2024-03-26
论文立足陕西煤矿区水文地质条件复杂，水灾类型多样特点进行综合研究，分析各类水灾类型的分布、特征及防治措施，主要创新点如下：（1）系统划分了陕西省煤矿区典型水灾隐患区域分布特征，划定出陕北侏罗纪煤田存在顶板厚层砂岩水患、溃水溃沙灾害，局部存在烧变岩水患；黄陇煤田主要受顶板巨厚砂岩水患、离层溃水、泥砂溃涌灾害威胁；煤层底板奥陶系灰岩水患主要分布于陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田，以渭北煤田东部威胁较严重，对综合认识陕西省内总体煤矿水灾情况具有重要意义。（2）总结并揭示了各类煤矿水灾类型的形成机理与控制因素：陕北溃水溃沙灾害主要受导水沙裂隙带控制，并分析了致灾物源、通道、动力、空间条件；黄陇厚层砂岩水患在下伏隔水层厚度与间距控制作用下可表现为3种水灾形式，隔水层厚度较小时表现为工作面持续大流量涌水，隔水层厚度较大且与厚层砂岩间距近时易发生离层溃水，弱胶结隔水层厚度较大且靠近煤层顶板则易出现泥砂溃涌灾害；渭北煤层底板水患主要为奥陶系灰岩和太原组灰岩地下水影响，灾害发生受隐伏导水通道展布控制，为全局把控全省煤矿各类水灾特征奠定理论基础。（3）构建了陕西省煤矿典型水灾隐患治理技术框架，研究创建了以注浆固沙、封堵通道、疏水降压为核心的溃水溃沙治理技术，烧变岩水灾综合探查与帷幕注浆治理技术，厚层砂岩水患的主动防控、抽泄水治理技术及泥砂溃涌灾害综合防控技术，基于顺层定向钻孔的底板奥灰水灾超前区域注浆改造治理技术，为综合防控陕西煤矿区各类水灾提供技术支撑。作者：董书宁1, 2, 3 ， 樊 敏1, 2, 3 ， 郭小铭2, 3 ， 刘英锋2, 3 ， 郭 康2, 3 ， 姬中奎2, 3 ， 李超峰2, 3 ， 薛小渊2, 3单位：1. 煤炭科学研究总院; 2. 中煤科工西安研究院 (集团) 有限公司; 3. 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室煤炭在我国一次性能源结构中占据着首要地位， 煤炭资源的安全高效开采关乎国家能源安全和发展。 陕西省煤炭资源丰富，拥有陕北、神东、黄陇等亿吨级 煤炭基地，是我国煤炭能源战略发展的重要区域， 2022年全省原煤产量达7.46亿 t，约占全国总煤炭产量的16.8%。然而，由于区域水文地质条件的差异明显，全省水灾类型多样，且随着省内侏罗纪煤田开发强度逐渐增加，实际揭露结果表明，陕西省煤矿水 文地质条件总体较为复杂，近年来各类水灾事故呈多发态势，例如 2016 年铜川照金煤矿发生的“4·25” 泥砂溃涌事故、2021 年榆林郝家梁煤矿发生的“7·15”溃水溃沙事故、郭家河煤矿发生的“8·21” 离层溃水事故等，此外，陕西省部分煤矿涌水量极大，矿井防治水工作难度高，这都成为制约陕西煤矿安 全生产的重要因素。国内外部分学者就陕西省煤矿水灾隐患进行了系统性研究，范立民总结得出陕西省煤矿水害的基本类型为顶板水、底板水、采空区水、烧变岩水，王苏健等也对陕西顶板、底板、井筒水害的防治技术进行了系统总结;在致灾机理方面，大量学者针对榆神 矿区、黄陇煤田直罗组和洛河组含水层进行了含水层富水性、沉积控水模式及开采扰动下含水层渗流规律研究，用于指导顶板含水层充水型水 灾隐患防治;同时开展了矿山水文地质结构概化分析、溃水溃沙灾害形成机理、离层溃水灾害形成机理等方面综合研究;借鉴我国华北型煤田多年来煤层底板奥灰水灾防治形成的新技术成果，在渭北煤田开展了底板隔水层阻隔水能力与超前区域治理研究。近年来，虽然全省煤矿水害防治工作理念、技术水平都有了长足的进步，但由于大中型煤矿数量的大幅增加 、开采规模的显著增大以及全省煤矿水文地质条件差异明显，水灾事故发生起数和死亡人数均有较明显的上升趋势，这些都给陕西省煤矿防治水工作带来巨大挑战。为了进一步保障陕西省煤炭资源的安全高效开发，需系统分析陕西省煤矿水文地质条件的差异性特征，进行水灾隐患类型分区，并提出各类水灾的防治技术，以期为全省煤矿水患防治提供有益的指导。陕西省煤炭资源丰富，2022年煤炭产量达7.46亿t，是我国主要产煤省份之一。由于全省煤矿区地质及水文地质条件差异明显，煤矿水灾类型多样，随着近年煤炭开采强度的增大，水灾事故时有发生，防治水形势较为严峻。以煤炭赋存条件为基础，系统总结区域水文地质结构特征， 界定典型水灾类型及各类水灾影响区域分布，论述典型水灾的形成机理及特征，并提出了相应的 防控技术。