我国华东、华北等矿区许多煤矿的厚表土层底部存在着一层以非胶结砂、砾为骨架组成的松散承压含水层，它直接赋存在煤系基岩顶部，对煤矿安全开采造成严重威胁。近年来，我国一些矿区在松散承压含水层下采煤时，出现了严重的压架突水灾害问题，造成了重大的经济损失，严重威胁煤矿安全生产。目前邻近松散承压含水层采煤压架突水灾害问题仍然没有得到很好的解决。此类突水事故的原因通常归结为存在断层、原生裂隙发育或松散承压含水层底界面降低等特殊地质因素，沟通了采动顶板导水裂隙与基岩顶部的松散承压含水层而引发突水灾害。事实上，此类顶板突水灾害与工作面压架灾害都是伴生的，即工作面突水前都会出现矿山压力显现异常增大甚至压架现象，并随工作面推进周期性的发生，说明此类压架突水灾害与采动顶板破断运动特征紧密相关，反映了邻近松散承压含水层采煤覆岩破坏规律的特殊性，而传统理论难以合理解释此类压架突水灾害的发生机理。 项目经过系统深入的研究发现：由于松散承压含水层的流动性和侧向补给作用，煤层开挖过程中作用于基岩顶界面的上覆载荷不像通常条件下随煤层开挖显著降低而是基本保持恒定，松散承压含水层起到了载荷传递的作用。邻近松散承压含水层开采时，由于松散承压含水层的载荷传递作用，导致一定覆岩条件下松散承压含水层下部基岩的整体破断和关键层结构失稳，使得顶板导水裂隙带高度发育至松散承压含水层下，这是引发部分矿井在邻近松散承压含水层采煤时发生异常压架突水灾害的根本原因。基于松散承压含水层下采煤压架突水机理，研究揭示了松散承压含水层特性和覆岩关键层结构特征等因素对压架突水灾害的影响规律，基本掌握了松散承压含水层下采煤压架突水灾害发生条件，提出了压架突水危险区域预测方法，发明了基于含水层长观孔水位降速的压架突水灾害预警方法，提出了松散承压含水层下采煤压架突水灾害防治对策。上述研究成果填补了我国煤矿采场矿压和顶板突水防治理论的一项空白，对我国松散承压含水层下煤炭资源的安全高效开采具有重要意义，已在皖北矿区祁东煤矿得到了验证和应用，取得了显著的经济效益。项目已出版著作1部，发表论文26篇，其中被Ei收录18篇，获得国家发明专利1项、实用新型专利1项，获得省部级科技进步奖励1项。 2100433B

本项目针对我国华东、华北矿区部分煤矿在松散承压含水层下采煤顶板突水灾害问题，应用岩层控制的关键层理论，首次就松散承压含水层载荷传递作用下覆岩关键层复合破断机制及其对工作面顶板突水灾害的影响规律开展研究，揭示松散承压含水层载荷传递作用下覆岩关键层复合破断的发生条件和影响因素，建立松散承压含水层下采煤覆岩关键层复合破断的理论判别方法；揭示松散承压含水层载荷传递作用下覆岩关键层复合破断时顶板导水裂隙演化规律及其对顶板突水的影响；建立松散承压含水层下采煤覆岩关键层复合破断引发的突水灾害防治对策和相应的开采设计原则。本项目的研究将进一步完善和发展松散承压含水层下采煤突水灾害防治理论与技术，具有重要的理论意义与实践价值。

承压水所在的地质层面称之为承压含水层，是充满于上下两隔水层之间的含水层中的水。它承受压力，当上覆的隔水层被凿穿时，水能从钻孔上升或喷出。由于承压水有顶板，因而有与潜水不一样的特点：

• 承压水具有承压性能，当钻孔穿到含水层后，在静水压力的作用下，初见水位与稳定水位不一样，稳定水位高于初见水位，若能流出地表，称为正压头；若不能流出地表，称为负压头。

• 承压水分布区与补水区不一致。因为承压水区有上隔板，不能自上隔板上部的地表接受补给。补水区往往处于承压区一侧，位于地形较高的含水层出露的位置。排泄区位于地形较补给区低的位置。

• 承压水自补给区流入承压区再向低处排泄，故承压水的水量、水质、水温等受气候影响较小，随季节变化不大，较为稳定。

• 承压水受地表污染少。

(1)水体下采煤的条件要求。水体下采煤的条件要求是：开采后受影响的采区和矿井涌水量不超过其排水能力，不影响正常生产。因此，当开采煤层上覆水体时，必须留设安全煤岩柱，确定允许的开采上限标高。安全煤岩柱应按煤层上覆水体的类型不同，按下述要求留设。

