火山盆地強含水層下保水采煤可行性探討
——以錫林郭勒盟農乃廟井田為例

呂玉廣,孫 國,王 勇,吳寶峰

(1.中國礦業大學 資源與地球科學學院,江蘇 徐州 221116; 2.新礦內蒙古能源有限責任公司,內蒙古 鄂爾多斯 016299; 3.內蒙古上海廟礦業有限責任公司,內蒙古 鄂爾多斯 016299)

煤炭開采是一項復雜的系統性工程,煤炭資源充分開發利用必須與水土保持、生態環境保護、礦山安全等因素耦合協同,以獲取綜合效益最大化。減少礦山排水量是保水采煤的一種表現形式也是必然結果,保水不是無條件的保,是在安全、經濟、技術、環境“四位一體”綜合論證的基礎上,應疏盡疏、應保盡保。如果不得不疏的那部分水源能夠轉存于另外的儲水層內,則是對保水采煤一種創造性理解和嘗試。早在1981年,劉天泉院士團隊[1]就做出過礦區水資源保護思想的論述,指出在需要保護水體下采煤的前提是不允許導水裂縫帶波及水體,對受護水體留設防水安全煤巖柱。1992年,范立民等[2-3]針對鄂爾多斯盆地北部侏羅紀煤田地質條件,提出了保水采煤的思路和方法,并于1995年首次使用“保水采煤”一詞[4];王雙明[5-6]等建立了基于生態水位保護的保水開采技術體系;馬雄德等[7]基于煤層底板注漿加固工程,實現了渭北巖溶含水層結構保護;常金源等[8]探討了厚煤層保水采煤的最大采高等問題;張吉雄等[9-10]針對淺埋煤層保水問題提出了充填采煤技術方法;張玉軍等[11]綜合考慮煤礦安全、經濟合理以及低損害等因素,提出并發展了“控水采煤”的理念。

《煤礦防治水細則》[12]明確提出“推進防治水工作由過程治理向源頭預防、局部治理向區域治理、井下治理向井上下結合治理、措施防范向工程治理、治水為主向治保結合的轉變”,帷幕截流是源頭治理、區域治理的技術方法之一。構筑帷幕截斷補給水源為疏干開采創造條件,以最小的疏(排)水量實現煤炭資源最大化開發利用,是實現保水采煤的有效途徑之一。國外安格連斯克煤礦、斯托林鐵礦、羅希亞煤礦等在砂層、煤層和卵石層中構筑礦山截水帷幕,取得了良好的效果[13]。我國注漿堵水技術的研究和應用在20世紀50年代初開始起步[14],以后經過近60年的發展,由單一的地面直鉆孔注漿發展為地面定向鉆孔注漿、井下鉆孔注漿、井上下聯合鉆孔注漿、樁排、連續墻、防滲膜等多種截水帷幕技術,先后在 80 余座礦山成功應用了半封閉式、封閉式、落底式和懸掛式截水帷幕,截水率大多在 60%以上,取得非常好的應用效果,保護了礦山水資源和礦區生態環境[15-16]。

內蒙古自治區錫林郭勒盟農乃廟井田為一獨立的聚煤盆地,火山凝灰巖為盆地基底,盆地內沉積的煤層層數多、厚度大、儲量豐富。同時,覆蓋于盆地之上的新近系含水層滲透性強、靜儲量豐富、補給水源充足,弱膠結砂礫巖含水層具備水砂混合突涌條件[17],嚴重威脅開采安全。此外,當地氣候干旱少雨,生態條件脆弱,地帶性草甸草原不容破壞,保護生態水位尤為重要。安全、環保、資源充分利用等多重壓力之下,該礦井雖已建成多年、累計投資達52億元,至今政府有關部門仍未許投產?；诖?開展本課題研究,以期化解相應矛盾。

