陕西省煤矿典型水灾隐患特征及治理技术

陕西省煤炭资源丰富,2022年煤炭产量达7.46亿t,是我国主要产煤省份之一。由于全省煤矿区地质及水文地质条件差异明显,煤矿水灾类型多样,随着近年煤炭开采强度的增大,水灾事故时有发生,防治水形势较为严峻。以煤炭赋存条件为基础,系统总结区域水文地质结构特征,界定典型水灾类型及各类水灾影响区域分布,论述典型水灾的形成机理及特征,并提出了相应的防控技术。研究表明:(1)陕西省主要煤炭产区分为陕北、黄陇、渭北三大区,陕北侏罗纪煤田主要有顶板松散沙层水灾隐患、厚层砂岩水灾隐患、溃水溃沙灾害,局部区域分布有烧变岩对煤矿造成水灾隐患;黄陇煤田主要受顶板巨厚砂岩水灾隐患、离层溃水隐患、泥砂溃涌灾害隐患威胁;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,主要受到煤层底板奥陶系灰岩水灾隐患威胁。(2)陕北侏罗系煤田顶板水灾隐患主要为顶板含水层受开采导水裂隙带扰动形成,导水裂隙波及砂岩含水层或松散沙层可形成持续大流量涌水,部分区域充水强度较大,在短时间水量较大超过排水系统能力时造成顶板水灾,在薄基岩区域垮落带直接导通松散沙层时可转变为溃水溃沙灾害,导水裂隙带影响到烧变岩富水区域时可形成瞬时水量大且持续的烧变岩水灾;黄陇煤田顶板巨厚砂岩含水层受采动导水裂隙带波及形成高强度持续涌水并可能形成顶板水灾,当含水层下部隔水层厚度较大时,可能形成离层溃水灾害,当近煤层顶板岩层松软遇水易崩解时可转变为泥砂溃涌灾害;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,煤层开采底板扰动破坏带或断层等构造导通奥陶系灰岩含水层时,会引发极为严重的底板突水灾害,该类灾害具突发性强、瞬时水量大的特征。(3)各区域的顶板水灾隐患治理技术主要包括钻孔疏泄、注浆治理、开采参数控制等,底板水灾隐患治理技术主要包括区域注浆加固及封堵等;烧变岩水灾隐患主要采取帷幕注浆与钻孔探放有机结合的防治技术。

柠条塔煤矿水文地质结构特征与水害治理模式研究

随着西部煤炭资源的持续高强度开采,矿山所面临的工程与水文地质条件越来越复杂,极易诱发采掘突水溃砂事故,而水文地质结构特征的研究是水害评价和治理的重要基础性工作。本文以陕北榆神府矿区的柠条塔煤矿为例,在对其地质条件和构造发育情况进行系统分析的基础上,从矿区的补给、径流、排泄条件,主要充水水源,矿体与含水层的空间结构关系三个方面对矿山的水文地质结构特征进行了研究。研究发现,地表浅部松散层主要接受大气降水补给,基岩风化带含水层主要接受侧向径流补给。矿井充水水源包括大气降水、地表水、含水层水、老空水和烧变岩水五种,不同煤层根据其埋深、开采厚度、冒裂带发育高度等的不同具有不同的充水水源。基于对矿山水文地质结构特征的分析,认为火烧区下部2-2煤层回采工作面可能存在突水溃砂风险,并设计了两排帷幕注浆孔。注浆治理工程完成后的放水试验结果表明,烧变岩含水层补给量大幅度减小,治理效果显著,可以保障煤层的安全开采,研究成果对榆神府矿区的矿井水害防治及水资源保护具有一定的理论意义和实践意义。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

瞬变电磁法和磁法在煤矿烧变岩富水区探查中的应用

陕西神木神府矿区某煤矿3-2煤层两工作面掘进及回采前煤层顶板主要含水层含/富水情况不详、上覆煤层烧变区边界及烧变岩富水情况不明,严重影响采掘安全。在磁法探查烧变区边界基础上综合瞬变电磁法探测成果,解释煤层烧变区富水区,取得了较好成效,为保障煤矿后期的安全生产提供了物探依据。

