新疆和田普陽煤礦開采技術(shù)條件分析

魯艷平， 祁 斌

(中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100038； 廣東煤炭煤地質(zhì)局勘查院，廣州 510110)

0 前言

和田地區(qū)屬嚴(yán)重缺煤地區(qū)，目前生產(chǎn)礦井主要分布在和田布雅礦區(qū)和杜瓦礦區(qū)內(nèi)。布雅煤礦區(qū)普陽煤礦位于和田市以南120km處，煤礦向北有216省道通往和田，沿東北方向有瀝青公路通往策勒縣，內(nèi)部有柏油公路和簡易砂石路與外部瀝青公路相通，交通較便利。煤礦內(nèi)查明煤炭資源量約7 000萬t，結(jié)合煤礦地質(zhì)勘探成果，對未來開發(fā)的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)條件進(jìn)行分析。

1 井田地質(zhì)特征

1.1 井田地層及煤層

井田內(nèi)自下而上的地層層序是：二疊系上統(tǒng)杜瓦組(P2d)、侏羅系下統(tǒng)康蘇組(J1k)、侏羅系中統(tǒng)楊葉組(J2y)、侏羅系上統(tǒng)庫孜貢蘇組(J3k)、白堊系下統(tǒng)克孜勒蘇群(K1kz)、古近系古新統(tǒng)喀什群(E1ks)、新近系中新統(tǒng)烏恰群(N2wq)、第四系全新統(tǒng)(Q4)。其中侏羅系下統(tǒng)康蘇組(J1k)和侏羅系中統(tǒng)楊葉組(J2y)為井田主要含煤地層。

井田內(nèi)局部可采、大部可采煤層有兩層，分別為A2-2、A2-1煤層。A2-1煤層發(fā)育在康蘇組的中部，煤層總厚度0.29～4.25m，平均厚度1.58m；可采厚度0.98～2.85m，平均厚度1.69m；煤層結(jié)構(gòu)簡單-復(fù)雜。A2-1煤層發(fā)育在康蘇組的中下部，煤層總厚度0.05～11.32m，平均厚度2.88m；可采厚度0.80～8.87m，平均厚度2.44m；煤層結(jié)構(gòu)簡單-復(fù)雜。

1.2 礦區(qū)構(gòu)造

布雅聚煤盆地屬斷坳陷型盆地，南部為昆侖北緣斷裂，北部為鐵克里克南緣斷裂。盆地是在晚古生代未期拗陷基礎(chǔ)上發(fā)展形成的中新生代拗陷盆地。二疊系構(gòu)成了盆地中新生界的沉積基底。拗陷寬約30km，大部為新生界覆蓋，含煤地層由東向西構(gòu)成一寬緩的單斜構(gòu)造，地層傾角7°～8°，深部傾角變化不大，總體比較穩(wěn)定。

井田位于布雅含煤盆地的西部，為一向東南傾的單斜構(gòu)造，構(gòu)造簡單。地層傾向60°～120°，傾角8°～12°。井田未見斷層，無巖漿巖侵入。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

2.1 區(qū)域水文地質(zhì)概況

布雅煤礦區(qū)處于塔西南陸內(nèi)拗陷帶的西南部，地勢呈西南高，東北低，坡度5°～10°,基本呈單斜構(gòu)造。

區(qū)域?qū)俅箨懶园霛駶?干旱荒漠氣候，四季干旱少雨，晝夜溫差較大。年平均氣溫11.6℃，日溫差大于15℃。年降雨量122.1mm，年蒸發(fā)量為2 083.7mm，降水集中在5月至9月，占全年降雨量的95%。冬天積雪厚度20～30mm。

皮夏河是區(qū)域內(nèi)最大的常年性河流。發(fā)源于區(qū)域南部的昆侖山脈，河谷坡度極大，水流較急，流量不穩(wěn)定，接受泉水、大氣降水、高山融雪補(bǔ)給。洪水期發(fā)生在每年的6～8月，流量1.3～20m3/s，最大洪峰流量估計(jì)約10～20m3/s；4月流量最小為0.16m3/s，平均水期流量在0.2～0.4m3/s。年平均流量0.67m3/s，年總徑流量2 112.9萬m3，在區(qū)域南部橫切侏羅系、二疊系。

布雅河為區(qū)域常年性河流，發(fā)源于區(qū)域北部鐵克力克山脈，河水由山區(qū)泉水及降水補(bǔ)給，年平均流量0.47m3/s，年總徑流量1 482.2萬m3，在區(qū)域北部匯入玉龍喀什河。

咸水溝為一山間小溪，由泉水和降水補(bǔ)給，年平均流量0.008 5m3/s，季節(jié)變化較大，年總徑流量27.0萬m3，在區(qū)域北部注入布雅河。

2.2 井田含(隔)水層劃分及參數(shù)

