高家堡煤礦洛河組含水層水文地質特征及水害防治

任鄧君,藺成森,霍 超,馬家輝,許南南

(1.陜西正通煤業(yè)有限責任公司,陜西 咸陽 713600;2.長安大學 水利與環(huán)境學院,陜西 西安 710054)

0 引言

礦井水害是誘發(fā)礦井安全事故的主要根源,是制約礦山安全高效開采的重要災害之一。近年來,隨著我國政府部門對礦山安全事故的高度重視以及國家政策法規(guī)的不斷完善,礦井水害發(fā)生的次數(shù)及規(guī)模逐漸得到有效控制[1-4]。

彬長礦區(qū)作為我國原煤生產(chǎn)的重要基地,其普遍分布的巨厚砂巖含水層對煤層安全開采造成嚴重威脅。國內學者已對該區(qū)域礦井水害問題展開了深入的研究。肖樂樂等[5]通過水文地球化學方法研究了彬長礦區(qū)地下水化學特征,建立了PAC-fisher水源判別模型進行各突(涌)水點水源識別;高虎[6]針對孟村煤礦4號煤層上覆洛河組巨厚砂巖含水層威脅,制定了厚煤層綜放工作面“走向‘波浪式’+傾向‘倒V式’+架后留疏水通道”控水工藝;武謀達[7]總結了彬長礦區(qū)復合煤層聯(lián)合開采工作面涌水特征,認為洛河組是煤層開采的直接或間接充水含水層;李超峰等[8-9]采用水文地質鉆探、抽放水試驗、水化學測試等方法查明了彬長礦區(qū)水文地質特征,指出洛河組含水層垂向具有明顯差異性;盛奉天等[10]采用數(shù)據(jù)分析方法研究了礦區(qū)工作面綜放開采導水裂隙帶高度,利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測對回歸公式進行驗證;張彪[11]在研究彬長礦區(qū)水位地質條件的基礎上,提出了頂板預注漿封堵、高滲徑流通道封堵、帷幕注漿、礦井水回灌等一系列厚層頂板水減水體系。

眾多學者針對彬長礦區(qū)水害防治問題進行了大量研究并取得了一定成果,但高家堡礦井作為彬長礦區(qū)的一部分,對于其小范圍內的水文地質特征及水害防治對策研究較少。本文采用水文地質鉆探、抽水試驗及水化學分析等方法研究了礦井白堊系含水層水文地質特征,評價礦井水害威脅,提出水害防治對策,為后期煤層安全高效開采提供理論依據(jù)。

1 工程概況

高家堡井田位于陜西彬長礦區(qū)西北部,行政區(qū)劃隸屬陜西省咸陽市長武縣。井田東西長約25.7 km,南北寬約16.6 km,礦區(qū)面積219.168 1 km2,井田共有煤炭資源量978.278 3 Mt,礦井設計生產(chǎn)能力5.0 Mt/a,服務年限62.5 a。礦井采用豎井開拓,單水平開采,主采煤層為4號煤層。4號煤層為特厚煤層,資源儲量909.696 5 Mt,煤層大部可采,結構簡單。

高家堡煤礦為高瓦斯礦井,各可采煤層均易自燃,頂板水害威脅較大。主要含水層為延安組頂板砂巖含水層、直羅組砂巖裂隙承壓含水層以及白堊系洛河組砂巖孔隙-裂隙承壓含水層;主要隔水層為第三系紅土隔水層、華池組和安定組泥巖隔水層。4號煤層頂?shù)装宓貙犹卣饕姳?。

表1 高家堡井田4號煤層頂?shù)装宓貙犹卣?/p>

2 涌水特征

2.1 導水裂隙帶

采用地面鉆探法實測了高家堡煤礦101、204、205工作面煤層頂板導水裂隙帶發(fā)育高度,實測成果見表2。根據(jù)實測結果,101工作面回采至165 m綜放煤層采高控制之前導水裂隙帶發(fā)育最高為173.00 m,裂采比為23.07;停采線附近導水裂隙帶發(fā)育高度最大為88.03 m,裂采比為20.23。204工作面DT2鉆孔位置煤層頂板導水裂隙帶發(fā)育高度為197.85 m,裂采比為35.33;205工作面DT1鉆孔位置煤層頂板導水裂隙帶發(fā)育高度為327.75 m,裂采比為25.81。

表2 導水裂隙帶高度實測成果

采用實測裂采比對導水裂隙帶高度進行預測,預測導水裂隙帶發(fā)育高度為92.03～277.13 m,平均181.95 m,如圖1所示。

圖1 高家堡煤礦導水裂隙帶發(fā)育高度等值線

2.2 導水裂隙帶波及含水層

根據(jù)導水裂隙帶實測發(fā)育高度和預測結果可知,導水裂隙帶已經(jīng)波及到白堊系含水層,將成為溝通白堊系含水層與采煤工作面之間的涌水通道,突水危險性較大。

