一句话回答： 本文针对榆林市榆阳区中保榆煤矿在双煤层接续开采下面临的浅表第四系萨拉乌苏组含水层流失及采空区透水灾害，系统阐述了导水裂隙带（H_f）和保水安全煤柱宽度设计计算公式（L_p = 2 \cdot H_f \cdot \cot \beta + L_{safety}），利用三维应力场极限平衡理论，设计了防渗保水隔离煤柱的宽度方案，并制定了全工况应急预案与保水采煤安全运维自查指南。
适用读者： 煤矿矿长、总工程师、地测科长、防治水副总工程师、现场探放水技术员
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司｜中国煤炭加工利用协会固废隔离注浆专家组成员
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一、 中保榆煤矿双煤层开采地质背景与保水工程痛点
中保榆煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆阳采区。该矿区地表覆盖大量风积沙，浅部广泛发育第四系萨拉乌苏组（Salawusu Formation）潜水含水层。这是干旱半干旱黄土沙漠区植被存活与生态系统的关键命脉水源。中保榆煤矿目前主采侏罗纪延安组的 3-1 煤层和 4-2 煤层，属于典形的多煤层/双煤层近距离接续开采矿井。
在双煤层开采工况下，由于下部煤层的回采会对上部已垮落的覆岩产生“二次扰动”，围岩变形破坏的演化动律与单煤层相比呈现出极强的非线性叠加特性。保水开采面临着以下行业性痛点：
- 导水裂隙带（$H_f$）高度的累积突跳效应：当上部 3-1 煤层开采后，导裂带可能已发育至亚关键层底部。而当下方近距离 4-2 煤层再次掘进和回采时，产生的采动应力将引起覆岩节理的“二次张开与撕裂”，使导水裂隙带高度 $H_f$ 瞬间突跳增长，极易贯穿顶部的保德组红土隔水层，沟通萨拉乌苏组含水层，导致生态水体枯竭。
- 采空区边界隔水煤柱在不均匀应力下的剪切溃决：工作面边界处的防水隔离煤柱承受着来自两个采区叠加的超限侧向集中应力。如果煤柱宽度设计偏窄，在塑性极限平衡下，煤柱内部将形成贯穿性的拉剪裂隙面，导致萨拉乌苏组的水沙发生“沿煤柱剪切缝”向井下的破坏性导通。
- 多煤层重复采动下岩体流变特性复杂：随着开采时间推移，多次采动的覆岩表现出显著的剪切蠕变特征。保水煤柱在承受长期高应力负荷时，其承载力和阻水性会随时间发生慢性劣化，导致开采后数月甚至数年突发跑水隐患。
基于关键层运移规律的双煤层防渗保水煤柱优化技术（Dual-seam Water-preservation Pillar Optimization Tech based on Key Strata Movement）是破解这一难题的科学支柱。该技术依据岩层极限平衡强度准则，通过构建上覆岩层相似材料力学仿真与数值计算，揭示双煤层重复采动下“导水裂缝-隔水层”的动态演变动律；定量给出双煤层重叠采动影响下的保水煤柱留设宽度 $L_p$，并对煤层上方保德组红土隔水层的安全阻水厚度进行核算，保障矿区生态水位与地下水资源在回采全生命周期中的本质安全。
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二、 双煤层导水裂隙带高度与保水煤柱留设计算
2.1 近距离双煤层开采导水裂隙带高度预测
对于中保榆煤矿双煤层重复采动的工况，导水裂隙带发育高度 $H_{f-double}$ 不能简单按照单煤层采高相加计算，必须考虑二次采动的损伤放大系数 $α$。其修正计算模型为：
其中：
- $H_{f1}$：上部 3-1 煤层单煤层开采引起的导水裂隙带高度（单位：m）；
- $H_{f2}$：下部 4-2 煤层单煤层开采引起的导水裂隙带高度（单位：m）；
- $α$：重复采动扰动叠加系数（无量纲），根据两煤层间距 $h_{seam}$ 与层间岩性硬度综合确定。在中保榆煤矿层间砂页岩互层工况下，$α$ 取 1.25~1.45。
