鄂爾多斯盆地侏羅系煤田覆巖結(jié)構(gòu)及水環(huán)境特征研究

0地表地下水環(huán)境特征煤炭在我國一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占60%以上，是中國能源安全的壓縮劑。隨著煤炭開采重心的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，西北地區(qū)已成為我國能源供應(yīng)的主要基地。近年來，鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田開發(fā)不僅受頂板水害威脅，影響煤炭資源安全開采，尤其是陜北榆神府礦區(qū)由于地處黃河流域北部，生態(tài)環(huán)境脆弱，隨著工作面尺寸大、推進(jìn)速度快等高強(qiáng)度開采，不僅導(dǎo)致覆巖破壞劇烈，而且也使得地表下沉速度快、移動(dòng)變形量大、非連續(xù)破壞明顯，引起水資源和生態(tài)環(huán)境損害。因此，在保障侏羅紀(jì)煤田資源開發(fā)安全的前提下，減少煤礦開采對水資源的損害，實(shí)現(xiàn)煤炭開采與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，是黃河流域煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展必須破解的重大科學(xué)難題針對受水害威脅的侏羅紀(jì)煤田，董書寧等近年來，張玉軍等1基于厚巖石開采和隔水層穩(wěn)定的平坦地下水開采實(shí)踐1.1采動(dòng)覆巖巖性結(jié)構(gòu)及水理特性研究礦井王家塔煤礦位于東勝煤田的東北部，含煤地層為侏羅系延安組，煤層厚度為4.57～11.70m，平均7.86m，埋深140～225m，采用綜采放頂煤開采方法。地層由老至新為三疊系延長組、侏羅系延安組、侏羅系安定-直羅組、白堊系志丹群、新近系上新統(tǒng)和第四系。煤層覆巖含水層為第四系潛水含水層和基巖裂隙承壓含水層，其中基巖含水層包括白堊系和侏羅系地層。第四系潛水含水層為礦區(qū)周邊居民生產(chǎn)生活用水的取水層位，水位埋深0～2m，富水性弱～中等，透水性強(qiáng)。基巖裂隙承壓含水層的富水性均較弱。主采煤層上覆100m范圍巖性以泥巖、粉細(xì)砂巖為主，其中泥巖類巖層平均厚度為33.37m，砂巖類巖層平均厚度達(dá)66.63m。巖石力學(xué)強(qiáng)度為5.0～35.9MPa，平均抗壓強(qiáng)度僅為15.45MPa。根據(jù)水理性質(zhì)分析，泥質(zhì)巖黏粒含量不高，黏粒一般小于15%，細(xì)砂巖和中粗砂巖干燥后在水中強(qiáng)烈崩解成砂狀，屬于具膨脹性和崩解性的極軟巖。綜合巖性結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)及水理特性分析，研究區(qū)覆巖整體具有下硬上軟的強(qiáng)度特征，上部泥巖易崩解，隔水性能一般;砂巖膠結(jié)性差，具有強(qiáng)崩解性，雖不具有隔水性，但受采動(dòng)影響后能較好地抑制采動(dòng)裂隙繼續(xù)向上發(fā)展。而下部地層為中粗砂巖，鈣質(zhì)膠結(jié)程度高，則不利于控制覆巖破壞。1.2地面鉆孔覆巖采動(dòng)裂縫監(jiān)測成果為了監(jiān)測研究區(qū)受采動(dòng)影響后覆巖上行導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度及特征，綜合采用地面鉆孔沖洗液漏失量觀測法，并配合巖心破碎程度觀測和鉆孔彩色電視窺視系統(tǒng)，實(shí)測獲得了該礦綜放開采條件下覆巖裂隙發(fā)育高度與特征。