河南省魯山縣段店礦區礦床充水因素分析

陳懷玉,溫志國,睢棟超

(1.河南省有色金屬地質礦產局第二地質大隊,河南鄭州;2.河南省有色金屬地質礦產局第六地質大隊,河南鄭州 450016)

河南省魯山縣段店礦區礦床充水因素分析

陳懷玉1,溫志國2,睢棟超2

(1.河南省有色金屬地質礦產局第二地質大隊,河南鄭州;2.河南省有色金屬地質礦產局第六地質大隊,河南鄭州 450016)

通過對礦區有關資料的統計分析,從大氣降水地表水地下水老窯水構造裂隙水等五個方面因素分析礦床充水因素。結合礦區實際,提出礦山開采時應采用聯合疏水法對充水水源 -上層灰 (砂)巖進行疏干和下層灰巖水進行降壓,加大礦區地下水動態監測等突水防治的措施。

礦床充水因素;大氣降水;老窯水;構造裂隙水;充水分析

河南省鋁土礦、氧化鋁、電解鋁產量穩居全國第一,已成為我國重要的鋁工業基地。鋁工業的高速發展,需要基礎資源——鋁土礦的充分保障。隨著鋁土礦淺部易采資源的逐漸枯竭,深部開采規模和范圍日益擴大,礦床的開采技術條件特別是水文地質條件越來越復雜,這直接導致了開采費用的增加,開采難度加大。因此詳細查明礦床充水因素,為礦業開發規劃和開采設計提供依據,成為礦區水文地質工作的重中之重。

1 礦區概況

礦區地形總的趨勢是北西高,南東低,西北部的震旦系,構成了陡峻的低山地形,其高程約 300～600m,東、西及中部的寒武系、石炭系、二疊系地層及火成巖則多呈平緩的低山丘陵地貌,其高程 150～400m。

本區屬于典型的大陸性半干旱氣候,每年降雨多集中在7、8、9三個月,年降雨量 545.5～1419.4mm,多年平均降雨量為 856.6mm,最大日降雨量可達 198.7mm(2006年 6月25日 )。

本區為淮河水系,主要地表水體為石龍河,屬長年性流水,從礦區中部流過。據朗店測站 1964年觀測資料,該斷面的流量 0.4～3.4m3/s,雨季最大洪峰流量 6.4m3/s,最大流速2.6m/s。

梁洼復式向斜系獨立的水文地質單元 -自流盆地,其東南部由碳酸鹽巖構成補給區,西南部則由變質巖、花崗巖構成隔水邊界,向北為廣大的逕流區。礦區位居自流盆地的東南部,位于梁洼向斜水文地質單元的補給徑流區上,分布有寒武系崮山組巖溶裂隙水、石炭系太原組灰巖溶洞裂隙水和松散巖類孔隙水。

2 礦床充水因素分析

影響礦床的充水因素很多,針對本礦區而言,主要有以下五個方面:

2.1 大氣降水

大氣降水的性質、強度、連續時間對地下水位變幅、地表水流量變化影響很大。據 2005年動態觀測資料:地下水位高程 124.59～135.39 m(LY 1)、127.88～141.23 m(LY 4),旱季與雨季變幅分別為 10.8 m和 13.35m;石龍河流量 0.181～1.232 m3/s(Ⅰ 斷面),0.325～1.542 m3/s(Ⅱ 斷面),流量變幅分別為 1.051m3/s和 1.21m3/s。另據永旺煤礦礦坑排水資料:正常排水量約 11 000m3/d,雨季達到 19 920m3/d,幾乎增大一倍。大氣降水與地下水呈正相關關系。

由此可知,大氣降水對礦床充水影響很大,但季節變化明顯,可以說大氣降水是礦床充水的季節性影響因素。

2.2 地表水

礦區對礦床充水影響最大的地表水是石龍河,發源于向斜北西翼出露寒武系地層的高花崖,由北西向南東順勢而下,流經邊莊、韓莊、段店,匯入沙河。石龍河除泉水和大氣降水補給外,還有沿途各煤礦的排水補給,據郎店測站 1964年觀測資料,該斷面的流量 0.40～3.40m3/s,雨季最大洪峰流量 6.40m3/s,最大流速 2.60m/s。

據礦區觀測資料,石龍河水位高程高于礦區水位高程 10 m以上,出礦區流量大于入礦區流量,在天然狀態下,地下水對石龍河有補給影響。由于地處韓梁煤礦區,無序開采的小煤窯隨處可見。近年來雖經綜合治理有所改善,但多年來的亂采亂挖難免產生崩落裂隙與地表水相通或形成塌陷,造成地表水倒灌、突水,威脅礦山安全。另外采礦過程中,由于疏干排水的作用,礦區內地下水位大幅度降低,從而改變了地下水和地表水間天然補給排泄關系,將使河水沿下游河道內的石炭系、寒武系含水層倒灌而造成礦山突水。2007年 7月20日,由于連日暴雨,礦區石龍河岸邊抽水孔C 1附近原民采采空區突然塌陷,面積約 240 m2,深 3～5m,河水沿此通道涌入永旺煤礦井坑,幸好該礦正處于技改期間,未造成人員和財產事故,但煤礦排水量因此大增,礦方馬上拉土回填堵漏,五日后方恢復正常。

因此,地表水是礦床充水的潛在威脅,具有突發性。尤其是近幾年,全球氣候變暖,極端災害天氣頻繁出現,河南省陜縣支建煤礦“7.29”和山東省新泰華源煤礦“8.17”透(潰)水淹井事故表明在雨季應密切關注地表水的水情,是非常重要的。對本礦區石龍河而言,石龍河從 Ⅳ號主礦體上流過,不論采用哪一種開采方式 (露采或坑采),其涌入礦坑是不可能避免的,可以采用河流改道的措施,來徹底防止突水事故的發生。

