北辛窯井田構造特征及其控水作用

仝重宇

(北辛窯煤業有限公司,山西 忻州 036702)

截至2022年底,我國一次能源消費結構仍以煤炭為主,占56%以上,也是我國能源保供的壓艙石和穩定器。近年來,煤炭生產逐步形成以安全綠色開發和清潔高效利用的生產模式,但是隨著開采的不斷深入,面臨的煤層賦存地質條件、地下水動力條件復雜多樣,導致開采過程中遭受礦井水害威脅嚴重[1-2]。而北辛窯井田屬于原同煤集團朔南地區新部署的大型煤礦之一,由于該井田處于寧武煤田構造應力轉換區[3],地質構造復雜,導致各含水層水動力條件、水源類型、水源通道以及涌(突)水規律認識不清,在生產過程中多次發生突(涌)水事件,存在出水量大,持續時間長,其中3處出水點出水量達300 m3/h,且相鄰水文孔水位動態變化和水質類型差異較大等問題,嚴重影響礦井防治水決策與安全高效生產[4-5],導致礦井未能如期達產。本次研究充分利用測井、地質、電法和地震等資料,結合區域構造特征,剖析北辛窯井田石炭系地層結構、構造演化規律、成因機制等,明確井田地質構造發育特征、導含水性及其對地下水動力場的控制作用,提出構造控水機理,指導復雜地質條件下井田防治水工作。

1 地質概況

北辛窯井田是晉能控股集團朔南礦區主要礦井之一,位置位于寧武向斜北部、朔縣向斜東南部,面積約為53.3 km2,屬于軒崗-陽方口構造應力轉換區,主要經歷了印支、燕山早期、燕山中晚期、喜山4期幕式構造作用,特別是燕山中晚期多方向強烈擠壓構造作用,形成井田基底隱伏構造;喜山期走滑伸展作用導致NE-NEE向斷裂帶,控制著現今井田構造格局和賦煤條件[3]。井田內從下到上發育奧陶系馬家溝組,石炭系本溪組、太原組,二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、第四系,其中太原組平均厚度89.56 m,煤層平均總厚20.28 m,2號、5號、6號煤層為較穩定可采煤層,可采煤層平均總厚18.6 m.井田屬神頭泉水文地質單元,主要含水層系為奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層,太原組、山西組和石盒子組碎屑巖裂隙含水層,第四系松散巖層孔隙含水層,其中奧陶系巖溶裂隙含水層水位標高+1 056～+1 077 m,水質類型以HCO3-Ca·Mg型為主,富水性中等至強[4]。

2 井田構造特征

2.1 斷裂構造與幾何學特征

通過地面鉆孔勘查、三維地震精細化解析和掘進回采過程中揭露的斷層進行統計分析,北辛窯井田共查明斷層68條,均由鉆孔、2D、3D地震直接控制、落實,其中4條斷層從程坑井田延伸到北辛窯井田。井田內斷層以正斷層為主,走向分3組,但NEE向斷層占絕對優勢,局部可見NW、NE向斷層;傾向以NNW為主,SSE傾向次之,傾角集中于60°～80°,為高角度正斷層。結合區域構造應力和演化期次,近NEE向斷層形成時期晚,將早期形成的斷裂、褶皺重新切割,多呈壘-塹構造和斷褶構造樣式,北部間隔較小,平面上,次級斷層與主干斷層多斜交發育,對煤層賦存條件整體影響較大。南部斷層間隔大,平面上,近平行分布,形成多個NEE向塊體,是該區煤層賦存有利區。

本文選取典型的幾條斷層進行描述,F7斷層,位于井田中北部,走向NEE,傾向南,傾角60°～80°,斷距150～332 m,錯斷2號、5號、8號煤,在區內延展長度約為4 760 m,并向西、向東延展至井田外;F6斷層,與F7斷層近平行分布,走向近東西,傾向北,傾角65°～80°,斷距60～199 m,延展長度分別約為2 430 m,并向西延展至區外,垂向上與F6斷層斜交,形成地壘構造樣式(圖1(a));F8斷層位于井田中北部,由703、602、BX-11、BX-12、201、BX-21鉆孔和三維地震控制,走向NEE轉EW,傾向SSE轉S,傾角60°～80°,斷距155～200 m,錯斷2號、5號、8號煤層,延展長度為3 229 m,并向西、向東延展至區外,垂向上F8斷層與F9斷層形成斷階狀構造樣式(圖1(b))。

