潞安礦區(qū)古城煤礦首采區(qū)中部安昌—中華大斷裂導(dǎo)水性研究

孟彩萍，陳光平

(山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，太原　030006)

0　前言

古城煤礦是潞安礦區(qū)總體規(guī)劃接替井，煤礦面積157.299 3km2，設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模800萬t/a，2010年開始建設(shè)，屬基建礦井。首采區(qū)位于煤礦中東部，面積19.8km2，以安昌—中華地塹為界分為北一盤區(qū)、南一盤區(qū)。古城煤礦3號煤層達到勘探程度，首采區(qū)進行了三維地震勘探、地面瞬變電磁勘探、水文地質(zhì)補充勘查工作，基本控制了構(gòu)造形態(tài)，查明了礦井水文地質(zhì)條件。目前南翼輔運大巷、膠帶大巷已穿過安昌—中華斷裂帶。通過勘探及井巷工程基本控制了首采區(qū)內(nèi)安昌—中華大斷裂及其伴生斷層特征，但由于斷層帶巖石破碎、裂隙發(fā)育，可能使奧灰(“奧陶系灰?guī)r”的簡稱)巖溶水與太灰(“太原組灰?guī)r”的簡稱)巖溶水通過斷層帶產(chǎn)生一定水力聯(lián)系，給礦井大巷掘進造成隱患，因此，根據(jù)勘探及礦井資料，對該斷裂的導(dǎo)水性進行研究就顯得尤為必要。

1　地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

古城煤礦位于太行山中段西側(cè)上黨盆地西部，地表被第四系黃土覆蓋，總的趨勢為西高東低，屬低山丘陵平原區(qū)。局部黃土沖溝發(fā)育，屬高原盆地內(nèi)的河谷平原區(qū)。煤礦東部外為漳澤水庫，西南邊界有嵐水河，東北邊界有降河，煤礦內(nèi)兩條河流河床平緩開闊，屬海河水系。本區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量593.9mm。

1.1　地層及構(gòu)造

古城煤礦首采區(qū)內(nèi)無基巖出露，勘探鉆孔揭露基巖最下部為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組，最上部為三疊系下統(tǒng)劉家溝組。主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組及二疊系下統(tǒng)山西組。3號煤層位于山西組下部，平均厚6.28m，厚度大且穩(wěn)定，是礦井的主采煤層。

據(jù)地質(zhì)及三維地震勘探成果，首采區(qū)北一盤區(qū)總體為走向SN，南一盤區(qū)總體為走向NNE，傾向S，傾角4°～6°的單斜構(gòu)造，但波狀起伏普遍發(fā)育，并伴有寬緩褶曲；中部斷裂構(gòu)造附近及褶皺軸部，地層起伏較大，地層傾角大于15°，局部達37°。斷裂構(gòu)造以NEE向張扭性斷裂為主(圖1)。

安昌—中華大斷裂位于古城煤礦首采區(qū)中部，形成一地塹構(gòu)造。

1.2　水文地質(zhì)條件

古城煤礦位于辛安泉域南流泉組子系統(tǒng)，以中部安昌-中華地塹為界，首采區(qū)南一盤區(qū)處于長治斷陷盆地徑流帶，北一盤區(qū)處于襄垣單斜徑流帶。各含水層由于巖性、埋藏條件及所處位置不同而發(fā)生變化。

1.2.1第四系松散層孔隙及基巖風(fēng)化裂隙含水層

該含水層組受大氣降水影響明顯，水量豐富?；鶐r風(fēng)化裂隙發(fā)育深度一般在基巖面以下50～80m，總體上富水性中等—強。

圖1　首采區(qū)構(gòu)造綱要圖Figure 1　Structural outline map of initial mining area

1.2.2二疊系砂巖裂隙含水層

上石盒子組+下石盒子組+山西組水位標高907.15～914.10m，單位涌水量0.009～0.043L/(s·m)，總體富水性弱，局部富水性較好。下石盒子組+山西組水位標高689.87～769.56m，單位涌水量0.000 4～0.011 2L/(s·m)，富水性弱。由于各組含水層富水性弱，很難形成統(tǒng)一的地下水流場。

1.2.3石炭系砂巖夾薄層灰?guī)r裂隙含水層

水位標高648.99～665.89m，單位涌水量0.000 8～0.008 2L/(s·m)。以安昌-中華地塹為界，含水層富水性北一盤區(qū)明顯強于中部斷裂帶及南一盤區(qū)，含水層富水性弱且不均一。

1.2.4奧陶系石灰?guī)r溶裂隙含水層

1)含水層巖溶發(fā)育特征及流場。據(jù)鉆探、測井、簡易水文觀測資料，首采區(qū)內(nèi)以安昌—中華斷裂地塹為界，南一盤區(qū)與北一盤區(qū)峰峰組厚度及下段巖性特征有明顯差別。如GS-1、0707號孔位于北一盤區(qū)，峰峰組厚度200.34～241.58m，下段硬石膏巖、膏溶角礫巖段厚度大，但巖溶裂隙不發(fā)育，未見鉆井液漏失；而位于南一盤區(qū)GS-3號孔峰峰組厚度171.70m，峰峰組下段兩層膏溶角礫巖之間發(fā)育一層12.69m厚石灰?guī)r，溶隙、溶孔發(fā)育，鉆井液全漏，為峰峰組含水層。

