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新疆某煤矿南部火烧区烧变岩含水层探查与水害治理

2025-07-06 115 上传者：管理员

摘要：本文以新疆某煤矿为例，在对矿区工程与水文地质条件深入分析的基础上，介绍了基于高精度磁法的火烧区探查方法，以及火烧区烧变岩含水层静储量的计算方法；讨论了采取注浆主动防控烧变岩水害的工程技术措施和效果。研究结果表明，新疆某煤矿南部存在多处烧变岩磁异常区，烧变岩含水层连通性较好，地下水静态储量为103.57万m3。完成注浆钻孔7个，累计完成钻探进尺1759.33m，共注入水泥8222.41t，锯末34500kg。注浆治理后，矿井出水点残留水量仅约31m3/h，堵水效果显著。研究结果对于新疆煤矿火烧区烧变岩水害的探查和治理具有一定的参考和借鉴意义。

关键词：
含水层静储量
富水性
注浆治理
烧变岩
磁异常区
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近年来,随着新疆煤炭资源的深入开采,火烧区烧变岩含水层的水文地质问题逐渐凸显,对煤矿的安全生产产生了重要影响[1-3]｡烧变岩由于经历了高温烘烤作用,导致岩体内部结构发生了显著变化,多尺度的裂隙和孔隙广泛发育,这些裂隙和孔隙不仅增加了岩体的渗透性,还为地下水提供了储存和运移的空间[4-6]｡此外,烧变岩含水层的导水性通常较强,地下水容易通过裂隙和孔隙进行流动,其水量丰富程度受到火烧区范围､补给条件､隔水底板发育程度和地形地貌等多种因素的影响[7-9]｡当煤层开采到接近或揭露烧变岩含水层时,如果缺乏有效的防水措施,地下水可能会突然涌入矿井,造成突水事故,导致矿井停产､人员伤亡和设备损坏,例如霍州煤电团柏煤矿九水平06石门区域烧变岩突水事故[10-15]｡烧变岩突水是一种具有突发性和难以预测性､破坏性强以及治理难度大的地质灾害｡为了有效防范和应对此类灾害,煤矿企业需要加强安全管理､提升水文地质勘探精度以及加大突水治理技术研发力度｡因此,需要对火烧区烧变岩含水层的水文地质特征进行深入探查研究,以确保煤矿的安全生产｡

1、工程与水文地质背景

1.1研究区概况

某煤矿位于新疆乌鲁木齐市乌鲁木齐县甘沟乡,距离乌鲁木齐市西南约30km,如图1所示｡某煤矿核定生产能力为90万t/年,可采储量为3300万t,矿井最大采掘深度达到560m｡矿区出露地层有中生界侏罗系下统三工河组上段､中统西山窑组与头屯河组和第四系｡井田范围内呈一向北倾斜的单斜构造,构造简单｡某煤矿主要含煤地层为侏罗系中统西山窑组下段J2x1,含煤地层总厚度为326m,含煤8层,其中可采总厚度为11.46~18.70m,平均厚度为14.24m｡井田整体构造形态呈一向北北东倾向的单斜构造,构造简单,为相对独立的水文地质单元,矿井水文地质类型为中等｡井田内主要含水层包括浅水沟河床冲洪积砂砾石潜水含水层､中侏罗统西山窑组孔隙裂隙承压水含水段､烧变角砾岩裂隙区｡中侏罗统西山窑组孔隙裂隙承压水含水段､烧变角砾岩裂隙水是开采4-5､9-15煤层的充水含水层｡

1.2南部火烧区水文地质概况

研究区浅部火烧范围大,深部火烧范围变小,在空间分布上呈一楔形｡火烧层位主要为4-5煤层､9-l5煤层及顶板岩石｡通过第15､17､19､21勘探线揭露的火烧区情况,结合井下施工的1#､3#､4#､5#､6#､7#､15#疏放水孔及地表施工的观2孔揭露资料,初步圈定了井田东部及中部区段的火烧区底界位置｡西翼火烧区底界的位置与9-15煤层底板等高线900线大体平行,与之左右交错约60m内范围｡火烧区积水主要集中于第17~19勘探线南部,原积水深度可达122.37~192.02m;东南部较浅,第15勘探线积水厚度22.27m｡

