羅厝山煤礦三采區(qū) +435巷道透水原因及防治措施

馬海軍

(福建省 121煤田地質(zhì)勘探隊,福建龍巖 364021)

1 概述

羅厝山煤礦位于福建省龍巖市新羅區(qū)鐵山鎮(zhèn)下村坂村。該礦在施工三采區(qū) +435水平 39煤層南運輸巷道時,揭露了 F1緩傾角斷層下盤的灰?guī)r地層,于 1999年元月 4日 16時在灰?guī)r地層巷道 53m工作面發(fā)生透水事故,此后至 8月30日間隔不等的時間又發(fā)生過 4次透水,透水給羅厝山煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。

羅厝山煤礦三采區(qū) +435水平運輸巷道透水是福建省典型煤礦巖溶水透水的案例,找出透水的原因及巖溶地下水的空間分布特征、補給來源、補給通道和水量大小等,對福建省同類型煤礦防治巖溶水害有一定的借鑒意義。

2 透水記錄

羅厝山煤礦三采區(qū) +435水平為平硐開采童子巖組一段煤層,在開拓三采區(qū) 39煤層南運巷掘進揭露 F1緩傾角斷層帶時,工作面地下水壓力較大,多處小股水向外涌出,涌水量約 8.5m3/h。巷道繼續(xù)掘進 F1緩斷層下盤的灰?guī)r地層,至灰?guī)r巷道約 53m工作面時,工作面地下水壓力增大,巖溶水在工作面沿風(fēng)鉆眼向外噴射的巖溶水柱約達(dá) 0.5～1m,將掘進工人的衣服全部噴濕,在工人退出工作面換衣服時,工作面左邦下部巨大的巖溶靜水壓力擠破邊幫灰?guī)r巖石,于1999年元月 4日 16時發(fā)生透水事故,水流攜帶泥砂等溶洞充填物沖入巷道經(jīng)三采區(qū) 39煤層運輸巷道進入主巷道流出硐口,大量的泥砂等溶洞充填物潰入巷道約 121.5 m3,透水顏色呈渾濁的土黃色,透水持續(xù)時間為 1小時,透水量約3452m3/h。此后至 8月 30日間隔不等的時間又發(fā)生四次透水,透水情況如表 1。

表1 羅厝山煤礦透水記錄表

在五次透水間隔期間,還出現(xiàn)了 3～4次間歇性的次一級水量較小的透水。

五次透水合計總水量約 24 540m3,而在每次透水的間歇期間灰?guī)r透水點水量較小,正常流量穩(wěn)定在 5.3～9.5 m3/h。

3 礦區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)背景

3.1 礦區(qū)地層及含水性

礦區(qū)內(nèi)地層出露較全 (圖 1),從西南往北東地層由老而新,出露地層有二疊系棲霞組、文筆山組、童子巖組、翠屏山組地層。童子巖組一段 37、37下、38、39煤層是礦區(qū)主采煤層,各含水巖層的含水性分述如下:

圖1 羅厝山煤礦區(qū)構(gòu)造綱要圖

3.1.1 棲霞組(P1q)

為一套海相碳酸鹽巖沉積,出露于礦區(qū)東南部F1斷層下盤及井田南部下村坂村東側(cè),出露總面積 0.0546km2,其中井田東南部 F1緩斷層下盤以“構(gòu)造窗”式出露面積為 0.0167km2,其空間展布于 F0至 F1緩斷層之間 (圖 2),與上覆童子巖組和文筆山組及下伏下石炭統(tǒng)林地組地層均為斷層接觸關(guān)系。

地表出露的灰?guī)r,溶蝕現(xiàn)象明顯,溶洞、溶隙發(fā)育,溶洞大小不一,大者 2.30×1.20×0.80m。由于灰?guī)r地層位于F1緩斷層和 F0緩斷層之間,受緩斷裂構(gòu)造破壞影響,裂隙發(fā)育,為巖溶發(fā)育創(chuàng)造了條件。在下村坂村內(nèi)見 3處巖溶上升泉群 (見圖 1),總流量為 90.62 L/s,說明巖溶的富水性強。

3.1.2 文筆山組(P1w)

為一套淺海相沉積,巖性主要由泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖組成。厚度大于 200m,主要分布在下村坂村周圍和F5斷層以東,為較好的隔水巖層。在正常情況下,可成為童子巖組一段含煤地層與棲霞灰?guī)r強含水巖組的穩(wěn)定隔水層,在礦區(qū) 2線、3線西南部童子巖組一段與文筆山組正常接觸地段,文筆山組地層隔水性良好;在礦區(qū)的東部由于 F1緩傾角斷層的破壞,全部斷失了文筆山組隔水巖層,造成童子巖組一段含煤地層直接與棲霞灰?guī)r強富水巖層直接對口。

3.1.3 童子巖組(P1t)

