山西南陽(yáng)礦奧陶系巖溶水賦存運(yùn)移特征及下組煤底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

李志有，鄭 剛

(1.山西省煤炭地質(zhì)144勘查院，山西 洪洞 041600； 2.山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西 長(zhǎng)治 046011)

華北地區(qū)含煤地層底板廣泛分布的巨厚層狀?yuàn)W陶系石灰?guī)r巖溶水,水量大、補(bǔ)給充足，是煤層直接或間接充水水源。帶壓區(qū)煤層底板突水是開(kāi)采太原組下組煤的隱患之一[1-2]。南陽(yáng)礦屬于山西高平地方國(guó)有煤礦，井田面積18.903km2，批準(zhǔn)開(kāi)采3-15號(hào)煤層，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150萬(wàn)t/a。根據(jù)區(qū)域資料，未來(lái)開(kāi)采下組煤15號(hào)煤層時(shí)，隨著工作面不斷向深部延伸，井田中西部存在奧灰水帶壓開(kāi)采問(wèn)題，但井田范圍內(nèi)沒(méi)有進(jìn)行過(guò)專(zhuān)門(mén)的水文地質(zhì)勘探工作，奧灰水帶壓范圍和帶壓程度不明確，不利于礦方科學(xué)制定防治水措施，因此南陽(yáng)礦于2016年5-10月施工了3個(gè)水文地質(zhì)勘查孔，其目的是查明井田水文地質(zhì)條件。本次施工通過(guò)巖心采取、簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)、抽水試驗(yàn)、水文地質(zhì)測(cè)井和水化學(xué)分析等多種手段，取得了全面詳實(shí)的水文地質(zhì)資料。本文依據(jù)這些資料和南陽(yáng)礦奧灰深水井資料,研究區(qū)內(nèi)奧灰?guī)r溶水賦存運(yùn)移特征，分析15號(hào)煤層底板突水情況，為今后15號(hào)煤層安全開(kāi)采提供參考依據(jù)。

1 礦區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

井田地處太行山西緣南段，沁水煤盆地東南緣，地貌形態(tài)屬于丹河流域侵蝕中低山丘陵區(qū)，地勢(shì)西高東低。區(qū)內(nèi)地層構(gòu)造方向與區(qū)域構(gòu)造線(xiàn)基本一致，總體呈一單斜構(gòu)造，地層走向近南北，傾向向西。山西組3號(hào)煤層和太原組15號(hào)煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。井田主要含水層包括第四系砂礫石孔隙含水層，二疊系上、下石盒子組及山西組砂巖裂隙含水層，石炭系太原組砂巖夾石灰?guī)r巖溶裂隙含水層和奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層。其中第四系砂礫石孔隙含水層作為15號(hào)煤層間接充水含水層，主要接受大氣降水補(bǔ)給，對(duì)井田東部15號(hào)煤層淺埋區(qū)充水影響較大。二疊系上、下石盒子組及山西組砂巖裂隙含水層和石炭系太原組砂巖夾灰?guī)r巖溶裂隙含水層富水性弱，是15號(hào)煤層的直接充水含水層；奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層屬三姑泉域巖溶水系統(tǒng)，位于泉域西北部補(bǔ)給徑流區(qū)，該含水層從西北向東南富水性由弱變中等，是15號(hào)煤層的間接充水含水層，是本次研究的重點(diǎn)。

2 奧灰?guī)r溶水賦存運(yùn)移特征[3]

2.1 地層巖性及巖溶裂隙發(fā)育情況

1)上馬家溝組?？辈殂@孔揭露厚度154.62～235.85m。根據(jù)巖心鑒定并結(jié)合區(qū)域地層資料，下部巖性為灰、深灰色石灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r，角礫狀灰?guī)r中含泥質(zhì)條帶，底部見(jiàn)薄層石膏層，巖溶較發(fā)育，見(jiàn)小溶孔，并以泥質(zhì)灰?guī)r與下部地層分界；中部為深灰、灰色中-厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r，局部夾白云巖或泥質(zhì)灰?guī)r；上部以灰、深灰色，厚層狀石灰?guī)r為主，中夾薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r。井田東部奧灰水源井巖溶裂隙、溶孔較為發(fā)育，因此井田上馬家溝巖溶裂隙總體東部較為發(fā)育，向西發(fā)育程度逐漸變?nèi)酢?/p>

