曹亞濤,李 龍
(北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司,北京 100000)
陽坡泉煤礦位于河曲縣東南鹿固鄉(xiāng)陽坡泉村附近,行政區(qū)劃屬鹿固鄉(xiāng)管轄。井田呈不規(guī)則多邊形,礦井東西長5.33 km,南北長2.95 km,面積11.530 km2,現(xiàn)開采10、11、13、15號煤層,標(biāo)高為+1 045 m至+725 m,開采方式為地下開采,生產(chǎn)規(guī)模120萬t/a。礦區(qū)全貌如圖1所示。
圖1 礦區(qū)地表全貌Fig.1 Overall surface of mining area
礦區(qū)自1958年至2020年,相繼開展了1/20萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、1/5萬地質(zhì)普查、煤田地質(zhì)普查、礦井水文地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)補充勘探等一系列地質(zhì)礦產(chǎn)和水文地質(zhì)調(diào)查工作,綜合研究分析,查明了煤炭資源賦存情況和水文地質(zhì)情況,但對礦井西翼盤區(qū)西北部帶壓區(qū)域奧灰水文仍缺乏資料。為了提高該區(qū)地質(zhì)勘查工作程度,滿足礦井合理布置采掘工作面的需要,本文通過充分分析研究其現(xiàn)有地質(zhì)、水文地質(zhì)資料,對奧灰?guī)杭半[伏導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)行超前探測,使用鉆探工程對隱伏的導(dǎo)水陷落柱、導(dǎo)水?dāng)鄬拥冗M(jìn)行驗證,并采取防治水措施,達(dá)到礦井穩(wěn)定、安全生產(chǎn),為提高生產(chǎn)效率提供可靠的地質(zhì)依據(jù)[1-9]。
區(qū)域上位于山西地臺西北部,與鄂爾多斯盆地東部邊緣相交接,構(gòu)造形跡總體為北西向、北北東向。區(qū)域上發(fā)育的地層有奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組,石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組,二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組,三疊系下統(tǒng)劉家溝組,新近系上新統(tǒng),第四系上更新統(tǒng)。
礦區(qū)位于鄂爾多斯聚煤盆地東緣的河?xùn)|煤田中段,地質(zhì)構(gòu)造較為簡單,主要受區(qū)域構(gòu)造影響,總體走向呈南北向、向西緩傾的單斜構(gòu)造,傾角3°~10°,斷層不發(fā)育,僅在10號煤層揭露走向北西正斷層8條。F1和F2斷層分別為工作面主運巷道和輔運巷道,其他均為南翼主運、輔運、回風(fēng)大巷。未發(fā)現(xiàn)陷落柱,沒有巖漿巖侵入。
礦區(qū)出露地層主要有奧陶系中統(tǒng),為煤系地層基底,巖性為泥質(zhì)灰?guī)r、石灰?guī)r等,厚287~321 m;石炭系中統(tǒng)本溪組,平行不整合于奧陶系灰?guī)r地層之上,巖性為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)黏土巖等,厚15~18 m;石炭系上統(tǒng)太原組,巖性為泥巖,砂質(zhì)泥巖、細(xì)—粗粒砂巖、石灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖,厚81.2~100.5 m;二疊系下統(tǒng)山西組,與下伏太原組地層呈整合接觸,巖性為砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖,厚43.2~89.6 m;二疊系下統(tǒng)下石盒子,與下伏山西組地層整合接觸;新近系上新統(tǒng)及第四系中上更新統(tǒng)。
(1)10號煤層。位于太原組上部,煤厚1.96~12.25 m,可采煤層厚度1.96~4.33 m,平均厚3.70 m,煤層頂板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粗粒砂巖,底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。
(2)11號煤層。位于太原組中上部,上距10號煤層平均12.10 m,煤層厚度0~2.6 m,平均厚0.8 m,煤層頂板巖性為泥巖,底板巖性為泥巖、中粗砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。
(3)13號煤層。位于太原組下部,上距11號煤層平均18.20 m,煤層厚度6.00~16.6 m,平均厚8.9 m,可采煤層厚度5.11~13.00 m,平均厚8.5 m。煤層頂板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖,底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r等。
