小青煤礦北二采區(qū)4煤層頂板含水砂巖富水性研究

楊曉光

（鐵法煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司小青煤礦，遼寧 調(diào)兵山 112700）

1 概況

1.1 井田概況

小青井田為隱伏井田，埋藏深度大于360m。地層由下至上依次是前震旦系、白堊系、第四系。小青井田煤系地層主體為一短軸向斜，其軸部位于F74斷層附近，走向大體呈北北東向，兩翼煤巖層都比較平緩，傾角一般都在5°以?xún)?nèi)，局部受斷層的影響稍大，但也不超過(guò)10°。北二采區(qū)位于小青井田的東北部，其南北長(zhǎng)平均為2.45km，東西寬平均為1.98km，面積為4.85km2。北二采區(qū)主要開(kāi)采4-2煤層。4-2煤層的偽頂為灰色泥巖、深灰色炭質(zhì)泥巖，松軟易碎，遇水成泥狀，厚度0.51～0.73m，一般0.62m左右。直接頂為灰色粉砂巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖互層，層理明顯，塊狀構(gòu)造，其厚度為1.76～2.71m，一般2m左右。老頂為白色粗砂巖、砂礫巖及中砂巖，膠結(jié)性差，其厚度為5～10m，一般為8m左右。

1.2 采區(qū)水文地質(zhì)概況

小青井田煤系地層及煤系地層之上共有四個(gè)含水層，三個(gè)隔水帶。含水層從上至下分別是：第四系砂及砂礫承壓含水層；下白堊系泉頭組砂巖、砂礫巖承壓含水層；下白堊系阜新組砂巖、砂礫巖承壓含水層；構(gòu)造及巖漿巖裂隙含水帶。隔水層從上至下分別是：第四系隔水層；白堊系上部隔水層和下部隔水層。北二采區(qū)4煤層直接充水水源為下白堊系阜新組砂巖、砂礫巖承壓含水層。

下白堊系阜新組砂巖、砂礫巖承壓含水層，伏于白堊系泉頭組之下，在本井田發(fā)育良好，西薄東厚，總厚度可達(dá)800～1230m，主要由砂巖、砂礫巖、泥巖、煤層等組成，多為泥質(zhì)膠結(jié)，部分為鈣質(zhì)膠結(jié)及砂質(zhì)膠結(jié)。含水層厚度為46.58m（上含煤段22.78m，下含煤段23.80m），以灰白色粗砂巖和砂礫巖為主，多在4煤層及7煤層直接頂或間接頂板。根據(jù)535孔抽水試驗(yàn)，其滲透系數(shù)為0.00717m/d，單位涌水量為0.006L/m·s，460孔及489孔的滲透系數(shù)為0.000597～0.00583m/d，單位涌水量為0.00048～0.0028L/m·s。根據(jù)井筒檢查孔白堊系泉頭組和阜新組含水層混合抽水試驗(yàn)，其滲透系數(shù)為0.001402～0.006267m/d，單位涌水量為 0.001～0.002L/m·s。水質(zhì)屬氯化鉀鈉型水。

2 頂板砂巖沉積形式與形成原因

頂板砂巖沉積形式和形成原因?qū)ρ芯繀^(qū)域內(nèi)的巖體分布規(guī)律具有一定的指導(dǎo)意義。

由于鐵法煤田的區(qū)域沉積特征為一斷陷型盆地，東部為侵蝕沉積的邊界，小青井田位于鐵法煤田的中東部，因此，受侵蝕沉積的影響較為強(qiáng)烈，尤其是在井田的東北部（即北二采區(qū)）發(fā)育有越岸沖刷帶和沉積后分流河道沖刷帶。以上兩種沖刷帶是本區(qū)煤層頂板砂巖形成的主要原因。

越岸沖刷帶是按照沉積環(huán)境劃分的沖刷帶，是指河道或分流河道的洪水以漫流或決堤方式越岸進(jìn)入岸后泥炭沼澤而形成的沖刷帶。由于越岸的水流流速較緩，沖刷程度有限，因此表現(xiàn)出來(lái)的特征是煤層整體未受侵蝕。但是煤層的偽頂會(huì)被局部侵蝕，或整體被侵蝕，并且沖刷帶內(nèi)巖體顆粒較為細(xì)小，顆粒一般小于0.5mm。

分流河道沖刷帶是三角洲平原分流河道沖蝕泥炭而形成的以砂質(zhì)沉積物為主的地質(zhì)體。由于三角洲平原顆粒較粗，沖刷對(duì)煤層的影響相對(duì)越岸沖刷更大，沖刷較為明顯，沖刷帶內(nèi)的巖體以粗砂巖和砂礫巖為主。

北二采區(qū)的沖刷以越岸沖刷為主，只有局部發(fā)育分流河道沖刷。

3 富水性影響因素

北二采區(qū)4煤層頂板富水性分析主要考慮頂板砂巖厚度、砂泥巖組合、砂巖含量和構(gòu)造復(fù)雜程度等因素。

3.1 頂板砂巖巖性變化

根據(jù)施工探眼，北二采區(qū)4煤層頂板砂巖自北向南依次發(fā)育有粉砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖，局部地點(diǎn)為粗砂巖。巖性的不同，透水性也不盡相同，采用滲透系數(shù)評(píng)價(jià)巖石透水性，松散粉砂滲透系數(shù)0.5～1.0m/d，松散粗砂滲透系數(shù)20～50m/d。由此可見(jiàn)，巖體顆粒直徑越大，滲透系數(shù)越大，滲透性越好。