研究表明:（1）陕西省主要煤炭产区分为陕北、黄陇、渭北三大区，陕北侏罗纪煤田主要有顶板松散沙层水灾隐患、厚层砂岩水灾隐患、溃水溃沙灾害，局部区域分布有烧变岩对煤矿造成水灾隐患;黄陇煤田主要受顶板巨厚砂岩水灾隐患、离层溃水隐患、泥砂溃涌灾害隐患威胁; 陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田，主要受到煤层底板奥陶系灰岩水灾隐患威胁。（2） 陕北侏罗系煤田顶板水灾隐患主要为顶板含水层受开采导水裂隙带扰动形成，导水裂隙波及砂岩含水层或松散沙层可形成持续大流量涌水，部分区域充水强度较大，在短时间水量较大超过排水系统能力时造成顶板水灾，在薄基岩区域垮落带直接导通松散沙层时可转变为溃水溃沙灾害，导水 裂隙带影响到烧变岩富水区域时可形成瞬时水量大且持续的烧变岩水灾;黄陇煤田顶板巨厚砂岩含水层受采动导水裂隙带波及形成高强度持续涌水并可能形成顶板水灾，当含水层下部隔水层厚度较大时，可能形成离层溃水灾害，当近煤层顶板岩层松软遇水易崩解时可转变为泥砂溃涌灾害; 陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田，煤层开采底板扰动破坏带或断层等构造导通奥陶系灰岩含水层时，会引发极为严重的底板突水灾害，该类灾害具突发性强、瞬时水量大的特征。（3）各区域的顶板水灾隐患治理技术主要包括钻孔疏泄、注浆治理、开采参数控制等，底板水灾隐患治理技术主要包括区域注浆加固及封堵等;烧变岩水灾隐患主要采取帷幕注浆与钻孔探放有机结合的防治技术。
图 1 陕西省主要煤炭资源分布
图 2 地下水含水层系统剖面
图 3 陕西省主要煤田水灾隐患分布
图 4 陕北侏罗系煤田地层结构及煤层埋深分区
图 5 浅煤层覆岩破坏划分示意
图 6 溃水溃沙灾害治理技术体系
图 7 哈拉沟煤矿 22408 工作面溃水溃沙治理工程
图 8 烧变岩分布区域
图 9 烧变岩水灾隐患治理技术体系
图 10 注浆孔分序布置及注浆技术示意
图 11 黄陇煤田典型地层结构
图 12 彬长某矿工作面涌水量曲线
图 13 厚层砂岩水患防治技术体系
图 14 高位离层水体形成机理
图 15 永陇矿区崔木煤矿工作面涌水量曲线
图 16 地面抽水、泄水钻孔防治离层水原理
图 17 泥砂溃涌致灾机理
图 18 泥砂溃涌灾害防治技术体系
图 19 渭北煤田典型煤层底板结构
图 20 煤层底板超前区域治理技术体系
图 21 西卓煤矿 1509 工作面煤层底板结构
图 22 西卓煤矿 1509 工作面区域治理钻孔布设
董书宁（1961年—），研究员，博士生导师，矿山水文地质学专家，国务院特殊津贴获得者，中国煤炭科工集团科技委副主任、一级首席科学家，煤矿灾害防控全国重点实验室副主任，陕西省煤矿水害防治技术重点实验室主任，兼任国家安全生产专家组煤矿地质灾害组组长、中国矿山安全学会水害防治专业委员会主任委员、中国煤炭工业协会技术委员会矿区勘探与水害防治专家委员会主任委员、国际矿井水协会中国国家委员会副主席、《煤田地质与勘探》主编、Mine Water & the Environment（SCI收录）副主编等职务。长期从事矿山水害预防与水灾治理理论、技术研究和工程实践，国家重点研发计划项目负责人，在矿井突水灾害高效封堵、煤层顶底板水灾隐患超前治理与水资源保护方面取得系列研究成果。获国家科技进步二等奖2项，省部级科技奖励特等奖1项、一等奖17项（6项排名第1），中国专利优秀奖2项，何梁何利科学与技术创新奖、孙越崎能源大奖、杰出工程师奖等，被授予“陕西省有突出贡献专家”“中国煤炭工业协会科技创新领军人才”等称号。
研究方向
矿山水害防治与水资源保护
主要成果
创建了煤层底板水灾隐患超前区域治理技术体系，突破了华北型煤田非均质岩溶含水系统水患治理的技术瓶颈；形成了煤层顶板水治保结合协同防控技术，实现了生态脆弱矿区水灾隐患治理与水资源保护的协同；攻克了矿井突水灾害控制注浆高效封堵关键技术，破解了矿井重特大水灾快速治理的世界性工程科技难题。各项成果在我国各大煤矿区广泛应用，全面推动了我国矿山防治水技术的进步与发展。
来源：
董书宁，樊敏，郭小铭，等. 陕西省煤矿典型水灾隐患特征及治理技术[J]. 煤炭学报，2024，49(2):902−916.
责任编辑：宫在芹
