潞安礦區(qū)康莊井田3號煤層水文地質(zhì)條件分析

郭瑞睿

(長治職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046000)

康莊井田處于潞安礦區(qū)中部，是二崗山地壘中的相對孤立含煤帶，位于山西省長治市屯留區(qū)李高鄉(xiāng)康莊村-駝坊村一帶，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°57′30″～112°59′30″，北緯36°12′30″～36°14′00″，東西長3.0 km，南北寬2.7 km，面積為4.5 km2。該井田周邊礦井有古城煤礦、王莊煤礦、高河煤礦以及小常煤礦(見圖1)。目前，該井田的煤炭地質(zhì)勘查工作已達(dá)到勘探程度，已具備開展礦井建設(shè)可行性研究和初步設(shè)計的前提條件。因此，很有必要對其水文地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)分析，以便指導(dǎo)今后的煤炭開發(fā)工作。

1 井田地質(zhì)

1.1 井田地層

該井田地表均為黃土覆蓋，無基巖出露。根據(jù)地質(zhì)鉆孔及鄰區(qū)資料，井田地層從下至上依次發(fā)育奧陶系馬家溝組、峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組，第四系。井田主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組。

康莊井田3號煤層所在的山西組地層平均厚度為45.11 m，含煤1～4層，煤層總厚度為8 m，含煤系數(shù)為17.7%。其中，3號煤層為穩(wěn)定可采煤層，厚6.90～10.00 m，平均7.91 m，底板標(biāo)高為280～860 m，主要賦存于二崗山地壘的中間斷盤，少量賦存于南側(cè)斷盤和北側(cè)斷盤，在二崗山地壘中間斷盤靠二崗山北正斷層(F1)一側(cè)有一帶狀剝蝕無煤區(qū)(圖1)。

圖1 康莊井田構(gòu)造綱要及3號煤層帶壓開采分區(qū)

1.2 井田構(gòu)造

該井田最典型的構(gòu)造特征就是地壘構(gòu)造(二崗山地壘，圖1)，由走向NEE的二崗山北正斷層(F1，傾角75°，斷距280～310 m)和二崗山南正斷層(F2，傾角75°，斷距201～255 m)兩大斷裂構(gòu)造控制，在二崗山地壘的中間斷盤上還發(fā)育一軸向NEE、貫穿全區(qū)的向斜構(gòu)造(康莊向斜)。受大斷裂影響，二崗山南正斷層的北側(cè)還派生一些斷距多小于50 m的7條小型斷裂(F3～F9)。暫未見陷落柱及巖漿巖侵入。

2 井田水文地質(zhì)條件分析

2.1 含水層

井田內(nèi)含水層由下至上依次發(fā)育奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層，石炭系太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組砂巖孔隙裂隙含水層，基巖風(fēng)化帶裂隙含水層，第四系松散層孔隙含水層。

1) 奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層是井田最主要的含水層。井田中部的85-26水文孔奧灰水位標(biāo)高648.86 m，但因鉆孔施工年代久遠(yuǎn)，本次不予采用其水位標(biāo)高值。井田西側(cè)邊界1 km外1301水文孔奧灰水位標(biāo)高634.66 m，井田北側(cè)邊界3 km外王-168水文孔奧灰水位標(biāo)高為632.36 m，目前西北側(cè)相鄰的古城煤礦在兩井田交界段的奧灰水位標(biāo)高為632～634 m，因此推測康莊井田奧灰水位標(biāo)高為632～634 m，水位自西南向東北方向逐漸降低。據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，該含水層富水性以中等為主。

2) 石炭系太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層。井田內(nèi)以往勘查鉆孔未揭露該含水層，據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，該區(qū)域富水性弱。

3) 二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組砂巖孔隙裂隙含水層。該含水層巖性主要為中、細(xì)粒砂巖，包括K7、K8、K10等幾層砂巖。據(jù)井田內(nèi)ZK3-3鉆孔風(fēng)化帶以下含水層抽水試驗資料，其單位涌水量q為0.011 7～0.011 8 L/(s·m)，滲透系數(shù)k為0.016 3 m/d。富水性弱。

4) 基巖風(fēng)化帶裂隙含水層。井田內(nèi)風(fēng)化裂隙帶發(fā)育深度一般在基巖面以下50～60 m。在鉆遇該層時，大多有沖洗液漏失現(xiàn)象，富水性為弱-中等。