典型高强度开采矿区保水采煤关键技术与实践

神东矿区是我国重要的煤炭生产基地和典型的高强度开采矿区,同时也是我国典型的干旱半干旱生态环境脆弱区,矿区高强度煤炭生产与生态环境的协调发展是该区的重要研究课题。针对神东矿区干旱半干旱地区水资源贫乏、生态环境脆弱等特点,通过研究矿区水文地质结构特征、煤层覆岩结构类型等,提出了矿区的水文地质结构分区和保水采煤分区;以此为基础,针对不同的水文地质结构类型,提出了神东矿区的保水采煤的基本原则,以及矿区重要水源地、厚基岩含水层、烧变岩含水层、水资源转移存贮、矿井水资源化利用等保水采煤的关键技术;最后,结合典型矿井,开展了上述关键技术的现场工程实践,并取得了良好的应用效果。

烧变岩富水特征与采动水量损失预计

烧变岩含水层是榆神府矿区重要的生态水源。为研究采煤引起的烧变岩水量损失和烧变岩水保护问题,分析了烧变岩的分类、分布特征、水力联系和富水特征,运用数值模拟方法预计了采动引起的烧变岩水量损失,提出了烧变岩水"异地储存"的三种途径。研究表明:烧变岩可分为三大类五小类,烧结岩、类熔岩是主要储水载体;烧变岩分布受地形控制,规模受煤厚、出露高度和自燃条件影响,富水性受补给条件、排泄条件和储水条件决定;烧变岩含水层接受上覆含水层的补给,以泉和矿井疏放水的形式进行排泄;模拟得到需要疏放的烧变岩含水层水量和钻孔布设方案。在总结以往保水采煤经验基础上,提出采用水库储水、采空区储水和地表灌溉三种"异地储存"途径来保护利用烧变岩水资源。

榆神矿区烧变岩水害防治技术

烧变岩含水层是榆神矿区东部浅埋煤层开采的主要水害威胁。通过分析地质勘探和井巷工程揭露资料,揭示了烧变岩含水层富水性受裂隙孔隙发育情况和补径排条件控制、顺层富水性不均一的典型特征,提出基于含水层空间结构和积水情况的'综合探查、以防为主、分区防治'的烧变岩水害防治技术。应用物探、钻探等综合探查手段查明烧变岩微裂隙孔隙弱含水区和孔洞裂隙积水区的范围,对烧变岩微裂隙孔隙弱含水区,仅需留设维持巷道稳定的窄小护帮煤柱;对烧变岩孔洞裂隙积水区,提出砌筑防水闸墙和留设防隔水煤柱方案。在留设10 m切眼护帮煤柱和43 m防隔水煤柱后,榆神一期规划区某矿2301大采高工作面实现了烧变岩含水层水资源保护基础上的安全开采。

神府矿区大型水库旁烧变岩水保水开采技术研究

神府矿区是我国重要的煤炭生产基地和典型的高强度开采矿区,同时也是我国典型的干旱半干旱生态环境脆弱区,烧变岩水是区内的主要地下水资源之一。为研究区内烧变岩水对采煤的影响和烧变岩水的保护问题,以张家峁井田首采区首采地段5^(-2)煤开采为例,通过对水文地质结构系统和5^(-2)煤顶板导水裂隙带的分析,查明了研究区的水资源类型和特征,确立了5^(-2)煤保水开采对象,划分了5^(-2)煤保水开采分区,提出了烧变岩注浆帷幕截流保水开采新技术。研究结果表明:研究区的水资源类型主要有6类,其中仅有4^(-2)煤烧变岩水具有保水开采意义,5^(-2)煤开采划分为4^(-2)煤烧变岩水无水开采区和保水限采区。5^(-2)煤保水限采区设计的帷幕墙空间形态、帷幕线位置及数量、注浆钻孔排间距及结构合理,制定的钻探和注浆施工工序和工艺科学,实施的双位双向引流注浆、烧变岩全断面分区注浆、防渗截流效果即时检验等注浆帷幕关键技术可行。保水限采区5^(-2)煤工作面采前上覆4^(-2)煤烧变岩水预疏放和采后工作面涌水量实测结果表明,保水限采区内4^(-2)煤烧变岩水静储量约20 000 m^3,动态补给量不足5 m^3/h,注浆帷幕截流实现了帷幕内外4^(-2)煤烧变岩水的有效隔离,大幅减少了4^(-2)煤烧变岩水及与其有直接水力联系的常家沟水库水的排放,水资源保护性开采效果显著。

