界溝煤礦在構(gòu)造控水及生產(chǎn)采排作用下的防治水策略研究

武成周　李海偉　肖祖未

【摘 要】原生構(gòu)造控制了水文地質(zhì)邊界條件，含水層的相互補(bǔ)給關(guān)系，控制了地下水的補(bǔ)徑排條件、形成突水通道，是礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度的主控因素；礦井開采后，原巖結(jié)構(gòu)造到破壞，礦壓顯現(xiàn)，人工排水造成水壓變化，承壓水導(dǎo)高帶增加。因此在構(gòu)造控水和生產(chǎn)采排的共同作用下，對礦井的防治水工作提出了更高的要求。本文以界溝煤礦為例，針對本礦具體地質(zhì)條件，充分利用勘探及生產(chǎn)階段的成果資料，研究制定了礦井的防治水策略，為礦井安全生產(chǎn)提供科學(xué)的依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】構(gòu)造控水；生產(chǎn)采排；兩壓一?。环乐嗡呗?/p>

中圖分類號： TD74 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0238-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.108

0 引言

我國煤礦水害頻發(fā)，突水往往造成重大人員傷亡事故和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對礦井防治水工作開展了積極的研究。而煤礦水害的形成因素眾多，其中地質(zhì)構(gòu)造決定邊界條件、補(bǔ)給關(guān)系、儲(chǔ)水空間、突水通道等，從本質(zhì)上影響礦井的水文地質(zhì)條件和礦井水文地質(zhì)類型的劃分；而礦井采掘活動(dòng)會(huì)對原有構(gòu)造格架形成人工改造，部分揭露構(gòu)造由阻水轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)水、原儲(chǔ)水通道由靜儲(chǔ)量轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)儲(chǔ)量等。劉東升[1]提出了構(gòu)造控水研究模式；馬亞杰[2]分析認(rèn)為斷層發(fā)育密度、斷層走向與地下水與地下水徑流方向的關(guān)系對含水層局部富水性差異具有重要影響。

1 原生構(gòu)造控水作用

界溝煤礦位于童亭背斜西翼、五溝向斜的南段，主體構(gòu)造為一寬緩的向斜盆地，南北兩端分別被北東向正斷層界溝斷層、李家斷層而切割，局部有次級起伏，斷裂構(gòu)造較發(fā)育。本區(qū)構(gòu)造格架控制了地層產(chǎn)狀、接觸關(guān)系，進(jìn)一步影響地下水邊界系統(tǒng)、水文地質(zhì)單元的劃分和地下水補(bǔ)徑排條件。

1.1 構(gòu)造水文特征

1）五溝向斜

五溝向斜使本區(qū)主要可采煤層及含水層在東北西南方向出露，控制了井田地下水的主要流向，在軸部同斷層切割處成為富水帶。總體上，向斜軸部灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育程度弱于露頭附近巖溶發(fā)育程度。

2）界溝斷層

為本礦東南部邊界正斷層，傾角40～50°，落差>250m，總延展長度大于3500m；斷層錯(cuò)斷51～10煤。斷層上升盤對接太原組灰?guī)r、各主采煤層、煤層頂板砂巖含水層，為本礦主要的充水水源。

3）李家斷層

為本礦西北部邊界斷層，正斷層，傾角70°，落差90～240m，延展長度大于6500m，礦區(qū)邊界附近長度5516m，上升盤出露太原組、奧陶系馬家溝組灰?guī)r含水層，局部對接煤層及太原組含水層。

4）F6斷層

正斷層，位于區(qū)內(nèi)中南部，兩端延伸出境，斜切井田，走向NE，傾向NW，傾角45～75°，落差15～115m，錯(cuò)斷51～10煤，上升盤出露太原組上部灰?guī)r，局部對接煤層10煤層及頂板砂巖含水層。

5）F7斷層

正斷層，走向NE，傾向NW，傾角50～70°，落差20～70m，錯(cuò)斷51～10煤。位于區(qū)內(nèi)中部，西端延展至礦區(qū)邊界外，東端合并交匯于F6斷層，同F(xiàn)6斷層成為溝通向斜兩翼四含含水層的導(dǎo)水通道之一。上升盤出露太原組一灰，可局部對接10煤層。

6）F10斷層

正斷層，位于區(qū)內(nèi)北部，橫切全礦，走向NE，傾向NW，傾角70°，落差30～80m，錯(cuò)斷51～10煤層，西端延伸井田外。上升盤出露太原組上部灰?guī)r，局部對接煤層10煤層及頂板砂巖含水層，為溝通向斜兩翼露頭含水的斷裂之一。