2.2.1 含(隔)水層劃分依據(jù)

(1)根據(jù)鉆孔編錄資料，井田內(nèi)的地層由松散巖類、半固結(jié)巖類、煤層和沉積碎屑巖類組成，侏羅系由泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖、含礫粗砂巖及煤層以互層韻律形式組成，各種巖石的單層厚度可由數(shù)厘米變化到數(shù)米，乃至數(shù)十米。因此難以按單一巖性的巖層劃分含、隔水層，只能以較大的巖性段來劃分。

(2)通過鉆孔簡易水文地質(zhì)觀測，當(dāng)鉆進(jìn)到粗砂巖、礫巖等粗碎屑巖段或局部裂隙發(fā)育的粉、細(xì)砂巖段時，鉆孔內(nèi)出現(xiàn)涌水或有大量泥漿滲失，而鉆進(jìn)至泥巖及粉砂巖等細(xì)碎屑巖段時，孔內(nèi)水位變化不大。由此說明粗砂巖等巖石具有透水和承壓性能?？蓪⑩}泥質(zhì)膠結(jié)的較為疏松的砂巖及礫巖劃分為含水層，這類巖石的孔隙度相對較大，裂隙相對發(fā)育，透水性、含水性相對較好，具有承壓性。而將泥巖、粉砂巖等細(xì)粒相巖石視為相對隔水層。

表1 含(隔)水層劃分及參數(shù)一覽表

根據(jù)鉆孔地質(zhì)編錄成果、簡易水文觀測和抽水試驗(yàn)，礦區(qū)共劃分了1個透水不含水層，1個含水層及2個隔水層，參數(shù)見下表。

2.3 地下水與地表水及各含水層間的水力聯(lián)系

2.3.1 地下水與地表水間的水力聯(lián)系

井田內(nèi)無地表徑流及其它水體，但較大降水過程在局部低洼處形成暫時地表水體，能通過地表出露的侏羅系巖層的風(fēng)化裂隙補(bǔ)給地下水，因此地下水與地表水之間，在特定的環(huán)境條件下，存在一定水力聯(lián)系。而本區(qū)氣候干旱，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，因此這種補(bǔ)給關(guān)系甚微，總體而言，井田地下水與地表水之間的水力聯(lián)系是微弱的。

2.3.2 含水層間的水力聯(lián)系

根據(jù)區(qū)域水文資料和鉆孔抽水實(shí)驗(yàn)成果，井田范圍內(nèi)劃分了一個透水不含水層、二個相對隔水層和一個含水層，H1含水層基于G1、G2隔水層的阻隔，僅能在有限的基巖露頭區(qū)接受大氣降水和T1透水不含水層的入滲補(bǔ)給。

2.4 地下水的化學(xué)特征

地下水化學(xué)類型屬氯化物-鈉·鉀型水和氯化物·硫酸鹽-鈉鉀·鈣型水。總硬度1 311.46～6 301.04mg/L，礦化度5 742～29 636mg/L，pH值7.7～7.9。為中性、極硬、咸-鹽水，鍋垢很多，具硬沉淀物，起泡，有腐蝕性。對混凝土無分解性侵蝕，無分解結(jié)晶復(fù)合性侵蝕, 有結(jié)晶性侵蝕。不適于直接作為灌溉水源。

依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GBT14848-1993，井田地下水屬第V類水，不能直接利用。故未來井采過程中，礦井疏排水應(yīng)采取相應(yīng)治理措施，變廢為寶。

2.5 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

2.5.1 地下水的補(bǔ)給來源

區(qū)域內(nèi)皮夏河、布雅河離井田較遠(yuǎn)，對井田內(nèi)地層補(bǔ)給較弱。侏羅系露頭在井田西部出露，接受大氣降水補(bǔ)給，是井田基巖地下水的唯一補(bǔ)給來源，但由于降水量小，蒸發(fā)量大，降水主要消耗在蒸發(fā)上，且各含水層透水性較差，又有多層隔水層存在，從鉆孔抽水試驗(yàn)資料水位恢復(fù)曲線上進(jìn)一步證實(shí)，侏羅系地下水補(bǔ)給有限，因此，井田內(nèi)基巖地下水補(bǔ)給不足，巖層含水微弱，以靜儲存量為主。

2.5.2 地下水的運(yùn)移

井田內(nèi)地下水受沉積相變的控制和制約，因單斜構(gòu)造，傾向南東，地下水本應(yīng)沿此方向運(yùn)移，但井田內(nèi)地下水受層狀巖層的控制和制約，其運(yùn)移方向?yàn)橄驇r層走向方向運(yùn)移。根據(jù)井田內(nèi)抽水實(shí)驗(yàn)的靜水位標(biāo)高分析：井田內(nèi)地下水總體上從南西向北東方向運(yùn)移。

