宣下煤田煤系基底薊縣系白云巖水文地質(zhì)研究

朱貴禎

（冀中能源張礦集團(tuán)宣東礦，河北 張家口 075000）

1 引言

宣東田地處宣化盆地的東南部，盆地四周群山環(huán)抱，近東西走向，為沖、洪積形成的帶狀山間河谷盆地。與宣東礦條件相近的宣東一礦在開采V2煤層5201工作面時(shí)，發(fā)生兩次突水，1996年9月24日采面推到110m，突水量達(dá)440m3/h，1997年1月11日再次突水，突水量達(dá)885m3/h。然后開采5203工作面，1997年12月19日采面推進(jìn)到65m發(fā)生第三次突水，突水量達(dá)1400m3/h，經(jīng)過(guò)鉆探、物探、水化學(xué)分析和同位素測(cè)定，最終確定為基底薊縣系白云巖水突水造成。宣東礦與宣東一礦相鄰，同屬宣下煤田，地質(zhì)和水文地質(zhì)條件相類似，宣東礦在以往的地質(zhì)及水文地質(zhì)詳查、精查勘探中，絕大多數(shù)鉆孔未能揭露基底含水層，提供的水文地質(zhì)資料不詳，不能滿足水文地質(zhì)條件分析需要，基底白云巖含水層對(duì)V2煤層開采的影響不清楚，為了進(jìn)一步查清基底含水層水文地質(zhì)條件，評(píng)價(jià)V2煤層基底含水層水威脅程度，采取有效措施，實(shí)現(xiàn)V2煤層安全回采，宣東礦通過(guò)施工水文補(bǔ)勘鉆孔進(jìn)行基底水文地質(zhì)條件的研究。本次補(bǔ)充勘探的重點(diǎn)目的層位就是V2煤底板薊縣系鐵嶺組白云質(zhì)灰?guī)r含水層、霧迷山組白云質(zhì)灰?guī)r含水層和V2煤底板與含水層之間的隔水巖組[1-3]。

2 地質(zhì)概況

2.1 區(qū)域地質(zhì)

宣下煤田大地構(gòu)造位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)（Ⅰ）、燕山沉陷帶（Ⅱ）、冀西陷褶斷束（Ⅲ）、宣龍復(fù)向斜（Ⅳ）宣后向斜（Ⅴ）的中央部位。區(qū)域內(nèi)地層發(fā)育有：太古界遷西群；中元古界長(zhǎng)城系高于莊組（Chg）；薊縣系霧迷山組（Jxw）、鐵嶺組（Jxt）；上元古界青白口系下馬嶺組（Qnx）、長(zhǎng)龍山組（Qnc）；中生界三疊系杏石口組（T3x）；侏羅系下統(tǒng)南大嶺組（J1n），侏羅系中下統(tǒng)下花園組（J1-2x），中統(tǒng)九龍山組（J2j）、髫髻山組（J2t）；新生界第四系（Q）。區(qū)域上宣化盆地處于燕山沉降帶中的宣龍復(fù)向斜中，宣龍復(fù)向斜以開闊的褶皺及高角度正、逆斷層為主，并伴有垂直升降運(yùn)動(dòng)。宣化向斜為一完整的近東西向開闊的向斜，斷裂以東西向?yàn)橹?。區(qū)內(nèi)新生界尤其是第四系堆積嚴(yán)格受其制約。