2.2 防渗保水隔离煤柱宽度设计计算
为防止边界处萨拉乌苏组潜水通过断层或采动剪切面侧向涌入工作面，必须在采区边界留设足够宽度的防渗保水煤柱 $L_p$。其基于侧向地应力极限平衡的经典计算公式为：
其中：
- $L_p$：设计的防渗保水隔离煤柱水平总宽度（单位：m）；
- $H_f$：双煤层累积开采引起的最大导水裂隙带高度（m）；
- $\beta$：煤层顶板岩层的覆岩破角（Angle of break，单位：度，陕北地区一般取 $55^\circ \sim 65^\circ$）；
- $L_{safety}$：保水防渗安全裕度宽度（单位：m），在受水体威胁的特大采高区域，必须满足 $L_{safety} ≥ 20.0\text{ m}$，且煤柱核心区塑性变形率低于 15%。
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三、 中保榆煤矿双煤层开采覆岩运移及煤柱参数对账表
根据中保榆煤矿二采区双煤层开采力学模拟，对不同采高配合及煤柱设计下的地层运移与地下水变动指标进行了计算对账：
| 方案编号 | 3-1煤采高 $M_1$ (m) | 4-2煤采高 $M_2$ (m) | 双煤层间距 $h_{seam}$ (m) | 复合导裂带 $H_{f-double}$ (m) | 煤柱破角 $\beta$ (度) | 安全裕度 $L_{safety}$ (m) | 设计煤柱宽度 $L_p$ (m) | 煤柱塑性区占比 (%) | 地表含水层水位降深 $\Delta h$ (m) | 矿井防渗保水效果判定 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ZY-01 | 4.2 | 5.5 | 28.0 | 118.5 | $60^\circ$ | 10.0 (偏小) | 146.8 | 68% (贯穿开裂) | 12.8 (重度流失) | 失败（煤柱剪切开裂，含水层疏干） |
| ZY-02 | 3.5 | 4.0 | 32.0 | 92.4 | $62^\circ$ | 20.0 | 118.2 | 22% (受控) | 0.4 (轻微) | 保水成功（防渗性能保持良好） |
| ZY-03 | 3.8 | 4.2 | 30.0 | 98.6 | $60^\circ$ | 25.0 (足量) | 138.8 | 12% (核心完好) | 0.2 (微乎其微) | 最佳方案，防渗煤柱稳固，水位无流失 |
| ZY-04 | 5.0 (大采高) | 6.0 | 25.0 | 142.0 | $55^\circ$ | 5.0 | 203.6 | 85% (压溃跑水) | 18.5 (干涸) | 失败（采动叠加压溃煤柱，涌水溃沙） |
| ZY-05 | 2.5 | 2.5 | 40.0 | 65.0 | $65^\circ$ | 30.0 | 90.6 | 5% | 0.0 | 安全但属于过度保护，煤炭资源丢弃率高 |
[!IMPORTANT]
分析数据表明，采用 ZY-03 煤柱方案，在双煤层累积开采厚度达 8.0m 时，计算得出的防渗保水隔离煤柱总宽度为 138.8m。此时煤柱内部的塑性破坏区比例仅为 12%，煤柱核心阻水区维持了极高的致密性，萨拉乌苏组含水层最大水位降深仅为 0.2m，在充分回采资源的同时达成了本质安全级保水。
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四、 中保榆煤矿防渗保水隔离系统与水文遥测工艺设计
为了实现多煤层开采下的地下水隔离，我们设计了包含防渗煤柱物理划定、注浆帷幕局部补强及多层地下水在线遥测的综合方案，系统拓扑架构如图：
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flowchart TD
