鄂尔多斯盆地煤层典型顶板水害成因与防控技术

第1章 绪 论 1.1 研究背景与意义 煤炭在我国一次性能源结构中占比达60%左右，且未来几十年内，煤炭仍将是我国的主体能源。鄂尔多斯盆地是我国重要的含煤盆地，其侏罗纪煤炭资源储量占全国总储量的31.9%(王双明，1996)。国家批复建设的14个亿吨级大型煤炭基地中，有神东、陕北、黄陇及宁东4个基地主采鄂尔多斯盆地侏罗纪煤炭资源。随着“一带一路”倡议的提出及我国煤炭开发的战略西移，鄂尔多斯盆地侏罗纪煤炭资源开发已成为我国煤炭工业可持续发展的重要支撑(董书宁等，2020a；虎维岳等，2010)。 煤矿水害是与火灾、瓦斯、煤尘和顶板事故并列的矿井五大灾害之一，不但影响矿井正常生产，而且会威胁矿井安全并造成人员伤亡(董书宁等，2010)。我国煤炭资源赋存条件差异较大，加之矿床水文地质条件复杂，是世界上煤矿水害*为严重的国家之一(董书宁等，2007)。2000～2019年，全国共发生煤矿水害事故182起，死亡人数达839人，直接经济损失数十亿元(董书宁等，2020b)。 长期以来，多数研究者认为鄂尔多斯盆地处于我国西北干旱缺水地区，煤层顶板含水层富水性相对较弱，顶板水害对矿井影响较小，因此对煤炭资源开发过程中顶板水害研究程度不高，矿井防治水研究的重点往往集中在受底板奥灰水威胁的华北型煤田(王双明，2017；侯光才等，2009)。鄂尔多斯盆地侏罗系煤层上覆广泛发育有基岩裂隙孔隙含水层和第四系松散含水层，由于侏罗系煤层开采条件较好，通常采用大规模机械化采煤，超大综采(综放)工作面开采后对顶板覆岩扰动强度极大，由此产生的导水通道很容易沟通上覆含水层，导致工作面顶板水害事故频繁发生(董书宁，2020；董书宁等，2020a)。顶板水害不仅造成人员伤亡事故，还给煤炭企业造成巨大的经济损失，严重制约我国煤炭工业健康发展。 迄今为止，鄂尔多斯盆地侏罗系煤层顶板水害形成机理不清，致灾判别标准难以量化，缺乏有效的顶板水害防控技术措施。为了保障鄂尔多斯盆地煤炭资源的安全开发，中煤科工集团西安研究院有限公司董书宁研究员带领研究团队针对煤层顶板水害形成机理及防控技术开展了跨区域、长周期、多学科融合的科技攻关，取得了多项创新性成果，对鄂尔多斯盆地及类似地区的煤炭工业持续健康发展具有重要意义。 1.2 国内外研究现状 煤层顶板水害是采掘扰动造成覆岩移动与断裂，影响煤层上覆含水层(体)，使得地下水或地表水集中进入井下采掘空间而引发的一种矿井灾害。其中，地下含水层所引发的顶板水害由于其形成机理复杂、表现形式多样，是防治水领域的主要研究对象。目前，我国煤矿涉及的主要顶板水害类型包括离层水害、溃水溃沙灾害、厚层砂岩含水层水害和烧变岩水害。 1.2.1 离层水害研究现状 由于煤层上覆岩层的物理力学性质不同，煤层开采过程中不同岩层的形变有所差异，会产生离层空腔并被含水层充水，在采掘扰动、静水压力和地应力等因素共同作用下，水体在短时间溃入井下造成灾害。目前，已有较多的实际案例证实，离层水害是一种特殊的顶板水害，具有瞬时涌水量大、持续时间短及形成机理复杂等特点。国内外对离层水害的主要研究进展介绍如下。 1. 离层水害机理研究 离层水害机理研究主要是应用关键层理论和覆岩移动规律，对开采过程中离层发育及其分布规律、离层空间大小、离层产生的力学条件及工作面开采速度、岩性、岩层厚度等因素进行分析。张培森等(2020)通过分析招贤煤矿水文地质条件，基于理论分析、相似材料试验等方法，预判特厚煤层开采过程中覆岩离层发育与积水层位。徐建国等(2020)揭示了离层积水载荷传递造成离层间覆岩破坏、产生次生裂隙形成突水的机理。黎灵等(2018)提出，特厚煤层综放开采离层突水为周期来压、向斜构造等多因素综合作用导致。马莲净等(2019)对老虎台特厚煤层分层综放开采工作面“两带”发育高度、断层和离层空间形成特征进行了定量化研究，提出了断层-离层耦合溃水机理。