共布置2個(gè)地面鉆孔，分別位于回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷內(nèi)。探測鉆孔位置煤層埋深分別為208、212m，在煤層開采厚度為5.0m的條件下，最終實(shí)測確定出CH01鉆孔的垮落帶高度為19.90m，導(dǎo)水裂縫帶高度為68.40m;CH02鉆孔的垮落帶高度為23.45m，導(dǎo)水裂縫帶高度為71.00m。裂采比為13.7～14.2，覆巖采動(dòng)裂縫監(jiān)測成果如圖1所示。分析圖1可知，覆巖在80～110m深度發(fā)育原生裂隙，受軟弱巖層的抑制作用，采動(dòng)導(dǎo)水裂隙頂點(diǎn)終止于砂質(zhì)泥巖和粉砂巖中，從采動(dòng)裂隙發(fā)育形態(tài)上看，采動(dòng)破壞也不夠充分，以高角度縱向延展裂隙為主，偶見縱橫交錯(cuò)裂隙，鉆孔窺視可見部分層段軟弱巖層受采動(dòng)后遇水發(fā)生局部塌落現(xiàn)象。1.3地表采礦活動(dòng)裂縫分布范圍及深度測量分析1.3.1地表裂縫分布特點(diǎn)通過對工作面回采過程中地面裂縫分布現(xiàn)場調(diào)查和監(jiān)測，工作面開切眼位置兩側(cè)下沉盆地邊緣出現(xiàn)比較固定的裂縫，裂縫方向與采空區(qū)邊界方向基本一致，裂縫寬度一般20～50mm，伴有較明顯的地表裂縫帶狀分布區(qū)，以工作面開切眼位置地表裂縫最為發(fā)育，裂縫最大寬度約為250mm，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，在工作面前方動(dòng)態(tài)拉伸區(qū)不斷出現(xiàn)動(dòng)態(tài)裂縫，該裂縫一般每隔6～10m出現(xiàn)1條，與回采線大致平行，呈弧狀裂縫，裂縫寬度一般10～30mm，發(fā)育成熟一般需20d左右，之后裂縫逐漸閉合消失?？偟膩砜矗芽p在工作面上山方向較為發(fā)育。圖2為工作面回采期間，地表裂縫發(fā)育形態(tài)及分布。整個(gè)地表裂縫發(fā)育劇烈，以平行開采工作面傾向?yàn)樘卣?，裂縫發(fā)育集中區(qū)域位于工作面中部，裂縫張口寬度最大可達(dá)50cm以上，呈楔形，局部裂縫在兩幫出現(xiàn)臺階狀。1.3.2地裂縫的分布及形態(tài)分析為精確獲取煤層開采地表裂縫發(fā)育深度，應(yīng)用高密度電法儀和槽探法分別在工作面開切眼附近對地表裂縫的發(fā)育深度進(jìn)行了實(shí)測。圖3和圖4分別為高密度電法L1和L2線視電阻率反演剖面圖。從縱向方向看，剖面圖上部為高阻層，厚度在10～20m，推測為第四系的反映。剖面圖下部為相對低阻層，其視電阻率在140Ω·m以下，推測為基巖。從橫向方向看，在第四系淺部有從地表向地下延伸的高阻，結(jié)合地面裂縫的分布，分析認(rèn)為在圖中反映6個(gè)(LI線)和8個(gè)(L2線)裂縫(圖中藍(lán)色虛線所示)，裂縫發(fā)育深度在5～10m。同時(shí)，對推測可能存在地裂縫的位置進(jìn)行槽探揭露，如圖5所示，探槽底部挖掘至基巖，巖性堅(jiān)硬，裂縫寬度迅速減小，肉眼難以識別，微裂縫深度無法確定。采用石灰水標(biāo)記印跡的方法，裂縫深部由于裂隙較窄及黃土充填等原因，石灰水滲不下去，確定本次探測得到的地表裂縫發(fā)育深度為16.6m。1.4采動(dòng)覆巖隔水層厚基巖條件下，主采煤層與保護(hù)含水層之間的隔水層穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)保水采煤的關(guān)鍵。綜合煤層開采的覆巖破壞高度和地表裂縫的監(jiān)測結(jié)果，分析覆巖含(隔)水層受采動(dòng)影響后的流場分布情況。