提到內蒙古鄂爾多斯地區，人們往往想到“大漠孤煙直、黃河落日圓”的西北邊陲，年降水量261毫米至693毫米，是典型的干旱半干旱區。

就是這樣一個看似缺水的地區，卻讓煤炭企業因煤層頂板水治理問題傷透了腦筋。

數據顯示，2009年到2010年，神華寧煤集團紅柳煤礦、神華神東煤炭集團哈拉溝煤礦以及中煤集團母杜柴登煤礦等多處煤礦發生頂板水害事故，涌水量遠超預計值，少則每小時涌水212立方米，多則每小時涌水3000立方米，煤礦生產建設飽受困擾。

鄂爾多斯盆地北部頂板水害難題，已成為近年來煤炭行業重點攻克的對象。

從忽視到重視

鄂爾多斯陸塊，在現代地貌上表現為高原，而它的發生發展歷史，最早可以追溯到35億年前的地質歷史時期。

和地球上所有大陸一樣，它經歷了復雜的滄海桑田的發展歷史——從古老結晶基底巖系發育和古生代蓋層沉積階段，到中新生代坳陷盆地階段，再到陸塊因受喜馬拉雅運動的影響而整體抬高，陸塊時降時升，海水時侵時退。

侏羅紀時期，鄂爾多斯陸塊處于溫暖潮濕的亞熱帶氣候環境，植被發育，沉積了一套從西向東逐漸變薄的含煤層砂質沉積物。在今天的地圖上，鄂爾多斯盆地橫跨陜西省、甘肅省、山西省、寧夏回族自治區、內蒙古自治區5個省、自治區，面積37萬平方公里。鄂爾多斯盆地侏羅紀煤田保有資源儲量占我國總量的三分之一，涵蓋神東、寧東、陜北、黃隴四大煤炭生產基地。

鄂爾多斯盆地煤炭資源開發較晚，加之人們一直認為西北干旱半干旱地區少雨缺水，對礦井頂板水害的認識不足，因此鄂爾多斯盆地侏羅紀煤田礦井水害頻發。

1993年3月24日，神華神東煤炭集團大柳塔煤礦1203工作面發生突水事故，最大涌水量每小時達到408立方米，工作面被淹；2009年9月至2010年3月，神華寧煤集團紅柳煤礦010201工作面回采期間發生4次突水事故，最大涌水量每小時達到3000立方米，工作面被迫2次停產；2001年5月31日，神華神東煤炭集團上灣煤礦22煤輔運一中巷發生突水潰沙事故，潰沙量4700立方米，導致掘進頭被淹……十多年來，發生大小頂板水害事故11起，淹井、淹工作面、淹掘進頭，甚至淹了人。

“這樣下去肯定不行。”神華集團安監局業務經理劉生優說，“以往我國礦井防治水研究的重點主要集中在華北煤田的底板灰巖水害防治方面。近些年，我國東部煤炭資源逐漸枯竭，西部煤炭資源的開發逐漸提上議程，西部侏羅紀煤田所面臨的頂板砂巖水害的嚴重程度開始引起人們的重視。”

2010年，神華集團與中煤科工集團西安研究院有限公司合作，組織神華神東煤炭集團、神華杭錦能源公司、神華寧煤集團等子公司，針對鄂爾多斯盆地北部煤層頂板水害形成機理及防治關鍵技術進行攻關。

從定性到定量

長期以來，人們對于侏羅紀煤田水害的嚴重性和頻發性認識不夠。針對鄂爾多斯盆地侏羅紀煤田礦井水文地質條件和水害發生機理的研究較少，礦井防治水工作存在一定盲目性。

“研究基本上是從零做起的。”劉生優說，“每個地區的地質條件都有其特殊性，國內尚無研究可參考，國外也無既有經驗可借鑒。”

