柳塔煤礦水文地質(zhì)條件勘查及水害應(yīng)對

解國強

(國能神東煤炭集團(tuán)地測公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

柳塔煤礦一盤區(qū)2-2號煤層首采面(22101工作面)計劃2020年回采，一盤區(qū)存在母花海子古沖溝和1-2號煤層房采采空區(qū)，其中母花海子古沖溝松散層含水層較厚，需進(jìn)一步查明該古沖溝松散層的水文地質(zhì)條件，1-2號煤層房柱式采空區(qū)位置不確定，積水情況不詳，需進(jìn)一步查明，為2-2號煤層工作面安全開采提供防治水方面的技術(shù)依據(jù)。為了解決上述水文地質(zhì)問題，決定在母花海子古沖溝和1-2號煤層房柱式采空區(qū)進(jìn)行水文地質(zhì)勘探，工程自2019年9月26日開始施工，2019年11月10日結(jié)束，共施工鉆孔5個，總進(jìn)尺466.38 m。

1 工程布置及工程質(zhì)量

1.1 工程布置

根據(jù)工程目的，在柳塔煤礦工業(yè)廣場以東約300 m的位置，母花海子古沖溝中上游布置一個水文觀測孔，孔號為SW14；在柳塔煤礦一盤區(qū)22101工作面中間位置和母花海子古沖溝下游交匯處布置一個水文觀測孔，孔號為SW15；在柳塔煤礦一盤區(qū)22102工作面中間位置，1-2號煤層房采采空區(qū)底板較低的巷道上布置1個水文觀測孔，孔號為SW16；在柳塔煤礦工業(yè)廣場東北方向，1-2號煤層房采采空區(qū)底板較低的巷道上布置1個水文觀測孔，孔號為SW17。水文地質(zhì)補勘工程共施工5個水位觀測孔，總進(jìn)尺466.38 m。5個鉆孔中SW14、SW15號孔為松散層水位觀測孔，SW16、SW17號孔為1-2號煤層采空區(qū)水位觀測孔。由于柳塔煤礦1-2號煤層采空區(qū)為房柱式開采采空區(qū)，開采時間較長，其巷道布置情況不明，SW16號孔沒有和巷道貫通，沿巷道移動2 m施工的SW16-1號孔與巷道貫通。SW17號孔和巷道貫通。

1.2 工程質(zhì)量評述

補勘手段以鉆探為主，輔以工程測量、取芯、抽水試驗及水樣化驗。

水文觀測孔鉆探：所有施工鉆孔按設(shè)計坐標(biāo)用全球衛(wèi)星定位實時動態(tài)觀測系統(tǒng)(RTK)方法測定孔位。開孔前，由地質(zhì)員做出鉆孔設(shè)計書，對鉆孔質(zhì)量、煤巖芯采取率和設(shè)計目的等作出具體要求，按設(shè)計施工，工程質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求。

工程測量：工程測量采用全球衛(wèi)星定位實時動態(tài)觀測系統(tǒng)(RTK)方法測定。儀器采用美國天寶R8接收機，GPS數(shù)據(jù)處理采用美國天寶公司提供軟件 TGO1.62解算。完成工程量5個點。

抽水試驗：抽水試驗質(zhì)量執(zhí)行《煤炭地質(zhì)勘查鉆孔質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(MT/T 1042—2007)[1]和《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標(biāo)準(zhǔn)》(MT/T 1091—2008)[2]，2個松散層水文觀測孔做抽水試驗。按潛水完整井穩(wěn)定流進(jìn)行抽水，觀測水位及流量，達(dá)到設(shè)計要求。

2 補勘區(qū)地質(zhì)

2.1 地質(zhì)

本次補勘區(qū)域為風(fēng)積沙地貌，地表植被發(fā)育，地形起伏大，地勢由東向西逐漸降低，地表標(biāo)高+1 230～+1 278 m，最大落差48 m。補勘區(qū)有母花海子古沖溝，此處為柳塔礦生活用水水源地。本次補勘揭露的地層有第四系全新統(tǒng)(Q4)、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)以及侏羅系中統(tǒng)延安組(J1-2y)的第四、五段。