图1研究区交通位置图

2、南部火烧区磁法探查与水量计算

2.1火烧区高精度磁法探查

由于研究区含煤地层为沉积岩系,煤层变质程度很低｡但是,当煤层发生自燃时,燃烧过程中产生的高温,使含煤岩层的铁质发生化学变化,受高温烘烤变质成浅红色､赭色､浅黄色的烧变岩｡根据目前的研究,煤层围岩在加热情况,低于400℃的磁化率曲线没有明显的变化｡磁化率随着温度的升高逐渐地增加,达到围岩居里温度以后磁性消失,继续加热升温,磁化率曲线没有变化｡在冷却过程中,居里点温度上的无磁性样品随着温度的降低,磁化率κ陡然增大,样品中的铁磁性矿物随着温度的降低又获得了磁性｡岩石磁化率在降温过程中的数值要比升温过程的数值大得多,经过热磁作用后岩石的磁性显著增强了,增强的原因是产生了新的强磁性矿物(磁铁矿等)｡这一结果也说明古火区烧变岩的岩石磁性要大于正在燃烧火区的磁性｡煤系地层正常区域的正常磁场ΔT在±100nT左右,而烧变岩场值ΔT在±200nT以上,最高磁异常超过+1500nT,最低磁异常超过-1000nT｡磁性差异明显,所以用磁法勘探能有效解决对火烧区勘探的地质任务｡

井田南部高精度磁法探测共完成测线79条,在实际工作中针对精测剖面向南侧进行延长,以获得较为完整的烧变岩磁异常曲线｡共计完成物理点4462个,其中线上物理点4286个,试验点20个,质检点156个｡采用的磁力仪是Erev-1+型质子磁力仪｡工作方法主要采用10×50m的网度探测火烧区分布面积和深度｡对于高精度磁法,在无干扰及无异常地段,磁测曲线接近横轴,且表现平滑,在受干扰点表现为ΔT值单点突变｡煤层燃烧的烧变岩则表现为明显磁异常,且由于地层通常存在一定倾角,故引起的磁异常通常表现为一定幅度内的正负交替现象｡本次磁异常划分以±100nT为阈值,并结合露头位置及地层倾向､倾角､钻探成果等资料圈定火烧异常区｡如图2所示,西翼工作区位于煤层下倾方向,烧变岩埋深大,各测线多测得负磁异常,即烧变岩磁异常的尾部区域｡精测剖面则进行了延长,向南侧露头方向追索,12条精测剖面获得了较为完整的烧变岩磁异常曲线,结合本次施工验证和收集的多个钻孔(见火烧的21-火1孔､19-火2孔､SW3-1孔､SW4-1孔､东3-1孔及未见烧变岩的20-1､SW3-1-1､15-2孔)在平面图中圈定了烧变岩磁异常区范围如图中蓝色圈定范围所示｡

图2研究区磁测ΔT等值线平面图

2.2火烧区含水层静储量计算

2014年3月24日开始进行火烧区积水探放水工作,截至2014年10月20日,火烧区水位由+1017.197m下降至+900m,下降117.197m｡历时8个月的疏放,共放出火烧区积水1393962.60m3｡补充勘探可利用已获得的探放水量和探放水前火烧区积水面积等参数计算出火烧区给水度,经计算,火烧区给水度为0.044｡矿区烧变岩含水带,分别以邻近钻孔单层水位标高为顶界｡圈定各剖面火烧区富水区面积S,以相邻两条剖面之间距离富水区块为单位计算火烧区含水带体积｡计算范围东､西以矿区边界为界｡据勘探区6条剖面共分为6个区块｡火烧区含水层各剖面富水带地下水静储量统计计算可知,矿区范围内火烧区含水层地下水静态储量为103.57万m3｡由于全区火烧区含水层连通性较好｡因此,矿区附近相邻煤矿抽排火烧区地下水时,会接受邻区补给｡

2.3水样分析测试

为了查明某煤矿区火烧区水质特征,判别火烧区水化学类型,分析火烧区水文地质条件,进行水质全分析｡本次补勘针对火烧区共采集水样2组,其中水质全分析2组,测试结果如表1所示｡井田东部和西部火烧区水位及水质存在较大差异,东部水位标高在1046.90m,pH=8.1,矿化度为3474.74mg/L,而西部水位标高在974.57m,pH=9.3,矿化度为9074.45mg/L,说明东部火烧区地下水补给条件相较比西部要好,东部主要接受大气降水及浅水沟水补给,而西部主要接受大气降水补给,造成差异的主要原因是17线以东E(9-15)101工作面突水后进行了地面注浆堵水,导致东西两侧火烧区之间水力联系减弱｡

