高家堡煤礦洛河組含水層水文地質(zhì)特征及水害防治

任鄧君,藺成森,霍 超,馬家輝,許南南

(1.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司,陜西 咸陽(yáng) 713600;2.長(zhǎng)安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引言

礦井水害是誘發(fā)礦井安全事故的主要根源,是制約礦山安全高效開(kāi)采的重要災(zāi)害之一。近年來(lái),隨著我國(guó)政府部門(mén)對(duì)礦山安全事故的高度重視以及國(guó)家政策法規(guī)的不斷完善,礦井水害發(fā)生的次數(shù)及規(guī)模逐漸得到有效控制[1-4]。

彬長(zhǎng)礦區(qū)作為我國(guó)原煤生產(chǎn)的重要基地,其普遍分布的巨厚砂巖含水層對(duì)煤層安全開(kāi)采造成嚴(yán)重威脅。國(guó)內(nèi)學(xué)者已對(duì)該區(qū)域礦井水害問(wèn)題展開(kāi)了深入的研究。肖樂(lè)樂(lè)等[5]通過(guò)水文地球化學(xué)方法研究了彬長(zhǎng)礦區(qū)地下水化學(xué)特征,建立了PAC-fisher水源判別模型進(jìn)行各突(涌)水點(diǎn)水源識(shí)別;高虎[6]針對(duì)孟村煤礦4號(hào)煤層上覆洛河組巨厚砂巖含水層威脅,制定了厚煤層綜放工作面“走向‘波浪式’+傾向‘倒V式’+架后留疏水通道”控水工藝;武謀達(dá)[7]總結(jié)了彬長(zhǎng)礦區(qū)復(fù)合煤層聯(lián)合開(kāi)采工作面涌水特征,認(rèn)為洛河組是煤層開(kāi)采的直接或間接充水含水層;李超峰等[8-9]采用水文地質(zhì)鉆探、抽放水試驗(yàn)、水化學(xué)測(cè)試等方法查明了彬長(zhǎng)礦區(qū)水文地質(zhì)特征,指出洛河組含水層垂向具有明顯差異性;盛奉天等[10]采用數(shù)據(jù)分析方法研究了礦區(qū)工作面綜放開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶高度,利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)回歸公式進(jìn)行驗(yàn)證;張彪[11]在研究彬長(zhǎng)礦區(qū)水位地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,提出了頂板預(yù)注漿封堵、高滲徑流通道封堵、帷幕注漿、礦井水回灌等一系列厚層頂板水減水體系。

眾多學(xué)者針對(duì)彬長(zhǎng)礦區(qū)水害防治問(wèn)題進(jìn)行了大量研究并取得了一定成果,但高家堡礦井作為彬長(zhǎng)礦區(qū)的一部分,對(duì)于其小范圍內(nèi)的水文地質(zhì)特征及水害防治對(duì)策研究較少。本文采用水文地質(zhì)鉆探、抽水試驗(yàn)及水化學(xué)分析等方法研究了礦井白堊系含水層水文地質(zhì)特征,評(píng)價(jià)礦井水害威脅,提出水害防治對(duì)策,為后期煤層安全高效開(kāi)采提供理論依據(jù)。

1 工程概況

高家堡井田位于陜西彬長(zhǎng)礦區(qū)西北部,行政區(qū)劃隸屬陜西省咸陽(yáng)市長(zhǎng)武縣。井田東西長(zhǎng)約25.7 km,南北寬約16.6 km,礦區(qū)面積219.168 1 km2,井田共有煤炭資源量978.278 3 Mt,礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力5.0 Mt/a,服務(wù)年限62.5 a。礦井采用豎井開(kāi)拓,單水平開(kāi)采,主采煤層為4號(hào)煤層。4號(hào)煤層為特厚煤層,資源儲(chǔ)量909.696 5 Mt,煤層大部可采,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

高家堡煤礦為高瓦斯礦井,各可采煤層均易自燃,頂板水害威脅較大。主要含水層為延安組頂板砂巖含水層、直羅組砂巖裂隙承壓含水層以及白堊系洛河組砂巖孔隙-裂隙承壓含水層;主要隔水層為第三系紅土隔水層、華池組和安定組泥巖隔水層。4號(hào)煤層頂?shù)装宓貙犹卣饕?jiàn)表1。