1.2 水文地質(zhì)邊界

本礦水文地質(zhì)邊界劃分以礦區(qū)邊界斷層和含水層隱伏露頭為依據(jù)。邊界位置方位為：

1）西北方向李家斷層

李家斷層為張性斷裂，致礦區(qū)范圍內(nèi)各可采煤層同奧陶系灰?guī)r、太原組灰?guī)r直接對接，為補(bǔ)給邊界。

2）東北、西南邊界

東北方向含水層隱伏露頭、西南方向含水層隱伏露頭東北方向、西南方向邊界新生界四含含水層直接壓覆于10煤層頂板砂巖含水層、底板太原組含水層之上，對10煤層頂?shù)装逯苯映渌畬有纬裳a(bǔ)給，為補(bǔ)給邊界。

3）東南方向界溝斷層

東南方向界溝斷層落差大于250m，奧陶系中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r同煤系地層直接對接。礦井尚未開發(fā)前，水壓差未形成，斷層帶表現(xiàn)為隔水或弱導(dǎo)水，而區(qū)域內(nèi)一旦形成采動(dòng)裂隙，并形成水位差，則會(huì)逐漸形成導(dǎo)水?dāng)鄬?。亦為補(bǔ)給邊界。

本礦沒有自然排泄邊界，人工開采是本礦地下水主要排泄通道。

由地質(zhì)構(gòu)造條件分析，本礦為太原組灰?guī)r含水層為主要充水含水層的承壓水盆地。

1.3 水文地質(zhì)分區(qū)及突水危險(xiǎn)性

五溝向斜控制了本礦地下水的主徑流方向，同主徑流流向基本一致的NE向斷裂帶對井田內(nèi)含水層切割破壞，形成多級導(dǎo)水通道，根據(jù)本礦構(gòu)造特征可將井田分為三個(gè)水文地質(zhì)分區(qū)。

1）Ⅰ水文單元

以界溝斷層和F7、F6斷層為界，本單元位于界溝斷層下降盤、F6斷層上升盤，西部抬升、東部下降，F(xiàn)6斷層可視為本單元阻水邊界，界溝斷層為本單元補(bǔ)給邊界，可直接對10煤層和主要充水含水層進(jìn)行補(bǔ)給，本區(qū)是目前主要采掘區(qū)域，礦井生產(chǎn)巷道及采區(qū)均布設(shè)于此。

2）Ⅱ水文單元

以F7、F6斷層和F10斷層為界。本單元位于F6斷層下降盤F10斷層上升盤，西升東降，F(xiàn)10斷層可視為本單元阻水邊界，F(xiàn)6斷層視為補(bǔ)給邊界。本區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，底板隔水層切割破壞程度較單元Ⅰ單元嚴(yán)重，根據(jù)突水系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，本區(qū)具有突水危險(xiǎn)性。

3）Ⅲ水文單元

以李家斷層和F10斷層為界，本單元位于F10斷層下降盤李家斷層下降盤，形成一地塹構(gòu)造，兩條邊界斷層均為補(bǔ)給邊界。本區(qū)域內(nèi)揭露的斷層少，在留設(shè)合理的防隔水煤柱后，突水威脅性較小。見圖1。

圖1 界溝煤礦構(gòu)造簡圖及水文地質(zhì)分區(qū)

2 生產(chǎn)及采排對水文地質(zhì)的影響

開采后破壞了原巖穩(wěn)定性，對圍巖形成礦壓，同時(shí)會(huì)活化部分構(gòu)造，致使底板承壓水導(dǎo)高增加；礦井排水造成以采區(qū)為降落漏斗的水位差，使得全區(qū)煤層帶壓開采。因此“兩壓一薄”[1]極易導(dǎo)致礦井發(fā)生突水事故。

本區(qū)自上而下共有9層含水層，其中影響礦井10煤層開采含水層自上分別是新生界第四含水層、太原組一～四灰?guī)r含水層、奧陶系灰?guī)r含水層。礦井開采以來水位變化較大

