鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田典型顶板水害防控技术与应用.pdf

第 45 卷第 7 期煤炭学报Vol. 45 No. 7 2020 年7 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJuly 2020 扫码关注 董书宁,姬亚东,王皓,等. 鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田典型顶板水害防控技术与应用[J]. 煤炭学报,2020,45 72367-2375. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. DZ20. 0697 DONG Shuning,JI Yadong,WANG Hao,et al. Prevention and control technology and application of roof water disaster in Jurassic coal field of Ordos Basin[J]. Journal of China Coal Society,2020,4572367-2375. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. DZ20. 0697 鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田典型顶板水害防控 技术与应用 董书宁1,2,姬亚东1,2,王 皓1,2,赵宝峰1,2,曹海东1,2,刘 洋1,2,刘英锋1,2,姬中奎1,2,刘柏根1,2 1. 中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710077; 2. 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室,陕西 西安 710077 摘 要为了实现鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田受顶板水害威胁的煤炭资源安全开采,基于侏罗纪煤炭 资源赋存条件、顶板含水层特征、顶板水害分布范围与防控难题,对离层水害、薄基岩溃水溃沙、厚 层砂岩水害和烧变岩水害 4 种典型顶板水害的形成机理、判识方法、主控因素和防控技术进行了系 统研究。 侏罗纪煤田离层水害发生的地质条件为砂泥岩互层,泥岩隔水层厚度是控制离层水害发 生的主控因素,研发了离层水体精准定位探放技术,实现了离层水害判别与防控技术的定量化;导 水沙裂隙带是薄基岩溃水溃沙的主控因素,构建了基于导水沙裂隙带与基岩厚度对应关系的溃水 溃沙危险性评价体系,发明了含水松散沙体高效注浆技术,有效避免了薄基岩溃水溃沙的发生;发 现了厚层砂岩含水层在垂向上的非均质特性,揭示了递进渗流充水模式,提出了“适当波及,主动 防控”的厚层砂岩水害防控新理念,解放了大量受厚层砂岩水害的煤炭资源;揭示了烧变岩的“边 界富水”效应,将烧变岩完整断面分为直接露头区、中部埋藏区和火烧边界区,并构建了烧变岩不 同断面注浆材料选择准则,提出了双位双向孔序优选引流注浆帷幕技术,显著减少了烧变岩对工作 面的补给水量,同时实现了采煤保水。 通过将典型顶板水害防控技术在鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田 的推广应用,有效遏制了顶板水害事故的发生。 关键词鄂尔多斯盆地;侏罗纪煤田;顶板水害;形成机理;判识方法;防控技术 中图分类号TD745 文献标志码A 文章编号0253-9993202007-2367-09 收稿日期2020-04-24 修回日期2020-06-28 责任编辑郭晓炜 基金项目国家重点研发计划资助项目2017YFC0804100 作者简介董书宁1961,男,陕西蓝田人,研究员,博士生导师。 