1 開采技術條件簡介

1.1 地層與可采煤層簡介

農乃廟井田位于內蒙古自治區錫林郭勒盟、興安盟和通遼市結合部,行政區劃隸屬錫林郭勒盟烏拉蓋管理區管轄。井田南北長約8.6 km,東西寬約5.4 km,面積約28.78 km2。

(1)地層簡介。地層(煤層)自下而上分述如下:①上侏羅統布拉根哈達組(J3b)。為煤系基底,最大揭露厚度457 m,上部為流紋巖、流紋斑巖;下部為凝灰巖、珍珠巖、松脂巖、黑曜巖等。②下白堊統大磨拐河組(K1d)。內陸山間盆地沼澤相含煤沉積,聚煤盆地似腎形,四周火山巖基底和煤層隱伏露頭控制。上部含煤巖段主要由礫巖、粗粒砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖、粉砂巖、泥巖等組成,最大厚度612.23 m;下部由泥巖、砂質泥巖和砂巖組成,巖性致密細膩,厚度230～530 m,盆地邊緣變薄至尖滅。③新近系(N2)五岔溝組。厚度48.93～130.28 m,均厚82.88 m。上段為灰色—雜色泥巖,下段為灰黃色砂礫巖。④第四系(Q)。厚度6.5～26.1 m,平均14.66 m。上部為松散沖洪積物粘土層,均厚1.19 m;下部為砂礫石層,均厚12.9 m。

(2)可采煤層簡介。自上而下煤層編號為1—15,煤層總厚度42.8 m,盆地邊緣有分叉、合并現象。6、9、11、13等煤層為較穩定的主采煤層,8、12、14等煤層為不穩定的局部可采煤層,總資源量為91 108萬t(表1)。

表1 可采煤層統計
Tab.1 Statistics of minable coal seams

1.2 含水層簡介

含水層自上而下分述如下。

(1)第四系(Q)含水層。由第四系下部3～4層不同粒級砂構成,厚度 5.92～16.58 m,均厚12.9 m。單位涌水量0.623～2.673 L/(s·m),平均1.421 L/(s·m);滲透系數8.422～25.02 m/d。水化學類型以HCO3-Na·Ca型為主,水位埋深2.72～5.83 m。

(2)新近系含水層(N)。新近系下部灰黃色砂礫巖全區分布,厚度25.25～89.85 m,均厚59.24 m。單位涌水量0.315～1.023 L/(s·m),平均0.668 L/(s·m);滲透系數0.522～7.717 m/d,平均2.663 m/d。水化學類型以HCO3-Na·Ca為主,水位埋深0.5～8.8 m。

(3)6煤頂板含水層。以砂礫巖為主,厚度5.22～61.38 m,均厚27.97 m。單位涌水量0.116 5～0.448 9 L/(s·m),平均0.233 8 L/(s·m);滲透系數0.249 5～8.629 4 m/d,平均2.712 4 m/d。水化學類型以HCO3-Na·Ca型為主,水位埋深3.75～6.49 m。

(4)9煤頂板含水層。賦存不穩定的中粗粒砂巖,均厚為34.23 m。單位涌水量為0.001～0.083 L/(s·m),滲透系數0.007～0.924 m/d。水化學類型以HCO3-Na·Ca為主,水位埋深2.47～23.37 m。

(5)11煤頂板含水層。賦存不穩定的中粗粒砂巖,厚度3.3～45.8 m,均厚30.99 m。單位涌水量0.000 9～0.088 5 L/(s·m),滲透系數0.004～0.832 m/d。水化學類型以HCO3-Na為主,水位埋深4.32～41.05 m。

第四系含水層、新近系含水層、6煤頂板含水層等富水性中等—強,新近系含水層與6煤頂板含水層水力聯系密切,可視為同一含水層(以下統稱復合含水層);煤層頂板砂巖含水層富水性弱。淺部煤層開采導水裂隙可波及復合含水層,此外,復合含水層向煤層頂板含水層以越流形式補給。地層沉積結構與含水層補給路徑如圖1所示。