朱卫兵等(2009)通过工程探测和理论分析，认为导水裂隙带计算过程中应考虑离层区积水的载荷传递作用。孙学阳等(2017)认为，离层的形成、离层发育位置、离层补给水源和可积水离层空间持续时间四个因素决定了离层水害是否发生。娄金福等(2018)研究表明，覆岩关键层运移破断、采场矿压与离层水害存在因果关系，所控岩层组断裂下沉后在含水层底部产生离层空间，含水层持续补给造成离层出水。王经明等(2010)认为，煤层顶板的坚硬岩层能量积聚发生弹性形变，增大到临界值断裂，离层水体破裂发生突水。方刚等(2016)认为，玉华煤矿离层空间形成后，下部岩层的特殊性质导致导水裂隙二次闭合，离层空间反复充水，随着水量增加，*终失稳发生突水。孙魁等(2018)认为，当离层形成并充水后，随着顶板覆岩破坏程度增加和主关键层破断，离层水沿导水裂隙带涌入矿井，且顶板离层突水具有动态周期性特点。舒宗运等(2020)认为，离层关键层的突然破断为尖点突变模型，是一种能量跃迁方式。 2. 离层水害判别标准 离层水体发育层位和形成机理不同，导致其充水特征和判别标准各不相同，我国学者对部分矿井发生的离层水害进行了大量研究，但尚未形成统一的判别标准。李树刚等(2000)分析了综放开采条件下伏岩离层空间的发育和变化规律，提出了离层判别标准和关键层初次破断前后的理论表达式。杨庆等(2014)提出了离层水害的三点判别条件，并对顶板离层水害的危险性进行初步判别。徐建国等(2020)通过计算裂采比判别离层是否涌水，同时提出离层积水具有载荷传递作用，公式应结合实际来判别离层突水。乔伟等(2014)针对永陇矿区顶板离层水涌突水实例，分析离层水形成的基本条件，计算了可能产生离层的位置。涂敏等(2004)应用理论分析等手段，研究综放开采过程中采场上方覆岩离层裂隙发育变化规律，分析了采空区离层裂隙带的空隙渗流特性，提出了离层层位判别公式。 3. 离层水涌水量预测及水害评价 由于不同矿井地质条件差异大，离层空间发育过程、空间大小、水源补给能力、离层破断后过水通道大小与次生裂隙闭合程度等均不相同，离层水量预测难度大，准确度较低。周建军等(2018)计算了离层空间体积，并预测了离层水涌水量。杨吉平等(2012)综合理论分析、现场离层水疏放情况等，预测了离层水积水量。程新明等(2007)认为，工作面涌水为正常涌水量与离层裂隙积水引起的涌水量之和，通过经验类比法和当量径流法提出了涌水量计算理论公式。李小琴(2011)考虑卸荷作用对渗透的影响，开展了卸除围压破坏裂隙砂岩样品的渗透试验，构建了砂岩复杂裂隙网络模型，并进行了涌水量预测。Lu等(2018)建立了离层水突水的工程地质模型，对五个影响因素进行量化数值处理后，实现了对离层水突水的危险性评价。 4. 离层水害防控技术研究 我国学者通过工程实践总结出了一些适用地区的成功经验。林青等(2016)通过分析涌突水规律，采用数值计算对崔木煤矿煤层顶板涌突水与水位联动机制、离层发育位置和覆岩导水裂隙带发育高度进行了研究，并提出了离层水害的防控方法。董书宁等(2020a)基于侏罗纪煤炭资源赋存条件、顶板含水层特征、顶板水害分布范围与防控难题，对离层水害形成机理、判识方法、主控因素和防控技术进行了系统研究，研发了离层水体精准定位探放技术。贾金凤(2020)结合导水裂隙带高度数值模拟，采用加密顶板孔对判断离层水位置积水进行疏放，保障了工作面安全回采。杨国栋(2019)基于黄陇煤田上覆岩层离层水充水水源及充水通道，提出了在工作面可能出现离层涌水的位置预先施工地面泄水钻孔防控离层水的技术。方刚等(2016)以陕西铜川玉华煤矿1418工作面为研究对象，分析导水裂隙带发育过程和离层空间可能发育的位置，为防治水措施制定提供了依据。许敬立(2010)对覆岩离层空间、裂隙注浆进行了研究。