隐伏火烧区烧变岩含水层水害治理技术研究

我国西北地区烧变岩分布范围广、孔隙裂隙发育、富水性强,是当地的主要含水层,其中的隐伏火烧区烧变岩地表遗迹不明显、发现难度大,煤矿开采一旦导通烧变岩含水层将导致水害事故,同时会破坏烧变岩含水层水资源。为治理隐伏火烧区烧变岩水害并保护烧变岩含水层水资源,分析我国烧变岩分布特征及烧变岩水对煤矿开采影响,研究隐伏火烧区烧变岩探查和治理技术,开展隐伏火烧区烧变岩含水层水害治理的示范应用,结合现场监测数据分析评价陕西柠条塔煤矿南翼隐伏火烧区含水层水害治理和水资源保护效果。结果表明:我国烧变岩主要分布于以昆仑山-秦岭-大别山为界的北方地区,隐伏烧变岩主要分布在鄂尔多斯盆地东北部、伊犁盆地南缘,被第四系松散层覆盖;隐伏火烧区烧变岩含水层与风化基岩含水层大多直接接触且连为一体,水力联系密切;烧变岩水害防治措施主要有留设烧变岩含水层防隔水煤柱、疏降烧变岩含水层积水和帷幕截流,其中截水帷幕可有效解放烧变岩含水层压覆的煤炭资源,解除烧变岩水害威胁并保护烧变岩含水层宝贵的地下水资源;通过精确探查出隐伏火烧区范围、布设注浆钻孔,将隐伏火烧区烧变岩含水层隔离为若干个含水体,断绝截水帷幕内外的水力联系,可保障工作面不受烧变岩水威胁,同时实现烧变岩水资源保护;柠条塔煤矿S1232工作面和S1233工作面隐伏火烧区烧变岩含水层治理后,其回采期间涌水量降至20m^(3)/h以内,工作面得以安全回采,截水帷幕内侧水位下降,外侧水位逐渐抬升,烧变岩水资源得到有效保护。

烧变岩矿物相特征及其转化

【目的】烧变岩作为一类由煤层自燃烘烤围岩形成的特殊岩石,在鄂尔多斯盆地东北缘延安组广泛发育,该类岩石中烧变相关的矿物相特征及形成机理尚不清楚。【方法】对陕西张家峁煤矿井下烧变岩进行分析测试和原岩高温加热模拟,进行烧变岩矿物相特征分析。【结果和结论】研究发现:井下烧变岩中铁镁质成分富集,Zn、Rb、Sr、Zr等微量元素相较原岩异常迁移,稀土元素Eu迁出,La/Yb−ΣREE分配模式更接近花岗岩。显微镜下烧变岩发育绿泥石化、磁铁矿化和赤铁矿化,发育变余结构和矿物烧熔现象,同时发育高温变质结晶矿物,如方石英、鳞石英、莫来石和堇青石。烧变岩变质作用类型主要为重结晶作用和熔融作用,缺少典型热变质岩中的交代蚀变或同化混染作用,也不发育含水或含羟基矿物,这种特征可能是由于烧变作用条件为近地表低压和开放环境,其变质作用体系内无H2O流体作用于矿物间的物质交换。结合烧变作用条件和矿物组合特征,认为烧变作用是不同于其他热变质作用的特殊变质类型。综合前人和本次研究,将烧变岩变质相作为一类特殊的热接触变质作用提出,按变质温度由低到高将其分为4个阶段:(1)低温脱水相阶段(绿泥石化、含水矿物被破坏)、(2)中温氧化相阶段(磁铁矿化、赤铁矿化)、(3)高温烧熔相阶段(莫来石、堇青石、方石英和鳞石英)、(4)完全熔融相阶段(辉石、假玻璃质长石)。研究对烧变岩矿物相及其转化做了系统总结,并在变质岩相系及其变质条件研究的基础上总结烧变相系,认为温度和近地表低压开放体系是不同烧变岩相形成的原因。