1.3 隔水層簡介

主要隔水層有新近系上部泥巖隔水層、煤系地層內厚度不等的泥巖、粉砂巖等。

(1)新近系上部泥巖隔水層。厚度23.70～65.15 m,厚度大于35 m的區域約占井田面積94%,分布穩定,阻斷第四系與新近系含水層之間水力聯系。

(2)煤系隔水層。6煤與8煤之間主要為砂質泥巖、粉砂巖,厚度1.85～24.50 m,均厚7.98 m;9煤層直接頂板為砂質泥巖或粉砂巖,厚度1.85～14.25 m,均厚6.9 m,直接底板為泥巖或粉砂巖,厚度1.95～39.05 m,均厚11.96 m;11煤層直接頂板為砂質泥巖,厚度2.40～39.05 m,均厚17.97 m,這些巖層具有一定的隔水性。

(3)基底阻水邊界。煤系基底火山巖與上覆沉積巖呈角度不整合接觸,火山巖含、導水性微弱,是聚煤盆地底部阻水邊界。

1.4 工程地質簡介

(1)6煤層。頂板巖層平均抗壓強度4.9MPa,平均抗拉強度0.88 MPa,平均黏聚力0.8 MPa,RQD值平均50%;底板巖層平均抗壓強度6.45 MPa,平均抗拉強度0.55 MPa,平均黏聚力0.7 MPa,平均泊松比0.4。

圖1 井田第10勘探線剖面Fig.1 Section of the 10th exploration line in the minefield

(2)9煤層。頂板巖層平均抗壓強度8.27 MPa,平均抗拉強度1.0 MPa,平均黏聚力0.4 MPa,平均泊松比0.15,RQD值平均63%;底板巖層平均抗壓強度9.53 MPa,平均抗拉強度0.76 MPa,平均黏聚力0.4 MPa,平均泊松比0.35,RQD值平均68%。

(3)11煤層。頂板巖層平均抗壓強度10.31 MPa,平均抗拉強度0.74 MPa,平均黏聚力0.6 MPa,平均泊松比0.22,RQD值平均65%;底板巖層平均抗壓強度11.59 MPa,平均抗拉強度0.8 MPa,平均黏聚力0.5 MPa,平均泊松比0.18,RQD值平均70%。

(4)13煤層。頂板巖層平均抗壓強度8.16 MPa,平均抗拉強度0.79 MPa,平均黏聚力0.5 MPa,平均泊松比0.19,RQD值平均72%;底板巖層平均抗壓強度11.53 MPa,平均抗拉強度0.82 MPa,平均黏聚力0.62 MPa,平均泊松比0.11,RQD值平均73%。

結合巖石水理性質,可以判定煤層頂、底板巖層屬極弱型軟巖,具有弱膠結、低強度、強膨脹、遇水易崩解等特點,容易發生水—砂混合型突水。

1.5 生態環境簡介

地表標高+868～+892 m,地勢較為平坦,緩波狀起伏,為第四系全覆蓋。北溫帶大陸性半濕潤、半干旱性氣候,年降雨量150～480 mm,多年平均降雨量342 mm,多年平均蒸發量1 552 mm,蒸發量為降雨量的3.8倍。草原是主要地帶性植被,草原可利用面積為4 597.3 km2,地形地貌如圖2所示。

圖2 井田草場地貌Fig.2 Minefield grassland landform

2 構筑阻水帷幕必要性分析

2.1 突水潰砂危險性分析

綜合鄰近礦區井工煤礦資料,導水裂隙帶高度約為采高的12.5倍,按照一次采全高估算,各層煤全部或局部范圍內導水裂隙波及復合含水層,受水威脅的煤炭資源量為49 431萬t,約占井田總資源量54.3%(表2)。

