烏素煤礦水文地質(zhì)類型劃分探討

李 琛，李永軍，孫 浩

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

0 引言

礦井水文地質(zhì)類型是礦井防治水方案制定、中長期發(fā)展規(guī)劃、礦井改擴(kuò)建和技術(shù)改造的基礎(chǔ)依據(jù)[1]。伴隨煤礦生產(chǎn)，礦井水文地質(zhì)條件不斷發(fā)生變化，正確的對煤礦進(jìn)行礦井水文地質(zhì)類型劃分，對于分析和評價礦井水害危害程度，排查礦井水害隱患，防患于未然，經(jīng)濟(jì)合理地搞好礦井防治水工作，大幅提升礦井防治水技術(shù)能力，實現(xiàn)礦井安全、有序、高效生產(chǎn)，具有十分重要的現(xiàn)實意義[2]。本論文以《煤礦防治水規(guī)定》為明確標(biāo)準(zhǔn)，在系統(tǒng)整理、綜合分析礦井水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，全面考慮礦井充水諸因素的影響，確定烏素煤礦水文地質(zhì)類型，為礦井防治水工作提供了地質(zhì)依據(jù)[3]。

1 概況

烏海市華資煤焦有限公司滴瀝幫烏素煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市海南區(qū)境內(nèi)，煤礦距烏海市海勃灣區(qū)25 km，向南約37 km至黃河邊渡口，交通四通八達(dá)。礦區(qū)地表為低矮平緩的丘陵地貌，地表為砂土層及礫石風(fēng)化層覆蓋，海拔范圍一般為1270 m～1225 m，地表相對高差較大，最大相對高差達(dá)85 m，一般相對標(biāo)高差45 m左右。根據(jù)鉆孔揭露和巖煤層對比結(jié)果，可獲得礦區(qū)綜合地層柱狀圖(圖1)。區(qū)內(nèi)的主要可采煤層有:位于二疊系下統(tǒng)山西組第一巖段(P1s1)中部的9號煤層、位于石炭系上統(tǒng)太原組第一巖段(C2t1)下部的16號煤層及位于石炭系上統(tǒng)太原組第一巖段(C2t1)底部的17號煤層。

地層年代系符地層厚度平均(米)煤巖層柱狀 煤巖層名稱號第四紀(jì) Q 5.97砂礫石73.5砂泥巖、泥巖夾中砂巖97.2粗砂巖三迭系 T 16.07砂泥巖25.05粗砂巖50.61砂泥巖、砂巖底部1二疊系 P號煤8.32 砂泥巖、2.3煤30.08 砂泥巖、砂巖8煤14.45 砂泥巖、粘土巖9、10號煤34.19砂泥巖、泥巖含12石炭系 C號煤34.18 砂泥巖、砂巖14、15、16、17號煤18.11 砂巖 18、19煤奧陶系 O ＞200石灰石

圖1 綜合地層柱狀圖

該礦井正進(jìn)行16煤層巷道的掘進(jìn)，16號煤層自然厚度平均5.09m，由東向西煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾矸巖性為深灰色泥巖或黑灰色炭質(zhì)泥巖，頂板巖性為深灰色砂質(zhì)泥巖，局部為細(xì)粒砂巖，底板巖性為深灰色砂質(zhì)泥巖或砂質(zhì)粘土巖，局部為炭質(zhì)泥巖。區(qū)內(nèi)30個穿過點，可采點30個，點可采系數(shù)100%，面積可采系數(shù)98%，屬基本全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層。

2 礦井水文地質(zhì)條件

2.1 井田邊界及其水力性質(zhì)

礦區(qū)范圍內(nèi)以東西向張性構(gòu)造為主，礦區(qū)以西來峰逆斷層為西邊界，西來峰逆斷層走向近南北向，與崗德爾逆斷層相伴生，相距40～150m，崗德爾逆斷層下盤為西來峰斷層上盤，傾向W，傾角67°，落差在300 m以上。礦區(qū)北部以F34及F341正斷層為邊界，斷層走向NE，傾向SE，傾角75°，為一組很窄的階梯式斷層，F(xiàn)34最大落差80 m，F(xiàn)341最大落差為44 m。礦區(qū)南部以F27號正斷層為邊界，走向N70°W，傾角84°，傾向SW，走向長約150 m左右，落差一般為6～8m，333、332號鉆孔見斷層面，其控制程度較好。

