深部侏罗系煤层顶板水害源头防控关键技术

深部侏罗系煤层顶板水害源头防控关键技术

鄂尔多斯盆地侏罗纪煤层顶板的洪水已成为国内外学者的研究重点。武强以往这些对于蒙陕矿区深部侏罗系煤层顶板水害防治研究主要立足于单一工作面、常规钻孔的过程治理方式,主要是通过将含水层中的地下水通过钻孔预疏放至安全水头以下,以实现具体工作面的安全开采。但是,在过古河道动态补给水量较大,且有稳定补给水源的情况下,采取上述方法,采后工作面水量依然很大,无法保障工作面的正常回采。面对上述复杂、严峻的水害形势,笔者在前人研究的基础上,通过多年的研究与工程实践,从源头预防与超前治理的角度提出深埋侏罗系煤层顶板水害防治的关键技术,力求在查清研究区沉积控水规律与涌(突)水危险性分区的基础上,对矿井采掘布局进行调整与优化,达到通过先期工作面或采区的防治水工程解决或缓解后续工作面或采区现阶段面临的顶板水害问题,从而为蒙陕矿区深埋侏罗系煤层顶板水害防治提供一种更为科学、合理与有效的方法。顶板砂岩水害鄂尔多斯盆地蒙陕接壤区的呼吉尔特矿区、纳林河矿区与榆横矿区煤炭资源储量巨大,煤质优良,为新近开发的深部矿井。近年来随着该地区生产规模的扩大,顶板砂岩水害问题也日渐凸显。目前,该地区矿井生产中存在的水害问题主要有两个方面:一是工作面俯采段内采场落地水量大、煤水混杂针对上述问题,根据新版《煤矿防治水细则》的最新要求,按照矿井水害由事故处置向超前治理、过程治理向源头预防转变的防治原则关键技术中期沉积特征与我国东部的石炭—二叠系聚煤盆地不同,西部的鄂尔多斯侏罗系聚煤盆地为发育于中晚三叠世至早白垩世稳定克拉通盆地之上的一套完整的河流-湖泊相的陆源碎屑岩沉积建造,内部构造活动较为微弱,沉积环境是控制蒙陕矿区侏罗系地层中含(隔)水层分布的重要因素研究表明,蒙陕矿区深部矿井主要受煤层顶板延安组三段中—细粒砂岩含水层与直罗组一段中—粗粒砂岩含水层的威胁。该两段含水层由于成岩期较晚,砂岩成熟度较低,结构疏松,孔隙较为发育通过系统对比典型矿井钻孔岩芯资料与测井相标志,结合区域沉积特征,将蒙陕矿区深部侏罗系地层划分为延安组三段、直罗组一段与二段3个中期旋回,如图3所示。延安组三段主要发育湖泊三角洲平原亚相沉积,多表现为基准面下降为主的非对称旋回特征,其中起骨架作用的是分流河道沉积,该段砂体主要以细砂岩为主,分选性一般,在剖面上一般呈透镜状,地下水赋存空间较差。蒙陕矿区典型矿井工作面井下疏放水实践结果表明(图4),钻孔垂高0～40m段即延安组三段,钻孔涌水量普遍较小,表明以三角洲平原为主要沉积环境的延安组三段中—细粒砂岩含水层富水性相对较弱。直罗组一段下部为辫状河沉积,向上过渡为曲流河沉积,表现为基准面上升为主的非对称旋回特征,对下部煤层影响较大的砂岩含水层主要发育在直罗组一段下部的河道砂坝微相内,该含水层由多个河道砂体连续叠置而成,连通性较好,空间展布稳定,地下水赋存空间较好。由图4可知,钻孔垂高40～120m段即直罗组一段,钻孔涌水量显著增大,表明以辫状河相为主要沉积环境的直罗组一段中—粗粒砂岩含水层富水性相对较强。直罗组二段主要发育曲流河沉积,表现为基准面上升复下降的非对称旋回特征,该时期主要发育河漫滩沉积,河道砂坝一般呈透镜状,连通性较差,不利于地下水的赋存与径流。