表2 受水威脅資源量統計Tab.2 Statistics of water threatened resources

復合含水層富水性好、靜儲量大、補給水源豐富,疏干開采不可行,導水裂隙一旦波及勢必釀成嚴重的突水事故;巖層具有低強度、弱膠結、遇水崩解等特點,突水形式將會是水—砂混合性突涌,淹面埋架情況難以避免,危害性大。因此,有必要構筑阻水帷幕截斷周邊補給路徑,然后進行徹底疏放,從源頭上消除突水潰砂災害。

2.2 原開發利用方案分析

根據前期編制的礦井開發利用方案分析:6、8、9等煤層,整層棄采,共損失煤炭資源19 994萬t。主采的11煤層資源利用情況如圖3所示。綠色部分為綜放不限采高開采,可利用資源為8 510萬t;黃色部分為綜放限采高6 m開采,可利用資源為4 560萬t;粉紅色部分為限高3 m綜采,可利用資源為730萬t;紅色部分作為防水煤柱留設,則11煤可利用資源為13 800萬t,占11煤總資源量的45%。

圖3 11煤資源利用方案Fig.3 No.11 coal resource utilization plan

12煤綜放不限采高,可利用資源為1 526萬t,防水煤柱資源量為1 150萬t;13煤綜放不限采高,可利用資源為20167萬t,淺部防水煤柱資源量為7 850萬t;14煤綜放不限采高,可利用資源為9 101萬t,防水煤柱資源量為900萬t。

煤層被劃分成不限采高開采和限采高開采2部分,可利用部分形狀不規則,采場布置困難、采煤工藝轉換不暢。井田總資源量91 108萬t,可利用資源(工業儲量)僅44 594萬t,損失率達到51.5%,從提高資源利用率、增加礦井服務年限、降低噸煤投資成本等角度考慮,有必要采取措施從源頭上消除水患。

2.3 人文生態環境分析

區內草甸草原是當地主要地帶性植被,占總面積的91.7%,以二、三、四等草地為主,產量以3、4、5級屬多。植物類型多樣,有62科501種,除牧草以外,大黃、桔梗、甘草、柴胡等中蒙醫藥用野生植物較多。原始草原、湖泊、水庫、濕地和泉水、白樺林、野豬溝、芍藥溝、黃花溝等自然景觀優美。布林廟、農乃廟、成吉思汗邊墻、古人類活動遺址等歷史遺跡、烏珠穆沁部落等文化遺產展現了蒙古族獨特的民俗風情文化內涵,與自然景觀融為一體,是良好度假避暑圣地。

原生態草原是自然景觀最重要的組成部分,在降雨量稀少的環境下,將礦井水補給涵養草原的淺層地下水,對生態人文環境更有裨益。

3 保水采煤基本方案

3.1 指導思想

(1)堅持辦礦先治災的理念,從源頭上防范水害事故的發生,確保礦井安全生產。

(2)堅持今天浪費資源就是對后人犯罪的理念,最大化利用自然資源。

(3)堅持生態友好型發展理念,保護生態環境就是保護人類共同的家園。

(4)堅持技術可行、安全可靠、經濟合理原則。

3.2 構筑帷幕墻可行性分析

(1)構筑阻水帷幕條件分析。盆地基底火山巖富水性弱、滲透性差,是天然的隔水邊界;新近系上部全區發育的泥巖層具有良好的隔水性,可以阻斷復合含水層與第四系含水層之間水力聯系;新近系下部礫巖層為水源補給通道;盆地四周基巖埋藏淺,帷幕墻工程量小,易于施工。設計沿盆地周邊(煤層隱伏露頭)構筑一道落底式封閉性帷幕墻,阻斷井田內外新近系含水層水力聯系,復合含水層由開放性補給邊界變為孤立的水文地質單元,為疏干開采創造條件。

(2)保護第四系含水層。第四系含水層對生態環境影響巨大,是重點保護對象。注漿孔在第四系含水層內下入止水套管,避免漿液進入第四系松散含水層內,防止水源受到污染。以盆地基底火山巖為墻體底界,以新近系上部隔水泥巖為墻體頂界,截斷新近系含水層側向補給路徑,不影響第四系含水層水自然徑流。