中国北方侏罗系烧变岩露头区白色砂岩特征与成因分析

中国北方烧变岩广泛发育,常见侏罗系煤层于中生代、新生代自燃形成的烧变岩。在烧变岩露头区,白色砂岩常与红色烘烤岩伴生,但国内外对其关注不够,成因不明。本次研究对伊犁、准噶尔、吐哈、鄂尔多斯等盆地周缘烧变岩区野外露头进行了观察,采集白色砂岩样品进行薄片鉴定、扫描电镜及能谱等测试与分析,对白色砂岩岩石学、矿物学特征进行观察和描述,认为中国北方侏罗系白色砂岩常分布在烧变岩的上覆、下伏或侧边位置,颜色多以灰白为主,结构疏松,孔隙发育,碎屑颗粒以石英、长石矿物为主,填隙物主要为高岭石,发育特殊的流体流动所致的孔洞构造;据其与烧变岩的空间相关性,推测白色砂岩的形成与煤层自燃有密切联系,煤层自燃导致高岭石大量生成、有色金属矿物或金属离子含量变化,这是砂岩呈现白色的主要诱因,因此烧变岩区所见白色砂岩为特殊类型的低温烘烤岩,其形成模式有3种:河谷下切型、裂隙下切型和山丘下渗型。

天山北缘硫磺沟地区侏罗系烧变岩特征及其地质意义

烧变岩在中国北方分布广泛,可能与砂岩型铀矿有成因联系,但一直以来研究者对其关注较少。新疆硫磺沟地区侏罗系煤系地层中广泛发育烧变岩。通过野外观察和岩石显微薄片、扫描电镜及电子探针分析,描述了硫磺沟地区烧变岩的颜色、结构构造及矿物学特征,认为高温变质程度不同的烧变岩在颜色上有差异,以鲜艳的红色(如砖红、赭红、紫红色)、黑色、钢灰色为主,烧变岩的结构构造主要有瓷化构造、渣状构造、角砾状构造等。电子探针测试结果表明,西山白土窑剖面烧变岩的主要化学成分为SiO_(2),其质量分数介于35.43%~99.83%之间,平均为75.73%,次要化学成分有Al_(2)O_(3),CaO,Na_(2)O,K_(2)O,FeO,MgO,MnO,BaO等,推测其是与原岩成分有关的铝硅酸盐矿物。微观测试显示,原岩结构、构造遭受不同程度破坏。经历不同程度高温变质作用部分矿物发生变质,形成堇青石、铁堇青石、莫来石等新矿物,且矿物形态发生不同程度的改变,如出现冷凝边、石英塑性流变、蠕虫状构造、压缩拉伸构造等,矿物充填(微)裂缝形成方解石脉或铁质脉。硫磺沟地区烧变岩形成年龄与区域构造隆升时代具耦合关系。在研究区,烧变岩附近常有铀矿点发育。研究认为,表生热液型砂岩铀矿成矿模式适合于硫磺沟地区铀矿富集解释。

浅埋煤层烧变岩地球化学与变质矿物相特征

以陕北张家峁井田延安组2^(2),3^(1)段烧变岩为研究对象,对其进行岩石地球化学迁移规律以及变质矿物相特征分析。结果表明,该区烧变岩为低碱性硅铝质变质岩,横向上钙碱性分布不均一,少部分烧变样品烧失量大且CaO含量高,Fe元素迁移聚集。Zr相容性比Hf更好,Ba元素富集可能与后期水文作用有关,稀土元素分配趋势线为略微轻稀土富集型,烧变作用对稀土元素的分配影响相对有限。烧变岩原生矿物多具有烧蚀特征,镜下发育烧蚀边、气孔构造等,新生矿物呈集合体充填矿物间或矿物裂缝中。矿物相组合与热接触变质作用中发生高热变质的透长岩相相近,但变质压力更低,温度更高。烧变岩层由下而上可分为薄层板状烧烤岩、烧熔岩、厚层板状烧烤岩、厚层层状烧烤岩的岩石组合,鳞石英+方石英相较莫来石+堇青石+赤铁矿能更好表征岩石烧变程度的强弱,同层烧烤岩下部烧变程度高于上部,烧熔岩上部板状烧烤岩烧变程度高于下部板状烧烤岩。研究区烧变岩具有“隐伏”的特点,且存在同沉积期烧变作用,除暴露在河谷阶地的烧变岩层外,部分烧变岩层埋于更新世地层和残余延安组地层之下。早期形成的烧变岩层后期被破坏,多期烧变地层相互叠置形成现今火烧区。

