西曲井田煤層淺埋區(qū)含隔水層特征及水害分區(qū)

郭啟琛，王順喜，郭太剛

(西山煤電集團(tuán)有限公司 西曲礦， 山西 太原 030200)

太原西山煤田古交礦區(qū)是山西省內(nèi)六大煤田之一，也是我國(guó)最重要的焦煤生產(chǎn)基地之一，區(qū)內(nèi)溝壑縱橫深切，地形相對(duì)高差大，煤層整體埋深淺，使得開采時(shí)地表水的影響較大[1-3]. 近年來，國(guó)內(nèi)地質(zhì)界對(duì)淺埋煤層的開采研究逐漸深入，淺埋煤層防治水是其中一個(gè)重大課題，并且取得了非常豐富的成果[4-9].

近年來科技設(shè)備的進(jìn)步，已大大減少了煤礦事故的發(fā)生，然而礦井水害一直是困擾西山各礦的難點(diǎn)[3]，尤其西曲礦2016年5月5日發(fā)生的水害更是讓礦井防治水成為了亟需解決的重要課題。本文以西曲礦為例，對(duì)礦區(qū)煤層淺埋區(qū)最可能受地表水體等影響的區(qū)域進(jìn)行分析，了解其主采8#煤上覆含隔水層性質(zhì)，以期劃定西曲礦淺層水防治的重點(diǎn)并為相似礦區(qū)提供參考。

1 研究區(qū)概況

西曲井田位于山西省太原市古交市區(qū)北約0.5 km處，井田位于呂梁山東麓，屬中低山區(qū)，區(qū)內(nèi)切割強(qiáng)烈，溝谷縱橫，溝谷兩側(cè)基巖裸露，較大的有礬石溝、水深溝、李家溝等，這些溝谷平時(shí)水量不大，其余除雨季外，常年無水。山頂多為黃土覆蓋，汾河處于井田邊界外南部，留有完整的河床保護(hù)煤柱，且對(duì)河壩進(jìn)行了整修加固。

研究區(qū)內(nèi)基巖頂部普遍風(fēng)化，其中個(gè)別區(qū)域松散層薄，且經(jīng)溝谷沖刷，地形起伏變化大，基巖風(fēng)化嚴(yán)重且深，形成8#煤層風(fēng)氧化帶。

2 研究區(qū)含(隔)水層空間組合特征

2.1 研究區(qū)水文地質(zhì)現(xiàn)狀

西曲井田為復(fù)雜型水文地質(zhì)條件，構(gòu)造發(fā)育，以陷落柱和斷層為主，礦區(qū)內(nèi)廣泛分布的早期私采小煤窯采空區(qū)更是增加了防治水的難度。礦區(qū)目前主采8#煤，屬太原組，厚度1.30～5.05 m，平均3.79 m，屬賦煤區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。研究區(qū)內(nèi)煤層整體傾向西南，平均埋深在200 m左右，上覆基巖厚度不均一。地表溝谷尤其礬石溝的發(fā)育，使黏性土層缺失，基巖變薄，煤層埋深不足70 m，最淺處僅37 m.

2.2 含(隔)水層概況

8#煤頂板的主要含水層包括第四系松散巖類孔隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層及石炭系砂巖夾薄層灰?guī)r裂隙含水巖組。根據(jù)礦區(qū)10個(gè)水文孔的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基巖含水層中鉆孔單位涌水量小于0.1 L/s·m，富水性普遍較弱。

研究區(qū)內(nèi)王馬市附近存在8#煤風(fēng)氧化帶和井田范圍內(nèi)最大的溝谷礬石溝，溝谷處基巖出露，且雨季地表水流量較大。其中，松散層底部的二疊系砂巖裂隙含水層，風(fēng)化裂隙發(fā)育，使得松散層與風(fēng)化帶產(chǎn)生直接水力聯(lián)系，上述區(qū)域的325、328、338號(hào)鉆孔在揭露含水層時(shí)均有自流水現(xiàn)象，且單位涌水量為0.039 8～2.17 L/s·m，說明松散巖類孔隙含水層和基巖風(fēng)化帶含水層在研究區(qū)內(nèi)富水性不均一。因此研究區(qū)內(nèi)的淺埋煤層主要的充水水源是地表水、第四系松散巖類孔隙含水層水和基巖風(fēng)化帶潛水。

研究區(qū)內(nèi)隔水層分兩部分：2#煤層底至8#煤層間隔水層，間距74 m左右，主要由泥巖、粉砂巖、煤層組成，厚度穩(wěn)定，隔水性能良好；其次為在基巖頂部，松散層底部不均勻存在的由中更新統(tǒng)Q2黃土及上新統(tǒng)N2紅土組成的隔水黏性土層。西曲礦未對(duì)該黏性隔水層做過具體物化、水文參數(shù)分析，結(jié)合周邊區(qū)域資料及相似煤礦實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，N2紅土的黏土礦物成分主要以綠泥石為主，一般結(jié)構(gòu)致密。Q2黃土屬于弱隔水-較強(qiáng)隔水層，紅土的黏粒含量高達(dá)35%，為較強(qiáng)-強(qiáng)隔水層[10].

