① 礦井防治水方法研究
（一）煤層底板高壓灰岩水帶壓開采技術
對於華北型煤田，防範煤層底板水的主要方法是帶水壓安全開采。雖然深部高壓水存在，若充分利用隔水層的防護作用，可消減部分水壓值，在不進行或很少進行疏水降壓的情況下將可實現帶壓開采。當礦井採煤工作面突水系數Ts大於0.06MPa/m時，應當採用降壓疏干或（和）煤層底板注漿加固方法減小突水系數，以保證煤礦安全生產。
1.帶壓開采技術
與華北型煤田類似，鄭煤集團各礦井二1煤開采應採用帶壓開采技術。所謂帶壓開采就是煤層底板受承壓水威脅，充分利用煤層底板至承壓含水層間隔水層性能，在不採取或在國家經濟、技術條件許可情況下，採取某些技術措施後，實現安全採掘的一種綜合性防治水技術。國內外對該技術曾做過大量研究，特別是近幾年在我國進行了較為廣泛而深入的研究，取得了顯著成績。
評價帶壓開采安全的標準是突水系數。20世紀60年代由煤炭工業組織的焦作會戰提出的突水系數是
鄭州煤礦區水害防治規劃研究
式中：P——水壓值（MPa）；
M——隔水層厚度（m）。
20世紀70年代煤炭科學研究總院西安分院和其他有關單位對上式所表示的突水系數進行了修正，提出以下突水系數公式：
鄭州煤礦區水害防治規劃研究
式中：Cp——采動後底板導水破壞深度（m），其他符號同前。
該公式1984年5月由煤炭工業部正式批准作為礦井水文地質規程防治底板突水的依據，並於1986年寫入「煤礦防治水工作條例（試行）中」。
突水系數在以往的應用中取得了顯著成效，解放了受水害威脅的大量煤炭資源，特別是在突水可能性分區上已有了較為明確的界限值，所以在評價鄭煤集團各煤礦二1煤帶壓開采時，我們採用了煤炭科學研究總院西安分院提出的公式。
就整個華北型煤田而言，關於底板奧陶系灰岩突水可能性分區問題，可以考慮以下方案：
Ⅰ區：奧陶系灰岩承壓水面以上的地區；
Ⅱ區：奧陶系灰岩承壓水面以下，但突水系數Ts＜0.06MPa/m；
Ⅲ區：突水系數Ts介於0.06～0.15MPa/m的地區；
Ⅳ區：突水系數Ts＞0.15MPa/m的地區。
Ⅰ區不存在底板奧陶系灰岩突水問題；Ⅱ區為可能發生底板突水危險地區，應在加強礦井防治水工作的情況下進行帶壓開采；Ⅲ區發生底板突水危險較大，僅在構造簡單的地段採取可靠安全技術措施後才可進行帶壓開采；Ⅳ區是發生底板突水最危險的地段，底板突水是不可避免的，只有在採取疏水降壓把突水系數Ts減小到0.15MPa/m以下才能實施帶壓開采。
按照以上公式，我們初步計算了奧陶系灰岩含水層對二1煤層的突水系數。結果顯示，本井田內存在突水系數超過臨界突水系數，需要進行底板水防治和底板改造。
為了在本井田實施帶壓開采技術，必須做好以下工作：
1）把防治水工作的重點放在二1煤層頂板砂岩水和底板奧陶系灰岩水上，採用綜合物探、化探和鑽探等各種手段，查明陷落柱、斷層和裂隙密集帶等，以及固井質量差的廢舊鑽孔；並採用留設防水煤柱或底板加固等手段對地質異常體進行改造，做到採煤工作面底板不出水或不出大水，以節約排水費用，保護水資源和生態環境。
2）根據涌水量預測結果，適當加大礦井和採煤工作面排水能力，以防不測。
