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作 者
吕玉广1,肖庆华1,程久龙2
作者单位
1. 内蒙古上海庙矿业有限责任公司；2. 中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院
研究背景
我国西北地区的早中侏罗纪煤田煤层层数多、厚度大,资源十分丰富,是我国重要的战略性煤炭基地之一。随着西部大开发步伐加快,一批整装煤田破土开发,矿井建设和生产过程中,也遇到一些新技术难题。
上海庙矿区位于内蒙古自治区鄂托克前旗境内,在我国六大水害类型分区中属于西北砂岩裂隙型水害区。矿区总面积约1154km2,煤炭资源量约143亿t,其中侏罗纪煤炭资源量占85%以上。 上海庙矿业一号煤矿(简称上海庙一号煤矿)是该矿区最早建设的矿井之一,从井筒开挖到矿井投产期间,多次发生突水溃沙事件。该矿111084工作面开采延安组8煤层,推进141m时顶板突水,水中携带大量泥沙,短时水量达到2000m3/h,总出水量约23.3万m3,泥沙量约3.58万m3。工作面及工作面回风巷约500m、工作面运输巷约2000m均被泥沙淤塞掩埋。突水后在停止开采情况下,后续133d内又出现3次突水,呈现出间歇性突水模式。
此类事故在地质条件相似的邻近矿区也时有发生,宁东煤田鸳鸯湖矿区尤为多发,其共同特点是:顶板含水层富水性弱,瞬时水量大,水中含泥沙量大(8%~15%);泥沙来自基岩,间歇式突水,水害防治难度大。有学者初步分析认为顶板上存在古河床,但均无实际探查资料验证。
目前离层突水机制主要有静水压涌(突)理论和关键层破断理论两 种。静水压涌(突)理论将离层水体下有效隔水 层视为岩梁,借用底板突水系数概念,认为当隔水 层厚度不足以抵抗上部静水压力时岩梁断裂突水,但 隔水岩梁下方导水裂隙带为岩层实体而非虚空状态, 对上覆岩层固支能力几乎不变,软岩条件下是否符合 岩梁应用条件值得商榷。
关键层周期性破断理论可 以解释工作面回采过程中周期性突水,但无法解释工 作面在停止推进情况下后续间歇性突水溃沙现象,也 没有指明离层水害发生的时空条件。
总之,弱富水软 岩短时高强度携沙突水原因不明、机制不清;软岩劣 化效应严重制约矿井高效生产,需进一步研究 突水机制和弱化软岩劣化效应的措施,以保障矿井安 全、高效生产。
摘 要
近年来我国西北侏罗纪煤田弱富水软岩水-沙混合型间歇式突水事故多发,短时水(沙)量大,缺少有效的防范技术措施,严重威胁矿井安全生产。
为揭示其形成机制以便于制定相应的防范措施,以内蒙古上海庙矿业新上海一号煤矿为研究对象,室内测试了岩石力学强度、软化系数等参数,井下实测了围岩松动圈,综合判定为典型的软岩地层;正交偏光镜下显示砂岩成熟度低,黏土质矿物胶结;水理性试验表明砂岩颗粒间泥质胶结物易产生溶蚀现象,能够形成固-液双相混合物,在水动力下具有流沙属性;泥岩极易吸水膨胀、泥化。
根据含水层水位和地表岩移长期观测结果,推定低位覆岩内和高位覆岩内均可以产生离层裂隙,且离层裂隙具有汇集水源功能。将111084工作面突水溃沙过程中含水层水位历时曲线与水量历时曲线叠合考察,突水量与突水含水层水位升降变化之间有明显的相关性。 初时突水量大、水位下降幅度也大;水量在趋于衰减过程中出现几次跃升,含水层水位在趋于回升过程中出现几次相应的跃降;跃升(跃降) 的幅度梯次减小;两次跳跃时间间隔梯次延长。
