李雅莊礦區(qū)斷裂構(gòu)造對地下水控制影響研究

王春海，狄效斌

(1.山西焦煤 霍州煤電集團李雅莊煤礦，山西 霍州 031400；2.山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，山西 太原 030031)

李雅莊煤礦井田范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，整個井田在區(qū)域自西北向東南傾斜的緩波狀單斜褶皺的控制下，井田內(nèi)發(fā)育著主要以東北－西南方向延伸的近平行陣列式斷層，其間還零散地發(fā)育著陷落柱構(gòu)造。李雅莊礦區(qū)在區(qū)域上屬于郭莊泉域北部的主徑流區(qū)，巖溶水水位高于所有開采煤層底板，為帶壓開采礦井，存在巖溶水突水危險。因此，開展本礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造控水特征研究顯得尤為重要。

1 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征

在區(qū)域上李雅莊礦區(qū)位于臨汾斷陷盆地，處于祁呂賀蘭山山字型構(gòu)造之東翼汾渭地塹的東端，北部邊緣與靈石隆起相接，東西兩側(cè)受霍山和羅云山兩大斷裂控制。

李雅莊礦區(qū)受南側(cè)什林撓褶斷裂帶和東側(cè)霍山斷裂帶的控制，礦區(qū)內(nèi)總體構(gòu)造為一走向北東，傾向南東的單斜構(gòu)造，地層傾角一般為10°左右。其中礦區(qū)中部陳家洼向斜西翼至李雅莊村東，有一近北北東向的陡斜地帶，其寬約500 m，地層傾角一般15°～25°;礦區(qū)南部邊緣地帶地層走向急劇向西偏轉(zhuǎn)，什林撓褶斷裂帶北盤，走向接近東西，傾角一般40°左右，局部達80°;礦區(qū)西北部有兩對緊密相連的北東向的背向斜寬緩褶曲，其軸部發(fā)育有縱向正斷層，向南延伸;西南部發(fā)育一對緊密相連的北西向褶曲。

1.1 斷層

斷層是本井田的主要構(gòu)造，斷層性質(zhì)多為正斷層，斷層走向多為NE。經(jīng)統(tǒng)計，目前礦區(qū)發(fā)現(xiàn)斷層263 條，落差大于5 m的斷層有65 條，小于5 m的198 條。其中落差大于50 m的斷層共5 條;20～50 m 之間的斷層共14 條，落差在5～20 m 之間的45條，小于5 m的198 條。從整體看，礦區(qū)主要斷層為傾向NW的階梯正斷層。

經(jīng)分析認(rèn)為，礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造具有如下特點:

1)大中型斷層(落差大于5 m)數(shù)量少，主要為地質(zhì)勘探判定，其走向主要為北北東－北東向，斷層性質(zhì)為正斷層，呈陣列式階梯狀展布于礦區(qū)中東部及南部，延伸長，斷距較大。從西至東主要有:F2、F3、F6、F10、F12、F14 等。

2)小型斷層(落差小于5 m)數(shù)量多，主要為井下采煤揭露，其走向多變，延伸短，斷層性質(zhì)多數(shù)為正斷層，偶見少數(shù)逆斷層，主要呈零散狀分布于礦區(qū)南部和東部。

3)大中型斷層走向與區(qū)域褶皺構(gòu)造方向基本平行，斷層性質(zhì)為正斷層，反映了本區(qū)在構(gòu)造變動時期，地層接受了先擠壓后拉伸的受力狀態(tài)。

4)礦區(qū)內(nèi)斷層分布廣，密度較大，說明礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力分布較為分散。

5)受礦區(qū)南邊界什林撓褶斷裂帶控制，以及西邊界和東邊界斷層圍限作用，使本礦區(qū)整體呈現(xiàn)斷塊構(gòu)造形態(tài)。

6)在礦區(qū)內(nèi)部，由于斷裂構(gòu)造的多級階梯和陣列分布特征，使礦區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)出沿北東向多個條帶狀構(gòu)造塊段，且自西向東塊段間距漸趨變短(見圖1)。

圖1 李雅莊井田斷裂構(gòu)造綱要圖

1.2 陷落柱

礦區(qū)內(nèi)的陷落柱，地表尚未發(fā)現(xiàn)，據(jù)以往地質(zhì)勘探過程中有4 個鉆孔揭露，柱內(nèi)填充物巖性復(fù)雜，次序紊亂。在井下開采2號煤層生產(chǎn)過程中，共揭露陷落柱234 個，平均密度為69 個/km2。揭露陷落柱時，發(fā)現(xiàn)陷落柱塌陷角度65°～85°，其長軸最大者120 m，最小者6 m，陷落柱長軸一般為30 m 左右。陷落柱長軸方向主要是NNW～SSE，與地層傾向大體一致(見圖2)。

礦區(qū)內(nèi)陷落柱主要為井下采煤揭露，就目前該礦開采情況分析，陷落柱主要分布于礦區(qū)南部已開采煤層地段，其規(guī)模小，但密度較大。目前，暫難以尋求陷落柱的發(fā)育規(guī)律，其物性差異與煤層相近，對其展布形式及發(fā)育特征不能很好地掌握，影響采區(qū)、工作面布置并增加巷道掘進成本，使綜掘機械化難以實現(xiàn)。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