據(jù)抽水試驗資料，峰峰組含水層水位標高634.76～635.87m， 見圖2， 但北一盤區(qū)含水層單位涌水量為0.000 4～0.003L/(s.m)，弱富水區(qū)； 而南一盤區(qū)單位涌水量為0.127～0.813L/(s.m)，中等富水區(qū)。以中部安昌—中華斷裂地塹為界，峰峰組含水層富水性明顯不同，說明南、北兩盤區(qū)分屬于不同的水文地質(zhì)單元，北一盤區(qū)處于襄垣單斜徑流帶，南一盤區(qū)處于長治斷陷盆地徑流帶。

圖2　奧灰含水層等水位線及富水性分區(qū)Figure 2　Ordovician limestone aquifer water level contour map and water yield property division

2)3號煤層奧灰水帶壓開采分析。礦井主采3號煤層位于山西組下部，在北一盤區(qū)3號煤層底板標高為280～464m，安昌-中華地塹構(gòu)造帶內(nèi)底板標高為-20～350m，南一盤區(qū)為230～416m。而奧灰含水層水位標高在634～636m，可見3號煤層全部位于奧灰水水位標高以下，屬奧灰水帶壓開采，具有底板突水的危險。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，計算3號煤層底板突水系數(shù)：北一盤區(qū)為0.024～0.034MPa/m，南一盤區(qū)為0.024～0.035MPa/m，安昌-中華地塹范圍內(nèi)為0.036～0.056MPa/m，均小于受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)0.06 MPa/m，礦井帶壓開采危險性小。但由于采掘活動形成礦壓影響，斷裂構(gòu)造所受應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，具有滯后突水的可能性，因此，在斷裂破碎帶采掘時做好超前探測工作。

2　首采區(qū)安昌—中華大斷裂控制情況

安昌—中華大斷裂西起煤礦南二盤區(qū)的艾莊，東至東一盤區(qū)崔邵村中華正斷層尖滅處，處在煤礦中部，全部被第四系黃土覆蓋。據(jù)地質(zhì)及三維地震勘探資料，安昌斷層、中華斷層及其伴生斷層形成一地塹，地表寬度約為500m，其斷層走向及落差已基本控制(圖3)。

2.1　安昌斷層及其伴生斷層

該斷層群以安昌斷層(DF43)為主，位于首采區(qū)中部偏北，垂直和水平斷距均遠大于其伴生斷層。伴生斷層的傾角跟安昌斷層有高度的一致性，走向N55°E，傾向S35°E，傾角為75°，破碎帶較寬，在10～50m(圖3)。三維地震勘探解釋斷層在3號煤層中最大落差240m，區(qū)內(nèi)延展長度為3 930m；15號煤層最大落差193m。

2.2　中華斷層及其伴生斷層

該斷層群以中華斷層(DF24)為主，位于首采區(qū)中部偏南，垂直斷距和水平斷距均遠大于其伴生斷層。其斷層均為正斷層，走向N55°E，傾向S35°E，傾角75°，破碎帶較寬，在10～50m。三維地震勘探解釋斷層在3號煤層中最大落差128m，區(qū)內(nèi)延展長度為3 250m；15號煤層最大落差124m。GS-2號孔揭露中華斷層(DF24)，鉆孔兩次遇斷層破碎帶，上部斷失山西組3號煤層，揭露太原組94.70m及奧陶系峰峰組47.9m后，在孔深720～851m又遇斷層破碎帶，孔深851m見上馬家溝組灰?guī)r。斷層破碎帶呈碎塊狀、斑塊或團塊狀結(jié)構(gòu)，局部呈角礫狀，泥質(zhì)膠結(jié)，擦痕、滑面多見，夾6層薄層石灰?guī)r及15號煤層， 由于受構(gòu)造應(yīng)力擠壓， 該斷層破碎帶呈彎曲形態(tài)。據(jù)巖性及標志層推斷GS-2孔附近中華斷層落差在117m 左右，與三維地震勘探解釋中華DF24斷層在3號煤層中落差基本一致。

圖3　安昌-中華斷裂地塹剖面Figure 3　Anchang-Zhonghua graben section

3　安昌—中華大斷裂導(dǎo)水性研究

3.1　地面瞬變電磁勘探

根據(jù)首采區(qū)瞬變電磁勘探報告，將二疊系砂巖K10、K8、3號煤底板及K7富水性分區(qū)圖進行疊合，可以顯示3號煤回采時大部分區(qū)域隔水性較好，不利于水力上下聯(lián)系。礦井南翼三條大巷穿越斷裂構(gòu)造時整體富水性差，僅安昌、中華-1、中華斷層破碎帶中局部富水性較強，推斷為砂巖裂隙滲漏積水。砂巖裂隙水是斷層的主要充水水源，斷層一般不導(dǎo)通奧灰水含水層，斷層整體富水性差。

