榆神矿区烧变岩和风化岩耦合水害探查治理技术

杨建; 黄园宇; 蒲悦; 康瑾; 蔡玥

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506901

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (24) :10322-10329 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506901

矿冶工程

榆神矿区烧变岩和风化岩耦合水害探查治理技术

杨建 ¹^,²^,³ ,
黄园宇 ¹^,²^,³ ,
蒲悦 ¹^,²^,³ ,
康瑾 ¹^,²^,³ ,
蔡玥 ¹^,²^,³^,^*

作者信息 +

Exploration and Treatment Technology for Coupled Water Hazards of Combustion-altered Rock and Weathered Rock in Yushen Mining Area

YANG Jian ¹^,²^,³ ,
HUANG Yuan-yu ¹^,²^,³ ,
PU Yue ¹^,²^,³ ,
KANG Jin ¹^,²^,³ ,
CAI Yue ¹^,²^,³^,^*

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摘要

榆神矿区东部存在烧变岩与风化基岩沟通,形成一个补给充沛、通道流畅、富水较强的地下水系统,对煤矿水害威胁较大。为了解决烧变岩和风化基岩耦合水害问题,开展了烧变岩含水层边界探查和风化岩水害治理的协同技术研究。结果表明:榆神矿区东部侏罗系地层顶界面发育厚度为8.0~34.0 m风化岩,属于基岩顶部的风化裂隙带,以泥质砂岩、粉砂岩和细砂岩为主,风化强度一般为上强下弱,单位涌水量0.032 381~0.044 066 L/(s·m),富水性弱,最大水压0.8 MPa;井田东部边界附近发育烧变岩含水层,岩体结构破碎,伴有烧结孔洞,单位涌水量0.04~1.391 L/(s·m),富水性弱~强,是煤层顶板风化岩含水层的主要补给水源。根据烧变岩和风化岩耦合水害特征,以及煤矿开采工艺和排水系统等,制定井上下联合探查烧变岩边界、顶板风化岩注浆改造的水害治理方法。烧变岩边界探查过程中,共施工5个地面钻孔和7个井下定向钻孔,准确圈出烧变岩含水层边界,并基于《煤矿防治水细则》(煤安监调查〔2018〕14号)要求,留设20 m防隔水煤柱。对煤层顶板以上20 m范围内采用长短钻结合的注浆改造工艺,开展煤层顶板导水裂隙带范围的注浆治理,实现了风化岩的注浆充填堵水和破碎岩体加固,消除了巷道掘进和条带充填开采过程的水害问题,为陕北矿区烧变岩和风化岩耦合水害的探查治理提供了技术支持。

Abstract

In the Yushen mining area, locally burnt rock connects with weathered bedrock, forming a groundwater system with abundant recharge sources, unobstructed flow paths, and strong water yield capacity, posing significant water hazards to underground mining operations. To address the coupled water hazards from burnt and weathered rock, collaborative technical research was conducted on burnt rock aquifer boundary detection and weathered rock water hazard control. The results indicate that a weathered rock aquifer with a thickness of 8.0~34.0 m develops at the top interface of the Jurassic formation. Its specific yield is 0.032 381~0.044 066 L/(s·m), indicating weak water yield capacity, with a maximum water pressure of 0.8 MPa. Near the eastern boundary of the well field, a burnt rock aquifer is developed, characterized by fragmented rock structure and sintered pores and cavities. Its specific capacity ranges from 0.04 to 1.391 L/(s·m), indicating weak to strong water yield capacity, and it serves as the main recharge source for the weathered rock aquifer above the coal seam roof. Based on the coupled water hazard characteristics of burnt rock and weathered rock, as well as coal mining techniques and drainage systems, a water hazard control method combining surface and underground exploration of the burnt rock boundary and grouting reconstruction of the roof weathered rock aquifer is developed. During the exploration of the burnt rock boundary, five surface boreholes and seven underground directional boreholes were drilled, accurately delineating the boundary of the burnt rock aquifer. In accordance with the Detailed Rules for Water Prevention and Control in Coal Mines (Coal Mine Safety Supervision Investigation[2018] No.14), a 20 m waterproof coal pillar was retained. A grouting reconstruction technique combining long and short boreholes was applied within the 20 m section above the coal seam roof, achieving grouting treatment in the water-conducting fracture zone of the roof. This resulted in grout filling and sealing of the weathered rock aquifer and reinforcement of the fractured rock mass, eliminating water hazards during roadway excavation and strip filling mining. This approach provides technical support for the exploration and control of coupled water hazards in burnt rock and weathered rock in the northern Shaanxi mining area.

