袁大滩煤矿煤体含水形成机理及防治对策研究_刘瑞瑞.pdf

■ 节能与环保 袁大滩煤矿煤体含水形成机理及防治对策研究 刘瑞瑞 陕西中能煤田有限公司, 陕西 榆林 719000 摘 要 煤层一般被认为是良好的隔水层, 但袁大滩煤矿 2 号煤多条巷道在掘进期间却出 现了煤层大量出水的情况, 出水位置主要集中于煤层底板以上 02 m 范围内, 煤体具有明显的 含水特性。 相较于顶板砂岩孔隙、 裂隙水, 煤体含水具有水量大、 水压小、 分布广、 疏放困难 等特点。 通过对袁大滩煤矿地层的沉积相、 煤层孔隙、 裂隙发育情况、 顶板覆岩富水情况、 地 质构造发育情况、 地下水补给条件等多因素综合分析研究, 揭示了在良好的水源补给条件下, 煤层及顶板孔隙、 裂隙发育, 煤体存在储水空间以及隔水性较强的底板共同作用使煤层成为含 水地层。 针对煤体含水的形成机理及含水特征, 采取有效的 “探”、 “疏”、 “排” 综合防治技 术措施, 可以有效地保障矿井安全高效开采。 关键词 煤体含水; 储水空间; 储水结构; 补给来源; 赋存特点; 防治措施 中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1005-8397202011-0085-06 收稿日期 2020-04-28 DOI 10. 16200/ j. cnki. 11-2627/ td. 2020. 11. 023 作者简介 刘瑞瑞1989, 男, 陕西榆林人, 2012 年毕业于中国矿业大学地质工程专业, 工学学士, 陕西中能煤田有限公司工程师。 引用格式 刘瑞瑞. 袁大滩煤矿煤体含水形成机理及防治对策研究 [J]. 煤炭加工与综合利用, 202011 85-90. 煤炭是由植物遗骸经过生物化学作用泥炭 化阶段与物理化学作用煤化阶段而转变成的 沉积有机矿产, 是多种高分子化合物和矿物质组 成的混合物。 煤层一般被认为是良好的隔水层, 而矿井开采期间的水害防治也主要集中于煤层 顶、 底板砂岩裂隙水或灰岩水的富水性研究, 对 于煤体含水的现象无论是揭露情况还是研究程度 则较为缺乏, 但煤体含水对采掘安全的威胁性却 是不容小觑。 袁大滩煤矿 11201 运顺掘进期间至 1 712 m 处, 工作面煤层出水量增大明显, 实测 涌水量为 152. 48 m3/ h, 榆横矿区北部小纪汗煤 矿 2 煤生产期间也出现煤体出水的情况。 因此有 针对性地分析煤体含水的形成机理, 分析其赋存 特征, 制定有效的防治措施, 对矿井水害防治具 有重要的意义。 1 矿井地质及水文地质 袁大滩煤矿矿井地层由老至新依次为三叠系 上统永坪组T3y、 侏罗系下统富县组J1f、 中统 延安组J2y、 直罗组J2z、 安定组J2a, 白垩 系下统洛河组K1l、 第四系中更新统离石组 Q2l、 上更新统萨拉乌苏组Q3s及全新统风积 沙Q4eol。 袁大滩井田中生代地层简表详见表 1。 侏罗系中统延安组为主要的含煤地层, 可采煤层 共有 7 层, 其中, 2 煤可采厚度约 04. 12 m, 平 均厚约 2. 09 m, 煤层裂隙较为发育, 一般充填有 方解石脉。 煤层顶板主要为细粒砂岩、 粉砂岩, 次为泥岩或中粒砂岩, 底板主要为粉砂岩, 次为 细粒砂岩, 中粒砂岩, 炭质泥岩, 砂质泥岩。 矿井主要含水层为第四系松散层及白垩系下 统洛河组孔隙、 裂隙潜水含水层、 侏罗系直罗组 砂岩孔隙、 裂隙承压含水层及 2-3 -1 煤间砂岩孔 隙、 裂隙承压含水层。 矿井两个相对隔水层分别 为侏罗系安定组相对隔水层及侏罗系延安组顶部 至 2 煤顶板粉细砂岩相对隔水层, 具体可见袁大 滩煤矿先期开采地段含、 隔水层段相对位置关系 图 1。 