不同沉积环境的砂体有不同的物性特征,沉积环境是控制含水层水理性质与富水规律的重要因素。因此,本研究以鄂尔多斯侏罗系聚煤盆地沉积地层格架为基础,通过沉积地质学与水文地质学的学科交叉研究,对位于蒙陕矿区典型矿井的侏罗系地层沉积相类型进行详细划分,并利用沉积相类型及分布从成因上分析含(隔)水层的空间展布规律与富水性分布规律。导水裂隙带发育高度对顶板含水层涌突水风险相对较大的区域?其提出了“三图”的基础针对深部侏罗系矿井煤层厚度变化较大、顶板含(隔)水层交互成层的特点,为了刻画开采后导水裂隙带的发育高度对顶板含水层涌(突)水的影响,即导水裂隙带扰动破坏砂岩含水层距离较大同时富水性相对较强的区域,其涌(突)水风险相对较大的原则,本文在传统的“三图法”基础上工作面截流方案针对蒙陕矿区深部侏罗系矿井现阶段采前无法安全掘进与回采,采后采场落地水量大、煤水混杂等问题,在煤层顶板涌(突)水危险性分区评价的基础上,通过将采掘布局优化与长、短钻靶向追踪探放相结合,按照“断源截流、集中疏排、源头预防、超前治理”的思路,根据涌(突)水风险分区评价结果与地下水径流方向,调整与优化矿井采掘布局,达到通过先期工作面的地下水截流工程减缓后续工作面水害的目的,其中在先期工作面的地下水截流方法上,如果顶板砂岩含水层在平面上呈条带状,在剖面上成层性较好,可选择长距离定向钻机沿砂岩条带进行顺层追踪、靶向疏放地下水,反之,如果砂岩含水层在平面上呈透镜状,可选择常规钻机进行探放水。因此,根据上述思路,将地下水截流治理模式分为上行开采低位截流、工作面单侧截流、工作面双侧截流与工作面方向调整截流4种模式。(1)下行低频截流模式针对蒙陕矿区深部侏罗系矿井上部煤层距离强含水层较近,无法安全掘进与回采的问题,提出实行上、下煤层联合开采的上行开采低位截流方法。通过合理的采掘布局,在矿井上部煤层缺失或较薄无法开采区域,先采下部煤层,通过采前的疏放水与采后采空区涌水对顶板含水层进行“超前预疏放”,降低含水层的水压与水量,从而掩护后续上部煤层的安全掘进与回采,以实现上、下煤层开采过程中涌水量的协同控制,如图6所示。(2)方向工作面采前控油对于尚未开采的采区,在已查明地下水径流方向的情况下,优先布置来水方向工作面作为采区首采工作面,采前利用常规钻孔或长距离定向钻对砂岩透镜体或砂岩条带进行靶向预疏放,或者采后利用采空区作为截水廊道,从而大幅度减少后续工作面涌水量,减缓采场煤水混杂的局面,如图7所示。(3)长6月煤水分离式开采方案对于尚未查清地下水径流方向的采区,沿着砂岩条带展布方向或者涌(突)水风险较大的长轴分区方向,通过合理的采掘布局设计,优先布置采区两侧工作面,形成采区两侧跳采局面,采前利用常规钻孔或定向钻孔以及采后利用采空区作为疏水廊道进行截流,从而减少采区内部后续工作面的涌水量,实现顶板水的截流疏导与煤水分离,如图8所示。(4)工作面方向调整截流模式对于原设计工作面回采方向与砂岩条带展布方向或涌(突)水风险较大的长轴分区方向平行的采区,优化调整后续工作面的回采方向,使工作面回采方向与地下水径流方向或砂岩条带展布方向尽可能垂直或形成夹角,从而达到更好的断源截流与分区治理的目的,如图9所示。工程应用杜柴登煤矿研究区为位于鄂尔多斯市呼吉尔特矿区的门克庆煤矿与母杜柴登煤矿,如图10所示。