(3)水資源轉儲。帷幕墻構筑后,在井田上方以井群形式施工水源井,主動抽排復合含水層水,排到地表后以滲透方式轉入第四系松散含水層。第四系松散含水層厚度較大、孔隙度高,儲水能力大;滲透性好,抽排到地表的水容易入滲到第四系含水層內;含水層小范圍內飽和后,可以通過周邊開放性滲透邊界向更大范圍內滲流。如此,復合含水層水資源以轉移儲存空間方式保存在第四系含水層內(圖4)。2種水源水化學類型一致,有毒有有害元素均不超標,符合“良水回灌”的原則,于環保政策可行。早期抽排的水基本可以被第四系含水層吸納,后期部分水可以通過烏拉蓋河排入30 km外的烏拉蓋水庫。井下開采面積達到一定規模后地面必將形成沉陷盆地,地表將形成新的水庫,礦井水經過處理后直接排入水庫,利好于氣候環境。

圖4 水資源轉移儲存空間示意Fig.4 Schematic diagram of water resources transfer and storage space

3.3 帷幕墻設計

(1)確定幕址的方法。井田含煤面積約28 km2,平面形狀似腎形,長軸走向N45°的。垂直于盆地長軸方向共有13條勘探線,平行于長軸方向有1條勘探線。

在勘探線剖面圖上,從煤層露頭處作2條垂線,與盆地基底交于2點;以相鄰鉆孔為基準點,將剖面圖上的交點投繪到平面圖上;在平面圖上量取該點坐標即該剖面線上帷幕墻的坐標點。共可獲得28個基點坐標,以平滑曲線連接各基點得到閉合曲線,該閉合曲線即為完整的帷幕墻址。

地表至盆地基底的豎直高度即為注漿孔深度(為防止幕底繞流,注漿孔宜深入基底5 m),平均孔深113 m;新近系隔水層到盆地基底的豎直高度為帷幕墻有效高度(吃漿段),平均59.2 m。

帷幕圈定面積約28.8 m2,帷幕周長約23 608 m,注漿孔平均深度113 m,吃漿段高度平均59.2 m(圖4)。

(2)帷墻有效厚度。理論上帷幕的安全性取決于注漿材料所能容許的滲透比降(J0)和帷幕所承受的最大水頭高度(HS),可采用式(1)計算:

T=J0/HS

(1)

式中,T為帷幕有效厚度;J0為滲透比降,無量綱;HS為最大水頭高度。

參照河南焦作演馬莊煤礦、內蒙古呼倫貝爾煤礦、敏東一礦、陜西神木檸條塔煤礦、陜西咸陽雅店煤礦、山東濟寧蔡園煤礦等數十對礦井工程實踐成功經驗,帷幕墻有效厚度設定為10 m。

(3)確定漿液擴散半徑。注漿孔漿液擴散半徑的影響因素較多,可參考式(2)確定擴散半徑。

(2)

式中,R為漿液擴散半徑;K為巖層滲透系數;t為注漿延續時間;r為輸漿管半徑;μ1、μ2為水與漿液粘滯系數;P為注漿壓力;n為巖層的孔隙率。

通常擴散半徑不大于15 m時工程上容易實現,實際擴散半徑需要現場試驗具體確定。

(4)注漿壓力。注漿壓力一般按式(3)

P0=Pm+(Hγ-h)/100

(3)

式中,P0為注漿總壓力;Pm為孔口壓力;H為孔口至受注層段1/2處的高度;γ為漿液密度;h為注漿前注漿層段1/2處的水柱高度。

工程實施時,現場測定H和h值。

(5)確定注漿孔間距?？组g距由帷幕墻有效厚度和擴散半徑共同確定,同時更要考慮注漿綜合成本,孔距小交圈容易、但鉆探工程量大;孔距過大則需要的擴散半徑大,注漿材料消耗量大、交圈難度大。墻體有效厚度為10 m時,按25、20、15 m孔間距分別確定所需要的孔間距(圖5)。