2)峰峰組?？辈殂@孔揭露厚度111.68～150.33m，平均130.00m。與下伏上馬家溝組為整合接觸。上部為灰色—灰白色巨厚層狀隱晶質(zhì)石灰?guī)r，局部裂隙發(fā)育，具方解石脈，間夾白云巖及角礫狀灰?guī)r，局部為泥質(zhì)石灰?guī)r。中部為灰色角礫狀石灰?guī)r、泥灰?guī)r和石灰?guī)r，灰色白云巖和泥質(zhì)白云巖，局部溶洞發(fā)育，裂隙內(nèi)充填有方解石脈。下部為灰色石灰?guī)r，淺灰色中厚層狀白云巖，含泥石灰?guī)r，局部有小溶洞。DS-3號(hào)水文孔鉆進(jìn)至248m附近(峰峰組上段)巖心破碎，消耗量有增大現(xiàn)象，達(dá)到0.41m3/h；270～285m處巖心破碎和溶孔裂隙發(fā)育，具方解石脈，鉆進(jìn)時(shí)消耗量有增大現(xiàn)象，達(dá)到0.65m3/h，測(cè)井時(shí)在該段有含水層反映(圖1)，說(shuō)明峰峰組局部巖溶裂隙發(fā)育。

2.2 水文地質(zhì)抽水試驗(yàn)

根據(jù)抽水試驗(yàn)資料：鉆孔涌水量0.014～0.183L/s，單位涌水量0.000 31～0.003 9L/(s·m)，水位標(biāo)高617.21～626.05m，滲透系數(shù)0.000 17～0.088m/d。另結(jié)合井田外南邊界相鄰前和煤業(yè)供水水源井(2008年6月施工)資料：鉆孔涌水量6.98L/s，單位涌水量0.11L/(s·m)，水位標(biāo)高611.30m。綜上推算，井田奧灰含水層富水性弱—中等，奧灰水位標(biāo)高在626～617m，水力坡度約為2.25‰，奧灰地下水水位總體為由北偏西向南逐漸降低。根據(jù)鉆孔單位涌水量、滲透系數(shù)和水化學(xué)特征，井田東部及中南部區(qū)域徑流條件和水循環(huán)交替較好，西部區(qū)域徑流條件和水循環(huán)交替很差。

2.3 水化學(xué)特征

從各孔水質(zhì)分析結(jié)果(表1)來(lái)看，井田內(nèi)奧陶系巖溶水水化學(xué)類(lèi)型為由西部SO4·HCO3—Ca·Mg型過(guò)渡到中部的HCO3·SO4—Ca·Mg型到東部的HCO3—Ca型，而礦化度西部到東部逐漸變小，水溫15℃～18.5℃，pH值7.71～10.29。

圖1 DS-3孔含水層測(cè)井曲線(xiàn)Figure 1 Borehole DS-3 aquifer logging traces

孔號(hào)Ca2+/mg·L-1Mg2+/mg·L-1Na+/mg·L-1HCO-3/mg·L-1SO2-4/mg·L-1Cl-/mg·L-1礦化度/mg·L-1總硬度/mg·L-1pH水溫/℃水質(zhì)類(lèi)型DS-1183.5361.6894.28478.05476.3824.201 085712.1910.2918.5SO4·HCO3—Ca·MgDS-2125.9929.5821.43337.26175.3317.75538436.577.7918.5HCO3·SO4—Ca·MgDS-387.7133.1612.15285.73130.6811.86421355.638.4318HCO3·SO4—Ca·Mg南陽(yáng)奧灰水井91.2813.7615.12295.0363.1823.71366284.647.7118HCO3—Ca

(1)

