桌子山煤田下組煤開采底板水害防治問(wèn)題及對(duì)策探討

楊志斌

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710054)

桌子山煤田主體位于烏海市境內(nèi)，鄂爾多斯盆地西緣北段毛烏素沙漠和巴丹吉林沙漠間的干旱氣候區(qū) (年均降雨量140mm，年均蒸發(fā)量3600mm，干旱指數(shù)12)［1］，地質(zhì)構(gòu)造屬于華北板塊的西北緣［2－5］，受秦嶺—祁連山構(gòu)造帶和西側(cè)阿拉善地塊長(zhǎng)期活動(dòng)的影響，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，形成以南北向逆斷層為主，東西向正斷層為輔的構(gòu)造格局，西北地區(qū)第一例巖溶陷落柱即在此構(gòu)造格局中形成［6－8］。煤田西以崗德爾西來(lái)峰逆斷層為界，東至桌子山，北側(cè)為千里山，向南延伸至寧夏境內(nèi)，以桌子山背斜軸為界，主采煤層為二疊系山西組9號(hào)煤 (上組煤)和石炭系太原組16號(hào)煤 (下組煤)。

截至2010年3月，整個(gè)煤田未對(duì)奧陶系做過(guò)專門的水文地質(zhì)勘探工作，對(duì)奧灰水文地質(zhì)條件研究不多，認(rèn)為奧灰富水性較差［9］，神華集團(tuán)平溝、駱駝山煤礦井底大巷即坐落在奧灰?guī)r中。2010年3月1日，駱駝山煤礦在16號(hào)煤+870m回風(fēng)大巷掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生了特大奧灰水突出事故，最大突水量達(dá)65000m3/h，暴露出奧灰水文地質(zhì)條件與先前研究結(jié)論嚴(yán)重不符，現(xiàn)有研究程度遠(yuǎn)不能滿足區(qū)內(nèi)礦井防治水工作需要。通過(guò)總結(jié)后續(xù)開展的奧灰水文地質(zhì)補(bǔ)勘及專項(xiàng)研究工作，指出區(qū)內(nèi)水害防治應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題給出了初步解決思路，制定了指導(dǎo)性的礦井水害防治對(duì)策，對(duì)桌子山煤田后續(xù)防治水研究的開展及防治水技術(shù)體系的形成具有重要意義。

1 煤系沉積基底含隔水層分布調(diào)查

研究區(qū)地層分區(qū)跨越華北地層西緣地層分區(qū)和鄂爾多斯地層分區(qū)，因長(zhǎng)期地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)影響，煤系沉積基底差異較大，不同層位與上覆石炭系假整合接觸。根據(jù)前人研究成果和近年來(lái)一系列奧灰水文地質(zhì)補(bǔ)勘及專項(xiàng)研究工作［10－11］，煤系沉積基底主要為奧陶系中統(tǒng)克里摩里組 (O2k)、桌子山組(O2Z)和震旦系長(zhǎng)城統(tǒng) (Z)，不同沉煤基底頂部巖層水文地質(zhì)性質(zhì)不同，滲流特性差異很大，詳見圖1及表1。

調(diào)查結(jié)果表明，克里摩里組沉煤基底厚度大于185.77m，巖性為黑色致密泥質(zhì)石灰?guī)r，局部夾泥巖，滲透性很差，可以作為開采16號(hào)煤防治底板奧灰水突出的隔水關(guān)鍵層加以利用。

圖1 桌子山煤田煤系沉積基底綜合地質(zhì)柱狀

表1 桌子山煤田煤系沉積基底頂部巖層水文地質(zhì)特性調(diào)查

桌子山組沉煤基底厚度大于186.19m，厚層灰?guī)r，為開采16號(hào)煤底板主要充水含水層，水壓高，水量豐富，富水性及滲透性極不均一，原始導(dǎo)升帶高度最大達(dá)51.8m，對(duì)16號(hào)煤帶壓開采構(gòu)成重大突水威脅。