圖5 三種孔間距擴散半徑與交圈示意Fig.5 Three types of hole spacing,diffusion radius, and intersection diagram

孔間距為25 m時,需要擴散半徑為13.46 m,有效注漿量占注漿總量的38.5%;孔間距為20 m時,需要擴散半徑為11.18 m,注漿材料有效率為50.9%;孔間距為15 m時,需要擴散半徑為9.01 m,注入漿液有效率為58.76%?？梢?帷幕墻厚度一定時,孔間距越大、漿液材料浪費越多、所需要的擴散半徑越大,交圈的難度增加。

經測算,鉆孔費用約占工程造價的9%,注漿費用約占68%,據此確定注漿孔間距以15 m為宜。

(6)工程造價估算。帷幕墻周長約23 608 m,按孔間距15 m布孔,注漿孔總數約1 600個(含試驗孔);平均孔深113 m,總鉆探進尺約180 800 m,預計鉆孔費用約1.4億元。圍巖可注性孔隙率最大按10%估算,帷幕墻所需注漿材料體積=帷幕墻周長×帷幕墻體厚×帷幕墻高×巖體可注性孔隙率/注漿材料有效率≈190萬m3。根據當地情況,選擇水泥、粉煤灰2種材料作為注漿材料,按質量比1∶2混合,3 t干料可形成1.115 m3結石體,所需注漿材料質量為511.2萬t。其中,水泥約為170.4萬t,粉煤灰約為340.8萬t。當地水泥市場價約500元/t,粉煤灰市價約24元/t,則注漿材料總費用為9.34億元。注漿操作費按80元/t估算,約需1.36億元。其他費用(稅費、協調費)按直接費用的30%計算,約需3.63億元。帷幕工程概算費用共計約為15.7億元。

4 效益簡析

4.1 安全效益簡析

通過地面打孔注漿構建阻水帷幕,復合含水層由側向無限補給水源變成封閉性水源,為疏干開采創造條件;疏干煤層頂板含水層,則從源頭上消除了頂板突水潰砂風險。

4.2 儲量增減簡析

通過帷幕截流+水資源轉儲工程后,大大減少了防水煤柱占用的資源(僅井田西部煤層露頭附近需留設第四系防隔水煤柱,約8 276萬t),較原開發利用方案,工業儲量增加了38 238萬t。

4.3 噸煤投資和服務年限簡析

礦井設計生產能力500萬t/a,井上下生產系統已具備了生產條件,因受到頂板水害威脅,安全設施設計未能通過政府部門審批,至今未能投入試生產。

目前礦井總投資約52億元,按原開發利用方案計算,折合噸煤基本建設投資11.67元;工程實施后礦井總投資約為67.7億元,折合噸煤基本建設投資8.17元。原開發利用方案設計礦井服務年限45年,工程實施后礦井服務年限為82.8年。

5 結論

(1)農乃廟井田復合含水層具有富水性強、滲透性好、靜儲量大、側向開放性補給等特點,巖層具有弱膠結、低強度、遇水崩解等特點,容易發生水—砂混合突涌地質災害,井田約51.5%的煤炭資源受水威脅。

(2)特殊的盆地構造和地層沉積結構,為構筑截流帷幕提供了有利的空間條件;井田內復合含水層補給邊界被截斷后,為疏干開采創造了條件;第四系松散層厚度大、滲透性好、開放性邊界,為消納疏干水提供了空間條件;地下水水質優良性和相似性,符合“良水回灌”原則,可以在不污染水源的情況下進行水資源轉儲。

(3)通過帷幕截流—主動抽排水—水資源轉儲的工程路線,礦井工業儲量可增加38 238萬t,礦井服務年限可延長37.8年,噸煤基本建設投資降低了3.50元,同時從源頭上消除了頂板突水潰砂威脅,人文和生態環境進一步得到改善。