深部侏羅系煤層頂板水害源頭防控關(guān)鍵技術(shù)

深部侏羅系煤層頂板水害源頭防控關(guān)鍵技術(shù)

鄂爾多斯盆地侏羅紀煤層頂板的洪水已成為國內(nèi)外學者的研究重點。武強以往這些對于蒙陜礦區(qū)深部侏羅系煤層頂板水害防治研究主要立足于單一工作面、常規(guī)鉆孔的過程治理方式,主要是通過將含水層中的地下水通過鉆孔預疏放至安全水頭以下,以實現(xiàn)具體工作面的安全開采。但是,在過古河道動態(tài)補給水量較大,且有穩(wěn)定補給水源的情況下,采取上述方法,采后工作面水量依然很大,無法保障工作面的正?；夭?。面對上述復雜、嚴峻的水害形勢,筆者在前人研究的基礎(chǔ)上,通過多年的研究與工程實踐,從源頭預防與超前治理的角度提出深埋侏羅系煤層頂板水害防治的關(guān)鍵技術(shù),力求在查清研究區(qū)沉積控水規(guī)律與涌(突)水危險性分區(qū)的基礎(chǔ)上,對礦井采掘布局進行調(diào)整與優(yōu)化,達到通過先期工作面或采區(qū)的防治水工程解決或緩解后續(xù)工作面或采區(qū)現(xiàn)階段面臨的頂板水害問題,從而為蒙陜礦區(qū)深埋侏羅系煤層頂板水害防治提供一種更為科學、合理與有效的方法。頂板砂巖水害鄂爾多斯盆地蒙陜接壤區(qū)的呼吉爾特礦區(qū)、納林河礦區(qū)與榆橫礦區(qū)煤炭資源儲量巨大,煤質(zhì)優(yōu)良,為新近開發(fā)的深部礦井。近年來隨著該地區(qū)生產(chǎn)規(guī)模的擴大,頂板砂巖水害問題也日漸凸顯。目前,該地區(qū)礦井生產(chǎn)中存在的水害問題主要有兩個方面:一是工作面俯采段內(nèi)采場落地水量大、煤水混雜針對上述問題,根據(jù)新版《煤礦防治水細則》的最新要求,按照礦井水害由事故處置向超前治理、過程治理向源頭預防轉(zhuǎn)變的防治原則關(guān)鍵技術(shù)中期沉積特征與我國東部的石炭—二疊系聚煤盆地不同,西部的鄂爾多斯侏羅系聚煤盆地為發(fā)育于中晚三疊世至早白堊世穩(wěn)定克拉通盆地之上的一套完整的河流-湖泊相的陸源碎屑巖沉積建造,內(nèi)部構(gòu)造活動較為微弱,沉積環(huán)境是控制蒙陜礦區(qū)侏羅系地層中含(隔)水層分布的重要因素研究表明,蒙陜礦區(qū)深部礦井主要受煤層頂板延安組三段中—細粒砂巖含水層與直羅組一段中—粗粒砂巖含水層的威脅。該兩段含水層由于成巖期較晚,砂巖成熟度較低,結(jié)構(gòu)疏松,孔隙較為發(fā)育通過系統(tǒng)對比典型礦井鉆孔巖芯資料與測井相標志,結(jié)合區(qū)域沉積特征,將蒙陜礦區(qū)深部侏羅系地層劃分為延安組三段、直羅組一段與二段3個中期旋回,如圖3所示。延安組三段主要發(fā)育湖泊三角洲平原亞相沉積,多表現(xiàn)為基準面下降為主的非對稱旋回特征,其中起骨架作用的是分流河道沉積,該段砂體主要以細砂巖為主,分選性一般,在剖面上一般呈透鏡狀,地下水賦存空間較差。蒙陜礦區(qū)典型礦井工作面井下疏放水實踐結(jié)果表明(圖4),鉆孔垂高0～40m段即延安組三段,鉆孔涌水量普遍較小,表明以三角洲平原為主要沉積環(huán)境的延安組三段中—細粒砂巖含水層富水性相對較弱。直羅組一段下部為辮狀河沉積,向上過渡為曲流河沉積,表現(xiàn)為基準面上升為主的非對稱旋回特征,對下部煤層影響較大的砂巖含水層主要發(fā)育在直羅組一段下部的河道砂壩微相內(nèi),該含水層由多個河道砂體連續(xù)疊置而成,連通性較好,空間展布穩(wěn)定,地下水賦存空間較好。由圖4可知,鉆孔垂高40～120m段即直羅組一段,鉆孔涌水量顯著增大,表明以辮狀河相為主要沉積環(huán)境的直羅組一段中—粗粒砂巖含水層富水性相對較強。直羅組二段主要發(fā)育曲流河沉積,表現(xiàn)為基準面上升復下降的非對稱旋回特征,該時期主要發(fā)育河漫灘沉積,河道砂壩一般呈透鏡狀,連通性較差,不利于地下水的賦存與徑流。