綠水洞煤礦+350m北石門過暗河問題治理方案

滕　華，劉長勇，蔣　權(quán)，卓　軍，王顯銀，周忠國

綠水洞煤礦+350m北石門過暗河問題治理方案

滕華，劉長勇，蔣權(quán)，卓軍，王顯銀，周忠國

（四川省華鎣山煤業(yè)股份有限公司綠水洞煤礦，四川 華鎣638601）

針對綠水洞煤礦+350m北石門掘進(jìn)中遇暗河構(gòu)造，從其所處田灣向斜的構(gòu)造出發(fā)進(jìn)行了詳細(xì)的水文地質(zhì)分析，提出了水害治理措施，杜絕了透水事故的發(fā)生，為相鄰或同等條件礦井的水害防治提供參考，并具有一定指導(dǎo)意義。

煤礦；暗河；治理方案；綠水洞

1　研究背景

綠水洞煤礦地處華鎣山復(fù)式背斜中段，跨越鄰水縣、華鎣市、廣安區(qū)地界，南北走向長8.6km，東西寬3.8km，面積約25km2。礦井為階梯平硐開拓方式，以各平硐劃分水平，各水平間采用上山連接。開采煤層（K1）屬二迭系龍?zhí)督M，總厚0.50～4.26m，平均2.5m，屬單一中厚煤層；礦井水文地質(zhì)為復(fù)雜類型。井田展布于龍王洞背斜、田灣向斜、打鑼灣背斜，分+790m、+660m、+530m、+350m四個水平開采。井田中部有一條南北向的F1斷層(落差H=100～700m)將井田分成東、西兩翼。礦井經(jīng)過30多年的開采,+530m以上三個水平煤層已基本開采完畢，目前進(jìn)入+350m水平。由于+350m主平硐布置在井田西北部, 為解決礦井東翼和后期接續(xù)資源及桂興井田煤炭運輸問題，需布置一條聯(lián)絡(luò)東、西兩翼的運輸大巷。

+350m北石門是根據(jù)上述需要而設(shè)計的一條西起323主石門、東至313大巷的，貫穿東西兩翼的集運輸、通風(fēng)、排水一體的穿層巷道，主要承擔(dān)該礦東翼及北部桂興井田煤炭輸送任務(wù)。該巷于2010年開口施工，按設(shè)計要求，將穿越打鑼灣背斜、田灣向斜、龍王洞背斜等大型褶皺以及F5、F1等大型斷裂構(gòu)造，穿過的地層有茅口（P2m）、龍?zhí)?P3l)、長興（P3c）、飛仙關(guān)（T1f）等多個含水地層，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，防治水任務(wù)艱巨。2012年4月，礦井在該巷道進(jìn)行探放水鉆孔施工至210m時遇到裂隙構(gòu)造，裂縫內(nèi)有粗砂和磨圓分選較好的礫石充填，鉆孔至裂隙處開始涌水、涌砂，最大涌水量為150m3/h，射程達(dá)8m 。涌出物質(zhì)為黃泥、沙、礫石，形成了一個巨大的楔形體，堆積物長77m，迎頭最高達(dá)2.7m，方量約500m3。

經(jīng)勘查，該巷道地表為大型巖溶陷坑—黃洞坑，該坑匯集了大量地表水。后鉆探巷試圖從左、右側(cè)繞過黃洞坑影響的地段，但鉆孔仍出現(xiàn)磨圓分選較好的礫石等暗河沉積物。經(jīng)中煤科工集團(tuán)西安分院工程地質(zhì)研究院專家到井下現(xiàn)場踏勘，并結(jié)合圖紙研究分析認(rèn)為：黃洞坑落水洞為一大型巖溶塌陷通道，地表為一相對低點，附近溝谷的水流全部匯集流入。根據(jù)對附近老鄉(xiāng)反映，降雨再大也未見其有過溢流情況，故推測其為一與地下暗河聯(lián)通極為通暢的大型巖溶通道，其內(nèi)部構(gòu)造、深度等情況復(fù)雜,繼續(xù)施工安全風(fēng)險極大，造價難以估量。因此，+350m北石門施工全面停止。

