创新点          

         

（1）地质调查和理论分析，发现鄂尔多斯盆地K₁/J₂不整合接触带存在古风化壳。

（2）原位和室内试验，认识古风化壳的结构特征、粒度组成、矿物成分、物理力学等性质，是巨厚白垩系含水体下煤层开采突泥溃砂的主要物质来源。

（3）分析了K₁/J₂接触带古风化壳下采动突泥溃砂的综合水文工程地质条件，给出了隐伏古风化壳勘探方法，初步建立了采动突泥溃砂灾害评价工程地质模型。

       

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鄂尔多斯盆地巨厚白垩系下煤层开采突泥溃砂物源及成灾模式

作者：李文平，朱厅恩，王启庆，杨玉茹，杨　志

单位：中国矿业大学 资源与地球科学学院

         

研究背景

鄂尔多斯盆地是目前我国最大的产煤区，煤炭产量约占全国的50％；而且也是我国煤炭保有储量最大的整装煤盆地，埋深小于2000ｍ的煤炭地质储量约为20000亿ｔ，占全国的40％以上，是保障我国煤炭能源持续供给的最主要区域。侏罗系煤层为鄂尔多斯盆地目前的主产煤层，早期建设的生产矿井，主要分布在盆地周边浅埋煤层区（无白垩系覆盖区）。近年来已有一些在建和生产的大型矿井，开始延伸到盆地腹部白垩系覆盖区，生产实践表明，巨厚白垩系含水体下煤层开采，一些矿井涌水量大，而且不少矿井还发生严重的井下突泥溃砂事故（水砂混合涌突或称井下泥石流），如陕西永陇矿区的崔木煤矿、照金煤矿、西北部的内蒙古上海庙煤矿等，严重威胁矿井安全生产，有的还造成了重大人员伤亡事故。        

关于风化壳、特别是古风化壳的工程地质性质和工程灾害研究，目前还不够系统和深入。李术才等将交通隧道突水突泥构造分成“岩溶类、断层类、其他成因类”3种类别。20世纪60年代以来，我国即开始在东部厚松散层、河湖下采煤试验，开展煤炭开采突水、突泥溃砂机理及防治技术研究，编制了《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》。研究表明，采动突泥溃砂应具备3个基本条件：① 具有物源，即松散破碎的泥砂，如松散土层、基岩中的陷落柱充填物、断层泥等；② 突泥溃砂通道，即采动裂隙；③ 一定水压作用，如承压水和水头较高的潜水。鄂尔多斯盆地巨厚白垩系覆盖下的侏罗系煤层开采矿井，由于埋深大、基岩厚度大（300～600ｍ）、完整（大都为厚层状、整体状结构）且强度较高（白垩系岩石天然单轴抗压强度一般20～40MPa，侏罗系岩石30～60MPa），目前发生突泥溃砂事故的矿井，其泥砂来源一般可以排除地表松散层和断层破碎带物质。最近的一些研究认为，泥砂来源主要有2种：一是侏罗系煤层顶板导高之内存在遇水泥化的岩层（安定组泥岩）；二是认为来源于白垩系采动离层裂隙（离层裂隙发育时是否一定产生泥砂？还有待进一步研究）。但笔者认为，这2种情况是在白垩系下侏罗系煤层开采较为普遍存在的共同条件，很难解释为何只在一些矿井或同一矿井的部分工作面发生采动突泥溃砂。

         

摘    要

鄂尔多斯盆地是我国煤炭储量最大、煤质优良的富煤区，盆地腹部为厚度达数百米至上千米的巨厚白垩系含水砂岩层覆盖。近年来，随着盆地周边煤炭开采逐渐向腹地延伸，巨厚白垩系覆盖区侏罗系煤炭开采的一些矿井，发生了严重的突泥溃砂事故，给煤炭安全开采造成严重威胁。        

通过地质理论分析和区域露头地质调查，认为白垩系底部与中侏罗系顶部接触带(K₁/J₂)存在古风化壳，具备突泥溃砂的地质组成条件。进一步测试分析了古风化壳岩体结构、物质组成、粒度组成、水理性质，进行了点荷载强度试验和原位大型剪切试验。        

表明古风化壳岩性以泥质砂岩、泥岩为主，岩体结构在垂向上具有全风化土壤层、强风化碎石层、中-弱风化裂隙块石层的分带特征，天然状态下粒度组成以角砾为主，浸水后泥砂颗粒含量明显增大，遇水存在不同程度的泥化、崩解、碎裂性质，总体属于含泥砂量较高的软弱破碎岩体，岩体强度较低，整体性质与松散泥质砂性土类似，是区域上白垩系覆盖区煤炭开采突泥溃砂的主要物质来源。        

分析了K₁/J₂古风化壳下采动突泥溃砂的综合水文工程地质条件，给出了隐伏古风化壳识别方法，提出了K₁/J₂古风化壳下采动突泥溃砂灾害评价工程地质模型。        

       

         

部分图片

       

鄂尔多斯盆地白垩系覆盖及主要矿井分布（据文献[3]修改）

   

鄂尔多斯盆地K₁/J₂接触带地层结构

     

   

鄂尔多斯盆地K₁/J₂古风化壳典型露头

   

K₁/J₂古风化壳粒径级配累计曲线

   

K₁/J₂古风化壳黏土矿物扫描电镜图像

   

不同岩性K₁/J₂古风化壳岩样浸水24h水稳性状态

   

岩石点荷载试验仪

   

JB-1组岩样P-D_e²关系曲线

   

K₁/J₂古风化壳原位剪切试验装置

   

K₁/J₂古风化壳剪切应力－剪切位移曲线

   

K₁/J₂古风化壳剪切应力－法向应力拟合曲线

   

据钻孔测井曲线划分K₁/J₂接触带古风化壳

   

某矿K₁/J₂古风化壳全风化和强风化厚度等值线

   

K₁/J₂古风化壳下煤层开采突泥溃砂工程地质模型

   

某矿工作面突泥溃砂处覆岩地质条件

     

研究方向

主要成果

致力于煤矿工程地质环境与灾害、水害防治及水资源保护的基础理论和工程技术研究，主要取得三项创新性成果：1.建立采动覆岩离层水害形成理论和防治技术，提出离层水静压突水、动力突水、井下泥石流（突泥溃砂）三种涌突模式，形成了离层水害勘探、预测评价和防治技术体系；2.基于西部矿区“生态层-水-煤系地质”系统结构及其采动影响过程机理研究，建立了“保水采煤环境工程地质模式”及区划方法，提出矿井（区）保水采煤等级及其确定方法、关键隔水层（N₂红土等）采动破坏后自然修复（隔水层再造）、生态水位采动受损监测预警技术等，深化了“保水采煤”理论和技术研究；3.探索对深部（地）地质体工程地质环境属性特征规律认识，揭示深部岩体存在天然“潜塑状态”、“高承压-弱富水”及深部土体“结构定向-水土耦合变形异常”等属性特征，并应用于解决深厚土层中煤矿立井井壁破裂、深部资源开采高承压水害等工程实践技术难题。