黔金煤礦水文地質(zhì)與工程地質(zhì)勘探結(jié)果分析

孫永士

摘要：本文以黔金煤礦為例，通過案例分析的方式，對該礦中水文地質(zhì)與工程地質(zhì)的勘探結(jié)果進(jìn)行分析，通過理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，使我國地勘水平得到顯著提升，進(jìn)一步促進(jìn)地勘行業(yè)的飛速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：煤礦；水文地質(zhì)；工程地質(zhì)；勘查結(jié)果

1.引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，煤炭產(chǎn)業(yè)隨之發(fā)展壯大。為了提高煤礦預(yù)留礦權(quán)范圍的煤炭資源儲量勘查程度，由貴州煤礦地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心在預(yù)留礦權(quán)范圍內(nèi)進(jìn)行煤炭資源勘查工作，力求通過本次勘查，為黔金煤礦生產(chǎn)規(guī)模的設(shè)計與擴(kuò)展提供強(qiáng)有力的地質(zhì)依據(jù)。

2.工程概況

本文以黔金煤礦為例，對其水文地質(zhì)與工程地質(zhì)進(jìn)行勘察。該礦處于貴州省畢節(jié)地區(qū)，距離黔西縣北西26km左右，交通便利，臨近G210國道與S211、S212省道，與金沙縣城相距118km，與畢節(jié)市相距142km，礦區(qū)內(nèi)部擁有簡易的公路；礦區(qū)總體地勢北高南低，最高點(diǎn)海拔1823.7m，最低點(diǎn)高度為1355.6m，相對高差為468.1m。礦區(qū)屬于亞熱帶溫暖濕潤氣候，年均溫度在13.6℃～15.0℃之間，日最高氣溫為34.1℃，最低氣溫為-5.8℃，年降雨量在741.8mm～1265.1mm之間，5-9月為雨季，年均日超時間為898.1h～1225.4h；風(fēng)向多為東北風(fēng)，年均風(fēng)速為1.3m/s～2.3m/s之間。礦區(qū)水文地質(zhì)邊界條件為：本礦地下水與地表水交換強(qiáng)烈，含水層富水性具有不均勻性，邊界條件較復(fù)雜礦區(qū)總體上地形屬低中山地形。地表發(fā)育峰叢洼地地貌。區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖地層出露范圍廣，峰叢、洼地、溶斗、溶洞等巖溶地貌較發(fā)育，地下水主要接受降雨補(bǔ)給，向南部徑流，排入地勢較低的溝谷中[1]。

3.煤礦水文地質(zhì)情況

3.1礦區(qū)條件

從總體上來看，整個礦區(qū)地勢北部較高、南部較低，最高點(diǎn)海拔1823.7m，最低點(diǎn)高程為1355.6m，相對高差為468.1m。在該礦區(qū)中，最低排泄基準(zhǔn)面的標(biāo)度在1355.6m左右。在地形方面，屬于低中山地形，地表以峰叢洼地地貌為主，區(qū)域內(nèi)碳酸鹽地層廣泛分布，地層由老至新分別為P2m、P3l、P3c、T1y、T1m等；區(qū)域范圍內(nèi)地下水以巖溶水為主，受降雨補(bǔ)給，朝著南部徑流，排入地勢低洼的溝谷之中。

3.1.1礦床結(jié)構(gòu)

在該礦區(qū)中，含煤地層以龍?zhí)督M為主，共計五層可采煤層，分別為4、8、9、14、15號煤。主要分布地層為三疊系下統(tǒng)茅草鋪組、夜郎組、二疊系上統(tǒng)長興組、龍?zhí)督M、茅口組等。在礦區(qū)中，含水層與隔水層相互重疊，多為裂隙充水，對15號煤龍?zhí)督M底部進(jìn)行開采時，因與茅口組之間的距離較短，可能受該組中地下水的威脅。

