1、 神东矿区防溃水溃沙技术浅谈神东矿区防溃水溃沙技术浅谈 摘要：摘要：本文论述了神东矿区发生溃水溃沙事故的实例，分析了煤矿发生溃水溃沙的地质、水文条件，讲述了在神东特定条件下发生溃水溃沙事故的原理和预防、治理溃水溃沙的措施。关键词：关键词：神东矿区；溃水溃沙；浅埋煤层；风积沙；关键层 1 专题研究背景 1.1 神东矿区在国家发展中所发挥的作用 神东煤炭集团位于陕西省榆林市神木县大柳塔镇，与内蒙古伊金霍洛旗上湾镇相邻。2009 年 5 月 20 日，神东煤炭公司、神东煤炭分公司、金峰分公司、万利分公司合并后成立神东煤炭集团。神东矿区是神府东胜矿区的简称，具体含义指陕西省神木县、府谷县、内蒙古自治区
2、东胜市（现鄂尔多斯市）。现为我国最大的井工煤矿开采地，其中神东煤炭集团布尔台煤矿年产 2000 万吨，是世界第一大井工煤矿。神华神东煤炭集团 2009 年 5 月 20 日在神东矿区四公司的基础上整合成立。地跨陕、蒙、晋三省区，有 17 个煤矿，今年计划生产原煤 1.7 亿吨，约占全国总产量的 6%、全国重点煤矿产量的 12%。集团紧紧抓住国家西部大开发、能源战略西移的历史机遇，认真贯彻产业政策，在地方各级党委、政府和社会各界的大力支持下，依托神华矿电路港一体化、产运销一条龙运营模式，坚持“高起点、高技术、高质量、高效率、高效益”的建设方针，依靠技术和管理创新，形成了“生产规模化、技术现代化、
3、服务专业化、管理信息化”为基本特征的新型集约化生产模式。形成了千万吨矿井群的生产格局，2005 年率先建成全国第一个亿吨煤炭生产基地，到 2008 年，原煤生产连续四年过亿吨，商品煤生产连续三年过亿吨，综采产量连续两年过亿吨，企业安全、技术、经等主要指标达到国内第一、世界一流水平。认真履行中央企业“政治、社会、经济”三大责任。注重资源回收，推动可持续发展；加强环境保护，建成绿色生态矿区；坚持互利共赢，促进了区域经济和社会发展。神东煤炭集团将深入学习实践科学发展观，进一步解放思想，加快自主创新，丰富“四化”模式，创建“本质安全型、质量效益型、科技创新型、资源节约型、和谐发展型”企业，2010 年
4、产量达到 2 亿吨，2013 年达到 3 亿吨，为推动“科学发展，再造神华，五年实现经济总量翻番”，促进国民经济又好又快发展作出贡献，创百年神东，做世界煤炭企业的领跑者。1.2 神东矿区面临的严峻的环境问题 地下水对采矿工程的安全和稳定的影响越来越突出；水资源的破坏对人类的影响越来越大，造成大量水土流失，土地荒沙漠化其中土地（荒）沙漠化是影响当地环境保护、经济发展的重大问题之一，已严重威胁到当地居民的生存和发展。该矿区的煤层埋藏浅，埋深一般在 100m 以内，煤层上覆基岩薄，煤层开采沉陷会直至地表，不仅导致水资源流失，而且造成地表风积沙流动。耕地、草场风蚀沙化或为流沙所侵占，严重地影响着当地的
5、居民及其农牧业的生活、生产，从而导致农作物产量降低，土地生产潜力下降，最终造成可 利用土地资源丧失，严重地影响了当地的经济发展和人民生活，同时也使该地区的生态平衡遭受了严重的破坏。根据有关资料显示，由于陕北资源大规模的开发，一方面矿区开发以及相应工程范围剧增，使植被破坏面积已达 180 km2，水土流失面积高达 82，年均新增侵蚀量超过 500万 t，每年由穿过矿区的乌兰木伦河输走的泥沙已从 1.7 亿 t 增加到 2.39 亿 t，并且有日趋严重之势；另一方面，矿井开采破坏立即波及基岩面和地表，导致地下潜水水位大幅度下降，植物枯死、农作物旱死、荒（沙）漠化面积扩展，生态环境进一步恶化。如神府
6、矿区大柳塔煤矿第一个综合机械化 1203 采煤工作面，采深 4060m，来压时顶板台阶下沉直通地表，使风积沙下的丰富潜水(平均潜水水位高 10m)直泻工作面，最大涌水量达 500m3/h，不仅淹没工作面，影响生产，而且导致靠近地表的宝贵水资源流失。随着西部大开发战略的实施，这种粗放式大规模开发必将使生态环境问题更加突出，反过来也必将严重制约其经济发展1。同时，现场调研也表明，潜水水位接近地表或溢出地表时，不仅可以促进植物的生长，而且由于土的含水量较大，风既难以吹起沙层，水土流失也难以出现，环境质量比较好；当潜水位降低到草本植物仍能直接或间接(通过毛细现象)吸收的位置时，该区域就能生长出大量草本
