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第 47 卷 增刊 1 煤田地质与勘探 Vol. 47 Supp.1 2019 年 9 月 COAL GEOLOGY there are many aq- uifers filled with water; mining water-conducting fractured zone develops high. According to the analysis of field measurement and water quality test data, the mining water-conducting fractured zone is highly developed and has strong water conductivity. In order to study the characteristics of the thick sandstone aquifer in the roof and its wa- ter control s, the hydrogeological conditions and water control s in the relevant areas were studied. Keywords roof water hazard; thick sandstone; hydrogeological feature; ten s for water control; Binchang mining area; Ordos basin 随着煤炭资源的不断开发， 东部区域煤炭资源储 量不断减少， 煤炭开采正逐步向西部转移， 西部区域 开采煤层主要为侏罗系煤层， 部分矿区受到顶板巨厚 砂岩含水层的涌突水威胁，甚至出现突水溃砂[1-3]、 离层突水[4-5]等新型水害类型。我国针对西部顶板砂 岩水防治的研究主要集中在如下几个方面 水文地质 条件探查[6]，富水性分析和评价[7]，巨厚砂岩精细化分 析[8]，顶板水害防治技术研究[9-11]等，成果丰硕。其 中， 对砂岩含水层的精细化分析， 主要在洛河组巨厚 砂岩含水层中展开，通过水文补勘、瞬变电磁、抽水 试验等方法，将洛河组按照含水性分为上下两层[12]。 由以往成果可知， 针对西部矿区顶板巨厚砂岩含水层 的防治方法系统总结和分析程度还不够。 淄博矿业集团下属的陕西彬长矿区和内蒙古呼 吉尔特矿区巴彦高勒煤矿是典型的西部煤矿生产区 以下简称西部典型矿区，主要水害为顶板巨厚砂 岩含水层涌突水。本文以彬长矿区和鄂尔多斯巴 彦高勒井田为例，通过区域水文地质条件分析，总 结两矿区防治水开展方法及防治技术，为西部矿区 砂岩水害防治提供参考。 1 西部典型矿区地质与水文地质条件 1.1 地层构造与主采煤层 彬长矿区地层区划属华北地层区鄂尔多斯盆 ChaoXing 82 煤田地质与勘探 第 47 卷 地分区，位于陕西省黄陇侏罗纪煤田西部，鄂尔 多斯盆地西南缘，包括咸阳市彬县全境和长武县 南部的主要含煤区域。井田内地层由老至新依次 有三叠系上统胡家村组，侏罗系下统富县组、 中统延安组主采 4 号含煤地层、 直罗组、 安定组， 白垩系下统宜君组、洛河组、华池组，新近系及 第四系。 内蒙古呼吉尔特矿区巴彦高勒井田隶属于华北 地层区鄂尔多斯分区乌审旗小区，位于东胜侏罗纪 煤田呼吉尔特矿区中部。井田内地层由老至新依次 有三叠系上统延长组、侏罗系中统延安组主采 3 号 含煤地层、直罗组、安定组，白垩系下统志丹群伊 金霍洛组、东胜组，新近系及第四系。主采 3-1 煤 位于延安组二段上部， 厚度 3.07.0 m， 平均 5.51 m， 属于全区可采的稳定煤层。 1.2 矿区水文地质条件 彬长矿区属于鄂尔多斯盆地内泾河马莲河二 级地下水系统， 属鄂尔多斯盆地中生代承压水范畴。 