火山盆地强含水层下保水采煤可行性探讨——以锡林郭勒盟农乃庙井田为例

吕玉广,孙 国,王 勇,吴宝峰

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116; 2.新矿内蒙古能源有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯 016299; 3.内蒙古上海庙矿业有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯 016299)

煤炭开采是一项复杂的系统性工程,煤炭资源充分开发利用必须与水土保持、生态环境保护、矿山安全等因素耦合协同,以获取综合效益最大化。减少矿山排水量是保水采煤的一种表现形式也是必然结果,保水不是无条件的保,是在安全、经济、技术、环境“四位一体”综合论证的基础上,应疏尽疏、应保尽保。如果不得不疏的那部分水源能够转存于另外的储水层内,则是对保水采煤一种创造性理解和尝试。早在1981年,刘天泉院士团队[1]就做出过矿区水资源保护思想的论述,指出在需要保护水体下采煤的前提是不允许导水裂缝带波及水体,对受护水体留设防水安全煤岩柱。1992年,范立民等[2-3]针对鄂尔多斯盆地北部侏罗纪煤田地质条件,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”一词[4];王双明[5-6]等建立了基于生态水位保护的保水开采技术体系;马雄德等[7]基于煤层底板注浆加固工程,实现了渭北岩溶含水层结构保护;常金源等[8]探讨了厚煤层保水采煤的最大采高等问题;张吉雄等[9-10]针对浅埋煤层保水问题提出了充填采煤技术方法;张玉军等[11]综合考虑煤矿安全、经济合理以及低损害等因素,提出并发展了“控水采煤”的理念。

《煤矿防治水细则》[12]明确提出“推进防治水工作由过程治理向源头预防、局部治理向区域治理、井下治理向井上下结合治理、措施防范向工程治理、治水为主向治保结合的转变”,帷幕截流是源头治理、区域治理的技术方法之一。构筑帷幕截断补给水源为疏干开采创造条件,以最小的疏(排)水量实现煤炭资源最大化开发利用,是实现保水采煤的有效途径之一。国外安格连斯克煤矿、斯托林铁矿、罗希亚煤矿等在砂层、煤层和卵石层中构筑矿山截水帷幕,取得了良好的效果[13]。我国注浆堵水技术的研究和应用在20世纪50年代初开始起步[14],以后经过近60年的发展,由单一的地面直钻孔注浆发展为地面定向钻孔注浆、井下钻孔注浆、井上下联合钻孔注浆、桩排、连续墙、防渗膜等多种截水帷幕技术,先后在 80 余座矿山成功应用了半封闭式、封闭式、落底式和悬挂式截水帷幕,截水率大多在 60%以上,取得非常好的应用效果,保护了矿山水资源和矿区生态环境[15-16]。

内蒙古自治区锡林郭勒盟农乃庙井田为一独立的聚煤盆地,火山凝灰岩为盆地基底,盆地内沉积的煤层层数多、厚度大、储量丰富。同时,覆盖于盆地之上的新近系含水层渗透性强、静储量丰富、补给水源充足,弱胶结砂砾岩含水层具备水砂混合突涌条件[17],严重威胁开采安全。此外,当地气候干旱少雨,生态条件脆弱,地带性草甸草原不容破坏,保护生态水位尤为重要。安全、环保、资源充分利用等多重压力之下,该矿井虽已建成多年、累计投资达52亿元,至今政府有关部门仍未许投产。基于此,开展本课题研究,以期化解相应矛盾。

1 开采技术条件简介

1.1 地层与可采煤层简介

农乃庙井田位于内蒙古自治区锡林郭勒盟、兴安盟和通辽市结合部,行政区划隶属锡林郭勒盟乌拉盖管理区管辖。井田南北长约8.6 km,东西宽约5.4 km,面积约28.78 km2。

(1)地层简介。地层(煤层)自下而上分述如下:①上侏罗统布拉根哈达组(J3b)。为煤系基底,最大揭露厚度457 m,上部为流纹岩、流纹斑岩;下部为凝灰岩、珍珠岩、松脂岩、黑曜岩等。②下白垩统大磨拐河组(K1d)。内陆山间盆地沼泽相含煤沉积,聚煤盆地似肾形,四周火山岩基底和煤层隐伏露头控制。上部含煤岩段主要由砾岩、粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩、泥岩等组成,最大厚度612.23 m;下部由泥岩、砂质泥岩和砂岩组成,岩性致密细腻,厚度230～530 m,盆地边缘变薄至尖灭。③新近系(N2)五岔沟组。厚度48.93～130.28 m,均厚82.88 m。上段为灰色—杂色泥岩,下段为灰黄色砂砾岩。④第四系(Q)。厚度6.5～26.1 m,平均14.66 m。上部为松散冲洪积物粘土层,均厚1.19 m;下部为砂砾石层,均厚12.9 m。

