井田水文地質(zhì)災(zāi)害分析與研究

文/張紅義

龐龐塔井田地處呂梁山脈中段西部山丘陵區(qū)，水文地質(zhì)單元屬柳林泉域巖溶水系統(tǒng)，北鄰晉祠泉域，南鄰郭莊泉域。煤層開(kāi)采時(shí)，主要威脅來(lái)自下覆奧灰高承壓巖溶水，奧灰?guī)r溶水的水位標(biāo)高為+828～+852m，井田煤底板標(biāo)高為+1050～-450m，除井田東邊界不帶壓外，其他大部分所承受的奧灰水壓在3～6MPa，尤其下組煤底板標(biāo)高-400～-500m，承受的奧灰水壓最大可達(dá)13.52MPa。

一、區(qū)域及井田水文地質(zhì)條件分析

1.巖溶水系統(tǒng)與邊界劃分

柳林巖溶水系統(tǒng)（泉域）位處晉西南呂梁復(fù)背斜的西翼，泉域內(nèi)地層出露齊全，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、中生界三疊系及新生界第三系、第四系皆有出露。其中，以中奧陶統(tǒng)灰?guī)r為主要含水巖系，柳林巖溶泉亦出露于柳林單斜構(gòu)造中部的奧陶系與石炭系接觸帶，柳林巖溶水系統(tǒng)（泉域）以中奧陶統(tǒng)上馬家溝組灰?guī)r為主要含水層，巖溶裂隙發(fā)育，地下水補(bǔ)給、運(yùn)移條件良好，賦存較豐富的巖溶裂隙地下水。

柳林泉域大體呈近南北及東西向分布，東起元古界變質(zhì)巖露頭線及東川河地表水分水嶺；南以南川河地表水分水嶺為界；北至湫水河及北川河地表分水嶺；西以井田西邊界奧灰?guī)r深埋區(qū) （埋深600m左右）為限，東西長(zhǎng)約60km，南北寬約120km，面積約5000km2，除泉域中部發(fā)育有離石向斜和王家會(huì)背斜外，總體地層為向西傾伏的單斜構(gòu)造。

2.含水巖組劃分及富水性分析

(1)松散巖類孔隙水含水巖組。該含水巖組主要分布在河谷水文地質(zhì)區(qū)，其次是低山丘陵水文地質(zhì)區(qū)，中高山及中山水文地質(zhì)區(qū)亦有零星分布，主要有第四系松散巖類孔隙水含水巖組、第三系松散巖類孔隙水含水巖組。

(2)碎屑巖類裂隙水含水巖組。該含水巖組主要分布在低山丘陵水文地質(zhì)區(qū)，根據(jù)巖性組合及含水介質(zhì)的不同，劃分碎屑巖類和碎屑巖夾碳酸鹽巖類兩個(gè)含水亞組。

(3)碳酸鹽巖類巖溶裂隙水含水巖組。該含水巖組分布于高山和中山水文地質(zhì)區(qū)及低山丘陵區(qū)。根據(jù)巖性組合、含水介質(zhì)劃分中奧陶統(tǒng)巖溶裂隙水、寒武系巖溶裂隙水兩個(gè)含水亞組。

(4)變質(zhì)巖侵入巖類裂隙水含水巖組。主要出露在泉域外圍，泉域內(nèi)有零星出露。巖性為元古界及太古界變質(zhì)巖及侵入巖組成。經(jīng)長(zhǎng)期構(gòu)造變動(dòng)及風(fēng)化侵蝕，地表及淺部風(fēng)化裂隙發(fā)育，接受大氣降水入滲補(bǔ)給，含孔隙潛水。

3.區(qū)域地下水補(bǔ)給、徑流與排泄條件

巖溶裂隙地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要以基巖裸露區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給為主，其次是南川河、東川河及三川河及其他地表水體在流經(jīng)灰?guī)r裸露區(qū)或灰?guī)r與沙礫卵石松散層接觸帶時(shí)的滲漏補(bǔ)給，局部地段尚可得到上覆裂隙水或孔隙水的越流下滲補(bǔ)給，渠系及灌溉水的回歸也是補(bǔ)給來(lái)源之一。

二、井田水文地質(zhì)條件

1.地下水類型及其主要特征

松散巖類孔隙地下水。該含水巖組主要分布在河谷水文地質(zhì)區(qū)，其次是低山丘陵水文地質(zhì)區(qū)，中高山及中山水文地質(zhì)區(qū)亦有零星分布。

碎屑巖類裂隙地下水。該含水巖組主要分布在低山丘陵水文地質(zhì)區(qū)。根據(jù)巖性組合及含水介質(zhì)的不同，劃分為二疊系碎屑巖類裂隙地下水、石炭系碎屑巖類巖溶裂隙地下水兩個(gè)含水亞組。

