桌子山煤田下組煤開采受奧灰承壓水威脅程度研究

李雄偉

神華烏海能源有限責任公司 烏海 016000

1.引言

桌子山煤田地層區劃屬華北地層大區，受區域沉積環境和構造影響，該區既具有我國華北型煤田的共性，下組煤距奧灰隔水層厚度薄，水壓高、水量豐富，又具有桌子山煤田的獨特性，奧灰富水性極其不均一，區內斷裂構造柱發育，區內下組煤（太原組16#煤）開采受奧灰水嚴重威脅。由于該區處于西北干旱缺水地區，上、中組煤層（山西組煤層）開采亦未受到過奧灰水的威脅，對奧灰水的威脅認識不足。隨著區內煤炭開采層次“向下”延伸，開采深度逐漸加大，“奧灰水”突水幾率也在增加，2010年區內駱駝山煤礦曾發生下組煤奧灰突水的嚴重安全事故，因此開展對區內下組煤受奧灰承壓水威脅程度研究顯得極為重要。文章總結了桌子山煤田2010～2012年水文地質補充勘探的最新成果，對桌子山煤田下組煤開采受奧灰水威脅程度做一些淺析。

2.奧灰含水層水文地質特征分析

（1）區內奧陶系灰巖層控規律

桌子山煤田奧陶系灰巖大部分發育，苛烏素逆斷層以東區域奧陶系、寒武系缺失，含煤地層直接覆蓋在震旦系、太古界之上。奧陶系灰巖自上向下主要發育有中統桌子山組（O2z）及三道坎組（O2s），桌子山組與本溪組直接接觸，該組巖性以厚層灰巖為主，為盆地邊緣海陸交互相沉積。三道坎組上部為灰白色石英砂巖與厚層灰巖互層；中部為灰色石英砂巖與生物碎屑灰巖互層；下部為鈣質石英砂巖與砂質灰巖互層。

（2）奧灰巖溶水富水性不均一

奧陶系灰巖含水層的非均質特征表現在平面上富水性不均一及垂向上出水層段的不均一。在平面上表現為水文地質補勘各孔單孔涌水量、單位涌水量、滲透系數均有較大區別。單孔涌水量最大220m3/h，最小的僅為1.17m3/h；單位涌水量最大為4.22L/s·m，最小僅為0.0018L/s·m，富水性自弱到強，差距較大；滲透系數存在同樣特征，最小為0.0007m/d，最大為2.1293m/d。

根據勘探資料在垂向上奧陶系灰巖含水層出水位置有較大區別，根據奧灰鉆孔統計資料，各孔出水深度及鉆液流失量位置各不相同，多數鉆孔奧灰頂界面下20m～50m這一段漏失量較大，說明奧灰巖溶較為發育，垂向上奧灰頂面50m范圍內為強富水段，這也與桌子山煤田內各礦井井下出水點實際情況相符。

（3）構造控水因素分析

圖1 桌子山煤田構造分布、奧灰地下水流向及隔水層厚度變化圖

碳酸鹽巖產生巖溶作用，除與可溶巖巖性有關外，還與構造作用有關。一方面，構造不僅影響巖溶發育程度，而且影響巖溶發育空間和延伸方向。桌子山煤田主體構造為桌子山背斜，兩側為桌子山東麓大斷裂、崗德爾——西來峰大斷裂及崗德爾背斜，主要構造線方向近南北向，以壓扭性構造為主。次一級構造線則呈東西向展布，以張性構造為主，近東西走向的右旋平移斷層對南北向逆斷層進行切割，如千里溝平移斷層、正誼關（巴音陶亥）平移斷層等。總體來講桌子山煤田構造控水規律明顯，南北向的大型逆斷層控制含水層邊界條件、徑流條件，東西向正斷層多形成賦水構造，形成地下水強徑流帶和富水帶，成為巖溶地下水的良好賦存場所，如區內所有奧灰取水點均分布在向斜核部及東西向正斷層構造帶內。

構造另一方面還控制地下水的補給、徑流、排泄條件。桌子山大面積裸露的碳酸鹽區，為該區地下水的主要補給區，補給源以大氣降水入滲和季節性地表洪水滲漏補給為主。桌子山巖溶水在向卡布其向斜徑流至崗德爾山前，由于受崗德爾山東緣斷裂的阻擋，在自然地下水頭壓力作用下，沿構造線方向作近南北向徑流，順黑龍貴斷裂帶和西來峰斷裂帶由北向南徑流（徑流區）進入棋盤井地區，由于南部近東西向的正誼關右旋平移斷層隔水邊界等原因，地下水向西南方向公烏素、拉僧廟徑流排泄（稱為拉僧廟巖溶子系統）。所以，從地形和水文網分布上看，桌子山東部沿著順黑龍貴斷裂帶和西來峰斷裂帶為徑流帶，根據水文地質補勘漏水情況，巖溶較為發育；桌子山西部為相對滯留區，巖溶相對不發育。（圖1）

圖2 駱駝山及棋盤井奧灰地下水位變化曲線圖

3.奧灰巖溶水水位動態變化特征

據區域水文地質調查資料顯示，目前區域上奧陶系灰巖含水層水位也呈下降趨勢。拉僧廟巖溶子系統匯水面積2，177k㎡，裸露區面積183k㎡，埋藏區面積1，817k㎡。奧陶系降水入滲系數按0.13考慮，年補給量為3.70×106m3/a，日均補給量為1.04×104m3/d，即便將三分之一的埋藏淺埋區算作裸露區接受降雨補給，日均補給量為4.37×104m3/d。而區域內的工業用水、生活用水均取自該含水層，據調查奧陶系灰巖水日供水量約5.61×104m3/d。計算得出奧灰水采取量超過巖溶子系統補給量，區域水位呈單調下降趨勢（圖2），駱駝山礦區位于拉僧廟巖溶子系統補給區，2010～2012年間奧灰水位年平均降幅7.44m，棋盤井礦區位于拉僧廟巖溶子系統徑流區，奧灰水位年平均降幅達17.5m。