不同沉積環(huán)境的砂體有不同的物性特征,沉積環(huán)境是控制含水層水理性質(zhì)與富水規(guī)律的重要因素。因此,本研究以鄂爾多斯侏羅系聚煤盆地沉積地層格架為基礎(chǔ),通過沉積地質(zhì)學與水文地質(zhì)學的學科交叉研究,對位于蒙陜礦區(qū)典型礦井的侏羅系地層沉積相類型進行詳細劃分,并利用沉積相類型及分布從成因上分析含(隔)水層的空間展布規(guī)律與富水性分布規(guī)律。導水裂隙帶發(fā)育高度對頂板含水層涌突水風險相對較大的區(qū)域?其提出了“三圖”的基礎(chǔ)針對深部侏羅系礦井煤層厚度變化較大、頂板含(隔)水層交互成層的特點,為了刻畫開采后導水裂隙帶的發(fā)育高度對頂板含水層涌(突)水的影響,即導水裂隙帶擾動破壞砂巖含水層距離較大同時富水性相對較強的區(qū)域,其涌(突)水風險相對較大的原則,本文在傳統(tǒng)的“三圖法”基礎(chǔ)上工作面截流方案針對蒙陜礦區(qū)深部侏羅系礦井現(xiàn)階段采前無法安全掘進與回采,采后采場落地水量大、煤水混雜等問題,在煤層頂板涌(突)水危險性分區(qū)評價的基礎(chǔ)上,通過將采掘布局優(yōu)化與長、短鉆靶向追蹤探放相結(jié)合,按照“斷源截流、集中疏排、源頭預防、超前治理”的思路,根據(jù)涌(突)水風險分區(qū)評價結(jié)果與地下水徑流方向,調(diào)整與優(yōu)化礦井采掘布局,達到通過先期工作面的地下水截流工程減緩后續(xù)工作面水害的目的,其中在先期工作面的地下水截流方法上,如果頂板砂巖含水層在平面上呈條帶狀,在剖面上成層性較好,可選擇長距離定向鉆機沿砂巖條帶進行順層追蹤、靶向疏放地下水,反之,如果砂巖含水層在平面上呈透鏡狀,可選擇常規(guī)鉆機進行探放水。因此,根據(jù)上述思路,將地下水截流治理模式分為上行開采低位截流、工作面單側(cè)截流、工作面雙側(cè)截流與工作面方向調(diào)整截流4種模式。(1)下行低頻截流模式針對蒙陜礦區(qū)深部侏羅系礦井上部煤層距離強含水層較近,無法安全掘進與回采的問題,提出實行上、下煤層聯(lián)合開采的上行開采低位截流方法。通過合理的采掘布局,在礦井上部煤層缺失或較薄無法開采區(qū)域,先采下部煤層,通過采前的疏放水與采后采空區(qū)涌水對頂板含水層進行“超前預疏放”,降低含水層的水壓與水量,從而掩護后續(xù)上部煤層的安全掘進與回采,以實現(xiàn)上、下煤層開采過程中涌水量的協(xié)同控制,如圖6所示。(2)方向工作面采前控油對于尚未開采的采區(qū),在已查明地下水徑流方向的情況下,優(yōu)先布置來水方向工作面作為采區(qū)首采工作面,采前利用常規(guī)鉆孔或長距離定向鉆對砂巖透鏡體或砂巖條帶進行靶向預疏放,或者采后利用采空區(qū)作為截水廊道,從而大幅度減少后續(xù)工作面涌水量,減緩采場煤水混雜的局面,如圖7所示。(3)長6月煤水分離式開采方案對于尚未查清地下水徑流方向的采區(qū),沿著砂巖條帶展布方向或者涌(突)水風險較大的長軸分區(qū)方向,通過合理的采掘布局設(shè)計,優(yōu)先布置采區(qū)兩側(cè)工作面,形成采區(qū)兩側(cè)跳采局面,采前利用常規(guī)鉆孔或定向鉆孔以及采后利用采空區(qū)作為疏水廊道進行截流,從而減少采區(qū)內(nèi)部后續(xù)工作面的涌水量,實現(xiàn)頂板水的截流疏導與煤水分離,如圖8所示。(4)工作面方向調(diào)整截流模式對于原設(shè)計工作面回采方向與砂巖條帶展布方向或涌(突)水風險較大的長軸分區(qū)方向平行的采區(qū),優(yōu)化調(diào)整后續(xù)工作面的回采方向,使工作面回采方向與地下水徑流方向或砂巖條帶展布方向盡可能垂直或形成夾角,從而達到更好的斷源截流與分區(qū)治理的目的,如圖9所示。