震旦系長(zhǎng)城統(tǒng)沉煤基底直接與煤系假整合接觸，剖面缺失整個(gè)下古生界，厚度大于100m，巖性為灰白色、肉紅色及紫色石英砂巖，局部夾礫石層，滲透性很差，為隔水性能良好的隔水層，16號(hào)煤開采不存在底板水害問(wèn)題。

2 構(gòu)造控水特征調(diào)查

巖溶作用除與可溶巖巖性有關(guān)外，還與構(gòu)造作用有關(guān)，構(gòu)造不僅影響巖溶發(fā)育程度，而且影響巖溶發(fā)育方位。鄂爾多斯盆地西緣構(gòu)造帶屬分隔中國(guó)東部和西部?jī)纱筇卣髅黠@不同構(gòu)造域的南北構(gòu)造帶的北段，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)明顯，研究區(qū)處于其北段，中生代形成的斷裂構(gòu)造在新生代多被活化，為巖溶發(fā)育和地下水儲(chǔ)移提供了良好空間和通道。

對(duì)研究區(qū)奧灰?guī)r溶水源井分布位置調(diào)查結(jié)果表明，水源井多分布在東西向正斷層和南北向逆斷層交匯的斷裂破碎帶，棋盤井第一、第二水源地即位于棋盤井逆斷層、苛烏素逆斷層與兩者之間東西向正斷層交匯的斷裂破碎帶上，單井出水量在1200m3/d以上，棋盤井第三水源地則沿黑龍貴逆斷層與兩側(cè)東西向正斷層交匯的斷裂破碎帶位置布置，單井出水量在2000m3/d以上;分布在非斷裂破碎帶位置的水源井單井出水量一般在240m3/d以下。

對(duì)神華集團(tuán)3對(duì)礦井9起奧灰突水事故調(diào)查結(jié)果表明，地質(zhì)構(gòu)造與井下奧灰突水點(diǎn)位置聯(lián)系緊密，是礦井的主要突水通道，見表2.

表2 神華集團(tuán)3對(duì)礦井井下主要奧灰突水點(diǎn)情況統(tǒng)計(jì)

3 存在的主要防治水問(wèn)題

基于研究區(qū)煤系沉積基底含隔水層分布及構(gòu)造控水特征調(diào)查，結(jié)合以往相關(guān)研究成果，研究認(rèn)為桌子山煤田存在的主要防治水問(wèn)題有:

(1)沉煤基底地質(zhì)成因研究不足 針對(duì)煤系沉積基底差異，在區(qū)內(nèi)開展了多次專項(xiàng)調(diào)查研究工作，但研究結(jié)果不能完全滿足生產(chǎn)實(shí)際需要。如奧陶系雖不如中央隆起以東的華北海沉積旋回明顯，但也經(jīng)歷了鄂爾多斯盆地邊緣沉積相的演化，奧陶系不同殘留層位為煤系沉積基底，而據(jù)棋盤井煤礦東區(qū)奧灰水文地質(zhì)補(bǔ)勘，煤系沉積基底為震旦系長(zhǎng)城統(tǒng)，剖面缺失整個(gè)下古生界 (寒武系、奧陶系、志留系)。不同的沉煤基底決定16號(hào)煤開采底板水害防治技術(shù)體系的構(gòu)建，需繼續(xù)開展區(qū)內(nèi)沉煤基底地質(zhì)成因研究工作。

(2)構(gòu)造控水機(jī)理研究不足 調(diào)查結(jié)果表明研究區(qū)構(gòu)造控水特征明顯，但構(gòu)造如何對(duì)地下水的賦存和運(yùn)動(dòng)的控制作用及其規(guī)律研究明顯不足，無(wú)法預(yù)測(cè)構(gòu)造突水災(zāi)害的發(fā)生，如巖溶陷落柱的發(fā)育一般受區(qū)域性一、二級(jí)大構(gòu)造和局部三級(jí)小構(gòu)造控制，而造成駱駝山煤礦“3.1”特大奧灰水突出事故發(fā)生的西北地區(qū)第一例巖溶陷落柱既非受煤田區(qū)域性大構(gòu)造控制，也非受礦區(qū)局部小構(gòu)造控制，該巖溶陷落柱沿古地下水強(qiáng)徑流帶發(fā)育于煤田淺部，后被煤系所覆蓋，受煤層構(gòu)造影響較小。