據介紹，在西北地區，以往的水害防治存在定性多、定量少的特點。一個地方能不能進行開采，只給出“能”和“不能”兩個選項，至于為什么能、為什么不能，往往依靠經驗。

根據既有經驗，工作面和礦井涌水量預測方法科學性和可靠性較差，涌水量預測值與實際值出入較大，無法作為礦井排水系統設計和開展防治水工作的依據。

頂板水害預報難、涌水量預測不準確、高壓含水層探放難、離層水害防治難、潰水潰沙防控難成為水害治理的五大難點。

2010年，神華集團和中煤科工集團西安研究院有限公司合作開展鄂爾多斯盆地北部煤層頂板水害形成機理及防治關鍵技術研究。在研究過程中，神華集團投入科研經費超過1億元，工程資金4.5億元。項目研究人員進行水文地質調查5.6萬平方公里，相當于3.4個北京市的面積；地面水文地質鉆探32156.5米，井下鉆探1725923米，超過地球半徑的1/4；進行1362組水樣采集與分析、12次巖石物理力學測試、5次室內相似材料模擬、32次數值模擬。

“我們的研究人員需要根據勘探結果，還原幾億年前的地質構造，模擬地質變遷，通過沉積相研究，識別定位含水層。”劉生優說，“研究發現，煤層頂板含水層為河流及三角洲沉積平面上呈條帶狀分布，在剖面上呈‘透鏡體’狀分布，解決了頂板水害預報難的問題。”

針對涌水量預測不準確的問題，研究人員采用動、靜儲量疊加預測工作面涌水量，按照時空分區預測礦井涌水量的方法，充分疏放靜儲量后，采后涌水量實現了“削峰平谷”，呈“臺階式”增加。

研究人員針對高壓含水層探放難的問題，采用長距離順層跟蹤探放水工藝及可控疏放、“削峰平谷”的探放水流程；針對離層水害防治難的問題，確定離層水體的空間位置，選擇探放時機，實行靶向探放離層水；針對潰水潰沙防控難的問題，揭示致災條件和機理，注漿固沙阻斷潰涌通道，疏水降壓削減水沙動力。

“在頂板水預測方面，僅憑借經驗的定性評價方式退出了歷史舞臺。”據劉生優介紹，在含水層沉積控水理論的指導下，通過研發含水層異常區探查物探裝備，使含水層富水性預測精度提高了37%。疏放水鉆孔、工作面和礦井的涌水量預測方法，將工作面和礦井涌水量預測精度分別提高了40%和30%。頂板含水層預疏放效果定量化評價方法，將含水層疏放水量有效減少了45%，工作面水害防治周期平均縮短了27天。

從應用到推廣

從2013年開始，該項目的部分研究成果已逐步在相似條件的煤礦和礦區應用。截至2017年11月底，該項目研究成果已在神華集團神東礦區、寧東礦區，中煤集團納林河礦區、葫蘆素礦區和呼吉爾特礦區等受頂板水害威脅嚴重的煤礦（礦區）全面推廣。

利用該項目成果，神華集團在神華、中煤、陜煤管轄的8個礦區21處煤礦，富水性分區36平方公里，異常體探查28次，探測準確率達87%以上；在42個工作面和12處煤礦完成涌水量預測，對28個水文地質條件復雜的工作面進行了疏放水效果評價，準確率達100%；對寧東礦區26個工作面進行了離層水害探查和治理，無一起離層水害事故發生；對神東礦區17個工作面進行了薄基巖突水潰沙防治，杜絕了突水潰沙事故。

該項目應用后，神華集團2017年新增銷售額超過27.56億元，近3年來，累計新增銷售額近92.84億元，累計新增利潤超過17.51億元。項目研究成果在神華國網能源公司、神華新疆能源公司、內蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責任公司、兗州煤業鄂爾多斯能化有限公司等煤炭企業得到推廣應用，創造間接經濟效益200億元以上。

在直觀的效益背后，該項目還先后培養了博士后、博士和碩士共19人，形成了一支高水平的礦井水害防治人才隊伍；制訂了一批國家與行業標準，創新了學科理論與技術體系。

“未來要做的工作還有很多 。”劉生優介紹，除了鄂爾多斯盆地，新疆侏羅紀煤田、東北第三紀煤田和白堊紀煤田等也普遍面臨頂板水害的威脅。《煤炭工業發展“十三五”規劃》明確了“壓縮東部、限制中部和東北部、優化西部” 的全國煤炭開發總體布局，西部地區煤炭安全高效開采提上日程。目前，頂板水害致災模式已初步建立，精準防控關鍵技術仍需不斷完善。