長平礦奧灰水文地質(zhì)特征研究

張雷杰

（山西正誠礦山安全技術(shù)研究所（有限公司），山西 晉城 048006）

1 概 況

華北型煤田為我國重要的煤炭輸出基地，但嚴峻的礦山水害一直影響著我國煤礦安全生產(chǎn)，在所有水害事故的突水形式中，以底板承壓區(qū)突水最為嚴重。然而由于地下水資源的極其寶貴以及出于生產(chǎn)成本控制，大量深埋帶水壓煤炭資源無法通過疏干降壓來實施安全開采，須進行帶壓開采。長平礦主采3 號煤層，其大部分區(qū)域及下部15 號煤層全部區(qū)域，均受到底板奧灰水的威脅，其底板距奧陶系灰?guī)r頂界面部分區(qū)域僅10 m 左右，采動破壞后底板有效隔水層阻水能力可能不足以阻抗底板深部的奧灰水水壓，在井田中部至深部，帶壓開采問題尤為突出。許多礦區(qū)的資料證明，在奧灰峰峰組存在一定厚度的隔水層段，所以，為了實現(xiàn)該礦3號、15 號煤層帶壓安全開采，有必要對長平煤礦峰峰組的含（隔） 水性進行評價，以期在可行的條件下利用峰峰組富水性較弱的特點，作為保護煤層開采、降低突水危險性的隔水屏障。

2 主采煤層充水條件分析

2.1 地表水及基巖風(fēng)化帶裂隙水

井田中西部主要發(fā)育釜山村溝和海則溝，屬季節(jié)性河流，平時有微小流水，雨季匯集洪水后水量猛增，基巖風(fēng)化層接受地表水的補給。3 號煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為87.80～140.00 m，煤層頂板上距基巖風(fēng)化帶含水層底板169.73～737.14 m，導(dǎo)水裂縫帶未發(fā)育到基巖風(fēng)化帶含水層底板，在無構(gòu)造或其它因素造成導(dǎo)水通道的前提下，地表水及基巖風(fēng)化帶裂隙水對3 號煤層的開采影響不大。

井田東部丹河、釜山水庫均留設(shè)隔水煤柱，一般情況地表水對3 號煤層不存在充水威脅。

2.2 二疊系砂巖裂隙水

二疊系砂巖裂隙含水層為3 號煤層直接充水水源。砂巖裂隙含水層的補給區(qū)位于井田外圍基巖裸露地帶，以及區(qū)內(nèi)溝谷基巖露頭地段。但因砂巖裂隙水匯水面積有限，補給條件差，含水層總體富水性弱。

在煤層掘進或回采后，上覆砂巖裂隙含水層通過導(dǎo)水裂縫帶，淋入或滲入到掘進或回采工作面，增加礦井涌水量。由于該含水層富水性較弱，對煤層掘進、開采一般不構(gòu)成威脅。多年來的礦坑排水對煤系圍巖含水層起到一種人為的疏降作用。因此，煤系圍巖地下水不會對煤礦開采造成大的威脅。目前開采3 號煤層，井下大多地段頂板淋水不大，一般5～10 m3/h 左右，井下未出現(xiàn)過大的透水現(xiàn)象。但是在斷層帶、陷落柱附近裂隙發(fā)育，以及砂巖裂隙含水層厚度較大地段，含水層富水性相對較好，煤層掘進時應(yīng)加強探測。

2.3 石炭系太原組灰?guī)r巖溶裂隙水

井田中西部3 號煤層位于太灰水位之下，屬于太灰水帶壓區(qū)。煤層底板與K5 灰?guī)r之間有12～41 m 隔水層，因此，太灰水為3 號煤層底板間接充水水源。15 號煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為60.15～132.29 m，主要導(dǎo)通的K2～K6 灰?guī)r及3 號煤采空區(qū)水為15 號煤層頂板直接充水水源。