3.1.2斷層帶特征

經(jīng)過勘探，發(fā)現(xiàn)在該區(qū)域內(nèi)部存在一條逆斷層F1，落差在40m～80m。在該煤礦生產(chǎn)過程中，巷道內(nèi)發(fā)現(xiàn)6條斷層，落差普遍在0.5m～3m之間，呈北西—南東方向，屬于正斷層，與煤層開采之間無顯著聯(lián)系。在巖層中存在兩組節(jié)理，一是60°～70°走向，另一個是300°～310°走向，傾角較為陡峭，通常超過75°，順著節(jié)理展布方向，在局部地區(qū)存在節(jié)理密集帶，密度為每平方米3條～5條左右。在鉆孔中，存在5條隱伏斷層，其中F804-1的落差在40m左右，剩余落差不大，自身導(dǎo)水性較差，富水性弱。由于F1斷層的存在，使茅口組與礦區(qū)之間的距離縮短，即便在鉆孔施工時沒有出現(xiàn)顯著的涌漏水情況，但仍然不可忽視F1斷層周圍煤層受地下水影響的問題[2]。

3.1.3地表水

在該礦區(qū)中，地表水以沖溝水為主，沒有大型的河流或者水庫。該礦區(qū)中的沖溝水發(fā)育良好，尤其是西部面積更加廣闊，沖溝水在經(jīng)過夜郎組與茅草鋪后，常常進(jìn)入到地下變伏流，尤其在西南部，幾乎全部變伏流。當(dāng)部分伏流匯合之后，便會形成地下河，一些地區(qū)的明流與伏流交替，地表水與地下水之間相互轉(zhuǎn)變。在枯水期到來時，一些沖溝水的流量變小；在雨季到來時，沖溝水的流量增加。例如，伏流入口處的沖溝水，最小流量值為18.57L/s，最大流量達(dá)1348.95L/s，沖溝水的源頭在礦區(qū)的北部，經(jīng)過西部，在南部變伏流之后朝著邊界區(qū)域排泄。

3.2勘探類型

龍?zhí)督M是礦區(qū)主要的含煤地層，可采煤層為5、8、9、14和15煤。在礦區(qū)分布的地層中，三疊系下茅草鋪組、夜郎組二段（玉龍山段）、二疊系上長興組、二疊系中統(tǒng)茅口組屬于灰?guī)r地層，巖溶發(fā)育，含有巖溶水，富水性強(qiáng)至中等；三疊系下統(tǒng)夜郎組一段（沙堡灣段）、夜郎組三段（九級灘段）、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M為砂泥巖層，富水性弱，一般為隔水層。礦區(qū)4、8、9、14號煤礦開采，龍?zhí)督M以上含水層厚度不大，易破壞。由于后來的開采，巖溶含水層，例如夜郎組二段（玉龍山段）和長興組，出現(xiàn)塌陷及破裂等情況，成為直接注水的含水層。開采4號、8號、9號、14號煤時，煤礦礦床主要屬于頂板進(jìn)水為主的巖溶充水礦床，水文地質(zhì)復(fù)雜度中等，即該礦床的水文地質(zhì)勘探類型屬于第三類第一亞類第二型。龍?zhí)督M底部的15號煤礦床是以底板為主的巖溶充水礦床，水文地質(zhì)條件中等，即第三類第二亞類第二型，在對其進(jìn)行開采時，由于靠近茅口組，其底部可能受到茅口組地下水的威脅。

3.3涌水量估算

“大井法”估算的參數(shù)采用目前礦井采空區(qū)、巷道等的參數(shù)，比較符合礦井生產(chǎn)實(shí)際情況，“比擬法”估算涌水量的參數(shù)為其他煤礦總結(jié)的參數(shù)，經(jīng)驗性較強(qiáng)。因此推薦“大井法”估算的涌水量作為黔金煤礦先期開采地段礦井設(shè)計的涌水量依據(jù)。

4.煤礦工程地質(zhì)及其它開采技術(shù)條件

4.1煤礦水環(huán)境

本礦建設(shè)前，礦山下游河流已經(jīng)受到了不同程度的污染，河溝頭及皮甲河地表水中pH、TP、SO42-、NH3-N、F-、CODCr六項指標(biāo)未超過三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而SS、Fe、Mn、石油類四項指標(biāo)有不同程度超標(biāo)，F(xiàn)e和石油類超標(biāo)較嚴(yán)重，F(xiàn)e超標(biāo)0.11～1.74倍，石油類超標(biāo)0.98～1.90倍，河水污染較嚴(yán)重，水質(zhì)達(dá)不到保護(hù)功能Ⅲ類；附廓水庫的9種水質(zhì)指標(biāo)均未超《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)尚好。本礦建設(shè)前通過對礦區(qū)及外圍煤洞場、大水井、蔡家龍灘三個大泉點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測，監(jiān)測的TP、NH3-N、Fe、Mn、PH、SO42-、SS、F-、水溫、高錳酸鹽指數(shù)等10項指標(biāo)均達(dá)到《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水。目前煤礦水環(huán)境比較良好[3]。