区域白垩系地下水系统在四周中低山区域接受大气 降水和地表水补给，向马莲河下游一带汇集，最终 于彬县一带以泉和沟谷侧向排泄形式排泄。洛河组 砂岩含水层具有良好的补给条件、较丰沛的补给水 源，富水性较强，其中，矿区西北部高家堡煤矿洛 河组含水层以中、粗粒砂岩为主，单位涌水量 q 为 0.2181.130 L/sm， 渗透系数K为0.054 710.324 65 m/d， 属中等强富水性含水层；矿区西部中段的亭南煤 矿，洛河组砂岩含水层具有相似的富水特征，水文 地质条件类似。高家堡煤矿目前的矿井涌水量约为 2 830 m3/h；亭南煤矿矿井涌水量约为 2 200 m3/h； 总体来说，矿井涌水量均较大。 巴彦高勒井田地处鄂尔多斯高原东南部，毛乌 素沙漠东部边缘，处于区域性地表分水岭“东胜梁” 的南侧。 井田内承压水主要赋存于下白垩统志丹群、 中侏罗统安定组、直罗组主含水层以及中侏罗统 延安组砂岩中，主要补给来源为区外承压水的侧向 径流补给，其次是上部潜水的垂直入渗补给。直罗 组含水层单位涌水量 q 为 0.003 030.058 99 L/sm， 渗透系数 K 为 0.003 8330.077 55 m/d，富水性弱； 志丹群承压含水层单位涌水量q为0.285 70.656 6 L/sm， 渗透系数 K 为 0.1440.377 2 m/d，富水性中等；萨 拉乌苏组潜水含水层单位涌水量q为0.693 31.573 L/sm， 渗透系数 K 为 0.5441.833 m/d，富水性中等强。 由此可知，矿井充水含水层的富水性弱强；在接 受富水性中等强含水层的补给时，矿井涌水量将 增大。 1.3 西部典型矿区水文地质特征 西部典型矿区总体开发时间较短，对区域和矿 井水文地质规律尚未探查清楚，依据前期探索资料 分析，西部矿区具有如下特点 a. 矿井涌水量持续增大。总体上，矿井涌水量 随着巷道开拓长度、开采面积的增大而增加。 b. 具有多个充水含水层。勘探和生产揭露证 实，矿区井田充水含水层为多个厚层砂岩含水层主 要包括延安组、直罗组、洛河组等，且相互间有水 力联系。 c. 采动导水裂缝带发育高度大。经实测及水质 化验数据分析，西部典型矿区采动导水裂缝带发育 高度较大，导水能力强，远大于东部矿区，如亭南 煤矿实测导水裂缝带发育高度达 254 m。 d. 存在离层水害发育条件。从调查和分析情况 看，西部矿区存在顶板离层水发育条件，有可能突 发重大水灾事故，如亭南煤矿一些工作面在生产过 程中曾出现脉冲式的顶板涌突水形式。 2 西部典型矿区防治水主要问题 西部矿区主采煤层赋存条件好， 多采用大采高、 综采放顶煤长壁工作面生产，极大地释放了矿井产 能，但所带来的防治水难题也日益突显，给矿井安 全生产造成重大威胁，总结如下 a. 主采煤层顶板砂岩含水层层数多，厚度巨 大，富水性强，矿井涌水量大，存在离层突水等水 害问题。 b. 煤层整体近水平展布倾角 15， 但波状起 伏多，工作面低洼点较多，不利于排水，极易造成 淹面、淹顺槽等。 c. 在工作面俯采过程中，顶板淋水进入煤流系 统，运煤皮带拉煤泥水易引起皮带打滑、煤泥淤积 埋皮带等问题。 d. 工作面生产中形成的煤泥水，对排水系统造 成很大冲击，易陷入有泵不排水的怪圈，且矿井排 水系统能力仍然不足，抵御水害风险的能力弱。 3 西部典型矿区防治水主要工作方法 3.1 不断健全完善防治水工作“三个体系” 针对西部矿区的水文地质特征以及存在的防治 水难题，提出“三个体系”的防治水工作方法。 ① 不断健全完善地测防治水组织机构体系。 行 政一把手总负责、总工程师主抓技术管理，地测、 机电、技术、安监等部门及生产区队密切配合，职 责到位，齐抓共管，建立矿井防治水安全责任体系， ChaoXing 增刊 1 蔺成森 顶板巨厚砂岩水防治方法研究与应用 83 健全完善地测防治水各项管理制度。 ② 不断健全完善地测防治水考核监督体系。 