北辛窯井田構造特征及其控水作用

仝重宇

(北辛窯煤業(yè)有限公司,山西 忻州 036702)

截至2022年底,我國一次能源消費結構仍以煤炭為主,占56%以上,也是我國能源保供的壓艙石和穩(wěn)定器。近年來,煤炭生產(chǎn)逐步形成以安全綠色開發(fā)和清潔高效利用的生產(chǎn)模式,但是隨著開采的不斷深入,面臨的煤層賦存地質條件、地下水動力條件復雜多樣,導致開采過程中遭受礦井水害威脅嚴重[1-2]。而北辛窯井田屬于原同煤集團朔南地區(qū)新部署的大型煤礦之一,由于該井田處于寧武煤田構造應力轉換區(qū)[3],地質構造復雜,導致各含水層水動力條件、水源類型、水源通道以及涌(突)水規(guī)律認識不清,在生產(chǎn)過程中多次發(fā)生突(涌)水事件,存在出水量大,持續(xù)時間長,其中3處出水點出水量達300 m3/h,且相鄰水文孔水位動態(tài)變化和水質類型差異較大等問題,嚴重影響礦井防治水決策與安全高效生產(chǎn)[4-5],導致礦井未能如期達產(chǎn)。本次研究充分利用測井、地質、電法和地震等資料,結合區(qū)域構造特征,剖析北辛窯井田石炭系地層結構、構造演化規(guī)律、成因機制等,明確井田地質構造發(fā)育特征、導含水性及其對地下水動力場的控制作用,提出構造控水機理,指導復雜地質條件下井田防治水工作。

1 地質概況

北辛窯井田是晉能控股集團朔南礦區(qū)主要礦井之一,位置位于寧武向斜北部、朔縣向斜東南部,面積約為53.3 km2,屬于軒崗-陽方口構造應力轉換區(qū),主要經(jīng)歷了印支、燕山早期、燕山中晚期、喜山4期幕式構造作用,特別是燕山中晚期多方向強烈擠壓構造作用,形成井田基底隱伏構造;喜山期走滑伸展作用導致NE-NEE向斷裂帶,控制著現(xiàn)今井田構造格局和賦煤條件[3]。井田內從下到上發(fā)育奧陶系馬家溝組,石炭系本溪組、太原組,二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、第四系,其中太原組平均厚度89.56 m,煤層平均總厚20.28 m,2號、5號、6號煤層為較穩(wěn)定可采煤層,可采煤層平均總厚18.6 m.井田屬神頭泉水文地質單元,主要含水層系為奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層,太原組、山西組和石盒子組碎屑巖裂隙含水層,第四系松散巖層孔隙含水層,其中奧陶系巖溶裂隙含水層水位標高+1 056～+1 077 m,水質類型以HCO3-Ca·Mg型為主,富水性中等至強[4]。

2 井田構造特征

2.1 斷裂構造與幾何學特征

通過地面鉆孔勘查、三維地震精細化解析和掘進回采過程中揭露的斷層進行統(tǒng)計分析,北辛窯井田共查明斷層68條,均由鉆孔、2D、3D地震直接控制、落實,其中4條斷層從程坑井田延伸到北辛窯井田。井田內斷層以正斷層為主,走向分3組,但NEE向斷層占絕對優(yōu)勢,局部可見NW、NE向斷層;傾向以NNW為主,SSE傾向次之,傾角集中于60°～80°,為高角度正斷層。結合區(qū)域構造應力和演化期次,近NEE向斷層形成時期晚,將早期形成的斷裂、褶皺重新切割,多呈壘-塹構造和斷褶構造樣式,北部間隔較小,平面上,次級斷層與主干斷層多斜交發(fā)育,對煤層賦存條件整體影響較大。南部斷層間隔大,平面上,近平行分布,形成多個NEE向塊體,是該區(qū)煤層賦存有利區(qū)。

本文選取典型的幾條斷層進行描述,F7斷層,位于井田中北部,走向NEE,傾向南,傾角60°～80°,斷距150～332 m,錯斷2號、5號、8號煤,在區(qū)內延展長度約為4 760 m,并向西、向東延展至井田外;F6斷層,與F7斷層近平行分布,走向近東西,傾向北,傾角65°～80°,斷距60～199 m,延展長度分別約為2 430 m,并向西延展至區(qū)外,垂向上與F6斷層斜交,形成地壘構造樣式(圖1(a));F8斷層位于井田中北部,由703、602、BX-11、BX-12、201、BX-21鉆孔和三維地震控制,走向NEE轉EW,傾向SSE轉S,傾角60°～80°,斷距155～200 m,錯斷2號、5號、8號煤層,延展長度為3 229 m,并向西、向東延展至區(qū)外,垂向上F8斷層與F9斷層形成斷階狀構造樣式(圖1(b))。