圖2 李雅莊井田陷落柱發(fā)育分布示意圖

依據(jù)含水層的巖性組合、含水介質(zhì)、空隙類型、富水性以及含水特征，礦區(qū)內(nèi)主要含水層分為:松散巖類孔隙潛水含水層;碎屑巖類裂隙承壓水含水層;碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙承壓水含水層;碳酸鹽巖類巖溶裂隙承壓水含水層。其中二疊系碎屑巖類裂隙承壓水含水層為目前開采2號煤層的直接充水含水層，而太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙承壓水含水層和奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙承壓水含水層為2號煤層間接充水含水層。二疊系碎屑巖類裂隙承壓水含水層富水性弱，太原組及奧陶系巖溶裂隙含水層富水性一般較強，且其靜水水頭高于2號煤層底板，對礦井充水影響較大。

本區(qū)地下水主要接受基巖露頭地帶大氣降水補給以及區(qū)外側(cè)向徑流補給，在地質(zhì)構(gòu)造控制影響下，礦區(qū)地下水整體順地層傾向自西北向東南運移，受區(qū)內(nèi)北東向斷裂構(gòu)造影響，地下水往往在斷裂構(gòu)造附近發(fā)生水流跳躍波動，或為多層含水層地下水交融混合，或為地下水發(fā)生間斷阻隔滯留，由于本區(qū)斷裂構(gòu)造相對密集，地下水流場趨勢變得錯綜復(fù)雜，地下水徑流途徑迂回曲折。地下水排泄途徑主要以潛流形式向礦區(qū)東南部排出，目前，礦井采煤時的礦坑排水也是地下水的排泄途徑。

3 構(gòu)造控水影響分析

3.1 區(qū)域構(gòu)造控水分析

李雅莊礦區(qū)位處汾西復(fù)向斜東翼的南部，汾河以東，靈石—什林隆起的東南角。區(qū)域上構(gòu)造條件復(fù)雜，除褶皺構(gòu)造外，多以高角度正斷層為主，主要表現(xiàn)為復(fù)雜的差異性斷裂升降運動。由于構(gòu)造條件的影響，不僅控制著區(qū)域地下水的形成與分布，同時對巖層埋藏條件、巖溶裂隙發(fā)育程度、含水介質(zhì)、含水層的富水性、動態(tài)特征、水化學(xué)特征，以及地下水的補、徑、排條件等，也起著明顯的控制作用。

李雅莊礦區(qū)南邊界發(fā)育有近東西向的什林撓褶斷裂帶，傾向南，傾角86°，最大落差175 m，由于斷層斷距較大，導(dǎo)致地層錯斷。據(jù)十里溝河流斷面測量，什林?jǐn)鄬硬粚?dǎo)水或弱導(dǎo)水，由此可見，該撓褶斷裂帶在一定程度上起到阻水屏障的作用，即阻止礦區(qū)大部分地下水直接向南部徑流，對礦井生產(chǎn)造成一定影響。該斷裂帶走向近東西，傾向南，傾角86°，西部最大落差175 m，向東逐漸變小為100 m 左右。在斷層南盤可見第三系紅層以80°傾角向南傾斜，斷層北盤不遠地層平緩，傾角30°左右，表現(xiàn)為撓曲。在斷裂帶的北部還發(fā)育有數(shù)條近于平行的斷裂，但斷距較小。據(jù)調(diào)查，該斷裂大部被黃土覆蓋，地表有零星露頭可見，并沿走向有斷層破碎帶存在，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙、裂隙發(fā)育。

基于上述，并根據(jù)本次勘查資料，初步分析認(rèn)為，什林?jǐn)鄬友財鄬悠扑閹B透性較強，斷層的力學(xué)性質(zhì)可能為張性導(dǎo)水?dāng)嗔褞?，但由于斷距相對較大，導(dǎo)致地層錯斷，從而使得斷層北盤(上升盤)與其南盤(下降盤)弱透水層相接觸，造成阻水屏障，起到一定的阻水作用。由于地下水運移受阻，使其接觸面一側(cè)地下水易于富集，因此，井田南部太灰含水層富水性較強。

3.2 礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造控水分析

3.2.1 斷裂構(gòu)造導(dǎo)水性分析

李雅莊礦區(qū)發(fā)育有一系列北北東或北東向斷裂構(gòu)造，斷距一般5～20 m，部分?jǐn)嗑啻笥?0 m，且多為張性或張扭性正斷層。由于斷層溝通，往往形成良好的導(dǎo)水通道。礦井歷次突水資料表明，充水水源大部分來源于裂隙或斷層導(dǎo)水。