(2)可采煤层简介。自上而下煤层编号为1—15,煤层总厚度42.8 m,盆地边缘有分叉、合并现象。6、9、11、13等煤层为较稳定的主采煤层,8、12、14等煤层为不稳定的局部可采煤层,总资源量为91 108万t(表1)。

表1 可采煤层统计
Tab.1 Statistics of minable coal seams

1.2 含水层简介

含水层自上而下分述如下。

(1)第四系(Q)含水层。由第四系下部3～4层不同粒级砂构成,厚度 5.92～16.58 m,均厚12.9 m。单位涌水量0.623～2.673 L/(s·m),平均1.421 L/(s·m);渗透系数8.422～25.02 m/d。水化学类型以HCO3-Na·Ca型为主,水位埋深2.72～5.83 m。

(2)新近系含水层(N)。新近系下部灰黄色砂砾岩全区分布,厚度25.25～89.85 m,均厚59.24 m。单位涌水量0.315～1.023 L/(s·m),平均0.668 L/(s·m);渗透系数0.522～7.717 m/d,平均2.663 m/d。水化学类型以HCO3-Na·Ca为主,水位埋深0.5～8.8 m。

(3)6煤顶板含水层。以砂砾岩为主,厚度5.22～61.38 m,均厚27.97 m。单位涌水量0.116 5～0.448 9 L/(s·m),平均0.233 8 L/(s·m);渗透系数0.249 5～8.629 4 m/d,平均2.712 4 m/d。水化学类型以HCO3-Na·Ca型为主,水位埋深3.75～6.49 m。

(4)9煤顶板含水层。赋存不稳定的中粗粒砂岩,均厚为34.23 m。单位涌水量为0.001～0.083 L/(s·m),渗透系数0.007～0.924 m/d。水化学类型以HCO3-Na·Ca为主,水位埋深2.47～23.37 m。

(5)11煤顶板含水层。赋存不稳定的中粗粒砂岩,厚度3.3～45.8 m,均厚30.99 m。单位涌水量0.000 9～0.088 5 L/(s·m),渗透系数0.004～0.832 m/d。水化学类型以HCO3-Na为主,水位埋深4.32～41.05 m。

第四系含水层、新近系含水层、6煤顶板含水层等富水性中等—强,新近系含水层与6煤顶板含水层水力联系密切,可视为同一含水层(以下统称复合含水层);煤层顶板砂岩含水层富水性弱。浅部煤层开采导水裂隙可波及复合含水层,此外,复合含水层向煤层顶板含水层以越流形式补给。地层沉积结构与含水层补给路径如图1所示。

1.3 隔水层简介

主要隔水层有新近系上部泥岩隔水层、煤系地层内厚度不等的泥岩、粉砂岩等。

(1)新近系上部泥岩隔水层。厚度23.70～65.15 m,厚度大于35 m的区域约占井田面积94%,分布稳定,阻断第四系与新近系含水层之间水力联系。

(2)煤系隔水层。6煤与8煤之间主要为砂质泥岩、粉砂岩,厚度1.85～24.50 m,均厚7.98 m;9煤层直接顶板为砂质泥岩或粉砂岩,厚度1.85～14.25 m,均厚6.9 m,直接底板为泥岩或粉砂岩,厚度1.95～39.05 m,均厚11.96 m;11煤层直接顶板为砂质泥岩,厚度2.40～39.05 m,均厚17.97 m,这些岩层具有一定的隔水性。

(3)基底阻水边界。煤系基底火山岩与上覆沉积岩呈角度不整合接触,火山岩含、导水性微弱,是聚煤盆地底部阻水边界。

1.4 工程地质简介

(1)6煤层。顶板岩层平均抗压强度4.9MPa,平均抗拉强度0.88 MPa,平均黏聚力0.8 MPa,RQD值平均50%;底板岩层平均抗压强度6.45 MPa,平均抗拉强度0.55 MPa,平均黏聚力0.7 MPa,平均泊松比0.4。