在與第四系含水層有直接水力聯(lián)系的白堊系地層底界以下安定組頂部有一穩(wěn)定沉積的泥巖類隔水層，該巖層厚度大于5.0m，平均厚度為14.57m，該層泥巖強(qiáng)度較低，黏土礦物絕對含量約為15%，具有弱膨脹性和較好的抗?jié)B隔水性能，在原始狀態(tài)下基本阻隔了白堊系地層與下伏承壓含水層的水力聯(lián)系，這是阻隔地表裂縫與井下裂縫溝通的良好隔水層，是實(shí)現(xiàn)上覆水體保水開采的有利條件和關(guān)鍵層位。實(shí)測導(dǎo)水裂縫帶最大高度為71.00m，采動(dòng)導(dǎo)水裂縫頂點(diǎn)終止于直羅組的砂質(zhì)泥巖和粉砂巖中，不能導(dǎo)通白堊系含水層。同時(shí)，研究區(qū)范圍內(nèi)白堊系地層底界埋深均大于30.00m，大于監(jiān)測的地表裂縫發(fā)育深度，地表裂縫不會破壞安定組頂部的泥巖層的隔水性。因此，采動(dòng)形成的上行和下行裂縫均沒有進(jìn)入到安定組頂部穩(wěn)定的泥巖類隔水層，保持了該隔水層的穩(wěn)定性，阻隔了第四系潛水含水層與基巖含水層產(chǎn)生的水力聯(lián)系，可以實(shí)現(xiàn)潛水含水層的保水開采目標(biāo)。覆巖采動(dòng)裂縫與地表裂縫的連通情況如圖6所示。為了進(jìn)一步了解采動(dòng)覆巖破壞與地表裂縫的連通情況，以該礦區(qū)某工作面的地質(zhì)采礦條件，基于FLAC1.5地表土壤侵蝕區(qū)研究區(qū)3101工作面為礦井首采工作面，煤層埋深180～240m，其中開切眼位置采厚4.8m，埋深187m，地表為河流沖洪積物沉積，屬于局部低洼區(qū)，第四系表層以粉細(xì)砂、粗砂和礫石為主，基底為砂質(zhì)黃土和膠結(jié)性較差的礫巖層。由于潛水位埋深較淺，煤層開采后開切眼位置形成明顯的積水區(qū)。同時(shí)，根據(jù)礦井涌水量觀測臺賬，工作面生產(chǎn)期間井下涌水量均穩(wěn)定在40m2基于平埋厚土的防水性能2.1研究區(qū)地質(zhì)背景郝家梁煤礦地處陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)的西南部，主采侏羅系3號煤層，煤層厚度平均8.05m，地層由上而下為全新統(tǒng)風(fēng)積沙、沖、洪積層，上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組，中更新統(tǒng)離石組、新近系上新統(tǒng)靜樂組，侏羅系中統(tǒng)延安組，下統(tǒng)富縣組。研究區(qū)埋深100～180m，基巖厚度6～55m，黃土層平均厚73m，紅土層平均厚53m，屬于典型的淺埋薄基巖厚土層覆巖結(jié)構(gòu)，井田內(nèi)典型地質(zhì)剖面如圖8所示。地表有常年性十八墩河流，薩拉烏蘇組分布于井田內(nèi)低凹灘地和河床兩側(cè)，厚10～20m，強(qiáng)富水，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活用水水源，基巖風(fēng)化帶含水層為工作面開采的直接充水含水層，富水性弱～中等，接受側(cè)向火燒巖含水層補(bǔ)給。采用一次采全高綜合機(jī)械化綜采工藝，采高7m，工作面傾向長200m，推進(jìn)長度1700m。新近系靜樂組紅土和第四系離石組黃土層為優(yōu)良隔水層。2.2地面開采實(shí)踐為監(jiān)測該礦淺埋深“薄基-厚土”型覆巖組合大采高條件下導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育特征及高度，尤其是研究厚紅土層對導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的抑制作用，分別在2301和30106工作面分別布置施工井下鉆孔3個(gè)，采用鉆孔分段注水法和鉆孔窺視進(jìn)行了實(shí)測。