區(qū)域奧灰?guī)r溶水文地質(zhì)單元屬天橋泉域。天橋泉域?qū)冱S河流域,出露于晉、陜、蒙三省區(qū)交界處的黃河河谷。主要含水層為奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、碎屑巖裂隙含水層、松散巖類孔隙含水層。泉域內(nèi)大氣降水滲入是其主要補給來源,通過巖溶裂隙和覆蓋巖層地下水的入滲補給巖溶水。其次河流滲漏也是一個補給來源。另外泉域內(nèi)西部的天橋巖、龍口巖溶泉、東南部的和尚泉等都是區(qū)域巖溶水的主要排泄點。石炭系、二疊系的砂巖裂隙水以及新近系、第四系的松散巖類孔隙水,其補給來源主要是大氣降水。地下水的運動主要受地形、構(gòu)造的控制,徑流方向與地表水徑流方向大體一致,在有條件的地方形成泉排向地表各個溝谷中,最終匯入黃河。
(1)礦井充水因素分析。礦井充水因素主要有2個方面:充水水源、充水通道[5-10]。充水水源有大氣降水、地表水、采空區(qū)積水、含水層水、奧灰水;充水通道有構(gòu)造對礦井充水的影響、封閉不良的鉆孔、廢棄井筒、煤層采動后的導(dǎo)水裂縫帶。
(2)含水層富水特征。井田內(nèi)主要含水層為奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、石炭系太原組層間砂巖裂隙巖溶含水層、二疊系山西組砂巖裂隙含水層、二疊系下石盒子組砂巖裂隙含水層及新生界松散巖類孔隙含水層。①奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層:奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r在本井田屬埋藏型,奧灰溶裂隙含水層靜止水位標(biāo)高+825~+865 m,奧灰水流向由東向西(圖2),涌水量0.614~1.250 L/s,單位涌水量0.129 3~0.170 6 L/(s·m),滲透系數(shù)0.092~0.104 m/d,水質(zhì)類型HCO3-Ca·Mg型,礦化度小于0.5 g/L,水溫18.1 ℃。②石炭系太原組層間灰?guī)r裂隙巖溶含水層:太原組碎屑巖裂隙含水層,靜止水位標(biāo)高+841.47 m,涌水量0.408~0.803 L/s,單位涌水量0.023 3~0.030 8 L/(s·m)。滲透系數(shù)0.025 6~0.029 5 m/d,水質(zhì)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型,礦化度1.58 g/L,總硬度302.15 mg/L,pH=7.7,水溫16 ℃,屬弱富水性含水層。③二疊系山西組砂巖裂隙含水層:含水層以中粗粒砂巖為主,裂隙較發(fā)育,單井出水量一般10~50 m3/d局部可達(dá)100 m3/d,水位標(biāo)高為+931.815 m,單位涌水量為0.005 L/(s·m),屬弱富水含水層。④二疊系下統(tǒng)下石盒子組砂巖裂隙含水層:含水層以砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖組成,水位標(biāo)高為+968.69~+972.69 m,涌水量0.374~0.610 L/s,滲透系數(shù)0.002 3~2.0160 0 m/d,礦化度0.35 g/L,總硬度11.16德國度,pH值6.8,水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Na型,富水性弱—中等。⑤新生界松散巖類孔隙含水層:含水層由第四系中上更新統(tǒng)和新近系上新統(tǒng)組成,分布在全井田山頂上,主要接受大氣降水入滲補給,含水層以粉細(xì)砂以及黃土裂隙為主,由于層切割強(qiáng)烈,大多透水而不含水,局部可形成上層滯水,水質(zhì)較好,但水量很小。
圖2 井田奧灰水等水位線示意Fig.2 Schematic diagram of ordovician limestone water isowater line in mine field
(3)隔水層性能分析。①下石盒子組泥巖隔水層:為一套泥巖和砂巖交互沉積地層,連續(xù)穩(wěn)定,是基巖風(fēng)化殼含水層與煤系地層間較好的隔水層。②本溪組泥巖隔水層:為一套以泥巖、黏土巖、鐵鋁巖為主的地層,夾薄層灰?guī)r和砂巖,砂巖一般為泥質(zhì)結(jié)構(gòu),隔水性很好,本溪組地層厚16.0 m,13號煤層底板到本溪組頂板也是以砂泥巖為主的,地層厚34.0 m,兩段地層合計厚度50 m,該段地層是含煤地層和奧陶系地層之間很重要的隔水層。
(4)隔水層性能分析。本井田總體走向為南北向、向西傾伏的緩傾斜單斜構(gòu)造,井田內(nèi)斷層不發(fā)育,目前井田內(nèi)共揭露落差大于5 m斷層4條,2~5 m斷層21條。根據(jù)井下采掘揭露的斷層及陷落柱,均無明顯淋水現(xiàn)象,但破碎帶是地下水活動的通道,有可能溝通各含水層之間的水力聯(lián)系,特別是今后煤層開采的進(jìn)一步破壞,更有利于這種溝通的實現(xiàn),在今后的建井及生產(chǎn)中一定要重視對斷層及陷落柱的發(fā)現(xiàn)和研究,防止淹礦事故的發(fā)生。因此,在今后生產(chǎn)中應(yīng)適時補充水文地質(zhì)勘查和物探工作,查明斷層及陷落柱的富水和導(dǎo)水條件,為各采區(qū)的開拓生產(chǎn)提供切實可行的防治水措施。