自上而下主要有石炭系太原組K6、K5、K4、K3 和K2 灰?guī)r。含水層巖性為致密堅硬石灰?guī)r，可見巖溶裂隙，但多被方解石或鈣泥質(zhì)充填。含水層主要接受井田外圍裸露地帶補給。含水層富水性弱，局部存在相對富水區(qū)，表明上石炭統(tǒng)太原組巖溶裂隙含水層對開采3 號、15 號煤層存在一定的影響。在開采3 號、15 號煤層時，應(yīng)對太原組巖溶裂隙含水層富水性進行探查，對于富水性異常區(qū)采用超前疏排、治理等措施，減少或消除其在礦山建設(shè)和生產(chǎn)過程中對礦井安全的威脅。

2.4 奧陶系中統(tǒng)巖溶裂隙水

作為礦井主采煤開采的主要潛在威脅之一，奧灰水具有水壓高、水量大、富水性極不均一的特性。潛在的儲水水源主要為上馬家溝組巖溶裂隙含水層。3 號煤層至奧灰頂板之間距離90.15～147.26 m，15 號煤層至奧灰頂板之間的距離11.81～45.22 m，平均僅有27.33 m 左右，甚至在部分區(qū)域不到12 m。主煤煤層底板承壓水壓力最大可達4.36 MPa（圖1）。受底板水威脅最嚴重的15 號煤，采動破壞后底板有效隔水層阻水能力不足以阻抗底板深部的奧灰水水壓，在井田中部至深部，帶壓開采問題尤為突出。因此，有必要對峰峰組的含（隔） 水性進行系統(tǒng)評價，解決煤層帶壓開采問題，防止奧灰水突入礦井造成災(zāi)難性后果。

圖1 隔水層底水壓等值線圖Fig.1 Contour diagram of water pressure of aquifuge bottom

2.5 采空區(qū)積水

井田內(nèi)3 號煤層已開采多年，形成大范圍采空區(qū)，采空區(qū)主要集中在井田東部。據(jù)統(tǒng)計井田內(nèi)采空區(qū)面積總計3 901 781 m2，其中積水區(qū)6 處，積水總面積為349 337 m2，積水總量為70.03 萬m3，目前未發(fā)現(xiàn)井田內(nèi)有古空小窯分布。周邊煤礦均與該礦留設(shè)礦界煤柱，尚未發(fā)現(xiàn)越層越界開采現(xiàn)象。

長平井田總體呈一向西北傾斜的單斜構(gòu)造，3號煤層采空區(qū)分布在井田東部，中西部未開采3 號煤層標(biāo)高均低于采空區(qū)標(biāo)高。積水對3 號煤層開采存在一定的威脅。采空區(qū)積水處在動態(tài)變化過程中，隨時間的推移，無積水區(qū)會逐漸成為積水區(qū)。當(dāng)煤層開采接近采空區(qū)時，應(yīng)對周邊積水進行安全評估，做好防治水工作。做到“預(yù)測預(yù)報、有掘必探、有采必探，先探后掘、先探后采”，確保3 號煤層的安全開采。

15 號煤層上距3 號煤約75.05～110.47 m，煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為60.15～132.29 m，大部分地段裂縫帶頂界面距離大于3 號煤與15 號煤煤層間距，或者已進入其底板采動裂隙發(fā)育范圍以內(nèi)。因此15 號煤開采過程前，應(yīng)充分了解頂板起伏變化，對老空水威脅進行提前評估、疏放。

3 主采煤層帶壓開采條件分析

3.1 帶壓開采與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系

井田范圍內(nèi)發(fā)育有大小褶曲32 條，多為寬緩的背、向斜構(gòu)造，對煤層及其頂?shù)装宓臄D壓或拉張效應(yīng)十分微弱，對底板隔水層的隔水性能影響較小。井田內(nèi)斷層和陷落柱較多，對煤層帶壓開采影響較大，特別是落差較大、深切煤系地層并與奧陶系灰?guī)r有水力聯(lián)系的斷層及陷落柱，不僅成為帶壓開采時奧灰水進入煤系地層的通道，而且降低了煤層底板隔水層的隔水性能，對煤層帶壓開采危險性較大。因此，須探明褶曲、斷層及陷落柱等構(gòu)造發(fā)育狀態(tài)的情況下，制定煤層帶壓開采防治水方案。

