柿莊北區(qū)主采煤層充水因素分析

翟虎威

（山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西長治046000）

柿莊北區(qū)主采煤層充水因素分析

翟虎威*

（山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西長治046000）

通過采用歷次勘查成果，對柿莊北區(qū)地面和地下水文地質(zhì)條件做了全面闡述，對區(qū)內(nèi)主要可采煤層3號和15-2號煤層的頂?shù)装宄渌宰隽嗽敿?xì)分析，最終對未來3號和15-2號煤層開采提出指導(dǎo)性的結(jié)論。

沁水煤田；柿莊北；主要可采煤層；頂?shù)装?；充?/p>

柿莊北區(qū)位于山西省晉城市沁水縣柿莊鎮(zhèn)，屬于沁水煤田，面積為89.58km2。山西省財(cái)政廳以地勘基金的方式出資，山西省國土資源廳管理，確定了柿莊北區(qū)煤炭詳查為2012年度省級礦業(yè)權(quán)價(jià)款地質(zhì)勘查項(xiàng)目。區(qū)內(nèi)主要可采煤層為3號和15-2號煤層，均為無煙煤。據(jù)初步估算，區(qū)內(nèi)蘊(yùn)藏3號和15-2號煤共計(jì)124483×104t，其中3號煤層71443×104t，15-2號煤層53040×104t。

1　泉域概況

本區(qū)位于沁水盆地南緣低山丘陵區(qū)，水文地質(zhì)單元屬延河泉域北部。延河泉域是一個(gè)從補(bǔ)給到排泄完整的地下水泉域，主要含水層是奧陶系厚層狀碳酸鹽巖。據(jù)《山西省巖溶泉域水資源保護(hù)》（2008年，中國水利水電出版社）最新資料，延河泉域出露于山西省晉城市陽城縣東冶鄉(xiāng)延河村北1km的沁河西岸。目前泉水流量約7.0m3/s。

2　地表水體

區(qū)內(nèi)無大的地表水體，主要河流為固縣河的3條支流，位于東部、中部和西部，均自北向南從區(qū)內(nèi)通過，匯入固縣河，固縣河為沁河的支流。3條河流均為季節(jié)性河流，其流量受大氣降水影響很大，平時(shí)水流量不大。據(jù)2014年7月調(diào)查，3條支流水流量最大2.17m3/s，最小0.92m3/s。

3　水文地質(zhì)條件

3.1地面地質(zhì)特征

本區(qū)位于太行山剝蝕山區(qū)，溝谷切割較深。出露的地層有三疊系下統(tǒng)和尚溝組（T1h）、三疊系下統(tǒng)劉家溝組（T1l）、二疊系上統(tǒng)石千峰組（P2sh）、二疊系上統(tǒng)上石盒子組上段（P2s3），第四系松散沉積物分布于山梁及溝谷之中。

本區(qū)總體構(gòu)造為向西北傾的單斜，在此基礎(chǔ)上發(fā)育了次一級褶曲9條，產(chǎn)狀總體較為平緩，發(fā)育斷層4條。

3.2主要含水層

（1）奧陶系中統(tǒng)巖溶裂隙含水層。該含水層位于延河泉域北部奧陶系上覆地層厚層覆蓋區(qū)，含水空間以巖溶裂隙為主。區(qū)內(nèi)地表未出露，埋藏較深，埋深在783.03～1457.35m，平均1027.85m。單位涌水量為0.0163L/（s·m），滲透系數(shù)0.151m/d，水位標(biāo)高+ 626.03m，水質(zhì)類型為HCO3·SO4-Ca型，按《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（MT/ T1091-2008），屬弱富水性含水層。

（2）石炭系上統(tǒng)太原組含水層組。該含水層組為碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層組，區(qū)內(nèi)無出露。主要由數(shù)層砂巖裂隙含水層及K2、K3、K5、K6石灰?guī)r巖溶裂隙含水層構(gòu)成，是太原組各煤層的充水水源。其中K2石灰?guī)r為15-2號煤層頂板直接充水含水層，全區(qū)穩(wěn)定。單位涌水量為0.00185/（s·m），滲透系數(shù)0.0065m/ d，水位標(biāo)高+822.50m，水質(zhì)類型為HCO3-Na型，按《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（MT/T1091-2008），屬弱富水性含水層。

（3）二疊系下統(tǒng)山西組含水層組。該含水層組為碎屑巖裂隙含水層組，區(qū)內(nèi)無出露。含水層主要由細(xì)粒砂巖、粉砂巖組成，是3號煤層的主要充水含水層。單位涌水量為0.00575L/（s·m），滲透系數(shù)0.0471m/d，水位標(biāo)高+840.46m，水質(zhì)類型為HCO3-Na型，按《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（MT/T1091-2008），屬弱富水性含水層。