斷層造成地層錯斷，破壞了巖體本身的連續(xù)性及完整性，較大規(guī)模的斷層構(gòu)造使得奧灰含水層與煤層或太灰含水層相對接，同時也縮短了煤層與含水層之間的距離，溝通了不同含水層之間的水力聯(lián)系，降低了隔水層的抗阻水能力，從而易造成導(dǎo)水通道，增加了底板突水的可能性。尤其在斷層與斷層相交，或斷層與褶皺相交，以及褶皺與褶皺的端點處，往往是承壓水從煤層底板突出的薄弱面，水壓的存在是驅(qū)動巖溶水流入礦井的動力，而底板破裂則是地下水得以流動的通道和咽喉，從而易引發(fā)導(dǎo)水或突水事故。李雅莊煤礦現(xiàn)開采+355 水平(上組煤)和遠景開采+260水平(下組煤)，奧灰峰峰組灰?guī)r含水層的最大水壓為4 MPa 左右。在靜水壓力和動水壓力的共同作用下，由于斷層的存在會導(dǎo)致承壓水的導(dǎo)升，從而減少了隔水層的有效厚度，增加了底板隔水層的變形破壞，誘發(fā)導(dǎo)水的可能性增大，如不采取有效防治措施，突水事故可能會逐趨顯現(xiàn)。

區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造發(fā)育，由于構(gòu)造斷裂形成的斷層破碎帶，往往具有較好的滲透性或?qū)?，從而形成礦井充水的良好通道。特別是較大規(guī)模的斷裂構(gòu)造，斷層兩盤的索引以及多次構(gòu)造運動的影響，往往次生裂隙廣泛發(fā)育，形成斷層影響帶或密集帶。在這些斷裂帶范圍內(nèi)，不但具有導(dǎo)水性，而且斷裂本身就是一個含水體，富水性往往較強。

3.2.2 生產(chǎn)實踐情況分析

李雅莊井田斷層構(gòu)造發(fā)育，落差在20～50 m的斷層17 條，落差大于50 m的斷層4 條，且多為高角度正斷層。據(jù)井下突水點匯總資料，各采掘工作面(上組煤)、回風(fēng)井、軌道巷、皮帶巷等共發(fā)生太灰與奧灰突水12 次，其中太灰(K2、K3、K4)突水6 次，太灰和奧灰突水2 次，突水量一般為20～60 m3/h，最大突水量達100 m3/h。2010年10月，在施工井田南部大巷的LK1 井下鉆孔，在施工孔深55 m(K3 灰?guī)r)時，因鉆遇F12 斷層(最大斷距29 m)，突發(fā)涌水，突水量達300 m3/h 左右(已封堵);2011年3月24日，發(fā)生在六采區(qū)東大巷南邊界附近的突水，其突水量達350 m3/h 左右，這些突水原因均為揭露斷層而造成突水，對生產(chǎn)造成了一定影響。由于張性斷層或構(gòu)造破碎帶的存在，造成斷層附近巖石力學(xué)強度的降低，滲透性及導(dǎo)水性增強，從而導(dǎo)致上覆及下伏含水層中地下水與礦井開采煤層相溝通，由此導(dǎo)致煤層頂板含水層中地下水下滲，以及下伏含水層中地下水上涌頂托補給礦井，嚴(yán)重時會使得奧灰高壓強含水層巖溶水涌入礦井，造成突水或淹井事故。

據(jù)有關(guān)資料分析，巖溶陷落柱的充水情況各不相同，大部巖溶陷落柱不導(dǎo)水，個別為導(dǎo)水陷落柱。充填物膠結(jié)程度良好，孔隙、裂隙不發(fā)育的陷落柱，往往不含水或含水甚微;充填物結(jié)構(gòu)疏松，孔隙、裂隙發(fā)育的陷落柱，往往滲透能力強，地下水補給來源充沛，從而形成充水或?qū)萋渲?，即巖溶陷落柱本身就是一個良好的含水體。就李雅莊礦而言，2006年7月30日在2－211工作面回風(fēng)巷揭露的陷落柱在推進中發(fā)生涌水，水量20～50 m3/h;2006年8月12日，2－211工作面在+217 m 標(biāo)高出現(xiàn)陷落柱導(dǎo)水，最大水量52 m3/h，其水質(zhì)化驗結(jié)果，鈣鎂離子確定為太原組灰?guī)r水。

總之，從開采2#煤層的陷落柱來看，大部分陷落柱不導(dǎo)水。發(fā)生滲水、淋水的陷落柱水流絕大部分為頂板砂巖水。涌水量較大的陷落柱涌水水源，多為太原組灰?guī)r水。

4 結(jié)語

基于李雅莊煤礦井田內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，在開采煤層下伏太灰水及奧灰水水頭壓力的作用，斷裂構(gòu)造成為礦井充水的主要途徑。因此，在該礦今后的防治水工作中，井田內(nèi)斷裂構(gòu)造的進一步勘查及導(dǎo)(富)水性分析研究成為主要任務(wù)。

［1］李曦濱，常 輝.山西省霍州礦區(qū)水文地質(zhì)條件及礦井充水條件分析［J］.中國煤田地質(zhì)，2007，19(2):34－37.

［2］田保安.霍州礦區(qū)巖溶水對下組煤開采的威脅及構(gòu)造控水研究［J］.中國煤田地質(zhì)，2006，18(2):36－39.