桌子山煤田下組煤開采底板水害防治問題及對策探討

楊志斌

(中煤科工集團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，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 (年均降雨量140mm，年均蒸發量3600mm，干旱指數12)［1］，地質構造屬于華北板塊的西北緣［2－5］，受秦嶺—祁連山構造帶和西側阿拉善地塊長期活動的影響，地質構造較復雜，形成以南北向逆斷層為主，東西向正斷層為輔的構造格局，西北地區第一例巖溶陷落柱即在此構造格局中形成［6－8］。煤田西以崗德爾西來峰逆斷層為界，東至桌子山，北側為千里山，向南延伸至寧夏境內，以桌子山背斜軸為界，主采煤層為二疊系山西組9號煤 (上組煤)和石炭系太原組16號煤 (下組煤)。

截至2010年3月，整個煤田未對奧陶系做過專門的水文地質勘探工作，對奧灰水文地質條件研究不多，認為奧灰富水性較差［9］，神華集團平溝、駱駝山煤礦井底大巷即坐落在奧灰巖中。2010年3月1日，駱駝山煤礦在16號煤+870m回風大巷掘進過程中發生了特大奧灰水突出事故，最大突水量達65000m3/h，暴露出奧灰水文地質條件與先前研究結論嚴重不符，現有研究程度遠不能滿足區內礦井防治水工作需要。通過總結后續開展的奧灰水文地質補勘及專項研究工作，指出區內水害防治應關注的重點問題，對關鍵技術問題給出了初步解決思路，制定了指導性的礦井水害防治對策，對桌子山煤田后續防治水研究的開展及防治水技術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查

研究區地層分區跨越華北地層西緣地層分區和鄂爾多斯地層分區，因長期地質構造活動影響，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。根據前人研究成果和近年來一系列奧灰水文地質補勘及專項研究工作［10－11］，煤系沉積基底主要為奧陶系中統克里摩里組 (O2k)、桌子山組(O2Z)和震旦系長城統 (Z)，不同沉煤基底頂部巖層水文地質性質不同，滲流特性差異很大，詳見圖1及表1。

調查結果表明，克里摩里組沉煤基底厚度大于185.77m，巖性為黑色致密泥質石灰巖，局部夾泥巖，滲透性很差，可以作為開采16號煤防治底板奧灰水突出的隔水關鍵層加以利用。

圖1 桌子山煤田煤系沉積基底綜合地質柱狀

表1 桌子山煤田煤系沉積基底頂部巖層水文地質特性調查

桌子山組沉煤基底厚度大于186.19m，厚層灰巖，為開采16號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，原始導升帶高度最大達51.8m，對16號煤帶壓開采構成重大突水威脅。

震旦系長城統沉煤基底直接與煤系假整合接觸，剖面缺失整個下古生界，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號煤開采不存在底板水害問題。

2 構造控水特征調查

巖溶作用除與可溶巖巖性有關外，還與構造作用有關，構造不僅影響巖溶發育程度，而且影響巖溶發育方位。鄂爾多斯盆地西緣構造帶屬分隔中國東部和西部兩大特征明顯不同構造域的南北構造帶的北段，新構造運動明顯，研究區處于其北段，中生代形成的斷裂構造在新生代多被活化，為巖溶發育和地下水儲移提供了良好空間和通道。

對研究區奧灰巖溶水源井分布位置調查結果表明，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。

對神華集團3對礦井9起奧灰突水事故調查結果表明，地質構造與井下奧灰突水點位置聯系緊密，是礦井的主要突水通道，見表2.

表2 神華集團3對礦井井下主要奧灰突水點情況統計

3 存在的主要防治水問題

基于研究區煤系沉積基底含隔水層分布及構造控水特征調查，結合以往相關研究成果，研究認為桌子山煤田存在的主要防治水問題有:

(1)沉煤基底地質成因研究不足 針對煤系沉積基底差異，在區內開展了多次專項調查研究工作，但研究結果不能完全滿足生產實際需要。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，而據棋盤井煤礦東區奧灰水文地質補勘，煤系沉積基底為震旦系長城統，剖面缺失整個下古生界 (寒武系、奧陶系、志留系)。不同的沉煤基底決定16號煤開采底板水害防治技術體系的構建，需繼續開展區內沉煤基底地質成因研究工作。

(2)構造控水機理研究不足 調查結果表明研究區構造控水特征明顯，但構造如何對地下水的賦存和運動的控制作用及其規律研究明顯不足，無法預測構造突水災害的發生，如巖溶陷落柱的發育一般受區域性一、二級大構造和局部三級小構造控制，而造成駱駝山煤礦“3.1”特大奧灰水突出事故發生的西北地區第一例巖溶陷落柱既非受煤田區域性大構造控制，也非受礦區局部小構造控制，該巖溶陷落柱沿古地下水強徑流帶發育于煤田淺部，后被煤系所覆蓋，受煤層構造影響較小。

(3)含導水構造精細探查程度研究不足 研究區地質構造較復雜，區內以往探查含導水構造多采用地面瞬變電磁結合井下鉆探，一方面因為地面瞬變電磁對埋深較大、體積較小的含導水構造較難準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。運用瑞利波和直流電超前探對巷道前方、音頻電透視和直流電測深對工作面和巷道底板、槽波和坑透對工作面內部的含導水構造精細探查結合井下鉆探驗證是區內防治水工作的重點，不僅可以大幅降低鉆探周期和成本，還可通過各種礦井水文物探技術的對比得到適應本區的異常區劃分標準和假異常的剔除方法，提高區內含導水構造精細探查精度。

(4)有效隔水層厚度分布規律研究不足 首先，研究區缺少底板采動破壞深度的試驗觀測研究，目前區內只能依據經驗公式來進行預計［12－16］，可通過現場試采對煤層底板采動破壞帶深度進行研究;其次，奧灰水導升帶發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生以來16號煤尚未進行帶壓開采，從地面到奧灰頂部距離太深，致使物探儀器探查奧灰水導升帶發育高度受到一定限制［17－18］，可采用統計分析和鉆孔探測方法研究奧灰水導升帶發育高度及分布情況;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測的關鍵帶，通過現場試驗可獲取高壓水對底板巖體起作用的各類實測數據、原始地應力及其對底板阻水能力的影響等資料，如水力壓裂試驗［19］。

4 防治水對策探討

根據研究區存在的主要防治水問題，結合以往相關研究成果，制定桌子山煤田下組煤開采底板水害防治對策如下:

(1)利用研究區奧灰巖溶水源地及井下奧灰出水點長期疏水形成的奧灰水位自然降幅，建立井下獨立奧灰水排水系統，將井下奧灰水排至地面供水系統，實現奧灰水疏供結合，使得區內帶壓面積及帶壓程度逐年降低。

(2)建立地面注漿站，對底板帶壓程度較高且存在奧灰突水危險區進行含 (隔)水層注漿改造與加固，增強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警系統和排水系統，確保礦井具備一定的防災抗災能力。

(4)開展防治水專項研究工作，如沉煤基底地質成因、構造控水機理、含導水構造精細探查程度、有效隔水層厚度分布規律等，以解決區內主要防治水問題。

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