預測導水裂隙帶高度波及洛河組含水層厚度為0～166.21 m,平均86.42 m,如圖2所示。根據(jù)預測導水裂隙帶高度波及洛河組含水層厚度結果,高家堡井田在開采4號煤層時導水裂隙帶基本發(fā)育至洛河組含水層。然而,洛河組含水層整體為富水性弱-中等的巨厚砂巖裂隙含水層,具有一定的靜儲量,若導水裂隙帶溝通洛河組后將造成含水層水進入采動空間,增加礦井涌水量,危險性較大。因此,深入探查洛河組含水層的水文地質特征尤為重要。

圖2 高家堡煤礦導水裂隙帶高度波及洛河組厚度等值線

3 洛河組含水層水文地質特征

3.1 巖性特征

白堊系洛河組含水層較厚,一般為318.00～509.93 m,平均厚度400.35 m,自西南向東北總體呈逐漸變厚的趨勢。鉆孔揭露洛河組地層主要巖性有細粒砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖以及泥質巖類,礫巖分布相對較少,如圖3所示。其中,砂巖在洛河組地層厚度中占比80%以上,是洛河組的主要巖性組成;泥質巖類平均厚度66.54 m,占整個洛河組厚度的16.3%,在洛河組地層中較普遍發(fā)育;礫巖發(fā)育相對較少,地層厚度占比不足1%。

圖3 不同巖性平均厚度所占百分比

3.2 富水特征

含水層富水特性是表征地下水含量的重要參數(shù)。洛河組含水層厚度較大,結合鉆孔巖性和富水性指數(shù)等認為洛河組可以按“二分法”將其劃分為上下段。通過單孔抽水試驗評價含水層富水特性,結果見表3。由表3可知,洛河組下段與上段水文地質參數(shù)差異較明顯。洛河組下段滲透系數(shù)為0.027～0.049 m/d,單位涌水量為0.013～0.084 3 L/(s·m);而洛河組上段滲透系數(shù)為0.920～1.552 m/d,單位涌水量為1.305～2.248 13 L/(s·m)。因此,洛河組上段富水性強,下段富水性弱,富水性差異明顯。

表3 洛河組及其不同層段水文地質參數(shù)

3.3 水力聯(lián)系

3.3.1 洛河組上段同層水力聯(lián)系

洛河組上段同層之間水力聯(lián)系判定主要通過在上段進行群孔抽水試驗實現(xiàn)。在對洛河組上段進行抽水試驗時同步觀測洛河組上段水位變化,群孔抽水試驗成果和水位變化趨勢分別見表4、圖4?？梢钥闯?在對T1孔洛河組上段進行抽水試驗時,最大抽水量為22.453 L/s,最大水位降深為9.24 m,同步觀測T2孔洛河組上段相應水位降深分別為3.78 m、3.42 m和2.85 m。當T1孔停止抽水30 min后T2孔水位已恢復0.31 m,T2孔洛河組上段地下水水位隨T1孔抽水同步變化趨勢較明顯。在對T2孔洛河組上段進行抽水試驗時,最大抽水量15.140 L/s,最大水位降深為10.28 m,觀測T1孔洛河組上段相應水位降深分別為3.79 m、3.45 m和2.62 m,T1孔洛河組上段地下水水位隨T2孔抽水同步變化趨勢亦較明顯。因此,綜合分析認為T1、T2孔洛河組上段同層之間水力聯(lián)系較密切。

夜里她一直在書房看稿子。厚厚一摞打印稿，她需要在睡覺以前看完。天氣悶熱，大雨傾盆，念蓉起身，去陽臺關好窗子。楚墨還沒有回來，兩個小時以前她給楚墨打電話，楚墨說他正在與朋友吃飯。電話里聲音嘈雜，隔著電話念蓉也能聞到濃重的酒精氣味。念蓉問他：“要不要我過去幫你把車開回來？”楚墨大著舌頭說：“我不開車，我飛回去?！?/p>