图1 井田第10勘探线剖面Fig.1 Section of the 10th exploration line in the minefield

(2)9煤层。顶板岩层平均抗压强度8.27 MPa,平均抗拉强度1.0 MPa,平均黏聚力0.4 MPa,平均泊松比0.15,RQD值平均63%;底板岩层平均抗压强度9.53 MPa,平均抗拉强度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煤层。顶板岩层平均抗压强度10.31 MPa,平均抗拉强度0.74 MPa,平均黏聚力0.6 MPa,平均泊松比0.22,RQD值平均65%;底板岩层平均抗压强度11.59 MPa,平均抗拉强度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煤层。顶板岩层平均抗压强度8.16 MPa,平均抗拉强度0.79 MPa,平均黏聚力0.5 MPa,平均泊松比0.19,RQD值平均72%;底板岩层平均抗压强度11.53 MPa,平均抗拉强度0.82 MPa,平均黏聚力0.62 MPa,平均泊松比0.11,RQD值平均73%。

结合岩石水理性质,可以判定煤层顶、底板岩层属极弱型软岩,具有弱胶结、低强度、强膨胀、遇水易崩解等特点,容易发生水—砂混合型突水。

1.5 生态环境简介

地表标高+868～+892 m,地势较为平坦,缓波状起伏,为第四系全覆盖。北温带大陆性半湿润、半干旱性气候,年降雨量150～480 mm,多年平均降雨量342 mm,多年平均蒸发量1 552 mm,蒸发量为降雨量的3.8倍。草原是主要地带性植被,草原可利用面积为4 597.3 km2,地形地貌如图2所示。

图2 井田草场地貌Fig.2 Minefield grassland landform

2 构筑阻水帷幕必要性分析

2.1 突水溃砂危险性分析

综合邻近矿区井工煤矿资料,导水裂隙带高度约为采高的12.5倍,按照一次采全高估算,各层煤全部或局部范围内导水裂隙波及复合含水层,受水威胁的煤炭资源量为49 431万t,约占井田总资源量54.3%(表2)。

表2 受水威胁资源量统计Tab.2 Statistics of water threatened resources

复合含水层富水性好、静储量大、补给水源丰富,疏干开采不可行,导水裂隙一旦波及势必酿成严重的突水事故;岩层具有低强度、弱胶结、遇水崩解等特点,突水形式将会是水—砂混合性突涌,淹面埋架情况难以避免,危害性大。因此,有必要构筑阻水帷幕截断周边补给路径,然后进行彻底疏放,从源头上消除突水溃砂灾害。

2.2 原开发利用方案分析

根据前期编制的矿井开发利用方案分析:6、8、9等煤层,整层弃采,共损失煤炭资源19 994万t。主采的11煤层资源利用情况如图3所示。绿色部分为综放不限采高开采,可利用资源为8 510万t;黄色部分为综放限采高6 m开采,可利用资源为4 560万t;粉红色部分为限高3 m综采,可利用资源为730万t;红色部分作为防水煤柱留设,则11煤可利用资源为13 800万t,占11煤总资源量的45%。

图3 11煤资源利用方案Fig.3 No.11 coal resource utilization plan

12煤综放不限采高,可利用资源为1 526万t,防水煤柱资源量为1 150万t;13煤综放不限采高,可利用资源为20167万t,浅部防水煤柱资源量为7 850万t;14煤综放不限采高,可利用资源为9 101万t,防水煤柱资源量为900万t。

煤层被划分成不限采高开采和限采高开采2部分,可利用部分形状不规则,采场布置困难、采煤工艺转换不畅。井田总资源量91 108万t,可利用资源(工业储量)仅44 594万t,损失率达到51.5%,从提高资源利用率、增加矿井服务年限、降低吨煤投资成本等角度考虑,有必要采取措施从源头上消除水患。

2.3 人文生态环境分析

区内草甸草原是当地主要地带性植被,占总面积的91.7%,以二、三、四等草地为主,产量以3、4、5级属多。植物类型多样,有62科501种,除牧草以外,大黄、桔梗、甘草、柴胡等中蒙医药用野生植物较多。原始草原、湖泊、水库、湿地和泉水、白桦林、野猪沟、芍药沟、黄花沟等自然景观优美。布林庙、农乃庙、成吉思汗边墙、古人类活动遗址等历史遗迹、乌珠穆沁部落等文化遗产展现了蒙古族独特的民俗风情文化内涵,与自然景观融为一体,是良好度假避暑圣地。

