永紅煤礦峰峰組上部隔水性能研究

郭向陽

（沁和能源集團有限公司永紅煤礦，山西 晉城 048200)

永紅煤礦隨著3號煤層資源的枯竭，即將進入下組煤15號煤層的開采。15號煤層底板距奧灰頂界面距離在10.88～29.32m之間，煤層底板承受水壓值在1.13～2.42MPa之間，受奧灰水的威脅極大。為實現15號煤層的安全開采，當務之急是研究評價奧陶系上部峰峰組的隔水性能，為15號煤層的安全評價提供技術支撐。

1 礦井概況

永紅煤礦位于沁水縣城東南直距約32.5km的嘉峰鎮西南側，沁河西側的梁圪坨村、大夫街村一帶，屬沁水縣嘉峰鎮管轄。井田面積為9.3398km2，開采3號～15號煤層，開采深度+450m～+230m標高。井田內大面積為黃土覆蓋，僅在沁河岸邊和南部、中部及西北部溝谷中有少量二疊系上石盒子組、下石盒子組地層出露，煤系地層主要為二疊系山西組和石炭系太原組。受區域構造影響，井田內地層總體走向北東，傾向于北西，傾角約2°～6°，構造形跡主要為較寬緩的褶曲構造，斷裂構造不發育，未見陷落柱，未見巖漿巖侵入。

永紅煤礦在水文地質單元上位于延河泉域北部徑流區。井田內奧陶系含水層富水性、水質變化較大，平面上具有富水性不均一性，垂向上有“上弱下強”的垂直分帶規律，可分為峰峰組、上馬家溝組、下馬家溝組三個層段。峰峰組巖溶裂隙不發育，富水性較差，上馬家溝組中、下部局部地段巖溶較發育，富水性強，下馬家溝組富水性極強。

2 峰峰組上部隔水性分析

2.1 奧灰含水層特征分析

煤層底板承壓含水層是底板突水的水源，是底板突水的先決條件，也是底板突水事故的必要條件。從抽水資料可以看出，峰峰組含水層總體上富水性弱，上馬家溝組含水層富水性強于峰峰組（見表1）。上馬家溝組含水層對15號煤開采威脅程度大于峰峰組含水層。

另外從YH-1、YH-2、YH-3抽水試驗成果可以發現，峰峰組水位與上馬家溝組水位有一定的差異（見表2），說明兩者之間水力聯系弱。從峰峰組與上馬家溝組水化學特征分析來看，峰峰組與上馬家溝組水化學特征在礦化度、硬度及各主要陰、陽離子含量等方面有較大的差別。峰峰組含水層總體礦化度和總硬度低于混合含水層，混合水中的SO2-4離子含量高于峰峰組含水層（見表3）。這說明峰峰組含水層和上馬家溝組含水層的垂直補給量小。由此綜合分析，在無構造發育的情況下，峰峰組與上馬家溝組含水層之間水力聯系較弱。

表2 峰峰組與奧灰混合水位對比表

2.2 峰峰組上部巖溶裂隙研究

根據鉆孔資料，鉆孔巖溶裂隙均不太發育，發育有細小裂隙大多為方解石脈充填；峰峰組上部風化殼均被充填膠結，厚度約6～8m左右。從簡易水文觀測結果看，鉆進中消耗量變化不明顯。峰峰組上部巖溶裂隙發育較差，在破碎裂隙密集發育的區域，常見泥質膠結，灰巖裂隙在后期物理、化學風化過程中形成了大量碎裂狀角礫，與上覆的風化殘積層混雜在一起形成二次膠結，由于泥質膠結程度高，使得峰峰組上部的風化殼在成巖后具有較高的強度和隔水性能。

表3 水化學對比表

2.3 峰峰組上部隔水性能相關特性研究

不同的巖性組合對峰峰組上部隔水性能的影響程度不同，就巖石力學性質而言，石灰巖抗壓強度為58.3～63.5MPa，泥灰巖的抗壓強度為48.6～64.5MPa，泥灰巖的脆性較石灰巖有所下降，但塑性有一定的增強，增加了隔水性能。

峰峰組這一套淺海相碳酸鹽巖地層，為泥灰巖和石灰巖互層結構。總體特征是泥質、SiO2等難溶于水的成分含量較高，具有一定的可塑性，泥質成分遇水后有一定膨脹性，在受到應力作用擠壓破壞產生裂隙時，通過變形、泥分膨脹，減少了滲水裂隙、通道。根據鉆孔巖芯資料，巖層本身的完整性較好，巖塊內部發育的各種小裂隙多被次生方解石脈充填結晶。部分巖層中夾大量角礫，巖層斷面發黃，泥分高，具有紋理易變形，表明其海-陸交換沉積環境。根據鉆孔資料，峰峰組泥灰巖厚度占到峰峰組厚度的40.2%～64.4%，這種泥灰巖和石灰巖的互層結構具有較好的隔水性能。

2.4 阻隔水能力研究

通過YH-2、YH-3壓水試驗，峰峰組上部35～45m內測試段滲透系數很小（見表4），水壓力在管路中具有一定的損耗，但即便將其考慮在內，滲透系數的數量級別依然在10-4，可見測試段巖層的總體透水性極其微弱。由此可知，井田內峰峰組上部35m以內可視為相對隔水層。

表4 峰峰組上部壓水試驗段滲透系數一覽表

3 井田內有效隔水層厚度

根據鉆孔數據資料可知，15號煤底板至奧灰頂界面距離為10.88～29.32m之間，峰峰組上部有效隔水層厚度取最小值35m。15號煤底板有效隔水層厚度增加至45.88～64.32m之間（圖1），使15號煤層突水系數得到了降低。

4 結論

通過對永紅煤礦奧陶系含水層特征分析，結合抽水試驗、水化學特征分析等工作手段，證實了井田內峰峰組含水層與上馬家溝組含水層沒有直接水力聯系。通過峰峰組上部巖溶裂隙發育及充填特征分析、峰峰組巖性特征分析，結合壓水試驗等工作手段，論證了峰峰組上部至少存在35m厚的相對隔水層。

圖1 有效隔水層厚度等值線