式中：DAB——A、B水樣點(diǎn)之間的圖上距離；

DAq——轉(zhuǎn)換分界點(diǎn)q距A水樣點(diǎn)的圖上距離；

Api、Apj——A水樣點(diǎn)上第i位離子和第j位離子的毫克當(dāng)量；

Bpi、Bpj——B水樣點(diǎn)上第i位離子和第j位離子的毫克當(dāng)量。

2.4 補(bǔ)給徑流排泄條件

井田處于三姑泉域的北部補(bǔ)給徑流區(qū)，東邊界為煤層隱伏露頭線(xiàn)，受晉獲斷裂帶影響，井田東部地層抬升，東部邊界外奧陶系出露，成為補(bǔ)給邊界，接受大氣降水入滲補(bǔ)給、 河水滲透補(bǔ)給及上覆含水層的越流補(bǔ)給后，巖溶水在井田內(nèi)的徑流方向大致是由北偏西向南，而后以泉群形式在三姑泉一帶排泄。

圖2 奧陶系灰?guī)r巖溶水富水性及水化學(xué)分區(qū)Figure 2 Ordovician limestone karstic water yield property and hydrochemical zoning

3 太原組下組煤15號(hào)煤層底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[8-10]

井田范圍內(nèi)15號(hào)煤層底板標(biāo)高780～510m，奧灰水位標(biāo)高為626～617m，井田中西部15號(hào)煤層底板等高線(xiàn)低于奧灰水位，同時(shí)15號(hào)煤層底板至奧灰頂界的隔水層厚度為20.72m(溝底GDS5號(hào)孔)～8.13m(野川YC—14號(hào)孔)，平均13.84m，因此開(kāi)采15號(hào)煤層會(huì)受到奧灰水的影響。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄四，由于本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬簡(jiǎn)單類(lèi)型，井田帶壓區(qū)內(nèi)沒(méi)有發(fā)育較大斷層及陷落柱，本次帶壓開(kāi)采安全性分區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：T<0.1MPa/m(正常塊段)為相對(duì)安全區(qū)(Ⅰ)；T≥0.1MPa/m(正常塊段)為突水危險(xiǎn)區(qū)(Ⅱ)。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》，突水系數(shù)采用以下公式進(jìn)行計(jì)算。

T=P/M

(2)

式中：T——突水系數(shù)，MPa/m；

P——隔水層承受的水壓力，MPa；M——底板隔水層的厚度，m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果(表2)，15號(hào)煤層在尹家溝村西部屬于帶壓區(qū)，尹家溝村東部區(qū)域?qū)儆诜菐簠^(qū)。15號(hào)煤層底板突水系數(shù)最大為0.079MPa/m，小于0.1MPa/m，屬于相對(duì)安全區(qū)(Ⅰ)。15號(hào)煤層奧灰?guī)r溶水帶壓開(kāi)采突水系數(shù)及突水危險(xiǎn)性分區(qū)情況見(jiàn)圖3。井田西南部帶壓區(qū)內(nèi)存在X2、X3陷落柱，在陷落柱發(fā)育的地段，因其溝通了上下各含水層之間的水力聯(lián)系，增大了突水的可能性，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)陷落柱的超前探和防治水工作。

表2 15號(hào)煤層底板奧陶系灰?guī)r巖溶水突水系數(shù)計(jì)算成果

圖3 15號(hào)煤層奧陶系灰?guī)r巖溶水突水危險(xiǎn)性分區(qū)Figure 3 Coal No.15 Ordovician limestone karstic water bursting hazard zoning

4 結(jié)論

通過(guò)此次水文地質(zhì)勘查工作，對(duì)南陽(yáng)礦區(qū)奧灰?guī)r溶水賦存運(yùn)移特征有了新的認(rèn)識(shí)，主要成果有以下幾點(diǎn)：

1)該區(qū)奧灰?guī)r溶水水位標(biāo)高在626～617m，井田內(nèi)奧灰?guī)r溶水流向由北偏西向南徑流，富水性由東向西逐漸變?nèi)酰|(zhì)由東向西逐漸變差，地下水循環(huán)交替條件由東向西逐漸變差。

2)15號(hào)煤層在尹家溝村以西屬于帶壓開(kāi)采，突水系數(shù)最大為0.079MPa/m，小于0.1MPa/m，屬于相對(duì)安全區(qū)，在底板無(wú)斷裂構(gòu)造溝通下不影響15號(hào)煤的安全開(kāi)采，但今后進(jìn)入帶壓區(qū)應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范采取相應(yīng)安全措施后方可進(jìn)行采掘活動(dòng)。