辛置礦區(qū)含水層富水性徑流特征及水力聯(lián)系研究

趙培富

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400)

隨著煤炭開采深度和開發(fā)強(qiáng)度的增加，礦井水害問題日益突出。經(jīng)過近七十年的開采，辛置煤礦東區(qū)10#煤開采已接近尾聲，為實(shí)現(xiàn)礦井持續(xù)發(fā)展，亟需開展+380 m標(biāo)高以下11#煤層的開采技術(shù)研究。11#煤下伏奧灰含水層富水性強(qiáng)，屬局部帶壓開采，開采過程還面臨上覆采空區(qū)、山西組砂巖水以及太原組K2灰?guī)r含水層充水水源的威脅，加之井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，以張性為主的斷裂和陷落柱有可能成為導(dǎo)水通道，或受采動影響成為潛在的導(dǎo)水通道。

近年來，煤礦防治水專家和廣大技術(shù)人員圍繞煤礦底板水害突水機(jī)理、超前探測、防治水評價做了大量的研究和實(shí)踐工作[1-5]，實(shí)施超前區(qū)域探查和治理是煤礦防治此類水害的根本方向和有效方法。因此，為解放辛置煤礦受奧灰水威脅的+380 m標(biāo)高以下10#及11#煤資源,實(shí)現(xiàn)礦井的持續(xù)發(fā)展，開展了帶壓開采分區(qū)、水力聯(lián)系及底板水威脅程度評價工作，為制定針對性防治水措施和保障礦井安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)概況

辛置煤礦是霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司主力礦井之一，位于山西省南部臨汾市北緣，霍州市境內(nèi)，井田處于霍西煤田中部，霍州礦區(qū)東南，地貌形態(tài)為中低山區(qū)，地形切割強(qiáng)烈，溝谷縱橫，地形復(fù)雜。井田形狀呈不規(guī)則多邊形，東西長11.505 km，南北寬11.500 km，井田面積59.083 4 km2，采用平硐、立井和暗斜井綜合開拓方式，現(xiàn)開采2#、10#煤層。

辛置井田大部分被新生代沉積物所覆蓋，僅在西部赤峪斷層、前河底斷層附近的溝谷中出露石盒子組中部的地層，并受斷層破壞，零星紊亂。結(jié)合鉆孔資料，區(qū)內(nèi)地層由老至新有古生界奧陶系、石炭系、二疊系及新生界第三系、第四系。井田內(nèi)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，共含煤層13層，總厚102.26 m，見表1，其中可采煤層6層，總厚10.58 m，含煤系數(shù)8.3%.

表1 井田可采煤層情況表

2 礦區(qū)水文地質(zhì)單元劃分及地下水徑流情況

2.1 礦區(qū)水文地質(zhì)單元劃分

霍州礦區(qū)處于呂梁山和霍山隆起帶之間，受燕山運(yùn)動以北北東走向的羅云斷層(在臨汾龍子祠的斷距1 000 m)和霍山斷層(在霍山西麓落差3 000 m)等一系列北東、北東東走向的平行斷層形態(tài)構(gòu)造影響，南北部斷塊有較大的差異，形成了霍州礦區(qū)北部相對上升南部相對下沉的地塹特征，綜合區(qū)域地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件分析[6-8]，構(gòu)造盆地奧灰?guī)r溶水的運(yùn)動特征，總體而言東部近南、北向的霍山大斷裂和西部赤峪斷層以及北部李曹斷層兩個水文地質(zhì)單元的交接將該區(qū)切割成具有相對獨(dú)立水文地質(zhì)特征的地段，并對該區(qū)域的地下水運(yùn)移產(chǎn)生了明顯的影響，見圖1.

圖1 奧灰區(qū)域水文地質(zhì)圖

2.2 礦區(qū)地下水徑流情況

井田受中部琵琶垣村南走向延伸長度6 150 m的F28正斷層和南部琵琶垣村南井田內(nèi)延伸長度4 100 m的F34正斷層影響，形成地塹構(gòu)架，以北區(qū)域(簡稱北區(qū))巖溶地下水一部分向西及西北方向徑流，穿越南北向的赤峪斷層向郭莊泉徑流排泄，一部分遇到F28與F34正斷層時通過滲透和斷距減小、尖滅端的方式向南運(yùn)移；地塹構(gòu)架以南區(qū)域(簡稱南區(qū))向南及西南方向徑流，向臨汾盆地深部徑流，其徑流方向示意圖見圖2.