通 过主抓年度安全评价、季度安全质量标准化达标检 查、周安全调度及关键时期驻矿盯靠等措施，实现 动态检查与静态检查相结合，提高地测防治水工作 质量。 ③ 不断健全完善水害隐患网格化排查治理闭 合管理体系。矿井建立每月初进行月度安全风险分 级管控及水害隐患排查体制，采取集中会议排查、 分矿现场排查、远程视频会议排查 3 种排查形式， 做到“项目、措施、资金、设备材料、时间、责任人、 督查人、预案”八落实和排查、治理、验收、总结、 销号跟踪督办的流程控制闭环管理，长期实施，做 到有隐患先消除，重点区域重点治理和监控，全面 落实各项水害治理措施，实现防治水安全。 3.2 西部典型矿区防治水“十法” 面对西部矿区防治水新形势，初步总结实践提 出了西部矿区防治水“十法”。 ① 查。查就是探查矿井、盘区、工作面的水文 地质条件。通过井上下物探、钻探、化探、抽放 水试验等综合手段，探查顶板含水层、隔水层的厚 度和分布，含水层水位、水质、富水性，各含水层 之间的水力联系及补给、径流、排泄条件，预计正 常和最大涌水量，甚至是局部块段涌水量，进行采 前安全评价。 各矿井在完成盘区地面三维地震勘探、 水文补勘的基础上，井下针对工作面开展顶板瞬变 电磁和音频电透视两种物探探查，对富水异常区施 工探放水钻孔，进行探查及预疏放，提出工作面防 治水安全评价报告和具体的防治措施， 并认真落实。 ② 疏。疏就是疏放顶板充水含水层静水和动 水。回采前做到应疏尽疏，以减少工作面生产过程 中顶板静水和动水突然释放量。工程布置以井下群 孔疏放水为主，并尽可能一孔多用。工作面顺槽也 是疏放顶板直接充水含水层水的重要工程，尽量早 施工，给疏放顶板水留出充足的时间。巴彦高勒煤 矿实验长距离定向钻孔工程，长距离探放水钻孔揭 露出水区域范围广、距离长、效率高，并可以实现 开分支孔钻进，开孔一次即可实现多方位、多角度 进尺，还可大大节省工期、人工费。 ③ 控。控就是控制顶板含水层的充水强度。通 过控制采高和开采范围，有效控制导水裂缝带发育 高度和含水层揭露面积，在采厚大、含水层富水性 中等以上、预计导水裂缝带波及强含水层时，宜采 用限制开采厚度、条带开采等控制导水裂缝带发育 高度的开采方法，严禁破坏顶板强含水层防隔水 煤岩柱，把工作面顶板水量控制在安全范围内， 这是治理顶板水害的根本之策。建立矿井水文动态 自动监测系统是控水保障， 发现水情异常及时报警， 防患于未然。目前，两个西部矿井均建立了水文动 态自动监测系统，并做到网络传输，超限报警。另 外，亭南、正通两矿煤层厚度大，对采取限厚开采 方法进行了研究，提出了开采厚度优化值，严格限 制导水裂缝带大面积波及白垩系强富水含水层，将 涌水量控制在安全范围内。 ④ 通。通就是创造工作面畅通的排水路线。近 水平工作面往往高低不平，涌水难以自流至排水系 统，出现排水系统无水可排而低洼点积水的“肠梗 阻”现象。应优化工作面布置或巷道掘进方式，使 工作面顶板水自流至顺槽，再沿顺槽自流至排水系 统。在易于积水的较低点施工顺水联络巷，在非生 产顺槽安设工作面小区域集中排水系统，既利于顺 水，又增加了安全逃生通道。顺槽水沟的宽度、深 度要与排水能力相匹配，并留有盈余排水能力；水 沟应尽量设在顺槽非生产帮，以减少对生产的影响 和水沟变形破坏。 ⑤ 泄。 泄就是施工单面专用泄水巷或区域集中 泄水巷，实现顶板水集中排放，是治理顶板水的战 略决策。近水平工作面低洼排水点越多，排水系统 难以满足多变的排水需求，无法从根本上解决排水 困局，实现单面、多面集中泄水是上上之策。目前， 西部各矿根据工作面布局布置了低位泄水巷，配合 大孔径泄水钻孔， 为工作面安全生产提供有力保障。 ⑥ 拦。拦就是在排水路线上控制性拦水，目的 是使工作面流出的煤泥水进行初步的沉淀处理，避 免煤泥进入排水系统水仓水窝，淤积排水设备。 