3）發展突水預測預報技術。實現突水預測預報的可視化和適時化，建立水害預警系統，推進礦井防治水信息系統集成。
4）在採掘過程中為防治底板出現災害性突水，應堅持先探後掘、先探後采和先注漿後掘進、先注漿後回採的技術原則。為了節約工程量和保證安全，在採取鑽探、物探、化探等綜合手段時，應堅持物化探先行、鑽探驗證的技術方法，以杜絕採掘巷道誤揭陷落柱和落差大的斷層。
5）關於避災路線和通訊聯系。在有突水危險，尤其是有大危險突水的地區，安全暢通的避災路線是保證不發生人員傷亡的有效途徑。同時應具備暢通的通訊聯系，以達到及時將井下的情況迅速報告和將調度命令傳達到每一個井下工作人員的目的。
6）礦井防治水工作管理。煤礦設專門負責礦井防治水領導小組，配備探水鑽和專職探水組。嚴格地講沒有徵兆的突水是不存在的，所以每個生產班應設水情觀測員負責水文地質資料收集和突水前兆觀測。
2.中間指示層
為了研究奧陶系灰岩含水層與太原組薄層灰岩的水力聯系，在帶壓開采工作面各布置了一個中間層地下水動態監測孔，本規劃還要求在今後設計的每一個采面中，至少應布置一個中間層地下水動態監測孔。終孔層位在L1-4薄層灰岩底面。
3.煤層底板注漿加固改造
應根據物探及鑽探探測結果，分析煤層底板的實際情況，對煤層底板存在垂向越導通道的區段，進行注漿加固，以防堵為主，確定注漿層位。注漿層位可以是奧陶系灰岩頂部含水層、薄層灰岩含水層和隔水層中的可注層位及構造薄弱帶。目前焦作和肥城等大水礦區已成功地在九里山、韓王等多個礦區實施底板注漿加固改造，取得了巨大經濟效益。
應對准備注漿加固的工作區編制專門設計方案，其中包括注漿層位、注漿孔布置、注漿方法、注漿系統和注漿工藝等。
4.疏干降壓
疏干降壓一般應在主要充水含水層（薄層灰岩含水層）中進行。可以採用疏干鑽孔、疏干巷道等。對於鄭煤集團各礦井，由於煤層下部的L7，L8灰岩處於煤層底板采動破壞帶內，由於采動裂隙的存在，L7，L8灰岩水勢必通過采動裂隙進入回採空間，增大工作面的涌水量，在個別富水區段還可能引起涌水量過大而影響生產，因此，應對L7，L8灰岩進行超前疏干降壓，減少其對工作面回採的影響。准備實施疏干降壓的礦井，應進行數值模擬計算，以確定疏干漏斗和疏干水量的變化。
疏干降壓應編寫專門設計，內容包括疏干降壓工程布置，疏干降壓計算結果以及疏干降壓的安全措施等。
（二）頂板砂岩水控制技術
1.頂板砂岩富水性探測
由於在不同岩石所組成的地質體中，岩石的含水性對其相對電阻率有較大的影響，含水地層具有相對電阻率較低的物性特點，且含水程度的差異與地層電阻率的變化幅度相對應，所以，通常採用電磁探測技術測量地下地質體中的電性分布規律進而達到探查礦區導含水地質體的分布及其導含水條件。這種對地層電性參數的獲取是三維地震等彈性探測方法所不能及的。
在工作面形成以前，應首先在地表進行瞬變電磁法勘探，探查頂板砂岩的富水性。
在採煤工作面形成後，直流電法在下巷中進行，而音頻電穿透則需同時在上巷和下巷中進行。直流電法對地質異常體在垂向上的分布分辨比較清晰，而音頻電穿透法對地質異常體的位置分辨比較清晰，因此兩者結合可以取得滿意的效果。