3.2 帶壓開采與隔水層厚度的關(guān)系

隔水層厚度指的是煤層底板至奧灰頂界面之間的厚度，諸多資料表明，峰峰組頂部的古風(fēng)化殼也具有較明顯的阻水性能，如果峰峰組頂部古風(fēng)化殼存在并具備阻水性能，可以將峰峰組頂部隔水層進行利用，那么受到破壞的本溪組巖層將不再是唯一的阻隔奧灰水進入15 號煤的阻水層，對解放下組煤有重要意義。

3.3 帶壓開采與隔水層巖性組合的關(guān)系

隔水層的隔水性能不僅與其厚度有關(guān)，巖性組合特征對于抵抗底板水壓也具有重要影響。泥巖、砂質(zhì)泥巖的阻水能力較好，但抗壓強度強度一般較?。簧皫r、石灰?guī)r雖然阻水性能較差，但抗壓強度一般較泥質(zhì)巖類較大。因此，只有泥質(zhì)巖類與砂巖反復(fù)旋回沉積的組合形式，才能起到較好的阻水作用。3 號煤層距離奧陶系距離較遠，隔水層厚度較大，泥巖類與砂巖、石灰?guī)r等反復(fù)旋回沉積，對阻止奧灰水具有較好的效果。15 號煤距離奧陶系距離較近，隔水層厚度較小，承受的水壓較大，但本溪組鋁質(zhì)泥巖厚度較大，阻水效果較好，大部分地段15 號煤底板為鋁土質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖旋回沉積，對奧灰水進入15 號煤具有很好的阻水能力，但是不排除在部分區(qū)域底板隔水層泥質(zhì)巖類所占比例較大，而抗壓強度較大的砂巖、石灰?guī)r所占比例較小，甚至沒有。因此，對于15 號煤層帶壓開采可行性的問題上，不僅要探明隔水的厚度、水壓、構(gòu)造等因素，隔水層的巖性組合形式對于明確防治水方案也具有重要意義。

4 奧陶系峰峰組隔水性分析

已有勘探資料表明，長平礦范圍內(nèi)，奧灰水存在一個普遍規(guī)律，在正常區(qū)段峰峰組整體富水性極弱，進入馬家溝組上段時出現(xiàn)明顯的富水層位，到中段時水量急劇增大，出現(xiàn)強富水層。富水層位的位置與巖性組合、地下水動力條件及古氣候存在較密切的關(guān)系，上述結(jié)論是各種因素綜合作用的結(jié)果。如果將峰峰組作為相對隔水層，甚至將峰峰組頂部的二段古風(fēng)化殼發(fā)育區(qū)作為隔水層，將對能否安全開采下組煤有重要意義。

4.1 奧陶系峰峰組隔水性認識

根據(jù)野外地質(zhì)與水文地質(zhì)調(diào)查及水文地質(zhì)鉆探資料，峰峰組頂部未見強含水層。說明古風(fēng)化殼對峰峰組的隔水性起到了作用，但古風(fēng)化殼的分布是不穩(wěn)定均一的。

峰峰組地層巖性上部為灰色-灰白色巨厚層狀隱晶質(zhì)石灰?guī)r、局部裂隙發(fā)育，具方解石脈，間夾有白云巖及角礫狀灰?guī)r，局部為泥質(zhì)石灰?guī)r。中部為灰色角礫狀石灰?guī)r，泥灰?guī)r和石灰?guī)r，灰色白云巖和泥質(zhì)白云巖，局部溶洞發(fā)育，裂隙內(nèi)充填有方解石脈。下部灰色石灰?guī)r，淺灰色中厚層狀白云巖，含泥石灰?guī)r，局部溶洞發(fā)育。

