西山古交礦區(qū)奧灰與下組煤帶壓開采

劉 麗,王 芳,常永旺,李俊杰,車燦輝

(1、中國礦業(yè)大學(xué)資源學(xué)院;2、西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司)

·專題綜述·

西山古交礦區(qū)奧灰與下組煤帶壓開采

劉 麗①,王 芳②,常永旺②,李俊杰①,車燦輝①

(1、中國礦業(yè)大學(xué)資源學(xué)院;2、西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司)

古交礦區(qū)下組煤的開采深受中奧陶系灰?guī)r含水層的威脅,存在嚴(yán)重的帶壓開采問題。介紹了前人對奧灰的研究,認(rèn)為對下組煤造成影響的并不是整個(gè)奧灰,而是其中的某個(gè)含水層段;通過分析中奧陶系地層與下組煤之間的關(guān)系,認(rèn)為O2f2是下組煤帶壓開采的直接充水含水層,O2s2+3是間接充水含水層;并且通過對揭露奧灰鉆孔的地質(zhì)、簡易水文及抽水試驗(yàn)等資料的分析,認(rèn)為O2f2富水性弱,對下組煤開采影響小,O2s2+3只有當(dāng)存在集中導(dǎo)水通道時(shí),才會(huì)對下組煤造成危害,并提出以O(shè)2f2作為中間指示含水層來監(jiān)測、防治O2s2+3含水層。

奧灰;水文地質(zhì)特征;帶壓開采;指示含水層

中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖是華北石炭二疊系煤田基底,其分布范圍廣、厚度高達(dá)數(shù)百米至千余米、富水性強(qiáng)、水壓高。若將奧灰視為一個(gè)單一的含水層,那么其是一個(gè)巨大的地下水庫,給下組煤帶壓開采造成巨大威脅。因此,防治水工作中,均將奧灰水視為難以防治的勁敵,大有談“奧”色變之勢,令人望而生畏。然而事實(shí)并非如此。由于中奧陶統(tǒng)沉積時(shí)經(jīng)歷了三次海進(jìn)和海退,沉積旋回明顯,1975年峰峰地層會(huì)議上,專家將奧灰劃分為三組八段,即峰峰組二段、一段(O2f2、O2f1),上馬家溝組三段、二段、一段(O2s3、O2s2、O2s1)、下馬家溝組組三段、二段、一段 (O2x3、O2x2、O2x1),以后各省區(qū)相繼對奧灰地層進(jìn)行劃分,雖然劃分不一、名稱不同,但大體上是可以相互對比的,如表1所示。

表1 中奧陶地層的劃分和對比[1]

水文地質(zhì)工作者通過對各層段中大量的水文地質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比和分析研究,認(rèn)為各組一段的富水性較差,可視為相對隔水層,而各組二、三段的富水性普遍較強(qiáng),抽水孔或供水井水量均很大,是極具水資源開發(fā)價(jià)值的含水層段,同時(shí)又是煤礦生產(chǎn)最具威脅的含水層段。

既然奧灰中存在相對隔水層,那么奧灰各含水層段向礦井充水的作用就不同,有直接充水含水層與間接充水含水層之別。在研究奧灰對下組煤開采影響時(shí),就必須分開研究各層段的富水性及其對下組煤開采的影響,而不可籠統(tǒng)地根據(jù)整個(gè)奧灰的富水性來評價(jià)下組煤帶壓開采的安全可靠性。

1 研究區(qū)概述

古交礦區(qū)位于西山煤田西北隅,含煤地層為山西組、太原組,含煤14層。其中,可采及局部可采煤層7層,主采煤層為 2#、3#、8#、9#煤層。區(qū)內(nèi)現(xiàn)有西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司西曲礦、東曲礦、屯蘭礦、馬蘭礦、鎮(zhèn)城底礦5對生產(chǎn)礦井,面積約308 km2(見圖1),設(shè)計(jì)能力1 650萬 t,2007年核定生產(chǎn)能力1 750萬t,2007年實(shí)際產(chǎn)量1 699萬 t。地方各類煤礦遍布礦區(qū)周圍,目前大部分礦井均開采上組煤,配采一部分下組煤。隨著煤礦生產(chǎn)的發(fā)展,現(xiàn)已向深部和下組煤延伸?，F(xiàn)生產(chǎn)水平的上、下組煤大多位于奧灰承壓水位之下,尤其是下組煤(8#、9#煤)存在嚴(yán)重的帶壓開采問題。