圖2 井田內(nèi)地下水徑流方向示意圖

2.3 礦區(qū)徑流環(huán)境情況

礦區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給來源于大氣降水入滲和地表水的滲漏[9].在地形和構(gòu)造條件的影響下，地下水垂直運(yùn)移或水平徑流，多以侵蝕下降泉或構(gòu)造(地層)阻水溢出成泉或側(cè)向補(bǔ)給鄰區(qū)含水層中地下水。根據(jù)調(diào)查顯示，礦井區(qū)域內(nèi)地下水和地表水的徑流方向基本一致，以地表分水嶺為界分別向汾河河谷及其下游一帶徑流匯集，同時井田東部奧陶系灰?guī)r隱伏出露于霍山山前洪積扇下，是該區(qū)巖溶地下水的主要補(bǔ)給來源。

3 礦井太原組含水層、奧陶紀(jì)含水層富水性特征

3.1 太原組含水層特征分析

礦井內(nèi)太原組含水層主要由太原組中部K2、K3、K4三層灰?guī)r組成，主要煤層與上、下含水層位置關(guān)系示意圖見圖3，三層灰?guī)r多為致密塊狀、堅硬，均不同程度地發(fā)育有裂隙，其中K2、K3石灰?guī)r全區(qū)發(fā)育，上覆有第三、四系砂礫石及淡水灰?guī)r含水層，可以直接接受其補(bǔ)給[10]；K3東部有剝蝕帶，由于井田內(nèi)無出露，故不易接受大氣降水補(bǔ)給，當(dāng)有導(dǎo)水?dāng)鄬踊蛳萋渲鶗r也接受下伏奧灰水的補(bǔ)給；K4石灰?guī)r僅在北部及東北角的局部標(biāo)高較高的地段零星賦存。

圖3 主要煤層與上、下含水層位置關(guān)系示意圖

辛置礦區(qū)內(nèi)奧灰水具有明顯的分區(qū)性，由太灰水富水性分區(qū)圖(圖4)可知，礦井整體上屬于中等富水性，局部靠近F28、F34斷層附近地區(qū)屬于弱富水性，北部井田邊界部分區(qū)域?qū)儆趶?qiáng)富水性。

圖4 太灰水富水性分區(qū)圖

3.2 奧陶紀(jì)含水層特征分析

對礦井安全生產(chǎn)存在威脅的奧陶紀(jì)含水層為峰峰組巖溶含水層和上馬家溝組含水層。

峰峰組巖溶含水層分為上下兩段，主要含水層段為上段，局部強(qiáng)烈溶蝕；下段為泥灰?guī)r夾石膏層的相對隔水層。據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)，+540 m水平單位涌水量0.016～1.110 L/s·m；+310 m水平奧灰水位標(biāo)高519～522 m，單位涌水量0.050～0.762 L/s·m.含水層富水性不均一，東四采區(qū)為弱-強(qiáng)富水性含水層，+310 m水平含水層富水性弱-中等。上馬家溝組巖溶含水層組巖性分3段，含水層主要為中上段，以厚層狀石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和豹皮灰?guī)r夾泥灰?guī)r組成，下段以角礫狀灰?guī)r含石膏層構(gòu)成相對隔水層，上馬家溝組含水層不受上部斷層影響，徑流條件好，較峰峰組富水性強(qiáng)，巖溶水礦化度、硬度較峰峰組小。井下施工的XZ-3(540車場)和跑蹄風(fēng)井場地1#、2#水源井揭露O2s地層，水位標(biāo)高515.20～517.50 m，單位涌水量2.48～14.97 L/s·m，富水性強(qiáng)-極強(qiáng)。

3.3 太原組含水層、奧陶紀(jì)含水層徑流條件分析

區(qū)內(nèi)太原組含水層與奧陶系含水層有穩(wěn)定隔水層，各含水層之間的水力聯(lián)系主要途徑為導(dǎo)水?dāng)鄬?、裂隙發(fā)育帶和導(dǎo)水陷落柱等。根據(jù)辛置煤礦目前水文鉆孔及水源井的水質(zhì)分析資料，結(jié)合抽水試驗(yàn)、日常化驗(yàn)的水質(zhì)情況分析，得到各地下水系統(tǒng)離子含量情況分區(qū)統(tǒng)計，見表2.