第四系全新統(tǒng)(Q4)：根據(jù)補勘區(qū)以往鉆孔資料統(tǒng)計，補勘區(qū)第四系松散層以風(fēng)積沙為主，厚28.32～83.12 m，平均52.22 m，由古沖溝內(nèi)向兩側(cè)逐漸變薄，古沖溝內(nèi)上游向下游逐漸變厚。松散層底部局部有礫石層，厚0.27～0.53 m。

侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)：根據(jù)補勘區(qū)以往鉆孔資料統(tǒng)計，直羅組巖性以細(xì)粉砂巖及砂質(zhì)泥巖為主，局部剝蝕殆盡，厚0～37.74 m，平均15.94 m，風(fēng)化程度屬中-弱風(fēng)化，巖性結(jié)構(gòu)較完整，局部頂部為強風(fēng)化，膠結(jié)松散。

2-2號煤層上覆基巖：根據(jù)補勘區(qū)以往鉆孔資料統(tǒng)計分析，補勘區(qū)2-2號煤層上覆基巖厚度66.91～110.10 m，平均79.82 m，母花海子古沖溝受沖刷剝蝕下切深度較深，整體基巖厚度變薄，溝谷兩側(cè)、溝頭厚度逐漸增大。

2.2 補勘區(qū)構(gòu)造

補勘區(qū)地層產(chǎn)狀平緩與井田產(chǎn)狀一致，總體構(gòu)造形態(tài)為走向NNW，傾向SWW，傾角1°～3°的單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖漿活動。補勘區(qū)構(gòu)造屬簡單類。

2.3 煤層

補勘區(qū)內(nèi)具對比意義的可采煤層有8層，分別是1-2上、1-2、2-2、3-1上、3-1、4-2上、5-1、5-3號煤層，本次補勘僅涉及到1-2、2-2號煤層。

1-2號煤層位于延安組第五段1號煤組中部，為補勘區(qū)內(nèi)主要可采煤層，有10個見煤點，9個點可采，可采性指數(shù)0.9，變異系數(shù)52%，煤層厚度0.69～7.01 m，平均厚度3.68 m，煤層厚度有一定變化，規(guī)律明顯，東北部局部變薄至不可采，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，個別煤層含一層夾矸，整個煤層對比可靠。綜合判定為較穩(wěn)定煤層。該煤層補勘區(qū)內(nèi)大部已開采。

2-2號煤層位于延安組第四段2號煤組中部，上距1-2號煤層平均25.42 m，為補勘區(qū)內(nèi)主要可采煤層，有10個見煤點，全部可采，可采性指數(shù)1，變異系數(shù)36%，煤層厚度1.18～3.24 m，平均厚度2.22 m，煤層厚度有一定變化，規(guī)律明顯，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含一層夾矸，整個煤層對比可靠。綜合判定為較穩(wěn)定煤層。

3 補勘區(qū)水文地質(zhì)

水文地質(zhì)補勘目的是對母花海子古沖溝松散層含水層進(jìn)行抽水試驗，求取水文地質(zhì)參數(shù)。以下敘述內(nèi)容只涉及松散層含水層及直羅組、延安組頂部隔水層。

3.1 含水層

補勘區(qū)以往勘查中有ZK3509、SW3號孔做過松散層抽水試驗，此次水文地質(zhì)補勘中SW14、SW15號孔做了松散層含水層抽水試驗。根據(jù)抽水試驗結(jié)果判斷補勘區(qū)內(nèi)母花海子古沖溝含水層為第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層，沙層廣覆地表，結(jié)構(gòu)松散、地形地貌極易接受大氣降水補給，巖性以黃褐色細(xì)砂、粉砂為主，底部局部含砂礫，結(jié)構(gòu)疏松，匯水面積大，補給條件好，下伏一般有隔水的砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等基巖，故地下水賦存條件較好。

3.2 隔水層

以1-2號煤層以上第四系以下的第1隔水層分布最廣，一般厚度34.48～83 m，平均厚度52.41 m。其中分布數(shù)層的泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，是較穩(wěn)定的隔水層。

3.3 礦井充水因素

3.3.1 充水水源

根據(jù)本區(qū)水文地質(zhì)條件及煤層覆巖結(jié)構(gòu)類型，礦井充水方式有直接和間接2種[3-7]。它們分別受大氣降水、地表水和地下水等因素的控制，且具有一定的水力聯(lián)系，對礦井生產(chǎn)均有不同程度的影響。

