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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“煤层顶板砂岩水资源保护与水害防治技术”专栏

来源:煤炭学报

专栏来自于《煤炭学报》2022年第10期,共6篇研究成果。专栏学术主持人为范立民教授和迟宝锁总工程师(陕煤陕北矿业有限公司)。

鄂尔多斯盆地是我国煤炭主产区,原煤产量约占全国的70%左右,经过近30年的高强度建设和开采,煤矿防治水的防控对象已经从第四系、烧变岩(陕北)和底板岩溶水(渭北)转化为煤层顶板砂岩地下水,尤其是以直罗组砂岩含水层为主的盆地北部地区,出现了矿井涌水量大、持续时间长、稳定性好的特征,这一特征不仅给煤矿企业带来了巨大的防治水压力和经济负担,也给直罗组砂岩地下水系统保护带来难题。

但长期以来,直罗组水害防治停滞于以煤矿为单元开展的工作,一叶障目,不见森林,无法从根本上解决问题。为此,申请人在陕煤集团资助下,开展了区域性的直罗组沉积演化与控水机理、采煤扰动规律研究,取得了阶段性成果。结合其他相关单位的研究,推出这一专题,不仅是鄂尔多斯盆地煤矿防治水的迫切需求,也是直罗组砂岩地下水系统保护(保水采煤)的迫切需求,对于黄河流域上中游煤炭工业高质量和环境保护,具有重要的现实意义和科学价值。

行业视野

环境保护

类别

18个

关键词

39位

专家

6篇

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  • 作者(Author): 范立民, 迟宝锁, 王宏科, 马雄德, 焦养泉, 孙 魁, 苗彦平, 王建文, 胡 俭, 马万超

    摘要:鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田原煤产量持续增加,在国家能源安全中具有重要地位。近年来,随着开采深度的增加,以直罗组含水层为突水水源的顶板水害威胁日益凸显。从含煤岩系沉积学、矿井水文地质学的角度,系统阐述了鄂尔多斯盆地北部直罗组空间赋存特征、与煤层的空间关系、直罗组含水层为水源的矿井涌水特点、直罗组地下水赋存特征和运移规律,总结了直罗组含水层水害防治存在的问题及展望。结果表明:直罗组垂向上可分为上、中、下3段,其中下段为一套半干旱气候条件下的河流相沉积,砂体规模较大,与下伏延安组冲刷结构明显。平面上,直罗组广泛分布于鄂尔多斯盆地北部,榆神北区—神府南区直罗组沉积时期,存在1条NW—SE向的古河道,形成了规模巨大的河流-三角洲充填沉积砂体;直罗组古河道砂体对延安组冲刷强烈,使延安组1-2煤、2-2煤和3-1煤在不同地区缺失。整体上,对延安组第5段冲刷作用最为强烈,第3段次之,仅有个别钻孔可见对第3段具有冲刷;以直罗组含水层作为水源的矿井涌水具有涌水量大且持续时间长、水位变幅小、稳定“供水”能力强的特点,且具有很强的隐蔽性;直罗组下段砂岩厚度、砂地比、隔水岩组厚度等从宏观上控制着直罗组地下水的赋存,良好的孔隙度、渗透率为直罗组地下水的赋存提供了良好的地下水微观储存空间;在研究区西部安定组覆盖区,直罗组与上部洛河组以及第四系萨拉乌苏组基本不存在水力联系,主要接受侧向的缓慢补给,补给条件较差,主要以静储量为主。而在研究区东部基岩风化区,直罗组与上部第四系萨拉乌苏组之间具有较为强烈的水力交换,补给条件较好,以侧向补给和上部含水层的垂向补给为主,地下水径流速度快,交替频繁,以动储量为主;针对鄂尔多斯盆地北部直罗组含水层及其水害防控问题,应从直罗组沉积体系控水机理、水文地质条件、矿井涌水量与直罗组古河道砂体含水层持续“供水”关系、地下水源头防治水技术、含水系统的供水及生态价值等方面开展深入研究。
  • 作者(Author): 孙亚军, 李鑫, 冯琳, 徐智敏, 陈歌, 刘琪

    摘要:首先,阐述了鄂尔多斯盆地煤层开采与水资源保护间的矛盾问题,包括矿井水害、区域水资源、矿区生态环境三者间的关系。其次,结合对研究区38座煤矿矿井水水质特征的调研统计,阐明了煤-水协调开采下的矿井水处理的瓶颈问题。研究区矿井水常规离子超标占比68.4%、铁、锰超标占比20%、高盐高氟等特征明显,目前矿井水处理无法同时满足较低成本、大规模的需求。然后,提出了煤矿区“三减一治”的水资源异位回灌保水技术思路,包括充水含水层水资源异位回灌、老空水异位回灌、露天矿坑水异位回灌及含特殊组分矿井水异位回灌。结合鄂尔多斯盆地某矿超深回灌存储的工程案例阐述了超深存储相关的理论与技术框架、技术内容、技术难点,建成了研究区高矿化度矿井水超深回灌-存储的示范工程。最后,基于对全国87座煤矿TDS值和133座煤矿pH值的统计分析,提出将弱酸弱碱(44%)、高矿化度矿井水(69%)进行超深回灌存储,以减少对地下水资源的消耗、浪费及对生态环境的影响,降低矿井水治理成本,该研究对类似条件矿区的地下水资源保护有长远的参考价值。
  • 作者(Author): 荣辉, 焦养泉, 高彬, 范立民, 张帆, 吴立群, 乐亮, 王建英, 郭亮亮

