第四系厚含水層下采煤防治水措施研究

左 偉，王金安，賈亞會

（北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

石嘴山一、二礦西區(qū)井田位于石嘴山向斜西北翼，西部為賀蘭山。在西區(qū)與賀蘭山之間，分布著一個 “封存古河谷”，為一套巨厚的砂礫和砂土等沖洪積物，是區(qū)域內(nèi)主要含水層。該含水層主要接受銀川平原沖積層水與賀蘭山基巖裂隙水的補給，是西區(qū)井下主要充水水源，也是石嘴山居民點的主要供水水源。這樣的特殊結(jié)構(gòu)，如同煤層之上覆蓋著一層厚厚的含水 “海綿”，只要對地下煤炭進(jìn)行開采，就會造成應(yīng)力的重分布，進(jìn)而引起導(dǎo)水通道的變化，最終造成淹井，如何保證煤層開采過程中礦山的安全，成為一個難題。

1 項目概況

石嘴山礦區(qū)西依賀蘭山，東濱黃河，礦井井田地表地勢平坦，西高東低，略向黃河傾伏，坡度約為15‰。地表標(biāo)高平均+1116.50 m，為沖積、洪積扇堆積平原，部分基巖裸露，形成殘缺丘陵地貌。區(qū)內(nèi)有若干條干溝成為山洪向外排泄的通道，第三排水溝由礦區(qū)東側(cè)入黃河，成為銀北排泄山洪的主要人工渠。

由于礦區(qū)西采區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地層不整合，第三系地層缺失，巨厚的第四系富水含水層直接覆蓋在煤系地層之上，各基巖含水層受沖積層的補給，水量很大。根據(jù)原三號井水文地質(zhì)資料以及三號井在1983～1991年期間礦井排水量估算，總水量為1863.34萬m3，相當(dāng)于260 m3/h。該區(qū)在建井期間和生產(chǎn)初期，井筒、石門、上下山等主要開拓巷道都曾出現(xiàn)過大量涌水的情況，給礦井正常生產(chǎn)和排水造成了巨大的困難和壓力。

2 工作成果及存在問題

為了解決礦井生產(chǎn)后含水層下煤層的安全開采問題，查清水害的主要成因，探明地下水的補給來源及導(dǎo)水通道很重要。因此，在原水文地質(zhì)調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，對區(qū)域構(gòu)造、含隔水層分布、地層巖性等進(jìn)行詳細(xì)研究，并完成了遙感技術(shù)、三維地震勘探、瞬變電磁測試和鉆孔補充勘探工程。得到了以下認(rèn)識：

2.1 礦區(qū)內(nèi)的主要構(gòu)造

石嘴山向斜是礦區(qū)主要影響的褶皺構(gòu)造，其軸向由東北向西南蜿延伸展，略呈 “S”形，由N65°～75°E轉(zhuǎn)為N40°～50°E，向南又轉(zhuǎn)為N65°～75°E，該向斜在北端黃河?xùn)|側(cè)趨于閉合，向西南傾伏，在Ⅳ勘探線以北650 m處向斜軸與E1斷層相交，至E22斷層以南，向斜兩翼地質(zhì)走向與軸向吻合，東南翼地層一般走向N35°～60°E，傾向N W，傾角18°～32°，平均23°，軸部近于水平。井田內(nèi)次級小褶皺頗為發(fā)育。井田東北角有向南西方向傾斜的小背斜，該背斜受E2斷層斜截，延伸情況不明。地層沿傾斜方向傾角變化較大，淺部為5°～9°，中部為18°～24°，深部為35°～45°；沿走向自N 40°E，轉(zhuǎn)向近 WE向。其褶皺軸部破碎帶的儲水性能不可忽視。

采區(qū)除主要斷層E1、E2導(dǎo)以外，還查明了一系列以逆斷層為主，斷層走向基本為NE向，傾角較緩，壓性為主，導(dǎo)水性微弱的小斷層。同時，建井時揭露了一系列張扭性為主的正斷層，走向N25°～45°E，傾向N W，傾角為高角度，斷層面緊閉，斷層破碎帶中充填物已泥化，堅硬不充水。斷層多發(fā)生在煤巖層走向急劇變化的地段，其斷層走向與巖層走向成銳角分布，反映了西區(qū)斷層分布的基本規(guī)律。

由此可見，由于一、二礦西翼采區(qū)所在的向斜西北翼，處于巨厚的第四系含水層與基巖裂隙含水層的交接部位，其東部、南部均為E1逆斷層所阻隔，北部為E2正斷層切割，而西部剝蝕邊界為一個向西傾斜的斜坡面，坡度為45°；第四系接受銀川平原沖積層水和賀蘭山基巖裂隙水的補給，水量豐富，屬于黃河古河道的一部分。它既是銀川地下水排泄通道，也是賀蘭山基巖裂隙水匯集的場所，而經(jīng)抽水試驗證明，斷層E1和E2均為導(dǎo)水性微弱的斷層。因此，除了西部剝蝕面導(dǎo)水外，其他各方為相對隔水的，則研究區(qū)便成了一個近于封閉的地質(zhì)構(gòu)造體。