由于邊界斷層F34的斷層落差80 m以及西來峰逆斷層落差在300 m以上，所以應(yīng)著重考慮其相對富水及導(dǎo)水性。

2.2 含水巖組

礦區(qū)內(nèi)的含水層按巖性組合特征、地下水水力性質(zhì)及埋藏條件等，劃分為三個主要含水層(含水體):第四系松散含水層，砂巖裂隙含水層，奧陶系灰?guī)r巖溶含水層，富水性分類依據(jù)如(表1)。

表1 含水層富水性分級(GB12719－91)

2.2.1 第四系松散巖類孔隙潛水含水巖組

第四系地層在礦區(qū)內(nèi)廣泛分布，主要為殘坡積砂、礫石層，沙土及沖洪積砂、礫石為主，據(jù)鉆孔揭露厚度0.50～20.09m，平均8.34m。沖洪積層分布于近代干河谷及不同高度的階地，由砂礫石組成，含微量孔隙潛水，水位埋深1.15～19.13m。風(fēng)積砂、黃土狀亞沙土和殘坡積層因分布位置及厚度限制，一般不含水。本組地層直接受大氣降水的補(bǔ)給并補(bǔ)給下伏巖層。據(jù)民井簡易抽水試驗資料，單井涌水量小于10 t/d，富水性弱。

2.2.2 碎屑巖類裂隙承壓水含水巖組

該含水巖組可分為4個含水帶及3個相對隔水層。

第Ⅰ含水帶:由二迭系下統(tǒng)下石盒子組至山西組第4巖段。厚度21.57～65.58 m，巖性以灰白色中、粗粒砂巖為主，局部含礫，夾有薄層砂質(zhì)泥巖或砂質(zhì)粘土巖，裂隙較為發(fā)育。據(jù)鄰區(qū)卡布其礦區(qū)資料，該含水帶q=0.000894 e/s·m，滲透系數(shù)k=0.00238m/d，綜合分析，該含水帶富水性弱。

第一隔水層:位于二迭系下統(tǒng)山西組第三巖段(P1s3)。巖性灰綠色砂質(zhì)泥巖、粘土巖及煤層為主，厚度5.59～17.27m。在礦區(qū)內(nèi)隔水性能一般。

第Ⅱ含水帶:位于二迭系下統(tǒng)山西組第二巖段(P1s2)。巖性以灰白色粗、中、細(xì)粒砂巖，中夾薄層砂質(zhì)泥巖或泥巖，厚度32.07～44.21 m，據(jù)礦區(qū)西部407號孔抽水試驗資料，水位標(biāo)高1113.21 m，q=0.0000355L/s·m，k=0.000111m/d，富水性弱。

第二隔水層:位于二迭系下統(tǒng)山西組第一巖段(P1s1)。巖性以煤層、砂質(zhì)泥巖及粘土巖為主，厚度7.16～24.57m。礦區(qū)內(nèi)分布，隔水性能良好。

第III含水帶:位于石炭系上統(tǒng)太原組上部(C2t2)。巖性上部以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，局部為砂巖;中部為灰白色中細(xì)粒砂巖;下部以砂質(zhì)泥巖為主，中夾薄層粘土巖。含水層厚度3.85～18.98 m，據(jù)報告528號孔抽水試驗資料:水位標(biāo)高1200.82 m，q=0.0569 L/s·m，k=0.585 m/d，富水性弱。

第三隔水層:位于石炭系上統(tǒng)太原組底部(C2t1)。巖性以煤層、砂質(zhì)泥巖及泥巖為主，局部為粘土巖，厚度16.28～29.86 m，礦區(qū)內(nèi)全區(qū)分布，隔水性良好。