圖1 北辛窯井田典型斷裂剖面特征圖

2.2 斷裂斷距與延伸長度相關性

按照斷層落差H及其對煤礦開采的影響程度,本次研究將H>30 m的斷層劃歸大型斷層,15 m

本區(qū)經(jīng)過多期次構造運動,導致斷層的展布方向、力學性質存在差異。以X坐標表示斷層最大落差,Y坐標表示水平延伸長度,做出散點圖,建立北辛窯井田斷距與延伸長度散點圖,回歸曲線及經(jīng)驗公式(圖2),顯示斷距與延伸長度具有較好的正相關關系,R2可達0.82,即隨著斷距的增大,平面延伸長度增大,為斷層預測具有一定的指導意義。

圖2 北辛窯井田斷層最大斷距與延伸長度相關性

2.3 褶皺構造

北辛窯井田主要發(fā)育2個背斜和2個向斜,其中S1背斜位于井田北部,軸向NEE向,向西翹起,北翼傾向NW,南翼地層傾向SE,兩翼基本對稱,傾角約為8°,延伸長度約為4 000 m;S2向斜位于S1背斜東部末端,軸向SN向,西翼地層傾向E,東翼傾向W,傾角約為7°,延伸長度1 200 m.S3背斜位于中部,軸向EW向,兩翼基本對稱,傾角約為8°,北翼傾向N,南翼傾向S.延伸長度3 000 m.S4向斜位于井田南部,軸向NE向,向NE端翹起,延伸長度5 070 m.在北辛窯井田褶皺構造發(fā)育較少,主要受后期斷裂構造破壞,對煤層賦存及開采的影響偏小。

2.4 構造控煤樣式

由于北辛窯井田鄰近寧武向斜東北翹起端,與軒崗以北一帶受到的構造作用與形變相似,并結合井田斷裂平面分布和垂向切割的特征,認為北辛窯井田整體為向西-向北傾的單斜構造,早期受到區(qū)域擠壓應力作用,發(fā)育小型逆沖推覆相關褶皺和沖斷斷層;晚期受到NW-SE向伸展作用,一方面使早期沖斷斷層活化反轉,另一方面褶皺及逆斷層被NE-NEE向斷裂切割,導致隱伏的擠壓特征不明顯,現(xiàn)今主要呈現(xiàn)NE-NEE向大型斷裂體系,近平行和斜交分布,局部呈弧形、S形,垂向形成多個壘-塹、順向和反向斷階、斷褶構造樣式。同時在井田不同區(qū)域構造復雜程度存在明顯差異,中北部構造復雜,斷裂規(guī)模大、平面密集分布、且垂向切割交錯,導致形成多個不規(guī)則塊段,嚴重影響煤層賦存條件和有效開采;南部構造相對簡單,整體以單斜構造為主,局部被中小型斷裂切割,是井田煤層賦存有利區(qū)。

3 構造控水作用

北辛窯井田處于寧武煤田中北部構造轉折端,北部以王萬莊大型斷裂帶為界,朔南至平朔地區(qū)煤田近NS向,南部至軒崗一帶煤田近NE向,由于該構造轉折帶主要受到燕山期多期、幕式NW向向近EW向的強烈旋轉擠壓作用,形成了整個寧武煤田邊緣的逆沖推覆構造,以及井田內部的隱伏推覆構造;在喜山期該轉折區(qū)同樣受到NE-SW向走滑作用派生的NE向大型斷裂帶異常發(fā)育,特別是在軒崗周緣地區(qū),形成了陡峻的斷塊山,奧陶系和古生界大面積出露。北辛窯井田在區(qū)域構造的控制下,井田處于神頭巖溶泉域水文地質單元,地下水補給區(qū)主要位于東、西和南部盤道梁-寧武南-南峰地層出露區(qū),地下水的整體徑流方向是東西部向中部、南部向北部,從神頭泉排泄。

由于寧武煤田中北部構造的分區(qū)分帶性,導致神頭巖溶泉域水文地質單元在不同的構造區(qū)又具有明顯的差異性,呈多個次級水文地質單元或次級含水系統(tǒng)。通過水文觀測孔抽水試驗、工作面及巷道出水點抽水試驗、出水點水源、斷層兩盤巖性特征等多因素綜合分析,認為中北部NEE向斷裂體系將統(tǒng)一的含水系統(tǒng),分割為多個次級、相對獨立的含水系統(tǒng),斷層垂向導水性強于側向導水性,側向導水性取決于含水層被錯斷后,巖性對接關系,通常在井田中北部斷距大于45 m的斷層(如F6、F7、F8、F9斷層)可將太原組上部厚層完全錯斷,側向導水性變差,普遍存在NEE向獨立的次級含水系統(tǒng),其中F8斷裂南北兩盤的水動力條件不同,這一認識被斷裂帶兩側的BS6和G6水文孔證實;在井田中南部斷層密度小,斷距小,含水層不易錯斷,山西組與太原組含水層側向連通性好,但缺乏通源斷層,斷層導水性弱,以至與奧灰水的水力聯(lián)系較弱,富水性差,中南區(qū)有利于大型工作面部署和防治水工作。同時,井田局部受NE向隱伏推覆構造影響,如南翼大巷涌水點,奧陶系和太原組下部地層近似直立,奧灰水沿著巖層面或風化殼疏松帶向上越流,當與NE向斷裂帶交割,更容易導致突水[4]。

