奧灰峰峰組頂部阻水特征及其水文地質(zhì)意義

張廣寧

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊二號井，山西 長治 046600）

0 引 言

奧陶系地層在華北地區(qū)廣泛發(fā)育，許多礦區(qū)的資料證明，在奧灰峰峰組頂部存在一定厚度的相對隔水層段，該隔水層段的存在與中奧陶系之后整個(gè)華北地臺(tái)上升，經(jīng)歷了奧陶系上統(tǒng)，石炭系下統(tǒng)近1 億年長期風(fēng)化剝蝕所形成的古風(fēng)化殼有關(guān)。傳統(tǒng)水文地質(zhì)意義上，人們往往將奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r籠統(tǒng)視為強(qiáng)富水的巖溶裂隙含水層來對待，并視為石炭二疊系煤層開采的主要水害威脅，近年來隨著下組煤開采的需求與日俱增，人們逐漸認(rèn)識(shí)到重新分析、評價(jià)奧陶系中統(tǒng)水文地質(zhì)特征，尤其是峰峰組頂部阻水性對解放下組煤的重要意義[1-5]。

本文以趙莊二號井為工程技術(shù)背景，施工地面D1 和井下J1、J2 鉆孔，采用了鉆井液消耗量觀測、抽（放）水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)、聲波測試等技術(shù)手段，研究證明了峰峰組頂部相對隔水層的存在，最后結(jié)合礦井實(shí)際指出了下組煤開采的水害防治策略。

1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

趙莊二號井井田位于辛安泉域西南部徑流區(qū)，辛安泉是山西省較大的巖溶大泉之一，出露于山西省長治市的平順縣、潞城市、黎成縣交界帶的濁漳河河床內(nèi)，具有獨(dú)立的補(bǔ)、徑、排條件，發(fā)育于沁水盆地東翼中段，屬大型沉降盆地邊緣單斜型巖溶水系統(tǒng)。

奧陶系中統(tǒng)峰峰組為煤系之基底，趙莊二號井井田內(nèi)厚81.53～145.25 m，平均厚111.19 m，上部為灰色～灰白色巨厚層狀隱晶質(zhì)石灰?guī)r，裂隙發(fā)育；中部為灰色角礫狀石灰?guī)r、石灰?guī)r、白云巖和泥質(zhì)白云巖，局部溶洞、溶隙發(fā)育；下部為灰色石灰?guī)r、淺灰色中厚層狀白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、含泥石灰?guī)r，局部溶洞、溶隙發(fā)育。

2 奧灰峰峰組頂部阻水特征研究

2.1 鉆井液消耗情況

圖1 D1 孔鉆井液消耗量變化曲線圖

如圖1，地面D1 孔鉆進(jìn)521.20 m 進(jìn)入奧灰峰峰組，至655.52 m 進(jìn)入上馬家溝組，在峰峰組內(nèi)鉆井消耗液為0.01～0.06 m3/h，相對較小，未出現(xiàn)大量漏失情況；進(jìn)入上馬家溝組后消耗液為0.03～6.36 m3/h，有較大變化。鉆探表明峰峰組巖溶裂隙較上馬家溝組不發(fā)育，對鉆孔中消耗液起到了阻滯作用，漏失量較低。

2.2 抽（放）水試驗(yàn)

對D1 孔進(jìn)行了峰峰組抽水試驗(yàn)，J1 和J2 孔進(jìn)行了峰峰組放水試驗(yàn)，峰峰組灰?guī)r含水層單位涌水量為0.004 4 ～0.174 L/s.m，滲透系數(shù)0.026 ～0.192 m/d，可見其富水性由弱～中等富水性。

D1、J1 孔進(jìn)行了上馬家溝組與峰峰組混合抽（放）水試驗(yàn)，單位涌水量在0.046～0.289 L/s.m，據(jù)以往水文鉆孔勘探數(shù)據(jù)，個(gè)別鉆孔單位涌水量可達(dá)7.624 2 L/s.m，富水性極不均一。