陕北典型矿区烧变岩岩石学及地球化学特征

烧变岩的基础研究对烧变岩水害的防治具有至关重要的作用。为了掌握烧变岩的岩石学及地球化学特征,以陕北榆神矿区张家峁井田为例,通过野外调查、钻孔岩心取样及分析测试,对该区烧变岩的主量元素、微量元素及稀土元素进行了详细的测定分析。结果表明:岩体上部、下部、邻近岩层分别属于板状烧烤岩、烧熔岩、层状烧烤岩,不同类型的烧变岩岩性、颜色、孔隙发育等特征随烧烤程度的不同而呈现较大的差异性。岩石地区化学结果表明:烧变岩主要化学成分为SiO_(2),其次为Al_(2)O_(3)。岩样主要为硅铝质,镁铁组分含量相对较少,TFe_(2)O_(3)+MgO质量百分比平均值为4.76%,而原岩与烧变岩差异性小,与烧熔岩样亦相差不大。烧变岩亲石元素Rb、Ba含量高于原岩,Sr含量低,Cs、Eu相对亏损。高场强元素中Zr含量在所有样品中普遍较高,不同类型岩样均具有Y、Zr、Pb富集的特征,高场强元素在烧变作用下变化不显著。样品的稀土元素丰度趋势曲线出现差异化分布,标准沉积岩与上地壳平均值相较球粒陨石相似性更高。研究结果将为研究烧变岩的成因及形成环境提供基础支撑。

新疆地区烧变岩分布特征与资源化利用对策

为研究新疆地区烧变岩的合理处置与资源化利用,分析了新疆烧变岩地理分布特征及产生的地质背景,提出了烧变岩资源化利用产业链布局模式,阐述了烧变岩处置和资源化利用对策,并进一步对烧变岩的资源化开发利用进行展望。研究表明:新疆烧变岩资源呈现“北多南少”的分布特征,一般为大面积连片分布或沿山脉边缘走向线状分布;烧变岩孔隙发育、地貌独特,具有储水和旅游资源潜力;烧变岩固体废物中富集有大量的矿物元素,可作为建筑材料、高性能材料、矿物添加剂,实现综合资源化利用;有价元素提取、化工产品制备,以及作为寻矿标志是未来新疆烧变岩资源化利用的发展方向。

神府矿区烧变岩水化学特征及其指示意义

烧变岩含水层的水化学特征研究有助于判别各含水层间的水力联系。以神府矿区张家峁矿井为研究对象,通过采集风化基岩、基岩、2^(-2)煤烧变岩、3^(-1)煤烧变岩含水层水样共29组,综合利用统计分析、Piper三线图、Gibbs模型、混合模型等方法,分析研究区的水化学特征及其控制因素,确定了主要离子的来源,据此识别了各含水层的接触关系。结果表明:风化基岩和2^(-2)煤烧变岩含水层的TDS(溶解性总固体)接近,略低于基岩含水层的TDS,3^(-1)煤烧变岩含水层的TDS最高,基本呈现了随着含水层埋深的增大TDS逐步升高的趋势;风化基岩和2^(-2)煤烧变岩含水层阳离子以Ca^(2+)为主,基岩和3^(-1)煤烧变岩含水层阳离子以Na^(+)为主;风化基岩、2^(-2)煤烧变岩、3^(-1)煤烧变岩含水层阴离子均以HCO_(3)^(-)为主,而基岩含水层则以HCO_(3)^(-)和SO_(4)^(2-)为主;风化基岩、2^(-2)煤烧变岩、3^(-1)煤烧变岩含水层水化学类型主要为HCO_(3)^(-)Ca型、HCO_(3)^(-)Ca和HCO_(3)^(-)Ca·Mg型、HCO_(3)^(-)Ca和HCO_(3)^(-)Na·Mg;风化基岩和2^(-2)煤烧变岩含水层水化学成分主要受水岩作用控制,而基岩和3^(-1)煤烧变岩含水层水化学成分主要受到水岩作用以及浓缩作用的共同影响;3^(-1)煤烧变岩、基岩、风化基岩和2^(-2)煤烧变岩含水层主要离子分别来源于硅酸岩盐的溶解、硅酸盐岩和蒸发岩盐的溶解、硅酸盐岩和碳酸岩盐的风化溶解,同时各含水层地下水害发生了反向阳离子交换作用;风化基岩和2^(-2)煤烧变岩含水层离子组成接近,存在较强的水力联系,可能在局部存在直接接触关系,与3^(-1)煤烧变岩含水层离子组成有差别,风化基岩和2^(-2)煤烧变岩之间存在一定的阻隔层,且水力联系微弱。