E-maildongshuning cctegxian． com Prevention and control technology and application of roof water disaster in Jurassic coal field of Ordos Basin DONG Shuning1,2,JI Yadong1,2,WANG Hao1,2,ZHAO Baofeng1,2,CAO Haidong1,2, LIU Yang1,2,LIU Yingfeng1,2,JI Zhongkui1,2,LIU Baigen1,2 1. Xi’an Research Institute of China Coal Technology 2. Shaanxi Key Laboratory of Preventing and Con- trolling Coal Mine Water Hazard,Xi’an 710077,China AbstractIn order to achieve a safe mining of coal resources under the threat of roof water disasters in Jurassic coal field of Ordos basin,based on the existence conditions of Jurassic coal resources,the characteristics of roof aquifers,the distritution range and prevention Jurassic coalfield;roof water disaster;ation mechanism;identification ;prevention and control technologies 我国煤炭资源十分丰富,且地域分布辽阔,煤炭 在我国一次性能源结构中占 60 左右,在未来几十 年内,煤炭仍将是我国的主体能源[1]。 鄂尔多斯盆 地是我国重要的含煤盆地,其侏罗纪煤炭资源量占全 国的 31． 9 [2]。 国家批复建设的 14 个亿吨级大型 煤炭基地中,神东、陕北、黄陇及宁东 4 个基地开采鄂 尔多斯盆地侏罗纪煤炭资源,随着“一带一路”战略 的实施及我国煤炭生产重点逐步西移,鄂尔多斯盆地 侏罗纪煤炭资源开发已成为我国煤炭工业可持续发 展的重要支撑[3]。 鄂尔多斯盆地侏罗纪煤层上覆地层中广泛发育 基岩孔隙裂隙和第四系松散含水层,由于侏罗纪煤层 开采条件较好,通常采用大规模机械化采煤,大尺度 工作面机械化开采后对顶板覆岩扰动强度大,工作面 回采产生的导水通道很容易沟通上覆含水层,造成工 作面顶板水害事故[4-5]。 鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田 顶板水害主要表现为离层水害、溃水溃沙、巨厚砂岩 水害与烧变岩水害,据不完全统计,这 4 种典型水害 占顶板水害总量 90以上。 顶板水害不仅给煤炭企 业造成巨大的经济损失,还严重制约我国千万吨矿井 群建设和国家煤炭资源开发战略西移的顺利实施。 长期以来人们认为鄂尔多斯盆地地处西北干 旱缺水区,对煤炭资源开发过程中顶板水害的严重 程度认识不足,加之以往矿井防治水研究的重点主 要集中在受底板奥灰水威胁的华北型煤田[6-7],导 致鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田顶板水害形成机理研 究基础薄弱,致灾判别标准难以量化,缺乏有效顶 板水害防控技术措施等突出问题。 为了保障侏罗 纪煤田资源开发的安全,开展了跨区域、长周期、多 学科产学研用协同科技攻关,针对威胁鄂尔多斯盆 地侏罗纪煤炭资源开发的 4 种典型顶板水害形成 机理、主控因素、判识方法开展了系统研究,形成了 相应的顶板水害防控关键技术。 1 鄂尔多斯盆地典型顶板水害特征 1． 1 鄂尔多斯盆地煤炭资源赋存特征 鄂尔多斯盆地地跨陕、甘、宁、蒙、晋 5 省区, 面积 40 万 km2,盆地赋存丰富的煤炭、石油和天然气 资源,已成为我国重要的能源生产、储备和调配基地。 鄂尔多斯盆地是中国煤炭资源最富集的地区,含有侏 罗纪、 石 炭 二 叠 纪、 三 叠 纪 含 煤 岩 系, 埋 深 小 于 2 000 m 的煤炭资源总量为 19 765 亿 t,占全国煤 炭资源总量的 43． 1,其中侏罗纪煤炭资源总量为 14 630 亿 t,占 74,煤层除延安一带缺失外,其余地 区均有分布,含煤 10 15 层,可采 5 7 层,累计厚度 15 20 m。 8632 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 7 期董书宁等鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田典型顶板水害防控技术与应用 鄂尔多斯盆地侏罗纪含煤岩系是盆地中最重要 的含煤岩系之一,由于其分布面积广,各地沉积环境 不同,因而各地含煤性和聚煤作用的时空变化较大, 形成盆地内不同地区煤层层数、厚度分布的差异。 