奧灰水能否進(jìn)入采掘工作面發(fā)生突水危險,與煤層是否處于帶壓狀態(tài),即奧灰水的水位標(biāo)高是否高于煤層底板的標(biāo)高關(guān)系密切[8-16]。根據(jù)其他煤礦資料分析,底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m,正常塊段不大于0.1 MPa/m。煤層突水系數(shù)等值線及奧灰?guī)簞澐?,如圖3所示。
圖3 煤層突水系數(shù)等值線及奧灰?guī)悍謪^(qū)Fig.3 Coal seam water inrush coefficient isoline and Ordovician limestone zone pressure zoning diagram
巷道掘進(jìn)中,受巷道底板寬度、隔水層重度及承受的水頭壓力等影響,判斷煤層底板是否發(fā)生突水。采用式(1)進(jìn)行評價[17-18]:
(1)
式中,t為安全隔水層厚度;L為巷道底板寬度;γ為底板隔水層的平均重度;Kp為底板隔水層的平均抗拉強(qiáng)度;P為底板隔水層承受的水頭壓力。
安全隔水層計算參數(shù)見表1。
表1 安全隔水層計算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of safety insulation layer
通過公式(1)計算,得到10、11、13號煤層的掘進(jìn)工作面的安全隔水層厚度分別為7.04、13.54、20.79 m。由圖3可知,上述煤層的最小隔水層厚度為79、67、46 m,均大于安全隔水層厚度。因此,巷道在正常塊段工作面掘進(jìn)中,底板奧灰水突水的威脅較小。
回采工作面底板奧灰水帶壓采用突水系數(shù)法評價[11-13],突水系數(shù)為每米隔水層厚度所承受的最大水壓值,通常認(rèn)為突水系數(shù)不大于臨界突水系數(shù)即為底板相對安全狀態(tài),構(gòu)造破壞塊段臨界突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m,正常塊段不大于0.1 MPa/m[15-18]。由表2中數(shù)據(jù)可知,10、11、13號煤層底板最大奧灰突水系數(shù)分別為0.014、0.015、0.027 MPa/m,均小于0.06 MPa/m,因此工作面回采是相對安全的。
該礦井西翼盤區(qū)10、11、13號煤層均局部帶壓,井下掘進(jìn)及回采工作面探放水工作應(yīng)嚴(yán)格堅持“預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘進(jìn)、先治后采”的探放水原則,采用物探先行,鉆探驗證。該礦井帶壓開采的技術(shù)路線為:做好常規(guī)水文監(jiān)測,采用物探、鉆探、注漿等措施,加強(qiáng)對導(dǎo)水構(gòu)造和底板薄弱帶的探查與治理[5-16]。
表2 10、11、13號煤層底板突水系數(shù)計算結(jié)果統(tǒng)計Tab.2 Calculation results of water inrush coefficient from floor of No.10,No.11 and No.13 coal seams
在開采過程中,沒有掌握構(gòu)造的導(dǎo)水性之前,首先采用物探技術(shù)初步確定位置,在由鉆探工程驗證,預(yù)留防水煤(巖)柱等防治水措施。巷道掘進(jìn)過程,根據(jù)物探異常,判斷地質(zhì)構(gòu)造特征,通過超前打探水孔確定地質(zhì)構(gòu)造的含、導(dǎo)水性及其危害程度。工作面回采過程,根據(jù)物探異常,確定頂?shù)装鍘r層的構(gòu)造及其富水性,通過鉆孔驗證,采取相應(yīng)的防治水措施。底板薄弱帶探查與局部注漿加固是奧灰水水害防治的重要內(nèi)容,可充分利用隔水層阻水能力實現(xiàn)奧灰水帶壓安全開采[17-20]。
(1)通過分析礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)資料,對礦井充水因素進(jìn)行了分析:主要充水水源為大氣降水及地表水、頂板砂巖裂隙含水層水、底板奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、采空區(qū)積水;主要充水通道為頂板導(dǎo)水裂縫帶、導(dǎo)通采空區(qū)的巷道、封閉不良鉆孔、隱伏斷裂構(gòu)造及巖溶陷落柱。
(2)井田內(nèi)奧灰含水層富水性中等。推測該井田內(nèi)奧灰水位標(biāo)高為825~865 m,地下水流向西南。巷道掘進(jìn)過程中,10、11、13號煤層隔水層厚度均達(dá)到安全厚度,底板奧灰水突水的威脅較小?;夭晒ぷ髅嫱凰禂?shù)均不大于臨界突水系數(shù),回采工作面是相對安全的。
(3)通過分析井田的水文地質(zhì)條件,依據(jù)奧灰突水帶壓評價,提出了該礦井帶壓開采的路線和安全保障措施,確定礦井排水系統(tǒng)安全、保障開采。