西山古交礦區奧灰與下組煤帶壓開采

劉 麗,王 芳,常永旺,李俊杰,車燦輝

(1、中國礦業大學資源學院;2、西山煤電集團有限責任公司)

·專題綜述·

西山古交礦區奧灰與下組煤帶壓開采

劉 麗①,王 芳②,常永旺②,李俊杰①,車燦輝①

(1、中國礦業大學資源學院;2、西山煤電集團有限責任公司)

古交礦區下組煤的開采深受中奧陶系灰巖含水層的威脅,存在嚴重的帶壓開采問題。介紹了前人對奧灰的研究,認為對下組煤造成影響的并不是整個奧灰,而是其中的某個含水層段;通過分析中奧陶系地層與下組煤之間的關系,認為O2f2是下組煤帶壓開采的直接充水含水層,O2s2+3是間接充水含水層;并且通過對揭露奧灰鉆孔的地質、簡易水文及抽水試驗等資料的分析,認為O2f2富水性弱,對下組煤開采影響小,O2s2+3只有當存在集中導水通道時,才會對下組煤造成危害,并提出以O2f2作為中間指示含水層來監測、防治O2s2+3含水層。

奧灰;水文地質特征;帶壓開采;指示含水層

中奧陶統碳酸鹽巖是華北石炭二疊系煤田基底,其分布范圍廣、厚度高達數百米至千余米、富水性強、水壓高。若將奧灰視為一個單一的含水層,那么其是一個巨大的地下水庫,給下組煤帶壓開采造成巨大威脅。因此,防治水工作中,均將奧灰水視為難以防治的勁敵,大有談“奧”色變之勢,令人望而生畏。然而事實并非如此。由于中奧陶統沉積時經歷了三次海進和海退,沉積旋回明顯,1975年峰峰地層會議上,專家將奧灰劃分為三組八段,即峰峰組二段、一段(O2f2、O2f1),上馬家溝組三段、二段、一段(O2s3、O2s2、O2s1)、下馬家溝組組三段、二段、一段 (O2x3、O2x2、O2x1),以后各省區相繼對奧灰地層進行劃分,雖然劃分不一、名稱不同,但大體上是可以相互對比的,如表1所示。

表1 中奧陶地層的劃分和對比[1]

水文地質工作者通過對各層段中大量的水文地質試驗數據對比和分析研究,認為各組一段的富水性較差,可視為相對隔水層,而各組二、三段的富水性普遍較強,抽水孔或供水井水量均很大,是極具水資源開發價值的含水層段,同時又是煤礦生產最具威脅的含水層段。

既然奧灰中存在相對隔水層,那么奧灰各含水層段向礦井充水的作用就不同,有直接充水含水層與間接充水含水層之別。在研究奧灰對下組煤開采影響時,就必須分開研究各層段的富水性及其對下組煤開采的影響,而不可籠統地根據整個奧灰的富水性來評價下組煤帶壓開采的安全可靠性。

1 研究區概述

古交礦區位于西山煤田西北隅,含煤地層為山西組、太原組,含煤14層。其中,可采及局部可采煤層7層,主采煤層為 2#、3#、8#、9#煤層。區內現有西山煤電集團有限責任公司西曲礦、東曲礦、屯蘭礦、馬蘭礦、鎮城底礦5對生產礦井,面積約308 km2(見圖1),設計能力1 650萬 t,2007年核定生產能力1 750萬t,2007年實際產量1 699萬 t。地方各類煤礦遍布礦區周圍,目前大部分礦井均開采上組煤,配采一部分下組煤。隨著煤礦生產的發展,現已向深部和下組煤延伸。現生產水平的上、下組煤大多位于奧灰承壓水位之下,尤其是下組煤(8#、9#煤)存在嚴重的帶壓開采問題。

圖1 古交礦區概況圖

2 研究區奧陶系灰巖水文地質特征

正如前面所述,由于沉積旋回,本區中奧陶統地層亦可劃分為三組八段,即峰峰組(O2f)、上馬家溝組(O2s)、下馬家溝組(O2x),其中各組的一段主要為角礫狀泥灰巖、泥灰巖、角礫狀灰巖并夾數層石膏,為相對隔水層,各組的二、三段主要為石灰巖,巖溶裂隙發育,為含水層,見圖2。

1)下馬家溝組二段、三段(O2x2+3)含水層。該段由于埋藏較深,巖溶發育弱,只是在灰巖段具小溶孔和蜂窩狀巖溶,研究區內揭露該段的鉆孔較少。古交鋼廠以東的C-39孔在揭露該層段時,巖溶發育較弱,抽水試驗降深28.75 m,單位涌水量僅為0.026 L/s·m,該層段與下伏O1含水層混合水樣的礦化度為2 808 mg/L,說明該層段富水性弱;屯蘭井田北部邊界 TS-3號孔揭露該層段67.43 m,結果無水;鎮城底井田陰家溝的GS-14號孔揭露該層段52 m,簡易水文資料也反映富水性弱。