(3)含導(dǎo)水構(gòu)造精細(xì)探查程度研究不足 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，區(qū)內(nèi)以往探查含導(dǎo)水構(gòu)造多采用地面瞬變電磁結(jié)合井下鉆探，一方面因?yàn)榈孛嫠沧冸姶艑?duì)埋深較大、體積較小的含導(dǎo)水構(gòu)造較難準(zhǔn)確反映且易受地面各種因素干擾，另一方面僅憑鉆探“一鉆之見”雖更為直觀，但存在打偏、漏掉的可能，且鉆探周期和成本均較高。運(yùn)用瑞利波和直流電超前探對(duì)巷道前方、音頻電透視和直流電測(cè)深對(duì)工作面和巷道底板、槽波和坑透對(duì)工作面內(nèi)部的含導(dǎo)水構(gòu)造精細(xì)探查結(jié)合井下鉆探驗(yàn)證是區(qū)內(nèi)防治水工作的重點(diǎn)，不僅可以大幅降低鉆探周期和成本，還可通過(guò)各種礦井水文物探技術(shù)的對(duì)比得到適應(yīng)本區(qū)的異常區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)和假異常的剔除方法，提高區(qū)內(nèi)含導(dǎo)水構(gòu)造精細(xì)探查精度。

(4)有效隔水層厚度分布規(guī)律研究不足 首先，研究區(qū)缺少底板采動(dòng)破壞深度的試驗(yàn)觀測(cè)研究，目前區(qū)內(nèi)只能依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)進(jìn)行預(yù)計(jì)［12－16］，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試采對(duì)煤層底板采動(dòng)破壞帶深度進(jìn)行研究;其次，奧灰水導(dǎo)升帶發(fā)育高度及分布情況不明，因駱駝山煤礦“3.1”特大奧灰水突出事故發(fā)生以來(lái)16號(hào)煤尚未進(jìn)行帶壓開采，從地面到奧灰頂部距離太深，致使物探儀器探查奧灰水導(dǎo)升帶發(fā)育高度受到一定限制［17－18］，可采用統(tǒng)計(jì)分析和鉆孔探測(cè)方法研究奧灰水導(dǎo)升帶發(fā)育高度及分布情況;第三，未開展底板有效隔水層阻水能力測(cè)試研究，有效隔水層帶是決定煤層底板阻水能力及安全性預(yù)測(cè)的關(guān)鍵帶，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可獲取高壓水對(duì)底板巖體起作用的各類實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、原始地應(yīng)力及其對(duì)底板阻水能力的影響等資料，如水力壓裂試驗(yàn)［19］。

4 防治水對(duì)策探討

根據(jù)研究區(qū)存在的主要防治水問(wèn)題，結(jié)合以往相關(guān)研究成果，制定桌子山煤田下組煤開采底板水害防治對(duì)策如下:

(1)利用研究區(qū)奧灰?guī)r溶水源地及井下奧灰出水點(diǎn)長(zhǎng)期疏水形成的奧灰水位自然降幅，建立井下獨(dú)立奧灰水排水系統(tǒng)，將井下奧灰水排至地面供水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)奧灰水疏供結(jié)合，使得區(qū)內(nèi)帶壓面積及帶壓程度逐年降低。

(2)建立地面注漿站，對(duì)底板帶壓程度較高且存在奧灰突水危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行含 (隔)水層注漿改造與加固，增強(qiáng)底板隔水層抗突水和阻抗水壓的能力。

(3)建立健全礦井水害預(yù)警系統(tǒng)和排水系統(tǒng)，確保礦井具備一定的防災(zāi)抗災(zāi)能力。

(4)開展防治水專項(xiàng)研究工作，如沉煤基底地質(zhì)成因、構(gòu)造控水機(jī)理、含導(dǎo)水構(gòu)造精細(xì)探查程度、有效隔水層厚度分布規(guī)律等，以解決區(qū)內(nèi)主要防治水問(wèn)題。

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