Graphical abstract

关键词

鄂尔多斯盆地 / 浅埋煤层 / 耦合水害 / 注浆改造 / 水文地质条件

Key words

Ordos Basin / shallow coal seam / coupled water hazards / grouting modification / hydrogeological conditions

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杨建, 黄园宇, 蒲悦, 康瑾, 蔡玥. 榆神矿区烧变岩和风化岩耦合水害探查治理技术[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(24): 10322-10329 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506901

YANG Jian, HUANG Yuan-yu, PU Yue, KANG Jin, CAI Yue. Exploration and Treatment Technology for Coupled Water Hazards of Combustion-altered Rock and Weathered Rock in Yushen Mining Area[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(24): 10322-10329 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506901

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中国的能源禀赋特征决定了煤炭在未来较长时期内仍是主体能源之一^[1-2],并承担能源安全兜底保障作用。2023年中国原煤产量47.1亿t,是全球最大的煤炭生产和消费国,西部已成为煤炭开采的核心区域^[3],以井工开采为主。受覆岩地层结构、地下水赋存、地质构造、煤层展布等因素影响^[4-8],煤炭开采扰动过程中,发生了数量众多、类型多样的水害事故^[9-11],其中榆神矿区最典型的水害为烧变岩水害和风化基岩水害,有些煤矿甚至出现了烧变岩和风化基岩耦合水害问题,给煤矿井下安全造成了巨大威胁。烧变岩是一种常压下的高温变质岩石^[12-14],构造运动、氧化作用等原因导致煤层发生自燃,烧变作用使原岩层的岩石结构和物理性质发生改变^[15-17],产生规模不等的断裂缝和不规则的通风口,并引起顶部地层塌陷;烧变作用导致地层裂隙和孔隙较为发育,为地下水赋存提供了良好的条件^[18-19]。风化基岩是地层受到抬升作用,岩石遭受物理、化学和生物等风化作用而形成的产物,榆神矿区的侏罗系地层顶部在风化作用下形成了一定厚度的基岩风化带,岩石破碎严重,内部裂隙发育,整体结构松散,储水性和渗透性都明显增大,成为富水性相对较强的含水层^[20-22]。当烧变岩与风化基岩沟通,就会形成一个补给充沛、通道流畅、富水较强的地下水系统^[23],当井下采掘扰动至该含水层时,井下突涌水的风险陡增、强度巨大。因此,要解决烧变岩和风化基岩耦合水害问题,非常有必要开展这方面水害形成机理和治理技术研究。为此,基于井上下钻探探查结果,厘清烧变岩和风化基岩的基本水害特征,提出未来矿井烧变岩和风化基岩耦合水害的探查和治理设计,以期为榆神矿区煤炭资源安全绿色开采提供科学依据和技术支持。

1 研究区概况

1.1 自然概况

榆神矿区位于鄂尔多斯盆地北部,属于毛乌素沙漠与黄土高原过渡地带,为典型的温带半干旱大陆性气候,干旱少雨,蒸发量大,一般蒸发量是降水量的4~6倍。多年大气降水量在340.3~724.9 mm(平均497.8mm),且大部分以夏季暴雨形式出现,区内地表主要为第四系风积沙和黄土梁峁地貌(图1)。