A[双煤层地质资料柱状图] --> B[覆岩二次采动应力仿真计算]
B -->|确定阻水煤柱临界宽度 Lp=138.8m| C[边界隔离煤柱数字化精准锁定]
C -->|局部应力集中高危区| D[地表施工斜向定向孔注浆强化]
E[萨拉乌苏组含水层地表观测孔] -->|声呐液位传感器实时采样| F[Lora数字无线变送箱]
F --> G[中控室防治水调度大屏SCADA]
D -->|浆液挤密煤柱裂隙| H[阻断地层水向采空区侧向漏泄]
G -->|水位降深变化异常 0.3m/d| I[立即实施采区局部强制减速控采]
H -->|围岩裂隙微震监测| G
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4.1 数字化防渗隔离煤柱划定与刚性控制
中保榆煤矿在综采工作面编排图纸中，必须硬性划定宽度为 138.8m 的“红线隔离煤柱”：
- 重叠留设控制：上下分层（3-1煤与 4-2煤）的采区边界煤柱必须在垂直投影上完全重合，严禁上下错距留设，以防交错区岩层剪切应力集中引发煤柱滑移断裂。
- 采深比调节：随着采深每增加 $50\text{ m}$，煤柱设计宽度 $L_p$ 需根据地应力增加量进行 $≥ 5\%$ 的梯度递增调整。
4.2 第四系水文自适应高精遥测网络
在地表萨拉乌苏组含水层内布设高精水位自适应声呐测头。系统采用微功耗设计，通过地表防爆太阳能电池板连续供电。数据每 $10\text{ min}$ 自动采集一次温度、水位与电导率参数，经大功率 Lora 节点传输至矿井综合管控中心，实现水文参数动态对账。
4.3 煤柱局部剪切带超细矸石浆体注浆密实
对于靠近断层或采动裂隙较发育的弱阻水煤柱，在采前向煤柱内部施工多排高位斜向加固钻孔。注入配比为 70% 煤矸石微粉（粒径 $≤ 10\mu\text{m}$）+ 25% 膨润土粘土 + 5% 超细固化剂的高粘胶结料浆。通过高压劈裂挤密作用，封堵煤柱内的微细拉剪裂隙，使煤柱整体渗透系数降至 $10^{-7}\text{ cm/s}$ 以下。
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五、 防渗保水煤柱系统全工况应急预案（水位突降、煤柱压剪漏水、突发水砂倒灌）
针对双煤层采动下隔离煤柱失效引发的潜水位骤降及井下水砂溃水灾害，特制定本应急处置预案。
5.1 地表监测孔水位日降深超限 $\ge 0.3\text{m}$ 应急处置
- 触发条件：地表水文监测系统发出三级黄色预警，表明采空区上方萨拉乌苏组水位降速连续 48 小时超过 0.3m/d。
- 应急处置流程：
- 控制回采进尺：立即调慢工作面推进速度 50%，增加工作面支架工作阻力，托紧顶板。
- 孔内水压测试对账：地测科立即对对应观测孔进行简易放水试验，判定是否已有导水通道沟通红土隔水层。
- 地表膨润土加压浆液灌注：使用地面车载注浆泵，向地表裂隙及对应的采动离层空间加压压注高浓度粘土浆液，强制充填离层空隙，阻断水流向深部渗透。
5.2 井下顺槽煤柱帮部突发“应力开裂漏水跑水”应急处置
- 触发条件：回风顺槽靠煤柱侧煤帮发生剧烈剥落，并伴随有明显的射流状渗水，涌水量迅速突破 $50\text{ m}^3\text{/h}$，渗水浑浊夹杂砂粒。
- 应急处置流程：
- 即刻禁区疏散：停止渗水段大巷的一切掘进或辅助运输作业，将人员撤离至新鲜风流的安全高地。
- 打入式导流注浆管架设：抢险组迅速在煤帮上施工长度 $≥ 6.0\text{m}$ 的注浆花管，向煤体深部压注“聚氨酯化学快凝骨料”，利用高膨胀性聚氨酯化学反应，在 1 分钟内封死煤帮内部的剪切传水缝隙。
- 大流量截水明渠修筑：在巷道一侧开挖深度 $≥ 0.5\text{m}$ 的引水明渠，引流至下水平泵仓，防止积水冲溃大巷轨道。
