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鄂爾多斯盆地煤層典型頂板水害成因與防控技術 版權信息
- ISBN：9787030682901
- 條形碼：9787030682901 ; 978-7-03-068290-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
鄂爾多斯盆地煤層典型頂板水害成因與防控技術 內容簡介
本書通過系統分析鄂爾多斯盆地煤層賦存與水文地質條件，梳理了盆地范圍內離層水害、潰水潰沙災害、巨厚砂巖含水層水害和燒變巖水害四種典型頂板水害的主要分布范圍與特征；運用水文地質學、工程地質學、采礦工程等多學科理論與方法，揭示了砂泥巖疊合離層水害形成機理、薄基巖潰水潰沙災害發生條件、巨厚砂巖含水層“遞進滲流”充水模式及側向補給型燒變巖水害成因，建立了典型頂板水害危險性評價方法，提出了離層水害束狀鉆孔靶向探放技術、潰水潰沙災害注漿加固與綜合治理技術、巨厚砂巖含水層水害主動防控技術及燒變巖水害帷幕截流技術，并開展了相關的工程實踐工作。 本書可供水文地質、采礦工程、環境地質等領域的專業技術人員、管理人員等參考使用，也可供相關專業的高校師生參考。
鄂爾多斯盆地煤層典型頂板水害成因與防控技術 目錄
目錄
序一
序二
序三
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與意義 1
1.2 國內外研究現狀 2
1.2.1 離層水害研究現狀 2
1.2.2 潰水潰沙災害研究現狀 4
1.2.3 厚層砂巖含水層水害研究現狀 7
1.2.4 燒變巖水害研究現狀 11
1.3 本書研究內容 12
第2章 鄂爾多斯盆地水文地質條件及頂板水害特征 14
2.1 自然地理條件 14
2.2 區域地質及水文地質條件 15
2.2.1 區域地層 16
2.2.2 區域構造 20
2.2.3 區域水文地質條件 22
2.3 煤層頂板水害分布特征 27
2.3.1 煤炭儲量及礦區建設 27
2.3.2 煤層典型頂板水害及分布 30
2.4 煤層典型頂板水害及其形成條件 33
2.4.1 離層水害 34
2.4.2 潰水潰沙災害 43
2.4.3 巨厚砂巖含水層水害 47
2.4.4 燒變巖水害 58
第3章 砂泥巖疊合離層水害成因與防控技術 68
3.1 砂泥巖疊合離層水害及其特征 68
3.1.1 離層水害發生過程 68
3.1.2 離層水害周期性特征 69
3.1.3 工作面覆巖結構特征 69
3.2 砂泥巖疊合離層水害形成機理 70
3.2.1 含水層富水性研究 71
3.2.2 工作面覆巖破壞規律研究 82
3.2.3 砂泥巖疊合離層水害形成 98
3.3 砂泥巖疊合離層水害防控技術 120
3.3.1 離層水害危險性分區分級 120
3.3.2 離層水體精準探放技術 124
3.4 應用實例 125
3.4.1 離層水體驗證性探放 125
3.4.2 離層充水含水層水源疏放 127
3.4.3 離層水探放效果 130
第4章 薄基巖潰水潰沙災害成因與防控技術 133
4.1 薄基巖潰水潰沙災害案例及特征 133
4.1.1 薄基巖潰水潰沙災害案例 133
4.1.2 薄基巖回采工作面潰水潰沙特征 135
4.2 薄基巖回采工作面潰水潰沙形成機理 136
4.2.1 導水沙通道形成規律 136
4.2.2 薄基巖潰水潰沙災害因素分析及形成機理 161