圖1 古交礦區(qū)概況圖

2 研究區(qū)奧陶系灰?guī)r水文地質(zhì)特征

正如前面所述,由于沉積旋回,本區(qū)中奧陶統(tǒng)地層亦可劃分為三組八段,即峰峰組(O2f)、上馬家溝組(O2s)、下馬家溝組(O2x),其中各組的一段主要為角礫狀泥灰?guī)r、泥灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r并夾數(shù)層石膏,為相對隔水層,各組的二、三段主要為石灰?guī)r,巖溶裂隙發(fā)育,為含水層,見圖2。

1)下馬家溝組二段、三段(O2x2+3)含水層。該段由于埋藏較深,巖溶發(fā)育弱,只是在灰?guī)r段具小溶孔和蜂窩狀巖溶,研究區(qū)內(nèi)揭露該段的鉆孔較少。古交鋼廠以東的C-39孔在揭露該層段時(shí),巖溶發(fā)育較弱,抽水試驗(yàn)降深28.75 m,單位涌水量僅為0.026 L/s·m,該層段與下伏O1含水層混合水樣的礦化度為2 808 mg/L,說明該層段富水性弱;屯蘭井田北部邊界 TS-3號孔揭露該層段67.43 m,結(jié)果無水;鎮(zhèn)城底井田陰家溝的GS-14號孔揭露該層段52 m,簡易水文資料也反映富水性弱。

2)上馬家溝組二段、三段(O2s2+3)含水層。該段是區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)含水層,研究區(qū)內(nèi)的水源地多以該層段為目的層。石灰?guī)r中發(fā)育有溶孔和蜂窩狀巖溶,鉆進(jìn)中水位、水量有變化,大部分鉆孔揭露該層時(shí)均出現(xiàn)漏水現(xiàn)象,水位急劇下降。據(jù)簡易水文資料,GS-9孔在孔深633.65～662.61 m,水位由20 m突然降至160.8 m,消耗量由2 m3/h增加到120 m3/h。鉆孔單位涌水量一般為0.046～6.70 L/s·m,水質(zhì)類型大都為 SO4-Ca·Mg型,礦化度 311～2 619 mg/L。富水性中等—豐富。

3)峰峰組二段(O2f2)含水層。該段由于長期處于剝蝕作用下,頂部裂隙巖溶多被上部鋁土質(zhì)泥巖充填,使得本段富水性較弱且差異較大。鉆孔單位涌水量一般為0.000 1～8.39 L/s·m,個(gè)別鉆孔的單位涌水量達(dá)26.959 5 L/s·m(GS-16孔),水質(zhì)類型為 SO4-Ca·Mg、HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg和 SO4·HCO3-Ca·Mg型,礦化度377～2 438 mg/L。

圖2 奧陶系柱狀示意圖

該層段巖溶發(fā)育程度與埋深之間關(guān)系密切,在鎮(zhèn)城底西北部以及西曲水源地,峰峰組埋藏淺,巖溶發(fā) 育,單位涌水量大的鉆孔多位于此處;屯蘭礦的413、416、417孔,峰峰組埋藏深,僅發(fā)育有少量蜂窩狀溶孔,含水性差,單位涌水量最大者僅為 0.025 L/s·m,417孔O2f2與O2s2+3混合抽水的單位涌水量小于0.000 26,幾乎可以說是干孔;而研究區(qū)南部,峰峰組埋藏深,峰峰組二段甚至不含水,如 GS-8-1、GS-8-2(見表 2,表 3)。

從表3看出,除個(gè)別鉆孔 q>0.1 L/s·m外,絕大多數(shù)鉆孔 q<0.1 L/s·m,甚至小于 q<0.01 L/s·m,這充分說明該含水層富水性弱。

