蒙陕矿区深埋工作面顶板水可疏降性及预疏放标准研究_杨建.pdf

第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 蒙陕矿区深埋工作面顶板水可疏降性 及预疏放标准研究 杨建 1,2， 孙 洁 1,2， 梁向阳1,2， 黄 浩 1,2， 王强民1,2 （1．中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710054； 2．陕西省煤矿水害防治技术重点实验室， 陕西 西安 710054） 摘要 在分析蒙陕矿区深埋煤田区地貌特征、 水文地质条件、 工作面钻孔涌水和采空区涌水特 征等基础上， 开展了顶板水可疏降性和预疏放标准研究， 结果表明 研究区包括基岩台地、 沙地、 黄土沟壑 3 类地貌， 其中沙地区第四系富水性强， 煤层顶板含水层丰富的充水水源， 导致直罗组 一段渗透系数和单位涌水量均远大于基岩台地区和黄土沟壑区。不同矿井首采工作面探放水钻 孔初始水量和累计放水量分为 3 类， 水量较小矿井， 初始水量 q0≤10．0 m3/h， 累计疏放水量＜5．0 104m3； 水量中等矿井， 初始水量 q0≤60．0 m3/h， 累计疏放水量 10．0～100．0104m3； 水量较大矿 井， 大部分钻孔的初始水量 q0＞100．0 m3/h， 累计预疏放水量＞100．0104m3； 所有矿井首采工作面 经预疏放后， 可以实现绝大部分钻孔水量＜10．0 m3/h、 水压＜1．2 MPa， 具有很好的疏降性。根据矿 井水的顶板水疏放过程中水量和水压变化规律， 建立了工作面预疏放标准， q00～10．0 m3/h 的矿 井， 不需要开展预疏放； q00～60．0 m3/h 的矿井， 对钻孔初始水量＞20．0 m3/h 的富水条带开展预疏 放； q0＞60．0 m3/h 的矿井， 以 600．0～1 000．0 m 为工作面回采段， 提前 3 个月进行顶板水预疏放， 实现回采前 90 钻孔水量≤10．0 m3/h、 水压≤1．2 MPa。 关键词 可疏降性； 预疏放标准； 深埋工作面； 侏罗系； 蒙陕矿区； 顶板水 中图分类号 TD745＋．22文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 02-0046-05 Roof Water Pre-discharge Feasibility and Standard of Deep Buried Coal Seam Working Face in Mengshan Mining Area YANG Jian1,2, SUN Jie1,2, LIANG Xiangyang1,2, HUANG Hao1,2, WANG Qiangmin1,2 （1．China Coal Technology and Engineering Group Xi’ an Research Institute, Xi’ an 710054, China;2．Shaanxi Key Laboratory of Preventing and Controlling Coal Mine Water Hazard, Xi’ an 710054, China） Abstract Based on the research of lands, hydrogeological conditions, roof hole water outflow of working face and goaf water out－ flow in deep buried coal seam area of Ordos basin, we constructed a working face roof water pre-drainage standard． The results showed that there were three type lands（i．e． bedrock plat, sand and loess hill） ． The Quaternary water abundant in sand area was better than that in bedrock plat area and loess hill area, and the Quaternary aquifer was abundant water resource for the first section of Zhiluo ation． All coal mines could be divided three types according to initial water quantity and accumulative amount of water pre -discharge of working face roof borehole． Working face roof borehole outflow was small in Hongqinghe Mine and Weiqiang Mine（q0≤10．