2.2 礦井地質(zhì)概況

井田內(nèi)地層由老至新有：上元古界薊縣系霧迷山組（JXW）、洪水莊組（JXh）、鐵嶺組（JXt）；青白口系下馬嶺組；中生界侏羅系中、下統(tǒng)下花園組，中統(tǒng)九龍山組、髫髻山組；新生界第四系。地層平緩，傾角5°～15°，井田內(nèi)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，斷層稀少，共有5層可采煤層，即Ⅲ3、Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅳ3、Ⅴ2煤層，其中較穩(wěn)定可采的煤層為侏羅系下統(tǒng)下花園組Ⅲ3、Ⅴ2煤層，依據(jù)井田出露地層層序、巖性及其富水性和煤層的關(guān)系，結(jié)合區(qū)域含水層劃分情況，本井田劃分出7個(gè)含水巖組13個(gè)含水層，分別為薊縣霧迷山白云質(zhì)灰?guī)r含水層、薊縣鐵嶺組白云質(zhì)灰?guī)r含水層、侏羅系中下統(tǒng)下花園砂巖裂隙承壓含水層、侏羅系中統(tǒng)九龍山組礫巖、凝灰?guī)r、砂礫巖裂隙承壓含水層、侏羅系中統(tǒng)髫髻山組安山巖裂隙承壓含水層、第四系砂礫石孔隙潛水—承壓含水層、輝綠巖裂隙承壓含水層等。由于井田的陸相沉積地層巖性以及火成巖侵入穿插的影響，給含水層的對(duì)比劃分帶來(lái)一定的困難，從鉆孔簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)資料分析，說(shuō)明巖層的富水性也很不均一。在確定含水層時(shí)，主要依靠巖性、裂隙發(fā)育程度并結(jié)合鉆孔簡(jiǎn)易水文情況而定。

3 水文補(bǔ)勘研究

3.1 補(bǔ)勘鉆孔布置及施工

根據(jù)井田情況，共施工5個(gè)鉆孔。分別如下：

（1）補(bǔ)水1孔深1110.43m，白云巖加深128.43m。0～752m間斷取芯，752m以下采用Φ91mm肋骨鉆頭取芯至基底白云巖加深128.43m。

（2）補(bǔ)水2孔深1133.42m，白云巖加深131.69m。0～895.98m間斷取芯，895.98m以下采用Φ91mm肋骨鉆頭取芯至基底白云巖加深131.69m。

（3）補(bǔ)水3孔深1044.18m，白云巖加深103.53m。0～656.65m間斷取芯，656.65m以下采用Φ91mm肋骨鉆頭取芯至基底灰?guī)r加深103.53m。

（4）補(bǔ)水4孔深1252.67m，白云巖加深193.05m。0～791.62m間斷取芯，791.62m以下采用Φ113mm肋骨鉆頭取芯至基底。

（5）補(bǔ)水5孔深1269.31m，白云巖加深100.41m。0～871.23m間斷取芯，871.23m以下采用Φ113mm肋骨鉆頭取芯至基底。

3.2 抽水試驗(yàn)情況

本次補(bǔ)充勘探共施工5個(gè)地面鉆孔，分別對(duì)基底灰?guī)r含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)。通過(guò)圖1、2、3可以得出：基底灰?guī)r水位在礦區(qū)東北部較高，在礦區(qū)范圍內(nèi)基底灰?guī)r含水層水從東北向西南徑流，排泄。通過(guò)各個(gè)鉆孔的單孔放水試驗(yàn)取得的參數(shù)分析，基底灰?guī)r富水性弱至中等。從井田區(qū)域上來(lái)看，礦井西北部富水性較其他區(qū)域強(qiáng)一些?；谆?guī)r含水層的滲透系數(shù)也說(shuō)明這個(gè)問題，補(bǔ)充勘探得出的滲透系數(shù)基本均小于1m/d，屬于半透水或弱透水含水層。

