紫金煤礦奧陶系灰?guī)r含水層水文地質(zhì)條件淺析

姚言璞 李紅飛

摘要：紫金煤礦15號煤層底板標(biāo)高-120m～+580m，奧灰水位標(biāo)高748.0m～752.0m，全井田15號煤層為奧灰水帶壓開采，奧灰含水層巖溶發(fā)育、富水性不均一，使得奧灰水對15號煤層開采影響較大，本文通過分析含水層富水性、水化學(xué)、隔水層特征，初步預(yù)測了礦井奧灰水突水量，提出了礦井防治水工作重點(diǎn)部位及其防治措施，對紫金煤礦15號煤層實(shí)現(xiàn)安全開采有重要意義。

關(guān)鍵詞：帶壓開采；突水量；防治水

紫金煤礦位于榆次區(qū)城北20km烏金山鎮(zhèn)東蒜峪一帶，井田位于沁水煤田北部邊緣的東山找煤區(qū)，地下水水文地質(zhì)單元屬山西娘子關(guān)泉域巖溶地下水系統(tǒng)西北部徑流區(qū)，礦井今后開采15號煤層面臨嚴(yán)重的奧灰水突水危險，因此，分析研究奧陶系巖溶水水文地質(zhì)條件對礦井安全開采意義重大。

1.地質(zhì)概況

該區(qū)位于山西地臺的中部，發(fā)育有一系列北北東向斷層，構(gòu)成山間斷裂帶，與晉中新斷陷接壤，對西北部低山區(qū)和東南部丘陵區(qū)之形成起控制作用，井田總體為走向東、傾向南的單斜構(gòu)造。井田主要含水層有第四系松散孔隙含水層、二疊系碎屑巖裂隙含水層、石炭系碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層、奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層，其中15號煤層底板主要充水含水層為奧陶系碳酸鹽巖含水層，是15號煤層開采面臨的重要底板充水水源。

2.煤層底板含、隔水層特征

2.1底板含水層特征

2.1.1峰峰組碳酸鹽巖含水層

該組巖性主要以石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r為主，厚度49.15m～100.0m，平均77.4m，含水層單位涌水量單位涌水量為0.0001 L/s？m ～0.0022 L/s？m，滲透系數(shù)為0.0114m/d～0.2519m/d，水位標(biāo)高為+748.0m～+752.0m，含水層富水性弱。

地下水中陽離子主要為K++Na+、Ca2 +，含量分別為31.17mg/L～144.43mg/L，100.20mg/L～139.48mg/L，陰離子主要為SO42-，含量為264.66mg/L～470.05mg/L，礦化度769.86mg/L～ 772.86mg/L，水化學(xué)類型為SO4·HCO3-Ca型或SO4-Na·Ca型（表1、圖1），沿地下水徑流方向，礦化度逐漸增大，表現(xiàn)出西南部地下水交替較東北部要積極，徑流條件逐漸變差。

2.1.2上馬家溝碳酸鹽巖含水層

該組巖性以石灰?guī)r、花斑灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，局部夾方解石脈，含水層單位涌水量0.001 L/s？m ～0.2 L/s？m，滲透系數(shù)0.16m/d～7.46m/d，水位標(biāo)高為638.0m～640.0m，含水層富水性弱-中等。

地下水中陽離子主要為K++Na+、Ca2+、Mg2+，陰離子主要為SO42-、HCO3-。其中，K++Na+含量16.86mg/L～118.89mg/L，Ca2+含量28.06mg/L～100.20mg/L，Mg2+含量14.59mg/L～ 34.05mg/L；SO42-含量192.22mg/L～255.19mg/L，HCO3-含量49.11mg/L～252.23mg/L。礦化度525.95mg/L～609.63mg/L，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型或SO4-Na型（表2、圖2），由于該組含水層接受井田外西北部奧陶系灰?guī)r裸露區(qū)的側(cè)向補(bǔ)給，地下水徑流條件較峰峰組要好一些。

2.2煤層底板隔水層特征

隔水層主要為本溪組泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖，峰峰組頂部泥灰?guī)r組成，該層裂隙一般不發(fā)育，透水性差，隔水性能良好，厚度46.9m～86.94m，平均厚度62.82m，井田內(nèi)東部隔水層厚度較大，向西厚度逐步遞減。

3.構(gòu)造富導(dǎo)水性

斷層、陷落柱是底板奧灰水向礦井充水的重要通道，井田先期開采地段構(gòu)造較發(fā)育，現(xiàn)階段為發(fā)現(xiàn)有構(gòu)造導(dǎo)水的現(xiàn)象，今后要加強(qiáng)對構(gòu)造探查研究工作。

4.峰峰組與上馬家溝組含水層水力聯(lián)系

峰峰組底板普遍存在一層巖性為泥質(zhì)灰?guī)r，厚度為5.0m～47.8m的弱透水層，阻隔峰峰組與上馬家溝組含水層水力聯(lián)系，使之成為兩個相對獨(dú)立的含水系統(tǒng)，這點(diǎn)從地下水化學(xué)、水位可以得到證實(shí)，據(jù)此可說明二者之間在正常地段不存在水力聯(lián)系。

5.突水危險性評價及突水量預(yù)測

5.1突水危險性評價

15煤底板奧灰水突水系數(shù)為0.036MPa/m～0.072MPa/m，井田內(nèi)帶壓系數(shù)總體由西北向東南逐漸增大，小于正常地段突水系數(shù)臨界值0.1MPa/m，因此在正常地段發(fā)生突水可能性很小，在構(gòu)造地段仍存在突水危險（表3、圖3）。

5.2突水量預(yù)測

運(yùn)用地下水動力學(xué)理論，采用承壓完整井計算公式，預(yù)測奧灰水突水量，預(yù)測公式為：

經(jīng)估算，15號煤層底板峰峰組含水層水水突水量為222m3/h，上馬家溝組含水層突水量為559m3/h。需要注意的是承壓水完整井預(yù)測礦井涌水量有一定局限性，其是建立在地下含水層是均質(zhì)、各向同性、等厚、水平的，且地下水為層流穩(wěn)定狀態(tài)。

6.奧陶系灰?guī)r水水害分析及防治措施

井田15號煤層開采底板水害為奧陶系灰?guī)r水，斷層、陷落柱為發(fā)生突水的重要通道，峰峰組含水層整體富水性較弱，礦井即使發(fā)生突水，突水量較小，礦井排水系統(tǒng)完善，不至于造成災(zāi)害性。上馬家溝組含水層局部富水性較好，有較好的補(bǔ)給條件，一旦發(fā)生突水，可淵源不斷向礦井充水，對礦井危害性較大，因此煤層底板水防治措施重點(diǎn)要防在防治構(gòu)造導(dǎo)水，其次為構(gòu)造薄弱帶。對于構(gòu)造可通過物探、鉆探探查其富導(dǎo)水性，進(jìn)而通過注漿封堵可達(dá)到治理效果，對于構(gòu)造薄弱帶可通過底板注漿加固改造隔水層抗壓能力達(dá)到防治目的。

7.結(jié)論

井田15煤底板突水水源為奧陶系灰?guī)r含水層，煤層底板隔水層厚度較大，正常地段發(fā)生突水幾率較小，在構(gòu)造地段發(fā)生突水可能性較大，可通過對構(gòu)造注漿封堵或底板薄弱帶注漿加固等措施實(shí)現(xiàn)帶壓安全開采。