0 m3/h, Q＜5．0104m3, and the outflow was medium in Hulusu Mine, Bayangaole Mine and Yingpanhao Mine（q0≤60．0 m3/h, Q10．0104m3to 100．0104m3） ． In ad－ dition, the outflow was large in Menkeqing Mine, Muduchaideng Mine and No．2 Nalinhe Mine （q0＞100．0 m3/h, Q＞100．0104m3） ． DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．012 杨建， 孙洁， 梁向阳， 等．蒙陕矿区深埋工作面顶板水可疏降性及预疏放标准研究 ［J］ ．煤矿 安全， 2020， 51 （2 ） 46-50． YANG Jian, SUN Jie, LIANG Xiangyang, et al． The Roof Water Pre-discharge Feasibility and Standard of Deep Buried Coal Seam Working Face in Mengshan Mining Area ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 46-50． 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2016YFC0501104） ； 煤炭 开采水资源保护与利用国家重点实验室开放基金资助项目 （SHJT- 16- 30.10） ； 中煤科工集团西安研究院有限公司创新基金面 上资助项目 （2015XAYMS18） 移动扫码阅读 46 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 1研究区位置示意图 （红线内为研究区） Fig．1Schematic map of research area 鄂尔多斯盆地位于我国西北地区东部，属黄河 中游， 面积约 27．5104km2[1]， 煤层以厚和特厚煤层 为主， 煤田地质构造简单[2-3]， 煤层赋存稳定， 煤层倾 角 2～5， 很少有断层、 褶曲， 水文地质条件简单， 瓦 斯含量较少， 易开采， 开发成本低， 具备建设大型和 特大型矿井的条件[4]。其中， 蒙陕矿区深埋煤田区矿 床水文地质条件的勘探和研究程度较低[5]， 其多旋 回陆相沉积特征[6-7]、 多相变层叠地层结构[8-9]和复合 含水层系统，地层的高度非均质、各向异性和非连 续性， 造成含水层富水性极不均匀[10]， 具有不连续的 块段分布特征， 甚至在 1 个含水层不能形成统一的 地下水水头面。为了保障深埋煤层工作面的安全回 采， 在工作面回采前， 一般对其顶板含水层开展预疏 放工作[11]， 避免回采过程中涌水量的突然增加， 超过 工作面排水能力，导致工作面被淹。但是由于区域 性地质和水文地质条件的不均一性，不同矿井工作 面回采过程中， 顶板涌水量差异极大， 目前工作面顶 板水预疏放仍缺少相关研究。为此总结出鄂尔多斯 盆地北部深埋煤田区水文地质控水机理、 工作面顶板 水预疏放变化规律、 安全回采控制参数等成果。 1研究区概况 研究区位于鄂尔多斯盆地北部蒙陕接壤区 （图 1） ， 包括新街、 呼吉尔特、 纳林河、 榆横等矿区， 自西 北向东南倾斜，以中生代侏罗纪和白垩纪岩石为骨 架， 分为基岩台地、 沙地、 黄土沟壑 3 类地貌。其中 大部分地区在晚第四纪风成作用下，覆盖着不同流 动或固定程度的沙丘与沙地， 沙丘高度一般在 5～10 m 以下， 风积沙以细砂、 中砂为主， 0．25～0．50 mm 粒径 的约占 90， 第四系风积沙厚度不一， 葫芦素井田 内厚度为 4．50～61．58 m （平均 25．57 m） ， 巴彦高勒井 田内厚度为 73．92～161．60 m （平均 118．74 m） ， 单位 涌水量 q1．290～1．573 L/s m， 富水性强， 是煤层顶 板含水层较丰富的充水水源；新街矿区主要为基岩 志丹群出露，富水性弱，红庆河井田白垩系含水层 段单位涌水量 q0．020 6～0．032 81 L/s m；榆横南 区为黄土沟壑地貌， 第四系含水层弱富水性， 魏墙井 田第四系含水层 q0．088 L/s m。 2工作面顶板水可疏降性 2．