圖1　綠水洞井田構(gòu)造綱要圖

2　礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

2.1礦井地質(zhì)概況

礦井位于華鎣山主脊部位，脊背較寬緩，背斜隆起成山，向斜低下為谷。山脈走向與構(gòu)造線方向基本一致，呈N30°±10°E延展(圖1)，主要存在于華鎣山復(fù)式褶皺帶北段龍王洞背斜區(qū)內(nèi)，平行以育有田灣向斜、打鑼灣背斜，屬川東 “隔檔式”地質(zhì)構(gòu)造的一部分。井田出露最老地層為上二疊統(tǒng)長興組三、四段（P3c3+4）灰?guī)r，龍王洞背斜軸部出露最新地層為中三疊統(tǒng)雷口坡組（T2l）。各地層走向呈北、北東延伸，以下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）分布最廣，其次是嘉陵江組（T2j），第四系殘積物主要分布在兩翼嘉陵江組槽谷內(nèi)。

2.2礦井水文地質(zhì)概況

礦區(qū)地表以華鎣山山脈脊為分水嶺，通過溝谷分東西分別匯入渠江和芭蕉河（圖2），礦區(qū)溝谷水為各含水層地下水補給。礦區(qū)內(nèi)可溶性石灰?guī)r大面積出露，呈北北東向展布全區(qū)，特別地二疊系陽新統(tǒng)石灰?guī)r厚度大，質(zhì)純，受橫向溝谷強烈切割，徑流、排泄條件良好，有利于巖溶地貌的發(fā)育，溶斗、落水洞、溶洞等比比皆是，地下暗河亦有發(fā)育。它們多發(fā)育在橫向溝谷的兩岸及地下水活動強烈的地段。

區(qū)內(nèi)各含水層的地下水位標(biāo)高隨含水層出露的地形高度及溝谷切割深度而異，一般表現(xiàn)為山脊部分較高，山坡部分及河谷岸邊較低。

圖2　華鎣山礦區(qū)中段礦井水系示意圖

3　田灣向斜水文地質(zhì)特征分析

3.1地質(zhì)構(gòu)造

田灣向斜位于井田中部，南起井田南部的仰天窩,向北以N25°～40°E方向延伸至桂興井田北部消失,在本井田長約5 700m，與東部的龍王洞背斜和西部的打羅灣背斜構(gòu)成該井田的主要構(gòu)造跡線。其中龍王洞背斜為構(gòu)造主脊，與同級褶皺打羅灣背斜、田灣向斜組織成的褶皺呈N30° ±10°E條帶狀分布，兩背斜在地形上由南向北形成蕞箕狀形態(tài)，造就該區(qū)域地質(zhì)和水文地質(zhì)的復(fù)雜性和特殊性。

3.2水文地質(zhì)分析

3.2.1水文地質(zhì)單元劃分

由于該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的特殊性，根據(jù)龍王洞背斜和打鑼灣背斜及田灣向斜的軸面均向東傾斜,地下水向下和由南向北的流向，我們將該地區(qū)劃分為三個水文地質(zhì)單元：Ⅰ打鑼灣背斜西翼，Ⅱ龍王洞背斜東翼，Ⅲ龍王洞背斜與打鑼灣背斜之間的田灣向斜之兩翼（3）。因前兩個水文地質(zhì)單元自成水文地質(zhì)體系，現(xiàn)只對Ⅲ水文地質(zhì)單元進(jìn)行探討。

3.2.2地下水徑流

大氣降水通過出露地表的強含水層長興組，弱含水層飛仙二段（T1f2）、飛仙關(guān)四段（T1f4）接受大氣降水并在巖層中產(chǎn)生徑流向地下運動；由于打鑼灣背斜較龍王洞背斜低，且背斜軸面均向東傾斜的緣故，使兩背斜均出現(xiàn)西陡東緩的態(tài)勢，田灣向斜軸部就不是剖面上的最低點,在田灣向斜軸部，形成了典型的饒軸式水文地質(zhì)運動模式，使地下水在整體運移方向向北的情況下，向下在田灣向斜軸部向軸部西側(cè)運移，地下水運動的最低點即為剖面上的應(yīng)力平衡點，地下暗河位置即平衡點的集合。

