趙固一礦礦井水文地質(zhì)條件分析

趙逢春

摘要：趙固一礦水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，頂、底板水害直接威脅到礦井的安全生產(chǎn)，因此在生產(chǎn)過(guò)程中，需要采取一系列的措施，避免造成含水層突水。在工作面回采前，需要探測(cè)斷層帶區(qū)域、裂隙發(fā)育密集區(qū)域的富水性，同時(shí)制定科學(xué)的加固方案和防范措施，進(jìn)一步提高工程質(zhì)量，避免回采時(shí)滯后出水。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)條件 突水 問(wèn)題分析

1 礦井概況

趙固一礦為設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力240萬(wàn)噸的新建礦井，2005年開(kāi)工建設(shè)， 2009年5月10日竣工投產(chǎn)。礦井為立井開(kāi)拓，井底車場(chǎng)水平標(biāo)高-525m，采用走向長(zhǎng)壁傾斜分層全部垮落式采煤方法、綜采工藝。

礦井主采二1煤層，煤層平均厚度為5.3m，傾角2～6°，煤炭總儲(chǔ)量373490kt，剩余可采量為176877kt。埋藏深度為410～860m。煤層頂板基巖薄，表土層厚，底板灰?guī)r水壓4.4～8.3Mpa，二1煤頂板砂巖含水層、風(fēng)化帶含水層和新近系中、底部砂、礫石含水層等是主要的含水層。全礦井正常涌水量預(yù)計(jì)2377.36m3/h，最大涌水量2971.1m3/h。

2 井田內(nèi)主要含水層和隔水層

2.1 含水層

①中奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層

該層的組成主要包括：中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r，在本區(qū)最大揭露厚度為100.79m，一般8～12m，含水層頂板埋深437.26～834.61m，該含水層在古剝蝕面的巖溶裂隙發(fā)育。

②太原組下部灰?guī)r承壓含水層

該含水層由L2、L3灰?guī)r組成，其中L2灰?guī)r發(fā)育較好，由西向東厚度逐漸變厚，一般厚度為15m，最厚18.98m，該含水層具有較強(qiáng)的富水性。

③太原組上部灰?guī)r承壓含水層

該含水層由L9、L8、L7灰?guī)r組成，其中，L8灰?guī)r發(fā)育最好，含水層厚度為8～11m，平均8.75m，最厚11.50m（7603孔），巖溶裂隙較發(fā)育，該含水層水位標(biāo)高87.92～88.85m，滲透系數(shù)為9.82～10.94m/d，為二1煤層底板主要充水含水層。

④二1煤頂板砂巖含水層

該含水層由二1煤頂板大占砂巖和香炭砂巖組成，厚度一般2.80～67.99m（1～13層），該含水層的富水性比較弱。

⑤風(fēng)化帶含水層

該含水層由隱伏出露的各類不同巖層組成，厚度15～50m，一般20～35m，除石灰?guī)r風(fēng)化帶含水層外，其它砂巖、砂質(zhì)泥巖等巖層屬弱含水層到隔水層，局部為弱透水層（k<1.12m/d）。

⑥新近系中、底部砂、礫石含水層

新近系中部存在1～3層中、細(xì)砂，含承壓水，屬中等富水含水層。底部礫石為古河床相，其含水層主要分布在勘探區(qū)西、東部，由礫石、砂礫石組成，富含泥質(zhì)或夾有粘土薄層，半固結(jié)狀態(tài)，厚度2.6～28.70m，其滲透率介于含水與弱透水之間，屬弱富水含水層，對(duì)礦床影響不大。

⑦第四系含水層

該含水層主要由沖積礫石和細(xì)至中粗砂組成，級(jí)配之間差別比較大，多位于中上段。普查區(qū)西部山前多為礫卵石層，呈二元結(jié)構(gòu)，含水層埋藏較淺，厚度5.0～16.1m，含水豐富；中、東部多為砂、礫石含水層，呈多層相間分布，不同含水層埋藏深淺不一，富水性較強(qiáng)。

2.2 隔水層

①本溪組鋁質(zhì)泥巖隔水層

該隔水層通常情況下是指鋁質(zhì)泥巖層、局部薄層砂巖、砂質(zhì)泥巖層等覆蓋在奧陶系含水層上，屬于全區(qū)發(fā)育，并且厚度一般在2.80～28.85m，分布穩(wěn)定，并且比較連續(xù)，該隔水性具有良好的隔水性，但是，厚度較薄以及構(gòu)造部位其隔水性能比較薄弱。

②太原組中段砂泥巖隔水層

該隔水層通常情況下是指L4頂至L7底之間的砂、泥巖、薄層灰?guī)r及薄煤等巖層，該層厚度在28.94～53.25m之間，其主體是泥質(zhì)巖層，總體為隔水層，為太原組上下段灰?guī)r含水層之間的主要隔水層。