赵德深等(2009)在井下采用仰孔分段注水法对东滩煤矿140308工作面采动导水裂隙带的破坏特征进行了连续探测，并依据探测结果进行了离层注浆。曹海东(2017)针对老虎台煤矿离层水害，提出了采用地面钻孔和井下钻孔对离层水体预疏放、强径流带截流的防控方法。 1.2.2 溃水溃沙灾害研究现状 溃水溃沙灾害是神府矿区浅埋煤层薄基岩富水区域*突出的顶板水害之一，主要发生在煤层埋藏较浅、基岩较薄且基岩上部有厚富水沙层的区域。目前，针对溃水溃沙灾害的研究主要集中在形成机理和防控技术两个方面，国外此方面报道较少，我国部分专家、学者对此进行了较为深入的研究。 1. 溃水溃沙灾害形成机理与预测研究 对煤层溃水溃沙灾害的研究主要采用试验和理论分析方法，重点研究覆岩变形破坏特征，揭示灾害形成机理并计算溃沙量。 1) 溃水溃沙灾害形成机理 由于地下采掘工程具有隐蔽性，现场观测较为困难，多数学者借助室内模拟试验对溃水溃沙灾害形成机理进行研究。梁燕等(1996)开展了新近系弱胶结砂岩底板溃水溃沙室内试验，获得了不同试样溃水的临界水压力梯度。汤爱平等(1999)进行了某矿井弱胶结粉沙的溃水溃沙机理研究，并提出灾害防控的方法。张敏江等(2002)采用室内试验研究了三种弱胶结砂岩的突水、涌沙的阶段性特点。张杰等(2006)通过不同岩块端角接触面高度滤沙试验，得出了满足裂隙滤沙的合理端角接触面高度。隋旺华等(2007)提出含水层的初始水头和突沙口张开程度是控制矿井工作面突沙量的关键因素，探讨了水沙混合流在运移过程中孔隙水压力的变化规律。许延春(2008)研究了上覆含黏沙土的流动性，认为含黏沙土具有渗漏自愈性，漏斗出口直径大小是沙土是否稳定的关键因素。 研究人员不仅开展了室内模拟试验，而且从理论上对溃水溃沙现象进行了解释。王世东等(2009)以地下水动力学为基本原理，建立了以渗透破坏的临界水力坡度为条件的预防溃水溃沙发生的临界条件和预测公式，分析了溃水溃沙过程中溃沙颗粒的受力情况，并建立了以临界水力坡度判别溃沙的方法。 2) 溃水溃沙灾害预测研究 国内外学者总结了近松散层覆岩破坏高度、风化带抗渗透性能、含水沙层临界水力坡度和导水裂隙带导通产生的*大水力坡度，及其随时间的变化等多项溃水溃沙灾害预测的方法与指标。目前，可视化技术、地质建模技术和事故分析法等均被引入煤层溃水溃沙灾害预测和安全评价。 伍永平等(2004)通过建立溃沙伪结构物理力学模型，以泥沙起动理论为基础，提出了含水层高度与溃沙量关系，为预测溃沙量与溃沙范围提供了依据。王梅等(2004)基于溃水溃沙灾害模型及其因子分析，利用三维可视化技术和地质建模技术，提出了三维可视化条件下的溃水溃沙灾害预测方法。刘宏源等(2010)研究了基于地理信息系统(geographic information system，GIS)的溃水溃沙灾害实时预警和面向生产计划的预警方法。张玉君(2005)根据多元回归理论，研究得出以含水层水头为判据的溃沙发生的预测公式。张蓓等(2015)以隆德煤矿为例，探讨了地质钻孔导致突水溃沙事故的形成机理和防控对策。刘洋(2016，2015a，2015b，2011)根据浅埋煤层回采工作面不同基岩厚度所面临的溃水溃沙灾害威胁程度差异，将覆岩发育形态分为竖“两带”和横“两区”，并提出了相应的溃水溃沙灾害配套防控对策。 2. 溃水溃沙灾害防控技术研究 针对溃水溃沙的研究，提出了疏放水、预留保水煤柱和大面积跳采等防控方法。疏放水方法是通过降低水动力条件来减小溃水溃沙的可能性，但其历时较长，且对地下水影响较大，与神府矿区干旱、半干旱地区的保水采煤理念相悖。预留保水煤柱和大面积跳采方法是通过减小采煤对顶板的影响，避免全厚度切顶冒落或裂隙发育高度来阻止溃水溃沙通道的形成。 通过注浆改造煤层顶板条件是另一种新型的溃水溃沙灾害防控措施。从工程技术角度来提高煤层顶板及以上覆岩的物理力学性能，强化煤层顶板的薄弱环