采高5 m，这个区域顶板基岩厚度29.5～40.0 m，第四系松散沙层厚度为25～30 m，开切眼处靠近哈拉沟附近上覆基岩相对较薄，基岩裂隙发育、完整性较差。根据碎胀系数法计算22402工作面垮落带高度为22.5 m，未波及至松散沙层，推测除了垮落带，导水裂隙带的一部分应该也具备导沙的功能。
3.1.3 薄基岩溃水溃沙形成机理
结合22402工作面溃水溃沙发生的过程及特征，神东矿区浅部煤层上覆基岩通常较薄，而薄基岩上部赋存有厚层第四系松散含水沙体，工作面回采波及至松散含水沙体形成导水沙通道时，加之含水沙体中地下水位较高，含水沙体在水动力作用条件下溃入工作面，形成薄基岩溃水溃沙。因此，工作面覆岩变形破坏特征，特别是薄基岩的破坏规律是溃水溃沙研究的基础[13]。
溃水溃沙的发生与工作面的水文地质及回采条件密切相关，其发生需要具备4个条件:① 一定量的水沙源;② 溃水溃沙的通道;③ 容纳水沙的采掘空间;④ 能够驱动含水沙体的地下水位。改变条件①和③的难度较大，故改变条件②和④是解决溃水溃沙的主要途径，疏水降压技术已经比较成熟，而溃水溃沙通道的定量化研究相对较少。
3.2 薄基岩溃水溃沙主控因素及判识方法
3.2.1 薄基岩溃水溃沙通道
在垂向上，部分导水裂隙带的裂隙宽度能够通过含水沙体，这部分能够既导水又导沙的导水裂隙带称为导水沙裂隙带，其高度大于垮落带同时小于导水裂隙带，是薄基岩溃水溃沙形成的主控因素[14]。通过构建导水沙拱力学模型，推导了导水沙裂隙带发育高度为
(4)
式中,
为导水沙裂隙带高度，m;h为导水裂隙带高度，m;h′为导水裂隙带最高点距地表距离，m;γ为覆岩容重，N/m3;μ为层间岩层摩擦因数;c为煤层内黏聚力，MPa;K0为沙体侧向压力集中系数，K0=tan2(45°-φ/2);H1为工作面采深，m;φ为岩层内摩擦角，(°)。
3.2.2 薄基岩溃水溃沙判识方法
创建了基于导水沙裂隙带与基岩厚度对应关系的溃水溃沙危险性评价体系，如图5所示，该评价体系为溃水溃沙精准防控提供了科学依据。图5中，j为正常基岩厚度。
图5 薄基岩溃水溃沙危险性评价体系示意
Fig.5 Schematic diagram of risk assessment system for water and sand inrush with thin bedrock
3.3 薄基岩溃水溃沙防控关键技术
由于在含水松散沙体中注浆存在浆液易跑冒、沉淀、离析等问题，导致注浆效率低、注浆深度浅、注浆压力低等，针对以上问题，发明了可在含水松散沙层中间歇、高压注浆的装置及工艺:设计了内芯管下端开口-外花管下端封闭的内外双管结构(图6)，保持浆液在内外管之间环空始终处于流动状态，实现不提注浆管无死角清洗，有效防止了候凝时浆液离析沉淀造成的注浆管堵塞，保障了后续注浆的顺利进行，有效提高了注浆加固可靠性;内外管采用全钢质材料，注浆压力可高达10 MPa，实现了在同等沙层和静水压力条件下对更大范围沙体的劈裂、挤密、固结，注浆深度由原来30 m提高到110 m。
图6 含水松散沙层地面注浆加固示意
Fig.6 Schematic diagram of ground grouting reinforcement for water-bearing loose sand layer
3.4 现场应用
哈拉沟煤矿22208工作面采高3.5 m，顶板基岩厚度12.5～25.3 m，含水松散沙层厚度37.6 m，根据碎胀系数法计算冒落带高度为17.5 m，利用式(4)计算导水沙裂隙带高度为34.0 m，根据薄基岩溃水溃沙危险性评价体系的分析，22208工作面基岩类型属于超薄～薄基岩，受溃水溃沙威胁的程度为较高～高，需要对松散沙层进行注浆加厚改造与疏水降压。
采用内外双管注浆工艺对22208工作面顶板上覆含水沙层进行注浆加厚改造，共施工注浆钻孔330个，累计注浆量900 t，改造完的22208工作面顶板基岩厚度大于35 m，避免了溃水溃沙的发生。