2.2 地層巖性

礦區(qū)新生界第四系地層受古地形的控制總體趨勢比較陡、厚度變化大，厚度在7～400 m；區(qū)內(nèi)新生界呈一單斜形態(tài)，北部厚、南部薄；西部厚、東部薄。最薄處出現(xiàn)在318孔附近，厚度為7 m左右；最厚處約400 m。坡度一般約在10°～30°之間。

本區(qū)主要可采煤層為3、6煤層，全區(qū)總體為一單斜構(gòu)造，煤系地層走向為近北東向，傾向南東。煤層埋藏北部淺、南部深。北部傾角較緩，南部較陡，北部有小的褶曲存在。3、6煤層在北部有露頭。全區(qū)以逆斷層為主，主體走向為北東向。3煤層埋藏深度在250～550 m左右。6煤埋深在360～650 m左右。

3煤層的厚度變化趨勢是中間厚、四周較薄，南部較厚最厚處在318孔附近，厚度約11 m左右，最薄處出現(xiàn)在319孔附近，厚度2.25 m。6煤層的厚度變化趨勢是：中間相對較薄，四周相對較厚。最厚處在39孔附近，厚度9.22 m左右。最薄處出現(xiàn)在44孔附近，厚度約4.5 m。

2.3 瞬變電磁、連通試驗、抽水試驗聯(lián)合探查導(dǎo)水通道

第四系巨厚沉積物與煤系地層呈角度不整合接觸，中間缺失部分第三系，且接觸面無穩(wěn)定的隔水層，黏性土多為透鏡體而不起隔水作用。因此，第四系含水層成為其穩(wěn)定的補給來源，西區(qū)成為一個水流只進(jìn)不出的蓄水構(gòu)造。

但是，第四系并非大面積均衡補給煤系地層，而是透過局部缺失第三系的區(qū)域小范圍集中補給。根據(jù)瞬變電磁法、連通試驗、抽水試驗的結(jié)果可知：第四系與煤系地層的主要導(dǎo)水通道，處于瞬變電磁測線13～17線和4勘探線和12勘探線之間。

3 防治水技術(shù)措施

石嘴山礦西翼采區(qū)恢復(fù)生產(chǎn)的關(guān)鍵，是解決西區(qū)礦井涌水量大的問題。若要采取疏干第四系含水層，人工改變第四系含水層對煤系地層的補水條件，則由于第四系含水層與銀川古河道相連，得到賀蘭山區(qū)水源的不斷補給，工程量巨大，耗時難以計數(shù)，因此不可行；若要沿剝蝕斜坡的走向進(jìn)行帷幕注漿，截斷第四系沖積層水對礦井煤系地層補給，不但工程投資高，且隨著采動，原本加固的涌水通道有進(jìn)一步貫通的可能，因此也很難奏效。

本采區(qū)開采煤層含水量一般在1%左右，屬特低含水煤。由于本區(qū)基巖剝蝕面及煤層露頭與第四系水體直接接觸，二層煤頂板的K7砂層及五層煤頂板K5灰?guī)r含水主要由第四系水體補給，屬中等含水砂巖。二、三層煤層間距為15～24 m，如果開采三層煤，導(dǎo)水裂隙帶會直接波及到K7砂巖，K7砂層水會直接涌入工作面及采空區(qū)內(nèi)，對開采可能造成較大的影響。因此，圍繞西區(qū)防治水工程設(shè)計方案，結(jié)合西區(qū)的具體水文地質(zhì)條件，在充分研究現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上，采用如下防治水措施：①制定 “以防為主、堵疏結(jié)合”防治水方案。該方案主要思想是留夠足夠?qū)挿浪褐?，并通過對西部進(jìn)水的裂隙通道的注漿，截斷第四系水向工作面補給，然后利用深部巷道揭露含水層放水，以消耗靜儲量，降低水位水壓，達(dá)到疏水降壓式疏干開采條件。②通過控制放頂煤開采的放煤量來控制垮落帶高度，從而減小工作面的涌水。③通過建立可靠的排水系統(tǒng)和相應(yīng)的排水保障措施，保障能夠處理工作面突然涌水和人員的安全撤離。④在地面布置一些水文地質(zhì)觀測網(wǎng)，用于觀測開采與地下水體之間的關(guān)系。⑤通過試采工作面來探明、總結(jié)和掌握防治水的經(jīng)驗，為采區(qū)的正式投產(chǎn)以及下組煤的開采、防水煤柱的預(yù)留總結(jié)經(jīng)驗。

4 結(jié)論

（1）針對石嘴山礦區(qū)西翼采區(qū)第四系巨厚含水層不整合覆蓋于煤系地層之上這一復(fù)雜地質(zhì)條件，對以往地質(zhì)資料進(jìn)行分析，摸清主要構(gòu)造和含隔水層分布情況及充水性特征。

（2）應(yīng)用瞬變電磁方法 （TEM）探明主要含水層與煤層之間的導(dǎo)水通道，同時，為驗證其可靠性，對主要充水區(qū)域進(jìn)行連通試驗，最后通過以往鉆孔資料進(jìn)行對比驗證，通過3種方法的相互對比、相互驗證，最終得到導(dǎo)水通道的位置。

（3）通過地質(zhì)分析得到礦區(qū)水害的主要原因，并采用有針對性的 “以防為主，疏堵結(jié)合”的方法進(jìn)行防治，為解決第四系巨厚含水層下采煤提供一條新思路。