由此可見，正常地段峰峰組與上馬家溝組之間的水力聯(lián)系較為弱，在富水性上有明顯的差異。

2.3 壓水試驗(yàn)

如圖2（a），地面D1 孔峰峰組頂部0～18 m 范圍內(nèi)巖層滲透性弱，滲透率0.025～0.35 Lu，隔水性較好；進(jìn)入峰峰組18～81 m 測試段節(jié)理裂隙發(fā)育，滲透率一般在1～32 Lu 之間，裂隙連通性好。

如圖2（b），井下J2 孔峰峰組頂部0～17 m 范圍內(nèi)巖層滲透性弱，滲透率0.042～0.068 Lu，隔水性較好；進(jìn)入峰峰組17～100 m 測試段節(jié)理裂隙發(fā)育，滲透率一般在1～43.31 Lu 之間，裂隙連通性好。

圖2 D1、J1 孔壓水試驗(yàn)成果圖

2.4 聲波測試

井下J2 孔裸孔測試從124 m 開始進(jìn)入奧灰峰峰組，測深124～145.5 m 范圍灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育不明顯，鉆孔圍巖完整性較好，聲波傳播時(shí)間縮短，波速普遍在1.55～2.84 km/s；測深145.5～236 m 范圍內(nèi)，聲波接收時(shí)間延長，聲波波速普遍在0.58～1.55 km/s，該段透水性普遍高于測深124～145.5 m 區(qū)域；可知峰峰組頂部約21.5 m 在物性上與深部存在明顯區(qū)別。

地面D1 孔裸孔測試從525 m 開始進(jìn)入峰峰組，測深525～541.75 m 范圍灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育不明顯，鉆孔圍巖完整性較好，聲波傳播時(shí)間縮短，波速普遍在1.67～2.74 km/s；測深541.75～638 m 范圍內(nèi)，聲波接收時(shí)間延長，聲波波速普遍在0.476～1.67 km/s，該段透水性普遍高于測深525～541.75 m 區(qū)域；可知峰峰組頂部約21.75 m 在物性上與深部存在明顯區(qū)別。

3 峰峰組相對隔水層的提出與劃分

3.1 古風(fēng)化殼存在的地質(zhì)背景

早古生代地層在加里東運(yùn)動(dòng)時(shí)期，發(fā)生了昌平、懷遠(yuǎn)及加里東晚期3 次抬升，使下古生界3 次大面積暴露地表被淋濾風(fēng)化，形成了3 個(gè)平行于古風(fēng)化殼的溶蝕帶，特別是加里東晚期的抬升運(yùn)動(dòng)，使得本區(qū)整體抬升并先后經(jīng)歷了130～150 Ma 的風(fēng)化、剝蝕和夷平。遭受剝蝕和充填的風(fēng)化基巖和裂隙在沉積旋回中隨地臺(tái)下沉而埋入地下。隨著華北斷塊進(jìn)一步下沉，海水進(jìn)一步入侵，細(xì)碎屑的鋁土質(zhì)粘土開始在古剝蝕面相對隆起部位或已為碎屑填平的部位上沉積，在奧陶系灰?guī)r突起的古溶洞裂隙或早期沉積的粗碎屑中巖溶裂隙再次被鋁泥質(zhì)充填。

從水文地質(zhì)補(bǔ)勘鉆孔取芯資料來看，峰峰組上部層段為古風(fēng)化殼形成、灰?guī)r基底風(fēng)化較明顯的區(qū)域，這部分區(qū)域巖石風(fēng)化殘積物與未風(fēng)化的完整灰?guī)r重新發(fā)生膠結(jié)，二次成巖，這部分受古風(fēng)化作用影響的巖層，泥質(zhì)含量較高，隔水性較好。