圖3　田灣向斜地質(zhì)剖面及水文地質(zhì)單元

圖4　田灣向斜地質(zhì)地形圖

3.2.3巖溶漏斗

巷道出現(xiàn)涌沙情況前后，通過對地面調(diào)查、踏勘、訪問，結(jié)合圖紙對照，發(fā)現(xiàn)了水文地質(zhì)單元Ⅲ內(nèi)無河流、塘偃等地面水體，卻有大小58個巖溶塌陷漏斗，其中長興組兩個，飛仙關(guān)二段23個，飛仙關(guān)飛仙關(guān)四段18個，嘉陵江組15個。飛仙關(guān)一、三、五段為泥巖隔水層，巖溶塌陷漏斗均形成在飛仙關(guān)二、四段和嘉陵江組灰?guī)r中。巖溶連通形成地下通道，進(jìn)而形成地下暗河，大氣降水進(jìn)入地下流通(表)。

3.2.4地表溶蝕洼地

經(jīng)地面調(diào)查和圖上對比，在水文地質(zhì)單元Ⅲ內(nèi)發(fā)現(xiàn)大小不等的地面溶蝕洼地25個，他們大都成橢圓形狀，在圖上，我們把南起田灣，經(jīng)沙壩坪，北到張家灣的橢圓形溶蝕洼地的長軸連成一條線，他們呈串珠狀的橢圓形鏈,這就是田灣向斜地下暗河主河流的地下通道，它是無數(shù)個剖面上應(yīng)力平衡點的集合。在它的兩側(cè)多個巖溶漏斗，和橢圓形的溶蝕洼地組成了若干條的暗河支流。溶蝕洼地大體沿地層層面順層發(fā)育,侵蝕地層,從而在地下形成地下暗河,組成田灣向斜軸部地區(qū)地下水匯水排泄體系。

3.2.5地下暗湖

經(jīng)對田灣向斜附近25個溶蝕洼地排查，面積最小者約3 000m2,一般7 000～8 000m2,而最者在沙壩坪超過50 000m2。田灣向斜地段，沙壩坪地勢最低，既承接南自田灣來的地下水，又承接北自張家灣、新田灣來的地下水，故在沙壩坪地下可能存在一地下暗湖。

3.2.6地下水排泄

通過《區(qū)域水文地質(zhì)圖》標(biāo)識的地下水流動的方向和礦井上下對比，田灣、梅家大坪、深灣的地下水均向北流動，而桂興、張家灣、新田灣的地下水卻向南流動，最終匯于沙壩坪。沙壩坪斜對面山坳下有多個出水泉，也顯示沙壩坪下可能有一地下暗湖，在水位達(dá)到一定高度后沿最低侵蝕基準(zhǔn)面翻越打鑼灣背斜出露地表，匯入天池湖。

3.3田灣向斜水文地質(zhì)特征總結(jié)

1）田灣向斜軸部地區(qū)（即水文地質(zhì)單元Ⅲ內(nèi)），含水層直接接受大氣降水補給，在該巖層中產(chǎn)生徑流；同樣地表巖溶漏斗、地表溶蝕洼匯水后向地下滲水，成為地下暗河的良好的補給水源；

2）沙壩坪地下可能存在一較大的地下暗湖，承接南自田灣、黃洞坑北自張家灣、新田灣的地下來水；

3）沙壩坪地下暗湖地下水位達(dá)到一定水位高度后，沿最低侵蝕基準(zhǔn)面越過其西面的分水嶺(打鑼灣背斜)，以涌泉的形式出露地表，并匯入天池湖，完成田灣向斜地區(qū)水文地質(zhì)“補、徑、排”體系；

4）暗河主流對應(yīng)在地表的溶蝕洼地主要存在于飛仙關(guān)組和嘉陵江組地層中, 溶蝕洼地下地下裂隙沿巖層順層發(fā)育,受“饒軸式水文地質(zhì)運動模式”控制，在田灣向斜西側(cè)形成地下暗河，暗河的發(fā)育方向大體與田灣向斜軸線一致，在田灣向斜西側(cè)。

