柿莊北區主采煤層充水因素分析

2016-09-15 06:40:50翟虎威

西部探礦工程 2016年2期

翟虎威

（山西省煤炭地質114勘查院，山西長治046000）

柿莊北區主采煤層充水因素分析

翟虎威*

（山西省煤炭地質114勘查院，山西長治046000）

通過采用歷次勘查成果，對柿莊北區地面和地下水文地質條件做了全面闡述，對區內主要可采煤層3號和15-2號煤層的頂底板充水性做了詳細分析，最終對未來3號和15-2號煤層開采提出指導性的結論。

沁水煤田；柿莊北；主要可采煤層；頂底板；充水

柿莊北區位于山西省晉城市沁水縣柿莊鎮，屬于沁水煤田，面積為89.58km2。山西省財政廳以地勘基金的方式出資，山西省國土資源廳管理，確定了柿莊北區煤炭詳查為2012年度省級礦業權價款地質勘查項目。區內主要可采煤層為3號和15-2號煤層，均為無煙煤。據初步估算，區內蘊藏3號和15-2號煤共計124483×104t，其中3號煤層71443×104t，15-2號煤層53040×104t。

1　泉域概況

本區位于沁水盆地南緣低山丘陵區，水文地質單元屬延河泉域北部。延河泉域是一個從補給到排泄完整的地下水泉域，主要含水層是奧陶系厚層狀碳酸鹽巖。據《山西省巖溶泉域水資源保護》（2008年，中國水利水電出版社）最新資料，延河泉域出露于山西省晉城市陽城縣東冶鄉延河村北1km的沁河西岸。目前泉水流量約7.0m3/s。

2　地表水體

區內無大的地表水體，主要河流為固縣河的3條支流，位于東部、中部和西部，均自北向南從區內通過，匯入固縣河，固縣河為沁河的支流。3條河流均為季節性河流，其流量受大氣降水影響很大，平時水流量不大。據2014年7月調查，3條支流水流量最大2.17m3/s，最小0.92m3/s。

3　水文地質條件

3.1地面地質特征

本區位于太行山剝蝕山區，溝谷切割較深。出露的地層有三疊系下統和尚溝組（T1h）、三疊系下統劉家溝組（T1l）、二疊系上統石千峰組（P2sh）、二疊系上統上石盒子組上段（P2s3），第四系松散沉積物分布于山梁及溝谷之中。

本區總體構造為向西北傾的單斜，在此基礎上發育了次一級褶曲9條，產狀總體較為平緩，發育斷層4條。

3.2主要含水層

（1）奧陶系中統巖溶裂隙含水層。該含水層位于延河泉域北部奧陶系上覆地層厚層覆蓋區，含水空間以巖溶裂隙為主。區內地表未出露，埋藏較深，埋深在783.03～1457.35m，平均1027.85m。單位涌水量為0.0163L/（s·m），滲透系數0.151m/d，水位標高+ 626.03m，水質類型為HCO3·SO4-Ca型，按《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》（MT/ T1091-2008），屬弱富水性含水層。

（2）石炭系上統太原組含水層組。該含水層組為碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層組，區內無出露。主要由數層砂巖裂隙含水層及K2、K3、K5、K6石灰巖巖溶裂隙含水層構成，是太原組各煤層的充水水源。其中K2石灰巖為15-2號煤層頂板直接充水含水層，全區穩定。單位涌水量為0.00185/（s·m），滲透系數0.0065m/ d，水位標高+822.50m，水質類型為HCO3-Na型，按《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》（MT/T1091-2008），屬弱富水性含水層。

（3）二疊系下統山西組含水層組。該含水層組為碎屑巖裂隙含水層組，區內無出露。含水層主要由細粒砂巖、粉砂巖組成，是3號煤層的主要充水含水層。單位涌水量為0.00575L/（s·m），滲透系數0.0471m/d，水位標高+840.46m，水質類型為HCO3-Na型，按《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》（MT/T1091-2008），屬弱富水性含水層。

（4）二疊系下統下石盒子組、二疊系上統上石盒子組和二疊系上統石千峰組砂巖裂隙含水層組。該含水層組為碎屑巖裂隙含水層組，在區內東部煤層相對淺埋區部分出露。單位涌水量為0.0278L/（s·m），滲透系數0.0315m/d，水位標高+955.96m，水質類型為HCO3· SO4-Na型，按《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》（MT/T1091-2008），屬弱富水性含水層。

（5）三疊系下統劉家溝組砂巖裂隙含水層組。該含水層組為碎屑巖裂隙含水層組，區內大面積出露。含水層主要由粗—細粒砂巖組成，含水空間為砂巖裂隙，地表出露泉眼。據2014年4月調查，出露泉流量為0.01～0.30L/s，水質類型為HCO3-Ca·Na型，按《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》（MT/T1091-2008），屬弱富水性含水層。

（6）基巖風化帶裂隙含水層。該含水層為碎屑巖裂隙含水層，含水空間以風化裂隙為主，厚度因風化帶發育程度而異，一般發育深度在50m左右。該含水層一般富水性差異較大。

（7）第四系松散巖類孔隙含水層。主要分布于山間河谷地帶，由亞粘土、砂土及卵礫石組成，厚0～10m。富水性因地而異，主要接受大氣降水及地表河流入滲補給。愈靠近河谷富水性愈好。據2014年6月井水調查，水質類型為HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na型，礦化度293～326mg/L。