3.2 頂板砂巖厚度

北二采區(qū)4煤層上部地層巖性由細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖互層構(gòu)成。根據(jù)北二采區(qū)的3個(gè)工作面，即：N2407工作面、N2406工作面和N2408工作面在掘進(jìn)期間施工的頂板探眼揭露上覆砂巖的情況，繪制了頂板砂巖等厚線(xiàn)圖。根據(jù)砂體厚度，劃分2個(gè)區(qū)間，第一個(gè)區(qū)間：0～1.5m；第二個(gè)區(qū)間：1.5～3m。由圖1可知，小青井田北二采區(qū)4煤層頂板砂巖在兩個(gè)區(qū)段的分布范圍。北二采區(qū)4煤層的頂板砂巖厚度在1.5～3m的區(qū)域面積139457m2，占整個(gè)區(qū)域的12%；厚度在0～1.5m的區(qū)域面積1202603m2，占整個(gè)區(qū)域的88%。通過(guò)計(jì)算分析，北二采區(qū)頂板砂巖厚度以0～1.5m為主，在采區(qū)中部及采區(qū)的北部區(qū)域零星分布有厚度1.5～3m的砂巖層。

從厚度變化形態(tài)看，北二采區(qū)頂板砂巖層厚度在采區(qū)內(nèi)的變化較小，整體呈透鏡狀，即中部厚、南北兩側(cè)逐漸變薄的趨勢(shì)特征。根據(jù)采掘?qū)嶋H揭露情況，頂板砂巖富水性強(qiáng)的區(qū)域主要分布在中部的1.5～3m段的砂巖層中。該區(qū)域砂巖層富水性強(qiáng)的主要原因是由于該砂巖層受上部含水層的不斷補(bǔ)給，巖層內(nèi)的水含量不斷增加，同時(shí)，由于南北兩側(cè)的砂巖段厚度相對(duì)較薄，對(duì)較厚段的砂巖起到了一定的隔水作用，造成了此區(qū)域巖層的排泄通道不暢通，排泄條件較差，并且，該區(qū)域不斷接受補(bǔ)給，而四周并無(wú)較好的排泄，最后該區(qū)域的巖層水含量達(dá)到飽和狀態(tài)，形成巖層中的“堰塞湖”。這與自然界中堰塞湖的形成非常相似。自然界中所謂的堰塞湖是由火山熔巖流、冰磧物或由地震活動(dòng)使山體巖石崩塌下來(lái)等原因引起山崩滑坡體等堵截山谷、河谷或河床后貯水而形成的湖泊。在掘進(jìn)期間揭露“堰塞湖”時(shí)，類(lèi)似與自然界中在堰塞湖外圍打開(kāi)了通路，形成排泄通道，使巖層中的水以頂板滴水、淋水和錨桿淋水等形式得到排泄。這就是小青煤礦北二采區(qū)頂板局部出水的最主要原因之一。

圖1 北二采區(qū)4煤層頂板砂巖層分布圖

3.3 砂泥巖組合和砂巖含量影響

砂泥巖組合厚度比是依據(jù)砂巖和泥巖的滲透系數(shù)存在較大差異，泥巖的滲透系數(shù)僅為2×10-10～8×10-9，而砂巖的滲透系數(shù)高達(dá)5.5×10-6，砂巖的富水性強(qiáng)于泥巖的富水性。同一砂巖層厚度越大，富水性越強(qiáng)；同一泥巖層厚度越大，隔水性越強(qiáng)。通過(guò)砂巖層和泥巖層厚度的比值大小可以有效反映出區(qū)域的富水性和隔水性，比值越大，富水性越強(qiáng)，水的流動(dòng)性越強(qiáng)，反之富水性和流動(dòng)性越差。北二采區(qū)泥巖分布范圍較小，只有局部發(fā)育，并以4煤層偽頂為主。分析砂泥巖組合對(duì)頂板富水性的影響，主要以采掘?qū)嵰?jiàn)的砂巖厚度與泥巖厚度比進(jìn)行綜合分析。砂巖厚度/泥巖厚度＞5，富水性偏強(qiáng)；砂巖厚度/泥巖厚度=2～5，富水性一般；砂巖厚度/泥巖厚度＜2，富水性較差。

3.4 地質(zhì)構(gòu)造的影響

根據(jù)揭露表明，在其他條件相近的情況，向斜軸部往往是富水性較強(qiáng)，距離斷層軸線(xiàn)越近，富水性越強(qiáng)；在其他條件相近的情況，斷層及受斷層影響的裂隙附近往往富水性較強(qiáng)。

3.5 頂板富水性分布情況

北二采區(qū)頂板富水較好區(qū)域集中在采區(qū)的中部，該區(qū)域?yàn)闆_刷帶分布區(qū)域，其次為“堰塞湖”區(qū)域，并且砂巖層厚度厚。富水性一般的區(qū)域位于采區(qū)的東部-南部，該區(qū)域的砂巖層厚度較厚。富水性較差的區(qū)域位于本區(qū)域的西部-西北部，該區(qū)域砂巖層厚度薄，并且無(wú)構(gòu)造和沖刷帶等因素影響。

4 結(jié)論

北二采區(qū)沖刷以越岸沖刷為主，局部發(fā)育分流河道沖刷；巖體顆粒直徑與滲透系數(shù)和滲透性成正比；區(qū)域內(nèi)頂板砂巖層整體呈透鏡狀，富水性強(qiáng)的區(qū)域主要分布在中部的1.5～3m段的砂巖層中；砂、泥巖厚度比值大于5時(shí)富水性偏強(qiáng)，介于2～5時(shí)富水性一般；小于2時(shí)富水性較差；向斜軸部和距離斷層軸線(xiàn)較近位置，富水性更強(qiáng)。