第IV含水帶:位于石炭系上統(tǒng)本溪組(C2b)。巖性以灰白色細(xì)砂巖、粗砂巖為主，最大厚度38.34m。據(jù)礦區(qū)內(nèi)319號鉆孔抽水試驗資料:水位標(biāo)高 1196.94 m，q=0.00180 L/s·m，k=0.0190 m/d，富水性弱。

2.2.3 碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組

中奧陶系的拉僧仲組(O22)、烏拉力克組(O21)在本區(qū)不含水，下奧陶系蘇勒泰組(O13)，在桌子山煤田含水較為豐富，據(jù)資料150孔抽水資料 q=0.581 L/s·m，k=1.302 m/d，該層組含水比較豐富，但由于巖溶溶隙發(fā)育程度不一，因此其富水性并不均勻。

2.3 斷裂帶水文地質(zhì)條件

在西井田對南北發(fā)育的西來峰逆斷層、F1煤層等斷距在300 m以上的斷層進(jìn)行抽水試驗，q=0.0001～0.0154 L/s·m，富水性較弱。對東西向發(fā)育的正斷層僅在819孔對F30斷層進(jìn)行了抽水試驗，q=0.202 L/s·m，k=0.793 m/d，富水性中等，其它斷層未進(jìn)行抽水試驗。礦區(qū)內(nèi)的F32斷層320、813孔在斷層附近漏水，但本井在穿越F斷層時的斜井在穿越此斷層時涌水量僅為348 m3/d;而主斜井在穿越F斷層時涌水量高達(dá)1680 m3/d，這些現(xiàn)象表明:斷層的富水性在不同的地段差異較大。

3 礦井充水因素分析[4]

3.1 礦井充水水源

3.1.1 大氣降水及地表水

本區(qū)地處干旱的半沙漠地帶，無常年地表流水，僅在雨季時在礦區(qū)內(nèi)的溝谷中偶形成短暫的洪流，向西流入阿布且亥溝后注入黃河，這些溝谷在旱季無水，但在豐雨季節(jié)可形成歷時短、流量較大的洪流，因此雨季大氣降水及地表水可成為礦井充水水源，造成礦井涌水量增大。

3.1.2 煤層頂板砂巖裂隙承壓水

對于16煤層的開采，根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)資料的解釋，該砂巖孔(裂)隙水的鉆孔單位涌水量為0.0053～0.0125 L/s·m，滲透系數(shù)為0.02256 m/d，但煤層頂板主要充水含水層，含水微弱，因此對開采影響不大。

3.1.3 煤層底板奧陶灰?guī)r巖溶水

煤層底板距奧灰層位相對較近，底板隔水層的厚度僅為幾米至二十幾米，，灰?guī)r水可通過任何規(guī)模的導(dǎo)水裂隙涌入礦井，對煤層開采影響大。據(jù)駱駝山礦資料，奧陶灰?guī)r巖溶含水層靜止水位標(biāo)高為+1117.75～+1070 m，突水時水位上升到1093 m，由于奧灰水位的相對穩(wěn)定性，由駱駝山礦奧灰水位推測本礦區(qū)奧灰水位大約為1100 m。

據(jù)突水系數(shù)法[5]公式計算，底板隔水層厚度取25m，突水系數(shù)當(dāng)為0.1時，底板隔水層承受的水壓約為 2.5 MPa，由于奧灰水位為1100 m，2.5 MPa的水壓相當(dāng)于250水柱高度。即標(biāo)高位于1100～250=850 m以上時，16煤開采相對為安全區(qū)域。

但對于受構(gòu)造破壞塊段，由突水系數(shù)計算公式可知，底板隔水層厚度為25 m時，水頭壓力只有1.5 MPa，則必需在950 m以上區(qū)域為相對安全區(qū)域。

3.1.4 采空區(qū)積水

根據(jù)礦井資料，該區(qū)煤層開采時間長，礦區(qū)內(nèi)存在一些老窯，但老窯位置、開采范圍及停采時間資料詳細(xì)明確，老窯老空水的水量不大，當(dāng)頂板冒落時，破碎帶與煤層頂板相溝通時，會對煤層開采有一定威脅。