2301工作面埋深105m，正?；鶐r厚度6m，風(fēng)化帶厚度10m，紅土層厚度55m，黃土厚度35m，采厚7m，工作面寬220m，實(shí)測獲得導(dǎo)水裂縫帶高度45.7～49.3m，裂采比6.53～7.04。30106工作面埋深140～190m，基巖厚度1.88m，風(fēng)化帶厚度8.93m，紅土層厚度42.82m，黃土厚度84.3m，工作面走向長1848m，傾斜長220m，實(shí)測獲得導(dǎo)水裂縫帶高度為50.1～54.5m，裂采比7.16～7.78。由實(shí)測結(jié)果可知，較類似軟弱頂板條件下開采裂采比降低了15%～53%，紅土層對導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育抑制作用明顯。導(dǎo)水裂縫帶高度只發(fā)育至紅土層，不能導(dǎo)通上覆薩拉烏蘇組含水層，部分鉆孔實(shí)測結(jié)果如圖9所示。2.3地表裂縫超早期工作面發(fā)育特征通過對工作面回采過程中地面裂縫分布現(xiàn)場調(diào)查和監(jiān)測，整個(gè)地表裂縫發(fā)育較劇烈，以平行工作面傾向、開切眼位置兩側(cè)下沉盆地邊緣裂縫密集為特征，尤其在開切眼外側(cè)裂縫以臺階狀為主，落差最大達(dá)到1.8m，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，在工作面前方動(dòng)態(tài)拉伸區(qū)不斷出現(xiàn)動(dòng)態(tài)裂縫。在基巖較薄區(qū)域，地表裂縫超前工作面發(fā)育，超前距0.40～2.28m，基巖較厚區(qū)域，地表裂縫普遍滯后工作面發(fā)育，最長達(dá)11.9～17.8m。地表裂縫發(fā)育如圖10所示。2.4采動(dòng)紅土層隔水層阻水效應(yīng)通過掃描電鏡和X射線衍射礦物成分分析發(fā)現(xiàn)，靜樂組紅土層的膠結(jié)性好，黏土礦物絕對含量最高達(dá)35.5%，屬于黏性土層，遇水具有明顯的軟化特性和膨脹性，如圖11所示。取煤層上方未受破壞的原狀紅土進(jìn)行三軸加載試驗(yàn)并監(jiān)測滲透特性變化，在初始加載時(shí)，土樣原生裂隙逐漸減小，滲透系數(shù)大幅下降，進(jìn)入屈服階段后滲透系數(shù)又逐漸增大，隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，破壞后的土樣滲透系數(shù)并沒有繼續(xù)增加，而呈逐漸下降趨勢。表明紅土在圍壓作用下滲透性能具有自愈性，如圖12所示。為進(jìn)一步研究紅土層在采動(dòng)影響下的阻水效應(yīng)，采用流固耦合相似模擬試驗(yàn)方法研究紅土層采動(dòng)裂縫發(fā)育情況，如圖13所示。結(jié)果表明:采動(dòng)紅土層在回轉(zhuǎn)、反回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和遇水膨脹雙重作用下，裂縫產(chǎn)生了彌合，隔水性能顯著提高。模擬過程中監(jiān)測了滲透系數(shù)的變化情況，滲透系數(shù)在開采擾動(dòng)過程中發(fā)生了先增大、后減小的變化規(guī)律，表明紅土層的隔水能力在采動(dòng)后較短時(shí)間內(nèi)得到了恢復(fù)(圖14)。2.5淺埋深基巖厚土層保水開采實(shí)踐郝家梁煤礦2301工作面正常開采時(shí)采高7m，實(shí)測涌水量35～58m3基于控稀疏法的低深度泡沫開采3.1工作面設(shè)計(jì)采高納林河二號礦井位于東勝煤田南部，主采侏羅系3-1煤，埋深530～590m，上覆含水層主要有薩拉烏蘇組含水層、白堊系洛河組含水層、直羅組含水層、延安組煤系地層含水層。