圖1 基底灰?guī)r單位涌水量等值線圖

圖2 基底灰?guī)r水位等值線圖

3.3 基底白云巖含水層水化學(xué)特征

圖4 為基底灰?guī)r水Piper，從圖中可看出不同取樣孔水質(zhì)的變化及演化趨勢(shì)，即補(bǔ)水1和補(bǔ)水4在Piper圖中的位置接近，為同一水質(zhì)類型的水，補(bǔ)水5偏離最遠(yuǎn)，補(bǔ)水2、補(bǔ)水3次之，說(shuō)明薊縣系鐵嶺組含水層水質(zhì)的不均一性，即該含水層水賦存于裂隙中，對(duì)灰?guī)r的溶蝕作用比較弱，水力交替較差；補(bǔ)水1和補(bǔ)水4的混合灰?guī)r水中霧迷山組含水層的水占的量相對(duì)較大，水質(zhì)類型穩(wěn)定，預(yù)示著相對(duì)鐵嶺組含水層，霧迷山組含水層富水性要強(qiáng)的多。

表1 基底灰?guī)r水化學(xué)類型一覽表

圖3 基底巖滲透系數(shù)等值線圖

圖4 基底灰?guī)r水Piper圖

4 底板突水評(píng)價(jià)

4.1 突水系數(shù)評(píng)價(jià)

V2煤層開采基底灰?guī)r含水層突水系數(shù)介于0.12～0.2MPa/m之間（表2），大大超過(guò)突水系數(shù)安全評(píng)價(jià)中正常地段小于0.1MPa/m，構(gòu)造影響區(qū)域小于0.06MPa/m的基本要求，需要進(jìn)行加固或疏放后可進(jìn)行回采。

表2 不考慮灰?guī)r利用情況突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

4.2 富水性評(píng)價(jià)

通過(guò)本次水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探可知，基底灰?guī)r富水性不均一，區(qū)域上來(lái)看，淺部富水性較弱，但在局部存在強(qiáng)富水區(qū)。

4.3 充水通道

由于本礦底板隔水層帶壓9～10MPa，而且由于目前探查得出的底板隔水層為50～80m左右，底板采動(dòng)破壞影響后，剩余有效隔水層受到斷層的影響后突水威脅更大。

4.4 底板威脅程度

已有的5個(gè)補(bǔ)充勘探孔，可見到明顯消耗的補(bǔ)水1、補(bǔ)水3、補(bǔ)水4孔附近的隔水層厚度變化大，39.5～134.9m，從整個(gè)礦井來(lái)看，對(duì)隔水層厚度變化控制程度過(guò)低[4]。

5 防治水技術(shù)對(duì)策

該礦開采V2煤層的主要水害問題為底板承受水壓太高，隔水層厚度有限。目前底板水防治對(duì)策主要有：（1）帶壓開采；（2）疏水后帶壓開采；（3）評(píng)價(jià)灰?guī)r上段可利用條件，把灰?guī)r上段做為隔水層對(duì)待，進(jìn)行帶壓開采。大多數(shù)礦井主要采用帶壓開采或疏水后帶壓開采，僅在部分條件特殊的礦井采用疏干開采，考慮到本礦基底白云質(zhì)灰?guī)r的富水性弱至中等，隔水層也具有一定厚度，建議采用疏水后帶壓開采[5]。

6 結(jié)論

（1）該項(xiàng)目施工了5個(gè)水文勘查鉆孔，取得了相關(guān)試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)及勘查成果。確定本井田鐵嶺組白云巖和霧迷山組白云巖為基底白云巖含水層。國(guó)內(nèi)在本地區(qū)青白口系、薊縣系含水層特征沒有系統(tǒng)的研究資料，本次煤系基底水文地質(zhì)條件研究填補(bǔ)了本這一項(xiàng)空白。

（2）基本查明了基底白云巖上段的巖性組成、富水性、水化學(xué)類型等，基底白云巖富水性弱、不均一，基本查明了井田內(nèi)水動(dòng)力場(chǎng)條件。

（3）基本查明了煤層底板隔水層厚度為50.71～81.23m，巖性主要為泥質(zhì)巖、頁(yè)巖等。

（4）結(jié)合宣東一礦突水資料，對(duì)宣東Ⅴ2煤層開采水文地質(zhì)條件進(jìn)行了研究，提出疏水降壓和底板注漿加固等防治水對(duì)策。