霍爾辛赫煤礦3#煤底板水文地質(zhì)特征及帶壓開采*

鄭 剛

(山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西 長治 046011)

0 引言

山西是我國主要的產(chǎn)煤區(qū)，位于華北石炭二疊紀(jì)煤田的巖溶—裂隙水害區(qū)，區(qū)內(nèi)面臨的主要水害問題為煤層底板巖溶裂隙突水和老空透水[1]。隨著煤炭開采強(qiáng)度的不斷加大以及采礦活動(dòng)向深部延伸，礦井不僅面臨同層采空區(qū)積水的威脅，而且也面臨著底板高承壓碳酸鹽巖地下水的突水威脅[2]，因此，研究煤層底板裂隙巖溶水水文地質(zhì)特征，科學(xué)評(píng)價(jià)其對(duì)煤層開采的突水危險(xiǎn)性，是確保煤層安全開采的重要保障[3]。

霍爾辛赫礦井批準(zhǔn)開采3#煤層，面積71.394 7 km2，生產(chǎn)規(guī)模300萬t/a，隨著采掘工程的進(jìn)展，井田開拓面積不斷擴(kuò)大并且采掘逐步向深部延伸，目前礦井已經(jīng)全面進(jìn)入+450水平帶壓開采過程中，煤層底板承受的奧灰水及太灰水壓力也逐漸增大。隨著采掘活動(dòng)向深部延伸，礦井開采水文地質(zhì)條件將逐漸趨于嚴(yán)峻。通過地質(zhì)鉆探、巖芯精細(xì)描述、鉆孔抽水試驗(yàn)、水化學(xué)分析及水文地球物理測井等工程技術(shù)手段進(jìn)行了探查、綜合分析及評(píng)價(jià)，并通過對(duì)3#煤層底板上石炭統(tǒng)太原組含水層和中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r含水層水文地質(zhì)特征進(jìn)行分析，研究3#煤層帶壓開采條件，評(píng)價(jià)帶壓開采突水危險(xiǎn)性。

1 地質(zhì)概況

2 礦井水文地質(zhì)特征

在研究底板突水過程中，提出了多種突水評(píng)價(jià)方法與理論，主要包括突水系數(shù)法、原位張裂與零位破壞理論、強(qiáng)滲通道說、“下三帶”理論等[4]，影響煤層底板突水的主要因素有：含水層富水性、地質(zhì)構(gòu)造、隔水層厚度、含水層水壓、礦山壓力、底板巖性組合等。

2.1 礦井揭露構(gòu)造水文地質(zhì)特征

由于斷裂構(gòu)造對(duì)底板裂隙發(fā)育及其富水性起著重要的控制作用，所以斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度是煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的重要影響因素。井田以往地質(zhì)勘查及三維地震勘探共發(fā)現(xiàn)斷層26條，其中正斷層18條，逆斷層8條；礦井在建井及生產(chǎn)期間共揭露斷層47條，其中，正斷層44條，逆斷層3條。巷道初始揭露斷層時(shí)，局部有涌水現(xiàn)象，約1～2 m3/h，持續(xù)時(shí)間較短，以消耗靜儲(chǔ)量為主，總體講，礦井涌水量變化很小。

高家洼正斷層F2、陶唐逆斷層F3、東郭村逆斷層F4、南鮑村逆斷層F5，據(jù)鉆孔簡易水文觀測，消耗量及回次水位變化不明顯，在1911孔斷層破碎帶進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，水量較小，q=0.004 7 L/(s·m)，說明斷層局部富水性、導(dǎo)水性較弱。依據(jù)瞬變電磁勘探資料，預(yù)測斷層富水、導(dǎo)水?dāng)鄬?條(見表1)，分別為DF8、DF9、DF10、DF12、DF13、DF14、DF16；預(yù)測不富水、不導(dǎo)水?dāng)鄬?條，分別為DF6、DF11。井巷揭露的斷層時(shí)，均表現(xiàn)為弱富水性，目前斷層對(duì)礦井充水影響不大。

表1 斷層的導(dǎo)、富水性統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)煤礦生產(chǎn)實(shí)踐，可以含、導(dǎo)水性先對(duì)斷層進(jìn)行分類，通過斷層突水類型的劃分，揭示斷層突水的本質(zhì)與特點(diǎn)，有利于煤礦在采掘安全生產(chǎn)中，對(duì)防范斷層突水采取有針對(duì)性的措施[5]。