3、南部积水火烧区注浆治理

3.1注浆设计

E(9-15)101工作面为新疆某煤矿首采工作面,工作面走向长460m,切眼长110m,煤层厚度约10m,煤层倾角20°左右,工作面设计为综采放顶煤｡E(9-15)101工作面生产推采6m时发生火烧区烧变岩含水层涌水,最大涌水量约800m3/h｡火烧区地面注浆钻孔主要布置在E(9-15)101工作面出水位置附近,布置地面钻孔进行注浆封堵,充填火烧区与工作面之间的过水通道并对周边火烧区进行注浆加固,切断工作面与火烧区的水力联系｡因此,设计了7个钻孔,其中5个地面注浆钻孔,2个注浆检查孔,终孔位置控制在火烧区底板或9-15煤层底板以下5m｡共完成注浆钻孔7个,累计完成钻探进尺1759.33m｡共注入水泥8222.41t,锯末34500kg,如图3所示｡注浆钻孔的坐标和孔深信息如表2所示｡钻孔施工采用三级孔径结构,用水泥全孔固井｡

表1水质分析测试结果一览表

图3堵水工程地面注浆钻孔布置平面图

表2注浆钻孔位置与孔深

3.2注浆效果

注浆期间揭露含水层后,注浆量大,采取多次间歇注浆,压力才能达到4MPa,而且压力升高后会出现压开新通道吃浆量仍很大等情况,说明火烧区裂隙十分发育,裂隙率很高｡就该情况来看火烧区水位标高为1030m左右,出水点标高890m,出水点承受压力1.4MPa左右｡从施工平面图来看,钻孔密度相对较大,且注浆期间注浆终压均达到4.0MPa,达到注浆结束标准｡在整个注浆堵水工程中共进行三次试排水,并对排水期间及停排水位恢复期间水位变化进行了详细的记录,对堵水效果进行分析与评价｡施工结束前四个钻孔后,第一次试抽水位下降缓慢,最终稳定在标高907m左右,停抽后,水位恢复曲线与淹井时水位曲线基本吻合｡施工结束5号钻孔后进行第二次抽水,效果明显优于第一次抽水时的效果,但水量依然不低于200m3/h,不利于井底水仓的恢复｡待工程全部结束后,2013年5月10日进行正式排水,矿井水仓已基本恢复,经测量矿井残留水量不足113m3/h,矿井正常排水量80m3/h,出水点残留水量约31m3/h,堵水任务效果显著｡

4、结束语

新疆的煤矿火烧区主要分布在准东､吐哈､库拜和哈密等煤田,火势较强,对资源和环境造成较大影响｡烧变岩含水层富含地下水,一旦与矿井连通,可能引发严重的突水事故,威胁矿工安全｡此外,烧变岩层结构不稳定,可能引发地面塌陷､滑坡等地质灾害｡因此,新疆煤矿开采需要重视烧变岩含水层的水文地质特征,并采取主动防控的工程措施对其进行治理｡例如,通过详细勘查,掌握烧变岩含水层的分布和水文特征,为烧变岩水害防治提供依据｡通过在矿井火烧区周围进行注浆,形成阻水帷幕,防止烧变岩含水层的水涌入矿井,以减少其对安全生产构成的潜在威胁｡

参考文献:

[1]单成方,吴来伟,李亚锋,等.新疆地区烧变岩分布特征与资源化利用对策[J].矿业安全与环保,2024,51(05):162-167.

[2]董燕,陈彬,王美玲,等.天山北缘硫磺沟地区侏罗系烧变岩特征及其地质意义[J].成都理工大学学报(自然科学版),2024,51(05):854-866,879.

[3]张鹏.新疆准东将军戈壁一带某煤矿烧变岩边界及积水范围TEM探测[J].现代矿业,2020,36(12):53-56.

[4]韩冬梅,曹国亮,宋献方.新疆大南湖煤田烧变岩水文地质参数研究[J].工程勘察,2015,43(11):32-38.

[5]薛建坤.新疆阿艾矿区烧变岩水害特征及防治技术[J].煤炭工程,2024,56(11):90-95.

[6]胡俭,呼少平,姬中奎,等.神府矿区烧变岩水化学特征及其指示意义[J].煤矿安全,2024,55(08):167-174.

[7]王海.隐伏火烧区烧变岩含水层水害治理技术研究[J].煤田地质与勘探,2024,52(05):88-97.

[8]高利军,王海,韩强.基于电法CT和地震CT的烧变岩含水层帷幕注浆效果评价[J].能源与环保,2024,46(06):63-69.

[9]胡俭,王海,杨帆,等.陕北典型矿区烧变岩岩石学及地球化学特征[J].科学技术与工程,2024,24(23):9737-9745.

[10]郭书全,王海,韩强.基于压水试验和放水恢复试验的帷幕注浆效果综合评价[J].中国煤炭地质,2024,36(04):56-61,78.

[11]杨帆,热西提·亚力坤,薛小渊,等.浅埋煤层烧变岩地球化学与变质矿物相特征[J].西北大学学报(自然科学版),2024,54(02):329-344.