在神东基地哈拉沟、上湾、石圪台等煤矿38个工作面实施溃水溃沙条件识别，对15个有溃水溃沙隐患的工作面实施了相应的防治工程，创造了推广应用矿井连续8 a溃水溃沙零事故纪录，安全回采煤炭资源2 000多万吨。
4 厚层砂岩水害防控关键技术与应用
4.1 厚层砂岩含水层水文地质特征
4.1.1 厚层砂岩水害防治存在的问题
厚层砂岩水害在鄂尔多斯盆地广泛分布，其中以黄陇煤田最为典型，白垩系洛河组是威胁延安组煤层安全生产的主要充水含水层，煤层开采地质条件表现为煤层厚、顶板砂岩含水层厚和隔水层较薄的特点，洛河组砂岩含水层厚度一般为200～300 m，最大能够达到450 m，富水性中等～强，补给条件好。
以往为了避免工作面回采产生的导水裂隙带波及至洛河组厚层砂岩含水层，通常采用条带开采或限高开采，但是大多数矿井的正常涌水量仍然在600 m3/h以上，不仅制约了矿井的生产能力，同时还浪费了大量煤炭资源。
4.1.2 厚层砂岩含水层精细勘探
黄陇煤田高家堡煤矿矿井正常涌水量为3 500 m3/h，曾经发生过集中涌水，导致采区泵房被淹，大量煤炭资源受顶板巨厚砂岩水害威胁。为了查明煤层顶板洛河组巨厚砂岩含水层的水文地质条件，通过对洛河组含水层不同层段采用分层抽水系统进行抽水试验，查明了含水层垂向非均质特征:巨厚砂岩含水层内部无稳定隔水层、水文地质特征垂向渐变，不同层段岩性、抽水量、水位、矿化度、水文地质参数等存在明显差异(表3)，打破了以往将其视为统一含水层的认识[15]。
表3 黄陇煤田高家堡井田洛河组垂向水文地质特征
Table 3 Vertical hydrogeological characteristic of Luohe formation in Gaojiabu coal field,Huanglong coal base
洛河组层段洛河组上段洛河组中段洛河组下段岩性与厚度细、中砂岩厚度28.90～52.33 m,泥岩厚度46.45～53.75 m细、中、粗砂岩厚度213.72～241.68 m,泥岩厚度1.53～16.97 m细、中砂岩厚度37.02～54.32 m,泥岩厚度20.42～33.37 m钻孔抽水量/(L·s-1)4.46～7.89 14.91～22.450.26～0.61地下水位/m+925.75～+925.99+926.28～+928.44+926.36～+926.52矿化度/(mg·L-1)1 033 1 254～1 6553 824水质类型SO4·HCO3(Cl)-Na型SO4·HCO3-Na,SO4-Na型SO4-Na型渗透系数/(m·d-1)0.637 8～0.847 70.437 8～0.546 90.016 4～0.017 1单位涌水量/(L·(s·m)-1)0.516 4～0.774 1>3.184 60.010 7～0.012 8流量测井2个钻孔仅测出1个出水层段2个钻孔测出7个出水层段2个钻孔未测出出水层段
4.2 厚层砂岩含水层充水模式
发现了厚层砂岩含水层在垂向上的非均质特性，揭示了导水裂隙带波及段以侧向径流为主，未波及段以垂向渗流为主，并呈由下至上水位降深呈阶梯状减小的递进渗流充水模式[16]，厚层砂岩含水层递进渗流充水模式如图7所示。
图7 厚层砂岩含水层递进渗流充水模式
Fig.7 Progressive seepage water filling mode of thick sandstone aquifer
4.3 厚层砂岩水害防控关键技术
基于厚层砂岩含水层水文地质特征及工作面充水模式，提出了“适当波及、主动防控”的技术理念，充分利用低渗含水层阻水能力，允许导水裂隙带适当波及洛河组含水层下部弱富水段，避免波及上部强富水段，打破了以往“以防为主、限高开采”的防治水思路。
4.4 现场应用
通过将厚层砂岩水害防治理念应用于亭南煤矿206工作面，使工作面采高提高1.5～2.0倍，资源回收率提高96.3%，而工作面涌水量仅增大17.4%，使吨煤涌水量减少21.8%，吨煤成本降低21.7%。