3.2 礦井充水通道

3.2.1 斷裂構(gòu)造導(dǎo)水通道

應(yīng)用加拿大進(jìn)口的TEM47瞬變電磁探測系統(tǒng)，對井下運輸巷道進(jìn)行探測，在井下膠帶大巷經(jīng)16煤斜下巷向外探測，距離共700 m，三個方向:垂直底板、左右邦斜下各45°。

根據(jù)瞬變電磁探測成果圖(圖2、3、4)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解釋，圖中橫坐標(biāo)為經(jīng)16煤斜下巷向外探測的巷道距離，縱坐標(biāo)表示沿底板、左右邦探測的距離，從圖中可見，藍(lán)色區(qū)域為低阻異常區(qū)域，即相對富水區(qū)域或泥巖或泥質(zhì)物相對發(fā)育部位，紅色表示高阻區(qū)域，巖體富水的可能較小，其它色為過渡色。整體上看，每個低阻的藍(lán)色區(qū)域分布規(guī)模不大，但相對較多，由此可知16煤層中的小斷層在本井田內(nèi)相對富水及導(dǎo)水的可能性相對較大。

圖2 垂直底板探測方向視電阻率分布圖

圖3 左邦斜下45°探測方向視電阻率分布圖

3.2.2 煤層頂板導(dǎo)水裂隙

煤層開采后形成的導(dǎo)水裂縫破壞頂板隔水層，導(dǎo)通煤層頂板砂巖裂隙含水層，在礦井生產(chǎn)過程中，頂板砂巖裂隙承壓水多以頂板淋水的方式涌入到礦井，構(gòu)成頂板直接充水水源。

圖4 右邦斜下45°探測方向視電阻率分布圖

3.2.3 煤層底板突水通道

16煤層距奧灰含水層間距20m左右，因此在未來煤礦開采狀態(tài)下，奧灰?guī)r溶承壓水有底鼓的可能性，形成底板突水通道，對煤層開采產(chǎn)生威脅。

3.3 礦井充水強(qiáng)度

在煤礦生產(chǎn)中，把地下水涌入礦井內(nèi)水量的多少稱為礦井充水程度，通過烏素煤礦礦井涌水量調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)礦坑涌水量與大氣降水的相關(guān)性較差，目前礦井充水主要為16煤層巷道掘進(jìn)時的頂板淋水，水量小較，礦井涌水量大約15 m3/h。據(jù)以往勘探資料和鄰近礦井調(diào)查資料，對礦井涌水量預(yù)測，預(yù)計礦井16號煤層達(dá)到設(shè)計產(chǎn)量40萬t/a時，礦井涌水量在120 m3/h左右。

4 礦井涌水量及其變化

礦井總涌水量是進(jìn)入采掘系統(tǒng)或在用巷道(生產(chǎn))系統(tǒng)的所有涌水點涌水量的總和[6]。該礦井正進(jìn)行16煤層巷道的掘進(jìn)，頂板產(chǎn)生少量的滴淋水或者滲透水，但是由于這樣的頂板滲透水早已處于可預(yù)測的范圍之內(nèi)，水量有限，不會影響安全生產(chǎn)。

據(jù)以往勘探資料和鄰近礦井調(diào)查資料，預(yù)計未來開采16號煤層生產(chǎn)能力達(dá)到40萬t/a時，礦井正常涌水量為120m3/h，礦井最大涌水量為180m3/h。

5 礦井防治水工作難易程度評價

5.1 大氣降水與地表水的防治

地面防治水指在地表修筑各種防排水工程，可采取河流改道、填堵塌陷區(qū)、挖溝排(截)洪等措施，防止或減少大氣降水和地表水滲入礦井[7]。

對烏素煤礦礦區(qū)大氣降水及地表水的防治，做好雨季防汛準(zhǔn)備和檢查工作是減少礦井水災(zāi)的重要措施，由于降水具有時限性，地面塌陷位置與范圍已知，礦區(qū)內(nèi)的溝谷的流向位置清楚，因此根據(jù)礦區(qū)的不同地形、地貌及氣候條件，可制定相應(yīng)防治水措施，防止地表水、大氣降水潰入井下，防治水工作簡單易行。

