内蒙古上海庙矿业：吕玉广——侏罗纪巨厚基岩下采煤突水溃砂典型案例分析

（1）软硬互层型地层条件可以在在覆岩内产生了离层裂隙（达到一定规模时称为空离层空间）。

（2）根据离层水害形成的空间条件，确定了引起本起事故的离层裂隙（空间）只能位于煤层顶板上30.54~77.1m地层高度内。

（3）将30.54~77.1m设为富水性评价的目标层段，富水性评价结果表明在XD6-1孔附近富水性较好，为离层水体形成提供了水源条件。

（4）弱胶结砂岩浸入易崩解，在水动力作用下可形成水—砂混合流体，为突水溃砂提供了砂源。

（5）疏干开采可改变富水性条件，导流管可改变离层汇水时间条件，这2种措施均可有效防止事故发生。

作 者

吕玉广1,4,赵仁乐2,彭 涛3,赵宝相1,管彦太1,张 勇1,魏永强1,乔 伟4

2单 位

1. 内蒙古上海庙矿业有限责任公司；2. 临沂矿业集团有限责任公司；3. 西安科技大学 地质与环境学院；4. 中国矿业大学 资源与地球科学学院

3研究背景 我国西北地区浅埋煤层薄基岩下采煤突水溃砂案例较多,华东、华北地区为了增加可采资源量、提高开采上限时此类地质灾害也时有发生。近年来,随着西北地区侏罗纪煤田开发强度提高,巨厚基岩下水砂混合突涌地质灾害日益突出,如内蒙古上海庙矿区、塔然高勒矿区、宁夏宁东矿区、陕西永陇矿区、黄陇煤田旬耀矿区等。
2015-04-25陕西省铜川市某煤矿综放工作面发生一起顶板突水溃砂事故,人员伤亡重大,国家安全监管部门组织专家对事故原因作了初步分析并通报;2017 年该矿开展了水文地质补充勘探工作;在补充勘探成果的基础上,彭涛等对该起事故发生的原因与致灾机理进一步分析与探讨;柳昭星等侧重于岩层破断力学分析,提出切顶压架诱发泥石流的观点。由于该起事故是西北侏罗纪煤炭资源开采较为典型的一种地质灾害,致灾机理复杂,笔者在全面收集相关资料的基础上,通过岩石物理力学性质测试、砂岩遇水崩解性试验、目标层段富水性评价、离层水害条件分析等,结合以往研究成果对事故原因和致灾机理进一步分析研究,制定了防范措施。

4摘 要 国内学者对浅埋煤层开采引起的上部松散含水砂层溃入采场的研究十分深入,泥砂来源于第四系松散层已成为共识。近年来西北侏罗纪巨厚基岩下采煤引起的水-砂混合突涌事故日益增多,成为一种新的危害性较大的地质灾害,目前国内学者对此鲜有研究。
为揭示基岩突水溃砂的孕灾机理,制定科学防范措施,以陕西黄陇煤田某矿采煤工作面突水溃砂事故为例,首先对前人做出的事故原因分析和认定提出技术商榷和探讨;依据补充勘探成果,结合突水溃砂过程,提出该起事故具有离层水害特征:离层空间汇集水源功能将砂岩裂隙水转化为“自由” 水体,引起短时高强度突水,进而提出离层水害需要同时具备5个条件,即岩石力学条件、富水性( 水源) 条件、汇水时间条件、离层空间条件、导水通道条件等。
其次,根据大量的岩石物理力学试验数据,判断4-2煤层上覆岩层具备离层产生的物质基础;根据离层水害时间、空间条件,借用“经验公式” 推断引起该起事故的离层空间应该位于4-2煤顶板上30.54~77.10m的地层内,并将这个高度范围内的地层作为富水性评价的目标层段;选取砂岩层厚度、脆塑性比值、构造分维等3种地学信息,采用新型复合叠加方法,绘制了富水性综合指数等值线图,事故点位于相对富水区内,证明离层空间所处的围岩具备离层水害的富水性(水源)条件;室内对现场采集的砂岩做了浸水崩解性试验,试验表明4-2 煤层上覆砂岩遇水极易崩解,在水动力下具有显著的流砂属性,结合历次勘探没有发现古河床(或称松散地质体)这一事实,分析该起事故的泥砂来源于含水基岩。
最后,依据离层水害发生必须具备的5个基本条件,提出改变地层富水性条件或破坏离层空间封闭性条件(或汇水时间条件) 等源头治理技术措施。通过对本起典型案例的研究,揭示了西北侏罗纪煤田基岩下突水溃砂的孕灾机理,强调事故偶发性,对西部条件类似矿区煤炭资源安全开采具有一定的借鉴意义。

5部分图片

地层综合柱状

专家组认定事故原因

文献[20]认定事故原因

压架切顶诱发泥石流

宜君组地层等厚线

离层裂隙空间位置示意

富水性指数等值线

构造纲要及构造分维等值线

富水性综合指数等值线

弱胶结砂岩崩解性实验

6作者简介

吕玉广，男，生于1969年12月8日，江苏宿迁人，中共党员，研究生学历，硕士学位，工程技术应用研究员，中国煤炭工业安全科学技术学会防治水专业委员会委员，应急管理部信息研究院煤炭工程技术共享平台专家，山东省煤炭行业协会专家库成员，内蒙古自治区煤矿安全监察局专家库成员，鄂尔多斯市能源局专家库成员，内蒙古上海庙矿业公司生产技术部部长（兼水害防治技术研究室主任）。获省部级科技奖励9项，发表学术论文30余篇。临沂矿业集团、山东能源集团分别于2016年、2017年挂牌“吕玉广高技能人才工作室”。

研究方向

煤矿水害防治、富水软岩工程劣化效应控制

主要成果

致力于煤矿水害防治——发明了煤层顶板间接充水含水层突水危险性预测“双图评价技术”、煤层顶板涌突水危险性评价预测“多类型四双工作法”；提出富水软岩地质条件下弱含水层短时高强度携砂突水的孕灾机理以及离层水害6个必备条件，为侏罗纪煤田“突水溃砂”灾害防治提供技术支撑；提出采后覆岩移动“新上四带模型”。关于软岩治理方面——针对弱胶结强膨胀高富水软岩工程问题，定义了软岩劣化效应概念，提出“治软先治水”的软岩劣化效益控制理念，建立了“大水防控、小水管理、强化支护、协同治理”工程劣化控制关键技术体系，为煤矿高效、安全生产提供了有力的技术保障。

来源：

吕玉广,赵仁乐,彭涛,等. 侏罗纪巨厚基岩下采煤突水溃砂典型案例分析[J]. 煤炭学报,2020,45(11):3903-3913.

LÜ Yuguang,ZHAO Renle,PENG Tao,et al. A typical case analysis of water-sand inrush in mining under thick overburdenrock in Jurassic coalfield[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(11):3903-3913.

责任编辑：韩晋平 编辑整理：郭晓炜 审核：常 琛

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