研究区地势南高北低,地貌上大部分为黄土梁岗区,梁岗之上多被现代风积沙覆盖。主采3号煤层,呈层状赋存于延安组第三段上旋回顶部,埋藏深度107.85~159.75 m,总厚度在5.72~7.17 m(平均厚度6.05 m),3号煤层赋存稳定,地质构造简单;煤层顶板主要发育第四系松散潜水含水系统、中生界碎屑岩类裂隙水含水系统,包括上更新统冲湖积层孔隙潜水、第四系中更新统黄土孔隙裂隙潜水、侏罗系碎屑岩类风化壳裂隙水、碎屑岩类裂隙承压水、烧变岩裂隙孔洞承压水。新近系静乐组红土则是区域性隔水层,厚度16.63~37.27 m(平均23.94 m),岩性为棕红色黏土及粉砂质黏土,为第四系潜水与基岩风化裂隙带潜水之间良好的隔水层。

1.2 矿井采掘现状

矿井为单水平开采,水平设在3号煤层内,水平标高+1 100 m。井田3号煤划分为一个盘区,两翼开采,北翼位于大巷北部,南翼位于大巷南部。水平布置三条大巷,即带式输送机大巷、辅运大巷和北回风大巷。本矿井初期(1998—2013年)的采煤方法为采10 m留5 m房柱式开采,2008年开始采取采9 m留11 m条带式开采,2019年起采用膏体充填条带开采;矿井3号煤剩余可采储量757万t,均位于井田东部区域,该区域的东部井田边界为火烧区(图2)。

2 矿井水害特征

2.1 烧变岩和风化岩水文地质特征

尽管3号煤层顶板发育了多层含水层,但井下采掘过程中,主要面临的水害包括侏罗系碎屑岩类风化壳裂隙水、烧变岩裂隙孔洞承压水,这两个含水层具有以下水文地质特征(图3)。

(1)侏罗系碎屑岩类风化带裂隙潜水:全区分布,均隐伏于新近系静乐组红色黏土之下,含水层为基岩顶部的风化裂隙带,以泥质砂岩、粉砂岩和细砂岩为主,呈条带状分布,顶部易风化成碎渣状,岩心破碎,风化强度一般为上强下弱。厚度为8.0~34.0 m,裂隙水具承压性,水位埋深为52.86~62.26 m,渗透系数0.094 93~0.125 29 m/d,单位涌水量0.032 381~0.044 066 L/(s·m),富水性弱。水化学类型为HCO₃-Ca·Mg型,矿化度271.0~447.8 mg/L。两个井筒的基岩风化裂隙带总涌水量30 m³/d。

(2)烧变岩裂隙孔洞承压水。出露或接近地表的3号煤层,发生了氧化燃烧,高温条件下煤层顶板岩层发生炙烤,改变了其原有的颜色及物理力学性质。岩石火烧后其颜色多呈砖红色、棕红色、褐红色,岩体结构破碎(图4),裂隙呈网状发育,伴有烧结孔洞较发育,为地下水的储存及运移提供了良好的条件。揭露烧变岩的钻孔大都发生不同程度的漏水情况,以及钻具陷落、掉块、卡钻等现象。从3号煤层底板等高线图上可以清楚地看到,煤层底板东高西低,3号煤层燃烧边界附近会形成一个储水盆地。水文地质补充勘探期间,H1-1、H4-2钻孔揭露了井田东部的烧变岩,该含水层厚度30.78~32.62 m,水位埋深89.97 m,水位标高+1 175.92 m,水头高度15.35 m,渗透系数为0.126~3.601 m/d,单位涌水量0.04~1.391 L/(s·m),富水性不均一(弱~强富水性);水化学类型以HCO₃-Ca·Mg型为主,矿化度275.7~390.3 mg/L。

2.2 井下涌水特征

东高西低的地层展布特征,导致井田东部边界位置的烧变岩含水层,为风化基岩提供了充足的补给水源;相对于完整基岩,风化基岩的渗透能力和富水能力均显著增大。井下实际揭露发现,随着采掘活动向井田东部拓展,从图5可以看出,将开采工艺改为条带充填开采后,矿井涌水量反而出现了较明显的增加,从之前的10~20 m³/h增加到40~50 m ³/h,主要原因是采掘区域距离烧变岩含水层越来越近,其顶板的风化基岩含水层富水性也越来越强,出现了工作面顺槽及大巷巷道掘进过程中顶板淋水现象。4~6 m长锚索支护时,顶板出现风化基岩涌水,初始涌水量达到10~20 m³/h,巷道顶板淋水量占整个矿井涌水量超过60%(图6)。而且在井下钻探探查顶板基岩时,在不同深度基岩中出现空腔、漏沙。从井下顶板基岩厚度探查钻孔岩心可看出,钻进中基岩难以完整取心,岩心均呈破碎小圆块状,基岩风化程度高,胶结程度差,遇水破碎成沙状。3煤开采过程中,由于顶板基岩薄、风化岩风化程度高,巷道支护困难,造成顶板涌水、漏顶漏沙等风险。