表1 高家堡井田4號(hào)煤層頂?shù)装宓貙犹卣?/p>

2 涌水特征

2.1 導(dǎo)水裂隙帶

采用地面鉆探法實(shí)測(cè)了高家堡煤礦101、204、205工作面煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度,實(shí)測(cè)成果見(jiàn)表2。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果,101工作面回采至165 m綜放煤層采高控制之前導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最高為173.00 m,裂采比為23.07;停采線附近導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度最大為88.03 m,裂采比為20.23。204工作面DT2鉆孔位置煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為197.85 m,裂采比為35.33;205工作面DT1鉆孔位置煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為327.75 m,裂采比為25.81。

表2 導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測(cè)成果

采用實(shí)測(cè)裂采比對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為92.03～277.13 m,平均181.95 m,如圖1所示。

圖1 高家堡煤礦導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度等值線

2.2 導(dǎo)水裂隙帶波及含水層

根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶實(shí)測(cè)發(fā)育高度和預(yù)測(cè)結(jié)果可知,導(dǎo)水裂隙帶已經(jīng)波及到白堊系含水層,將成為溝通白堊系含水層與采煤工作面之間的涌水通道,突水危險(xiǎn)性較大。

預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度波及洛河組含水層厚度為0～166.21 m,平均86.42 m,如圖2所示。根據(jù)預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度波及洛河組含水層厚度結(jié)果,高家堡井田在開(kāi)采4號(hào)煤層時(shí)導(dǎo)水裂隙帶基本發(fā)育至洛河組含水層。然而,洛河組含水層整體為富水性弱-中等的巨厚砂巖裂隙含水層,具有一定的靜儲(chǔ)量,若導(dǎo)水裂隙帶溝通洛河組后將造成含水層水進(jìn)入采動(dòng)空間,增加礦井涌水量,危險(xiǎn)性較大。因此,深入探查洛河組含水層的水文地質(zhì)特征尤為重要。

圖2 高家堡煤礦導(dǎo)水裂隙帶高度波及洛河組厚度等值線

3 洛河組含水層水文地質(zhì)特征

3.1 巖性特征

白堊系洛河組含水層較厚,一般為318.00～509.93 m,平均厚度400.35 m,自西南向東北總體呈逐漸變厚的趨勢(shì)。鉆孔揭露洛河組地層主要巖性有細(xì)粒砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖以及泥質(zhì)巖類(lèi),礫巖分布相對(duì)較少,如圖3所示。其中,砂巖在洛河組地層厚度中占比80%以上,是洛河組的主要巖性組成;泥質(zhì)巖類(lèi)平均厚度66.54 m,占整個(gè)洛河組厚度的16.3%,在洛河組地層中較普遍發(fā)育;礫巖發(fā)育相對(duì)較少,地層厚度占比不足1%。

圖3 不同巖性平均厚度所占百分比

3.2 富水特征

含水層富水特性是表征地下水含量的重要參數(shù)。洛河組含水層厚度較大,結(jié)合鉆孔巖性和富水性指數(shù)等認(rèn)為洛河組可以按“二分法”將其劃分為上下段。通過(guò)單孔抽水試驗(yàn)評(píng)價(jià)含水層富水特性,結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,洛河組下段與上段水文地質(zhì)參數(shù)差異較明顯。洛河組下段滲透系數(shù)為0.027～0.049 m/d,單位涌水量為0.013～0.084 3 L/(s·m);而洛河組上段滲透系數(shù)為0.920～1.552 m/d,單位涌水量為1.305～2.248 13 L/(s·m)。因此,洛河組上段富水性強(qiáng),下段富水性弱,富水性差異明顯。

表3 洛河組及其不同層段水文地質(zhì)參數(shù)