原生态草原是自然景观最重要的组成部分,在降雨量稀少的环境下,将矿井水补给涵养草原的浅层地下水,对生态人文环境更有裨益。

3 保水采煤基本方案

3.1 指导思想

(1)坚持办矿先治灾的理念,从源头上防范水害事故的发生,确保矿井安全生产。

(2)坚持今天浪费资源就是对后人犯罪的理念,最大化利用自然资源。

(3)坚持生态友好型发展理念,保护生态环境就是保护人类共同的家园。

(4)坚持技术可行、安全可靠、经济合理原则。

3.2 构筑帷幕墙可行性分析

(1)构筑阻水帷幕条件分析。盆地基底火山岩富水性弱、渗透性差,是天然的隔水边界;新近系上部全区发育的泥岩层具有良好的隔水性,可以阻断复合含水层与第四系含水层之间水力联系;新近系下部砾岩层为水源补给通道;盆地四周基岩埋藏浅,帷幕墙工程量小,易于施工。设计沿盆地周边(煤层隐伏露头)构筑一道落底式封闭性帷幕墙,阻断井田内外新近系含水层水力联系,复合含水层由开放性补给边界变为孤立的水文地质单元,为疏干开采创造条件。

(2)保护第四系含水层。第四系含水层对生态环境影响巨大,是重点保护对象。注浆孔在第四系含水层内下入止水套管,避免浆液进入第四系松散含水层内,防止水源受到污染。以盆地基底火山岩为墙体底界,以新近系上部隔水泥岩为墙体顶界,截断新近系含水层侧向补给路径,不影响第四系含水层水自然径流。

(3)水资源转储。帷幕墙构筑后,在井田上方以井群形式施工水源井,主动抽排复合含水层水,排到地表后以渗透方式转入第四系松散含水层。第四系松散含水层厚度较大、孔隙度高,储水能力大;渗透性好,抽排到地表的水容易入渗到第四系含水层内;含水层小范围内饱和后,可以通过周边开放性渗透边界向更大范围内渗流。如此,复合含水层水资源以转移储存空间方式保存在第四系含水层内(图4)。2种水源水化学类型一致,有毒有有害元素均不超标,符合“良水回灌”的原则,于环保政策可行。早期抽排的水基本可以被第四系含水层吸纳,后期部分水可以通过乌拉盖河排入30 km外的乌拉盖水库。井下开采面积达到一定规模后地面必将形成沉陷盆地,地表将形成新的水库,矿井水经过处理后直接排入水库,利好于气候环境。

图4 水资源转移储存空间示意Fig.4 Schematic diagram of water resources transfer and storage space

3.3 帷幕墙设计

(1)确定幕址的方法。井田含煤面积约28 km2,平面形状似肾形,长轴走向N45°的。垂直于盆地长轴方向共有13条勘探线,平行于长轴方向有1条勘探线。

在勘探线剖面图上,从煤层露头处作2条垂线,与盆地基底交于2点;以相邻钻孔为基准点,将剖面图上的交点投绘到平面图上;在平面图上量取该点坐标即该剖面线上帷幕墙的坐标点。共可获得28个基点坐标,以平滑曲线连接各基点得到闭合曲线,该闭合曲线即为完整的帷幕墙址。

地表至盆地基底的竖直高度即为注浆孔深度(为防止幕底绕流,注浆孔宜深入基底5 m),平均孔深113 m;新近系隔水层到盆地基底的竖直高度为帷幕墙有效高度(吃浆段),平均59.2 m。

帷幕圈定面积约28.8 m2,帷幕周长约23 608 m,注浆孔平均深度113 m,吃浆段高度平均59.2 m(图4)。

(2)帷墙有效厚度。理论上帷幕的安全性取决于注浆材料所能容许的渗透比降(J0)和帷幕所承受的最大水头高度(HS),可采用式(1)计算:

T=J0/HS

(1)

式中,T为帷幕有效厚度;J0为渗透比降,无量纲;HS为最大水头高度。

参照河南焦作演马庄煤矿、内蒙古呼伦贝尔煤矿、敏东一矿、陕西神木柠条塔煤矿、陕西咸阳雅店煤矿、山东济宁蔡园煤矿等数十对矿井工程实践成功经验,帷幕墙有效厚度设定为10 m。

(3)确定浆液扩散半径。注浆孔浆液扩散半径的影响因素较多,可参考式(2)确定扩散半径。

(2)

式中,R为浆液扩散半径;K为岩层渗透系数;t为注浆延续时间;r为输浆管半径;μ1、μ2为水与浆液粘滞系数;P为注浆压力;n为岩层的孔隙率。

通常扩散半径不大于15 m时工程上容易实现,实际扩散半径需要现场试验具体确定。

(4)注浆压力。注浆压力一般按式(3)