（1）音頻電穿透法
音頻電穿透法是利用電磁波在介質中傳播時，其電流強度隨介質層電阻率的大小而有規律變化的特徵，進而計算出穿透各點的視電阻率相對關系，做出反映探測區域富水性強的等視電阻率平面等值線圖，並可結合具體水文地質條件推斷出頂底板含水體的性質、富水性大小、空間形態及分布范圍，為防治水工作提供依據。該方法的主要用途如下：
1）採煤工作面底板下100m內富水區域探測；
2）採煤工作面頂板100m內富水范圍探測；
3）工作面內老窯分布范圍探測；
本規劃選用這種方法探測井下工作面隱伏含水斷層、破壞帶和裂隙帶空間位置及其賦水性變化。
（2）井下直流電法
井下直流電法主要用於巷道頂底板探查，工作面頂板探查和掘進堵頭超前探測。具體解決以下問題。
1）巷道頂底板探查：①利用現有的巷道工作，探查深度可達100m，可探測含水層深度，局部富水體深度范圍、導升高度及沿巷道方向分布寬度；②提供沿巷道方向垂向電阻率切片剖面，用於解釋工作面巷道底板100m深度內的含水、導水體，潛在的突水通道、底板隔水厚度、含水層厚度、含水層原始導升高度；③要求巷道內無大范圍積水。
2）工作面頂底板探查：①改變工作方法利用巷道側壁可以探測工作面內的隱伏含水構造；②利用多條巷道（上巷、下巷、切眼等）的數據進行立體成圖——對工作面底板不同深度進行類似「CT」成像的斷面、平面切片，分離出電法含水異常區域，得到視電阻率異常斷面圖、平面圖，進行立體解釋。
3）掘進堵頭超前探查：①利用巷道超前探測使用三極空間交會探測法，可以預測堵頭前方80m范圍內存在的導、含水構造（斷層、陷落柱、裂隙破碎帶、老窯巷道），提供前方80m范圍內岩石的視電阻率變化信息；②異常為相對異常，可以肯定解釋正常區不會存在突水或出水的危險，解釋的異常區不能肯定一定出水；③預測堵頭的後方必須有不小於前方探測深度的施工空間；④智能傻瓜化資料處理，容易掌握使用。
2.采動三帶的探測
煤層頂板采動三帶的探測採用水文地質鑽孔觀測法和物探方法結合的探測方法。
（1）水文地質鑽孔觀測法
水文地質鑽孔觀測法的實質是在采空區地面布置一定數量的觀測鑽孔，在鑽進過程中測定鑽孔沖洗液的漏失量、鑽孔水位變化，並記錄各種異常現象，經綜合分析確定垮落帶和斷裂帶的最大高度及破壞特徵。
1）觀測內容和方法：①鑽孔沖洗液漏失量觀測。沖洗液漏失量是指鑽進單位時間或單位進尺沖洗液的漏失量。通過對鑽孔中沖洗液漏失量的觀測，可以確定斷裂帶的頂點以及了解垮落帶和斷裂帶內覆岩的破壞特徵。沖洗液漏失量的測定方法有兩種：一是使用流量表觀測，另一種是測定水池中水量的變化。②鑽孔水位觀測。在鑽孔沖洗液正常循環過程中以及沖洗液完全漏失前，應對鑽孔中的水位變化進行觀測，這也是確定斷裂帶頂點和覆岩破壞的重要標志。③鑽孔沖洗液循環中斷狀況觀測。此時應記錄鑽孔深度和鑽孔沖洗液循環中斷的時間。④記錄鑽進過程中的異常現象。在鑽進過程中，及時記錄掉鑽、卡鑽及鑽具振動等異常現象，此外還應注意有無吸風或瓦斯湧出現象。