3.3 水力聯(lián)系

3.3.1 洛河組上段同層水力聯(lián)系

洛河組上段同層之間水力聯(lián)系判定主要通過(guò)在上段進(jìn)行群孔抽水試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。在對(duì)洛河組上段進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí)同步觀測(cè)洛河組上段水位變化,群孔抽水試驗(yàn)成果和水位變化趨勢(shì)分別見(jiàn)表4、圖4。可以看出,在對(duì)T1孔洛河組上段進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí),最大抽水量為22.453 L/s,最大水位降深為9.24 m,同步觀測(cè)T2孔洛河組上段相應(yīng)水位降深分別為3.78 m、3.42 m和2.85 m。當(dāng)T1孔停止抽水30 min后T2孔水位已恢復(fù)0.31 m,T2孔洛河組上段地下水水位隨T1孔抽水同步變化趨勢(shì)較明顯。在對(duì)T2孔洛河組上段進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí),最大抽水量15.140 L/s,最大水位降深為10.28 m,觀測(cè)T1孔洛河組上段相應(yīng)水位降深分別為3.79 m、3.45 m和2.62 m,T1孔洛河組上段地下水水位隨T2孔抽水同步變化趨勢(shì)亦較明顯。因此,綜合分析認(rèn)為T(mén)1、T2孔洛河組上段同層之間水力聯(lián)系較密切。

夜里她一直在書(shū)房看稿子。厚厚一摞打印稿，她需要在睡覺(jué)以前看完。天氣悶熱，大雨傾盆，念蓉起身，去陽(yáng)臺(tái)關(guān)好窗子。楚墨還沒(méi)有回來(lái)，兩個(gè)小時(shí)以前她給楚墨打電話，楚墨說(shuō)他正在與朋友吃飯。電話里聲音嘈雜，隔著電話念蓉也能聞到濃重的酒精氣味。念蓉問(wèn)他：“要不要我過(guò)去幫你把車(chē)開(kāi)回來(lái)？”楚墨大著舌頭說(shuō)：“我不開(kāi)車(chē)，我飛回去。”

圖4 同層段群孔抽水試驗(yàn)水位變化趨勢(shì)

表4 同層段群孔抽水試驗(yàn)成果表

3.3.2 洛河組上下段水力聯(lián)系

洛河組上下段之間水力聯(lián)系判定同樣通過(guò)不同層段群孔抽水試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。在對(duì)洛河組上下段進(jìn)行抽水時(shí)同步觀測(cè)相應(yīng)水位變化,群孔抽水試驗(yàn)成果分別見(jiàn)表5、圖5。可以看出,在對(duì)T1孔洛河組下段進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí),最大抽水量為0.610 L/s,最大水位降深為57.26 m,同步觀測(cè)T2孔洛河組上段水位變化。水位恢復(fù)階段,T2孔洛河組上段水位與T1孔洛河組下段水位雖然具有相似的上升趨勢(shì),但總體來(lái)看兩者同步性不強(qiáng)。在對(duì)T2孔洛河組上段進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí),最大抽水量為15.140 L/s,最大水位降深為11.05 m,同步觀測(cè)T1孔洛河組下段水位變化。T1孔洛河組下段水位大體表現(xiàn)出隨T2孔洛河組上段抽水、水位恢復(fù)等分別出現(xiàn)下降和上升趨勢(shì),但同步性較弱。洛河組上段與下段群孔抽水試驗(yàn)期間,無(wú)論洛河組下段抽水還是上段抽水,觀測(cè)孔大體出現(xiàn)與抽水孔相應(yīng)地下降或上升,但沒(méi)有出現(xiàn)與洛河組上段同層之間相類(lèi)似明顯的3次降深及恢復(fù)水位趨勢(shì),同步性較弱。因此,綜合分析認(rèn)為洛河組上段與下段含水層之間存在水力聯(lián)系,但水力聯(lián)系微弱。

圖5 不同層段群孔抽水試驗(yàn)水位變化趨勢(shì)

表5 不同層段群孔抽水試驗(yàn)成果

3.4 水化學(xué)特征

為查明白堊系洛河組含水層與其他含水層之間的水化學(xué)特征,分別取華池組、洛河組不同層段、延安組及其與直羅組混合水樣進(jìn)行全分析檢測(cè),各水源水質(zhì)全分析測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6和如圖6所示。

圖6 水化學(xué)Piper三線圖

表6 水化學(xué)特征對(duì)比一覽表

4 礦井水害防治

4.1 礦井水害威脅評(píng)價(jià)

