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    11103工作面探放水及水源分析

    2021-07-27 10:47:44
    山西冶金 2021年3期
    關(guān)鍵詞:石灰?guī)r水化學富水

    楊 怡

    (山西汾西礦業(yè)集團孝義公司,山西 孝義 032300)

    在煤礦開采過程中,存在地質(zhì)勘探資料與實際礦井水文地質(zhì)情況有差異,如在預測開采區(qū)域水文地質(zhì)和充水因素及涌水量時就需要全面收集礦井相關(guān)的地質(zhì)、水文地質(zhì)資料,進一步從定性和定量兩個方面分析比對現(xiàn)有資料,切實作好各種水害分析監(jiān)測、診斷排查,構(gòu)建適宜的安全預控體系,有針對性的對礦井、采區(qū)、工作面涌水量開展超前治理,避免水災(zāi)事故的發(fā)生。

    1 工作面概況

    1.1 基本情況

    11103工作面走向長960 m,傾斜長175 m。采用臂式采煤方法開采石炭系太原組10+11號煤層,煤層平均厚度7.85 m,煤層含2-4層夾矸。工作面整體呈向斜構(gòu)造,軸部位于工作面中部,兩翼傾角約6°。西部有相鄰礦井已回采的9號煤層工作面,與11103工作面之間有落差為12.5 m的正斷層;東部為采區(qū)大巷,并且有落差為50 m、6 m的兩條正斷層;南、北暫未布置工作面。

    1.2 含水層

    根據(jù)本礦及鄰近礦井的勘探和生產(chǎn)揭露,區(qū)域內(nèi)主要含水層為:

    第四系松散巖類孔隙含水層主要分布在河床及主要溝谷內(nèi)。由于河谷兩岸工業(yè)廢水或生活污水使得地下水的水質(zhì)明顯變差,水中污染指標即NO-和Cl-離子含量明顯偏高。山丘地區(qū)的孔隙水是附近居民生活用水的水源之一,其動態(tài)較為穩(wěn)定,水質(zhì)良好。水化學類型以HCO3—Ca·Mg型為主。

    二疊系碎屑巖類裂隙含水層在溝谷地段局部出露,有居民在溝谷鑿井取基巖風化帶裂隙潛水,并以此作為生活用水供水水源。

    石炭系碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層太原組地層在井田內(nèi)無出露。有K2、K3、K4三層穩(wěn)定的石灰?guī)r,厚度分別為11.5、5.55、3.78 m,是井田內(nèi)的主要含水層,富水性普遍較弱,且不均勻,局部構(gòu)造裂隙相對發(fā)育地段富水性稍強。K2為9號煤層的直接頂板,富水性強于K3、K4,K3富水性又相對較強于K4。

    奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層由于巖溶裂隙發(fā)育程度、含水層厚度等水文地質(zhì)條件的不同,中奧陶統(tǒng)峰峰組和上馬家溝組含水層的富水程度有著明顯差異,上馬家溝組巖溶裂隙水為居民生活用水的主要水源。11103工作面的煤層底板高于奧陶系石灰?guī)r的最高水位,不存在帶壓開采。

    1.3 小窯開采

    根據(jù)以往資料,工作面范圍及鄰近共有小窯井筒6個,在礦井建設(shè)前均已被黃土充填。工作面內(nèi)部有2個井筒,未落底到9號煤層,曾開采二疊系山西組的2號煤層。上覆9號煤層厚1.64 m,已被小窯房柱式開采,距10號煤層約1 m。

    2 探放水情況

    11103工作面在掘進期間已對上覆9號煤層的采空情況進行探查,僅在低洼處曾發(fā)現(xiàn)少量的積水。

    為驗證2號煤層采空的積水情況,在工作面內(nèi)部的井筒附近及地面瞬變電磁探測異常區(qū)設(shè)計了9個鉆孔。在向斜軸部附近探井筒的鉆孔施工過程中,揭露K3石灰?guī)r有出水現(xiàn)象,經(jīng)多次補充鉆探累計向頂板方向施工鉆孔31個。其中探到2號煤層鉆孔11個,均未發(fā)現(xiàn)采空積水。揭露K3、K4石灰?guī)r的鉆孔有不同程度的出水,主要的出水鉆孔有8個(見表1),累計疏放水量58337 m3。