基于电法CT和地震CT的烧变岩含水层帷幕注浆效果评价

烧变岩水害严重影响煤矿安全生产,采取帷幕注浆治理烧变岩水害是目前效果较好的方式。以柠条塔煤矿烧变岩水害帷幕注浆工程为例,采用钻探取心验证、高清视频、电法CT和地震CT手段,综合评价了烧变岩含水层的帷幕注浆效果。结果表明,5个取心检查孔中的4个在风化基岩段均见到水泥浆液充填薄层,J5孔在120.8~121.2 m烧变岩处见浆液充填,且检查孔施工过程中均未出现漏水、掉钻现象。高清视频结果显示,检查孔孔壁光滑,无明显裂隙,局部明显可见原地层裂隙被浆液充填密实,无残余裂隙。跨孔电阻率CT结果显示,注浆后地层电阻率明显升高,其中强风化砂岩的电阻率值升高最为明显;强风化层所对应的深度范围地层电阻率均提升2~4倍,所有剖面地层电阻率均明显有效提升。孔间地震CT结果显示,注浆前中、强风化层所对应的速度范围主要分布在1600~2800 m/s,且横向速度变化较大;注浆后速度范围集中在1800~3800 m/s,其中速度在1600~2000 m/s的范围明显缩小,且大部分区域速度均在2200 m/s以上。以上4种指标均反映了本次注浆工程的效果整体较好。研究成果可为类似条件下烧变岩水害治理工程的效果评价提供参考。

露天煤矿烧变岩层帷幕注浆截流技术研究

为了消除西湾露天煤矿东部端帮涌水威胁,基于矿区烧变岩地层水文地质分析结果,提出了端帮涌水帷幕注浆截流技术方案。从技术可行性、安全耐用性和经济可靠性3方面对帷幕带钻孔排数、注浆半径、钻孔间距等技术参数进行了对比分析,优选了最佳帷幕截流技术方案,确定了施工工艺流程,并对帷幕截流工程实践效果进行了监测分析,发现矿坑涌水量得到了有效控制。

河兴梁井田烧变岩区煤层顶底板稳定性评价

煤层自燃形成烧变岩是一种很普遍的现象,对烧变岩区煤层的研究不仅可以反演煤层演化的地质历史和古气候、古地理环境,而且可为评价煤层顶底板稳定性提供依据。通过对河兴梁井田烧变岩区煤层工程地质特征及结构特性进行研究,将区域地层划分为3大岩类7个岩层组,将岩体划分为散体结构、碎裂结构、层状结构和块状结构四大岩体结构类型。对煤层顶底板结构和力学性质的研究发现,张性裂隙及气孔状构造使煤层具有良好的储水空间,可采煤层顶底板中软弱岩石发育,烧变岩和岩石风化带工程地质条件差,局部地段易发生顶板冒落及底板软化变形等矿山工程地质问题,在后期矿井建设和生产中应加强井巷工程维护和煤层顶板管理,从而有效避免工程事故的发生。