4.3 薄基巖回采工作面潰水潰沙災害防控技術 168
4.3.1 潰水潰沙災害預測 168
4.3.2 潰水潰沙災害防控方法與關鍵技術 176
4.4 應用實例 197
4.4.1 回采工作面概況及充水因素分析 197
4.4.2 回采工作面潰水潰沙災害防控措施 199
第5章 巨厚砂巖含水層水害成因與防控技術 209
5.1 巨厚砂巖含水層水害特征 209
5.2 巨厚砂巖含水層水害形成機理 211
5.2.1 巨厚砂巖含水層非均質特征精細勘探 211
5.2.2 綜放開采導水裂隙帶高度研究 224
5.2.3 巨厚砂巖含水層充水模式 245
5.2.4 遞進滲流充水模式下涌水量預測 254
5.3 巨厚砂巖含水層水害防控技術 264
5.3.1 水害防控思路與技術體系 264
5.3.2 主動防控關鍵技術 265
5.4 應用實例 272
5.4.1 工作面概況 272
5.4.2 煤礦水害防控工程 272
5.4.3 工作面煤礦水害防控工程 272
5.4.4 水害防控效果 274
第6章 側向補給型燒變巖水害成因與防控技術 276
6.1 燒變巖水害特征 276
6.2 側向補給型燒變巖水害形成機制 278
6.2.1 燒變巖水害概況 278
6.2.2 水文地質條件探查 279
6.2.3 燒變巖水與水庫水水力聯系 293
6.3 側向補給型燒變巖水害防控技術 295
6.3.1 注漿帷幕條件分析 295
6.3.2 注漿帷幕關鍵技術 298
6.4 燒變巖水害治理效果檢驗 307
6.4.1 治理效果即時檢驗 307
6.4.2 采前疏放水效果檢驗 309
6.4.3 采后效果驗證 311
第7章 結論與展望 312
7.1 主要結論 312
7.2 展望 314
參考文獻 316
序一
序二
序三
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與意義 1
1.2 國內外研究現狀 2
1.2.1 離層水害研究現狀 2
1.2.2 潰水潰沙災害研究現狀 4
1.2.3 厚層砂巖含水層水害研究現狀 7
1.2.4 燒變巖水害研究現狀 11
1.3 本書研究內容 12
第2章 鄂爾多斯盆地水文地質條件及頂板水害特征 14
2.1 自然地理條件 14
2.2 區域地質及水文地質條件 15
2.2.1 區域地層 16
2.2.2 區域構造 20
2.2.3 區域水文地質條件 22
2.3 煤層頂板水害分布特征 27
2.3.1 煤炭儲量及礦區建設 27
2.3.2 煤層典型頂板水害及分布 30
2.4 煤層典型頂板水害及其形成條件 33
2.4.1 離層水害 34
2.4.2 潰水潰沙災害 43
2.4.3 巨厚砂巖含水層水害 47
2.4.4 燒變巖水害 58
第3章 砂泥巖疊合離層水害成因與防控技術 68
3.1 砂泥巖疊合離層水害及其特征 68
3.1.1 離層水害發生過程 68
3.1.2 離層水害周期性特征 69
3.1.3 工作面覆巖結構特征 69
3.2 砂泥巖疊合離層水害形成機理 70
3.2.1 含水層富水性研究 71
3.2.2 工作面覆巖破壞規律研究 82
3.2.3 砂泥巖疊合離層水害形成 98
3.3 砂泥巖疊合離層水害防控技術 120
3.3.1 離層水害危險性分區分級 120
3.3.2 離層水體精準探放技術 124
3.4 應用實例 125
3.4.1 離層水體驗證性探放 125
3.4.2 離層充水含水層水源疏放 127