2.5.3 地下水的排泄

井田內(nèi)深切的礦坑溝谷和井田外東部的咸水溝是基巖地下水的主要排泄區(qū)。

總體來說，井田基巖地下水主要補(bǔ)給水源為大氣降水，地下水循層運(yùn)動滯緩，層間水力聯(lián)系微弱，處于半封閉狀態(tài)，地下水在總體上是從南西向北東循層運(yùn)移，井田內(nèi)深切的礦坑溝谷和井田外東部的咸水溝是基巖地下水的主要排泄區(qū)。

2.5.4 斷裂構(gòu)造導(dǎo)水性

井田構(gòu)造簡單，總體為單斜構(gòu)造，地層傾角8°～ 12°。區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造，即使存在小型斷裂和錯動，據(jù)鄰近礦井井下揭露未發(fā)現(xiàn)涌水的情況推斷，可初步斷定本井田基本上不存在斷層充水的可能性。

2.6 水文地質(zhì)類型

綜上所述，井田構(gòu)造簡單，無地表水流，位于井田外東北部的咸水溝最低侵蝕基準(zhǔn)面2 460.17m，是井田基巖地下水的主要排泄區(qū)位于井田外西南部皮夏河，最低侵蝕基準(zhǔn)面2 785.44m。據(jù)鉆孔穩(wěn)定水位觀測，地下水標(biāo)高在2 894.80～2 917.94m，井田內(nèi)賦煤標(biāo)高最高在+3 000m，部分煤層位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面和地下水位以上，巖層富水性微弱，多以隔水層和弱含水層為主。故井田水文地質(zhì)條件屬二類一型，即以裂隙含水層為主，水文地質(zhì)條件簡單的礦床。未來礦床開采時，建議礦方密切關(guān)注礦井生產(chǎn)過程中的井下排水情況，詳細(xì)收集井下水文變化情況，及時采取相應(yīng)措施。做到有疑必探，先探后采，避免造成礦井突、涌水事故的發(fā)生。

3 工程地質(zhì)及其他開采技術(shù)條件

3.1 工程地質(zhì)特征

井田第四系含礫砂土、風(fēng)成砂土出露于地表，總體結(jié)構(gòu)疏松，其位于地下水水位以上，不具軟化及泥化作用。地表植被零星發(fā)育，如遇暴雨，局部水流聚集于地表低洼處，易形成短暫性洪流，并夾雜少量泥沙石等，引發(fā)礦山工程地質(zhì)問題。

侏羅系含煤巖系部分位于地下混合水位以下層段，巖性較復(fù)雜，巖體為層狀結(jié)構(gòu)，層理面較發(fā)育，局部有節(jié)理、裂隙。

A2-1煤層頂板多為灰白色粗砂巖、灰色粉砂巖，局部為灰色細(xì)砂巖、中砂巖等，飽和狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度1.60～41.50MPa，平均16.88MPa；抗張及抗剪切強(qiáng)度接近或略低于經(jīng)驗(yàn)值，屬不穩(wěn)定型頂板；軟化系數(shù)小于0.75，巖石質(zhì)量等級為易軟化的極軟巖-較堅(jiān)硬巖。未來井采A2-1號煤層，該煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度12.9～164.5m?？赡馨l(fā)生塊體塌落，致使易產(chǎn)生頂板冒落工程地質(zhì)問題。其直接底板多為灰色粉砂巖、灰白色粗砂巖，局部為砂礫巖、中砂巖，飽和狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度6.90～33.80MPa，平均17.56MPa；抗張及抗剪切強(qiáng)度接近或略低于經(jīng)驗(yàn)值；軟化系數(shù)多小于0.75，巖石質(zhì)量等級為易軟化的軟巖-較堅(jiān)硬巖，圍巖穩(wěn)固性差。

井田內(nèi)含煤組巖體質(zhì)量指標(biāo)M=0.06，巖體分類為Ⅳ類，巖體質(zhì)量差。

總體上，井田工程地質(zhì)類型屬層狀巖類中等偏復(fù)雜型。

3.2 井田瓦斯

井田內(nèi)煤層瓦斯分帶屬于二氧化碳―氮?dú)鈳Щ虻獨(dú)猕D沼氣帶。各煤層的瓦斯含量變化無規(guī)律， CH4僅在局部聚集。在未來的生產(chǎn)過程中必須引起足夠重視，對瓦斯應(yīng)進(jìn)一步測定和積累資料，對通風(fēng)系統(tǒng)和瓦斯進(jìn)行科學(xué)管理,以有效的措施,嚴(yán)防局部瓦斯聚集造成的瓦斯爆炸和CO2窒息事故,確保礦井安全生產(chǎn)。