3.3主要隔水層

（1）石炭系本溪組泥巖、鋁質泥巖隔水層。本溪組主要以鋁質泥巖、泥巖及砂質泥巖組成，夾細粒砂巖、粉砂巖，偶見深灰色石灰巖。層厚為5.70～31.84m，平均14.33m。該層組裂隙不發育，透水性差，一般隔水性能良好。

（2）石炭系太原組砂質泥巖及泥巖隔水層。各層石灰巖及砂巖之間均有數十厘米至數米的可塑性砂質泥巖及泥巖，是阻隔各含水層間水力聯系的主要隔水層。

（3）二疊系、三疊系含水層層間隔水層。由泥巖、砂質泥巖、粉砂巖等組成，單層厚幾十厘米至數十米，平行分布于各含水層之間，形成平行復合結構，起到了阻隔各含水層之間垂向水力聯系的作用。

3.4主要含水層的補給、徑流、排泄條件

（1）松散巖類孔隙含水層主要接受大氣降水、地表河流入滲及泉水的補給，沿河谷或溝谷向固縣河3條支流排泄，形成地表徑流，流出區外或垂向補給下部含水層。

（2）基巖風化帶、劉家溝組和石千峰組砂巖裂隙含水層組，主要接受大氣降水的補給，以層間徑流為主，垂向上水力聯系微弱。

（3）太原組、山西組及下石盒子組含水層組埋藏較深，各含水層間均有一定厚度的隔水層，屬于平行復合結構類型。含、隔水層均處于分散隔離狀態，各個含水層間的水力聯系被其間隔水層所阻隔，各含水層間的水力聯系微弱。

（4）奧陶系中統巖溶裂隙含水層，位于泉域東北部邊界處，區內未出露，全部被厚層基巖所覆蓋，故補給條件差，地下水徑流緩慢。在區域上屬補給—徑流區。

4　充水因素分析

4.13號煤層

（1）頂板。3號煤層直接充水含水層為3號煤層頂板砂巖裂隙含水層，由于煤層開采過程中產生的裂隙塌陷，容易溝通導水裂隙帶內其他含水層。

其導水裂隙帶最大高度按《煤礦床文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》（MT/T 1091-2008）附錄D的公式計算見公式（1）：

式中：Hf——導水裂隙帶（包括冒落帶）最大高度，m；

M——煤層厚度，m；

n——煤分層開采系數，取1。

區內3號煤層一次性采全高時產生的導水裂隙帶（包括冒落帶）最大高度為60.53～158.98m，一般為136.98m，可以溝通上部K10砂巖等含水層水。

（2）底板。區內3號煤層底板標高為-120～+430m，均位于奧陶系巖溶裂隙含水層水位標高以下，但其間相對隔水地層厚度一般為121.22～160.35m，平均為136.45m，突水系數按《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》（MT/T 1091-2008）附錄E的公式計算見公式（2）。

式中：Ts——突水系數，MPa/m；

p——隔水層承受的水壓，MPa；

M——底板隔水層厚度，m；

Cp——采礦對底板隔水層的擾動破壞厚度，m，取經驗值16m。

底板隔水層厚度取值為奧灰界面至3號煤層底板間距。經計算區內3號煤層Ts為0.029～0.075MPa/m。3號煤層底板突水系數計算值見表1。

按《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》（MT/T 1091-2008）附錄E，底板受構造破壞塊段突水系數一般不大于0.06MPa/m，正常塊段突水系數不大于0.15MPa/m，本次確定以下帶壓開采分區標準：

Ts＜0.06相對安全區（Ⅰ）

0.06≤Ts＜0.15臨界區（Ⅱ）

Ts≥0.15危險區（Ⅲ）

本次在Ts＜0.06MPa/m（Ⅰ）區中對構造地段劃分為（Ⅱ）區，0.06≤Ts＜0.15MPa/m（Ⅱ）區中對構造地段劃分為（Ⅲ）區。

按標準正常塊段不大于0.15MPa/m，構造破壞塊段不應大于0.06MPa/m。因此正常情況塊段，一般不會發生底板突水事故。在構造破壞段0.06≤Ts＜0.15MPa/m，存在底板發生底板突水的可能。由于煤層底板突水是一種復雜的過程，突水與多種因素有關，以上標準提供的臨界突水值只是全國實際平均值，不一定適用于本區，有待下一步在勘探過程中對煤層底板突水進一步研究。

表1　3號煤層底板奧灰水突水系數計算表

4.215-2號煤層

（1）頂板。15-2號煤層直接充水含水層為頂板石灰巖及砂巖裂隙含水層，由于煤層開采過程中產生的裂隙塌陷，容易溝通導水裂隙帶內其他含水層，煤層厚度為1.50～7.80m，平均3.95m。按公式1計算，區內15-2號煤層一次性采全高時產生的導水裂隙帶（包括冒落帶）最大高度為44.53～184.53m，一般為98.98m。3號煤層底距15-2號煤層平均間距104.11m，考慮到開采3號煤層底板擾動破壞帶（取20m）的影響，開采15-2號煤層除溝通導水裂隙帶內含水層水外，還很可能溝通3號煤層采空水。

（2）底板。區內15-2號煤層底板標高為-230～+320m，均位于奧陶系巖溶裂隙含水層水位標高以下，15-2號煤層底板距奧灰界面一般為18.92～58.46m，平均為29.10m。

經計算區內15-2號煤層底板突水系數Ts≥0.131MPa/m（計算方法同3號煤層，底板擾動破壞帶取20m），見表2。

按標準正常塊段不大于0.15MPa/m，構造破壞塊段不應大于0.06MPa/m。因此正常情況下，15-2號煤層開采均存在底板突水可能。礦井生產時應加強防范。