3.4.3 離層水探放效果 130
第4章 薄基巖潰水潰沙災害成因與防控技術 133
4.1 薄基巖潰水潰沙災害案例及特征 133
4.1.1 薄基巖潰水潰沙災害案例 133
4.1.2 薄基巖回采工作面潰水潰沙特征 135
4.2 薄基巖回采工作面潰水潰沙形成機理 136
4.2.1 導水沙通道形成規律 136
4.2.2 薄基巖潰水潰沙災害因素分析及形成機理 161
4.3 薄基巖回采工作面潰水潰沙災害防控技術 168
4.3.1 潰水潰沙災害預測 168
4.3.2 潰水潰沙災害防控方法與關鍵技術 176
4.4 應用實例 197
4.4.1 回采工作面概況及充水因素分析 197
4.4.2 回采工作面潰水潰沙災害防控措施 199
第5章 巨厚砂巖含水層水害成因與防控技術 209
5.1 巨厚砂巖含水層水害特征 209
5.2 巨厚砂巖含水層水害形成機理 211
5.2.1 巨厚砂巖含水層非均質特征精細勘探 211
5.2.2 綜放開采導水裂隙帶高度研究 224
5.2.3 巨厚砂巖含水層充水模式 245
5.2.4 遞進滲流充水模式下涌水量預測 254
5.3 巨厚砂巖含水層水害防控技術 264
5.3.1 水害防控思路與技術體系 264
5.3.2 主動防控關鍵技術 265
5.4 應用實例 272
5.4.1 工作面概況 272
5.4.2 煤礦水害防控工程 272
5.4.3 工作面煤礦水害防控工程 272
5.4.4 水害防控效果 274
第6章 側向補給型燒變巖水害成因與防控技術 276
6.1 燒變巖水害特征 276
6.2 側向補給型燒變巖水害形成機制 278
6.2.1 燒變巖水害概況 278
6.2.2 水文地質條件探查 279
6.2.3 燒變巖水與水庫水水力聯系 293
6.3 側向補給型燒變巖水害防控技術 295
6.3.1 注漿帷幕條件分析 295
6.3.2 注漿帷幕關鍵技術 298
6.4 燒變巖水害治理效果檢驗 307
6.4.1 治理效果即時檢驗 307
6.4.2 采前疏放水效果檢驗 309
6.4.3 采后效果驗證 311
第7章 結論與展望 312
7.1 主要結論 312
7.2 展望 314
參考文獻 316
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鄂爾多斯盆地煤層典型頂板水害成因與防控技術 節選
第1章 緒 論 1.1 研究背景與意義 煤炭在我國一次性能源結構中占比達60%左右，且未來幾十年內，煤炭仍將是我國的主體能源。鄂爾多斯盆地是我國重要的含煤盆地，其侏羅紀煤炭資源儲量占全國總儲量的31.9%(王雙明，1996)。國家批復建設的14個億噸級大型煤炭基地中，有神東、陜北、黃隴及寧東4個基地主采鄂爾多斯盆地侏羅紀煤炭資源。隨著“一帶一路”倡議的提出及我國煤炭開發的戰略西移，鄂爾多斯盆地侏羅紀煤炭資源開發已成為我國煤炭工業可持續發展的重要支撐(董書寧等，2020a；虎維岳等，2010)。 煤礦水害是與火災、瓦斯、煤塵和頂板事故并列的礦井五大災害之一，不但影響礦井正常生產，而且會威脅礦井安全并造成人員傷亡(董書寧等，2010)。我國煤炭資源賦存條件差異較大，加之礦床水文地質條件復雜，是世界上煤礦水害*為嚴重的國家之一(董書寧等，2007)。2000～2019年，全國共發生煤礦水害事故182起，死亡人數達839人，直接經濟損失數十億元(董書寧等，2020b)。 