    摘要:古河道冲刷带是含煤岩系中常见的一种地质现象,不仅可以造成可采煤层几何形态的变化,而且影响煤矿安全、高效生产。因此,准确预测古河道冲刷带的空间分布一直是煤矿地质领域关心的重要问题。目前,对古河道冲刷带的预测主要采用沉积分析、地球物理及地质统计等方法。由于地下地球物理探测干扰因素多、影响地质统计数学模型的地质条件复杂,导致物探方法和地质统计方法对古河道冲刷带的预测结果存在多解性和不确定性,而沉积学分析被认为是解决古河道冲刷带分布预测问题最直接、最有效的方法。神府南区是陕北侏罗纪煤田的主要矿区之一,该区延安组含煤岩系顶部发育的直罗组砂体属辫状河-辫状河三角洲成因,其对可采煤层可以形成明显的冲刷带。以直罗组古河道含水层为水源的煤矿突水危险性较大,古河道顶板水害成为威胁矿区安全高效生产的重要致灾因素之一。然而,目前对直罗组古河道冲刷带的分布规律仍然不清楚,给该区域矿井防治水工作带来了极大的挑战。鉴于此,本文在野外地质调查、岩心编录基础上,通过砂分散体系、煤层厚度及古河道砂体与下伏地层的接触关系编图,实现对神府南区含煤岩系顶板古河道冲刷带的空间定位预测。研究发现,直罗组下段古河道以大套厚层砂体发育为主,厚度多在30~70 m,由多个正韵律旋回构成,其对下伏延安组地层产生了明显的冲刷作用,造成延安组第Ⅴ单元、第Ⅳ单元地层缺失或减薄。砂分散体系、煤层厚度及下伏地层单元及岩性分布编图表明,神府南区古河道冲刷带主要沿着红碱淖-尔林兔-锦界一线发育,古河道对延安组第Ⅴ单元完全冲刷区域的宽度为17~28 km,而对延安组第Ⅴ单元冲刷区域的宽度却更大,达到37~46 km。直罗组下段古河道冲刷带对于神府南区煤炭开采的影响是区域性的,在古河道砂体冲刷带附近进行煤炭开采时要做好煤层顶板水害防治工作。研究成果不仅对精准预测含煤岩系中古河道冲刷带的空间分布具有重要借鉴意义,而且可为神府南区煤矿安全、高效生产提供指导。
  • 作者(Author): 孙魁, 苗彦平, 陈小绳, 王宏科, 范立民, 杨磊, 马万超, 路波, 李成, 陈建平, 高帅

    摘要:鄂尔多斯盆地分布有黄陇、陕北、神东、宁东4个煤炭基地,主要开采侏罗系延安组煤层,顶板水害是区内煤矿开采的主要灾害,直罗组是主要突水水源之一。为研究直罗组含水层富水性特征,采用地学信息系统编图、微观孔隙结构测试与统计分析等手段,分析了直罗组含(隔)水岩组空间赋存特征,微观孔隙结构特征及其与富水性的关系。结果表明:受沉积环境的控制,直罗组可分为上、中、下三段,主要含水岩组为风化基岩段,粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩段,主要隔水岩组为粉砂岩、砂质泥岩和泥岩段。风化基岩含水层段主要位于基岩顶部3.04~83.46m,呈南北向条带状分布于研究区中部,风化基岩厚度和风化程度从中部向南北两侧逐渐变薄和减弱;直罗组下段砂岩含水岩组厚度、砂地比明显大于中上段,且下段砂体展布形态呈现出泛连式,连续性明显好于中上段;直罗组下段隔水岩组累计厚度、层数明显小于中上段,中上段含(隔)水岩组非均质性明显强于下段;对于直罗组正常基岩而言,直罗组中上段砂岩孔隙度类型以低孔为主,渗透率类型以超低渗~特低渗为主。直罗组下段砂岩孔隙度类型以中孔为主,渗透率类型以中渗为主,相比中上段,下段孔隙度和渗透率较大。直罗组遭受风化后,岩石微裂隙明显发育,相比正常基岩,风化基岩孔隙度和渗透率较大,孔隙度类型总体以中-高孔为主,渗透率类型以中-高渗为主,储水空间相比正常基岩较发育。通过分形理论将直罗组砂岩孔隙结构类型划分为4类,直罗组下段主要以I类孔隙为主,中上段以II、III和IV类孔隙为主;根据Pearson系数法相关性分析结果,直罗组下段砂体厚度、直罗组下段砂地比以及直罗组下段隔水岩组厚度从宏观尺度上对直罗组富水性具有明显的控制作用,下段是直罗组富水性的主要“贡献”层段,根据3项指标将直罗组下段砂体分为3级;通过典型钻孔直罗组下段孔隙结构与富水性之间关系的分析,孔隙结构从微观尺度上对直罗组下段富水性具有一定的控制作用,微观孔隙越发育,富水性越好;通过相关性分析和抽水试验数据对比发现,风化作用使得直罗组下段砂体富水性明显增强,直罗组下段风化砂体厚度和风化程度对风化基岩富水性控制作用较为明显;通过层次分析法对直罗组下段富水性进行了评价,基岩风化区富水性总体强于未风化区域,一级砂体区域富水性强于二级砂体及三级砂体区域。
  • 作者(Author): 吴立群, 王建英, 杨 帆, 郑宇航, 焦养泉, 荣 辉, 王宏科, 马雄德, 孙 魁, 陈雪永, 屈 伸, 李金辉