7、植物及灌、乔木植物，于是水土流失、沙漠化也不易发生，且环境质量往往也较好；当潜水水位继续降低，以致部分草本植物因缺水而逐渐死亡，但耐旱耐酷热的草本植物仍能残存，而对根系较为发达的灌木也没有大的影响；当水位持续下降，即使灌木也难以幸免，而连乔木植物也会死亡，此时即使仍有未死掉的残艾野草，也抵挡不住风沙侵袭，因而最终导致环境质量的彻底恶化，荒漠化扩大就必不可免。所以，保持水环境不变，即保持地下潜水水位不降低，对预防陕北矿区荒（沙）漠化具有十分重要的作用。2 神东矿区水文、地质条件 2.1 神东矿区地质条件 神东矿区地处毛乌素沙漠与黄土高原丘陵沟壑区的过渡地带，属于干旱地区，常年蒸发量大于年降雨量。
8、有关研究表明：神东矿区浅埋煤层赋存的显著特点是埋藏浅、顶板基岩薄、地表为厚风积沙覆盖层。沙漠覆盖层之下基岩之上第四系的萨拉乌苏组含水层蕴藏着宝贵的潜水，对脆弱的地表植被生长起着关键作用；同时该含水层水量丰富，矿化度小于 0.5g/L，是陕北沙漠草滩地东缘地区居民生活和工业优质用水水源，也是矿区唯一的含水层。现场调研也表明，潜水水位接近地表或溢出地表时，不仅可以促进植物的生长，而且由于土的含水量较大，风既难以吹起沙尘，水土流失也难以出现，环境质量比较好；当潜水水位降低到草本植物及灌、乔木植物，或间接（通过毛细现象）吸收的位置时，环境质量往往比较好；当潜水水位继续降低，以致部分草本植物因缺水而逐渐
9、死亡，但耐旱酷热的草本植物仍能残存，而对根系较为发达的灌木也没有大的影响；当水位持续下降，即使灌木也难以幸免，而连乔木植物也会死亡，此时即使仍有未死掉的残艾野草，也抵挡不住风沙侵袭，因而最终导致环境质量的彻底恶化，荒漠化扩大就必不可免。所以，保持水环境不变，即保持地下潜水水位不降低，对预防陕北矿区荒（沙）漠化具有十分重要的作用。但是由于煤层顶板基岩一般比较薄，随着矿区大规模的开发，采动裂隙将直接影响和波及到该含水层，造成水源地的直接破坏，并导致原来接受该含水层补给的井泉、河流和 水库干涸，加剧了地表荒漠化进程，同时也使该区域生态环境面临严重危险。据统计，矿区开采初期地表植被破坏面积就达 1 2
10、6.6 万亩，年增加水土流失量达 2 78 0 万 t。因此，对神东矿区浅埋煤层开采岩层导水裂隙发育规律及地下水资源保护性开采的研究，具有十分巨大的意义。此外，神东矿区浅埋煤层长壁开采工作面曾发生多次涌水溃沙灾害。为了防治此类灾害，目前采取“强排提前疏放，上吐下泻”，达到提前疏降地下水，使初次放顶时水动力降低，以沙溃入矿井的动力条件不存在为目的。矿区地表广泛地覆盖着第四系黄土和风积沙，中生界地层在各大河谷中出露。据勘探揭露的地层从老到新基本上为三叠系、侏罗系、白奎系、第三系、第四系地层。矿区构造简单，断层稀少、地层近似水平，微向西倾斜、倾角 1 30 的单斜构造。侏罗系中统延安组为本矿区的含煤
11、地层，总厚度 250-310m，含煤层数多达 18 层，一般 510 层，可采煤层 13 层，一般 36 层，煤层可采厚度总计 27m，最大单层厚度 12.8m，煤系地层在神府矿区出露较多，并且在神府矿区埋藏较浅，至榆神矿区随着地层总体西倾，埋深也逐渐增大，主采煤层 2-2 的覆岩厚度 100400m。而神府矿区大部分，榆神矿区东部首采煤层 2-2 的覆岩厚度都小于 100m。神东矿区可采煤层赋存特征如表 1.1 所示。表 1.1 神东矿区可采煤层赋存特征表 2.2 神东矿区水文条件 详细分析神东矿区地质及水文地质资料后可以看出:1）神东矿区位于鄂尔多斯侏罗纪聚煤盆和下白奎统蓄水盆地东北边缘，