長期以來，多數研究者認為鄂爾多斯盆地處于我國西北干旱缺水地區，煤層頂板含水層富水性相對較弱，頂板水害對礦井影響較小，因此對煤炭資源開發過程中頂板水害研究程度不高，礦井防治水研究的重點往往集中在受底板奧灰水威脅的華北型煤田(王雙明，2017；侯光才等，2009)。鄂爾多斯盆地侏羅系煤層上覆廣泛發育有基巖裂隙孔隙含水層和第四系松散含水層，由于侏羅系煤層開采條件較好，通常采用大規模機械化采煤，超大綜采(綜放)工作面開采后對頂板覆巖擾動強度極大，由此產生的導水通道很容易溝通上覆含水層，導致工作面頂板水害事故頻繁發生(董書寧，2020；董書寧等，2020a)。頂板水害不僅造成人員傷亡事故，還給煤炭企業造成巨大的經濟損失，嚴重制約我國煤炭工業健康發展。 迄今為止，鄂爾多斯盆地侏羅系煤層頂板水害形成機理不清，致災判別標準難以量化，缺乏有效的頂板水害防控技術措施。為了保障鄂爾多斯盆地煤炭資源的安全開發，中煤科工集團西安研究院有限公司董書寧研究員帶領研究團隊針對煤層頂板水害形成機理及防控技術開展了跨區域、長周期、多學科融合的科技攻關，取得了多項創新性成果，對鄂爾多斯盆地及類似地區的煤炭工業持續健康發展具有重要意義。 1.2 國內外研究現狀 煤層頂板水害是采掘擾動造成覆巖移動與斷裂，影響煤層上覆含水層(體)，使得地下水或地表水集中進入井下采掘空間而引發的一種礦井災害。其中，地下含水層所引發的頂板水害由于其形成機理復雜、表現形式多樣，是防治水領域的主要研究對象。目前，我國煤礦涉及的主要頂板水害類型包括離層水害、潰水潰沙災害、厚層砂巖含水層水害和燒變巖水害。 1.2.1 離層水害研究現狀 由于煤層上覆巖層的物理力學性質不同，煤層開采過程中不同巖層的形變有所差異，會產生離層空腔并被含水層充水，在采掘擾動、靜水壓力和地應力等因素共同作用下，水體在短時間潰入井下造成災害。目前，已有較多的實際案例證實，離層水害是一種特殊的頂板水害，具有瞬時涌水量大、持續時間短及形成機理復雜等特點。國內外對離層水害的主要研究進展介紹如下。 1. 離層水害機理研究 離層水害機理研究主要是應用關鍵層理論和覆巖移動規律，對開采過程中離層發育及其分布規律、離層空間大小、離層產生的力學條件及工作面開采速度、巖性、巖層厚度等因素進行分析。張培森等(2020)通過分析招賢煤礦水文地質條件，基于理論分析、相似材料試驗等方法，預判特厚煤層開采過程中覆巖離層發育與積水層位。徐建國等(2020)揭示了離層積水載荷傳遞造成離層間覆巖破壞、產生次生裂隙形成突水的機理。黎靈等(2018)提出，特厚煤層綜放開采離層突水為周期來壓、向斜構造等多因素綜合作用導致。馬蓮凈等(2019)對老虎臺特厚煤層分層綜放開采工作面“兩帶”發育高度、斷層和離層空間形成特征進行了定量化研究，提出了斷層-離層耦合潰水機理。朱衛兵等(2009)通過工程探測和理論分析，認為導水裂隙帶計算過程中應考慮離層區積水的載荷傳遞作用。孫學陽等(2017)認為，離層的形成、離層發育位置、離層補給水源和可積水離層空間持續時間四個因素決定了離層水害是否發生。婁金福等(2018)研究表明，覆巖關鍵層運移破斷、采場礦壓與離層水害存在因果關系，所控巖層組斷裂下沉后在含水層底部產生離層空間，含水層持續補給造成離層出水。王經明等(2010)認為，煤層頂板的堅硬巖層能量積聚發生彈性形變，增大到臨界值斷裂，離層水體破裂發生突水。方剛等(2016)認為，玉華煤礦離層空間形成后，下部巖層的特殊性質導致導水裂隙二次閉合，離層空間反復充水，隨著水量增加，*終失穩發生突水。