柠条塔煤矿工作面顶板烧变岩水害防治技术应用

陕北侏罗纪煤田内的烧变岩水害严重威胁着矿井安全生产,对该类水害隐患的防治工作刻不容缓。为了探索在神府矿区煤层顶板烧变岩水害防治技术,验证现有技术手段的合理可行性,以柠条塔煤矿为例,采用地面钻探、注浆帷幕、截流分离的方法对S1233工作面2^(-2)煤层顶板1^(-2上)煤层烧变岩含水层水害进行防治。根据地面注浆后在工作面实施检查孔钻探、抽水试验、压水试验及孔间CT探测、水质化验等效果检验,结合注浆前后放水试验成果,分析认为柠条塔S1233工作面烧变岩水害防治技术科学有效,治理工程应用效果良好,可为后期矿井防治此类水害提供依据,也可为区内条件类似矿井的防治水工作提供借鉴。

露天矿烧变岩高边坡卸荷机理与稳定性研究

烧变岩裂隙发育、富水性强,严重威胁露天矿山采剥安全生产及其边坡稳定。为确定露天矿烧变岩高边坡隔水煤岩柱宽度,以新疆昌吉某露天矿北帮烧变岩高边坡为研究对象,通过构建坡体开挖卸荷的驼峰分布力学模型,将坡体卸荷松弛区域划分为拉裂区和压剪区两部分,分析了边坡后缘拉裂区裂隙的最大扩展深度;以卸荷松弛带宽度表征塑性剪切滑动面位置,推导了弹塑性条件下边坡浅表部破碎带与卸荷松弛带宽度的理论计算公式,进而确定了塑性滑动面位置及形态。结果表明:边坡后缘裂隙临界扩展深度随边坡倾角的增大而增大;卸荷松弛带宽度随岩石强度参数的增大而减小,随岩层埋深的增大而增大;北帮边坡后缘裂隙临界扩展深度为9.42 m,火烧区水位线处卸荷松弛带宽度为6.94 m;坡体潜在滑面安全系数均大于设计评价标准值;确定了北帮烧变岩高边坡的隔水煤岩柱留设安全宽度为36 m,为该矿的安全高效生产提供了技术保障。

烧变岩区露天煤矿保水开采效果模拟分析

煤矿露天开采会对邻近的烧变岩含水层产生强烈的扰动;以陕北某露天矿区为研究区,利用数值模型,模拟了不预留保水煤柱以及预留20、50、100 m煤柱条件下,研究区地下水流场和涌水量变化情况,评估了保水开采效果;进一步分析了开采过程中发生突涌水时,注浆帷幕的阻水效果。结果表明:煤矿开采对地下水的扰动随保水煤柱宽度增加而减小,预留100 m煤柱能使烧变岩涌水量减少86%,最大降深减少13 m左右,影响范围减小60%左右;注浆帷幕可以有效封堵集中涌水点,封堵后涌水量减小了90%左右,观测孔水位恢复了4 m左右,流场形态逐步恢复。

陕北烧变岩水−岩作用的劣化特性

鄂尔多斯盆地东北缘陕晋蒙交界地区存在大量煤火高温烘烤形成的烧变岩。与原岩相比,烧变后的岩体结构破碎孔隙发育,在长期水–岩作用下,形成了大量危岩体。以陕北神木大柳塔地区的烧变岩为对象,开展了50次干湿循环试验,测试不同循环次数后烧变岩物理性质与力学性质及其变化,探讨不同烧变程度烧变岩劣化特性。结果表明:烧变岩质量、硬度、力学性质下降,表面亮度降低,粗糙度与红黄色度增强;基于低场核磁共振技术(NMR)测试,烧变岩孔隙体积比例曲线右移,最大孔径扩张;微孔向大孔转化,大孔含量与总孔隙率升高;烧变作用使岩体孔隙发育,且提高了烧变岩的抗侵蚀能力,降低了色度、质量、粗糙度、硬度、力学性质的变化程度。长期水–岩作用可对烧变岩的物理力学性质与孔隙结构造成明显改变,烧变程度与初始孔隙结构能够影响劣化效果。根据研究不同烧变岩的劣化过程,得出加固低烧变程度岩体表面、加固沉积层理与原有裂隙、堵塞高烧变程度岩体孔隙,可降低水−岩作用的侵蚀破坏强度。