（4）二疊系下統(tǒng)下石盒子組、二疊系上統(tǒng)上石盒子組和二疊系上統(tǒng)石千峰組砂巖裂隙含水層組。該含水層組為碎屑巖裂隙含水層組，在區(qū)內(nèi)東部煤層相對淺埋區(qū)部分出露。單位涌水量為0.0278L/（s·m），滲透系數(shù)0.0315m/d，水位標(biāo)高+955.96m，水質(zhì)類型為HCO3· SO4-Na型，按《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（MT/T1091-2008），屬弱富水性含水層。

（5）三疊系下統(tǒng)劉家溝組砂巖裂隙含水層組。該含水層組為碎屑巖裂隙含水層組，區(qū)內(nèi)大面積出露。含水層主要由粗—細(xì)粒砂巖組成，含水空間為砂巖裂隙，地表出露泉眼。據(jù)2014年4月調(diào)查，出露泉流量為0.01～0.30L/s，水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Na型，按《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（MT/T1091-2008），屬弱富水性含水層。

（6）基巖風(fēng)化帶裂隙含水層。該含水層為碎屑巖裂隙含水層，含水空間以風(fēng)化裂隙為主，厚度因風(fēng)化帶發(fā)育程度而異，一般發(fā)育深度在50m左右。該含水層一般富水性差異較大。

（7）第四系松散巖類孔隙含水層。主要分布于山間河谷地帶，由亞粘土、砂土及卵礫石組成，厚0～10m。富水性因地而異，主要接受大氣降水及地表河流入滲補(bǔ)給。愈靠近河谷富水性愈好。據(jù)2014年6月井水調(diào)查，水質(zhì)類型為HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na型，礦化度293～326mg/L。

3.3主要隔水層

（1）石炭系本溪組泥巖、鋁質(zhì)泥巖隔水層。本溪組主要以鋁質(zhì)泥巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖組成，夾細(xì)粒砂巖、粉砂巖，偶見深灰色石灰?guī)r。層厚為5.70～31.84m，平均14.33m。該層組裂隙不發(fā)育，透水性差，一般隔水性能良好。

（2）石炭系太原組砂質(zhì)泥巖及泥巖隔水層。各層石灰?guī)r及砂巖之間均有數(shù)十厘米至數(shù)米的可塑性砂質(zhì)泥巖及泥巖，是阻隔各含水層間水力聯(lián)系的主要隔水層。

（3）二疊系、三疊系含水層層間隔水層。由泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等組成，單層厚幾十厘米至數(shù)十米，平行分布于各含水層之間，形成平行復(fù)合結(jié)構(gòu)，起到了阻隔各含水層之間垂向水力聯(lián)系的作用。

3.4主要含水層的補(bǔ)給、徑流、排泄條件

（1）松散巖類孔隙含水層主要接受大氣降水、地表河流入滲及泉水的補(bǔ)給，沿河谷或溝谷向固縣河3條支流排泄，形成地表徑流，流出區(qū)外或垂向補(bǔ)給下部含水層。

（2）基巖風(fēng)化帶、劉家溝組和石千峰組砂巖裂隙含水層組，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，以層間徑流為主，垂向上水力聯(lián)系微弱。

（3）太原組、山西組及下石盒子組含水層組埋藏較深，各含水層間均有一定厚度的隔水層，屬于平行復(fù)合結(jié)構(gòu)類型。含、隔水層均處于分散隔離狀態(tài)，各個(gè)含水層間的水力聯(lián)系被其間隔水層所阻隔，各含水層間的水力聯(lián)系微弱。

（4）奧陶系中統(tǒng)巖溶裂隙含水層，位于泉域東北部邊界處，區(qū)內(nèi)未出露，全部被厚層基巖所覆蓋，故補(bǔ)給條件差，地下水徑流緩慢。在區(qū)域上屬補(bǔ)給—徑流區(qū)。

4　充水因素分析

4.13號煤層

（1）頂板。3號煤層直接充水含水層為3號煤層頂板砂巖裂隙含水層，由于煤層開采過程中產(chǎn)生的裂隙塌陷，容易溝通導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)其他含水層。

其導(dǎo)水裂隙帶最大高度按《煤礦床文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（MT/T 1091-2008）附錄D的公式計(jì)算見公式（1）：