孫魁等(2018)認為，當離層形成并充水后，隨著頂板覆巖破壞程度增加和主關鍵層破斷，離層水沿導水裂隙帶涌入礦井，且頂板離層突水具有動態周期性特點。舒宗運等(2020)認為，離層關鍵層的突然破斷為尖點突變模型，是一種能量躍遷方式。 2. 離層水害判別標準 離層水體發育層位和形成機理不同，導致其充水特征和判別標準各不相同，我國學者對部分礦井發生的離層水害進行了大量研究，但尚未形成統一的判別標準。李樹剛等(2000)分析了綜放開采條件下伏巖離層空間的發育和變化規律，提出了離層判別標準和關鍵層初次破斷前后的理論表達式。楊慶等(2014)提出了離層水害的三點判別條件，并對頂板離層水害的危險性進行初步判別。徐建國等(2020)通過計算裂采比判別離層是否涌水，同時提出離層積水具有載荷傳遞作用，公式應結合實際來判別離層突水。喬偉等(2014)針對永隴礦區頂板離層水涌突水實例，分析離層水形成的基本條件，計算了可能產生離層的位置。涂敏等(2004)應用理論分析等手段，研究綜放開采過程中采場上方覆巖離層裂隙發育變化規律，分析了采空區離層裂隙帶的空隙滲流特性，提出了離層層位判別公式。 3. 離層水涌水量預測及水害評價 由于不同礦井地質條件差異大，離層空間發育過程、空間大小、水源補給能力、離層破斷后過水通道大小與次生裂隙閉合程度等均不相同，離層水量預測難度大，準確度較低。周建軍等(2018)計算了離層空間體積，并預測了離層水涌水量。楊吉平等(2012)綜合理論分析、現場離層水疏放情況等，預測了離層水積水量。程新明等(2007)認為，工作面涌水為正常涌水量與離層裂隙積水引起的涌水量之和，通過經驗類比法和當量徑流法提出了涌水量計算理論公式。李小琴(2011)考慮卸荷作用對滲透的影響，開展了卸除圍壓破壞裂隙砂巖樣品的滲透試驗，構建了砂巖復雜裂隙網絡模型，并進行了涌水量預測。Lu等(2018)建立了離層水突水的工程地質模型，對五個影響因素進行量化數值處理后，實現了對離層水突水的危險性評價。 4. 離層水害防控技術研究 我國學者通過工程實踐總結出了一些適用地區的成功經驗。林青等(2016)通過分析涌突水規律，采用數值計算對崔木煤礦煤層頂板涌突水與水位聯動機制、離層發育位置和覆巖導水裂隙帶發育高度進行了研究，并提出了離層水害的防控方法。董書寧等(2020a)基于侏羅紀煤炭資源賦存條件、頂板含水層特征、頂板水害分布范圍與防控難題，對離層水害形成機理、判識方法、主控因素和防控技術進行了系統研究，研發了離層水體精準定位探放技術。賈金鳳(2020)結合導水裂隙帶高度數值模擬，采用加密頂板孔對判斷離層水位置積水進行疏放，保障了工作面安全回采。楊國棟(2019)基于黃隴煤田上覆巖層離層水充水水源及充水通道，提出了在工作面可能出現離層涌水的位置預先施工地面泄水鉆孔防控離層水的技術。方剛等(2016)以陜西銅川玉華煤礦1418工作面為研究對象，分析導水裂隙帶發育過程和離層空間可能發育的位置，為防治水措施制定提供了依據。許敬立(2010)對覆巖離層空間、裂隙注漿進行了研究。趙德深等(2009)在井下采用仰孔分段注水法對東灘煤礦140308工作面采動導水裂隙帶的破壞特征進行了連續探測，并依據探測結果進行了離層注漿。曹海東(2017)針對老虎臺煤礦離層水害，提出了采用地面鉆孔和井下鉆孔對離層水體預疏放、強徑流帶截流的防控方法。 1.2.2 潰水潰沙災害研究現狀 潰水潰沙災害是神府礦區淺埋煤層薄基巖富水區域*突出的頂板水害之一，主要發生在煤層埋藏較淺、基巖較薄且基巖上部有厚富水沙層的區域。