①当开采煤层上方地表直接为湖泊、江河等水体，不允许导水裂缝带波及水体，必须留设防水安全煤岩柱。

②当开采煤层上方地表为松散弱含水层或是已疏降的松散强含水层时，允许导水裂带波及这类水体，但不允许冒落带接近它。这时，可留设防砂安全煤岩柱。其高度应大于或等于冒落带高度加上保护层厚度。

③开采煤层上方地表为松散弱含水层或是疏干的松散含水层，当允许冒落带接近松散层底部时，可留设防塌煤岩柱，其高度应近似等于冒落带高度。

(2)水体下采煤的主要开采技术。

①当开采倾角小于55。并只留设了防砂安全煤岩柱(或防塌煤岩柱)的厚煤层时，应采用倾斜分层长壁式采煤方法，并尽可能减少第一、二分层的采高，增加分层之间开采的间歇时间。

②当开采倾角为55。～90。的煤层时，应采用分小阶段间歇回采措施，同时加大回采工作面的走向长度。第～、二小阶段的垂高一般应不大于20m。回采时严禁超限开采。如煤层顶底板岩层坚硬不易冒落时，宜采取强制分段切断顶底板的措施，以防抽冒、切冒。

③在地表面水体、石灰岩岩溶水体或强含水层下采煤时，应在开采水平、采区之间留设隔离煤柱或建立可靠的防水闸门(墙)，适当地加大排水能力和容量。

④在水体下采煤时，应对受水威胁的工作面和采空区的水情加强监测，对水量、水质和水位动态等进行系统观测及时分析；对采区周围井巷、采空区及地表的积水区范围和可能发生的突水通道作出预计，采取相应的措施，正确选择安全避灾路线。

⑤在采空区积水和基岩含水层下采煤，或可能遇到充水断层破碎带时，应采用巷道、钻孔或巷道与孔结合的方法先探放、疏降水后开采。

浅埋煤层具有埋藏浅、基岩薄、上覆松散层厚的地质特征，与普通煤层开采矿压显现特征不同。神东煤田浅埋煤层存在大量房式采空区，在其下近距离煤层进行长壁开采出现了覆岩裂隙导通地表、顶板切冒、支架压死、顶板大面积冲击式垮落、房式采空区及邻近下煤层飓风等灾害，已成为制约浅埋煤层安全高效开采的突出难题。目前国内外学者对煤柱合理尺寸及稳定性开展研究较多，但对采动影响下浅埋房式残留煤柱失稳致灾机制研究较少。因此，本项目以浅埋煤层房式采空区残留煤柱及其下方长壁开采为研究对象，开展了以下研究：①在石圪台煤矿等浅埋煤层采取了煤体和岩体样品，在岩石力学控制实验室利用MTS815.02电液伺服岩石力学实验系统完成了煤岩块的测试工作，得到了煤岩体的物理力学参数等特征；②提出了房式煤柱稳定性控制模型，基于能量理论采用FLAC3D数值模拟分析了煤柱、顶板能量演化规律及其影响稳定性的主要因素；③进行了浅埋煤层采空区下长壁开采覆岩结构及支架承载特征理论分析，建立了“基本顶—残留煤柱—直接顶—支架”系统结构模型，揭示了浅埋房式残留煤柱下近距离煤层开采支架压死机理，提出了液压支架合理工作阻力确定方法；④通过物理模拟和3DEC数值模拟研究了浅埋房式采空区下近距离煤层长壁开采覆岩运动规律及安全开采技术；⑤采用理论分析、物理模拟和UDEC数值分析方法，研究了冲沟地貌下浅埋煤层开采覆岩运动及裂隙演化规律及顶板控制技术；⑥为防止房式采空区下近距离煤层初采期间发生顶板大面积来压冲击事故，提出了切眼穿采空区深孔预裂爆破强制放顶方法，采用LS-DYNA3D进行了浅埋煤层深孔预裂爆破强制放顶机理研究，并提出了合理控制采高、注砂充填煤房、适当加快推进速度等防控方法，现场应用取得了良好效果。浅埋房式残留煤柱失稳致灾及防控机制研究为确保浅埋房式采空区下近距离煤层安全高效高回收率开采提供了科学依据，对西北矿区复杂条件下浅埋煤层安全高效绿色开采具有重要意义。 2100433B