控制性拦水的方法是在顺槽或水沟内分段设立 0.30.5 m 高的拦水墙，进行分段分级沉淀。修建拦 水墙的简便方法是用填装煤泥的编织袋垒砌，可随 时增减，方便实用。拦水应视涌水量、顺槽坡度和 煤泥淤量的大小，考虑拦水段长度和拦水墙数目， 做到煤泥有效沉淀，又保证排水畅通。 ⑦ 堵。堵是指注浆封堵具有突水威胁的含水 层。西部典型矿井主要水害为顶板砂岩含水层涌突 水，传统的注浆堵水技术防治效果较差。彬长矿区 高家堡煤矿针对洛河组含水层特点， 开展了“煤层顶 板含水层注浆改造堵水”试验工程， 在已回采区域对 顶板导水裂缝进行封堵，以达到减少老空区出水的 目的；同时，研究在工作面回采前预注浆工艺，寻 找可行性方法，将水害防治变被动为主动，在保证 生产安全前提下，不断降低矿井排水费用，提升工 ChaoXing 84 煤田地质与勘探 第 47 卷 作面单产。巴彦高勒煤矿为了缓解矿井排水压力， 利用 11 盘区采空区修建矿井地下水库， 一方面作为 矿井采空区涌水的存储区，缓解矿井排水压力；另 一方面利用采空区矸石净化功能，通过污水在采空 区的流动，实现矿井水的转移和净化，将部分采空 区涌水作为生产用水。 ⑧ 脱。 脱就是在煤流运输过程中对混入煤流的 矿坑水分离处理。在转载、运输、缓存过程中逐级 脱水，最终实现煤、水分离。在桥式转载机起坡段、 溜槽的中板和底板处钻进泄水孔，或者在连接处加 垫板，在溜槽间实现部分煤、水分离；在顺槽低洼 点起坡处，皮带上托辊改为平托辊，促使煤水分离； 皮带转载点增加带式给煤环节转载，利用带间条缝 滤水脱水；利用转载刮板机进行拉缝、打孔泄水； 井底煤仓底、采区煤仓底或地面煤仓，利用给煤机 与仓体的连接段，进行打孔渗水脱水处理。 ⑨ 清。清就是及时清理煤泥淤积，清淤是保证 排水系统正常运行的关键环节，及时清淤可保证煤 泥尽量少地进入排水泵窝。人工清淤费时费力，效 果往往不理想，应优先考虑机械清淤，并配套使用 煤泥压滤机脱水等方法。为解决工作面清污分流问 题，减少两顺槽煤粉清涝的劳动强度，提高排、泄 水效率，提出了面后埋管引水技术，同时，在工作 面回采过程中采取“波浪式”推进工艺，极大地减少 工作面两顺槽的采后出水量，大大减轻了煤粉清涝 量；通过引进并改进的大容量“滚动筛”，进行煤水 分离，效果良好。 ⑩ 排。排是指排水，是治理顶板涌突水的最 有效手段。排水系统能力不足，系统安全系数不高， 将给存在顶板涌突水工作面的生产带来灾难性后 果。因此，近水平工作面投产前，应按预计的正常 和最大涌水量建立健全矿井、盘区、工作面排水系 统，做到电源专用，实现双回路供电，并注意选用 同型号排水设备，以利于相互更替和维修维护。应 安装与排水能力相适应的排水管路，并尽可能做到 不同排水点管路各自独立。为发挥管路最大效能， 可安设管路三通形成管网。 4 结 论 a. 以陕西彬长矿区和内蒙古鄂尔多斯巴彦高 勒井田为例， 提出西部典型矿区的水文地质特征为 矿井涌水量随巷道开拓长度、 开采面积增大而增加； 具有多个充水含水层； 采动导水裂缝带发育高度大、 导水能力强；主要水害类型为顶板巨厚砂岩含水层 涌突水。 b. 顶板巨厚砂岩水治理存在如下问题，主采煤 层顶板砂岩含水层层数多，厚度大，富水性强，矿 井涌水量大；煤层近水平倾角 15，且波状起伏 多，工作面低洼点较多，不利于排水，极易淹面、 淹顺槽；在工作面俯采过程中，顶板淋水进入煤流 系统，运煤皮带拉煤泥水易引起皮带打滑、煤泥淤 积埋皮带等。 c. 总结提出西部典型矿区防治水工作“三大体 系”和巨厚砂岩水害治理的“十法”。 参考文献 [1] 王世东， 沈显华， 牟平. 陕北浅埋煤层开采的突水溃砂预测[C]. // 高产高效煤矿建设的地质保障技术陕西省煤炭学会学术 年会论文集， 2009， 合肥. 北京 地质出版社， 2009 191–195. 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