P0=Pm+(Hγ-h)/100

(3)

式中,P0为注浆总压力;Pm为孔口压力;H为孔口至受注层段1/2处的高度;γ为浆液密度;h为注浆前注浆层段1/2处的水柱高度。

工程实施时,现场测定H和h值。

(5)确定注浆孔间距。孔间距由帷幕墙有效厚度和扩散半径共同确定,同时更要考虑注浆综合成本,孔距小交圈容易、但钻探工程量大;孔距过大则需要的扩散半径大,注浆材料消耗量大、交圈难度大。墙体有效厚度为10 m时,按25、20、15 m孔间距分别确定所需要的孔间距(图5)。

图5 三种孔间距扩散半径与交圈示意Fig.5 Three types of hole spacing,diffusion radius, and intersection diagram

孔间距为25 m时,需要扩散半径为13.46 m,有效注浆量占注浆总量的38.5%;孔间距为20 m时,需要扩散半径为11.18 m,注浆材料有效率为50.9%;孔间距为15 m时,需要扩散半径为9.01 m,注入浆液有效率为58.76%。可见,帷幕墙厚度一定时,孔间距越大、浆液材料浪费越多、所需要的扩散半径越大,交圈的难度增加。

经测算,钻孔费用约占工程造价的9%,注浆费用约占68%,据此确定注浆孔间距以15 m为宜。

(6)工程造价估算。帷幕墙周长约23 608 m,按孔间距15 m布孔,注浆孔总数约1 600个(含试验孔);平均孔深113 m,总钻探进尺约180 800 m,预计钻孔费用约1.4亿元。围岩可注性孔隙率最大按10%估算,帷幕墙所需注浆材料体积=帷幕墙周长×帷幕墙体厚×帷幕墙高×岩体可注性孔隙率/注浆材料有效率≈190万m3。根据当地情况,选择水泥、粉煤灰2种材料作为注浆材料,按质量比1∶2混合,3 t干料可形成1.115 m3结石体,所需注浆材料质量为511.2万t。其中,水泥约为170.4万t,粉煤灰约为340.8万t。当地水泥市场价约500元/t,粉煤灰市价约24元/t,则注浆材料总费用为9.34亿元。注浆操作费按80元/t估算,约需1.36亿元。其他费用(税费、协调费)按直接费用的30%计算,约需3.63亿元。帷幕工程概算费用共计约为15.7亿元。

4 效益简析

4.1 安全效益简析

通过地面打孔注浆构建阻水帷幕,复合含水层由侧向无限补给水源变成封闭性水源,为疏干开采创造条件;疏干煤层顶板含水层,则从源头上消除了顶板突水溃砂风险。

4.2 储量增减简析

通过帷幕截流+水资源转储工程后,大大减少了防水煤柱占用的资源(仅井田西部煤层露头附近需留设第四系防隔水煤柱,约8 276万t),较原开发利用方案,工业储量增加了38 238万t。

4.3 吨煤投资和服务年限简析

矿井设计生产能力500万t/a,井上下生产系统已具备了生产条件,因受到顶板水害威胁,安全设施设计未能通过政府部门审批,至今未能投入试生产。

目前矿井总投资约52亿元,按原开发利用方案计算,折合吨煤基本建设投资11.67元;工程实施后矿井总投资约为67.7亿元,折合吨煤基本建设投资8.17元。原开发利用方案设计矿井服务年限45年,工程实施后矿井服务年限为82.8年。

5 结论

(1)农乃庙井田复合含水层具有富水性强、渗透性好、静储量大、侧向开放性补给等特点,岩层具有弱胶结、低强度、遇水崩解等特点,容易发生水—砂混合突涌地质灾害,井田约51.5%的煤炭资源受水威胁。

(2)特殊的盆地构造和地层沉积结构,为构筑截流帷幕提供了有利的空间条件;井田内复合含水层补给边界被截断后,为疏干开采创造了条件;第四系松散层厚度大、渗透性好、开放性边界,为消纳疏干水提供了空间条件;地下水水质优良性和相似性,符合“良水回灌”原则,可以在不污染水源的情况下进行水资源转储。

(3)通过帷幕截流—主动抽排水—水资源转储的工程路线,矿井工业储量可增加38 238万t,矿井服务年限可延长37.8年,吨煤基本建设投资降低了3.50元,同时从源头上消除了顶板突水溃砂威胁,人文和生态环境进一步得到改善。