    摘要:在水文地质条件看似简单的榆神-神府矿区,采煤涌(突)水事故时有发生,一些煤矿的涌水量位居鄂尔多斯盆地之首,以往普遍认为的充水含水层难以解释这些现象。基于20年来对直罗组底部铀储层(古河道砂岩)的研究,结合直罗组古河道砂体与延安组可采煤层的空间配置关系,以及砂岩型铀矿形成与开发的基本条件,特别是直罗组古河道隐伏露头与地表泉群(带)、采煤涌(突)水的相关性分析,认为直罗组古河道可能是榆神-神府矿区矿井涌(突)水的主要水源。主要认识有:(1)直罗组古河道砂体具有区域性的分布规模,在其上游形成的具有世界级规模的东胜铀矿田证实直罗组古河道是一套区域含水层,因为含水层是砂岩型铀矿形成发育和未来开发的必要条件。(2)在直罗组古河道隐伏露头的上方,集中发育了具有超常流量的泉群和泉带,它们距直罗组古河道越近其流量越大,说明直罗组古河道为重要的含水层,它为榆神-神府矿区泉带提供了主要的水源。(3)直罗组古河道含水层构成了延安组含煤岩系的直接顶板,采煤证实直罗组古河道含水层与煤矿涌(突)水具有明显的关系。位于古河道潜伏露头附近的煤矿易于发生涌(突)水事故,而位于古河道下方的煤矿涌水量罕见,且采煤涌(突)水量与古河道砂体厚度呈正相关。(4)从关键水文地质参数的空间配置、耦合关系及其采煤时域的角度,构建了榆神-神府矿区采煤涌(突)水的成因机理模型,该模型阐明了泉带的形成发育和演化机理,揭示了采煤涌(突)水的形成机制,为未来水害防治、保水采煤、煤-铀兼采等提供了基础地质“预警”信息。
  • 作者(Author): 郭亮亮, 胡俭, 张池, 荣辉, 任智智, 王建英, 郑宇航, 王宏科, 孙魁

    摘要:古河道冲刷带是造成煤炭开采过程中水害的关键地质因素,然而,目前国内外对古河道带冲刷带的古水动力条件量化表征方面的研究却很少,限制了对含煤岩系中河道冲刷带形成过程的深入理解和精准预测。本文以鄂尔多斯盆地东北部神府南区直罗组下段古河道冲刷带为例,通过粒度分析方法量化表征了古河道冲刷带形成的古水动力条件。研究发现,直罗组下段从下往上可识别出a、b、c、d四个沉积旋回,从a旋回到d旋回,直方图中粒径逐渐分布集中;概率累积曲线以两段式为主,悬浮总体含量逐渐增多;颗粒粒径(Mz)表现为以细砂为主,含少量极细砂、粗砂;标准偏差(σ)集中在0.50~1.16,指示分选性呈中等-较好;偏度(Sk)以对称和正偏为主;峰度(Kg)主要表现为中等到尖锐;在C-M图上对应为PQ和QR段。a旋回到c旋回为辨状河三角洲平原分流河道沉积,而d旋回为曲流河三角洲平原分流河道沉积。以粒度参数及沉积环境为约束计算古水动力条件显示,a旋回底部砾石沉积的平均起动流速为1.78m/s,佛劳德数为1.05,属于高流态河道搬运,而a旋回到d旋回中砂岩沉积的起动流速分别为0.27m/s、0.26m/s、0.25m/s、0.25m/s,佛劳德数为0.16、0.15、0.14、0.14,属于低流体态河道搬运。直罗组下段底部砾岩沉积时期是形成河道冲刷带形态的关键时期,而其中砂岩沉积时期为对早期形成的古河谷的充填作用。成果对认识含煤岩系中古河道冲刷带的成因及研究区古河道冲刷带的预测具有指导意义。
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