其中门克庆矿井设计生产能力12.0Mt/a,第1水平(+580.5m水平)的11采区作为矿井开采首采区,原计划主采首采区南翼3沉积环境对含水层的富水性影响地层厚度随地层厚度的变化研究区主要充水含水层为3通过对延安组三段和直罗组一段进行全区对比(图12)可以看出,区内地层厚度分布稳定,延安组三段地层厚度介于8.96～115.87m,平均厚度51.77m,砂体厚度介于0～75.2m,平均厚度22.93m;直罗组一段地层厚度介于11.38～155.7m,平均厚度91.29m,砂体厚度介于0～151.36m,平均厚度50.82m。全区地层厚度分布与砂体厚度分布的趋势基本一致,延安组三段主要呈北厚南薄的趋势,而直罗组一段主要呈南厚北薄的趋势。分流河流相演变通过利用研究区中期基准面旋回中的砂地比值,结合地层厚度、砂岩厚度、沉积基底特征及单井、连井的沉积微相展布,恢复了研究区延安组三段、直罗组一段与二段的沉积相展布,如图13所示。研究区延安组三段时期为三角洲平原向河流相演变,可容纳空间与沉积物供给速率比值较小的条件下形成的,主要发育有三角洲平原亚相中的分流河道与分流间湾微相,其中分流河道微相为西北向东南展布,是地下水赋存空间相对较好的区域,呈西北向东南方向展布,主要分布在门克庆矿井南部和母杜柴登矿井大部分地区。直罗组一段主要发育河道砂坝与泛滥平原(河漫滩)微相,其中河道砂坝微相主要分布在研究区的中部和南部,该时期可容纳空间较小,水动力条件较强,多期河道砂体连续叠置呈片状,是研究区充水含水层的主要赋存空间。直罗组二段主要发育河道砂坝和河漫滩微相,其中河道砂岩主要分布在研究区南部,由西向东方向展布,尽管部分细砂岩具有一定的厚度,但是连通性一般,储水空间有限。顶板含水层控水规律研究区为门克庆煤矿首采区,结合母杜柴登煤矿,通过对研究区区域煤层顶板延安组三段、直罗组一段与二段沉积控水规律的分析,延安组三段与直罗组一段砂岩厚度较厚,空间展布稳定,是矿井的主要充水含水层;直罗组二段以河漫滩相的粉砂岩与泥岩为主,砂岩呈透镜状分布其中,且与3杜柴登矿井北部古河道分布由图15可知,涌(突)水危险区主要分布在研究区的南部,主要呈东西向展布;同时根据前文沉积控水规律可知,门克庆矿井南部与母杜柴登矿井北部大部分区域主要为古河道分布区。因此,根据首采工作面单侧截流治理模式,将研究区首采工作面布置在南翼西侧,即11-3101工作面,通过采前预疏放与采后采空自流疏放,降低直罗组一段含水层的水量与水压,从而减少研究区东侧后续工作面的涌水量,减缓工作面采场煤水混杂的复杂局面。同时,根据门克庆矿井的采掘接续计划,为了达到12.0Mt/a设计生产能力,在主采3深部侏罗系矿井的涌突水风险分区评价(1)顶板水害源头防控的技术路线是在对矿井主要充水含水层沉积特征与富水规律分析基础上,通过矿井涌(突)水风险分区评价研究,圈定出顶板水害区域防控的重点“靶区”,继而建立基于矿井采掘布局优化与长、短钻结合的靶向追踪探放的地下水截流治理模式,从而形成一套符合深部侏罗系矿井的顶板水害源头防控关键技术。(2)通过系统对比测井相标志与钻孔岩芯岩石学标志,应用沉积控水规律,分析了含(隔)水层在空间的展布规律与富水性分布规律。并