其中, 侏罗系直罗组砂岩孔隙、 裂隙承 压含水层是 2 煤开采的主要充水水源, 含水层富 58 煤炭加工与综合利用 No. 11, 2020 COAL PROCESSING 上部主要发育灰黑色泥岩、 炭质泥岩夹灰白色粉砂岩, 发育 2下、 2 号煤层 主要的含水煤体 三段 45. 5768. 87 62. 13 该段自 4 -2 煤层顶面至 3 号煤层顶面。 该段地层下部发 育黄绿-黄白-灰白色中、 细粒长石砂岩与灰-灰黑色泥 岩、 粉砂质泥岩互层; 本段中下部发育的细粒长石砂岩 或岩屑砂岩, 厚度较大, 分部稳定; 本段上部发育泥岩、 炭质泥岩、 粉砂质泥岩和 3 号煤层, 3 -1 煤分布极为稳定 二段 50. 1566. 80 54. 38 该段自 7 号煤层顶面至 4 -2 煤层顶面, 该段地层主要发 育深灰-灰绿色泥岩、 粉砂质泥岩, 夹灰色粉砂岩及细砂 岩透镜体, 上部发育炭质泥岩, 该段地层包含 5 号煤层 一段 47. 6392. 39 67. 59 由延安组底部至 7 号煤层顶部。 该段地层主要为黄灰-灰 白色厚层-块状中、 粗粒长石砂岩, 夹砾砂岩。 底部一般 为灰色含砾砂岩, 常夹砾岩透镜体; 上部发育泥岩、 粉 砂岩, 发育 7、 8、 9 号煤层 􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌􀪌 下统 富县组 T1f 6. 7928. 20 13. 21 该组岩性为一套以河流相为主的河-湖相沉积。 下部为杂 色泥岩页岩、 粉砂质泥岩、 粉砂岩, 底部局部见灰绿 色块状复成分细砾岩; 中上部主要为灰白色中细粒长石 石英砂岩、 粉砂岩与褐灰或杂色泥岩互层, 上部偶夹煤 线或薄煤层。 该地层沉积于起伏不平的永坪组之上, 与 下伏永坪组呈假整合接触 三 叠 系 上统 永坪组 T3y 80 灰绿色巨厚层状中、 细粒长石石英砂岩, 含大量云母及 绿泥石, 局部含石英砾、 灰绿色泥质包体及黄铁矿结核。 分选性及磨圆度中等, 发育大型板状、 槽状或楔状交错 层理, 亦有块状层理、 波状层理。 为研究对象之下伏 地层 68 煤炭加工与综合利用2020 年第 11 期 图 1 袁大滩煤矿先期开采地段含、 隔水层段相对位置关系 2 煤体含水形成机理分析 煤体含水层的形成应包含3 个条件 ① 煤体 中应具有储水空间; ② 具备储存地下水的地质 结构; ③ 具有一定的补给水源。 三者缺一不可。 2. 1 煤体孔隙、 裂隙发育所形成的储水空间 煤体内的储水空间主要是由煤层内孔隙、 裂 隙组成。 因此, 其储水能力的大小受制于孔隙、 裂隙发育的规模, 而煤岩层孔隙、 裂隙发育程度 又受煤体本身结构、 地压、 地质构造等多因素 影响。 袁大滩煤矿 2 煤组作为侏罗系延安组煤层, 相较于石炭、 二叠系含煤地层来说其沉积变质程 度较低, 属低煤阶煤层。 煤层自身的孔隙较为发 78 2020 年第 11 期刘瑞瑞 袁大滩煤矿煤体含水形成机理及防治对策研究 育, 为煤体储水提供了储水空间。 根据三维地震 勘探成果, 袁大滩煤矿共查明断层 12 条, 古冲沟 1 处。 断层全部为正断层, 落差最大约为 6 m, 断 层倾角一般约为 45 65, 其中可靠断层 1 条 DF04 正断层, 位于 11201 工作面中东部, Y3-4 钻孔与 Y4-4 钻孔之间, 走向 NWW, 倾向 NEE, 倾角 4555, 落差 06 m, 区内延展长度 80 m, 切割 2 煤, 顺槽掘进过程中未揭露。 较为活跃地 质构造活动, 使煤体完整性遭到破坏, 煤层裂隙 密集发育, 裂隙内一般充填有方解石脉或黄铁矿 条带, 使煤体具备了形成储水空间条件。 