4.2地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量

近年來，該地區(qū)及鄰近地區(qū)均未發(fā)生強(qiáng)烈地震活動。礦區(qū)屬無地震區(qū)，穩(wěn)定性好。礦區(qū)存在崩塌、地裂等地質(zhì)災(zāi)害。該地區(qū)水污染輕、水質(zhì)好，但如若不采取科學(xué)措施進(jìn)行控制，煤礦的盲目開采勢必會導(dǎo)致礦區(qū)的水位下降，甚至地表的山谷、水體、泉水、井水等均受到危害；未來的煤炭開采還會加劇或誘發(fā)地面裂縫、沉降、塌陷等，而礦井水處理不當(dāng)同樣會增加地表水和地下水的污染；此外，隨意堆放煤炭和矸石會產(chǎn)生有害物質(zhì)，污染生態(tài)環(huán)境。對此，環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)預(yù)防工作，堅持“預(yù)防為主，治理為輔”的原則，采取綜合治療模式，最大限度的避免這種危險的發(fā)生。礦山可以采取以下措施：對于廢棄的巷道、采空區(qū)、地面工業(yè)廣場等應(yīng)避免危險的巖石坍塌和剝落，提高污水凈化和利用效率，嚴(yán)格遵循礦井水排放標(biāo)準(zhǔn)，以防止地表水和地下水被污染，減緩地面沉降、裂縫的發(fā)生，可通過填筑、壓實(shí)、修建排水溝等方式，避免塌方、破裂等問題發(fā)生，減少礦井進(jìn)水量。綜上所述，必須對礦山地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行有效的綜合治理，建設(shè)安全、綠色、清潔的生態(tài)文明礦井。從總體來看，當(dāng)前礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量屬中等。

4.3煤礦環(huán)境地質(zhì)預(yù)測評價

4.3.1地質(zhì)災(zāi)害類型

根據(jù)相關(guān)資料顯示，當(dāng)?shù)氐V山曾經(jīng)出現(xiàn)過地質(zhì)災(zāi)害，如倒塌、滑坡、泥石流、地面裂隙、地面塌陷等多樣災(zāi)害。究其原因，主要是由煤礦引發(fā)的，而且大多數(shù)是小型的。在水文地質(zhì)、工程地質(zhì)勘查過程中，對各種地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行分析，例如憩室倒塌、地下突水等均進(jìn)行了分析和總結(jié)，得出較為常見的有滑坡、塌陷、泥石流、地面沉降、塌陷和地面裂縫等幾種。根據(jù)地質(zhì)環(huán)境分類，本煤礦礦區(qū)位于地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較差的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)有煤礦、黃鐵礦、建筑用砂巖等，很容易導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害、土地破壞、植被破壞、地下蓄水層破壞等情況發(fā)生。一些村民的房屋遭到破壞，一些地區(qū)的水生產(chǎn)和生產(chǎn)遇到困難，土地耕種也難以繼續(xù)。這些礦山的地質(zhì)和環(huán)境問題是在黔金煤礦礦區(qū)引發(fā)的，目前，主要分布在采空區(qū)上方的地表，在全家塘區(qū)域尤為突出，主要體現(xiàn)在地面沉降與裂縫兩個方面，沒有發(fā)現(xiàn)滑坡、塌陷、泥石流等災(zāi)害[4]。