5.2 煤層頂板裂隙水的防治

煤層頂板裂隙水的防治，當(dāng)?shù)V井頂板涌水因素分析結(jié)果表明煤層頂板存在礦井充水水源及通道時，為保證礦井安全生產(chǎn)，應(yīng)采取措施進(jìn)行頂板水防治。常見的措施有超前疏水[8]、注漿堵水截流、留設(shè)防水煤(巖)柱等。

對于16煤層的頂板水防治，該煤層頂板主要充水含水層單層厚度均不大，且層間均有砂質(zhì)泥巖或泥巖隔水層，為富水性弱的含水層組，因此對開采影響不大，防治水工作簡單易行。

5.3 煤層底板奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水的防治

16煤層屬于帶壓開采，如果煤層與含水層之間的隔水層在遭受采動引起的破壞之后，其強(qiáng)度不能承受含水層靜水壓力作用，或煤層與含水層之間存在直接導(dǎo)水的通道(導(dǎo)水?dāng)鄬?、陷落柱或封閉不良的鉆孔等)，含水層水會在壓力作用下突破底板涌入礦井，造成礦井突水事故。

從防治水角度看，16煤層由于距奧灰層位相對較近，在礦井瞬變電磁法探測低阻異常區(qū)探放水鉆孔驗證后，無水或放水至安全水頭以下后才可開采，在構(gòu)造破壞區(qū)域，遇到突水可能性較大，因此對于鉆探出水的地段，應(yīng)超前預(yù)注漿封堵加固，必要時預(yù)先構(gòu)筑防水閘門或采取其他防治水措施。

5.4 斷裂構(gòu)造導(dǎo)水的防治

由于16煤層中的小斷層相對富水及導(dǎo)水的可能性相對較大，因此對于較小的斷層(斷距小于5米)，實際掘進(jìn)及回采時，可通過超前鉆探結(jié)合超前物探，對其富水性進(jìn)行探放水。若無水害威脅時，可進(jìn)行掘進(jìn)及回采，而對于相對富水及導(dǎo)水的部位，要按照《煤礦防治水規(guī)定》留設(shè)防水煤柱，隔水煤柱的留設(shè)參照以下經(jīng)驗公式計算得:L=0.5KM式中:L—煤柱留設(shè)的寬度(m);K—安全系數(shù)(取4);M—煤層厚度或采高(m);P—水頭壓力(kgf/cm2);KP—煤的抗張強(qiáng)度(kgf/cm2)。

6 礦井水文地質(zhì)類型劃分

根據(jù)《礦井水文地質(zhì)規(guī)范》對礦井水文地質(zhì)類型劃分的分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合礦井的具體水文地質(zhì)情況，對本礦井進(jìn)行了水文地質(zhì)類型的劃分。

礦井未來開采16號煤層，所以主要針對16號煤進(jìn)行礦井水文地質(zhì)類型劃分。

按礦井的生產(chǎn)情況，從受采掘破壞或影響的含水層、單位涌水量、開采受水害影響程度及防治水工作的難易程度幾方面來看，屬于水文地質(zhì)中等型礦井(見表2)。

表2 水文地質(zhì)劃分表

7 結(jié)語

對與16煤層的開采，由于距奧灰層位相對較近，奧灰富水的不均勻性，應(yīng)貫徹執(zhí)行《煤礦防治水規(guī)定》中“預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原則，物探超前探測建議采用礦井瞬變電磁法、直流電法及震法聯(lián)合探測，工作面回采前建議采用礦井瞬變電磁法結(jié)合坑透聯(lián)合探測。井下水文地質(zhì)勘探要堅持物探先行、鉆探驗證的工作程序，對于鉆探出水的地段，或構(gòu)造異常部位，要查明水文地質(zhì)條件，根據(jù)物探資料打孔注漿，再用物探與鉆探驗證注漿改造效果，以防止礦井水害的發(fā)生。

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