其具備阻水作用的原因主要有兩點，一是上部本溪組地層是良好的隔水巖層且對其峰峰組古風(fēng)殼有充填作用；二是峰峰組本身灰?guī)r夾泥灰?guī)r的二元結(jié)構(gòu)。

4.2 奧灰峰峰組巖溶規(guī)律及富水性分析

峰峰組厚度約為130 m 左右，主要由厚層狀泥灰?guī)r、石灰?guī)r、角礫狀石灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r組成。總體上巖溶裂隙發(fā)育程度較差，在溶蝕裂隙發(fā)育的區(qū)域，常見泥質(zhì)膠結(jié)?；?guī)r巖溶地貌發(fā)育的各種巖溶空洞、裂隙在后期物理、化學(xué)風(fēng)化過程中形成了大量碎裂狀角礫，與上覆的風(fēng)化殘積層混雜在一起形成二次膠結(jié)，由于泥質(zhì)膠結(jié)程度高，使得峰峰組頂部的風(fēng)化殼在成巖后具有較高的強度和隔水性能。根據(jù)已有資料，峰峰組含水層總體富水性弱，這與峰峰組頂部存在的風(fēng)化地貌有較直接關(guān)系。但在構(gòu)造發(fā)育區(qū)域，如斷層、陷落柱，巖溶發(fā)育條件好，有可能小范圍內(nèi)形成峰峰組巖溶裂隙富水區(qū)，并與馬家溝組、煤系地層貫通的情況，此時奧灰水壓將威脅煤層正常開采。

根據(jù)水文孔抽水試驗資料，峰峰組含水層大部分地段富水性弱，單位涌水量為0.000 7～0.087 7 L/s·m，局部地段富水性強，單位涌水量為4.017 9 L/s·m。上馬家溝組單位涌水量1.159～2.027 4 L/s·m，屬于強富水性含水層。另外，流量測井結(jié)果也顯示，在峰峰組中上段沒有出水層段，并且奧灰峰峰組和上馬家溝組2 個含水層水質(zhì)類型不同，礦化度也有差異，說明二者之間的水力聯(lián)系比較弱，沒有明顯的互相補給關(guān)系。

4.3 奧灰峰峰組相對隔水層段隔水性能評價

長平井田奧陶系中統(tǒng)峰峰組地層在無構(gòu)造發(fā)育的情況下，巖溶裂隙發(fā)育程度差，其富水性小于上馬家溝組含水層，并且峰峰組含水層地下水徑流條件弱，很難與上馬家溝組含水層發(fā)生水力系聯(lián)，即峰峰組地層具備構(gòu)成阻水性巖層的基本條件。

將峰峰組阻水段因素考慮進去，15 號煤層底板隔水層厚度為31.81～65.22 m，平均47.37 m，煤層底板隔水層承受的奧灰水壓為0.367～4.43 MPa。根據(jù)煤層底板隔水層厚度和隔水層承受的水壓值，對15 號煤層奧灰水突水系數(shù)進行計算。煤層底板奧灰水突水系數(shù)為0.01～0.094 MPa/m，在西部邊界附近呈現(xiàn)0.094 MPa/m 最大值，在井田的中東部、南部突水系數(shù)均小于0.06 MPa/m。由此可見，峰峰組作為相對隔水層的對改善距離奧灰最近的15 號煤帶壓開采條件效果明顯。

5 結(jié) 語

分析了長平礦已往地質(zhì)水文資料，總結(jié)出長平礦最主要的水害為奧灰水，并對主采煤層帶壓開采條件進行分析，通過分析研究了奧灰含水層水文地質(zhì)條件，論證了峰峰組頂部阻水性巖層作為底板相對隔水層的可行性，為實現(xiàn)長平礦3 號及15 號煤帶壓區(qū)資源釋放，延長服務(wù)年限，優(yōu)化資源配置起到了重要作用。