井工三礦水文地質(zhì)條件研究

郭 銳，王超勇，夏小進(jìn)，王 哲，羅 斌

井工三礦水文地質(zhì)條件研究

郭 銳1，王超勇1，夏小進(jìn)1，王 哲2，羅 斌1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221008;2.中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司井工三礦，山西 朔州 037601)

通過地面水文調(diào)查、水文鉆孔、井下掘進(jìn)、回采工作面水文資料匯總，對(duì)該區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行了研究;認(rèn)為該區(qū)主要水系為夏雨型河流;含水層系為寒武—奧陶系巖溶裂隙含水層系，石炭—二疊系碎屑巖裂隙含水層系，新近系—第四系空隙含水層系。主要突水水源為頂板含水層、老空水。研究結(jié)果表明，石炭系含水巖系是主要的水害，放頂后頂板裂隙溝通上部含水層是引發(fā)突水的另一個(gè)主要因素，不良封孔和斷層為局部突水的導(dǎo)水通道。

石炭系;含水層系;頂板;突水

我國是世界上煤礦水害最嚴(yán)重的國家之一，而采煤工作面頂板突水事故占我國煤礦事故的較大比例［1］。平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司井工三礦自2007年生產(chǎn)以來共發(fā)生了5次突水事故，4次為頂板突水，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。所以，研究煤層頂板含水層的富水性分布特征、突水機(jī)理具有重要的意義。

1 礦區(qū)地層與構(gòu)造

本礦區(qū)大部分被新生界地層覆蓋，屬典型的黃土丘陵地貌。根據(jù)鉆孔揭露，自下而上為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(O2s);石炭系上統(tǒng)本溪組(C2b)、二疊系下統(tǒng)太原組(P1t)、山西組(P1s)和二疊系中統(tǒng)下石盒子組(P2x)、上石盒子組(P2s);新生界新近系、第四系(Q+N)。

礦區(qū)位于寧武煤田朔州礦區(qū)西北部，寧武向斜的北端。主要構(gòu)造有木瓜界背斜、311向斜和東坡向斜［2］;斷層發(fā)育有 F18，Df 20、F20 等(見圖 1)。其中向斜形成了匯水盆地、斷層成為導(dǎo)水通道，是影響頂板突水的重要因素。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

平朔礦區(qū)位于寧武煤田北部，西、北、東三面環(huán)山，南與朔州沖洪積平原相接，地形基本呈北高南低之趨勢。本區(qū)屬于山西高原朔平臺(tái)地之低山丘陵，全區(qū)多為黃土覆蓋，黃土臺(tái)地曾經(jīng)受強(qiáng)烈的侵蝕切割作用，形成梁、垣、峁等黃土高原地貌景觀。見圖2。

圖1 礦區(qū)構(gòu)造綱要圖

2.1 地表水系

區(qū)內(nèi)主要地表河流有七里河、馬關(guān)河、馬營河等，均屬桑干河流域海河水系，為典型的夏雨型河流。平時(shí)基本處于干枯狀態(tài)，雨季山洪暴發(fā)時(shí)水量較大。

2.2 含水層系

區(qū)內(nèi)主要含水層有碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層，碎屑巖裂隙含水層及松散巖層孔隙含水層。碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層由寒武－奧陶系灰?guī)r組成。碎屑巖裂隙含水層在區(qū)內(nèi)分布廣泛，含水層由石炭、二疊系砂巖構(gòu)成。松散巖層孔隙含水層主要分布在區(qū)內(nèi)河流的河床附近，含水層主要是上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)沖積－沖洪積堆積的砂礫石層和中粗砂，厚度數(shù)米至數(shù)十米不等。

圖2 礦區(qū)水系發(fā)育圖

2.3 水源補(bǔ)給

區(qū)域地下水的補(bǔ)給來源主要為大氣降水，其次為地表水。山區(qū)盆地外圍西、北、東三面的奧灰?guī)r出露區(qū)為奧灰含水層補(bǔ)給區(qū)，地表裂隙溶蝕裂隙是降水入滲的良好通道。盆地中基巖之上多覆蓋第四系黃土和第三系紅土，其對(duì)大氣降水下滲起阻隔作用［3－4］，僅在黃土覆蓋較薄或有基巖出露的溝谷地帶可獲得大氣降水入滲的直接補(bǔ)給。