井田內大型NE向斷層多以斷裂帶呈現(xiàn),斷層兩盤牽引裂隙和小型斷層廣泛發(fā)育,形成一個復雜的網(wǎng)格結構體,該類結構體往往因脆性斷層破碎帶具有較好的透水性,形成礦井充水的良好通道,是北辛窯井田地下水垂向運移或越流的良好導水通道。同時,同一大型斷裂帶的導水性在縱橫向具有差異性,即一條斷層在某一方向導水,而在另一方向上隔水,或同一斷層的某一部位導水,而在另一部位隔水。因此,在實踐中,需充分考慮斷層不同部位的巖性對接關系,不同方向的應力狀態(tài)等因素綜合分析控水作用,具體如下。

1) 斷裂帶兩盤的巖性特征。斷層兩盤均為粗粒砂巖等脆性巖石時,開啟性小型斷裂及伴生裂隙發(fā)育,透水性及導水性能好;當斷層兩盤均為泥巖、砂質泥巖、鋁土質泥巖、碳質泥巖等塑性巖石時,斷層錯斷摩擦導致斷層面為滲透性差且致密的斷層泥,且周圍破碎帶也多被低滲透性的泥質成分充填,斷層面呈閉合狀態(tài),一般不導水或導水性極弱,起到橫向和垂向隔水作用。

2) 主斷裂構造的活動強度。北辛窯井田發(fā)育的多組高角度正斷層是在強烈的伸展應力條件下形成,通常形成過程中會派生一些協(xié)調性中小型斷層、伴生裂隙或節(jié)理,多近平行、斜交于主斷層,在這些斷層發(fā)育密集區(qū)或交匯區(qū),易形成復雜的斷裂控水網(wǎng)絡,斷層的導水性和富水性更強,即在同一含水層系、巖性相似的條件下,地下水相對更富集。如2號煤及其頂板、底板瞬變電磁電阻率平面[6]特征與斷裂分布規(guī)律疊合,可見3層含水異常區(qū)多重合疊置,其分布規(guī)律和富水性受大型斷裂下降盤和多條斷層的交匯處控制。以F8斷層為例,經(jīng)試驗得斷裂帶處滲透系數(shù)約為0.114 7 m/d,遠大于無構造區(qū)的0.056 7 m/d;根據(jù)取芯后試驗結果斷層帶巖石飽和吸水率約為4.36～7.22,而無構造區(qū)的飽和吸水率僅為2.37～3.87,在井田南翼大巷掘進期間,在F8斷層次級斷層處發(fā)生兩次突水事故,突水點1穩(wěn)定水量約為300 m3/h,突水點2穩(wěn)定水量約為300 m3/h,后經(jīng)井下定向鉆井底板注漿加固進行了防治。

3) 斷裂帶與奧灰水的溝通情況。通過常規(guī)水化學離子[7]、微量元素、同位素、碳氧同位素等綜合分析,井田內多數(shù)區(qū)域太原組和山西組含水層與奧灰水存在水力聯(lián)系,奧灰水越流至太原組和山西組含水層,但奧陶系巖性以泥灰?guī)r、泥質灰?guī)r為主,巖性致密、滲透性極低,在地下主要呈現(xiàn)構造裂隙和巖溶裂隙水,非均質性強,必須有斷裂導水通道,即斷裂帶的切割深度達到奧陶系深部,否則奧灰水無法越流至上覆碎屑巖含水層。

4 結 語

通過對北辛窯井田構造特征研究,認為NEE向束狀斷裂網(wǎng)絡體系是井田的主控水構造和水源通道,將統(tǒng)一的水動力系統(tǒng)分割成多個次級水動力系統(tǒng),解決了相鄰水文孔水位差異大、抽排期水位不明顯變化等難題,明確井田中南部缺乏通源斷層,與奧灰水的水力聯(lián)系較弱,煤系地層富水性較差,有利于工作面部署和防治水工作,建議生產(chǎn)開拓重點向該區(qū)域推進。