2）觀測結果的分析整理。導水裂縫帶高度主要是根據鑽孔沖洗液消耗量和鑽孔水位觀測等結果加以確定，垮落帶高度則主要是根據鑽進異常現象加以確定。各觀測鑽孔一般均在第四系下套管止水後開始觀測，一般可分為3種類型，其一是從某一孔深位置開始，鑽孔沖洗液消耗量明顯增大，孔內水位顯著下降，而且向下鑽進時繼續保持這種趨勢，直至鑽孔沖洗液全部漏失，孔內水位很低或無水；其二則是從某一孔深位置開始，鑽孔沖洗液突然全部漏失，孔內水位很低或無水；其三是導水裂縫帶頂界以上的岩層程度不同地出現鑽孔沖洗液全部漏失現象，甚至同時伴有孔內水位很低或無水現象。位於淺部區且岩柱尺寸較小的鑽孔一般均屬前兩種類型，而位於深部區及岩柱尺寸較大的鑽孔一般則屬後一種類型。鑽孔沖洗液法具有簡單、易操作、可靠、實用、觀測數據較能反映實際導水情況等優點，是獲取冒落帶和導水裂縫帶高度及特徵的基本方法。
i.裂隙帶頂點的確定。有下列情況之一時，即可認為進入了裂縫帶：①若岩體的原始滲透性較差，當鑽孔的沖洗液漏失量顯著增加，即大於1L/min或0.1L/s·m時；②鑽孔水位顯著降低，水位下降速度加快，甚至無水時；③岩心有縱向裂縫及輕微吸風現象時。
ii.垮落帶頂點的確定。鑽孔進入垮落帶以前，沖洗液早已完全漏失，孔內無水。此時應根據鑽進中的異常現象及岩心破碎情況來確定垮落帶的頂點。
iii.垮落帶和導水裂縫帶高度的確定。垮落帶和導水裂縫帶的高度，分別等於鑽孔孔口至煤層的垂直距離減去垮落帶和裂縫帶起始點的鑽孔孔深。考慮到垮落帶和裂縫帶內覆岩的壓縮量，因此有
H垮=H-h1+W
H導=H-h2+W
式中：H——鑽孔孔口至煤層頂面的垂直距離（m）；
h1——垮落帶起始點至鑽孔孔口的垂直距離（m）；
h2——裂縫帶起始點至鑽孔孔口的垂直距離（m）；
W——垮落帶和裂縫帶內覆岩的壓縮量，相當於打鑽過程中地表點的下沉值（m）。
3）鑽孔的孔位、孔徑、孔數及施工時間。鑽孔孔數一般以5個為宜，分布布置在采空區地面沿煤層走向和傾向主斷面上，每個主斷面上布置3個鑽孔，其中一個位於兩個主斷面的交點上，鑽孔位置應選在能獲得垮落帶和裂縫帶的最大高度的地方，走向主斷面上鑽孔應位於距開切眼30～50m、距停采線20～30m的采空區內，傾向斷面上采空區中央應布置一觀測鑽孔，其餘兩個鑽孔應設在距回風巷和運輸巷3～5m的采空區一側地表。鑽孔孔徑一般為91mm。
（2）形變-電阻率探測法
1）基本原理。岩體的電阻率大小不僅取決於岩性，還與岩體中的裂隙大小、裂隙數量及充水程度密切相關。地下煤層采出後，上覆岩體遭受破壞，裂隙增多，阻礙了電流傳導，導致電阻率增大。但若裂隙內充水，因水的導電性能優於岩體，電阻率便相應降低。因此，對比開采前後岩體電阻率的變化規律，就可探測出覆岩的破壞高度和破壞形態。
2）觀測方法。首先，在某一固定點上測量岩體電阻率隨深度的變化，以確定岩體的破壞高度。固定O點，對稱地打入A1B1及M1N1電極，M1N1的距離一般可取為A1B1距離的1/30～1/3。通過測量電流及電位差，即可計算出探測高度為A1B1/2時的視電阻率ρs1。加大供電極距到A2B2，測量電極距按比例擴大至M2N2，獲得探測深度為A2B2/2時的視電阻率ρs2。依此進行，即可得出視電阻率ρa隨探測深度的變化曲線。實際上真正的探測深度H與供電極距AB具有如下關系：