5) 第四系松散層孔隙含水層。巖性主要為粉、細(xì)粒砂巖。富水性一般為弱-中等，隨季節(jié)變化較大。

2.2 隔水層

井田內(nèi)隔水層包括石炭系本溪組及太原組底部隔水層、太原組灰?guī)r含水層層間隔水層、二疊系砂巖含水層層間隔水層、第四系隔水層。石炭二疊系隔水層的巖性主要為煤層、泥巖、鐵鋁質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等；第四系隔水層的巖性主要為黏土、亞黏土。

2.3 充水因素分析

2.3.1 主要充水水源

根據(jù)性質(zhì)，礦井充水水源可分為地表水、頂板水、底板水、老空水等幾大類。井田內(nèi)無小窯開采歷史，不存在老空水。地表無水庫、常年性河流等水體，黃土蓋層平均厚度151 m，能夠有效阻隔地表水(包括大氣降水)向礦井充水。因此，該井田的主要充水水源只需考慮頂板水和底板水。

1) 頂板水。包括3號煤層上方的全部含水層水。未開采3號煤層前，其上覆各含水層因?qū)娱g隔水層的阻隔導(dǎo)致相互間的水力聯(lián)系較為微弱，僅在構(gòu)造發(fā)育部位可能會產(chǎn)生一定的水力聯(lián)系。3號煤層開采后，其頂板各含水層水將通過導(dǎo)水裂隙帶向礦井充水，是礦井充水的主要來源之一。

2) 底板水。井田內(nèi)3號煤層底板標(biāo)高在280～860 m之間，推測奧灰水位標(biāo)高為632～634 m之間，因此3號煤層在井田內(nèi)大部分區(qū)域帶壓。為了安全起見，本次將3號煤層底板標(biāo)高634 m以下的區(qū)域，均劃分為帶壓區(qū)。奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層是井田最主要的含水層，富水性以中等為主。在帶壓區(qū)域，尤其是受構(gòu)造破壞地段，該含水層將是礦井充水的主要來源之一。

本次采用《煤礦防治水細(xì)則》中的突水系數(shù)計算公式，對開采3號煤層時奧灰水突水危險性進(jìn)行分析：

T=p/M

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m；p為底板隔水層承受的實際水頭值，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

奧灰水位標(biāo)高取井田內(nèi)的最大值634 m，3號煤層底板標(biāo)高取井田內(nèi)的最小值280 m，理論上3號煤層底板隔水層承受的奧灰水最大水頭高度h=634 m-280 m=354 m，則底板隔水層承受的最大水頭值p=ρgh=3.47 MPa(ρ取1.0×103kg/m3)；底板隔水層厚度M取潞安礦區(qū)最小值80 m(潞安礦區(qū)3號煤層底板至奧陶系頂界的地層厚度為80～140 m[1])。

經(jīng)計算，開采3號煤層時的最大突水系數(shù)：T=p/M=3.47/80=0.043 MPa/m。

就全國實際資料看，底板受構(gòu)造破壞的地段突水系數(shù)一般不得大于0.06 MPa/m，因此，將3號煤層帶壓區(qū)域全部劃分為非突水危險區(qū)。需要強(qiáng)調(diào)的是，0.043 MPa/m是出于安全考慮的理論上的最大值，而井田內(nèi)實際的最大突水系數(shù)肯定小于此值。

2.3.2 主要充水通道

從成因上，一般將礦井充水通道分為天然通道和人為通道兩種。天然通道包括斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，人為通道包括導(dǎo)水裂隙帶、井筒、封閉不良鉆孔等。該井田以往地質(zhì)勘查施工的鉆孔均封閉良好，且歷史上無小窯開采。因此，井田內(nèi)主要充水通道只需考慮潛在陷落柱、斷層和導(dǎo)水裂隙帶。

1) 潛在陷落柱。目前井田暫未發(fā)現(xiàn)陷落柱，可能是二維地震勘探精度低造成的。由于二崗山地壘的巖溶發(fā)育，加之向斜軸部裂隙一般較為發(fā)育，因此井田內(nèi)極可能發(fā)育有若干個陷落柱，且多沿康莊向斜軸部分布。在井田內(nèi)康莊向斜的軸部，3號煤層底板標(biāo)高為400～600 m，均處于帶壓區(qū)。一旦這些潛在陷落柱導(dǎo)水，將能夠直接導(dǎo)通奧灰水。因此，本文將潛在陷落柱列為最重要的充水通道。今后，應(yīng)通過三維地震勘探查明那些潛在陷落柱。