2.3 研究區(qū)含(隔)水層空間組合特征

8#煤標(biāo)高均位于奧灰水位之上，因此不受下伏含水層水影響。研究區(qū)內(nèi)煤與水賦存空間組合總的特點(diǎn)是煤水共生，水在上、煤在下，富水性不均一，隔水巖組變化大[10].

研究區(qū)煤層頂板內(nèi)巖性為堅(jiān)硬、軟弱、極軟弱互層，巖性多為泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，屬軟弱至中硬巖性，但夾有堅(jiān)硬的薄層細(xì)、中、粗粒砂巖和灰?guī)r(粒狀砂巖和灰?guī)r常作為標(biāo)志層)。需要注意的是西曲礦2013年針對(duì)8#煤淺埋區(qū)補(bǔ)勘施工煤田孔10個(gè)，均揭露上部風(fēng)氧化層，且部分鉆孔內(nèi)風(fēng)氧化帶一直向下延伸至8#煤底板。一般巖層在風(fēng)化后其泥質(zhì)含量多有增加，黏塑性也增加，使得巖性偏軟弱[2]，同時(shí)成為地下水的良好貯存空間，給井下安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅。

因此，依據(jù)礦區(qū)8#煤覆巖巖性、含隔水層分布和厚度、地形等因素，將西曲礦淺埋區(qū)煤層含隔水層空間賦存組合劃分為以下3種類型[9](圖1).

圖1 研究區(qū)淺埋煤層含隔水層空間賦存組合類型

1) 薄基巖型組合。

該型組合主要分布在研究區(qū)范圍內(nèi)的礬石溝溝谷區(qū)內(nèi)，地表溝谷等的發(fā)育導(dǎo)致松散層變薄，甚至基巖直接出露，基巖厚度普遍小于70 m，煤層的開采可能使井下工作面直接接受大氣降水的補(bǔ)給，見圖1a).

2) 砂基型組合。

該型組合在研究區(qū)內(nèi)分布較廣，由于第四系底部Q2和N2黏性土隔水層缺失，因此第四系松散巖類孔隙含水層與基巖頂部的風(fēng)化帶直接接觸，不僅使得風(fēng)化帶內(nèi)富水性增大，煤層之上隔水層厚度變薄，更增加了含水層的厚度，風(fēng)化帶底部隔水層厚度不足時(shí)突水危險(xiǎn)性更大，見圖1b).

3) 砂土基型組合。

該型組合在研究區(qū)內(nèi)分布不均，松散層厚度大，同時(shí)松散層底部黏性土層隔水層厚度大，切斷了松散巖類孔隙含水層與基巖含水層的水力聯(lián)系，弱化了基巖含水層的富水性，同時(shí)土層的存在抑制了導(dǎo)水裂縫帶高度的發(fā)育，見圖1c).

研究區(qū)內(nèi)3種不同的含(隔)水層組合對(duì)應(yīng)不同的防治水區(qū)域。薄基巖型組合和砂基型組合中由于黏性土層隔水層的缺失，當(dāng)煤層上覆隔水層厚度不足時(shí)，可能使得松散巖類孔隙含水層水甚至地表水直接匯入工作面內(nèi)，造成井下涌水[11].正確對(duì)西曲礦淺埋煤層進(jìn)行含(隔)水層組合分區(qū)并留設(shè)相應(yīng)高度的防隔水煤柱是井下安全生產(chǎn)的前提保障。

3 淺埋煤層水害分區(qū)

3.1 研究區(qū)導(dǎo)高預(yù)測(cè)

淺埋煤層開采導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的影響因素眾多，包括煤層采厚、工作面寬度、采煤方法、頂板覆巖巖性、工程地質(zhì)特征、地質(zhì)構(gòu)造、煤層蓋山厚度及基巖厚度等[13-16]. 本文選取研究區(qū)內(nèi)的33個(gè)鉆孔進(jìn)行分析，分別統(tǒng)計(jì)8#煤厚度、頂?shù)装鍢?biāo)高、煤層埋深、松散層厚度、底部黏性土層厚度、風(fēng)化帶厚度、覆巖巖性及工程地質(zhì)特征等數(shù)據(jù)，作為此次分析的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