圖4 同層段群孔抽水試驗水位變化趨勢

表4 同層段群孔抽水試驗成果表

3.3.2 洛河組上下段水力聯(lián)系

洛河組上下段之間水力聯(lián)系判定同樣通過不同層段群孔抽水試驗實現(xiàn)。在對洛河組上下段進行抽水時同步觀測相應水位變化,群孔抽水試驗成果分別見表5、圖5?？梢钥闯?在對T1孔洛河組下段進行抽水試驗時,最大抽水量為0.610 L/s,最大水位降深為57.26 m,同步觀測T2孔洛河組上段水位變化。水位恢復階段,T2孔洛河組上段水位與T1孔洛河組下段水位雖然具有相似的上升趨勢,但總體來看兩者同步性不強。在對T2孔洛河組上段進行抽水試驗時,最大抽水量為15.140 L/s,最大水位降深為11.05 m,同步觀測T1孔洛河組下段水位變化。T1孔洛河組下段水位大體表現(xiàn)出隨T2孔洛河組上段抽水、水位恢復等分別出現(xiàn)下降和上升趨勢,但同步性較弱。洛河組上段與下段群孔抽水試驗期間,無論洛河組下段抽水還是上段抽水,觀測孔大體出現(xiàn)與抽水孔相應地下降或上升,但沒有出現(xiàn)與洛河組上段同層之間相類似明顯的3次降深及恢復水位趨勢,同步性較弱。因此,綜合分析認為洛河組上段與下段含水層之間存在水力聯(lián)系,但水力聯(lián)系微弱。

圖5 不同層段群孔抽水試驗水位變化趨勢

表5 不同層段群孔抽水試驗成果

3.4 水化學特征

為查明白堊系洛河組含水層與其他含水層之間的水化學特征,分別取華池組、洛河組不同層段、延安組及其與直羅組混合水樣進行全分析檢測,各水源水質全分析測試結果見表6和如圖6所示。

圖6 水化學Piper三線圖

表6 水化學特征對比一覽表

4 礦井水害防治

4.1 礦井水害威脅評價

高家堡礦井主要水害威脅來自白堊系洛河組含水層和侏羅系直羅組、延安組含水層頂板水。侏羅系直羅組、延安組含水層厚度較小,首采區(qū)直羅組平均厚度21.46 m,延安組平均厚度44.11 m,且涌水量和滲透系數(shù)相對較小,均為弱富水性,地下水徑流條件較差,接受側向補給水量相對有限。雖然距離煤層較近,但在巷道掘進和工作面回采過程中可以逐步進行預疏放和自然疏放?？傮w來看,除了局部地段可能存在相對富水異常區(qū)之外,侏羅系直羅組和延安組含水層對煤層回采影響較小。

洛河組下段含水層厚度較小,單位涌水量為0.013～0.084 3 L/(s·m),富水性較弱,地下水靜儲量較少,滲透系數(shù)為0.027～0.049 m/d,地下水徑流相對滯緩,接受補給條件較差。同時,洛河組下段與上段之間水力聯(lián)系微弱,接受上段和側向地下水補給水量相對有限,對煤層回采雖有一定影響,但總體可以通過預疏放和自然疏放等方法減小水害發(fā)生概率。

4.2 礦井水害防治對策

4.2.1 防治原則

高家堡井田導水裂隙帶已經(jīng)波及洛河組含水層。因此,4號煤層頂板洛河組含水層是對煤層回采安全構成威脅的主要充水含水層,在巷道掘進和工作面回采過程中需要針對性地開展防治水工作。礦井防治水工作應堅持“積極主動、預防為主、超前治理”的指導方針,堅持洛河組上段水以防為主,洛河組下段和侏羅系水以預疏放和自然疏放為主的工作思路[13-14]。

4.2.2 堅持物探與鉆探相結合

頂板洛河組上段含水層構成煤層回采的主要水害威脅,為保證礦井煤層回采安全,巷道掘進應堅持超前鉆探。工作面回采前應進行富水異常區(qū)和構造異常區(qū)物探探查,發(fā)現(xiàn)異常后應在可疑地段布置鉆孔進行鉆探驗證。

4.2.3 提前疏放

侏羅系含水層距離煤層較近,洛河組下段含水層富水性弱,靜儲量相對有限,且與洛河組上段含水層水力聯(lián)系微弱。在巷道掘進和工作面回采時應提前施工鉆孔,并結合巷道掘進和工作面開拓對侏羅系頂板、白堊系洛河組下段含水層進行預疏放。

4.2.4 完善排水系統(tǒng)

完善礦井及工作面排水系統(tǒng),確保工作面回采不受井下涌水和積水影響。同時,建立完善礦井抗災排水系統(tǒng),使礦井具有一定的防災抗災能力。

5 結論

(1)通過地面鉆探法實測了高家堡井田導水裂隙帶高度為88.03～327.75 m,采用實測裂采比預測的導水裂隙帶高度為92.03～277.13 m,導水裂隙帶已經(jīng)波及到白堊系洛河組含水層。

(2)采用水文地質鉆探、抽水試驗及水化學分析等方法從巖性特征、富水特性、水力聯(lián)系以及水化學特征方面分析總結了礦區(qū)白堊系含水層水文地質特征。

(3)高家堡井田4號煤層安全開采受頂板洛河組含水層水害威脅較大,洛河組上段水應堅持以防為主,洛河組下段和侏羅系頂板水則以預疏放和自然疏放為主。