帷幕注浆在西湾露天煤矿烧变岩涌水治理中的应用

针对西湾露天煤矿烧变岩水害影响,通过物探、钻探勘查确定了烧变岩富水性,划分出烧变岩富水区,明确了矿坑充水条件,主要充水水源;结合露天矿生产情况提出采用骨料-黏土-水泥-速凝剂组成的柔性混凝土帷幕注浆封堵烧变岩水技术。结果表明:帷幕注浆在烧变岩涌水治理中取得了很好的效果,水量由461.19 m^(3)/h降至329.38 m^(3)/h,衰减明显,为安全生产提供了保障。

富水烧变岩边坡地下水渗透特性及稳定性分析研究

为研究富水烧变岩边坡地下水渗透特性及其稳定性,以某露天煤矿南端帮边坡为研究对象,采用SEEP/W分析了采动影响下富水烧变岩边坡地下水渗透特性,并基于地下水渗透特性,采用Slope/W对边坡稳定性进行了分析。结果表明:受采动影响,烧变岩边坡地下水渗透路径发生变化,地下水沿细砂岩层和砂岩层向前缘渗透,至坡体临空面附近逐渐向上部煤层台阶和细砂岩层台阶渗出,少量从砂岩层台阶渗出。随采深增加,两透水层渗透速度增加,坡体前缘流量增加,地下水接近临空面附近渗透速度迅速下降,砂岩层渗透速度跃变位置滞后于细砂岩层;倾角增加,透水层渗透速度增加;砂岩层地下水从坡脚附近渗出;受采动和地下水双重影响下边坡稳定性持续下降;地下水对边坡稳定性的影响大于采动对边坡稳定性的影响;随采深增加,地下水对边坡稳定性影响保持稳定,倾角增加,地下水对边坡稳定性影响增加。

高倾角烧变岩对新疆阜康矿区煤层气影响

新疆煤层气资源主要赋存在中下侏罗统,天山南北两侧的山前地带为主要富集区,主要区域准噶尔盆地南缘、塔里木盆地北缘、三塘湖煤田等,新疆准噶尔盆地南缘阜康矿区煤层气已经实现了煤层气产业化开发。本文对阜康矿区地层、构造、煤层、煤质、烧变岩、水文地质条件进行了分析,总结新疆阜康矿区煤层气赋存条件存在高倾角、烧变岩发育的等特殊性,使煤层气风化带埋深加大,煤储层非均质性加强,加大了煤层气经济开发的复杂性。

基于高密度电阻率法与瞬变电磁法的烧变岩层富水区探测

将军戈壁二号露天煤矿西部烧变岩发育情况复杂,为了深入了解烧变岩富水区发育情况,采用高密度电阻率法、瞬变电磁法在面积约7.5 km^(2)的研究区开展了扫面勘探工作;通过数据处理,分析了2种方法在研究区内烧变岩富水区的电性异常。结果表明:2种方法在B5煤层的低阻异常区域均显示了烧变岩的富水性。

烧变岩积水边界区回采工作面防治水技术研究

为解决红柳林煤矿4-2煤烧变岩积水边界区下覆15217工作面的安全回采问题,根据地面钻孔资料及野外水文地质调查工作,对工作面采前防治水探查工程进行了设计,依据探查成果和井下试验性疏放水情况,分析了钻孔疏放水量及地面烧变岩水位的变化规律,确定了工作面回采前烧变岩防治水技术方案。研究表明,对于烧变岩积水边界区,工作面采前可以采取大流量疏放水的技术方法,保障工作面安全生产。