西曲礦整體為緩傾斜煤層(0～5°)，煤層頂板抗壓強(qiáng)度在32.7～164 MPa，保守定義8#煤覆巖巖性為中硬巖性，其中北三、北四盤區(qū)交界處風(fēng)氧化帶附近基巖風(fēng)化嚴(yán)重，巖層泥質(zhì)含量增加，黏塑性也增加，特別是原巖泥質(zhì)含量較高的巖層，在煤層采動(dòng)影響后，導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育會(huì)受到限制，許多新生裂隙很快閉合。結(jié)合該區(qū)補(bǔ)勘施工的10個(gè)鉆孔發(fā)現(xiàn)，風(fēng)氧化的煤層、巖層均極為破碎，各種裂隙擴(kuò)展和增多，破壞了巖體的完整性，使巖體的力學(xué)強(qiáng)度降低，黏性增強(qiáng)，因此將風(fēng)氧化區(qū)巖性定為軟弱。

西曲礦暫無采后導(dǎo)水裂縫帶高度實(shí)測(cè)資料，利用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“三下規(guī)程”)中經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式(見表1)，結(jié)合覆巖巖性、累計(jì)采厚對(duì)導(dǎo)高進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。

表1 厚煤層分層開采的導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式表

結(jié)合8#煤風(fēng)氧化帶鉆孔巖性描述，XQK13-1至XQK13-10和345、363、368共13個(gè)鉆孔為風(fēng)化嚴(yán)重區(qū)域鉆孔，含(隔)水層空間組合特征主要為砂土基型，在計(jì)算導(dǎo)高時(shí)應(yīng)當(dāng)適用巖性軟弱的計(jì)算公式，其他區(qū)域則主要為薄基巖型和砂基型組合，適用中硬巖性預(yù)測(cè)公式進(jìn)行計(jì)算。據(jù)此求得研究區(qū)內(nèi)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，覆巖軟弱區(qū)域?qū)Ц咂骄s27m，覆巖中硬區(qū)域?qū)Ц咂骄s50m(見表2).

表2 研究區(qū)預(yù)測(cè)導(dǎo)水裂縫帶高度表

3.2 研究區(qū)淺埋煤層水害分區(qū)

針對(duì)風(fēng)氧化帶附近巖性軟弱區(qū)域和其他覆巖巖性中硬區(qū)域，根據(jù)松散層底部黏性土層厚度的數(shù)值分別確定不同情況下防隔水保護(hù)層厚度(3A～6A)，確保各自區(qū)域保護(hù)層厚度滿足要求。按照導(dǎo)水裂縫帶高度同頂板含水層及地表水的關(guān)系(圖2)將西曲礦淺埋煤層受地表及潛水的影響劃分為3類區(qū)域。

1) 地表補(bǔ)給危險(xiǎn)區(qū)。

該區(qū)煤層上覆含(隔)水層組合以薄基巖型為主，開采后導(dǎo)水裂縫帶高度大于煤層埋深，或者基巖中導(dǎo)高發(fā)育雖未超出地表，但導(dǎo)高之上防隔水保護(hù)層厚度不足，判斷依據(jù)為：

Hg≤HL+Hb

式中：

Hg—煤層埋深，m；

HL—中硬巖性區(qū)域?qū)芽p帶的最大高度，m；

Hb—保護(hù)層厚度，m.

此類區(qū)域存在使得地表水或者大氣降水能夠通過裂縫帶直接涌入開采工作面內(nèi)的隱患，受地表水和潛水補(bǔ)給可能大，因此必須留設(shè)相應(yīng)高度的防隔水煤巖柱。

2) 潛水冒裂危險(xiǎn)區(qū)。

該區(qū)域地表松散層較薄，煤層上覆含(隔)水層組合以砂基型為主，基巖雖未出露，但厚度較薄，其中松散層底部黏性土隔水層缺失或較薄(小于4m). 該區(qū)導(dǎo)高進(jìn)入了基巖風(fēng)化帶含水層甚至松散層內(nèi)潛水，亦或基巖風(fēng)化帶下部完整基巖保護(hù)層厚度不足，存在潛水滲入工作面的情況，判斷依據(jù)為：

Hj-Hfe≤HL+Hb

式中：

Hj—煤層上覆基巖厚度，m；

Hfe—基巖頂部風(fēng)化帶厚度，m.