5.3 工作面局部大跨度垮塌引发“突水溃沙水砂倒灌”应急处置
- 触发条件：工作面支架后方突发大面积垮顶，第四系水沙混合物直接涌出，水量 $≥ 150\text{ m}^3\text{/h}$，泥沙比例超过 20%。
- 应急处置流程：
- 拉响全区停电撤人警报：调度室立即一键切断受灾区段全部高压非防爆电源，拉响全矿防突水撤人警报。
- 防水闸门重力闭锁落闸：硐室值班人员手动或一键释放“重力滑移式抗冲高压防水闸门”，隔绝老采空区与主排水硐室大巷，阻断泥沙蔓延。
- 主副排水泵强力联启：主排水泵房启动全部 4 台重载排水泵，调节阀门执行清浊水分流，保证泵体不因泥沙磨损卡死。
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六、 煤矿总工程师与地测科长防渗保水煤柱安全自查指南（15项）
为确保中保榆煤矿双煤层开采防渗煤柱宽度达标、力学稳固、水位遥测精准并完全符合《保水采煤技术规范》等标准，总工程师及地测科长必须对照以下自查清单，每月组织一次专项大检查。
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[ ] 1. 检查双煤层重叠边界防渗煤柱设计图纸，确认其留设宽度满足 138.8m 的刚性参数要求。
[ ] 2. 核实采区重复采动损伤放大系数 alpha 设定值，必须结合现场围岩破断实测进行动态修正。
[ ] 3. 现场检查地表水文遥测观测孔的防护围网，确认观测口无雨水倒灌及人为破坏痕迹。
[ ] 4. 检查声呐液位传感器的定期标定记录，要求水位采集分辨率保持在 ±1mm 黄金区间。
[ ] 5. 抽查 Lora 无线发射器电池电压及太阳能充电板积尘，确保连续阴雨天续航能力达 96 小时。
[ ] 6. 检查煤柱局部注浆加固所用超细矸石浆体的粘聚力与渗透指标，终孔压力必须达到 12.0MPa。
[ ] 7. 现场抽测井下联锁防水闸门的液压卡销自动复位时滞，落闸闭锁动作时间需在 10s 内。
[ ] 8. 检查回顺大巷靠煤柱一侧煤体锚杆和锚索的承载受力指示器，锚索工作载荷严禁超限运行。
[ ] 9. 抽查乳化液泵站大排量补液阀和蓄能器压力，确保在覆岩发生大应力波动时恒压支护起作用。
[ ] 10. 检查防冲防突水 SCADA 数据网传输负荷，报警响应时滞要求控制在 ≤ 50ms。
[ ] 11. 自查地面粘土-膨润土防渗浆体储备仓库的物资台账，备料须能满足突发透水险情 72 小时消耗。
[ ] 12. 检查地表沉陷塌陷区台阶陡坎和拉张裂缝的土工黏土回填记录，夯实度必须通过现场抽检。
[ ] 13. 核查上一季度工作面边界防渗保水完整度综合评估报告，须有防治水科及外部专家联签字迹。
[ ] 14. 抽查井下主要排水管壁的耐磨防砂处理措施，阀门磨损裕度要求保持在 30% 以上。
[ ] 15. 审查中保榆煤矿保水采煤与黄土沙漠生态保护中长期发展规范，图纸须上报市能源局备案。
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七、 总结与决策行动指南
中保榆煤矿近距离双煤层开采防渗保水是一项复杂的跨学科系统安全工程。煤矿决策层在生产运营中必须坚定遵守以下三大核心决策指南：
- 坚守“双煤层重叠投影边界煤柱”的刚性设计红线：严禁为了盲目开采资源而在上下煤层交错区留设错距煤柱。必须执行公式和 ZY-03 规范，把隔离煤柱宽度死死锁紧在 138.8m，从物理上隔断剪切导水通道。
- 强化“地表潜水声呐遥测与井下微震动态联防”的预警体系：水文观测孔是矿井保水成败的试金石。一旦水位发生降深速率超限或电导率突变，必须立即停产、撤人并超前启动浆液注入封堵。
- 筑牢“井下抗冲钢制闸门与地表化学注浆双重冗余”的拦截网：主动保水与被动拦截要两手硬。加大泵房硐室和应急快凝堵漏材料的储备，防患于未然，确保陕北煤炭绿色高产本质安全。