碳酸鹽巖類巖溶裂隙地下水。該含水巖組分布于高山和中山水文地質(zhì)區(qū)及低山丘陵區(qū)。根據(jù)巖性組合、含水介質(zhì)劃分為奧陶系中統(tǒng)峰峰組巖溶裂隙地下水、奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組巖溶裂隙地下水兩個(gè)含水亞組。

2.地下水補(bǔ)給、徑流與排泄條件

巖溶裂隙地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要以基巖裸露區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給為主，其次是南川河、東川河及三川河及其他地表水體在流經(jīng)灰?guī)r裸露區(qū)或灰?guī)r與沙礫卵石松散層接觸帶時(shí)的滲漏補(bǔ)給，局部地段尚可得到上覆裂隙水或孔隙水的越流下滲補(bǔ)給，渠系及灌溉水的回歸也是補(bǔ)給來(lái)源之一。

3.隔水巖組及隔水性能分析

(1)上組煤（5#煤）底板隔水層分析

上組煤底板隔水巖的巖性主要由泥巖、碳質(zhì)泥巖、沙質(zhì)泥巖、粉沙巖等組成，據(jù)統(tǒng)計(jì)，隔水層累計(jì)厚度一般在20～40m，最厚可達(dá)60～70m。從巖性分析，隔水層泥質(zhì)成分較高，隔水性能較強(qiáng)。

(2)下組煤（10#煤）底板隔水層分析

下組煤底板隔水層的巖性主要由泥巖、鋁質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖、沙質(zhì)泥巖、粉沙巖、山西式鐵礦等組成，厚度44.20～74.80m不等。據(jù)分析，除本溪組薄層石灰?guī)r外，其他巖層泥質(zhì)成分高，隔水性能良好。

四、開(kāi)采過(guò)程中礦井涌水量及突水危險(xiǎn)性計(jì)算

1.單位涌水量計(jì)算

式中：Q—礦井涌水量 （m3/d）；r0—理想大井的引用半徑 （m）；R—礦井開(kāi)采時(shí)地下水影響半徑（m）；T—含水層導(dǎo)水系數(shù)（m2/d）；S—礦井開(kāi)采時(shí)降落漏斗的水位降深（m）。

2.突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法

(1)有效隔水層突水系數(shù)法

計(jì)算方法突出考慮了礦山壓力對(duì)隔水層的擾動(dòng)破壞，同時(shí)考慮了巖性、構(gòu)造等地質(zhì)因素。計(jì)算公式為：Ts＝P/（M－Cp）。 其中 Ts為突水系數(shù)(MPa/m)，區(qū)域臨界突水系數(shù)一般介于0.060～0.150MPa/m之間?？紤]到本區(qū)地質(zhì)條件，取0.1MPa/m（相當(dāng)于1kgf/cm2)；在斷層破碎帶取0.06MPa/m；P為煤層底板承受水壓（MPa），從開(kāi)采煤層底板起算，奧灰靜水壓根據(jù)本次水位觀測(cè)資料計(jì)算；M為底板隔水層厚度（m），根據(jù)勘查孔及以往煤田孔資料確定；Cp為礦壓擾動(dòng)破壞厚度（m），根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式h=1.86+0.11L，并參照鄰近煤礦擾動(dòng)破壞帶的實(shí)測(cè)值（10m）。

(2)突水危險(xiǎn)性系數(shù)評(píng)價(jià)

煤底板奧灰突水系數(shù)對(duì)采煤威脅性相對(duì)大小，分為五個(gè)區(qū)，Ⅰ區(qū)：正常塊段Ts≤0.06MPa/m，突水威脅性小；Ⅱ區(qū)：正常塊段 Ts＝0.06～0.10MPa/m，突水威脅性較?。虎髤^(qū)：正常塊段 Ts＝0.1～0.15MPa/m，突水威脅性中等；Ⅳ區(qū)：正常塊段 Ts＝0.150～0.200MPa/m，突水威脅性較大；Ⅴ區(qū)：主要為落差大于20m的斷層帶地區(qū)，Ts>0.200MPa/m，突水威脅性大。

五、結(jié)論

根據(jù)龐龐塔煤礦及礦區(qū)主要煤層頂?shù)装宓乃牡刭|(zhì)特征，以及所處柳林巖溶水系統(tǒng)的位置、含水層性質(zhì)和礦井防治水的難易程度等資料分析，礦井水文地質(zhì)類型應(yīng)確定為水文地質(zhì)中等型向復(fù)雜型轉(zhuǎn)化的礦井，即以頂板進(jìn)水為主的水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單—中等的巖溶充水礦床，但在底板易發(fā)生突水地段，一旦采掘中遇到導(dǎo)水?dāng)鄬踊驑?gòu)造裂隙溝通的情況下，有可能轉(zhuǎn)化為水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦床，在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)防治水工作的研究并及時(shí)采取有效措施。