三維地震勘探發(fā)現(xiàn)并解釋陷落柱34個(gè)，據(jù)實(shí)際巷道揭露情況，X11、X15陷落柱不存在，X5、X6、X7、X10、X12陷落柱在實(shí)際掘進(jìn)中揭露。據(jù)瞬變電磁勘探資料(見表2)，預(yù)測導(dǎo)水、富水的陷落柱共有11個(gè)，分別為X8、X10、X12、X13、X14、X16、X17、X18、X19、DX4、DX6，預(yù)測不富水、不導(dǎo)水的陷落柱為X20。采掘生產(chǎn)期間，揭露的陷落柱，表現(xiàn)為弱富水性，對(duì)目前礦井充水影響不大。

2.2 底板巖溶含水層水文地質(zhì)特征

上石炭統(tǒng)太原組含水層：該含水層主要以砂巖裂隙與石灰?guī)r巖溶裂隙含水為主，主要含水層由數(shù)層砂巖裂隙及K2、K3、K4、K5石灰?guī)r巖溶裂隙構(gòu)成，其平均厚度分別為7.23 m、3.44 m、3.93 m和3.17 m。區(qū)內(nèi)共有17個(gè)鉆孔揭穿該層位，鉆進(jìn)中消耗量及水位均變化較小，僅個(gè)別鉆孔消耗量稍有增加。2013年井下施工4個(gè)太原組長觀孔，發(fā)現(xiàn)不同鉆孔在不同層位均發(fā)生涌水現(xiàn)象，主要涌水層位為：K5、K4、K4下砂巖、K2、K1砂巖，涌水量0.1～50 m3/h，水化學(xué)類型為HCO3-Na型，礦化度693～996 mg/L。據(jù)鄰區(qū)高河井田內(nèi)1001、2001鉆孔混合抽水試驗(yàn)資料：q=0.000 24～0.001 3 L/(s·m)，K=0.001 1～0.003 7 m/d，水位標(biāo)高+680.77～+682.47 m，水化學(xué)類型為HCO3-Na型。該含水層一般屬弱富水性，富水性具有明顯的不均一性。

表2 陷落柱的導(dǎo)、富水性統(tǒng)計(jì)表

中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r含水層：該含水層主要由石灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、泥灰?guī)r組成，含水空間主要為巖溶裂隙，含水層主要位于峰峰組上段下部以及上馬家溝組上段。井田內(nèi)2910鉆孔揭露該含水層時(shí)，出現(xiàn)井液消耗量增大、孔內(nèi)水位下降現(xiàn)象。通過觀察巖心情況，峰峰組上段、上馬家溝組巖溶裂隙比較發(fā)育，次生的方解石局部充填。井下施工的2-2#奧灰水文長觀孔，鉆進(jìn)至峰峰組上段底部時(shí)，出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，鉆孔涌水量達(dá)到30 m3/h，鉆進(jìn)至上馬家溝組，鉆孔涌水量達(dá)到38.5 m3/h，礦化度1 551～2 994 mg/L，水化學(xué)類型為SO4-Ca·Mg型與SO4·HCO3-Ca·Mg型。據(jù)井田內(nèi)2910孔對(duì)O2f+O2S抽水資料：q=0.006 6 L/(s·m)，K=0.025 6 m/d，水位標(biāo)高+644.07 m，水化學(xué)類型為SO4·HCO3-Na型。2008年工業(yè)廣場施工2#水源井孔深896.60 m，終孔層位為O2S，揭露奧陶系石灰?guī)r272.70 m，據(jù)O2f+O2S上部抽水資料，出水量為44.8 m3/h，孔內(nèi)奧灰水標(biāo)高為+644.177 m。

奧灰水水位：通過對(duì)井田及周邊奧灰水文孔、水井調(diào)查，推測井田內(nèi)奧灰水水位標(biāo)高為+660～+635 m，水力坡度為3‰，徑流方向大致由西南向北東，經(jīng)長治市、潞城，隨辛安泉泉群排泄，符合區(qū)域水文地質(zhì)規(guī)律。

記：在推進(jìn)反腐倡廉建設(shè)，全面從嚴(yán)治黨的背景下，有些單位出現(xiàn)了不作為的情況，認(rèn)為做得少就錯(cuò)得少。但其實(shí)在古代就有不少治理不作為的方法，不知能否借鑒？