2. 2 含隔水层的不同架构所形成的储水地质结构 含水层的构成一般包括 2 种类型 ① “透水 含水隔水” 型; ② “ 隔 水含 水隔 水” 型。 只有在透水层下部形成有效的隔水层才能保 证地下水不流失, 形成具备储水能力的含水层。 2. 2. 1 顶板含水层分析 不同的沉积环境塑造了不同的地层结构, 不 同岩相组合所形成的不同地层结构导致了其含 隔水性上的差异。 根据 袁大滩煤矿首采区 水文地质条件及水害立体防治技术研究 项目的 研究成果, 袁大滩煤矿直罗组主体以三角洲与河 流沉积体系为主。 三角洲与河流沉积相主要由河 道沙坝亚相和河漫滩亚相组成, 河道砂坝主要为 中、 细砂岩, 具底冲刷面, 见滞留沉积及大量植 物碎片和碳屑。 河漫滩亚相主要为粉砂岩与粉砂 质泥岩或泥岩互层, 见各种虫孔构造。 根据袁大 滩井田直罗组一段砂岩厚度图图 2, 先期开采 地段井田北部直罗组一段含水岩层的砂体厚度及 展布范围明显大于南部, 砂体厚度达 7. 344. 4 m, 平均为 23. 9 m, 砂体展布具有明显的条带 性, 总体方向呈 NW-SE 向。 根据以往的水文地质研究表明, 袁大滩煤矿 直罗组含水层距 2 煤顶板为 067. 23 m 左右, 厚 度 77. 70195. 74 m, 平均 132. 37 m。 根据富水 性强度的不同又将其划分为2 段 ① 直罗组上段 厚度 40. 24109. 80 m, 平均 66. 05 m, 富水性较 弱; ② 直罗组下段厚度 30. 90117. 29 m, 平均 66. 32 m, 富水性较强, 且富水性不均一, 具有 条带性。 2. 2. 2 底板隔水层分析 根据矿井钻孔剖面图, 可以明显的发现, 图 2 袁大滩井田直罗组一段砂岩厚度 2 煤底板一般沉积有 12 层厚约 315 m 的以砂 质泥岩、 泥岩为主的灰白色隔水层, 其含泥量较 高, 在掘进中常出现遇水泥化的情况。 综合上述分析, 2 煤顶板直接充水水源为直 罗组含水层, 其富水性弱 强, 距煤层顶板较 近, 具有条带式分布的特征, 这一特征使煤体含 水强弱存在一定的差异性和条带性; 2 煤底板为 稳定的砂质泥岩、 泥岩所构成的隔水层。 总体的 地层显现出 “透水含水隔水” 的结构特征, 使煤体具备了成为含水层的条件。 2. 3 地下水补给水源 含水层形成的第 3 个条件是需要稳定的补给 水源, 形成稳定的地下水流场。 根据 袁大滩煤矿先期开采地段水文地质补 充勘探报告 成果, 通过对 ZLC - 3、 ZLC - 7、 ZLC-8 号钻孔延安组煤系地层基岩裂隙含水层进 行抽水试验, 同时观测 ZLG-3、 ZLG-8、 ZLG- 10 号钻孔侏罗系直罗组含水层水位变化情况并 总结分析可知, 延安组煤系地层基岩裂隙含水层 富水性不均一, 且与侏罗系直罗组含水层有一定 的水力联系。 如图 3 所示, 本区局部地区如 Y1-4、 Y4- 1 钻孔附近, 由于直罗组时期古河床的冲刷作 用, 导致 2 煤顶板延安组地层主要为 J2y5岩性 段缺失, 即缺失了第二相对隔水层段, 隔水性 能变差, 直罗组含水层直接与 2 煤顶板接触, 使 得煤层直接顶板即为强富水含水层, 这就为煤层 富水提供了补给水源。 88 煤炭加工与综合利用2020 年第 11 期 图 3 煤层富水形成原因示意 2. 4 形成机理总结 根据上述对煤体储水结构、 地层结构、 补给 水源的多方面分析, 基本理清了煤层成为含水层 的几个要素, 结合矿井采掘巷道实际出水情况, 袁大滩煤矿 2 煤具备成为含水煤体的条件, 煤层 富水的主要原因为 直罗组强含水层与煤层顶板 接触, 且煤层本身裂隙较为发育, 使得直罗组含 水层中的水可以补给并储存在煤层中, 造成煤层 富水。 