圖1 北辛窯井田典型斷裂剖面特征圖

2.2 斷裂斷距與延伸長度相關性

按照斷層落差H及其對煤礦開采的影響程度,本次研究將H>30 m的斷層劃歸大型斷層,15 m

本區經過多期次構造運動,導致斷層的展布方向、力學性質存在差異。以X坐標表示斷層最大落差,Y坐標表示水平延伸長度,做出散點圖,建立北辛窯井田斷距與延伸長度散點圖,回歸曲線及經驗公式(圖2),顯示斷距與延伸長度具有較好的正相關關系,R2可達0.82,即隨著斷距的增大,平面延伸長度增大,為斷層預測具有一定的指導意義。

圖2 北辛窯井田斷層最大斷距與延伸長度相關性

2.3 褶皺構造

北辛窯井田主要發育2個背斜和2個向斜,其中S1背斜位于井田北部,軸向NEE向,向西翹起,北翼傾向NW,南翼地層傾向SE,兩翼基本對稱,傾角約為8°,延伸長度約為4 000 m;S2向斜位于S1背斜東部末端,軸向SN向,西翼地層傾向E,東翼傾向W,傾角約為7°,延伸長度1 200 m.S3背斜位于中部,軸向EW向,兩翼基本對稱,傾角約為8°,北翼傾向N,南翼傾向S.延伸長度3 000 m.S4向斜位于井田南部,軸向NE向,向NE端翹起,延伸長度5 070 m.在北辛窯井田褶皺構造發育較少,主要受后期斷裂構造破壞,對煤層賦存及開采的影響偏小。

2.4 構造控煤樣式

由于北辛窯井田鄰近寧武向斜東北翹起端,與軒崗以北一帶受到的構造作用與形變相似,并結合井田斷裂平面分布和垂向切割的特征,認為北辛窯井田整體為向西-向北傾的單斜構造,早期受到區域擠壓應力作用,發育小型逆沖推覆相關褶皺和沖斷斷層;晚期受到NW-SE向伸展作用,一方面使早期沖斷斷層活化反轉,另一方面褶皺及逆斷層被NE-NEE向斷裂切割,導致隱伏的擠壓特征不明顯,現今主要呈現NE-NEE向大型斷裂體系,近平行和斜交分布,局部呈弧形、S形,垂向形成多個壘-塹、順向和反向斷階、斷褶構造樣式。同時在井田不同區域構造復雜程度存在明顯差異,中北部構造復雜,斷裂規模大、平面密集分布、且垂向切割交錯,導致形成多個不規則塊段,嚴重影響煤層賦存條件和有效開采;南部構造相對簡單,整體以單斜構造為主,局部被中小型斷裂切割,是井田煤層賦存有利區。

3 構造控水作用

北辛窯井田處于寧武煤田中北部構造轉折端,北部以王萬莊大型斷裂帶為界,朔南至平朔地區煤田近NS向,南部至軒崗一帶煤田近NE向,由于該構造轉折帶主要受到燕山期多期、幕式NW向向近EW向的強烈旋轉擠壓作用,形成了整個寧武煤田邊緣的逆沖推覆構造,以及井田內部的隱伏推覆構造;在喜山期該轉折區同樣受到NE-SW向走滑作用派生的NE向大型斷裂帶異常發育,特別是在軒崗周緣地區,形成了陡峻的斷塊山,奧陶系和古生界大面積出露。北辛窯井田在區域構造的控制下,井田處于神頭巖溶泉域水文地質單元,地下水補給區主要位于東、西和南部盤道梁-寧武南-南峰地層出露區,地下水的整體徑流方向是東西部向中部、南部向北部,從神頭泉排泄。