為一套海陸交互相 ～過渡相 ～陸相沉積地層。巖性由細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層組成。地層厚度約821.0 m。含豐富的動物化石和植物化石。經(jīng)龍永煤田多次抽水試驗,巖層的單位涌水量為 0.000 515～0.433 L/S?m,滲透系數(shù)為 0.002 69～2.991m/d,為弱富水的不均勻裂隙含水巖組。

根據(jù)巖性、古生物、結(jié)核及含煤性,可劃分為三個段。與下伏文筆山組地層呈整合接觸,與上覆翠屏山組地層呈假整合接觸,主要分布于礦區(qū)傾伏背斜東側(cè),為礦區(qū)大部出露地層。

童子巖組第一段 (P1t1):為濱海相 ～淺海相沉積,巖性以泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖為主,夾少量細(xì)砂巖,厚約 256 m。出露于礦區(qū)西南部,巖層中普遍含有扁球狀菱鐵礦結(jié)核,含豐富的動物化石和植物化石:是礦區(qū)的主要含煤地層段,其中37、37下、38、39為主采煤層。為不均勻弱裂隙含水巖組。

童子巖組第二段 (P1t2):為一套淺海相沉積。巖性以砂質(zhì)泥巖、泥巖夾砂質(zhì)灰?guī)r或鈣質(zhì)砂巖組成,厚約 115 m,出露于礦區(qū)中部,含豐富的動物化石,為較好的隔水巖層。

童子巖組第三段 (P1t3),為一套海退型海陸交互相 ～湖泊相沉積,巖性以砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、泥巖及煤層組成,厚約450m,出露于礦區(qū)東北部,含豐富的大羽羊齒、櫛羊齒等植物化石和舌形貝動物化石等。含煤 9層,其中 22煤層為主采層,21煤層為局部可采煤層。為不均勻弱裂隙含水巖組。

3.1.4 翠屏山組(P2cp)

為一套湖泊相、沼澤相及泥炭沼澤相為主的陸相沉積,地表出露于礦區(qū)東北部及外圍,巖性以砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂礫巖為主,與童子巖組呈假整合接觸。厚度約 640m。為不均勻弱裂隙含水巖組。

3.2 礦區(qū)構(gòu)造及對水文地質(zhì)條件的影響

羅厝山煤礦區(qū)域構(gòu)造位于閩西南拗陷的東側(cè)、下村坂的傾伏背斜東翼,總體是一個傾向北東的單斜構(gòu)造,傾角 20～60°,淺部地層傾角較平緩,往深部 +300水平以下,地層產(chǎn)狀變陡,且次級褶曲、倒轉(zhuǎn)和緩斷層發(fā)育。

礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育,主要斷裂有兩組,一組是隱伏在井田深部的緩傾角斷層 F0、F1、F2(圖 2)。

另一組是出露地表的高角度正斷層 F3、F4、F5(圖 1)。高角度正斷層組構(gòu)成了井田西部、北部和東部邊界,隱伏在井田深部的緩傾角斷層 F0、F1、F2間距較近,又相互切割,形成緩斷層組合,破壞了井田深部地層的連續(xù)性和完整性,并造成主采煤層與棲霞灰?guī)r直接對口,使井田水文地質(zhì)條件復(fù)雜化。

礦區(qū)構(gòu)造的另一個特點,隱伏在深部的緩傾角斷層 F1在礦區(qū)的東部抬高,并于流水溝谷底部由于風(fēng)化剝蝕、侵蝕和水流的沖刷作用下,在溝谷底部以“構(gòu)造窗”形式成閉合環(huán)狀出露地表,造成童子巖組一段地層直接覆蓋在棲霞灰?guī)r地層之上,形成礦區(qū)獨特的“構(gòu)造窗”地質(zhì)景觀。

4 透水原因分析

羅厝山煤礦三采區(qū) +435水平 39煤層南運巷透水的直接因素是三采區(qū) 39煤層南運巷掘進施工進入 F1緩斷層下盤含水豐富的棲霞灰?guī)r地層 (見圖 2),當(dāng)巷道掘進施工進入灰?guī)r地層時,未能及時停止掘進,直到掘進至灰?guī)r溶洞附近,巨大的巖溶地下水靜水壓力擠破巷道左側(cè)邦灰?guī)r巖石,將巖溶溶洞內(nèi)的地下水和溶洞充填物泥砂沖入巷道內(nèi),幸好透水發(fā)生時掘進工人正好提前退出,沒有造成人員傷亡。

圖2 羅厝山煤礦 A-A′剖面巖溶水補給關(guān)系示意圖

4.1 透水水源

F1下盤的棲霞灰?guī)r地層,由于構(gòu)造發(fā)育,在 +200～+750水平上形成了大小不一、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的眾多巖溶溶洞、溶隙,成為地下水良好的儲存場所,是本次透水的水源地。