2) 斷層。根據(jù)井田內(nèi)以往二維地震勘探資料，除二崗山北正斷層和二崗山南正斷層兩條區(qū)域斷層外，井田內(nèi)還發(fā)育有7條斷距大小不一的斷層(正斷層4條，逆斷層3條)。由于二崗山地壘為匯(導(dǎo))水蓄水構(gòu)造，主要接受其南部背斜蓄水構(gòu)造及單斜蓄水構(gòu)造的補(bǔ)給，向東排泄于潞城一帶，巖溶發(fā)育，導(dǎo)水性好[2]，因此二崗山北正斷層和二崗山南正斷層應(yīng)該是導(dǎo)水的，是重要的充水通道。另外7條斷層因無鉆孔控制，且無進(jìn)一步的物探資料佐證，目前其導(dǎo)水性暫不能確定，有待進(jìn)一步查明。今后，在生產(chǎn)過程中必須嚴(yán)格執(zhí)行“有掘必探”“三專兩探”等規(guī)定，從而查明上述斷層的導(dǎo)水性。另外，因二維地震勘探精度低，井田內(nèi)可能還發(fā)育有其他斷層。今后，應(yīng)通過三維地震勘探進(jìn)一步查明。

3) 導(dǎo)水裂隙帶。目前，潞安礦區(qū)絕大多數(shù)礦井采用放頂煤采煤法開采3號煤層。盡管《煤礦防治水細(xì)則》第87條規(guī)定“導(dǎo)水裂隙帶可以按照《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》中的公式計算”，但該公式僅適用于“厚煤層分層開采”的情形。同樣根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》第87條“放頂煤開采或者大采高(3 m以上)綜采的垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶高度，應(yīng)當(dāng)根據(jù)本礦區(qū)類似地質(zhì)條件實測資料等多種方法綜合確定”的規(guī)定，本次采用朱偉等[3]提出的潞安礦區(qū)放頂煤開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度經(jīng)驗公式計算：

式中：Hli為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，m；M為累計采高，m；n為開采分層數(shù)。

井田內(nèi)3號煤層厚6.90～10.00 m，平均7.91 m。假定累計采高M(jìn)等于煤層厚度，當(dāng)采用放頂煤開采3號煤層時n取1，經(jīng)計算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度Hli為149.38～212 m，平均為169.78 m。而3號煤層距K8砂巖底平均32.93 m，距K10砂巖底平均88.38 m。因此，導(dǎo)水裂隙帶可直接導(dǎo)通上覆的K8砂巖、K10砂巖含水層，大部分區(qū)域還能導(dǎo)通基巖風(fēng)化帶裂隙含水層及第四系松散層孔隙含水層(康莊向斜軸部附近區(qū)域除外)。

3 存在問題

井田內(nèi)僅開展過二維地震勘探工作，對構(gòu)造的控制精度較低。是否還存在其他未查明的斷層和陷落柱？井田內(nèi)的構(gòu)造是否導(dǎo)(富)水？各含水層是否存在富水區(qū)？這些問題與井田水文地質(zhì)條件密切相關(guān)，有待今后通過三維地震勘探、地面瞬變電磁勘探等手段進(jìn)一步查明。

4 結(jié) 語

1) 井田內(nèi)3號煤層的主要充水水源為頂板水和底板水，主要充水通道為潛在陷落柱、斷層和導(dǎo)水裂隙帶。

2) 3號煤層在井田內(nèi)大部分區(qū)域帶壓，理論上的最大突水系數(shù)為0.043 MPa/m，帶壓區(qū)域均為非突水危險區(qū)。

3) 當(dāng)采用放頂煤開采3號煤層時，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為149.38～212 m，平均為169.78 m，可直接導(dǎo)通上覆的K8砂巖、K10砂巖含水層，大部分區(qū)域還能導(dǎo)通基巖風(fēng)化帶裂隙含水層及第四系松散層孔隙含水層。

4) 由于井田內(nèi)僅開展過二維地震勘探工作，對構(gòu)造的控制精度較低。是否還存在其他未查明的斷層和陷落柱，井田內(nèi)的構(gòu)造是否導(dǎo)(富)水，各含水層是否存在富水區(qū)，這些問題與井田水文地質(zhì)條件密切相關(guān)。未來開采3號煤層前，應(yīng)通過三維地震勘探、地面瞬變電磁勘探等手段進(jìn)一步查明。