3.2 峰峰組巖性組合與裂隙特征

峰峰組主要由厚層狀石灰?guī)r、泥灰?guī)r、角礫狀石灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r組成，在峰峰組常見灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r反復(fù)旋回沉積，且泥質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r厚度均不大，巖溶裂隙發(fā)育程度差，裂隙多被方解石充填。由于奧陶系晚期地殼升降運(yùn)動(dòng)，經(jīng)歷長期風(fēng)化剝蝕作用，峰峰組頂部地層在接受石炭系海陸交互沉積，石炭系本溪組底部泥巖充填進(jìn)入峰峰組頂部風(fēng)化裂隙中，形成了在峰峰組灰?guī)r中有本溪組泥巖的現(xiàn)狀。加上峰峰組二段為泥質(zhì)灰?guī)r和石灰?guī)r組成，因此，形成了頂部隔水性能較好的特征。

就巖溶發(fā)育及裂隙充填特征而言，峰峰組頂部巖溶裂隙發(fā)育程度差，裂隙多被方解石脈充填，頂部裂隙中也見鋁土充填和黃鐵礦結(jié)核，裂隙充填的方解石脈中偶見小溶孔。

3.3 峰峰頂部巖層的阻水能力

D1 孔簡易水文觀測顯示峰峰組頂部地層沖洗液消耗量沒有大的漏失，針對D1、J1 和J2 孔的峰峰組做了抽（放）水試驗(yàn)，顯示峰峰組灰?guī)r含水層單位涌水量為0.004 4～0.174 L/(s·m)，由此可以判斷，本次探查峰峰組整體上為弱-中等富水性含水層；此外根據(jù)壓水試驗(yàn)結(jié)果顯示，透水率一般在1 Lu 以下，屬于透水性微弱的地層，表明相對隔水段也主要集中于峰峰組頂部。

從相鄰的趙莊礦、長平礦水文地質(zhì)勘探資料也可以看出，鉆進(jìn)到峰峰組時(shí)鉆井消耗液均為正常消耗，部分鉆孔在進(jìn)入峰峰組下段一定進(jìn)尺后才開始明顯漏失，揭穿峰峰組鉆孔的抽水試驗(yàn)單位涌水量數(shù)量級一般都在10-2-10-3，峰峰組總體富水性弱具有區(qū)域性特點(diǎn)。

3.4 峰峰組隔水層厚度的判定

井田內(nèi)峰峰組厚度在81.53～145.25 m，平均厚111.19 m，綜合鉆井消耗液、抽（放）水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)、聲波測試等資料認(rèn)為，峰峰組上部17～22 m 層段可以作為相對隔水層，另外考慮巖溶發(fā)育的不均一性，取安全儲(chǔ)備系數(shù)K = 1.2，峰峰組頂部相對隔水層厚度取15 m。

4 相對隔水層的水文地質(zhì)意義

奧陶系巖溶地下水既是影響煤礦安全生產(chǎn)的“突水水患”，又是制約煤炭企業(yè)發(fā)展的寶貴水資源，因此在煤礦開采過程中必需要重視奧灰水的兩重性，在保證煤炭安全生產(chǎn)的同時(shí)，要充分合理的利用好寶貴的水資源，走“綠色礦山”的發(fā)展理念。因此，科學(xué)認(rèn)識(shí)和評價(jià)奧陶系灰?guī)r的水文地質(zhì)特征是實(shí)現(xiàn)“煤-水”共生的必由之路。

趙莊二號井15 號煤層至奧灰頂界面厚度為10.4～47.6 m，平均厚度23.52 m，主要發(fā)育有煤層底板太原組底部砂巖、本溪組鋁土質(zhì)泥巖，及上奧陶系峰峰組頂部由古風(fēng)化殼組成的相對隔水層15 m，隔水層厚度有所增加。未考慮峰峰組相對隔水層之前，15 號煤奧灰突水系數(shù)變化范圍為0.063 7～0.269 7 MPa/m，本井田大部分為突水危險(xiǎn)區(qū)；當(dāng)考慮峰峰組頂部15 m 相對隔水層時(shí)，突水系數(shù)變化范圍為0.040～0.111 MPa/m 之間，本井田大部分為突水威脅區(qū)，因此相對隔水層的存在對突水系數(shù)的計(jì)算影響較大，對改善帶壓開采條件具有顯著意義。