2.3 地下水

對礦床充水影響較大的地下水主要是寒武系崮山組巖溶裂隙含水層、石炭系太原組灰巖巖溶裂隙含水層、石炭系及二疊系砂巖裂隙含水層。據礦區鉆孔抽水試驗資料:寒武系含水層厚度大于 13.40m,地下水位高程 129.323～144.367 m,平均水位高程 135.966m,變幅 4.70～12.97m,該層平均滲透系數 20.65m/d,單井單位涌水量為 11.230 L/s·m,屬極強富水性含水層;石炭系太原組灰巖含水層揭露厚度0.65～38.47 m,平均厚度 14.26 m,地下水位高程為128.112～142.372 m,本組兩含水層混合抽水的單井單位涌水量為 5.587 L/s·m,滲透系數為 10.84m/d,屬極強富水性含水層;石炭系及二疊系砂巖裂隙含水層揭露厚度 0.65～65.66 m,本組兩含水層混合抽水的單井單位涌水量為 3.92 L/s·m,滲透系數為 8.34m/d,屬強富水性含水層。三組含水層均為承壓水,富水性強。因此,礦區地下水是礦床充水的主要來源,對礦床充水影響是持久的、長期的。

2.4 老窯水

礦區位于韓梁煤礦區,老采空區分布較廣,其中充滿大量積水,連通復雜,水量較大,如現生產井巷接近或崩落帶達到它們,便會造成突水。本區已有煤礦突水的先例,這應引起高度重視。普山煤業一礦井原開采二 1煤,掘進至一 6煤時,僅開采數日,便打通了紅旗煤礦老采坑,大量老窯水突入礦井,很快就將礦井淹沒,造成報廢。因此老窯水對礦區的威脅也是突發性的,容易造成不可估量的損失。

據地質鉆探揭露結果統計,在已施工的 99個地質孔中,礦區內采空區見有采空區的鉆孔 21個,可見率 21%,空高1.00～ 17.75(ZK 3 124)m,平均 5.13m,內被煤矸石、粘土巖砂巖碎塊及砂泥充填。采空區賦存高程 40.93～162.33 m,從據附表 17數據所作的采空區空間分布圖 (圖 1)中,可以看出采空區垂直發育主要在 90～140 m高程之間,在水平空間上主要分布在橫 27～52線與縱 19～30線之間,Ⅳ 號主礦體北西側也有分布。據本次煤井調查,此外在永旺煤礦采礦證南部煤層已采空,推測與礦區內采空區相連。采空區內大多充滿了積水。2007年 7月 20日,由于連日暴雨,礦區石龍河岸邊 C 1附近原民采采空區突然塌陷,事實表明本區采空區有時也會和地表水溝通。因此,老窯水也是礦床充水的主要因素,它的影響是突發性的。

2.5 構造裂隙水

段店正斷層位于主礦體南部,是對礦區影響較大的構造。該斷層延伸長度大于 1 000 m,傾向北東,傾角 26°～70°,垂直斷距北部約 5m,南部近 37m。斷層破碎帶角礫由砂巖、砂質頁巖、頁巖及灰巖組成。由于該斷層延伸短,斷距小,沒有與區域內大斷層連接溝通,加之斷層破碎帶充填物絕大部分為柔性巖石,泥質膠結,故對礦區充水影響不大。

3 結論與建議

綜上所述,大氣降水是礦床充水的季節性影響因素、地表水是礦床充水的潛在威脅、地下水是礦床充水的主要來源、老窯水是礦床充水突發性因素構造裂隙水、對礦區充水影響不大。

(1)礦山開采時應采用聯合疏水法對充水水源 -上層灰(砂)巖進行疏干和下層灰巖水進行降壓,以確保采礦安全。

(2)未來開采可能改變地下水和地表水間天然補給排泄關系,雨季遇特大洪峰時加強對石龍河水位和流量的動態觀測,以免使河水倒灌而造成礦井突水。在露天采場遇煤礦采空區時,應密切注意石龍河地表水和第四系砂礫石含水層對采礦的影響,特別注意硐室穩定性降低致使老窯水突入礦坑的情況。建議石龍河河流改道,徹底避免此種情況發生。

(3)在未來開采排水過程中,要加強與相鄰煤礦的協調聯系,以確保礦區未來地下水位保持穩定。實施礦井疏排后,礦區地下水位下降較大,應加強地下水動態監測工作,并在礦區周邊采取有效措施 (如帷幕灌漿等),遏制地下水環境的惡化趨勢。

圖 1 采空區空間分布標高圖

[1]河南省魯山縣段店礦區(王家莊礦段)鋁土礦補充詳查報告 .河南省有色金屬地質礦產局第一地質大隊,2005.

[2]河南省魯山縣段店礦區(王家莊礦段)鋁土礦水文地質工程地質補充詳查報告.河南省有色金屬地質礦產局第六地質大隊,2007.

[3]王德偉.河南永城煤田陳四樓煤礦水害預測與防治 .中國地質大學,2003.6.

[4]李滿洲等 .河南偃師夾溝鋁土礦床突水機理與防治方法研究 .水文地質工程地質,2006.5.

[5]房佩賢等 .專門水文地質學 .地質出版社,2005.1.

[6]吳國昌等.河南省礦山環境問題研究 .中國大地出版社,2007.2.

TD 741

B

1004-1184(2010)03-0173-02

2009-11-26

陳懷玉(1971-),男,河南鄲城人,工程師,主要從事巖土工程勘察、設計與施工及礦山水文地質、工程地質、地質災害工作。