定向长钻孔超前疏放顶板水技术在枣泉煤矿的应用

枣泉煤矿是我国西北侏罗系顶板裂隙水害典型代表矿井,主要受顶板直罗组砂岩含水层威胁,且存在大量烧变岩水,严重影响矿井正常生产。为了解决常规钻孔疏放顶板水时存在的施工工期和疏放周期长等问题,在11202工作面形成前,采用随钻测量定向钻进技术施工的定向长钻孔及分支孔对顶板直罗组砂岩含水层和烧变岩水进行了超前疏放,共完成4个定向长钻孔和5个分支孔,总进尺2589m,最大钻孔深度603m,单孔最大瞬时放水量64.8m^3/h,疏放周期三个月时共放水57440m^3,解除了顶板水害隐患,减少了工作面准备时间,确保了巷道掘进和工作面回采的安全。

榆神矿区的供水水源选择

矿区开发的初期用水可以利用烧变岩地下水 ,日供水能力约为 6万～ 7万m3 /d ,中长期供水选择矿区外围的第四系萨拉乌苏组和洛河组地下水。同时 ,矿井水可以通过自然下渗后补给地下水 ,丰富地下水资源 ,保证矿区开发用水和保护环境。

柠条塔井田南翼隐伏火烧区特征及富水性评价

煤层火烧区在我国西部煤炭区大面积分布,当火烧区内烧变岩含水层与其他含水层有较强水力联系时,会对煤矿安全开采构成严重威胁。以柠条塔井田南翼东南角1^(-2)上煤隐伏火烧区为例,基于以往各类水文地质资料,恢复了保德组沉积前古地形并分析了隐伏火烧区地层特征和补径排水文地质特征;采用因子分析法提取了反映隐伏火烧区含水层的富水性特征因子,通过GIS空间叠加方式得到隐伏火烧区复合含水层富水性综合分区。结果表明:1^(-2)上煤层自燃时代为早白垩世末至上新世期间,古冲沟的发育为煤层的自燃和烧变岩的形成提供了有利条件;隐伏火烧区内烧变岩含水层和风化基岩含水层基本连为一体,构成统一含水层;1^(-2)上煤覆岩组合关系可分为3类:即烧变岩-风化基岩、煤层-烧变岩-风化基岩、煤层-烧变岩-正常基岩-风化基岩组合;强富水性区主要分布于火烧区的北部与西部小范围内,中等富水性区沿北西-南东向呈带状分布于火烧区内,隐伏火烧区东部及北部区域富水性相对较弱,弱富水性区域均分布于隐伏火烧区外。与井下探放水钻孔涌水量对比,该富水性分区评价结果与实际吻合较好。

神府矿区活鸡兔矿井烧变岩水害防治工程研究

活鸡免矿井是神木北部矿区首批建设的现代化煤矿之一,于2000年12月投产,生产原煤800万t/a。由于该矿井范围内煤层上部(垂距21～30m)赋存有10.97km2的烧变岩裂隙含水层,其静储量高达130万m3,单孔涌水量可达2000m3/d,对煤矿的安全开采构成了巨大威胁。同时,烧变岩裂隙水又是可供矿区开发利用的宝贵水资源,为消除水害隐患及合理利用地下水资源,采用了钻孔泄水方式将烧变岩裂隙水引入矿区供水系统,既保证了矿井的安全生产,又取得了巨大的经济效益与环境效益。