盆 地南部主要可采煤层位于含煤岩系最下部,其分布范 围、结构、煤质均与三叠系顶部形态密切相关;盆地北 部厚度最大的主要可采煤层位于含煤岩系最上部,其 显著特点是分布范围与厚度变化小;盆地西部煤层数 量多、单层厚度小[8]。 1． 2 鄂尔多斯盆地煤层顶板含水层特征 根据含水层系统分部特征及其与侏罗纪煤田可 采煤层的相对位置关系,对侏罗纪煤炭资源开采具有 威胁的顶板含水层系统包括侏罗系孔隙裂隙含水层 系统、白垩系孔隙裂隙含水层系统和第四系孔隙含水 层系统见表 1。 1． 3 鄂尔多斯盆地顶板水害分布 由于鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田煤炭资源赋存与含 水层系统的复杂性,煤炭资源开发面临不同程度、不同 类型、不同条件的顶板水害威胁[9-10]。 以往认为鄂尔 多斯盆地位于干旱、半干旱地区,降水量小,煤层顶板 砂岩含水层以孔隙和裂隙为主,地下水向工作面充水 以渗流为主,工作面开采时发生大规模顶板水害事故 的可能性较小,但在实际生产中发现特定沉积、构造和 开采条件能够导致严重的顶板透水事故。 基于对鄂尔 多斯盆地离层水害、薄基岩溃水溃沙、厚层砂岩水害和 烧变岩水害充水含水层、分布范围、顶板覆岩组合、防 治难点及存在问题的分析见表 2,顶板水害具有区域 性、隐蔽性、突发性、复杂性、强致灾性等特点。 表 1 鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田煤层顶板含水层特征 Table 1 Characteristics of aquifer on coal seam in Jurassic coal field of Ordos basin 含水层系统侏罗系孔隙裂隙白垩系裂隙孔隙第四系孔隙 含水层烧变岩直罗组洛河组萨拉乌苏组 主要分布范围盆地东北部盆地内广泛分布盆地南部盆地东北部 岩性 细、中砂岩和粉砂岩、泥 岩烧变后,分别呈块状和 片状、棱片状 细、中、粗砂岩,泥岩, 底部发育含砾粗砂岩 细、中、粗砂岩为主 粉细沙、细沙、亚黏土为 主,古河床中心底部一般 含少量卵砾石 厚度/ m20 30,局部区域可达 50 30 100,局部区域 可达 200 200 300,最大能够 达到 450 30 80 渗透系数/ md -1 一般100,最大可达 1 631． 3 0． 004 4． 9580． 016 0． 8480． 231 5． 100 单位涌水量/ Lsm -1 9． 980． 003 5． 8300． 011 3． 1850． 084 1． 500 富水性强弱 强弱 强中等 强 表 2 鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田典型顶板水害特征 Table 2 Typical roof water disaster characteristics of Jurassic coal field in Ordos basin 水害类型离层水害薄基岩溃水溃沙厚层砂岩水害烧变岩水害 充水含水层直罗组、洛河组萨拉乌苏组直罗组、洛河组烧变岩 分布范围盆地西部、南部 盆地东北部煤层浅埋区 域 盆地内煤层深埋区域广 泛分布 盆地东北部煤层浅埋区 域 顶板覆岩组合砂岩与泥岩互层薄基岩上覆厚松散沙层 隔水层较薄,上覆厚层砂 岩 烧变岩与煤层直接接触 或位于煤层上部 防治难点及存在问题 水害形成主控因素不清,缺 乏判识标准,探放时机和靶 区难以确定 缺少薄基岩划分标准,松 散沙层注浆效果差 厚层砂岩下工作面采用 限制采高,浪费大量煤炭 资源 疏放烧变岩水或留设大 量防隔水煤岩柱导致水 资源及煤炭资源浪费 神东、陕北、黄陇和宁东煤炭基地分别位于盆地 的东北部、南部和西部,各基地分别受到不同类型顶 板水害的威胁图 1,甚至部分区域的侏罗纪煤炭资 源受到多种水害的威胁。 2 离层水害防控关键技术与应用 2． 1 离层水害及其形成机理 2． 1． 1 典型离层水害 离层水害主要发生在宁东和黄陇煤田,红柳煤矿 9632 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 1 鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田亿吨级煤炭基地及 典型顶板水害分布 Fig． 