式中：Hf——導(dǎo)水裂隙帶（包括冒落帶）最大高度，m；

M——煤層厚度，m；

n——煤分層開采系數(shù)，取1。

區(qū)內(nèi)3號煤層一次性采全高時(shí)產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶（包括冒落帶）最大高度為60.53～158.98m，一般為136.98m，可以溝通上部K10砂巖等含水層水。

（2）底板。區(qū)內(nèi)3號煤層底板標(biāo)高為-120～+430m，均位于奧陶系巖溶裂隙含水層水位標(biāo)高以下，但其間相對隔水地層厚度一般為121.22～160.35m，平均為136.45m，突水系數(shù)按《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（MT/T 1091-2008）附錄E的公式計(jì)算見公式（2）。

式中：Ts——突水系數(shù)，MPa/m；

p——隔水層承受的水壓，MPa；

M——底板隔水層厚度，m；

Cp——采礦對底板隔水層的擾動破壞厚度，m，取經(jīng)驗(yàn)值16m。

底板隔水層厚度取值為奧灰界面至3號煤層底板間距。經(jīng)計(jì)算區(qū)內(nèi)3號煤層Ts為0.029～0.075MPa/m。3號煤層底板突水系數(shù)計(jì)算值見表1。

按《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（MT/T 1091-2008）附錄E，底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06MPa/m，正常塊段突水系數(shù)不大于0.15MPa/m，本次確定以下帶壓開采分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)：

Ts＜0.06相對安全區(qū)（Ⅰ）

0.06≤Ts＜0.15臨界區(qū) （Ⅱ）

Ts≥0.15危險(xiǎn)區(qū)（Ⅲ）

本次在Ts＜0.06MPa/m（Ⅰ）區(qū)中對構(gòu)造地段劃分為（Ⅱ）區(qū)，0.06≤Ts＜0.15MPa/m（Ⅱ）區(qū)中對構(gòu)造地段劃分為（Ⅲ）區(qū)。

按標(biāo)準(zhǔn)正常塊段不大于0.15MPa/m，構(gòu)造破壞塊段不應(yīng)大于0.06MPa/m。因此正常情況塊段，一般不會發(fā)生底板突水事故。在構(gòu)造破壞段0.06≤Ts＜0.15MPa/m，存在底板發(fā)生底板突水的可能。由于煤層底板突水是一種復(fù)雜的過程，突水與多種因素有關(guān)，以上標(biāo)準(zhǔn)提供的臨界突水值只是全國實(shí)際平均值，不一定適用于本區(qū)，有待下一步在勘探過程中對煤層底板突水進(jìn)一步研究。

表1　3號煤層底板奧灰水突水系數(shù)計(jì)算表

4.215-2號煤層

（1）頂板。15-2號煤層直接充水含水層為頂板石灰?guī)r及砂巖裂隙含水層，由于煤層開采過程中產(chǎn)生的裂隙塌陷，容易溝通導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)其他含水層，煤層厚度為1.50～7.80m，平均3.95m。按公式1計(jì)算，區(qū)內(nèi)15-2號煤層一次性采全高時(shí)產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶（包括冒落帶）最大高度為44.53～184.53m，一般為98.98m。3號煤層底距15-2號煤層平均間距104.11m，考慮到開采3號煤層底板擾動破壞帶（取20m）的影響，開采15-2號煤層除溝通導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)含水層水外，還很可能溝通3號煤層采空水。

（2）底板。區(qū)內(nèi)15-2號煤層底板標(biāo)高為-230～+320m，均位于奧陶系巖溶裂隙含水層水位標(biāo)高以下，15-2號煤層底板距奧灰界面一般為18.92～58.46m，平均為29.10m。

經(jīng)計(jì)算區(qū)內(nèi)15-2號煤層底板突水系數(shù)Ts≥0.131MPa/m（計(jì)算方法同3號煤層，底板擾動破壞帶取20m），見表2。

按標(biāo)準(zhǔn)正常塊段不大于0.15MPa/m，構(gòu)造破壞塊段不應(yīng)大于0.06MPa/m。因此正常情況下，15-2號煤層開采均存在底板突水可能。礦井生產(chǎn)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)防范。

表2　15-2號煤層底板奧灰水突水系數(shù)計(jì)算表

［1］山西省沁水煤田沁水縣柿莊勘查區(qū)煤炭普查地質(zhì)報(bào)告［R］.山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，2010.

［2］山西省沁水煤田沁水縣柿莊北勘查區(qū)煤炭詳查地質(zhì)報(bào)告［R］.山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，2014.

P641.4

A

1004-5716（2016）02-0151-04

2015-01-26

翟虎威（1983-），男（漢族），山西原平人，工程師，現(xiàn)從事煤炭地質(zhì)勘查工作。