對(duì)于該區(qū)域而言，雖不存在直接接受大氣降水補(bǔ)給的風(fēng)險(xiǎn)，但是必須考慮松散含水層內(nèi)富水性較強(qiáng)時(shí)導(dǎo)高可能波及該含水層，加之基巖與松散層間隔水層的缺失，使得基巖風(fēng)化帶內(nèi)可能成為地下潛水的良好貯存空間，因此也應(yīng)當(dāng)留設(shè)相應(yīng)防隔水煤柱或采取充填開采等特殊工藝限制導(dǎo)高的發(fā)育。

3) 潛水冒裂安全區(qū)。

該區(qū)域煤層上覆含(隔)水層組合以砂土基型為主，基巖厚度變大，在72～253m，由于松散層底部黏性土層發(fā)育情況不同，導(dǎo)水機(jī)理存在差異，按照松散層底部黏性土隔水層厚度對(duì)導(dǎo)高的抑制和對(duì)上下含水層水力聯(lián)系的阻隔效果，以黏性土層厚度10m作為分區(qū)，將該區(qū)分為兩小區(qū)：

a) 導(dǎo)高抑制安全區(qū)：松散層底部厚黏性土層N2的存在使得導(dǎo)高的發(fā)育在該層段會(huì)進(jìn)一步被抑制，采動(dòng)裂隙在土層中很快就被壓實(shí)封閉[15]，且土層弱化了基巖風(fēng)化帶與松散層含水層的水力聯(lián)系，判斷依據(jù)為：

Hj-Hfe≥HL+HbHt≥10 m，Hb=2A～3A

式中：

Ht—松散層底部黏性土層的厚度，m；

∑M—累計(jì)采厚，m；

n—分層層數(shù)。

b) 導(dǎo)高完整安全區(qū)：該區(qū)域黏性土層缺失，但是基巖厚度超出導(dǎo)高與保護(hù)層厚度之和，導(dǎo)高不會(huì)進(jìn)入松散層潛水含水層，判斷依據(jù)為：

Hj-Hfe≤HL+HbHt≤10 m，Hb=5A～6A

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)33個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)，在煤層底板標(biāo)高的基礎(chǔ)上，疊加研究區(qū)內(nèi)不同的含(隔)水層空間組合下的導(dǎo)高、保護(hù)層厚度，運(yùn)用ArcGIS軟件多源信息復(fù)合疊加功能，求得對(duì)應(yīng)區(qū)域同滿足地表水或潛水冒裂安全時(shí)的理論地表高程與DEM原始空間高程對(duì)比，根據(jù)兩高程差值為0的點(diǎn)進(jìn)行礦區(qū)實(shí)際水害分區(qū)(見圖3).

由圖3可以看出，在西曲礦的淺埋煤層區(qū)域中，大部分區(qū)域?yàn)槊傲寻踩珔^(qū)，煤層的開采不會(huì)引起潛水含水層水涌入工作面；地表補(bǔ)給危險(xiǎn)區(qū)分布較少，主要集中在礦界內(nèi)礬石溝延伸范圍的最南端，該區(qū)早期28201、28202、28203工作面在回采期間頂板較為破碎，且工作面涌水情況與地表水大小聯(lián)系較密切，說明該區(qū)域存在潛水和地表水灌入的可能，必須留設(shè)相應(yīng)高度的防隔水煤巖柱；潛水冒裂危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)松散層厚度的變薄以及基巖風(fēng)化帶的加厚使得該區(qū)在王馬市風(fēng)氧化帶、礬石溝、圪垛溝處分布廣泛，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的開采工藝或留設(shè)防水煤柱等措施，并加強(qiáng)地表水情監(jiān)測(cè)。

4 結(jié) 論

1) 西曲礦內(nèi)煤層淺埋區(qū)域容易受到地表水和第四系松散巖類孔隙含水層水的威脅，不同的含隔水層空間組合使淺埋煤層受水害威脅的程度不同，基巖的風(fēng)化抑制了導(dǎo)高的發(fā)展。

2) 利用淺埋區(qū)滿足地表水或潛水冒裂安全時(shí)的理論地表高程與實(shí)際空間高程對(duì)比，根據(jù)兩高程差值為0的點(diǎn)進(jìn)行礦區(qū)實(shí)際水害分區(qū)，劃分為地表補(bǔ)給危險(xiǎn)區(qū)、潛水冒裂危險(xiǎn)區(qū)、潛水冒裂安全區(qū)。

3) 地表補(bǔ)給危險(xiǎn)區(qū)工作面在實(shí)際生產(chǎn)中涌水情況受地表水及潛水影響大，應(yīng)當(dāng)抓住礦井淺埋區(qū)的防治水工作重點(diǎn)，對(duì)地表補(bǔ)給危險(xiǎn)區(qū)、潛水冒裂危險(xiǎn)區(qū)采取留設(shè)防隔水煤柱等措施，并加強(qiáng)日常監(jiān)測(cè)。