2.4 水流排泄

區(qū)內(nèi)地下水的排泄有泉的形式點(diǎn)狀排泄、地表蒸發(fā)及礦井排泄等。泉水多出露在溝谷地帶，其含水層主要為上、下石盒子組地層，僅在東南部山口地帶神頭鎮(zhèn)附近有奧灰泉群出露，流量較大，區(qū)內(nèi)煤礦眾多，礦井排水構(gòu)成了煤系地層地下水主要排泄點(diǎn)。

3 礦井開采主要水害分析

3.1 含水層水害

根據(jù)地下水賦存空間的空隙性質(zhì)，結(jié)合巖性組合特征，本區(qū)可劃分為奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖系、石炭－二疊系碎屑巖裂隙含水巖系、新近系和第四系松散巖類孔隙含水巖系(圖3)。

3.1.1 奧陶系灰?guī)r含水層

從鉆孔及地表揭露灰?guī)r情況分析，灰?guī)r揭露100 m范圍內(nèi)巖溶裂隙不甚發(fā)育，富水性一般，為相對(duì)弱含水層段。

圖3 水文綜合柱狀圖

3.1.2 太原組砂巖裂隙含水層

太原組是本區(qū)主要含煤地層，太原組砂巖裂隙水也是主采煤層主要的充水水源。水位標(biāo)高1 306～1 335.51 m。9#煤層的開采將直接破壞頂?shù)装?，太原組砂巖裂隙水成為直接充水水源，是影響煤層開采的主要含水層。

3.1.3 山西組砂巖裂隙含水層

該含水層為4煤組直接充水含水層，主要為底部的K3砂巖及中下部的中粗砂巖，K3砂巖裂隙發(fā)育，具透水性，會(huì)對(duì)開采造成影響。

3.1.4 上、下石盒子組砂巖裂隙含水層

上石盒子組含水層富水性較弱;下石盒子組含水層富水性中等，底部的K4砂巖裂隙發(fā)育，具透水性，是影響礦井生產(chǎn)具有重要因素。

3.1.5 第四系孔隙含水層

本區(qū)黃土層孔隙潛水含水性極弱，賦存上更新統(tǒng)孔隙潛水，含水層巖性為沖積、沖洪積形成的砂礫石、砂，地下水易接受大氣降水補(bǔ)給，富水性較強(qiáng)，但由于大沙溝已經(jīng)截流和疏干，對(duì)開采影響不大。

3.2 老空積水水害

平朔井工三礦周邊分布有地方小煤礦11座，井田東北部有生產(chǎn)小窯2座：東平太礦和東日升礦。井田南部相鄰雙碾礦、井木礦、賽格礦、平魯聯(lián)營礦。據(jù)調(diào)查，上述生產(chǎn)小煤礦全為斜井，多存在越界開采現(xiàn)象，對(duì)礦井生產(chǎn)造成一定的影響。

3.3 地面水體水害

地面水體水害主要為大沙溝季節(jié)性洪水和各種廢水，夏季洪水期間，流量5～6 m3/h;冬季1～2 m3/h，主要為各種廢水。

4 發(fā)生水害的原因與突水機(jī)理

4.1 主要充水水源

太原組砂巖裂隙含水層、山西組砂巖裂隙水、石盒子組砂巖裂隙水、第四系孔隙水以及由于采動(dòng)后與地面導(dǎo)通的地表水為礦井主要的水害水源 。另外，由于本區(qū)有小煤窯分布，老窯水也是一個(gè)重要的充水水源。

4.2 充水途徑

4.2.1 頂?shù)装宀蓜?dòng)裂隙導(dǎo)水

采用放頂煤采煤工藝，一次采全高。由于采煤影響，頂板破壞加大，煤層頂板被破壞，根據(jù)《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》公式：