由于古風(fēng)化面起伏不定，峰峰組頂部形態(tài)也呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性，在認(rèn)識(shí)到風(fēng)化殼具有阻水特性的同時(shí)，還需要認(rèn)識(shí)到其潛在的不穩(wěn)定性，即大概率還存在巖溶通道未被風(fēng)化殘積物充填密實(shí)的區(qū)域，該區(qū)域可能構(gòu)成突水通道，需要提前治理。

總體上，峰峰組相對隔水層的存在對下組煤開采有重要意義，主要表現(xiàn)在兩方面：一是增加了隔水層厚度，降低了突水系數(shù)；二是為大規(guī)模區(qū)域治理提供了理想的層位選擇。

5 下組煤開采的水害防治策略

由于峰峰組相對隔水層厚度較小，且穩(wěn)定性難以保證，考慮采動(dòng)破壞，據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，隔水層小于35～40 m 時(shí)，難以阻抗奧灰水壓，易發(fā)生底板突水事故[5]。因此，峰峰組相對隔水層的利用應(yīng)具備一定的前提，即回采前必須結(jié)合帶壓條件對底板采取局部治理和區(qū)域治理措施。

5.1 局部治理

采用常規(guī)手段進(jìn)行局部治理區(qū)域主要針對突水系數(shù)小于0.06 MPa/m 的突水威脅區(qū)，可采用井下局部治理方案進(jìn)行先期開采。凡探測和分析認(rèn)為存在富水異常區(qū)或存在斷層、陷落柱時(shí)，必須進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，確認(rèn)存在水害隱患時(shí)應(yīng)進(jìn)行注漿治理。隱患排除后可進(jìn)行試采，回采期間要做好監(jiān)測工作，評價(jià)采用井下局部治理模式的技術(shù)可靠性和生產(chǎn)效率，如常規(guī)手段仍無法滿足安全、高效生產(chǎn)需求，則應(yīng)進(jìn)行底板區(qū)域治理。

5.2 區(qū)域治理

進(jìn)入突水系數(shù)大于0.06 MPa/m 的區(qū)域后，需對峰峰組頂部相對隔水層進(jìn)行區(qū)域治理，保證其完整性和阻水能力，一般采用定向鉆探加注漿治理工程。主要應(yīng)遵循以下原則：

1）工作面底板孔全部采用定向孔，在巷道掘進(jìn)鉆探期間可同時(shí)進(jìn)行工作面底板孔的施工。

2）注漿加固范圍內(nèi)鉆孔終孔位置間距應(yīng)不大于50 m，鉆孔水平投影均勻布滿探測區(qū)域。

3）注漿鉆孔應(yīng)對物探異常區(qū)、斷層、陷落柱等構(gòu)造的探查與加固有所側(cè)重。

4）工作面切眼位置、初次來壓位置、周期來壓位置、巷道直接底板兩側(cè)15 m 范圍內(nèi)和停采線附近作為重點(diǎn)加固區(qū)段。

5）造漿系統(tǒng)一般設(shè)置于地面，便于大流量制漿與高壓注漿。

6 結(jié) 論

1）受古巖溶環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，峰峰組頂部存在一定厚度的風(fēng)化殼，使其成為相對隔水層具備了基礎(chǔ)條件。

2）通過鉆井液消耗量觀測、抽（放）水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)、聲波測試等技術(shù)手段，驗(yàn)證了趙莊二號井峰峰組相對隔水層厚度為15 m 左右。

3）峰峰組相對隔水層的存在對下組煤開采有重要意義，一是增加了隔水層厚度，降低了突水系數(shù)；二是為大規(guī)模區(qū)域治理提供了理想的層位選擇。

4）針對下組煤帶壓開采問題，按照突水系數(shù)分區(qū)域采區(qū)針對性的治理措施，由局部治理向全面區(qū)域治理逐漸過渡，是解決下組煤開采的重要途徑。