由于寧武煤田中北部構造的分區分帶性,導致神頭巖溶泉域水文地質單元在不同的構造區又具有明顯的差異性,呈多個次級水文地質單元或次級含水系統。通過水文觀測孔抽水試驗、工作面及巷道出水點抽水試驗、出水點水源、斷層兩盤巖性特征等多因素綜合分析,認為中北部NEE向斷裂體系將統一的含水系統,分割為多個次級、相對獨立的含水系統,斷層垂向導水性強于側向導水性,側向導水性取決于含水層被錯斷后,巖性對接關系,通常在井田中北部斷距大于45 m的斷層(如F6、F7、F8、F9斷層)可將太原組上部厚層完全錯斷,側向導水性變差,普遍存在NEE向獨立的次級含水系統,其中F8斷裂南北兩盤的水動力條件不同,這一認識被斷裂帶兩側的BS6和G6水文孔證實;在井田中南部斷層密度小,斷距小,含水層不易錯斷,山西組與太原組含水層側向連通性好,但缺乏通源斷層,斷層導水性弱,以至與奧灰水的水力聯系較弱,富水性差,中南區有利于大型工作面部署和防治水工作。同時,井田局部受NE向隱伏推覆構造影響,如南翼大巷涌水點,奧陶系和太原組下部地層近似直立,奧灰水沿著巖層面或風化殼疏松帶向上越流,當與NE向斷裂帶交割,更容易導致突水[4]。

井田內大型NE向斷層多以斷裂帶呈現,斷層兩盤牽引裂隙和小型斷層廣泛發育,形成一個復雜的網格結構體,該類結構體往往因脆性斷層破碎帶具有較好的透水性,形成礦井充水的良好通道,是北辛窯井田地下水垂向運移或越流的良好導水通道。同時,同一大型斷裂帶的導水性在縱橫向具有差異性,即一條斷層在某一方向導水,而在另一方向上隔水,或同一斷層的某一部位導水,而在另一部位隔水。因此,在實踐中,需充分考慮斷層不同部位的巖性對接關系,不同方向的應力狀態等因素綜合分析控水作用,具體如下。

1) 斷裂帶兩盤的巖性特征。斷層兩盤均為粗粒砂巖等脆性巖石時,開啟性小型斷裂及伴生裂隙發育,透水性及導水性能好;當斷層兩盤均為泥巖、砂質泥巖、鋁土質泥巖、碳質泥巖等塑性巖石時,斷層錯斷摩擦導致斷層面為滲透性差且致密的斷層泥,且周圍破碎帶也多被低滲透性的泥質成分充填,斷層面呈閉合狀態,一般不導水或導水性極弱,起到橫向和垂向隔水作用。

2) 主斷裂構造的活動強度。北辛窯井田發育的多組高角度正斷層是在強烈的伸展應力條件下形成,通常形成過程中會派生一些協調性中小型斷層、伴生裂隙或節理,多近平行、斜交于主斷層,在這些斷層發育密集區或交匯區,易形成復雜的斷裂控水網絡,斷層的導水性和富水性更強,即在同一含水層系、巖性相似的條件下,地下水相對更富集。如2號煤及其頂板、底板瞬變電磁電阻率平面[6]特征與斷裂分布規律疊合,可見3層含水異常區多重合疊置,其分布規律和富水性受大型斷裂下降盤和多條斷層的交匯處控制。以F8斷層為例,經試驗得斷裂帶處滲透系數約為0.114 7 m/d,遠大于無構造區的0.056 7 m/d;根據取芯后試驗結果斷層帶巖石飽和吸水率約為4.36～7.22,而無構造區的飽和吸水率僅為2.37～3.87,在井田南翼大巷掘進期間,在F8斷層次級斷層處發生兩次突水事故,突水點1穩定水量約為300 m3/h,突水點2穩定水量約為300 m3/h,后經井下定向鉆井底板注漿加固進行了防治。

3) 斷裂帶與奧灰水的溝通情況。通過常規水化學離子[7]、微量元素、同位素、碳氧同位素等綜合分析,井田內多數區域太原組和山西組含水層與奧灰水存在水力聯系,奧灰水越流至太原組和山西組含水層,但奧陶系巖性以泥灰巖、泥質灰巖為主,巖性致密、滲透性極低,在地下主要呈現構造裂隙和巖溶裂隙水,非均質性強,必須有斷裂導水通道,即斷裂帶的切割深度達到奧陶系深部,否則奧灰水無法越流至上覆碎屑巖含水層。

4 結 語

通過對北辛窯井田構造特征研究,認為NEE向束狀斷裂網絡體系是井田的主控水構造和水源通道,將統一的水動力系統分割成多個次級水動力系統,解決了相鄰水文孔水位差異大、抽排期水位不明顯變化等難題,明確井田中南部缺乏通源斷層,與奧灰水的水力聯系較弱,煤系地層富水性較差,有利于工作面部署和防治水工作,建議生產開拓重點向該區域推進。