目前，針對潰水潰沙災害的研究主要集中在形成機理和防控技術兩個方面，國外此方面報道較少，我國部分專家、學者對此進行了較為深入的研究。 1. 潰水潰沙災害形成機理與預測研究 對煤層潰水潰沙災害的研究主要采用試驗和理論分析方法，重點研究覆巖變形破壞特征，揭示災害形成機理并計算潰沙量。 1) 潰水潰沙災害形成機理 由于地下采掘工程具有隱蔽性，現場觀測較為困難，多數學者借助室內模擬試驗對潰水潰沙災害形成機理進行研究。梁燕等(1996)開展了新近系弱膠結砂巖底板潰水潰沙室內試驗，獲得了不同試樣潰水的臨界水壓力梯度。湯愛平等(1999)進行了某礦井弱膠結粉沙的潰水潰沙機理研究，并提出災害防控的方法。張敏江等(2002)采用室內試驗研究了三種弱膠結砂巖的突水、涌沙的階段性特點。張杰等(2006)通過不同巖塊端角接觸面高度濾沙試驗，得出了滿足裂隙濾沙的合理端角接觸面高度。隋旺華等(2007)提出含水層的初始水頭和突沙口張開程度是控制礦井工作面突沙量的關鍵因素，探討了水沙混合流在運移過程中孔隙水壓力的變化規律。許延春(2008)研究了上覆含黏沙土的流動性，認為含黏沙土具有滲漏自愈性，漏斗出口直徑大小是沙土是否穩定的關鍵因素。 研究人員不僅開展了室內模擬試驗，而且從理論上對潰水潰沙現象進行了解釋。王世東等(2009)以地下水動力學為基本原理，建立了以滲透破壞的臨界水力坡度為條件的預防潰水潰沙發生的臨界條件和預測公式，分析了潰水潰沙過程中潰沙顆粒的受力情況，并建立了以臨界水力坡度判別潰沙的方法。 2) 潰水潰沙災害預測研究 國內外學者總結了近松散層覆巖破壞高度、風化帶抗滲透性能、含水沙層臨界水力坡度和導水裂隙帶導通產生的*大水力坡度，及其隨時間的變化等多項潰水潰沙災害預測的方法與指標。目前，可視化技術、地質建模技術和事故分析法等均被引入煤層潰水潰沙災害預測和安全評價。 伍永平等(2004)通過建立潰沙偽結構物理力學模型，以泥沙起動理論為基礎，提出了含水層高度與潰沙量關系，為預測潰沙量與潰沙范圍提供了依據。王梅等(2004)基于潰水潰沙災害模型及其因子分析，利用三維可視化技術和地質建模技術，提出了三維可視化條件下的潰水潰沙災害預測方法。劉宏源等(2010)研究了基于地理信息系統(geographic information system，GIS)的潰水潰沙災害實時預警和面向生產計劃的預警方法。張玉君(2005)根據多元回歸理論，研究得出以含水層水頭為判據的潰沙發生的預測公式。張蓓等(2015)以隆德煤礦為例，探討了地質鉆孔導致突水潰沙事故的形成機理和防控對策。劉洋(2016，2015a，2015b，2011)根據淺埋煤層回采工作面不同基巖厚度所面臨的潰水潰沙災害威脅程度差異，將覆巖發育形態分為豎“兩帶”和橫“兩區”，并提出了相應的潰水潰沙災害配套防控對策。 2. 潰水潰沙災害防控技術研究 針對潰水潰沙的研究，提出了疏放水、預留保水煤柱和大面積跳采等防控方法。疏放水方法是通過降低水動力條件來減小潰水潰沙的可能性，但其歷時較長，且對地下水影響較大，與神府礦區干旱、半干旱地區的保水采煤理念相悖。預留保水煤柱和大面積跳采方法是通過減小采煤對頂板的影響，避免全厚度切頂冒落或裂隙發育高度來阻止潰水潰沙通道的形成。 通過注漿改造煤層頂板條件是另一種新型的潰水潰沙災害防控措施。從工程技術角度來提高煤層頂板及以上覆巖的物理力學性能，強化煤層頂板的薄弱環
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