4.3.2地質(zhì)災(zāi)害范圍

根據(jù)煤礦開采后的地表變形規(guī)律，一般會產(chǎn)生崩落裂隙帶、導(dǎo)水裂隙帶、沉降帶、中低角度煤層等，這些帶均呈現(xiàn)出馬鞍形或拱形，其形狀受許多因素影響和控制，例如傾角、巖石物理、機(jī)械特性、采礦深度、布局情況、采礦方法和頂板管理等等。為了更加精簡，可根據(jù)下降區(qū)和導(dǎo)水裂縫區(qū)的經(jīng)驗公式進(jìn)行計算。當(dāng)開采區(qū)域中的所有可采煤層都被開采時，地面很可能會沉降。設(shè)定沉降范圍，煤層傾斜角為9°～18°，山的影響角為70°，下坡為60°，走向為65°。黔金礦共有4、8、9、14和15個煤層，平均厚度分別為1.52m、1.10m、1.98m、0.90m和1.64m。最大厚度分別為3.29m、2.27m、3.62m、2.36m、2.81m；經(jīng)過公式計算可知，4、8、9、14和15煤的煤層崩落裂隙帶的最大高度分別約為17m、12m、18m、12m、16m。斷裂帶的最大高度約為85m、62m、92m、64m、83m。根據(jù)該計算，4號煤崩裂帶的最大高度達(dá)到17m，進(jìn)入到龍?zhí)督M地層中，而4號煤導(dǎo)水裂隙帶的最大高度達(dá)到了底部。

4.3.3工程地質(zhì)條件

礦區(qū)出露的地層中巖類屬于層狀巖類，地層巖性較復(fù)雜，局部發(fā)育小斷層、破碎帶及裂隙密集帶等，巖層普遍發(fā)育閉合裂隙，局部發(fā)育微張裂隙。地層中夾有泥巖類的軟弱夾層，石灰?guī)r地層巖溶較發(fā)育。這些裂隙和巖溶對礦區(qū)煤層頂?shù)装宓膸r體穩(wěn)定有一定的影響。巖石質(zhì)量多數(shù)為中等，巖體中等完整，局部地段容易發(fā)生礦山工程地質(zhì)問題。綜合分析化驗所得的各煤層頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，并結(jié)合現(xiàn)煤礦的生產(chǎn)實(shí)際，本區(qū)工程地質(zhì)勘查類型為第三類：層狀巖類，工程地質(zhì)勘查復(fù)雜程度為中等。

4.4綜合評價

通過綜合分析研究，本區(qū)水文地質(zhì)復(fù)雜度中等；工程地質(zhì)勘查復(fù)雜程度中等。對該地區(qū)可采煤層的瓦斯樣品的分析結(jié)果可知，4、9、14、15煤層主要為富甲烷煤層，4、8、9、14、15煤層主要為生物氣帶分布。在這一領(lǐng)域主要是大規(guī)模的物理性質(zhì)和煤巖類型的煤，粒狀、裂縫較大，煤的破壞類型屬于三類。根據(jù)安全技術(shù)規(guī)范內(nèi)容，在礦井瓦斯的測量報告數(shù)據(jù)管理區(qū)域內(nèi)，通過煤層的氣體濃縮試驗和氣體壓力的結(jié)果分析，煤炭開采層不具備發(fā)生瓦斯爆炸的危險，該區(qū)域的4號和9號煤層十分突出，在煤與瓦斯突出礦區(qū)的范圍內(nèi)，每個煤礦層超過臨界值的煤與瓦斯突出風(fēng)險指標(biāo)，測量值的鉆井氣體含量較高，因此煤炭和天然氣應(yīng)按根據(jù)煤和天然氣瓦斯突出礦井的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理。建議在未來的煤礦開采過程中，采用煤與瓦斯突出識別的方式，對煤與瓦斯進(jìn)行突出鑒定、資格鑒定，并對煤礦管理進(jìn)行評估。同時，在建設(shè)和生產(chǎn)過程中，應(yīng)經(jīng)常對煤層的瓦斯地質(zhì)條件進(jìn)行勘察，根據(jù)實(shí)際需求勘探和釋放的氣體，并采取科學(xué)有效的措施在當(dāng)?shù)氐奶烊粴鈨α控S富的煤炭區(qū)，加強(qiáng)排水、通風(fēng)工作，提高對瓦斯地質(zhì)煤層的重視，減少煤突出氣體排放，確保礦工的安全。

5.結(jié)論

綜上所述，本文通過研究綜合分析化驗所得的各煤層頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，并結(jié)合現(xiàn)煤礦的生產(chǎn)實(shí)際可知，本區(qū)水文地質(zhì)復(fù)雜度中等、工程地質(zhì)勘查復(fù)雜程度中等、本區(qū)工程地質(zhì)勘查類型為層狀巖類、工程地質(zhì)勘查復(fù)雜程度為中等。為了提高勘查水平，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)要求和規(guī)定，確保勘查結(jié)果的科學(xué)合理，使工程與水文地質(zhì)勘查工作得到更大的發(fā)展。

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