表2 各地下水系統(tǒng)中的標(biāo)型組分表

太灰水水質(zhì)呈弱堿性，表現(xiàn)為中等礦化度及較高硬度的特征，太灰灰?guī)r地下水處于徑流區(qū)內(nèi)，水質(zhì)呈典型的深層灰?guī)r水。受F28與F34地塹系對地下水運(yùn)移阻礙作用影響，太灰水北區(qū)徑流條件比南區(qū)徑流條件好，這與南區(qū)COD明顯高于北區(qū)COD顯現(xiàn)相一致。奧灰水水質(zhì)屬于堿性水，為中等礦化度及較高硬度的特征，奧灰灰?guī)r地下水處于徑流區(qū)內(nèi)，水質(zhì)呈典型的深層灰?guī)r水，北區(qū)奧灰水礦化度低于南區(qū)，說明奧灰水北區(qū)徑流條件比南區(qū)徑流條件略好。

3.4 太原組含水層、奧陶紀(jì)含水層水力聯(lián)系

綜合辛置礦區(qū)水質(zhì)離子特征對比，利用piper三線圖、層間距分析含水層之間的水力聯(lián)系情況，見圖5，6.

圖5 北區(qū)太灰水與奧灰水水質(zhì)疊加圖

由圖5可知，在陽離子三角圖中奧灰水樣左邊位置，太灰集中與中部位置3大陽離子各約占1/3；菱形中奧灰水樣處上角偏左位置，太灰水樣處上角中部位置，辛置礦北區(qū)奧灰水與太灰水存在很大差異水力聯(lián)系很薄弱。由圖6可知，在陽離子三角圖中奧灰水樣與太灰水樣一樣均集中于左邊位置；陰離子三角圖中二者位置跳動很大；菱形圖中太灰水樣O2與奧灰水樣ZK403、ZK501、ZK701位置大體相同，這一帶奧灰水與太灰水存在一定的水力聯(lián)系。

圖6 南區(qū)太灰水與奧灰水水質(zhì)疊加圖

太原組灰?guī)r含水層和奧陶系灰?guī)r頂兩含水層之間存在穩(wěn)定的隔水層。受太灰水開采疏干影響兩含水層有一定的水位差，奧灰含水層的礦化度、硬度和硫酸根離子的含量均明顯高于K2灰?guī)r含水層，可以判斷兩含水層的水力聯(lián)系較弱。盡管在K8含水層與風(fēng)化裂隙帶和第四系含水層無明顯的水力聯(lián)系，但是在煤層淺埋區(qū)和有斷層的情況下，由于K2的排水也將使奧灰含水層與K2含水層之間的水壓差增大從而使含水層之間的水力聯(lián)系加強(qiáng)，由開采所造成的頂板冒落以及底板的破壞所形成的人工通道，也可能致使兩含水層之間可能產(chǎn)生新的水力聯(lián)系。

4 結(jié) 語

總體而言，辛置礦區(qū)受東部近南、北向的霍山大斷裂和西部赤峪斷層以及北部李曹斷層影響,區(qū)域內(nèi)地下水向臨汾盆地深部產(chǎn)生顯著運(yùn)移；礦井地下水徑流區(qū)內(nèi)太灰水、奧灰水地下水徑流條件較好，兩含水層之間存在穩(wěn)定的隔水層，奧灰水與太灰水水質(zhì)差異較大，說明兩含水層之間水力聯(lián)系較薄弱；+380 m標(biāo)高以下11#煤開采過程，局部區(qū)域受斷層、陷落柱發(fā)育及勘查鉆孔密集影響，仍存在含水層上下導(dǎo)通形成通道威脅，因此開采過程需進(jìn)一步加強(qiáng)斷層、陷落柱分布規(guī)律分析研究，并制定針對性防治水措施，為礦井防治水工作和安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。