鄭州煤礦區水害防治規劃研究
式中換算系數K因地而異，可依實測資料反演得出。
之後，固定某一探測深度H，測量岩體視電阻率ρa隨某一剖面的變化。對比開采之後視電阻率的變化情況，則可確定出覆岩的破壞高度和沿某剖面覆岩的破壞形態。鑽孔沖洗液消耗量觀測法（簡稱為鑽孔沖洗液法）是通過直接測定鑽進過程中的鑽孔沖洗液消耗量、鑽孔水位、鑽進速度、卡鑽、掉鑽、鑽孔吸風、岩心觀察及地質描述等資料來綜合判定垮落帶和導水裂縫帶高度及其破壞特徵的一種方法。
3.頂板砂岩水的預疏放
對頂板砂岩水進行預疏放為工作面回採大幅度降低水壓，以防頂板冒落時大流量突水沖潰工作面，減少工作面涌水對回採的影響。一般採取兩種形式：
1）頂板疏放鑽孔。在用物探手段查明頂板富水區的前提下，為了減少頂板砂岩水對回採的影響，探明工作面頂板上方岩層賦水狀況，對二1煤頂板上覆含水層進行預疏放，對頂板砂岩水提前疏水降壓，降低由於頂板冒落引起頂板水集中湧入工作面的峰值強度，消除或減弱工作面回採時砂岩水對開採的威脅。在工作面上巷施工放水鑽孔，將頂板砂岩水相對集中的涌水方式改為相對分散的、循序漸進的逐段放水方式。分析水文地質條件，調查礦井裂隙發育方向，提高單個鑽孔放水效率，擴大放水區域，減少放水孔數量。為獲得頂板砂岩資料，將放水鑽孔水文地質條件探測分解消化於逐段放水之中。
2）疏水巷。當放水鑽孔對頂板砂岩含水層疏放效果不理想時，可以在適當地段修建疏水巷道，該巷道應與頂板砂岩徑流方向垂直，盡可能切穿頂板砂岩裂隙，以達到最佳的放水效果。通過疏水巷道對工作面頂板砂岩含水層的襲奪，形成以疏水巷道為中心的降落漏斗，達到減少工作面涌水的目的。
4.排水措施
由於煤層頂板主要為數百米的砂岩弱含水層，含水性雖然較弱，但存在局部強含水段。採用放頂煤工藝後，頂板破壞加大，導水裂隙發育向上延伸可達百米以上，上下溝通多個含水段。採煤後隨著頂板垮落，上覆砂岩水多從老塘以老塘水形式湧出，老塘水受到堵塞時積聚，當壓力升高超過臨界值時突然湧出，危害嚴重，因此需考慮對涌水採取排水措施。
（1）采空區埋設花管
為了將采空區積水引出采空區，可預先在采空區每隔20m設置一根花管，沿下巷向上巷布置，花管長100m左右。將采空區水引至下巷排出。需要說明的是由於二1煤較軟，因此並不能完全將涌水排除，該花管只能減少涌水在采空區的積聚，減小大量積水對工作面生產的危害。
（2）施工泄水巷
1）專用泄水巷。專用泄水巷在工作面下巷北側，距離下巷約5m，在煤層底板下的細砂岩中修建，泄水巷涌水採用自流形式。每隔50m施工一條聯絡巷，或在低凹地段設置聯絡巷，將工作面涌水排除，這樣可以在水量較大的情況下仍不影響生產。
2）施工雙下巷。在距離工作面下巷約20m處再施工一條巷道，該巷道對工作面可以作為泄水巷，可以將工作面涌水排出，同時該巷道也可以作為相鄰工作面的上巷。每隔50m設一條聯絡巷，以保證工作面涌水順利進入泄水巷。缺點是增加了掘進巷道，同時增加了維護費用。