4.2 透水水源的發(fā)育特征和連通性

由于巖溶發(fā)育在空間分布上極不均一,巖溶溶洞發(fā)育的大小、形狀呈復(fù)雜結(jié)構(gòu)。溶洞與溶洞之間連通也呈復(fù)雜狀態(tài),在 +435水平巷道第一次透水發(fā)生后的一段時間里,井下巷道掘進及采煤放炮時,產(chǎn)生巖石振動,使溶洞之間連接的薄弱層受到破壞,造成另一溶洞的巖溶水集中釋放,迅速排泄,這是造成透水呈現(xiàn)間歇性的主要原因。出現(xiàn)五次較大規(guī)模的透水,說明該灰?guī)r地層發(fā)育有五個較大的溶洞。

在巖溶地下水均衡未被打破之前,巖溶水處于相對的平衡狀態(tài),當(dāng) +435水平巷道透水發(fā)生后,成為人工新揭露的巖溶地下水排泄水點,打破了原有棲霞灰?guī)r巖溶地下水體的平衡,巖溶地下水的賦存、運移、逕流在不同的狀態(tài)下的均衡需要一個過程,新的平衡建立需要一定的時間才能完成。巖溶透水呈現(xiàn)間歇性是在這種特定的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件下發(fā)生的。

4.3 巖溶透水與下村坂村巖溶泉的關(guān)系

當(dāng) +435水平巷道透水發(fā)生后,在下村坂村內(nèi)的 3處巖溶上升泉流量均發(fā)生了明顯的減少 (透水點標(biāo)高 +441 m,下村坂泉標(biāo)高 435m)。

表2 巖溶泉點透水前后流量對比表

表 2說明:+435水平巷道透水點的巖溶水與下村坂村3處上升泉群的巖溶地下水存在水力聯(lián)系。

4.4 透水水源的補給

礦區(qū)西側(cè)有一山澗溪流,在礦區(qū)中部有一條長年流水的溝谷穿過,流量 126.5 L/s,該溝谷水在礦區(qū)東部流經(jīng)以“構(gòu)造窗”形式出露的灰?guī)r地層 (見圖 1),流經(jīng)的灰?guī)r地層段較短,約 65.0m。經(jīng)連通試驗,即在溝谷經(jīng)過灰?guī)r地層的上游,直接投放工業(yè)用鹽的方法,在井下透水點取水樣化驗分析,投鹽前后水質(zhì)化驗結(jié)果顯示,Na+離子和 Cl-離子含量變化不明顯,說明溝谷水對灰?guī)r巖溶地下水的補給量較小。在透水的間歇期間,透水點的水量僅為 5.3～9.5m3/h,說明巖溶地下水的補給主要來自灰?guī)r上覆童子巖組地層的垂直滲入補給,補給量較小。

通過上述分析可以得出,造成此次礦井透水的原因是巷道掘進揭露到了灰?guī)r溶洞附近,造成透水事故,巖溶透水破壞了巖溶地下水體的平衡,透水的水量主要來自巖溶溶洞中地下水的靜儲量,補給的動儲量相對較小。

5 礦井防治水措施

根據(jù)礦井三采區(qū) +435水平 39煤層南運輸巷道透水的特點,可采取如下礦井水害防治措施:

(1)未來礦井巷道施工不能進入 F1斷層下盤的棲霞灰?guī)r地層,可防止同類透水事故的發(fā)生。

(2)井下巷道和采煤施工始終堅持“預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的水害治理十六字原則,當(dāng)巷道施工出現(xiàn)涌水量增大時,應(yīng)停止掘進,先探明地下水的來源和水量大小,確定安全時,再掘進施工。

(3)加強礦井水文地質(zhì)工作,按《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》規(guī)定,做好礦井涌水量的長期觀測,建立水文觀測記錄臺帳,建立地下水動態(tài)觀測系統(tǒng)。

6 結(jié)語

綜上所述,可得出如下結(jié)論:

(1)該礦井三采區(qū) +435水平 39煤層南運輸巷道直接揭露下二疊統(tǒng)棲霞組灰?guī)r含水體是導(dǎo)致透水的直接原因;

(2)棲霞灰?guī)r溶洞發(fā)育較多且在空間上呈復(fù)雜結(jié)構(gòu)分布是礦井間歇性透水的主要因素;

(3)礦井巷道和采煤放炮施工,是礦井間歇性透水的誘發(fā)因素;

(4)巖溶水宏觀統(tǒng)一的水力聯(lián)系,局部水力聯(lián)系呈復(fù)雜狀態(tài)和水量分布的極不均勻,使透水呈間歇性不斷發(fā)生。

(5)正確認(rèn)識巖溶水的賦存運移特征,對正確制定防治水方案,更好地為煤礦生產(chǎn)服務(wù)具有實際意義。

[1]福建省 121煤田地質(zhì)勘探隊 .福建龍永煤田綜合研究成果及煤炭資源評價報告[R].龍巖:1992.

[2]許學(xué)漢,王杰 .煤礦突水預(yù)報研究[M],北京:地質(zhì)出版社,1991.