1）第四含水層

四含在礦區(qū)兩端露頭處直接覆蓋在煤系地層露頭之上，煤層露頭區(qū)與上覆的四含直接對接，孔隙水地下水可沿淺部基巖風(fēng)化帶裂隙、導(dǎo)水裂隙帶順煤層下滲進(jìn)入礦井。四含水位自1973年+26.30m降至2017年11月的-103.87m，在45年內(nèi)共下降129.14m，年平均降幅為3.26m，其中投產(chǎn)前年降幅為1.26m，2007年礦井投產(chǎn)以來水位開始加速下降，年降幅達(dá)11.43m。

2）太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層

太灰水主要補(bǔ)給源為四含和奧灰，四含水資源儲(chǔ)量小，補(bǔ)給條件有限，奧灰水資源儲(chǔ)量大，補(bǔ)給源充足。太灰水位從1978年+26.27m，下降至2017年11月的-110.20m，40年內(nèi)下降136.47m，年平均降幅3.41m。太灰水位變化幅度基本同四含水一致，水位高度多年來逐漸下降，相較四含含水層，太灰富水性強(qiáng)，單位降深內(nèi)巖層彈性釋水遠(yuǎn)大于四含含水層，且?guī)r溶地下水屬于管道流，易形成地下水強(qiáng)徑流帶。目前太原組灰?guī)r水壓已達(dá)到4.42MPa，10煤層全區(qū)帶壓開采。

3）奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層（段）

奧灰屬于巨厚型含水層，本身水資源蘊(yùn)藏量巨大，其水頭高度在40多年內(nèi)下降幅度不超過30m，界溝斷層上升盤對煤系地層出露的奧灰“富水墻”面積達(dá)到0.59km2，同時(shí)李家斷層上升盤也會(huì)出露較大面積奧灰，可對太灰、煤層直接頂?shù)装迳皫r含水層、四含及可采煤層進(jìn)行充水，是本區(qū)各含水層的主要補(bǔ)給源。

3 結(jié)論

1）本礦為一承壓水盆地，對底板注漿加固可做到安全回采，但形成了以采區(qū)為中心的降落漏斗，使采區(qū)中心帶壓程度增加；

2）依據(jù)開采中涌水狀況及其分布、涌水與地質(zhì)構(gòu)造、采動(dòng)效應(yīng)等的關(guān)系研究，劃分出了三個(gè)水文地質(zhì)單元，其中Ⅰ水文單元水壓較高，突水系數(shù)較小，斷層發(fā)育程度中等，最大的威脅在界溝斷層；Ⅱ水文地質(zhì)單元構(gòu)造復(fù)雜，突水系數(shù)已超過臨界突水點(diǎn)，正、逆斷層較發(fā)育防治水工足量較大；Ⅲ水文地質(zhì)分區(qū)地層緩傾，構(gòu)造相對簡單，突水系數(shù)在安全范圍內(nèi)，但受李家斷層的對接影響，需留設(shè)足夠防水煤柱。探查斷層是否溝通奧灰，研究Ⅱ水文地質(zhì)單元安全開采，是目前面臨的主要課題。

3）本礦目前長觀孔主要集中于東北部邊界露頭外，對其他三邊的水位數(shù)據(jù)監(jiān)測不足，無法準(zhǔn)確識別地下水徑流方向、補(bǔ)給條件，無法提供準(zhǔn)確的水動(dòng)態(tài)特征參數(shù)，對全面研究防治水策略有一定的影響。

4）底板隔水層有效厚度還會(huì)受到放頂和礦壓的破壞導(dǎo)致底板隔水層導(dǎo)高帶增加，應(yīng)當(dāng)適時(shí)開展相關(guān)研究，為防治水工作提供必要的數(shù)據(jù)支撐；

5）適時(shí)開展區(qū)域綜合治理，查明集中補(bǔ)給邊界，阻斷主要含水層的補(bǔ)給源、尤其是邊界斷層奧灰水的補(bǔ)給條件，并對其進(jìn)行帷幕注漿，截?cái)嗨础?/p>

6）防治水由過程治理到源頭預(yù)防、局部治理到區(qū)域治理、井下治理到井上下綜合治理、措施防范到工程治理、單一治水到治保結(jié)合的綜合治水策略[3]。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉東升.構(gòu)造控水的理論探討[J].山東煤炭科技，1998，4：43-45.

[2]馬亞杰，左文喆，劉伯等.隱伏向斜揚(yáng)起端構(gòu)造控水規(guī)律分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37（1）：157-160.

[3]河南省煤田地質(zhì)局三隊(duì).安徽界溝礦業(yè)有限公司界溝煤礦10煤層底板水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告[R].鄭州，河南省煤田地質(zhì)局三隊(duì)，2017：38-84.