田灣向斜巖溶漏斗統(tǒng)計表

圖5　大田溶蝕洼地圖

圖6　田灣溶蝕洼地

圖7　黃洞坑大型巖溶漏斗

圖8　沙壩坪溶蝕洼地

4　通過暗河方案選擇

4.1直接通過

針對巷道前方存在暗河的事實，經(jīng)過專家分析，如果巷道直接通過暗河，必須在源頭（即地表黃洞坑）及井下治理。如果回填地面黃洞坑并修筑地表防洪引水道，可能堵塞暗河,破壞該區(qū)域水文地質(zhì)平衡,誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生,顯然不能讓人接受的。如果在井下注漿堵水以帷幕筑漿的方式讓巷道通過，治理費用初步估算費用在3 000萬元以上,并不排除有其它的暗河通道。該方案治理時間工期長（8～10個月），費用高，治理難度大，且沒有絕對的把握能成功。

4.2繞道通過

隨后由擬定了從前方探測到的暗河傍繞行通過的方案，但從巷道右側(cè)和左側(cè)分別施工了的5個鉆孔，均發(fā)現(xiàn)大量暗河砂粒和空穴，繞道方案無法實施。

4.3另選路徑避讓

由于田灣向斜、龍王洞背斜、打鑼灣背斜在地勢都呈南高北低的態(tài)勢，變化幅度6°～12°，地下暗河的發(fā)育形態(tài)應(yīng)與之相同。+350m北石門正前方正對地下暗河，通過分析排除了直接通過暗河的方案，故巷道只有向北從暗河上方或向南從暗河下方避開暗河。由于向北己出井田范圍,故只能向南從暗河下方避開暗河。該方案經(jīng)地表踏勘，未見大的塌陷坑及水體存在。因此，結(jié)合水文地質(zhì)分析，選擇在325大巷(石門南900m處)重新開口與315大巷連接重新布置+350m北石門。經(jīng)推算地表溶蝕洼地的寬度為50m～80m,地下暗河的寬度應(yīng)與之相仿或略小。新350北石門將遇暗河位置與原350北石門前方對應(yīng)的黃洞坑之間的水平距離約622m，按田灣向斜軸向北6°～12°傾伏推算，新350北石門距暗河高度為65m～130m，除去20m的安全距離，巷道距暗河高度最少有45m，能保障巷道安全。

綜合以上方案分析，最終確定采用別選路徑的施工方案。

5　方案實施效果

新+350m北石門于2012年11月開始施工，目前巷道西端已施工約780m，磧頭正在暗河下方長興灰?guī)r中較順利掘進(jìn)。暗河起始位置和暗河寬度與預(yù)測誤差4～6m,暗河區(qū)段所處地層亦為長興灰?guī)r。該灰?guī)r裂隙、巖溶發(fā)育，并有亂石、黃泥及暗河流砂充填。暗河流砂顆粒較小，其量由開始的少而逐漸增多，后又呈逐步減少。經(jīng)分析對比該暗河流砂可能是上部的暗河沉積物順著發(fā)育的裂隙向下滲流所致。目前巷道已穿過田灣向斜暗河區(qū)，從暗河底部通過成功避開了暗河影響，新+350m北石門貫穿指日可待。

圖9　田灣向斜暗河預(yù)測圖

6　結(jié)論

研究運用田灣向斜水文地質(zhì)特征對350北石門改道方案的起到了積極作用,從施工情況分析,預(yù)測基本準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)期目的和效果。運用田灣向斜水文地質(zhì)特征理論對礦井田灣向斜地區(qū)地表防治水工作、地表沉降觀測和治理有一定的指導(dǎo)作用。田灣向斜水文地質(zhì)特征對龍王洞背斜東翼(水文地質(zhì)單元Ⅱ)、打鑼灣背斜西翼(水文地質(zhì)單元Ⅰ)及相鄰及類似條件礦區(qū)的水文地質(zhì)分析有一定的借鑒作用。

Control of Underground Stream in the Lüshuidong Coal Mine

TENG HuaLIU Chang-yongJIANG Quan ZHUO JunWANG Xian-yinZHOU Zhong-guo（Lüshuidong Coal Mine， Sichuan Huaying Coal Mining Co.， Ltd.， Huaying， Sichuan638601）

This paper deals with in detail hydrogeological conditions of the Tianwan Syncline， puts forward some control measures of possible water disaster resulting from underground stream in the Lüshuidong Coal Mine.

coal mine； underground stream； hydrogeology； control measure； Lüshuidong

P641.4；P618.11

A

1006-0995（2015）03-0435-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.03.028

2014-07-28

梁立勛（1968—），男，四川射洪人，教授級高級工程師，長期從事煤礦開采相關(guān)技術(shù)工作