2.3 含水層間水力聯(lián)系

圖1 地層綜合柱狀圖

隔水性分析：根據(jù)井田內(nèi)鉆孔資料，太原組K2灰?guī)r底板距離奧陶系峰峰組頂界面距離為14.20～59.65 m，平均厚度29.05 m。隔水層巖性及厚度依次為：上部泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度2.55～7.46 m，平均厚度為4.45 m；中上部泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度1.60～17.40 m，平均厚度7.35 m；下部泥巖、鋁土質(zhì)泥巖(富含黃鐵礦結(jié)核)，厚度3.40～29.40 m，平均厚度9.44 m。二者之間存在著穩(wěn)定的泥巖、砂質(zhì)泥巖及鋁土質(zhì)泥巖等隔水巖組，隔水巖層平均累計(jì)厚度21.24 m，其間巖性組合為泥質(zhì)巖類與砂巖相互疊置的結(jié)構(gòu)，且泥質(zhì)巖類占有相當(dāng)大的比例。根據(jù)鉆探取芯資料，巖石結(jié)構(gòu)總體致密、堅(jiān)硬，巖心較為完整，裂隙不發(fā)育，這種含、隔水層相間組成的地層結(jié)構(gòu)，在不受地質(zhì)構(gòu)造破壞及構(gòu)造裂隙溝通的情況下，具有很好的隔水能力[6]，構(gòu)成了上、下組煤層頂、底板良好的阻水屏障。

表3 太灰、奧灰觀測孔各含水層水化學(xué)分析特征表

圖2 太灰?guī)r溶水水化學(xué)特征對(duì)比圖

圖3 奧灰?guī)r溶水水化學(xué)特征對(duì)比圖

3 帶壓開采評(píng)價(jià)

3.1 開采安全性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

隨著煤礦底板突水機(jī)理及預(yù)測預(yù)報(bào)研究工作的逐步形成，底板突水評(píng)價(jià)采用實(shí)用最多的為突水系數(shù)[7-12]。根據(jù)2018年9月1日新頒發(fā)的《煤礦防治水細(xì)則》附錄五中關(guān)于突水系數(shù)計(jì)算公式的規(guī)定。

(1)

式中：T—突水系數(shù)，MPa/m；P—底板隔水層承受的實(shí)際水頭值，MPa；M—底板隔水層厚度，m。

一般情況下，臨界突水系數(shù)TS在具有構(gòu)造破壞的地段按0.06 MPa/m計(jì)算，在隔水層完整無斷裂構(gòu)造破壞地段按0.1 MPa/m計(jì)算。本井田地質(zhì)構(gòu)造屬簡單類型，臨界突水系數(shù)TS按0.10 MPa/m考慮。本次帶壓開采安全性分區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：T<0.10 MPa/m，相對(duì)安全區(qū)(Ⅰ)；T≥0.10 MPa/m，突水危險(xiǎn)區(qū)(Ⅱ)。

3.2 上石炭統(tǒng)太原組含水層水害因素分析與評(píng)價(jià)

從礦井資料分析，K3為貧水含水層，K4、K5富水不均，只有K2灰?guī)r較厚，平均7.12 m，以溶蝕裂隙為主，較為富水。據(jù)潞安礦區(qū)北區(qū)其它礦井資料分析，井巷掘進(jìn)揭露K5～K2灰?guī)r時(shí)發(fā)生過裂隙巖溶水直接涌入礦井的情況(見表4)。

表4 潞安礦區(qū)北區(qū)礦井涌水情況統(tǒng)計(jì)表

由以上分析可以看出，太灰含水層雖然水量不大，一般情況不會(huì)對(duì)礦井造成嚴(yán)重威脅，但由于距奧灰較近，奧灰含水層在井田內(nèi)富水性不均，由弱至強(qiáng)；在太灰突水條件下，很可能引發(fā)奧灰水通過陷落柱和斷層的突水，井田3#煤層帶壓開采受太灰水威脅，應(yīng)加強(qiáng)預(yù)防和重視。

雖然K2、K3、K4、K5灰?guī)r混合含水層為弱富水，但K2含水層相對(duì)厚度較大，且距奧灰含水層較近，推測井田水位標(biāo)高為+688 m，3#煤層底板標(biāo)高在+250～+500 m之間，屬全區(qū)帶壓。依據(jù)計(jì)算公式，將井田K2突水系數(shù)計(jì)算數(shù)值列于表5。