2)上馬家溝組二段、三段(O2s2+3)含水層。該段是區域內的強含水層,研究區內的水源地多以該層段為目的層。石灰巖中發育有溶孔和蜂窩狀巖溶,鉆進中水位、水量有變化,大部分鉆孔揭露該層時均出現漏水現象,水位急劇下降。據簡易水文資料,GS-9孔在孔深633.65～662.61 m,水位由20 m突然降至160.8 m,消耗量由2 m3/h增加到120 m3/h。鉆孔單位涌水量一般為0.046～6.70 L/s·m,水質類型大都為 SO4-Ca·Mg型,礦化度 311～2 619 mg/L。富水性中等—豐富。

3)峰峰組二段(O2f2)含水層。該段由于長期處于剝蝕作用下,頂部裂隙巖溶多被上部鋁土質泥巖充填,使得本段富水性較弱且差異較大。鉆孔單位涌水量一般為0.000 1～8.39 L/s·m,個別鉆孔的單位涌水量達26.959 5 L/s·m(GS-16孔),水質類型為 SO4-Ca·Mg、HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg和 SO4·HCO3-Ca·Mg型,礦化度377～2 438 mg/L。

圖2 奧陶系柱狀示意圖

該層段巖溶發育程度與埋深之間關系密切,在鎮城底西北部以及西曲水源地,峰峰組埋藏淺,巖溶發 育,單位涌水量大的鉆孔多位于此處;屯蘭礦的413、416、417孔,峰峰組埋藏深,僅發育有少量蜂窩狀溶孔,含水性差,單位涌水量最大者僅為 0.025 L/s·m,417孔O2f2與O2s2+3混合抽水的單位涌水量小于0.000 26,幾乎可以說是干孔;而研究區南部,峰峰組埋藏深,峰峰組二段甚至不含水,如 GS-8-1、GS-8-2(見表 2,表 3)。

從表3看出,除個別鉆孔 q>0.1 L/s·m外,絕大多數鉆孔 q<0.1 L/s·m,甚至小于 q<0.01 L/s·m,這充分說明該含水層富水性弱。

4)峰峰組(O2f2)與上馬家溝組(O2s2+3)含水層之間的水力聯系差。

排除補給區的鉆孔,即鎮城底西北部以及西曲水源地部分鉆孔(圖1),O2f2與O2s2+3兩含水層之間存在著一定的水位差,見表2;從水質類型來看,O2f2的水質以硫酸型為主,而O2s2+3以重碳酸型為主,也說明兩者之間水力聯系差。這充分說明了峰峰組一段(O2f1)具有良好的隔水性能,從而使下組煤帶壓開采水文地質條件簡化(見表4)。

3 奧灰含水層對下組煤開采影響初步分析

綜上所述,奧灰并不是一個單一的巨厚含水層,對下組煤帶壓開采造成影響的也不是整個奧灰。峰峰組二段是中奧陶統的第一個含水層段,距下組煤平均厚度65 m,是下組煤帶壓開采的直接充水含水層;由于峰峰組一段(O2f1)具有良好的隔水性能,加之上馬家溝組含水層距下組煤較遠,只能起到間接充水含水層作用,在沒有集中導水通道的情況,不會造成底板突水;而下馬家溝組含水層埋深大,巖溶基本不發育,富水性極弱,且距下組煤200 m以上,對下組煤帶壓開采不造成影響。因此,在下組煤帶壓開采研究中,研究峰峰組二段的富水性及富水規律是最為重要的;其次是研究上馬家溝組與峰峰組之間是否存在集中導水通道。

表2 上馬家溝組含水層部分鉆孔抽水實驗成果表

表3 峰峰組含水層部分鉆孔抽水實驗成果表

表4 峰峰組與上馬家溝組含水層水位差值表

前已敘及,峰峰組二段(O2f2)富水性普遍較弱,有些地段O2f2甚至不含水,只是個別地方富水性較強,因此,O2f2對下組煤的影響也因地段不同而具有差異性。加之峰峰組頂部多被鋁土泥巖填充,增加了其與下組煤之間的隔水層厚度。因此,總體上來說,O2f2對下組煤的開采不致于造成重大水害,只有當其水壓大且富水性強時,才可能對下組煤開采產生重大影響。