1顶板水文地质特征 鄂尔多斯盆地中生代发生了 3 期构造抬升与剥 蚀事件， 分别对应三叠系延长组-侏罗系、 侏罗系延安 组-直罗组、 侏罗系安定组-白垩系志丹群等地层不整 合面； 构造运动造成的凹凸不平剥蚀面上， 沉积以填 平补齐为特点， 形成了早侏罗底部宝塔砂岩、 直罗组 底部七里镇砂岩、白垩系底部砂岩等富水含水层； 另 外， 由于沉积环境的变化， 还发育了延三段裴庄砂岩、 延五段真武洞砂岩、 直二段高桥砂岩等含水层。根据 煤矿建设和生产过程中对这些含水层的揭露， 发现上 组煤开采防治水关键层主要包括真武洞砂岩、延安 组-直罗组不整合面、 七里镇砂岩、 志丹群砂岩等， 其 中真武洞和七里镇砂岩位于煤炭开采导水断裂带范 围内 （图 2 ） ； 下组煤开采防治水关键层主要包括延长 组-延安组不整合面、 宝塔砂岩等。 本地区现阶段主采煤层为 2 号煤或 3 号煤， 通 过在巴彦高勒和纳林河二号矿井的覆岩破坏高度实 测，本地区导水断裂带发育高度一般为煤层开采高 度的 20～25 倍， 即最大发育高度在 100～130 m， 已经 So we constructed a working face roof water pre-drainage standard． Working face did not need to carry out roof water pre-drainage when q00 to 10．0 m3/h, and water-bearing roof strips（q0＞20 m3/h）should carry out water pre-drainage for the mines with q00 to 60．0 m3/h． But when q0＞60．0 m3/h, roof water pre drainage had to be carried out for 600 m to 1 000 m working face phased and three months ahead． The final requirements were q1≤10．0 m3/h and p1≤1．2 MPa with 90 boreholes． Key words roof water pre-discharge; working face; deep buried coal seam; Jurassic system; Ordos basin; roof water 47 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 矿名 初始水量 q0/ （m3 h-1） 初始 水压 p0/MPa 累计 放水量 Q/104m3 采前 水量 q1/ （m3 h-1） 采前 水压 p1/MPa 红庆河0．6～9．4≤4．00．930．4～2．7- 葫芦素0．5～60．0≤4．639．000．1～3．5≤1．2 门克庆51．0～160．0≤3．9130．000．3～26．3≤1．0 母杜柴登150．0～160．0≤6．0165．30＜11．0≤1．0 巴彦高勒0．2～39．0≤2．317．900．2～6．0≤1．0 营盘壕5．0～60．0≤6．083．302．0～20．0≤1．1 纳林河二号85．0～136．6≤5．6142．601．0～9．6≤1．2 魏墙0．1～8．8≤3．02．000～0．5- 表 1各矿井工作面探放水钻孔水量和水压特征 Table 1Water inflow and pressure of roof boreholes of working face 图 2研究区地层结构图 Fig．2Stratigraphic profile of research area 进入直罗组一段地层。该层段厚度 70～100 m， 平均 85 m， 底部的七里镇砂岩平行不整合覆岩在延安组 三段上， 以中粗砂岩为主， 厚度 17～24 m （平均 19 m） ，自然伽马曲线表现为低值，是本地区 2 煤和 3 煤开采过程中最主要的防治水目的层。但是，不同 矿井的直罗组含水层水文地质条件差异较大，其中 渗透系数 k 和单位涌水量 q 作为含水层渗透和出水 能力大小的重要指标 （图 3） ， 黄土沟壑区的魏墙矿 k0．004 m/d、 q0．002 5 L/s m， 基岩台地区的红庆 河矿 k0．003 6 m/d、 q0．011 7 L/s m，而沙漠区 k0．01～0．149 m/d、 q0．024～0．077 L/s m，沙漠区 直罗组含水层富水性 （渗透能力和出水能力） 远大于 黄土沟壑区和基岩台地区。 2．2顶板水可疏降性 矿井工作面探放水钻孔水量和水压特征见表1。 图 3各矿井直罗组渗透系数 k 和单位涌水量 q 对比图 Fig．