間接充水水源：大氣降水、地表水入滲后先補給松散層含水層，再通過含水層進(jìn)入井下，故大氣降水、地表水為間接充水水源[8-11]。只有在冒落帶或冒裂帶發(fā)育高度達(dá)到地表時，大氣降水及地表水可成為直接充水水源。①大氣降水——根據(jù)2017—2019年氣象資料，每年降水量多集中在7、8、9這3個月，年降水量為399.29～725.20 mm，平均為449.80 mm；由于本區(qū)煤層埋深較大，大氣降水直接進(jìn)入井下采空區(qū)的可能性很小，為間接充水水源。②地表水——補勘區(qū)內(nèi)沒有地表水。

直接充水水源：根據(jù)柳塔煤礦地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，第四系松散層孔隙潛水、煤層頂板砂巖孔隙-裂隙水及1-2號煤層采空區(qū)積水是礦井主要的直接充水水源。①第四系松散層孔隙潛水——主要是上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層。補勘區(qū)母花海子古沖溝溝谷基巖薄，部分1-2號煤層采空區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶與第四系含水層溝通。因此，第四系孔隙潛水成為礦井的主要充水水源之一。②基巖孔隙——裂隙含水層。礦井主采煤層均位于侏羅系延安組地層中，延安組砂巖類孔隙-裂隙含水層(J1-2y)為煤層開采直接充水水源，據(jù)柳塔礦勘探地質(zhì)報告該含水層為弱含水層。③1-2號煤層采空區(qū)積水——補勘區(qū)1-2號煤層可采區(qū)大部開采完畢，EⅡ308—EⅡ311采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通了第四系松散層含水層，22101工作面在此區(qū)域施工探放水鉆孔3個，和1-2號煤層采空區(qū)貫通，出水量約100 m3/h。此次補勘施工的1-2號煤層采空區(qū)(兩塊獨立的)水文觀測孔SW16-1、SW17號鉆孔，與采空區(qū)貫通，經(jīng)觀測沒有水，判斷此房采采空區(qū)頂板沒有垮落，沒有形成導(dǎo)水裂隙帶。開采2-2號煤層時，1-2號煤層采空區(qū)積水會通過采動裂隙進(jìn)入2-2號煤層礦坑。因此，1-2號煤層采空區(qū)積水是直接充水水源。

3.3.2 充水通道

區(qū)內(nèi)充水通道主要是煤層開采形成的冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶，其次為斷層裂隙、封閉不良鉆孔。1-2號煤層開采后，其冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶與第四系松散層含水層溝通，引起該含水層的水及大氣降水沿裂隙涌入井下，將來2-2號煤層開采后冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶與1-2號煤層采空區(qū)溝通，引起采空區(qū)水涌入井下。

冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度的計算：煤層上覆基巖巖性以細(xì)粒砂巖、粉砂巖為主，次為中粒砂巖及泥巖，呈互層結(jié)構(gòu)體。砂巖多為泥質(zhì)膠結(jié)，部分層段為鈣質(zhì)膠結(jié)。根據(jù)柳塔煤礦勘探地質(zhì)報告描述砂巖、粉砂巖、泥巖巖樣飽和極限抗壓強度平均值均在40 MPa以下，大多為20～30 MPa，屬于中硬巖類，所以選取原國家煤炭工業(yè)局2000年頒布的《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》中推薦的中硬巖類冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶最大高度及保護(hù)層厚度的計算公式，得到2-2號煤層最大冒落帶與導(dǎo)水裂隙帶計算結(jié)果，見表1?？煽闯?，以2-2號煤層平均采高2.22 m計算，本區(qū)2-2號煤層開采后冒落帶高度為9.74 m，加保護(hù)層為16.40 m。導(dǎo)水裂隙帶最大高度為39.80 m，加保護(hù)層為46.46 m。計算得出的導(dǎo)水裂隙帶高度均小于2-2號煤層上覆基巖厚度，但是大于1-2和2-2號煤層的層間距厚度，因此2-2號煤層開采時受松散層含水層威脅較小，局部受采空區(qū)積水影響較大，甚至發(fā)生突水事故。應(yīng)提前做好1-2號煤層采空區(qū)疏放水工作。

表1 2-2號煤層冒落帶與導(dǎo)水裂隙帶計算結(jié)果Table 1 Calculation results of caving zone and water-conducting fracture zone of No.2-2 coal seam