3.3 煤塵爆炸性和煤層自燃

井田各煤層煤塵均具有爆炸性，火焰長度100～400mm，巖粉量65%～80%，在以后對礦區(qū)進(jìn)行開發(fā)時應(yīng)采取有效措施，及時灑水滅塵，杜絕煤塵爆炸事故的發(fā)生，確保礦井安全。

井田各煤層經(jīng)色譜吸氧鑒定法測試各煤層吸氧量0.56～0.93cm3/g。屬II類(自燃)、I類(容易自燃)的煤。故在今后開采過程中，應(yīng)進(jìn)行科學(xué)的管理并采取有效措施，預(yù)防煤的自燃，確保安全生產(chǎn)，在開采過程中還應(yīng)及時清理殘煤，防止礦井發(fā)生火災(zāi)。

3.4 地溫

井田地層變溫帶一般在0～85m；恒溫帶不明顯；其下為增溫帶，總體地溫梯度1.2～1.9℃/100m，井田屬于地溫正常區(qū)，無熱害影響。

3.5 放射性

在A1煤層局部和A2煤層下部約20～50m局部范圍存在放射性異常，部分采樣測試點(diǎn)煤層天然伽瑪強(qiáng)度異常值為33.3Pa/kg，建議在未來礦井開拓中注意該方面的問題，做好防范措施。

4 礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)

礦區(qū)氣候?qū)儆趦?nèi)陸中山亞干旱荒漠氣候帶，特點(diǎn)是干旱多風(fēng)，寒季長、署季短，年平均氣溫11.6℃，日溫差一般大于15℃，年降雨量122.1mm，年蒸發(fā)量為2 083.7mm，降雨量集中在五月至九月，占全年降雨量的95%，冬季積雪厚度20～30mm，區(qū)內(nèi)全年有風(fēng)，十二月至二月風(fēng)較少，風(fēng)向主要有北、北北東和南西、南南西，風(fēng)力一般5級，風(fēng)速一般5～10m/s，最大風(fēng)力6級，風(fēng)速13m/s，偶有7～8級風(fēng)，沙塵暴時有發(fā)生。

干旱區(qū)的自然地理?xiàng)l件決定了井田地表以風(fēng)蝕及風(fēng)的吹揚(yáng)、搬運(yùn)、堆積為主導(dǎo)的外動力地質(zhì)作用，地表大部為風(fēng)積砂土覆蓋，近年來，隨著降雨的增多，地表陸續(xù)開始有植物生長。

地勢呈東高西低、南高北低， 在自然情況下，井田內(nèi)無滑坡、崩塌、泥石流、塌陷坑等不良地質(zhì)災(zāi)害。全區(qū)沒有塌陷坑。近年來，井田降雨量增多，可能有短暫性降水匯成洪流沖毀道路及相關(guān)建筑設(shè)施。在礦井開采過程中，宜加強(qiáng)對地表暫時徑流的疏導(dǎo)和防范，防止洪水淹沒礦井。

隨著新建礦井的開發(fā)，特別是沿井田西北邊界一帶淺部煤層的開采，隨著回采面積的不斷擴(kuò)大，由于煤層頂?shù)装鍘r層穩(wěn)定性較差，當(dāng)井下開采后，打破了巖石原有的穩(wěn)定性，自然使上覆巖層發(fā)生移動，由于冒落帶和裂隙帶波及地表，將導(dǎo)致沿走向產(chǎn)生大量的塌陷坑和裂縫，在今后礦山建設(shè)中應(yīng)避免在采空區(qū)地段修建比較重要的建筑物，若在采空區(qū)地表修建比較重要的建筑物，應(yīng)進(jìn)行專門的工程地質(zhì)勘探工作，以保證建筑物的安全。

和田地區(qū)處于塔里木盆地西南緣，即塔西南拗陷帶的西段，是我國西北地區(qū)地震強(qiáng)烈活動的地區(qū)之一。據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18036-2001)，井田地震動峰值加速度為0.20g，地震基本烈度值為Ⅷ。應(yīng)加強(qiáng)地震預(yù)防。

礦區(qū)內(nèi)地表大面積第四系覆蓋，鮮有植物分布和動物出沒，礦區(qū)總體自然環(huán)境中等。

5 結(jié)論

普陽煤礦作為和田地區(qū)的重要煤產(chǎn)地，查明煤炭資源量約7 000萬t，含煤地層為侏羅系下統(tǒng)康蘇組和侏羅系中統(tǒng)楊葉組，主要可采煤層有2層。井田構(gòu)造簡單，水文地質(zhì)條件簡單，工程地質(zhì)條件中等偏復(fù)雜，環(huán)境地質(zhì)條件中等。煤層瓦斯局部富集，煤塵有爆炸性，煤層容易自燃，井田地溫正常，煤層局部有放射性。在未來建井開采過程中應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)防護(hù)、治理措施，保證礦井安全生產(chǎn)。