31101工作面為研究區(qū)的首采工作面，工作面長240m，推進(jìn)長度2100m，采用一次采全厚大采高綜采采煤法，煤層厚度4.36～7.05m，工作面設(shè)計(jì)采高6m。覆巖巖層組合以砂巖為主，上硬下軟，屬中硬偏堅(jiān)硬類型，綜合隔水性能一般。研究區(qū)域開采主要防治水問題是如何在高承壓多重含水層威脅下實(shí)現(xiàn)厚煤層安全開采，同時(shí)盡可能地減少對環(huán)境和水資源的破壞。3.2次采后高開采條件下覆巖裂隙發(fā)育特征為了監(jiān)測研究區(qū)受采動(dòng)影響后覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度及特征，綜合采用地面鉆孔沖洗液漏失量、井下仰上鉆孔注水觀測法，并配合鉆孔彩色電視窺視系統(tǒng)，實(shí)測獲得了該礦一次采全高開采條件下覆巖裂隙發(fā)育高度與特征。1個(gè)采后孔布置在31101工作面地表，1個(gè)采前孔CH01(兼做采后觀測CH01)和1個(gè)采后觀測CH02布置在31102工作面輔運(yùn)巷ZF10聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)。最終實(shí)測獲得納林河二號礦井厚煤層(5.3～6.0m)綜采一次采全高條件下的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，裂采比為17.1～22.06。3.3鉆孔疏放及疏放為了分析采動(dòng)對上覆各含水層的影響，借助GMS軟件建立了主采煤層采動(dòng)破壞與頂板含水層的空間模型，如圖16所示。由于直羅組含水層底界距離3-1煤81.00～157.97m，導(dǎo)水裂縫帶將全部導(dǎo)通頂板延安組砂巖含水層，在局部區(qū)域?qū)芽p帶將進(jìn)入到直羅組含水層的底部。3-1煤頂板延安組含水層、直羅組底部砂巖含水層是煤礦開采的直接充水含水層。因此，為避免延安組和直羅組底部砂巖含水層向工作面過量充水，在工作面回采前，采取鉆孔疏放措施，預(yù)先疏干或疏降直接充水含水層水位。但是，大量的鉆孔疏降勢必造成對含水層水源的破壞。因此，如何合理控制疏降程度是確?；夭砂踩退Y源保護(hù)的關(guān)鍵。3.4控制與開發(fā)的實(shí)踐3.4.1“先疏后采與邊采邊疏相結(jié)合”疏控水方案基于上述導(dǎo)水裂縫帶高度監(jiān)測結(jié)果，以及對各含水層的波及程度，結(jié)合裂隙承壓含水層富水性不均一、衰減速度快、可疏降性較好的特點(diǎn)，借助采動(dòng)裂縫發(fā)育的垂向分帶性，即越靠近導(dǎo)水裂縫帶上部，裂縫寬度越小，連通性和導(dǎo)水能力越差的特征，提出了“先疏后采與邊采邊疏相結(jié)合”的疏控水方案。通過先疏后采，預(yù)先疏放含水層的靜儲量，降低回采初期含水層壓力和瞬時(shí)水量，避免工作面瞬間涌水量超限，限制工作面涌水量在可承受的范圍內(nèi)。通過回采疏降，借助回采裂縫的導(dǎo)水性差異實(shí)現(xiàn)對含水層的逐步疏降。采前疏放水的目標(biāo)層位為3-1煤頂板延安組含水層，同時(shí)，根據(jù)工作面的推進(jìn)，采取分段疏降的方式預(yù)先疏降工作面前方的含水層靜儲量，避免對動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量的持續(xù)無效疏放，如圖17所示。3.4.2工作面疏控水開采方案納林河二號井31101工作面針對導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)的含水層采用全覆蓋大量深孔高強(qiáng)度疏