工程應用杜柴登煤礦研究區(qū)為位于鄂爾多斯市呼吉爾特礦區(qū)的門克慶煤礦與母杜柴登煤礦,如圖10所示。其中門克慶礦井設(shè)計生產(chǎn)能力12.0Mt/a,第1水平(+580.5m水平)的11采區(qū)作為礦井開采首采區(qū),原計劃主采首采區(qū)南翼3沉積環(huán)境對含水層的富水性影響地層厚度隨地層厚度的變化研究區(qū)主要充水含水層為3通過對延安組三段和直羅組一段進行全區(qū)對比(圖12)可以看出,區(qū)內(nèi)地層厚度分布穩(wěn)定,延安組三段地層厚度介于8.96～115.87m,平均厚度51.77m,砂體厚度介于0～75.2m,平均厚度22.93m;直羅組一段地層厚度介于11.38～155.7m,平均厚度91.29m,砂體厚度介于0～151.36m,平均厚度50.82m。全區(qū)地層厚度分布與砂體厚度分布的趨勢基本一致,延安組三段主要呈北厚南薄的趨勢,而直羅組一段主要呈南厚北薄的趨勢。分流河流相演變通過利用研究區(qū)中期基準面旋回中的砂地比值,結(jié)合地層厚度、砂巖厚度、沉積基底特征及單井、連井的沉積微相展布,恢復了研究區(qū)延安組三段、直羅組一段與二段的沉積相展布,如圖13所示。研究區(qū)延安組三段時期為三角洲平原向河流相演變,可容納空間與沉積物供給速率比值較小的條件下形成的,主要發(fā)育有三角洲平原亞相中的分流河道與分流間灣微相,其中分流河道微相為西北向東南展布,是地下水賦存空間相對較好的區(qū)域,呈西北向東南方向展布,主要分布在門克慶礦井南部和母杜柴登礦井大部分地區(qū)。直羅組一段主要發(fā)育河道砂壩與泛濫平原(河漫灘)微相,其中河道砂壩微相主要分布在研究區(qū)的中部和南部,該時期可容納空間較小,水動力條件較強,多期河道砂體連續(xù)疊置呈片狀,是研究區(qū)充水含水層的主要賦存空間。直羅組二段主要發(fā)育河道砂壩和河漫灘微相,其中河道砂巖主要分布在研究區(qū)南部,由西向東方向展布,盡管部分細砂巖具有一定的厚度,但是連通性一般,儲水空間有限。頂板含水層控水規(guī)律研究區(qū)為門克慶煤礦首采區(qū),結(jié)合母杜柴登煤礦,通過對研究區(qū)區(qū)域煤層頂板延安組三段、直羅組一段與二段沉積控水規(guī)律的分析,延安組三段與直羅組一段砂巖厚度較厚,空間展布穩(wěn)定,是礦井的主要充水含水層;直羅組二段以河漫灘相的粉砂巖與泥巖為主,砂巖呈透鏡狀分布其中,且與3杜柴登礦井北部古河道分布由圖15可知,涌(突)水危險區(qū)主要分布在研究區(qū)的南部,主要呈東西向展布;同時根據(jù)前文沉積控水規(guī)律可知,門克慶礦井南部與母杜柴登礦井北部大部分區(qū)域主要為古河道分布區(qū)。因此,根據(jù)首采工作面單側(cè)截流治理模式,將研究區(qū)首采工作面布置在南翼西側(cè),即11-3101工作面,通過采前預疏放與采后采空自流疏放,降低直羅組一段含水層的水量與水壓,從而減少研究區(qū)東側(cè)后續(xù)工作面的涌水量,減緩工作面采場煤水混雜的復雜局面。同時,根據(jù)門克慶礦井的采掘接續(xù)計劃,為了達到12.0Mt/a設(shè)計生產(chǎn)能力,在主采3深部侏羅系礦井的涌突水風險分區(qū)評價(1)頂板水害源頭防控的技術(shù)路線是在對礦井主要充水含水層沉積特征與富水規(guī)律分析基礎(chǔ)上,通過礦井涌(突)水風險分區(qū)評價研究,圈定出頂板水害區(qū)域防控的重點“靶區(qū)”,繼而建立基于礦井采掘布局優(yōu)化與長、短鉆結(jié)合的靶向追蹤探放的地下水截流治理模式,從而形成一套符合深部侏羅系礦井的頂板水害源頭防控關(guān)鍵技術(shù)。(2)通過系統(tǒng)對比測井相標志與鉆孔巖芯巖石學標志,應用沉積控水規(guī)律,分析了含(隔)水層在空間的展布規(guī)律與富水性分布規(guī)律。并