3.2　礦井大巷掘進

目前，古城煤礦南翼膠帶大巷、輔運大巷在穿過安昌-中華斷層時均進行了超前探放水，如南翼輔運大巷過DF57、DF56、DF43安昌斷層時施工探水鉆孔均有不同程度的涌水，涌水量1.3～16.17m3/h，水化學(xué)類型為HCO3-Na型、HCO3·Cl-Na型，為砂巖裂隙含水層水。

南翼輔運大巷2#聯(lián)巷過DF24中華斷層超前探放水，施工8個探水鉆孔，孔深93～126m，在孔深23.8～58m段各孔均有出水現(xiàn)象，鉆孔涌水量5～30m3/h，后經(jīng)過疏放水及注漿治理，大巷安全通過。

經(jīng)過綜合分析，探放水鉆孔涌水應(yīng)是斷層帶上盤石盒子組砂巖裂隙含水層水，含水層補給來源有限，經(jīng)過一段時間的疏放，流量減小，說明斷層帶水平及縱向上水力聯(lián)系差。

3.3　鉆孔簡易水文地質(zhì)觀測

GS-2號孔揭露中華斷層(DF24)，鉆孔兩次遇斷層破碎帶，上部斷失山西組3號煤層，下部斷失峰峰組下段及上馬家溝組上段，巖心破碎嚴重，為斷層破碎帶泥巖、粉砂巖、細砂巖、砂質(zhì)泥巖，夾薄層石灰?guī)r數(shù)層及煤層。破碎段鉆進時鉆井液消耗量0.10m3/h，沒有變化，說明無含水層裂隙聯(lián)通。

3.4　地塹兩側(cè)巖性分析

從(圖2)來看，位于地塹北部的安昌斷層及南部的中華斷層，其下盤的上組煤均與斷層上盤的上石盒子組底部K6粗砂巖對接，下組煤與山西組細砂巖對接。由于上、下石盒子組、山西組砂巖富水性微弱，補給條件受到很大限制，斷層破碎帶以斷層角礫泥巖為主。從斷層兩側(cè)巖層對接分析來看，首采區(qū)北一、南一盤區(qū)開采上組3號煤層至安昌-中華斷層帶附近時，通過斷層破碎帶接觸含水層富水性弱，補給量很小。

3.5　斷層帶附近含水層富水性及水化學(xué)特征分析

首采區(qū)內(nèi)不同時期水文孔資料，及收集礦井建設(shè)期間水質(zhì)分析資料共計49件，詳見表1、表2。

由表1可以看出，首采區(qū)內(nèi)奧灰水富水性弱至中等，太灰水富水性弱，兩者的水化學(xué)類型相差較大，表明正常地段奧灰水與太灰水無水力聯(lián)系。但是在斷裂構(gòu)造地段由于巖石錯動使奧灰含水層與太灰含水層二者對接，以及斷層帶本身巖石破碎、裂隙發(fā)育，可能使奧灰峰峰組巖溶水與K2灰?guī)r水通過斷層帶產(chǎn)生一定水力聯(lián)系。

表1　峰峰組灰?guī)r與太原組K2灰?guī)r水文地質(zhì)特征對比

表2　不同含水層組水化學(xué)特征

分析認為如果在地層中發(fā)生了奧陶系灰?guī)r水沿斷裂或陷落柱向上對太原組以上含水層的頂托補給，上部含水層 HCO3-Na型水勢必受到奧陶系HCO3·SO4-Ca·Mg型灰?guī)r水的影響，將發(fā)生CaCO3的沉淀，而使水化學(xué)類型變?yōu)镾O4-Na型，或者至少水中的SO4離子含量出現(xiàn)明顯升高。但勘查區(qū)內(nèi)采集的太原組及二疊系礦井水樣均以HCO3-Na型為主，見表2，這說明斷裂帶附近奧陶系灰?guī)r水對太灰水及二疊系地下水的補給可能性不大，各含水層在縱向上不存在水力聯(lián)系，說明安昌-中華大斷裂原始狀態(tài)下在縱向上幾乎不導(dǎo)水。

4　結(jié)論

綜合分析，安昌-中華地塹在水平上兩側(cè)水力聯(lián)系較弱，呈具阻水特性；大斷裂區(qū)域頂板二疊系含水層與地表水、第四系孔隙水和奧灰水的水化學(xué)特征差異較大，富水性差異不同，水位標高不一致，因此，判斷各含水層在縱向存在水力聯(lián)系的可能性小，說明中華-安昌大斷層在縱向上幾乎不導(dǎo)水。但是考慮到地層本身的復(fù)雜性、大型斷裂結(jié)構(gòu)局部復(fù)雜多變的情況，加上采掘工程擾動，不排除礦井大巷施工過程中出現(xiàn)突涌水情況的可能，為此應(yīng)嚴格執(zhí)行“預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原則，做好隱伏斷裂構(gòu)造的探查治理工作。

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