3 水害探查治理技术

3.1 水害探查治理思路

开展烧变岩和风化岩耦合水害治理技术研究,首先需要通过地面勘探(包括物探和钻探)和井下揭露,查明烧变岩和风化岩的空间展布特征、含水层富水规律以及开采扰动下的水害威胁程度;其次进行可疏降性评价,如果难以疏降,则采取留设保护煤柱、风化岩注浆改造或烧变岩帷幕等治理措施,最终消除水害隐患,实现工作面安全回采(图7)。

3.2 水害治理技术

鉴于烧变岩为强富水含水层,且井田东部的烧变岩范围较大,难以通过疏降手段消除水害问题,且当前矿井排水系统排水能力有限,难以满足采用疏放火烧区烧变岩含水层水的排水需求;井田范围较小(<5.0 km²),且大部分煤炭资源已经采完,侧向帷幕手段成本较高,不适用于矿井目前的实际情况。综合分析矿井水害条件,结合目前的条带充填开采工艺(对覆岩扰动较小),采取井上下联合探查烧变岩边界、顶板风化岩注浆改造的治理方法,实现风化岩注浆加固和将风化岩含水层改造成隔水层,保障井下安全生产。

3.2.1 烧变岩水害探查

为了查清3煤覆岩结构特征、火烧区边界、烧变岩和风化基岩富水性,施工地面钻孔5个(水文钻孔3个,探煤孔2个),钻探总进尺633.60 m;井下共布置7个定向钻孔,即D1~D7钻孔,钻孔总进尺4 368 m。根据地面钻孔(包括前期水文孔)揭露,3煤厚度整体上较稳定,仅在东南部边界H1-1、H1-2钻孔3煤厚度明显变薄,H1-1、H1-2钻孔岩心显示3煤火烧,3煤顶板岩层呈红色火烧特征。根据井下定向钻孔揭露,D1、D2、D3、D4、D7钻孔施工过程中出水量小,未见3煤火烧,且钻孔施工过程中无明显漏失,未出现卡钻、空钻等现象;D5钻孔终孔揭露火烧区,D6钻孔终孔空推揭露火烧区。根据地面和井下钻探揭露结果,采用《煤矿防治水细则》(煤安监调查〔2018〕14号)附录六“二、含水或者导水断层防隔水煤(岩)柱的留设”中计算公式[式(1)],确定出井田东部边界区域的烧变岩边界。

(1)

$L=0.5KM\sqrt{\frac{3P}{{K}_{\mathrm{p}}}}$

式(1)中:L为巷道迎头或侧帮与含水层间安全隔水煤(岩)柱宽度,m;K为安全系数,取值2.5;M为巷道高度,6.0 m;P为岩(煤)柱承受的水头压力,1.0 MPa(实测最高水压0.8 MPa,按照1.0 MPa计算);K_P为隔水岩(煤)柱的抗拉强度,0.8 MPa。

由式(1)求得防隔水煤柱宽度为17.3 m。根据《煤矿防治水细则》(煤安监调查〔2018〕14号)第九十三条规定,“防隔水煤(岩)柱的尺寸要求见附录六,但不得小于20m”。因此,在烧变岩含水层边界留设了20 m的防隔水煤岩柱。

3.2.2 风化岩水害治理

根据3号煤层顶板含隔水层空间展布特征,采用长短钻结合(即常规钻探和定向钻探)的注浆治理工艺:一种采用常规钻布孔、超前预注浆后再掘进的循环作业方式;另一种采用井下定向钻的方式,直接对待掘巷道影响范围内的风化岩进行注浆改造。