③二1煤底板砂泥巖隔水層

系指二1煤底板至L8頂板之間的砂泥巖互層段，以泥質(zhì)類巖層為主，分布連續(xù)穩(wěn)定，是良好的隔水層段，構(gòu)造變薄處，隔水性明顯降低。

④新近系泥、泥質(zhì)隔水層

由一套河湖相沉積的粘土、砂質(zhì)粘土組成，厚度215～571m，呈半固結(jié)狀態(tài)，隔水性良好，可阻隔地表水、淺層水對(duì)礦床的影響。

3 礦井突水特征

3.1 采動(dòng)裂隙水

長(zhǎng)走向大采高全部垮落式管理頂板，這種方法對(duì)頂板破壞較大，其采動(dòng)裂隙發(fā)育高度向上延伸，同樣底板破壞裂隙向下的發(fā)育厚度變大，同時(shí)煤層下的隔水層具有一定的原始導(dǎo)升和遞進(jìn)導(dǎo)升高度，這樣煤層底板有效隔水層的厚度變薄，在高水壓開(kāi)采條件下，底板有可能被高水壓突破，造成水害威脅。采動(dòng)裂隙和由此引起的巖層破壞溝通煤層頂?shù)装宥鄠€(gè)含水層，使得頂板含水層水和底板灰?guī)r含水層水涌入礦坑。

3.2 導(dǎo)水?dāng)鄬?/p>

斷層錯(cuò)動(dòng)切割隔水層，減小有效隔水層厚度，增加下伏含水層突水的可能，特別是底板高壓灰?guī)r水的突水；或者由于斷層錯(cuò)動(dòng)，引起煤層與含水層對(duì)接，含水層水直接涌入礦坑。目前趙固一礦在采掘活動(dòng)中揭露100余條大小不一的斷層，斷層對(duì)該礦工作面采掘活動(dòng)影響較大，如12011工作面軌道順槽在掘進(jìn)過(guò)程中揭露的D20斷層出現(xiàn)滯后出水，涌水量最大時(shí)2.0m3/min，穩(wěn)定時(shí)1.0m3/min，水壓6.0Mpa，水質(zhì)化驗(yàn)為L(zhǎng)8灰?guī)r水，底板鼓起，隨后依照工作面底板加固方案進(jìn)行了封堵，水量變小，約3.0m3/h，工作面回采至斷層附近出現(xiàn)了水量為0.09～0.33m3/min的出水點(diǎn)6個(gè)；膠帶順槽在掘進(jìn)過(guò)程中揭露的D21斷層出現(xiàn)滯后出水，涌水量最大時(shí)0.67m3/min，穩(wěn)定時(shí)0.17m3/min，水壓6.0Mpa，水質(zhì)化驗(yàn)為L(zhǎng)8灰?guī)r水，巷道底鼓量較小，隨后依照工作面底板加固方案進(jìn)行了封堵，突水點(diǎn)消失。建議12011工作面在采下層煤時(shí)采用帷幕注漿的方式對(duì)工作面進(jìn)行加固，以確?；夭砂踩浴?/p>

實(shí)踐證明，在斷層破壞帶多發(fā)生煤層底板突水。自建井來(lái)揭露的19個(gè)突水點(diǎn)分析，均為底板突水，水源經(jīng)水質(zhì)化驗(yàn)多為L(zhǎng)8灰?guī)r水，多和斷層有關(guān)，部分突水點(diǎn)屬采動(dòng)裂隙水。一般來(lái)說(shuō)，斷層引起的突水多為中小型斷層，對(duì)于大型斷層由于較易勘探，可預(yù)先采取必要的防治方法如留取足夠的防隔水煤柱等，突水事故較易避免。

3.3 頂板突水

影響趙固一礦二1 煤開(kāi)采的頂板含水層主要包括：新近系中底部砂、礫石含水層，風(fēng)化帶含水層和二1煤頂板砂巖含水層，其中，風(fēng)化帶含水層和二1煤頂板砂巖含水層為含水量較小的含水層，易于處理并且對(duì)安全開(kāi)采影響輕。

而新近系底部砂礫含水層達(dá)到了含水中等的含水層，能否防治潰水潰砂實(shí)現(xiàn)放頂煤開(kāi)采主要取決于其底部粘土隔水層的厚度和性質(zhì)，是本礦防控頂板水的重點(diǎn)。以東一盤(pán)區(qū)11191工作面為例，送巷期間上順槽1200m～1350m處頂板淋水量最大時(shí)30～40m3/h，之后逐漸減小，工作面回采至該區(qū)段時(shí)淋水已基本消失；據(jù)回采前施工的頂板孔資料統(tǒng)計(jì)，基巖厚度最小的21.1m，最大65m，出水量最大的孔為軌順13頂3孔，成孔水量35m3/h，經(jīng)疏放水量逐漸減少為0，其他頂板鉆孔水量較小。