4)峰峰組(O2f2)與上馬家溝組(O2s2+3)含水層之間的水力聯(lián)系差。

排除補(bǔ)給區(qū)的鉆孔,即鎮(zhèn)城底西北部以及西曲水源地部分鉆孔(圖1),O2f2與O2s2+3兩含水層之間存在著一定的水位差,見表2;從水質(zhì)類型來看,O2f2的水質(zhì)以硫酸型為主,而O2s2+3以重碳酸型為主,也說明兩者之間水力聯(lián)系差。這充分說明了峰峰組一段(O2f1)具有良好的隔水性能,從而使下組煤帶壓開采水文地質(zhì)條件簡化(見表4)。

3 奧灰含水層對下組煤開采影響初步分析

綜上所述,奧灰并不是一個(gè)單一的巨厚含水層,對下組煤帶壓開采造成影響的也不是整個(gè)奧灰。峰峰組二段是中奧陶統(tǒng)的第一個(gè)含水層段,距下組煤平均厚度65 m,是下組煤帶壓開采的直接充水含水層;由于峰峰組一段(O2f1)具有良好的隔水性能,加之上馬家溝組含水層距下組煤較遠(yuǎn),只能起到間接充水含水層作用,在沒有集中導(dǎo)水通道的情況,不會(huì)造成底板突水;而下馬家溝組含水層埋深大,巖溶基本不發(fā)育,富水性極弱,且距下組煤200 m以上,對下組煤帶壓開采不造成影響。因此,在下組煤帶壓開采研究中,研究峰峰組二段的富水性及富水規(guī)律是最為重要的;其次是研究上馬家溝組與峰峰組之間是否存在集中導(dǎo)水通道。

表2 上馬家溝組含水層部分鉆孔抽水實(shí)驗(yàn)成果表

表3 峰峰組含水層部分鉆孔抽水實(shí)驗(yàn)成果表

表4 峰峰組與上馬家溝組含水層水位差值表

前已敘及,峰峰組二段(O2f2)富水性普遍較弱,有些地段O2f2甚至不含水,只是個(gè)別地方富水性較強(qiáng),因此,O2f2對下組煤的影響也因地段不同而具有差異性。加之峰峰組頂部多被鋁土泥巖填充,增加了其與下組煤之間的隔水層厚度。因此,總體上來說,O2f2對下組煤的開采不致于造成重大水害,只有當(dāng)其水壓大且富水性強(qiáng)時(shí),才可能對下組煤開采產(chǎn)生重大影響。

上馬家溝組含水層段(O2s2+3)是區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)含水層,多數(shù)水源地均布置在此層,且華北型煤田重特大突水事故均與該含水層有關(guān),如范各莊2171工作面陷落柱突水、皖北任樓7222陷落柱突水等均是由于陷落柱導(dǎo)通了上馬家溝組強(qiáng)含水層而淹井。在沒有集中導(dǎo)水通道(斷層、陷落柱、鉆孔)的情況下,O2s2+3不會(huì)對底板突水構(gòu)成威脅,因此,應(yīng)該重點(diǎn)對集中導(dǎo)水通道進(jìn)行探查,防止集中通道突水。

對于O2s2+3強(qiáng)含水層的防治,建議在O2f2中布置監(jiān)測孔,以峰峰組二段弱含水層為中間指示層。因?yàn)镺2f2是O2s2+3的水進(jìn)入礦井的必經(jīng)之路,在其進(jìn)入下組煤前必然會(huì)引起峰峰組二段的水位、水質(zhì)、水溫等發(fā)生變化。通過對水質(zhì)、水溫分析,就可以判別進(jìn)入O2f2的水是否為O2s2+3的水,而后采用“物探先行,鉆探驗(yàn)證”的方法探查通道的性質(zhì)和位置,根據(jù)具體情況,或直接封堵通道,或?qū)2f2改造為隔水層。