1 Distribution of hundred-million-ton coal bases and typical roof water disaster of Jurassic coal field in Ordos Basin 位于鄂尔多斯盆地西缘宁东煤田,I010201 工作面为 矿井的首采工作面,主采延安组 2 煤,2009 年 11 月2010 年 3 月共推进了 186 m,却发生了规模不等 的 4 次顶板水害图 2,最大突水量 3 000 m3/ h,造 成 I010201 工作面被淹。 I010201 工作面直接充水水源为顶板直罗组下 段含水层,单位涌水量 0． 010 0． 094 L/ sm,富 水性弱,能够发生周期性规模较大的顶板水害,推测 突水水源来自顶板离层空间。 图 2 I010201 工作面历次突水量与工作面推进距离 Fig． 2 Diagram of successive water inrush and mining distance of working face I010201 2． 1． 2 工作面顶板覆岩组合特征 根据 I010201 工作面内部及周边地质勘探钻孔 资料,工作面直接顶板为粉、细砂岩,平均厚度 10 m, 基本顶为直罗组下段含水层的下分层,平均厚度 22． 2 m,其上部为平均厚度20 m 的泥岩,再向上为平 均厚度 40． 6 m 的直罗组下段含水层的上分层, I010201 工作面顶板覆岩呈现出明显砂泥岩交互叠 合沉积。 2． 1． 3 离层水害形成机理 鄂尔多斯盆地离层水害主要发生在煤层顶板砂 泥岩交互叠合沉积条件下,其形成机理与东部矿区火 成岩或页岩条件下离层水害存在较大差异[11],工作 面回采后顶板覆岩产生不均匀沉降,形成一定规模的 离层空间,接受上部砂岩含水层的水量补给后形成离 层水体,工作面继续回采过程中泥岩在矿压和水压作 用下破断,导致离层水体溃入工作面,离层水害形成 过程如图 3 所示。 不同覆岩组合与开采条件下的泥 岩特定厚度是离层水害发生的主控因素[12]。 图 3 离层水害型形成过程示意 Fig． 3 Schematic diagram of ation process of bed separation water disaster 2． 2 离层水害主控因素及判识方法 对于砂泥岩交互叠合离层水害,泥岩隔水层厚度 是控制水害发生的主要因素,其厚度过小会导致覆岩 中形成较大规模离层空间的可能性较小,其厚度过大 时离层水体无法突破泥岩溃入工作面。 基于离层水害 的形成机理及特征,将离层空间下部泥岩简化为简支 梁模型,建立泥岩隔水层强度与矿压、水压的平衡方 程,推导出导致离层水害发生的泥岩厚度计算公式为 hn[8l2Pσt l 4γ2 l 2γ ]4σt1 0732 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 7 期董书宁等鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田典型顶板水害防控技术与应用 其中,hn为泥岩隔水层溃水厚度,m;l 为泥岩破断距, l L-cot θ1cot θ2 H,m;P 为砂岩含水层水压, MPa;σt为泥岩 抗 拉 强 度, MPa; γ 为 泥 岩 容 重, N/ m3;L 为周期来压步距,m;θ1,θ2分别为开切眼和 终采线一侧的断裂角, ; H 为离层与煤层距 离hliH3． 184 60． 010 7 0． 012 8 流量测井2 个钻孔仅测出 1 个出水层段2 个钻孔测出 7 个出水层段2 个钻孔未测出出水层段 4． 2 厚层砂岩含水层充水模式 发现了厚层砂岩含水层在垂向上的非均质特性, 揭示了导水裂隙带波及段以侧向径流为主,未波及段 以垂向渗流为主,并呈由下至上水位降深呈阶梯状减 小的递进渗流充水模式[16],厚层砂岩含水层递进渗 流充水模式如图 7 所示。 图 7 厚层砂岩含水层递进渗流充水模式 Fig． 7 Progressive seepage water filling mode of thick sandstone aquifer 4． 3 厚层砂岩水害防控关键技术 基于厚层砂岩含水层水文地质特征及工作面充 水模式,提出了“适当波及、主动防控”的技术理念, 充分利用低渗含水层阻水能力,允许导水裂隙带适当 波及洛河组含水层下部弱富水段,避免波及上部强富 水段,打破了以往“以防为主、限高开采”的防治水思 路。 4． 4 现场应用 通过将厚层砂岩水害防治理念应用于亭南煤矿 206 工作面,使工作面采高提高 1． 5 2． 0 倍,资源回 收率提高 96． 3,而工作面涌水量仅增大 17． 4,使 吨煤涌水量减少 21． 