另外，部分頂板鉆孔成孔后有出砂現(xiàn)象（鉆孔施工時(shí)沖積層注入大量沖洗液，使沖積層中的砂活性增大，順鉆孔孔壁流出）。

4 礦井目前存在的水文地質(zhì)問(wèn)題

根據(jù)對(duì)該礦水文地質(zhì)條件、突水類型和特征、水量等因素的分析，趙固一礦在采掘活動(dòng)中存在以下問(wèn)題：

4.1 地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)網(wǎng)不完善

目前整個(gè)礦井能夠正常觀測(cè)的地面長(zhǎng)觀孔五個(gè)（奧灰觀測(cè)孔兩個(gè)：12203、觀1；L8觀測(cè)孔三個(gè)：12206、11604、11603）、井下長(zhǎng)觀孔6個(gè)（L8觀1、L2觀1、L8觀3、 L8觀2、O2觀1、L8觀6），其中L2觀測(cè)孔只有一個(gè)，這樣建立的含水層觀測(cè)網(wǎng)是不能詳盡的涵蓋整個(gè)礦井的地下水活動(dòng)狀態(tài)的，難以從宏觀上對(duì)采區(qū)地下水的補(bǔ)、徑、排條件進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確的分析。

4.2 開(kāi)采水文地質(zhì)意義重要

隨著煤層開(kāi)采盤(pán)區(qū)拓展，石炭系太原組灰?guī)r含水層的開(kāi)采水文地質(zhì)意義愈加重要，希望領(lǐng)導(dǎo)在生產(chǎn)決策、技術(shù)部門(mén)在生產(chǎn)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，將該含水層的影響放在重要位置。

4.3 二1煤底板隔水層厚度較小，一般在20～30m，除去采動(dòng)破壞帶和太灰水的導(dǎo)升高度，有效隔水層很薄

12041工作面回采62m時(shí)工作面切眼出現(xiàn)四個(gè)出水點(diǎn)，總水量在300m3/h左右，水壓1.5Mpa，持續(xù)一個(gè)月的觀測(cè)無(wú)衰減跡象，水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果分析，為灰?guī)r水，突水原因分析：回采初期礦壓顯現(xiàn)劇烈，可能為礦壓引起底板原生裂隙擴(kuò)張延伸，導(dǎo)致下覆含水層水導(dǎo)升，也不排除底板加固鉆孔受采動(dòng)干擾套管斷裂引起突水。

另外，該工作面為負(fù)坡度回采，故造成支架前匯水，給回采造成困難。所以應(yīng)加強(qiáng)對(duì)太灰富水性探查，利用鉆探、物探手段勘察，進(jìn)行富水性分區(qū)，并對(duì)富水區(qū)進(jìn)行超前探放。

4.4 應(yīng)加強(qiáng)對(duì)奧灰水的重視程度

奧灰含水層在本區(qū)揭露最大厚度100.8m，一般8～12m，含水層頂板埋深437.26～834.61m，上距二1煤層118～142m，該含水層巖溶裂隙發(fā)育，L8群孔抽水試驗(yàn)奧陶系的12203孔水位出現(xiàn)小幅下降，反映了奧灰含水層和其它含水層之間的水力聯(lián)系，因此加強(qiáng)對(duì)煤層底板隔水層及帶壓開(kāi)采配套措施研究。

4.5 采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造控制問(wèn)題

趙固一礦井下揭露斷層100余條，褶曲1條，這些構(gòu)造均有可能成為潛在的導(dǎo)水通道，隨著采掘工程的逐步推進(jìn)，潛在導(dǎo)水通道存在進(jìn)一步活化的可能，而這些斷層和陷落柱極有可能成為礦井突水的重要通道，因此對(duì)其加強(qiáng)探測(cè)是礦井防治水的一項(xiàng)重要任務(wù)。

4.6 應(yīng)配備系統(tǒng)的觀測(cè)儀器

井下突水點(diǎn)的水量、水溫觀測(cè)及水化學(xué)測(cè)試等日常水文地質(zhì)工作應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)，配套的硬件設(shè)施不夠完善。由于井下條件限制，涌水量的觀測(cè)難于取得較為精確的數(shù)據(jù)，需要配備系統(tǒng)的觀測(cè)儀器。

5 總結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，趙固一礦水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，受頂、底板水害威脅十分嚴(yán)重，雖然采取了一系列的防范措施（頂板水采取施工頂板鉆孔疏放，底板通過(guò)改造L8灰?guī)r含水層及封堵L8灰?guī)r層下伏含水層與上覆煤巖層的導(dǎo)水通道），但是煤巖層受回采擾動(dòng)影響產(chǎn)生的裂隙極有可能導(dǎo)通含水層引起突水，尤其在斷層帶附近，這種影響更為明顯，因此，工作面回采前一定要對(duì)斷層帶附近區(qū)域、裂隙發(fā)育密集區(qū)域加強(qiáng)富水性探測(cè)，制定合理的加固方案和防范措施，確保工程質(zhì)量，防止回采時(shí)滯后出水。

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