3Comparison of permeability coefficient k and unit water inflow q of Zhiluo ation 由表 1 可知 钻孔的初始水量和水压差异极大， 经采前预疏放后， 1～3 个月可实现大部分（90） 顶 板钻孔水量＜10 m3/h、 水压＜1．2 MPa， 具有较好的 可疏降性。大致分为 3 类 ①初始水量 q0＜10．0 m3/ h，初始水压 p0≤4．0 MPa，包括红庆河和魏墙煤 矿， 通过对顶板含水层的预疏放， 累计疏放水量分 别为 0．93104m3和 2．0104m3， 最终实现工作面回 采前单孔水量 q10．4～2．7 m3/h 和 0～0．5 m3/h，水压 已不可测； ②初始水量 q0≤60．0 m3/h， 初始水压 p0≤6．0 MPa， 包括葫芦素、 巴彦高勒、 营盘壕， 工作 面预疏放后，累计疏放水量分别为 19．3104m3、 17．9104m3和 83．3104m3，最终实现工作面回采 前单孔水量分别达到 0．1～3．5 m3/h、 0．2～6．0 m3/h、 2．0～20．0 m3/h， 水压 p1≤1．2 MPa； ③大部分钻孔的 初始水量 q0＞100．0 m3/h，甚至达到 150．0～160．0 m3/ （a ） 渗透系数（b） 单位涌水量 48 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines h， 初始水压也以 4．0～6．0 MPa 为主， 包括门克庆、 母 杜柴登和纳林河二号， 工作面预疏放后， 累计预疏 放水量分别为 130．0104m3、 165．3104m3和 142．6 104m3，最终实现工作面回采前单孔水量分别达 0．3～26．3、 ＜11．0、 1．0～9．6 m3/h， 水压 p1≤1．2 MPa。 3工作面顶板预疏放标准 3．1是否预疏放的标准 红庆河等 8 个矿井在首采工作面回采过程中均 未出现涌水量突然增大的情况，实现了首采工作面 的安全回采，由此可以初步确定满足安全回采的顶 板疏放水钻孔水量和水压条件，即单孔涌水量≤ 10．0 m3/h （90） 、 水压≤1．2 MPa， 该条件在红庆河 和魏墙煤矿的工作面顶板探放水钻孔施工过程中， 初始水量就已经满足要求。另外，新街矿区的马泰 壕煤矿首采工作面顶板探放水钻孔初始水量和水压 与红庆河煤矿相似，未进行工作面预疏放，已经实 现首采工作面的安全回采，因此水压不是必要指 标， 可作为参考指标。 葫芦素煤矿首采工作面回采前，在工作面中段 某富水区附近选择 11 个钻孔开展了放水试验， 钻 孔初始水量 1．0 m3/h≤q0≤60．0 m3/h， 累计疏放水量 Q21．7104m3（图 4） ， 其中水量 q0＞20．0 m3/h 的钻 孔 4 个，占 36．4，累计疏放水量 18．1104m3， 占 83．34； 另外， 该矿首采工作面回采前的疏放水过 程中， 除了 1 个钻孔初始水量为 26 m3/h， 其余 26 个 钻孔初始水量均小于 20．0 m3/h（且＞10．0 m3/h 的钻 孔不超过 20） ， 94 d 累计疏放水量为 11．4104m3， 单孔平均 1．87 m3/h， 这种条件下可不进行预疏放工 作； 而初始水量 20．0＜q0＜60．0 m3/h 的钻孔， 往往位于 顶板富水区，须针对顶板富水区开展预疏放工作， 以 避免回采过程中采空区涌水量的突然增大。 门克庆、 母杜柴登、 纳林河二号等矿井水， 由于 大部分钻孔的初始水量 q0＞100．0 m3/h、初始水压 4．0～6．0 MPa， 表现为 “水量大、 水压高” 的特点， 如果 不进行预疏放工作， 可能会造成 2 方面问题 ①工作 面回采过程中， 采空区涌水量较大， 为满足工作面排 水要求， 须建设较大排水能力的排水系统， 例如门克 庆首采工作面， 在开展顶板水预疏放的前提下， 最终 工作面涌水量仍达到了 1 134．0 m3/h； ②研究区为河 流相沉积，每个工作面顶板均发育数个富水条带， 工作面回采过程中， 会出现阶段性涌水峰值， 对排水 系统造成巨大冲击， 威胁工作面安全回采。因此， 这 类矿井工作面回采前，必须开展预疏放工作。基于 上述不同钻孔涌水特征矿井，划分出是否开展预疏 放的标准， 工作面是否预疏放标准见表 2。 3．2 如何预疏放的标准 门克庆、母杜柴登和纳林河二号的工作面前 600．0 m 预疏放水量分别为 130．0104m3、 165．3104 m3和 142．6104m3，形成了回采前工作面约 400．0～ 700．0 m3/h 的排水量，因此必须开展工作面采前预 疏放工作。以目前工作面涌水量最大的门克庆煤矿 为例，在前期工作面顶板探放水钻孔施工已经预疏 放一定量顶板水的条件下， 仍需 2～3 个月才能实现 工作面回采前顶板的预疏放工作，即 90钻孔水 量≤10．