4 結(jié) 論

1)研究區(qū)內(nèi)奧灰由3個(gè)含水層及3個(gè)隔水層組成,影響下組煤帶壓開采的并不是整個(gè)奧灰,其中O2f2是下組煤帶壓開采的直接充水含水層,O2s2+3是間接充水含水層。2)O2f2總體上富水性弱,況且其頂部充填有鋁土泥巖,因此,對下組煤帶壓開采不會(huì)造成水害事故。3)O2s2+3之間水力聯(lián)系差,說明O2f1隔水性良好,二者是兩個(gè)相對獨(dú)立含水層。4)O2s2+3是區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)含水層,但只起到間接充水含水層的作用,在沒有集中導(dǎo)水通道的情況下,不會(huì)對下組煤帶壓開采構(gòu)成威脅。而O2s2+3在對礦井充水之前必然經(jīng)過O2f2,因此,可利用O2f2作為中間指示含水層來監(jiān)測是否有集中導(dǎo)水通道導(dǎo)通O2s2+3,并根據(jù)通道的性質(zhì)和特征,采用注漿封堵或改造加固底板的防治措施。

[1] 馮增昭,張吉森.華北地臺(tái)早古生代巖相古地理[M].北京:地質(zhì)出版社,1990:10-14.

[2] 鄭世書,陳江中,劉漢湖,等.專門水文地質(zhì)學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1999:6-19,63-79.

[3] 煤炭科學(xué)研究總院西安分院科學(xué)技術(shù)報(bào)告.華北奧陶紀(jì)碳酸鹽巖分層、對比及巖溶發(fā)育特征[R].西安:煤科院西安分院,1992.

[4] 中國煤田地質(zhì)總局中國煤田水文地質(zhì)學(xué)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2001:16-33,438-446.

[5] 劉希新,于克君.兗州西部奧陶系水文地質(zhì)特征[J].煤田地質(zhì)與勘探,2002,30(1):38-40.

[6] 馮啟言.滕沛煤田奧陶系巖溶發(fā)育的層控規(guī)律[J].煤田地質(zhì)與勘探,1990(1):40-44.

[7] 劉懷忠,馮啟言,韓寶平,等.大屯煤田奧陶系巖溶含水特征[J].煤炭科技,2002(2):11-13.

[8] 朱緒田.對峰峰礦區(qū)中奧陶統(tǒng)灰?guī)r含水層的認(rèn)識(shí)[J].煤田地質(zhì)與勘探,1984(06):41-45.

[9] 周景玉,王光國,鞏望旭.羊渠河礦中奧陶系石灰?guī)r含水層富水性淺析[J].礦山地質(zhì),1990(03):53-56.

[10] 西安煤田地質(zhì)研究所水文科研隊(duì).峰峰地區(qū)中奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶發(fā)育規(guī)律及含水層劃分的初步研究[J].水文地質(zhì)技術(shù)方法,1977(3):33-52.

[11] 何宇彬,吳瓊,徐超.太原地區(qū)卡斯特水資源研究[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1995:30-35.

Ordovician Limestone and Mining the Lower Series Coal with Water Pressure in Xishan Gujiao Mining Area

Liu Li,Wang Fang,Chang Yong-wang,Li Jun-jie,Che Can-hui

The mining of the lower series coal in Gujiao mining area is threatened by the the Ordovician limestone aquifer,and there is a serious problem of mining with water pressure.This paper introduced the previous study of Ordovician limestone and think that impact the lower series coal is not the whole Ordovician but one of the aquifers in it.Through analysis the relationship between the Ordovician and the lower series coal,this paper think that the O2f2is the direct discharge aquifer and the O2s2+3is the indirect discharge aquifers;by analyzed the information of geological,hydrological and pumping test,this paper think the O2f2water abundance is weak and O2s2+3will damage the coal mining only if exist the concentrated conductor,and offered O2f2aquifer as the intermediary indicator aquifer to monitor and control O2s2+3aquifer.

Ordovician limestone;Hydrogeology features;Mining with water pressure;Indicator aquifer

TD132

B

1672-0652(2010)05-0018-05

2010-03-16

劉 麗 女 1985年出生 2008級中國礦業(yè)大學(xué)資源學(xué)院在讀碩士生 徐州 221008