我国缺油、少气、相对富煤的资源禀赋特征，决定了煤炭在我国能源供给中具有举足轻重的地位，并且在今后较长一段时期内，煤炭作为我国主体能源的地位不会发生根本性改变。随着东部煤炭资源逐渐枯竭，我国煤炭开发重心逐步向西部转移，其中鄂尔多斯盆地的侏罗纪煤炭资源开发已经成为国民经济发展的重要保障。

鄂尔多斯盆地是我国重要的含煤盆地，其侏罗纪煤炭资源储量占全国总储量的30%左右。由于古地理环境和构造运动的共同作用，鄂尔多斯盆地侏罗系煤层上部覆盖有基岩孔隙裂隙含水层和第四系松散层孔隙含水层，局部区域烧变岩含水层发育，在大规模机械化采煤的扰动下，导水裂隙带易导通含水层(体)，引发顶板水害事故。砂泥岩叠合离层水害、薄基岩溃水溃沙灾害、巨厚砂岩含水层水害和侧向补给型烧变岩水害等四类顶板水害的隐蔽性和致灾性强，一旦发生往往会造成重大的人员伤亡和财产损失，严重制约国家能源战略的实施和西部千万吨矿井群的建设。

以往我国矿井水害研究的重点主要集中在东部矿区的底板灰岩水害，针对西部鄂尔多斯盆地煤层顶板水害缺乏持续性和系统性的研究，顶板水害发生机理不清，防治水技术多依靠经验，无法有针对性地指导煤层顶板水害防控工作的开展。为了保障鄂尔多斯盆地煤炭资源安全开发，推动矿井防治水技术的进步，针对顶板水害开展其分布特征、形成机理、判识方法与防控技术的研究势在必行。

董书宁研究团队采用理论分析、室内试验与测试、数值模拟与相似材料模拟等方法，选取受顶板水害影响较大的典型矿区(矿井)作为研究对象，结合水文地质学、工程地质学、采矿学、沉积学等学科理论，较为全面地对砂泥岩叠合离层水害、薄基岩溃水溃沙灾害、巨厚砂岩含水层水害和侧向补给型烧变岩水害四类典型顶板水害的形成机理和防控技术开展研究，并取得了较好的现场应用效果，为鄂尔多斯盆地侏罗纪煤炭资源安全、高效、绿色开发提供技术支撑。

《鄂尔多斯盆地煤层典型顶板水害成因与防控技术》以鄂尔多斯盆地煤炭开采工程为背景，在查明矿区地质、水文地质条件的基础上，系统总结出鄂尔多斯盆地煤层开采面临的离层水害、薄基岩溃水溃沙灾害、巨厚砂岩含水层水害和烧变岩水害四种典型顶板水害类型，研究了各类水害的特征及形成机理，并提出了各类水害的探查、预防、治理措施，主要取得以下成果。

(1) 鄂尔多斯盆地煤炭和地下水同时赋存的现状，使得盆地内侏罗系煤层开采普遍受到顶板水害威胁，其中离层水害分布于宁东煤田、黄陇煤田、桌子山煤田和陇东煤田，薄基岩溃水溃沙灾害主要发生在陕北侏罗纪煤田，巨厚砂岩含水层水害属于砂岩含水层的一种特殊情况，对黄陇煤田、宁东煤田、东胜煤田影响较为严重，烧变岩水害在陕北侏罗纪煤田部分矿区呈条带状分布。

(2) 本书分析了砂泥岩叠合型离层水害形成机理，提出束状钻孔疏放为核心的离层水害防控技术。通过综合分析离层水害发生矿井的煤层顶板岩层组合和水害特征，提出直罗组砂岩含水层富水性评价主控因素，采用灰色关联度法、三角形隶属度函数、语气算子比较法和模糊综合评判法构建富水性评价模型，并对工作面充水的直罗组含水层进行富水性分区;利用RFPA和FLAC3D软件数值模拟研究了工作面开采覆岩破坏规律，结合莫尔-库伦破坏准则、数值模拟、相似材料物理模拟，对工作面回采过程中离层发育层位和形成条件进行判别，从而揭示了砂泥岩叠合型离层水害发生机理，即“工作面回采-砂泥岩层非协同变形产生离层-离层空间充水-泥岩层破断透水-泥岩层闭合隔水-后部砂泥岩层非协同变形产生离层”，并提出了红柳煤矿具备离层水害形成条件的临界泥岩层厚度为19m。以充水含水层富水性、泥岩层厚度为主要判识指标，对离层水害危险性进行分区。基于工作面来压步距、推进速度、离层发育位置和钻孔施工速度，形成了“束状钻孔、靶向探放”的致灾离层水害精准防控技术，并在红柳煤矿0工作面取得了良好的应用效果。

(3) 分析了顶板薄基岩回采工作面溃水溃沙灾害形成机理，提出了“四项控制法”为核心的溃水溃沙灾害防控技术。通过分析浅埋煤层顶板垮落特征，从溃水溃沙灾害防控角度出发，提出了竖“两带”、横“两区”理论和“导水沙裂隙带”概念;以垮落性裂隙带、网络性裂隙带及导水裂隙带高度为分类依据，提出了超薄基岩、薄基岩可通过注浆加厚、含水层疏放等措施实现溃水溃沙灾害的防控;建立了“导水沙拱”力学模型，推导出导水沙裂隙带高度理论计算公式，为判别薄基岩回采工作面是否发生溃水溃沙灾害提供理论依据。通过分析水沙流突出类型影响因素，得出溃水溃沙灾害发生时水沙源、通道、动力源和流动空间这四个必要条件，建立了溃水溃沙发生的临界水力坡度与临界水头判别公式，为受溃水溃沙灾害威胁的薄基岩回采工作面含水沙层水头疏降提供理论支撑。根据竖“两带”、横“两区”理论，针对垮落性裂隙带、网络性裂隙带所引发的溃水溃沙灾害的特征和类型，提出了条件探查、基本因素确定、溃水防控、溃沙防控的“四项控制法”防灾措施，并将研究成果应用于哈拉沟煤矿薄基岩富水沙层工作面，通过排水系统设置、井下疏降水及地面拦截水、塌陷区铺膜等方法，实现了薄基岩工作面的安全回采。