厚层砂岩水害综合防控技术在黄陇基地胡家河、孟村、小庄等煤矿53个工作面成功推广应用，多回收煤炭资源4 000多万吨，保障了千万吨级矿井按时达产，同时显著减少了煤炭资源浪费。
5 烧变岩水害防控关键技术与应用
5.1 烧变岩水害概况
烧变岩主要分布在鄂尔多斯盆地北部榆神、神南矿区，分布规律明显受水系及地形控制，厚度一般20～30 m，局部达50 m[17-18]。烧变岩水害是威胁煤层露头及隐伏露头区域煤炭资源开采的主要威胁，仅榆神矿区已查明烧变岩分布面积近700 km2，压覆煤炭资源量约30亿t。
张家峁煤矿5煤工作面主要受到其顶板4煤烧变岩水害的威胁，若5煤工作面直接在烧变岩下回采，其单个工作面涌水量预测值为2 000 m3/h，若留设防隔水煤柱，则会造成357×104 t煤炭资源浪费。
5.2 烧变岩水文地质特征
煤层在烧变后，顶板发生坍塌和冒落，未烧变煤层与烧变岩边界处顶板受到煤层的支撑，导致空洞发育，孔隙度较大，是烧变岩的主要富水区域，经钻探与注浆验证，钻探至此区域时易发生掉钻现象，钻孔单位涌水量q=9.98 L/(s·m)，单孔注浆量平均800 t，最大可达近4 000 t，存在明显的“边界富水”效应。
根据烧变岩裂隙发育程度、富水性及相对位置，可将烧变岩完整断面分为直接露头区、中部埋藏区和火烧边界区(图8)，其裂隙发育程度及富水性依次增强。
图8 烧变岩全断面分区
Fig.8 Whole section zoning of burnt rock
5.3 水体旁烧变岩帷幕注浆技术
发明了一种从露头至实煤体断面处烧变岩含水层的帷幕注浆方法:直接露头区选择水泥-水玻璃双液浆，防止跑浆;中部埋藏区选择水泥单液浆，提高堵水强度;火烧区边界区选择水泥-粉煤灰混合浆，沉淀速度快，扩散距离短[19-20]。
提出了内、外双排式帷幕注浆工艺[21]，先施工内排钻孔，后施工外排钻孔，各排钻孔分为2个施工次序，内排前序钻孔注浆时，后序钻孔抽水引流，使浆液沿帷幕线方向扩散，有效控制浆液的扩散范围，形成帷幕墙;外排钻孔注浆时，井下钻孔放水引流，使浆液沿垂直方向扩散，封堵帷幕墙残余过水通道(图9)。
图9 双位双向引流注浆技术示意
Fig.9 Schematic diagram of double-position and double-direction grouting technique
5.4 现场应用
张家峁煤矿通过针对烧变岩施工了注浆钻孔134个，累计注浆量4.7×104 t，帷幕长度625 m，烧变岩周边工作面回采过程中涌水量<5 m3/h，周边水库年蓄水量增加约150×104 m3。
烧变岩帷幕注浆技术在陕北基地张家峁等煤矿12个工作面得到了推广应用，烧变岩对工作面补给水量减少95%以上，周边水库蓄水量增加约300万m3，多回收煤炭资源500多万吨，同时实现了采煤保水。
6 结 论
(1)鄂尔多斯盆地侏罗纪煤炭资源开发受顶板水害威胁严重，其中以离层水害、薄基岩溃水溃沙、厚层砂岩水害和烧变岩水害最为典型，受到沉积、构造和开采条件的影响，4种典型顶板水害分布范围、形成机理、主控因素、判识方法和防控技术具有各自的特点。
(2)砂泥岩互层是离层水害形成的地质基础，泥岩隔水层厚度是控制离层水害形成的主要因素，推导了离层水害形成的泥岩厚度计算公式与离层水体形成位置的计算公式，提出了“束状钻孔，靶向探放”的离层水体精准定位探放技术。
(3)导水沙裂隙带是薄基岩溃水溃沙的主要通道和控制因素，推导了导水沙裂隙带发育高度计算公式，并建立了薄基岩溃水溃沙判别标准，发明了针对含水松散沙体的高效注浆装置与方法。
(4)查明了洛河组厚层砂岩含水层在垂向上的非均质特征，揭示了厚层砂岩含水层递进渗流充水模式，在此基础上提出了“适当波及，主动防控”的厚层砂岩水害防控新理念。
(5)揭示了烧变岩的“边界富水”效应，并对烧变岩全断面进行分区，提出了不同分区注浆材料选择方法，发明了双位双向引流帷幕注浆技术。
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