斷層裂隙：目前2-2號煤層巷道掘進(jìn)時揭露的斷層有30條，斷距最小0.3 m，最大7.2 m，斷層帶寬0.01～0.02 m，斷層面整齊，沒有填充物，裂隙不發(fā)育。斷層裂隙是礦井的重要充水通道，生產(chǎn)中嚴(yán)格執(zhí)行防治水規(guī)定，做到“先探后掘，邊探邊掘”，加強工作面排水及通風(fēng)能力[12]。

封閉不良鉆孔：補勘區(qū)內(nèi)有5個水文觀測孔和2個水源井。這些鉆孔部分基巖以上或沙層以上層段均未封閉。ZK3709號鉆孔在孔深98 m處有止水托盤遺留，鉆具底部在1-2上號煤層底板處。ZK3334號鉆孔在孔深240.69～245.58 m層段有鉆具遺留，鉆具頂部在5-2號煤層底板下4 m處。補勘區(qū)內(nèi)以往的補勘鉆孔都按照設(shè)計要求進(jìn)行了封孔，據(jù)《柳塔礦勘探地質(zhì)報告》對個別鉆孔做了透孔檢查，取上來的灰芯的抗壓強度達(dá)到了規(guī)范要求，但孔內(nèi)部分空段的水泥凝固不好，有的孔段沒有水泥。因此，封閉不良鉆孔是礦井一個重要的充水通道。采掘中應(yīng)予以高度重視。

3.4 水文地質(zhì)勘探類型

補勘區(qū)內(nèi)主要含水層為第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組粉細(xì)砂孔隙潛水含水層，單位涌水量0.003～0.415 L/(m·s)，富水性弱-中。母花海子古沖溝含水層經(jīng)導(dǎo)水裂隙帶與1-2號煤層采空區(qū)溝通，因此2-2號煤層開采時受1-2號煤層采空區(qū)積水影響較大，據(jù)此將補勘區(qū)2-2號煤層水文地質(zhì)勘探類型確定為一類三型，即以孔隙-裂隙充水為主的水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦床。

3.5 存在的問題及應(yīng)對

據(jù)補勘區(qū)以往勘探的鉆孔資料，沒有明確顯示母花海子古沖溝第四系松散含水層底部發(fā)育粘土層，含水層厚度一般為19.2～28.99 m，含水層富水性中等。建議回采前根據(jù)抽水試驗所得水文參數(shù)計算工作面最大涌水量，并配備相應(yīng)的排水設(shè)備，并對第四系松散含水層進(jìn)行疏放水工作。22101工作面上部存在走向長臂式開采采空區(qū)，前期已經(jīng)施工了3個鉆孔，和1-2號煤層采空區(qū)貫通，出水量約100 m3/h，建議加大1-2號煤層采空區(qū)疏放水力度，以保證安全回采。補勘區(qū)內(nèi)有5個水文觀測孔和2個水源井。這些鉆孔部分基巖以上或沙層以上層段均未封閉。ZK3709、ZK3343號孔封閉不良，有鉆具遺留。補勘區(qū)內(nèi)以往的補勘鉆孔都按照設(shè)計要求進(jìn)行了封孔，據(jù)《柳塔礦勘探地質(zhì)報告》個別鉆孔做了透孔檢查，取上來的灰芯的抗壓強度達(dá)到了規(guī)范要求，但孔內(nèi)部分孔段的水泥凝固不好，有的孔段沒有水泥。若工作面采掘范圍內(nèi)存在上述鉆孔，建議提前制定過鉆孔措施，加強工作面排水能力，防止鉆孔導(dǎo)水發(fā)生事故。建議對水文孔進(jìn)行長期觀測，分析水位變化規(guī)律，作為指導(dǎo)礦井生產(chǎn)的水文地質(zhì)依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)補勘區(qū)以往鉆孔資料統(tǒng)計，補勘區(qū)第四系松散層以風(fēng)積沙為主，厚28.59～83.12 m，由古沖溝內(nèi)向兩側(cè)逐漸變薄，古沖溝內(nèi)上游向下游逐漸變厚。松散層底部局部有礫石層，厚0.27～0.53 m。

(2)施工的1-2號煤層采空區(qū)(兩塊獨立的)水文觀測孔SW16-1、SW17號鉆孔，與采空區(qū)貫通，經(jīng)觀測無水。