高家堡礦井主要水害威脅來(lái)自白堊系洛河組含水層和侏羅系直羅組、延安組含水層頂板水。侏羅系直羅組、延安組含水層厚度較小,首采區(qū)直羅組平均厚度21.46 m,延安組平均厚度44.11 m,且涌水量和滲透系數(shù)相對(duì)較小,均為弱富水性,地下水徑流條件較差,接受側(cè)向補(bǔ)給水量相對(duì)有限。雖然距離煤層較近,但在巷道掘進(jìn)和工作面回采過(guò)程中可以逐步進(jìn)行預(yù)疏放和自然疏放。總體來(lái)看,除了局部地段可能存在相對(duì)富水異常區(qū)之外,侏羅系直羅組和延安組含水層對(duì)煤層回采影響較小。

洛河組下段含水層厚度較小,單位涌水量為0.013～0.084 3 L/(s·m),富水性較弱,地下水靜儲(chǔ)量較少,滲透系數(shù)為0.027～0.049 m/d,地下水徑流相對(duì)滯緩,接受補(bǔ)給條件較差。同時(shí),洛河組下段與上段之間水力聯(lián)系微弱,接受上段和側(cè)向地下水補(bǔ)給水量相對(duì)有限,對(duì)煤層回采雖有一定影響,但總體可以通過(guò)預(yù)疏放和自然疏放等方法減小水害發(fā)生概率。

4.2 礦井水害防治對(duì)策

4.2.1 防治原則

高家堡井田導(dǎo)水裂隙帶已經(jīng)波及洛河組含水層。因此,4號(hào)煤層頂板洛河組含水層是對(duì)煤層回采安全構(gòu)成威脅的主要充水含水層,在巷道掘進(jìn)和工作面回采過(guò)程中需要針對(duì)性地開(kāi)展防治水工作。礦井防治水工作應(yīng)堅(jiān)持“積極主動(dòng)、預(yù)防為主、超前治理”的指導(dǎo)方針,堅(jiān)持洛河組上段水以防為主,洛河組下段和侏羅系水以預(yù)疏放和自然疏放為主的工作思路[13-14]。

4.2.2 堅(jiān)持物探與鉆探相結(jié)合

頂板洛河組上段含水層構(gòu)成煤層回采的主要水害威脅,為保證礦井煤層回采安全,巷道掘進(jìn)應(yīng)堅(jiān)持超前鉆探。工作面回采前應(yīng)進(jìn)行富水異常區(qū)和構(gòu)造異常區(qū)物探探查,發(fā)現(xiàn)異常后應(yīng)在可疑地段布置鉆孔進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

4.2.3 提前疏放

侏羅系含水層距離煤層較近,洛河組下段含水層富水性弱,靜儲(chǔ)量相對(duì)有限,且與洛河組上段含水層水力聯(lián)系微弱。在巷道掘進(jìn)和工作面回采時(shí)應(yīng)提前施工鉆孔,并結(jié)合巷道掘進(jìn)和工作面開(kāi)拓對(duì)侏羅系頂板、白堊系洛河組下段含水層進(jìn)行預(yù)疏放。

4.2.4 完善排水系統(tǒng)

完善礦井及工作面排水系統(tǒng),確保工作面回采不受井下涌水和積水影響。同時(shí),建立完善礦井抗災(zāi)排水系統(tǒng),使礦井具有一定的防災(zāi)抗災(zāi)能力。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)地面鉆探法實(shí)測(cè)了高家堡井田導(dǎo)水裂隙帶高度為88.03～327.75 m,采用實(shí)測(cè)裂采比預(yù)測(cè)的導(dǎo)水裂隙帶高度為92.03～277.13 m,導(dǎo)水裂隙帶已經(jīng)波及到白堊系洛河組含水層。

(2)采用水文地質(zhì)鉆探、抽水試驗(yàn)及水化學(xué)分析等方法從巖性特征、富水特性、水力聯(lián)系以及水化學(xué)特征方面分析總結(jié)了礦區(qū)白堊系含水層水文地質(zhì)特征。

(3)高家堡井田4號(hào)煤層安全開(kāi)采受頂板洛河組含水層水害威脅較大,洛河組上段水應(yīng)堅(jiān)持以防為主,洛河組下段和侏羅系頂板水則以預(yù)疏放和自然疏放為主。