0 m3/h、 水压≤1．2 MPa。 由此可以针对 “水量 大、 水压高” 矿井工作面开展预疏放设计 （表 3） 研 究区绝大部分矿井产能在 500．0～1 000．0 万 t，长度 为 2 000．0～3 000．0 m 的单个工作面一般在 1 年内 回采完成，以 600．0～1 000．0 m 为工作面回采段， 提 图 4葫芦素放水试验过程中初始水量和疏放水量关系图 Fig．4Initial and drainage water inflow in drainage test of Hulusu Mine 直罗组 k 和 q 是否预 疏放 备注 k＜0．01 m/d、 q＜0．02 L/s m 否 钻孔 水压 降至 1．2 MPa 以下 k≥0．01 m/d、 q≥0．02 L/ s m 是 对 20．0～60．0 m3/h 富水条 带开展预疏 放 是 全工作面 分段开展 预疏放 地貌 类型 基岩台 地、 黄 土沟壑 沙漠 0～10．0 （个别钻 孔水量 10．0～20．0 m3/h） 钻孔初始水量 / （m3 h-1） ≤60 ＞60 0～60．0 ＞60 表 2工作面是否预疏放标准 Table 2Standards for pre-drainage of working face 49 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 前 3 个月进行顶板水预疏放，可实现预疏放和回采 工作的顺利接续。 4结论 1） 研究区分为基岩台地、 沙地、 黄土沟壑 3 类 地貌，其中沙地区第四系富水性强，是煤层顶板含 水层丰富的充水水源，导致直罗组一段渗透系数和 单位涌水量均远大于基岩台地区和黄土沟壑区。 2） 不同矿井首采工作面探放水钻孔初始水量 和累计放水量分为 3 类，基岩台地和黄土沟壑区 的水量较小矿井 （包括红庆河和魏墙） ， 初始水量 q0＜10．0 m3/h， 累计疏放水量＜5．0104m3； 毛乌素 沙漠区的水量中等矿井 （包括葫芦素、 巴彦高勒和 营盘壕） ，初始水量 q0≤60．0 m3/h，累计疏放水量 10．0～100．0104m3；毛乌素沙漠区的水量较大矿井 （包括门克庆、 母杜柴登和纳林河二号） ， 大部分钻 孔的初始水量 q0＞100．0 m3/h，累计预疏放水量＞ 100．0104m3。 3） q00～10．0 m3/h 的矿井，不需要开展预疏放； q00～60．0 m3/h 的矿井，对钻孔初始水量＞20．0 m3/h 的富水条带开展预疏放； q0＞ 60．0 m3/h 的矿井， 必须 开展全工作面预疏放。 4） “水量大、 水压高” 矿井工作面， 以 600．0～1 000．0 m 为工作面回采段，提前 3 个月进行顶板水分段预 疏放，实现回采前 90钻孔水量≤10．0 m3/h、 水 压≤1．2 MPa。 参考文献 ［1］ 王德潜， 刘祖植， 尹立河．鄂尔多斯盆地水文地质特征 及地下水系统分析 ［J］ ．第四纪研究， 2005， 25 （1） 6． ［2］ 张泓， 白清昭， 张笑薇， 等．鄂尔多斯盆地的形成及构 造环境 ［J］ ．煤田地质与勘探， 1995， 23 （3） 1－9． ［3］ 张泓， 晋香兰， 李贵红， 等．世界主要产煤国煤田与煤 矿开采地质条件之比较 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2007， 35 （6） 1－9． ［4］ 杨建， 刘洋， 刘基．基于沉积控水的鄂尔多斯盆地侏罗 纪煤田防治水关键层研究 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （4） 34－37． ［5］ 杨建， 梁向阳， 丁湘．蒙陕接壤区深埋煤层开发过程中 矿井涌水量变化特征 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2017， 45 （4） 97－101． ［6］ 梁积伟．鄂尔多斯盆地侏罗系沉积体系和层序地层学 研究 ［D］ ．西安 西北大学， 2007． ［7］ 赵俊峰．鄂尔多斯盆地直罗－安定期原盆恢复 ［D］ ．西 安 西北大学， 2007． ［8］ 高选政．鄂尔多斯盆地早侏罗世岩相古地理 ［J］ ．煤田 地质与勘探， 1996， 24 （3） 1－5． ［9］ 王东东， 邵龙义， 李智学， 等．鄂尔多斯盆地延安组层 序地层格架与煤层形成 ［J］ ．吉林大学学报， 2013， 43 （6） 1726－1739． ［10］ 邸春生， 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