上馬家溝組含水層段(O2s2+3)是區域內的強含水層,多數水源地均布置在此層,且華北型煤田重特大突水事故均與該含水層有關,如范各莊2171工作面陷落柱突水、皖北任樓7222陷落柱突水等均是由于陷落柱導通了上馬家溝組強含水層而淹井。在沒有集中導水通道(斷層、陷落柱、鉆孔)的情況下,O2s2+3不會對底板突水構成威脅,因此,應該重點對集中導水通道進行探查,防止集中通道突水。

對于O2s2+3強含水層的防治,建議在O2f2中布置監測孔,以峰峰組二段弱含水層為中間指示層。因為O2f2是O2s2+3的水進入礦井的必經之路,在其進入下組煤前必然會引起峰峰組二段的水位、水質、水溫等發生變化。通過對水質、水溫分析,就可以判別進入O2f2的水是否為O2s2+3的水,而后采用“物探先行,鉆探驗證”的方法探查通道的性質和位置,根據具體情況,或直接封堵通道,或將O2f2改造為隔水層。

4 結 論

1)研究區內奧灰由3個含水層及3個隔水層組成,影響下組煤帶壓開采的并不是整個奧灰,其中O2f2是下組煤帶壓開采的直接充水含水層,O2s2+3是間接充水含水層。2)O2f2總體上富水性弱,況且其頂部充填有鋁土泥巖,因此,對下組煤帶壓開采不會造成水害事故。3)O2s2+3之間水力聯系差,說明O2f1隔水性良好,二者是兩個相對獨立含水層。4)O2s2+3是區域內的強含水層,但只起到間接充水含水層的作用,在沒有集中導水通道的情況下,不會對下組煤帶壓開采構成威脅。而O2s2+3在對礦井充水之前必然經過O2f2,因此,可利用O2f2作為中間指示含水層來監測是否有集中導水通道導通O2s2+3,并根據通道的性質和特征,采用注漿封堵或改造加固底板的防治措施。

[1] 馮增昭,張吉森.華北地臺早古生代巖相古地理[M].北京:地質出版社,1990:10-14.

[2] 鄭世書,陳江中,劉漢湖,等.專門水文地質學[M].徐州:中國礦業大學出版社,1999:6-19,63-79.

[3] 煤炭科學研究總院西安分院科學技術報告.華北奧陶紀碳酸鹽巖分層、對比及巖溶發育特征[R].西安:煤科院西安分院,1992.

[4] 中國煤田地質總局中國煤田水文地質學[M].北京:煤炭工業出版社,2001:16-33,438-446.

[5] 劉希新,于克君.兗州西部奧陶系水文地質特征[J].煤田地質與勘探,2002,30(1):38-40.

[6] 馮啟言.滕沛煤田奧陶系巖溶發育的層控規律[J].煤田地質與勘探,1990(1):40-44.

[7] 劉懷忠,馮啟言,韓寶平,等.大屯煤田奧陶系巖溶含水特征[J].煤炭科技,2002(2):11-13.

[8] 朱緒田.對峰峰礦區中奧陶統灰巖含水層的認識[J].煤田地質與勘探,1984(06):41-45.

[9] 周景玉,王光國,鞏望旭.羊渠河礦中奧陶系石灰巖含水層富水性淺析[J].礦山地質,1990(03):53-56.

[10] 西安煤田地質研究所水文科研隊.峰峰地區中奧陶統灰巖巖溶發育規律及含水層劃分的初步研究[J].水文地質技術方法,1977(3):33-52.

[11] 何宇彬,吳瓊,徐超.太原地區卡斯特水資源研究[M].上海:同濟大學出版社,1995:30-35.

Ordovician Limestone and Mining the Lower Series Coal with Water Pressure in Xishan Gujiao Mining Area

Liu Li,Wang Fang,Chang Yong-wang,Li Jun-jie,Che Can-hui

The mining of the lower series coal in Gujiao mining area is threatened by the the Ordovician limestone aquifer,and there is a serious problem of mining with water pressure.This paper introduced the previous study of Ordovician limestone and think that impact the lower series coal is not the whole Ordovician but one of the aquifers in it.Through analysis the relationship between the Ordovician and the lower series coal,this paper think that the O2f2is the direct discharge aquifer and the O2s2+3is the indirect discharge aquifers;by analyzed the information of geological,hydrological and pumping test,this paper think the O2f2water abundance is weak and O2s2+3will damage the coal mining only if exist the concentrated conductor,and offered O2f2aquifer as the intermediary indicator aquifer to monitor and control O2s2+3aquifer.

Ordovician limestone;Hydrogeology features;Mining with water pressure;Indicator aquifer

TD132

B

1672-0652(2010)05-0018-05

2010-03-16

劉 麗 女 1985年出生 2008級中國礦業大學資源學院在讀碩士生 徐州 221008