3 煤体含水的防治措施 根据煤层水害形成的特点分析, 结合袁大滩 煤矿井下采掘巷道涌水实际, 总结煤体含水主要 有以下 3 个特点。 1静储量为主, 补给有限。 由于煤层本身 并非含水层, 而只是储水空间, 因此煤层水主要 以静储量为主, 补给有限。 2先期涌水量较大, 后期会逐渐衰落。 袁 大滩煤矿煤层富水的情况与小纪汗煤矿极为相 似, 由于煤层含水以静储量为主, 前期刚揭露 时, 涌水量较大, 且随着揭露面积的增大, 涌水 量大幅增大, 后期随着对煤层储水空间中静储量 的消耗, 涌水量会逐渐衰减。 3富水性不均一。 由于煤层中裂隙发育程 度不同, 与补给区的距离不同等因素, 煤层在不 同区域富水性差别较大。 煤体的储水结构、 煤岩层所构成的地层结构 是人力无法改变或较难改变的。 针对煤体含水的 特点, 结合当下较为有效的水害防治技术, 提出 了以 “探”、 “疏”、 “排” 为要点的煤体水害防治 思路。 “探” 即物探, 利用物探手段圈定超前区域 富水异常区; “疏” 即超前疏放煤体含水量, 并截 断上覆含水层的补给水源; “排” 即建立完善排水 系统, 并利用煤层自然起伏形成自然导流沟渠。 袁大滩煤矿始终坚持着 “逢掘必探、 先探后 掘” 的防治水原则, 鉴于井田总体构造形态呈向 北西或北西西微倾的单斜构造, 倾角小于 1, 受 煤层起伏影响, 一般超前探布置 2 个钻孔, 一个 沿巷道掘进方向水平布置探煤层, 另一个向上微 倾探煤层顶板。 此类钻孔的布置方式基本保证了 矿井掘进安全, 但对于煤层富水的疏放, 减少煤 层含水对掘进的影响方面则作用相对较小。 针对矿井实际情况, 结合临近矿井在煤体含 水治理方面所开展的工作, 提出如下几点防治 措施。 1推广应用物探技术 煤体含水层富水性 受煤层孔隙、 裂隙发育情况, 补给强度大小的影 响, 易形成局部的富水异常区, 利用瞬变电磁法 等勘探手段可以较准确地圈定较强的富水异常 区。 例如, 袁大滩煤矿水文地质补勘期间对先期 开采地段 2 号煤进行了系统的物探, 初步确定了 6 个低阻异常区, 为 2 煤巷道掘进期间水害防治 提供了可靠技术保障。 2有针对性地高强度疏放 根据 “物探先 行、 钻探验证” 的防治水手段, 对于物探圈定的 富水异常区, 结合沉积相研究成果, 对强富水区 域开展有针对性的超前疏放水工作, 主要是利用 打钻方式进行验证并超前疏放。 结合袁大滩煤矿 井下生产实际, 巷道掘进至物探圈定的低阻异常 区时, 煤层出水量明显增大, 利用超前探放水钻 孔施工及巷道自然疏放相结合的方式基本可满足 探放水需要, 有效避免水害事故发生或影响正常 掘进。 需要明确说明的是, 煤体含水其连通性一 般较差, 水头压力较小, 因此, 疏放水钻孔的布 置不能仅凭借单个钻孔, 应根据出水位置合理的 成组布置钻孔, 如图 4 利用普通钻机及定向钻机 相结合的不同布孔方式。 图 4 普通钻机及定向钻机相结合的不同布孔方式 98 2020 年第 11 期刘瑞瑞 袁大滩煤矿煤体含水形成机理及防治对策研究 3因地制宜建设排水系统 袁大滩煤矿 2 煤总体呈东南高、 西北低的趋势。 以井田北翼为 例, 巷道在掘进期间一般为下山, 局部由于煤层 起伏或地质构造影响而出现上山的情况。 对于上 山掘进建议开挖临时水沟, 使煤层出水自流至临 时水窝后外排。 