表5 3#煤層開采底板K2含水層突水系數(shù)計(jì)算成果表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果(見表5)分析，太灰K2含水層突水系數(shù)計(jì)算值為0.035～0.043 MPa/m，屬于帶壓開采相對(duì)安全區(qū)(Ⅰ)，井田范圍內(nèi)沒有明顯變化規(guī)律；隔水層厚度由79.70～114.55 m，井田西部隔水層明顯厚于東部；煤層開采隔水層承受K2水壓為3.31～4.24 MPa，井田西部略高于東部。本井田太灰含水層在沒有構(gòu)造導(dǎo)通的情況下太灰水是以層間徑流為主，并且和奧灰含水層水力聯(lián)系較差。

3.3 中奧陶統(tǒng)含水層水害因素分析與評(píng)價(jià)

井田中奧陶統(tǒng)峰峰組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層埋藏較深，井田內(nèi)最深為730.90 m(2604號(hào)孔)，最小埋深為633.15 m(1910號(hào)孔)，水位標(biāo)高+660～+635 m。井田內(nèi)2910孔(位于井田南部)揭露奧灰厚度247.2 m，抽水試驗(yàn)資料富水性弱，巖溶裂隙不發(fā)育。鄰礦高河井田奧灰水文孔抽水資料表明，其井田北部1402孔富水性強(qiáng)，而南部的2001孔富水性弱，存在著較大的差異性。結(jié)合區(qū)域和井田資料分析，井田相鄰于高河井田的西部，因而井田內(nèi)巖溶地下水徑流略滯緩于高河井田，井田處于區(qū)域奧陶系巖溶地下水辛安泉域南徑流區(qū)邊沿與辛安泉域徑流滯緩區(qū)臨界地帶，水質(zhì)較好，富水性弱-中等。根據(jù)抽水資料分析，井田內(nèi)北部富水性強(qiáng)于南部，也存在差異性，同時(shí)，東部富水性強(qiáng)于西部，符合區(qū)域規(guī)律[13-14]。井田內(nèi)3#煤層全區(qū)帶壓，依據(jù)計(jì)算公式，將井田O2突水系數(shù)計(jì)算數(shù)值列于表6。

表6 3#煤層開采底板O2含水層突水系數(shù)計(jì)算成果表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果(見表6)分析，奧灰O2含水層突水系數(shù)計(jì)算值為0.019～0.039 MPa/m，屬于帶壓開采相對(duì)安全區(qū)(Ⅰ)，突水系數(shù)最大值位于井田西北部邊界(3#煤底板標(biāo)高最低處)。3#煤層奧灰水帶壓開采突水系數(shù)及危險(xiǎn)性分區(qū)如圖4所示。隔水層厚度由122.90～161.13 m，井田西部隔水層明顯厚于東部；突水系數(shù)在井田范圍內(nèi)無明顯規(guī)律，僅在北部隨著3#煤層埋深深度增加呈增大趨勢。

圖4 3#煤層奧灰?guī)r溶水帶壓開采突水危險(xiǎn)性分區(qū)及隔水層等厚線圖

4 結(jié)論

(1)太原組含水層富水性弱，且水量有限，K2含水層是其主要含水巖組。井田內(nèi)3#煤層全區(qū)帶壓，突水系數(shù)為0.035～0.043 MPa/m，屬于帶壓開采相對(duì)安全區(qū)(Ⅰ)，一般情況不會(huì)對(duì)礦井造成嚴(yán)重威脅。在太灰突水條件下，可能引發(fā)奧灰水通過陷落柱和斷層突水，應(yīng)加強(qiáng)預(yù)防和重視。

(2)太原組含水層與奧陶系峰峰組含水層在富水性、水化學(xué)類型上均存在明顯差異，在井田范圍構(gòu)造不發(fā)育處太原組含水層與奧陶系峰峰組含水層垂向之間的水力聯(lián)系弱。

(3)奧陶系灰?guī)r含水層富水性弱-中等，在井田內(nèi)北部富水性強(qiáng)于南部，東部富水性強(qiáng)于西部。井田內(nèi)3#煤層全區(qū)帶壓，突水系數(shù)為0.019～0.039 MPa/m，屬于帶壓開采相對(duì)安全區(qū)(Ⅰ)。利用3#煤層底板隔水層的防護(hù)能力可以實(shí)現(xiàn)礦井安全采煤，但在受構(gòu)造影響地段，應(yīng)查明構(gòu)造性質(zhì)，必要時(shí)采取相應(yīng)措施，以實(shí)現(xiàn)安全采煤。