8,吨煤成本降低 21． 7。 厚层砂岩水害综合防控技术在黄陇基地胡家河、 孟村、小庄等煤矿 53 个工作面成功推广应用,多回收 煤炭资源 4 000 多万 t,保障了千万吨级矿井按时达 产,同时显著减少了煤炭资源浪费。 5 烧变岩水害防控关键技术与应用 5． 1 烧变岩水害概况 烧变岩主要分布在鄂尔多斯盆地北部榆神、神南 矿区,分布规律明显受水系及地形控制,厚度一般 20 30 m,局部达 50 m[17-18]。 烧变岩水害是威胁煤 层露头及隐伏露头区域煤炭资源开采的主要威胁,仅 榆神矿区已查明烧变岩分布面积近 700 km2,压覆煤 3732 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 炭资源量约 30 亿 t。 张家峁煤矿 5 煤工作面主要受到其顶板 4 煤烧 变岩水害的威胁,若 5 煤工作面直接在烧变岩下回 采,其单个工作面涌水量预测值为 2 000 m3/ h,若留 设防隔水煤柱,则会造成 357104t 煤炭资源浪费。 5． 2 烧变岩水文地质特征 煤层在烧变后,顶板发生坍塌和冒落,未烧变煤 层与烧变岩边界处顶板受到煤层的支撑,导致空洞发 育,孔隙度较大,是烧变岩的主要富水区域,经钻探与 注浆验证,钻探至此区域时易发生掉钻现象,钻孔单 位涌水量 q9． 98 L/ sm,单孔注浆量平均800 t, 最大可达近 4 000 t,存在明显的“边界富水”效应。 根据烧变岩裂隙发育程度、富水性及相对位置, 可将烧变岩完整断面分为直接露头区、中部埋藏区和 火烧边界区图 8,其裂隙发育程度及富水性依次增 强。 图 8 烧变岩全断面分区 Fig． 8 Whole section zoning of burnt rock 5． 3 水体旁烧变岩帷幕注浆技术 发明了一种从露头至实煤体断面处烧变岩含水 层的帷幕注浆方法直接露头区选择水泥-水玻璃双 液浆,防止跑浆;中部埋藏区选择水泥单液浆,提高堵 水强度;火烧区边界区选择水泥-粉煤灰混合浆,沉 淀速度快,扩散距离短[19-20]。 提出了内、外双排式帷幕注浆工艺[21],先施工内 排钻孔,后施工外排钻孔,各排钻孔分为 2 个施工次 序,内排前序钻孔注浆时,后序钻孔抽水引流,使浆液 沿帷幕线方向扩散,有效控制浆液的扩散范围,形成 帷幕墙;外排钻孔注浆时,井下钻孔放水引流,使浆液 沿垂直方向扩散,封堵帷幕墙残余过水通道图 9。 5． 4 现场应用 张家峁煤矿通过针对烧变岩施工了注浆钻孔 134 个,累计注浆量 4． 7104t,帷幕长度 625 m,烧变 岩周边工作面回采过程中涌水量5 m3/ h,周边水库 年蓄水量增加约 150104m3。 烧变岩帷幕注浆技术在陕北基地张家峁等煤矿 12 个工作面得到了推广应用,烧变岩对工作面补给 水量 减 少 95 以 上, 周 边 水 库 蓄 水 量 增 加 图 9 双位双向引流注浆技术示意 Fig． 9 Schematic diagram of double-position and double-direction grouting technique 约 300 万 m3,多回收煤炭资源 500 多万吨,同时实现 了采煤保水。 6 结 论 1鄂尔多斯盆地侏罗纪煤炭资源开发受顶板 水害威胁严重,其中以离层水害、薄基岩溃水溃沙、厚 层砂岩水害和烧变岩水害最为典型,受到沉积、构造 和开采条件的影响,4 种典型顶板水害分布范围、形 成机理、主控因素、判识方法和防控技术具有各自的 特点。 2砂泥岩互层是离层水害形成的地质基础,泥 岩隔水层厚度是控制离层水害形成的主要因素,推导 了离层水害形成的泥岩厚度计算公式与离层水体形 成位置的计算公式,提出了“束状钻孔,靶向探放”的 离层水体精准定位探放技术。 3导水沙裂隙带是薄基岩溃水溃沙的主要通 道和控制因素,推导了导水沙裂隙带发育高度计算公 式,并建立了薄基岩溃水溃沙判别标准,发明了针对 含水松散沙体的高效注浆装置与方法。 4查明了洛河组厚层砂岩含水层在垂向上的 非均质特征,揭示了厚层砂岩含水层递进渗流充水模 式,在此基础上提出了“适当波及,主动防控”的厚层 砂岩水害防控新理念。 5揭示了烧变岩的“边界富水”效应,并对烧变 岩全断面进行分区,提出了不同分区注浆材料选择方 法,发明了双位双向引流帷幕注浆技术。 参考文献References [1] 董书宁,虎维岳. 中国煤矿水害基本特征及其主要影响因素 [J]. 煤田地质与勘探,2007,35534-37. 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