4.隔水層厚度變化規律及突水危險性分析

（1）下組煤帶壓情況分析

根據勘探資料，整理編制了桌子山煤田下組煤底板帶壓相關參數表（表1）。奧陶系灰巖水初始水位標高在1，061.57～1，118.5m之間。16#煤底板標高介于＋390.51m～＋1，015.8m之間，落差625.29m，16#煤底板承受奧陶系灰巖水壓1.00MPa～7.20MPa。桌子山煤田東部16#煤底板受奧陶系灰巖含水層水壓較小，從桌子山煤田東部到崗德爾——西來峰逆斷層線間水壓呈增大趨勢，斷層西側公烏素礦區16#煤帶壓0 MPa～4.62MPa。

表1 桌子山煤田16#煤底板帶壓情況及突水系數計算表

圖3 桌子山煤田下組煤奧灰突水系數等直線圖

（2）隔水層厚度變化情況分析

崗德爾——西來峰逆斷層以東16#煤距奧陶系灰巖頂界面距離為26.95m～82.43m，平均39.04m，總體上煤層底板隔水層厚度穩定，由東向西呈增厚趨勢。崗德爾——西來峰逆斷層以西公烏素礦區隔水層厚度發育大于200m，煤層開采受奧灰水威脅較小。

（3）下組煤開采突水系數評價

根據統計資料計算桌子山煤田16#煤底板奧陶系灰巖水突水系數（表1）并繪制等值圖（圖3）。從表1及圖3可以看出崗德爾——西來峰逆斷層以東突水系數介于0.04MPa/m～0.148MPa/m之間，在平面上由東向西呈增大趨勢。對照突水系數分區標準，桌子山煤田16#煤底板奧陶系灰巖水突水系數大部分區域大于0.06MPa/m，底板發生奧陶系灰巖水突水威脅程度較高。出崗德爾——西來峰逆斷層以西突水系數介于0 MPa～0.03MPa之間，隔水層厚度較大，煤層開采基本不受奧灰水害威脅。

5.下組煤開采受奧灰承壓水威脅程度

通過對桌子山煤田下組煤帶壓現狀、底板隔水層發育特征、底板突水威脅性的分析研究，對下組煤層受底板奧灰水威脅程度進行了綜合評價。桌子山煤田下組煤開采受奧灰水威脅程度可為3個區，其中崗德爾——西來峰逆斷層以西公烏素礦區，其煤層底板隔水層發育較厚，各煤層開采基本不受奧灰水害威脅；苛烏素逆斷層以東阿爾巴斯逆斷層以西奧陶系和寒武系缺失，煤層開采不涉及奧灰水問題；平溝、駱駝山及棋盤井礦區隔水層厚度較薄受奧灰水害威脅程度較大，這三個礦區根據帶壓程度、隔水層厚度及底板的完整程度分析，各受奧灰水的威脅程度也各不相同（表2）。下組煤開采帶壓程度以駱駝山礦區最高，其次是平溝和棋盤井礦區，駱駝山礦區受奧灰水威脅最嚴重；平溝和棋盤井礦區下組煤帶奧灰水壓相當，平溝礦區16#煤底板厚度較薄但完整性較好，受奧灰水威脅較小；棋盤井礦區雖隔水層厚度相對更大，但區內斷裂構造發育，且局部存在奧灰導升現象，下組煤受奧灰水威脅較大。

表2 桌子山煤田各礦區下組煤開采受奧灰水威脅程度對比表

6.結論

通過對桌子山煤田奧灰水文地質條件分析，得出該區奧灰巖溶在平面及垂向上的發育均具有不均一性。平面上受構造因素影響明顯，富水區域主要集中在向斜核部及東西向正斷層構造帶內，垂向上奧灰頂面50m范圍內為主要富水段。在此基礎上對區內各礦區下組煤層受底板奧灰水威脅程度進行了綜合評價，其中崗德爾——西來峰逆斷層以西，煤層開采基本不受奧灰水害威脅；苛烏素逆斷層以東阿爾巴斯逆斷層以西煤層開采不涉及奧灰水問題；平溝、駱駝山及棋盤井礦區隔水層厚度較薄受奧灰水害威脅程度較大。

[1]國家煤礦安全監察局.煤礦防治水規定[M].北京:煤炭工業出版社,2009.

[2]董書寧,劉其聲.華北型煤田中奧陶系灰巖頂部相對隔水段研究[J].煤炭學報,2009(3).

[3]馬培智.華北型煤田下組煤帶壓開采突水判別模型與防治水對策[J].煤炭學報,2005(5).

[4]劉生優.桌子山煤田棋盤井礦區奧灰水防治技術研究[J].神華科技,2011(2).

[5]段青梅,龍文華,王兵,李志,邵景力,崔亞莉.內蒙古桌子山地區巖溶水特征及勘查方法[J].地質與資源,2006(1).

[6]靳德武.我國煤層底板突水問題的研究現狀及展望[J].煤炭科學技術,2002(6).

[7]白海波,戎虎仁,劉樹才.白云烏素煤礦奧陶系頂部碳酸巖層隔水性及應用研究[J].采礦與安全工程學報,2012(5).