12、横跨盆地东北部下侏罗统延安组（J1-2y）、中侏罗统直罗组（J2z）和下白奎统志丹群洛河组（K1l）浅部露头区，黄河二级支流乌兰木伦河中游(神东矿区段)实质沿白要系与侏罗系边界发育;2）以乌兰木伦河为界，神东矿区跨跃 了鄂尔多斯盆地北部第四系孔隙水系统和中西部白奎系裂隙孔隙水系统分布区（2.1）图 2.1 神东矿区地下水系统分布图 根据煤层埋藏特点及煤层与含水层组合特征，神东矿区矿井水文地质条件可以概化为两种基本类型：一类是浅埋的下侏罗统延安组煤层及顶部弱含水层直接上覆厚层中强富水的第四系松散孔隙含水层，主要分布于先期重点开发的大柳塔等矿区南部井田；另一类是中至深埋的下侏罗统延安组煤层和直罗组
13、（J2z）（局部发育安定组）上覆厚层中强富水的白坐系含水层，该类型覆盖矿区西部和北部。3 理论分析 3.1 关键层结构理论 在浅埋煤层中，关键层达到极限跨距时形成的破断岩块之间的贯通裂隙为溃水溃沙提供了通道。溃水溃沙机理有俩种：（1）老顶岩块在回转过程中形成溃水溃沙通道；（2）老顶岩块回转触矸后由于支架阻力不够，岩柱滑落失稳而溃水溃沙2。3.1.1 浅埋煤层主关键层位置对导水裂隙带高度影响浅埋煤层主关键层位置对导水裂隙带高度影响 覆岩主关键层位置不同时，对顶板导水裂隙带发育高度的影响也有所不同，如图 3.1 图 3.1 不同位置关键层破断前后导水裂隙带发展规律 由于覆岩移动是自下而上进行的，随
14、着工作面的推进关键层破断时间会随着其位置不同而不同。当推进总长度小于 A 时，关键层未破断，则处于下位的关键层可以有效减缓覆岩对工作面载荷的传递，因而主关键层处于上位时对应的导水裂隙带发育高度大于主关键层处于下位时对应的导水裂隙带高度；随着开采进行，当主关键层处于下位时，会受采动影响而先发生破断，此时裂隙发展速度因关键层破断将会超过处于关键层处于上位时裂隙发展速度，导水裂隙越过关键层迅速向上部岩层发展导致导水裂隙带发育高度激增而超过同样条件下主关键层处于上位时对应的导水裂隙带高度。因此，关键层位置对覆岩导水裂隙带发育高度有较大影响。当主关键层位于下位，距离开采煤层较近时，由于主关键层下的可压缩
15、回转空间较大，导致主关键层破断时，结构块体的下沉量、回转量、裂隙张开度较大，并一直延展发育至基岩顶部，导水裂隙发育高度明显大于“常规”导水裂隙带高度。3.1.2 “关键块”运动对导水裂隙演化的影响“关键块”运动对导水裂隙演化的影响“关键块”是关键层破断块体结构，主关键层上覆岩体导水裂隙的动态发育同“关键块”的运动有密切的联系。随着开采的进行主关键层破断块体运动会出现破断、回转、反向回转直至稳定的过程（见图），主关键层上覆岩体裂隙同样经历了“产生发育原裂隙闭合新裂隙产生”的过程3。图 3.2 浅埋煤层老顶关键块的逆向回转运动 3.1.3 浅埋煤层关键层破断对导水裂隙演化的模拟浅埋煤层关键层破断对
16、导水裂隙演化的模拟 采用 R F P A2 D 建立计算模型。模型中的参数参考补连塔煤矿 31 4 01 工作面 S1 8 钻孔岩芯力学测试结果。模型长 30 0 m，高 14 5 m，煤层厚度为 4m。考虑到开采边界的影响，煤层两侧各留设 70 m 的边界保护煤柱，初次开挖 50 m，此后每次开挖步距 10 m，总计推进 16 0m。如图 3.3(a)(g)为整个开挖过程中关键层破断期间顶板垮落与导水裂隙动态发育较明显时期弹性模量图。工作面初次开挖 50 m 时，煤层直接顶冒落，采动裂隙向关键层发展，在主关键层下部出现离层，随着工作面继续推进，其下离层空间逐渐增大；随着工作面推进至 8 0m，主关键层上出现破断裂隙；工作面推进至 90 m 时，关键层的破断裂隙进一步增大，处于随时发生破断的边缘，裂隙穿过关键层发展到其上部软岩，发育相对较为密集，同时前方沿关键层破断线出现新裂隙；当工作面推进至 10 0m 时，关键层发生破断，形成“砌体梁”结构，初次破断距为 1 00 m，关键层上覆岩层随关键层的破断整体弯曲下沉，裂隙的高度瞬间发展至软岩中部；当工作面推进至 1 1 0m 时，裂隙的高