式中：

Hf—導(dǎo)水裂隙帶(包括冒落帶)最大高度，m;

M—煤層采厚，m，取平均厚度12;

n—煤分層層數(shù)，取1。

計(jì)算可得Hf約為174～189 m。

從鉆孔資料可以看出，主采的9#煤頂板距地面最小僅約為66 m。加之煤層頂板砂巖裂隙含水層主要由粗砂巖、中砂巖和細(xì)砂巖組成，屬于脆性巖石，易產(chǎn)生構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙。因此，煤層開采時(shí)裂隙極有可能溝通上部含水層，甚至與地面水體發(fā)生聯(lián)系，進(jìn)而引發(fā)突水。

4.2.2 頂板砂巖水

頂板砂巖水是煤層開采直接充水水源。該含水層富水性分布不均，主要受構(gòu)造、暗溝等的發(fā)育情況影響，一般呈條帶分布，連通性較差，不利于疏放。加之砂巖之間的隔水層厚度較薄，巖性多為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖，含砂量高，隔水性能差，因此，各砂巖含水層組之間水力聯(lián)通性較好。以上特征決定了三號(hào)井田煤層頂板含水層儲(chǔ)水體積大，含水空間豐富，隔水層隔水性能弱，為含水層富水提供了基礎(chǔ)條件。

4.2.3 構(gòu)造導(dǎo)水

礦井采掘過程中構(gòu)造引發(fā)突水是礦井水害的一大特點(diǎn)。由于斷層、陷落柱的存在，使煤層與含水層距離縮短甚至對(duì)接，破碎帶有可能成為各含水層的局部導(dǎo)水通道，引發(fā)突水。

5 結(jié)論

通過地面水文調(diào)查、水文鉆孔、井下掘進(jìn)、回采工作面水文資料匯總，對(duì)該區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行了研究：

1)認(rèn)為該區(qū)主要水系為夏雨型河流，大沙溝截流和疏干后對(duì)礦區(qū)影響不大。

2)區(qū)域內(nèi)主要含水層有碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層，碎屑巖裂隙含水層及松散巖層孔隙含水層。而主要突水水源為頂板含水層、老空水，其中頂板水水是礦井生產(chǎn)的最大水害。

3)研究結(jié)果表明，石炭系含水巖系是主要的水害，放頂后頂板裂隙溝通上部含水層是引發(fā)突水的另一個(gè)主要因素。

［1］蔣澤泉.淺埋藏煤層開采的礦井突水與治理［J］.陜西煤炭，2006，24(3)：35 －36.

［2］毛永欣.井工一礦太西區(qū)陷落柱發(fā)育特征及導(dǎo)水性分析［J］.平朔科技，2010(1)：22－24.

［3］王雙明，范立民.榆神礦區(qū)煤層水地質(zhì)條件及保水開采［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(1)：1－6.

［4］王曉字.山西煤炭開采對(duì)水資源的影響分析及對(duì)策研究［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2003，12(13)：107－108.

Study of Hydrology in Jinggong No.3 Coal Mine

Guo Rui，Wang Chao－yong，Xia Xiao－jin，Wang Zhe，Luo Bin

Through the investigation of ground surface and hydrology，hydrological drilling，underground tunneling，hydrological data collection on the coalface.It researched the hydrogeologic condition of this area;It is considered that the main stream for summer rain type rivers;Aquifers are Cambrian－Ordovician karst fissure aquifer system，Carboniferous－Permian clastic rock fracture aquifer system，Neogene － Quaternary system interspace aquifer system.Main source of water inrush is roof aquifer or goaf water.The results of the study indicate that the Carboniferous aqueous rock series is the main water disasters，after caving，upper aquifer roof fissure water is major factor of water inrush，defective hole sealing and the fault are the guide channel of regional water inrush.

Carboniferous;Aquifer;Coal－roof;Water inrush

TD741

A

1672－0652(2011)12－0043－03

2011－11－09

郭 銳(1985—)，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，2009年中國礦業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生，主要研究礦產(chǎn)普查與勘探。(E －mail)guorui302@163.com