综合以上信息,提出离层裂隙的汇水作用可以强化弱含水层短时突水强度观点,弱胶结砂岩提供了混合突水的沙源;离层水体释放过程中水动力发生强弱变化,随着离层水体释放水动力减弱,大量泥沙封堵突水通道,表现出泥沙自封堵效应。覆岩持续压缩,离层裂隙储水能力逐渐弱化,表现为突水量梯次减小;离层水补给路径逐渐扩展,表现为突水休止期梯次延长。
汇水—突水—封堵—再汇水—再突水—再封堵的过程交替进行,揭示了间歇性水-沙混合型突水模式的突水机制。离层水害发生需要具备水源(富水性)、时间、空间、通道、压力等5个必要条件,强调导水裂隙突水通道的重要性。
工程应用表明,顶板水预疏干可以改变含水层的富水性条件,预 置导流管改变离层空间封闭性和汇水时间条件,突水通道和压力条件,可以有效避免此类事故发生,保障矿井安全生产;同时可实现无顶板淋水、采空区无涌水状态下开采,优化采场作业环境、弱化软岩劣化效应,促进矿井高效生产。
作者简介
吕玉广，男，生于1969年12月8日，江苏宿迁人，中共党员，研究生学历，硕士学位，工程技术应用研究员，中国煤炭工业安全科学技术学会防治水专业委员会委员，应急管理部信息研究院煤炭工程技术共享平台专家，山东省煤炭行业协会专家库成员，内蒙古自治区煤矿安全监察局专家库成员，鄂尔多斯市能源局专家库成员，内蒙古上海庙矿业公司生产技术部部长（兼水害防治技术研究室主任）。获省部级科技奖励9项，发表学术论文30余篇。临沂矿业集团、山东能源集团分别于2016年、2017年挂牌“吕玉广高技能人才工作室”。
研究方向
矿井水害防治与侏罗纪软岩治理
主要成果
长期从事矿井水害防治和侏罗纪富水软岩劣化效应控制技术研究和工程实践，“双图评价技术”用来预测预报煤层顶板间接充水含水层突水灾害，“多类型四双工作法”用来评价预测各种地质条件下的顶板水害、预计疏干水量和涌水量，形成一套完整的技术评价体系和具体的工作方法，均已获得发明专利权。近年来，专注于厚覆基岩下水—砂混合突涌地质灾害研究，“离层汇水作用强化了弱含水层短时突水强度，泥砂自封堵作用决定了周期性间歇式突水模型”揭示了侏罗纪弱胶结软岩突水溃砂的孕灾机理，为西北侏罗纪煤炭资源开采提供了疏干开采和预置导流管等源头防治技术。“大水防控、小水管理”理念及成套技术措施的应用，在确保矿井不再受水害威胁的同时，使巷道收敛、底鼓、顶板下沉、底板泥化等软岩劣化效应得到有效控制，成功解决了侏罗纪富水软岩矿井安全高效生产的两大制约因素，实践证明“小水管理”是软岩治理最直接、最经济、最有效的手段，相关技术已推广应用于多个软岩矿区。
文中图片
相邻钻孔煤岩顶板岩性对比
采掘工程平面
砂岩薄片(正交偏光×10)
砂岩遇水崩解
泥岩遇水泥化
白垩系含水层水位历时曲线
离层水害时空条件
111084工作面突水过程中含水层水位变化曲线
离层突水
突水休止期
疏干开采技术路径
疏放水高度
疏干空间范围(剖面图)
来源：
吕玉广,肖庆华,程久龙. 弱富水软岩水-沙混合型突水机制与防治技术——以上海庙矿区为例[J]. 煤炭学报,2019,44(10):3154-3163.
LÜ Yuguang,XIAO Qinghua,CHENG Jiulong. Mechanism and prevention of water-sand inrush in soft rock with weakly abundant water:A case study in Shanghai temple mining area
责任编辑：韩晋平编辑整理：郭晓炜
审 核：常琛
End
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