下山掘进巷道的排水则需要因地 制宜的去考虑排水方案, 有如下几点建议 ① 开挖临时水窝, 水窝大小应根据巷道出水情况及 水窝布置的密度决定; ② 在巷道内每隔 30 m 左 右开挖小型的隔水沟槽, 将掘进头后方煤层出水 倒流至临时水窝内, 同时起到过滤的作用; ③ 上述 2 种方法实施后, 掘进头附近主要有生产用 水及揭煤出水, 建议在掘进设备两侧靠后提前开 挖小型水泵窝, 布置排污能力较强的大排量泥浆 泵; ④坚持 “永临” 结合, 根据涌水量大小, 在 临时排水系统的基础上逐步建立完善工作面永久 排水系统。 4煤体出水应采取多种手段并用的防治技 术措施, 不能依靠单一的方法来解决复合问题。 如袁大滩煤矿 11202 回风顺槽掘进期间 1 270 m 处 施 工 的 定 向 长 钻 孔 当 时 迎 头 里 程 约 1 350 m, 孔深 819 m, 单孔最大出水量达 31. 6 m3/ h, 鉴于当时矿井建设任务重、 工期紧, 且定 向长钻孔疏放水周期相对较长, 不具备实施有利 条件, 仅是针对 11202 回顺富水煤层进行初步试 验, 未能大面积推广应用, 若是能够采取物探手 段超前探查圈定富水异常区, 采取多孔联合布置 的疏放手段, 建立完善工作面排水系统, 富水煤 层中高效采掘问题完全可以得到很好的解决。 4 结 语 1袁大滩煤矿煤体含水赋存于 “透水含 水隔水” 型的区域地层结构中, 受上覆岩层水 源补给、 煤体本身孔隙、 裂隙发育情况的影响, 其富水性总体较弱, 通常以静储量为主, 补给有 限, 先期涌水量较大, 后期会逐步衰弱, 且煤层 富水性分布不均一。 2针对煤体含水的特点, 提出了以 “探”、 “疏”、 “排” 为要点的煤体水害防治思路。 利用 物探手段确定靶区, 采取有针对性的钻孔组合布 置, 提前对煤体进行疏放水, 并因地制宜根据采 掘情况布置排水系统, 减少因煤体出水而导致采 掘效率下降的情况发生。 3通过袁大滩煤矿煤体含水形成机理及防 治对策初步研究, 对陕北侏罗纪煤田榆横矿区部 分矿井煤层含水现象有了更为深刻的认识, 同时 对全国范围内类似矿井煤层水害防治具有一定的 指导意义。 参考文献 [1] 李兰霞. 煤层含水监测及含水分布规律研究 [D].徐 州 中国矿业大学, 2015. [2] 李海龙, 白海波, 钱宏伟, 等.含水煤层底板岩层力学 性质分析 以小纪汗煤矿为例 [J].采矿与安全工程学 报, 2016, 333 501-508. [3] 王 皓. 含水煤层水害形成机理及防治技术 [J].煤田 地质与勘探, 2019, 473 117-123. [4] 邵东梅, 朱宏军, 等.袁大滩煤矿先期开采地段水文地 质补充勘探报告 [R]. 西安 中煤科工集团西安研究院 有限公司, 2014. [5] 朱南京, 陈加更, 宁 鹏.煤层为主要含水层矿井揭煤 研究 [J]. 华电技术, 2017, 3911 36-38. 􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮 􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮 􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮 􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀦮 􀦮 􀦮 􀦮 欢迎订阅 煤炭加工与综合利用 杂志 电话 010-64251130 网址 mtjg. cbpt. cnki. net E-mail mtjgly vip. 163. com 订刊联系 QQ 369181566 投稿联系 QQ 2537926740 09 煤炭加工与综合利用2020 年第 11 期