    表1 主要出水鉆孔統(tǒng)計表

    3 水源分析

    為了準確判斷水源,礦井在鉆孔放水期間對出水鉆孔取樣化驗。同時,收集本礦采空水(1-2號水樣)、水源井(10號水樣)及相鄰礦井工作面生產(chǎn)過程中出水和采空水(3-5號水樣),還有水文勘探報告中的含水層(6-9號水樣)水樣指標。相鄰礦井工作面的構(gòu)造特征與11103工作面相近,其都在同一個向斜的軸部,含水層具有一定的匯水條件。但是,其在回采前未曾對上覆2號煤層采空施工鉆孔,未能準確定性出水點的補給水源。

    1)收集的各水樣中,二疊系砂巖水的pH值最高,屬堿性。相鄰礦井的11號煤采空水pH值最低,屬酸性,而本礦井的9號煤采空水的要相對高一些,應(yīng)該與煤層中的礦物含量或開采工藝有關(guān)。11103工作面的水樣水化學類型主要為SO4-Na·Ca型,與相鄰礦井的水樣特征最為相近,但是還需進一步的判斷水源。

    2)Piper三線圖是水化學領(lǐng)域最常用的分析方法之一,可以直觀地看出水樣的一般化學性質(zhì)及各離子的相對含量。11103工作面鉆孔與相鄰礦井工作面生產(chǎn)過程中出水、長期出水點,還有奧陶系上馬家溝組石灰?guī)r水樣相近(見圖1)。由于工作面不存在帶壓開采,并且鉆孔出水來自煤層的頂板方向,11103工作面的鉆孔水可以排除奧陶系灰?guī)r水。此外,鉆孔水樣明顯區(qū)別于2號煤層采空水及太原組石灰?guī)r的混合水,可以認為水源為K3石灰?guī)r。

    圖1 Piper三線圖

    3)聚類分析可以將研究的水樣進行合理的分類,為判別水源分析等提供客觀的數(shù)學依據(jù)。通過SPSS的系統(tǒng)聚類模塊對所有水樣進行統(tǒng)計分析,將14個水樣分了兩個大類(見圖2)。將太原組灰?guī)r水整體作為一類,然后又對采空水和含水層水進行了分類。從中可以看出11103工作面鉆孔與相鄰礦井工作面生產(chǎn)過程中出水、長期出水點的水樣比較相似,與9號煤采空水、11號煤采空水的相似程度要差一些,與2號煤層采空水的相似程度要更差。

    圖2 聚類分析結(jié)果圖

    通過上述分析,11103工作面所在區(qū)域不受奧陶系石灰?guī)r含水層威脅,鉆孔水樣的水化學特征區(qū)別于2、9、11號煤層采空水。太原組石灰?guī)r的混合水與而二疊系砂巖水比較相似,可能當時采集的水樣可能受到了二疊系砂巖水的影響,均區(qū)別于11103工作面的鉆孔水樣。所以,11103工作面的鉆孔水應(yīng)該是受地質(zhì)構(gòu)造影響,在向斜軸部K3石灰?guī)r含水層形成的小范圍積水。

    4 防范措施

    受探放水鉆孔的影響,工作面涌水量一直穩(wěn)定桿在12 m3/h左右。礦井為最大限度地增大11103工作面的排水能力,從工作面外側(cè)沿11號煤層底板施工了一條泄水巷,沿向斜軸部與11103工作面最低處貫通。同時,配備了能力大于100 m3/h的排水設(shè)施,預防回采到向斜軸部時因涌水量增大影響安全生產(chǎn)。

    5 結(jié)語

    現(xiàn)11103工作面已回采結(jié)束,在推進到向斜軸部附近時,未發(fā)生涌水量突然增大的現(xiàn)象。29號孔出水量最大,其涌水量穩(wěn)定在10 m3/h左右,因放水鉆孔的施工及足能力的水設(shè)施保證了工作面的安全。

    通過水化學類型分析、繪制Piper三線圖及聚類分析,最終判斷11103工作面探放水鉆孔出水的水源為K3石灰?guī)r。礦井在水文勘探過程中未能把K2、K3、K4石灰?guī)r的水化學指標逐一收集,由于太原組灰?guī)r的富水性較弱,并且當時采集的水樣可能受到了二疊系砂巖水的影響,與實際揭露有一定的差別。通過本次對鉆孔水樣分析,為礦井今后的水源分析提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

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