(1)短钻布孔方式。针对掘进距离较短的巷道,注浆施工地点主要位于待掘巷道迎头,注浆孔终孔位置为掘进巷道顶板向上垂高20 m(本矿井的条带充填开采工艺下导水裂隙带实测结果分别为12.09 m和12.72 m,裂采比分别为2.35和2.47)、水平延伸100 m(图8),以及工作面切眼附近区域(该区域顶板风化岩较为破碎、富水性较强)。注浆治理范围为水平方向巷道两侧20 m、垂直方向顶板20 m,单孔浆液扩散半径均按照10 m考虑(图9)。

(2)长钻布孔方式。针对掘进距离较长的巷道,注浆施工地点主要位于中央大巷与顺槽交叉口、东翼边界巷道等,注浆孔终孔位置为掘进巷道顶板向上垂高20 m、水平延伸>500 m(图10)。注浆治理范围为水平方向巷道两侧20 m、垂直方向顶板20 m,单孔浆液扩散半径均按照10 m考虑(图11)。

(3)钻孔注浆工程设计。本次注浆利用地面注浆站制浆,高压泵输浆,注浆管路直连钻孔,对钻孔进行下行式连续注浆。注浆系统主要包括:水泥罐、输料槽、搅拌池、注浆泵、注浆管路、注浆孔等(图11)。

注浆过程中最大限度充填顶板风化岩含水层导水裂隙,对于施工过程中涌水量达到20.0 m³/h的钻孔,可采取分段式注浆。施工的钻孔水量小不能使用地面注浆站注浆时,采用井下现场制浆直接对钻孔进行封堵。

以单液水泥浆为主,跑浆时可视情况在井下添加锯末、海带、黄豆等骨料,跑浆特别严重且添加软骨料不起作用时,现场使用水泥、水玻璃双液浆或化学浆进行注浆封堵。①单液水泥浆:水泥为散装PO42.5普通硅酸盐水泥;②水泥-水玻璃双液浆:水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥,水玻璃为密度1.40 g/cm³ 的水玻璃溶液。单液水泥浆比重1.2~1.8,C-S双液浆配置采用密度为1.40 g/cm³水玻璃,双液浆C∶S=1∶0.4~1∶1。单孔注浆结束标准:当泵量60 L/min以下,压力达到设计终孔压力3.0 MPa,持续30 min即可结束。

针对煤层顶板风化岩的探查和注浆治理,已经实现了北翼3116工作面、3117工作面和南翼3249工作面顺槽的安全掘进,北翼3116工作面已经顺利完成第一轮充填开采工作。

4 结论

(1)3号煤层顶板发育风化岩含水层,呈条带状分布,厚度为8.0~34.0 m,单位涌水量0.032 381~0.044 066 L/(s·m),富水性弱,最大水压0.8 MPa;井田东部边界附近发育烧变岩含水层,岩体结构破碎,伴有烧结孔洞,与风化岩含水层沟通,是风化岩的主要补给水源。3煤开采过程中,由于顶板基岩薄、风化岩风化程度高,导致巷道支护困难,存在突涌水、漏顶漏沙等灾害风险。

(2)根据烧变岩和风化岩耦合水害特征,以及煤矿开采工艺和排水系统等现状,制定了井上下联合探查烧变岩边界、顶板风化岩注浆改造的水害治理方法。

(3)烧变岩边界探查过程中,共施工地面钻孔5个,总进尺633.60 m;井下定向钻孔7个,总进尺4 368 m。根据钻孔揭露,确定出烧变岩含水层边界位置,并结合《煤矿防治水细则》(煤安监调查〔2018〕14号)要求,留设了20 m的防隔水煤柱。

(4)采用长短钻结合(即常规钻探和定向钻探)的注浆改造工艺治理风化岩水害,治理范围为煤层顶板以上20 m,单孔浆液扩散半径按照10 m考虑,通过对风化岩注浆改造,实现了北翼3116工作面、3117工作面和南翼3249工作面顺槽的安全掘进,北翼3116工作面已经顺利完成第一轮条带充填开采。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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