臺格廟礦區水文地質分析及煤炭保水開采研究

高 躍 張建華 趙思宇

(神華新街能源公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017200)

1 礦區概況和水文地質條件

臺格廟礦區位于西北干旱—半干旱氣候區，水資源稀少，生態環境脆弱，礦區的大規模開發建設必將面臨水資源破壞、植被退化、土地沙化等環境等問題。選擇一個合理的保水開采措施至關重要。

1.1 礦區概況

臺格廟礦區位于鄂爾多斯高原的中南部，毛烏素沙漠的東北邊緣，礦區為侵蝕性丘陵及風積沙漠區，地表幾乎全部被第四系風積沙所覆蓋，植被稀疏，地表水系屬黃河水系，地表水不太發育，只有在雨季降水匯集于洼地之中，通過風積沙滲入地下補給松散層含水層。礦區面積約737.2km2。礦區內地層由老至新發育有三疊系上統延長組、侏羅系中統延安組、侏羅系中統直羅組、安定組，白堊系下統志丹群、第三系上新統和第四系，含煤地層為侏羅系中下統延安組。埋藏深度519～909m。

1.2 礦井水文地質條件

1.2.1 含水層分布情況

根據地層時代及其賦存條件，臺格廟礦區地下主要含水層自地表到煤層有4層。

(1)第四系 (Q)松散層潛水含水層。該含水層根據地下水賦存的巖性條件包括兩種類型含水層。

全新統風積砂層孔隙潛水含水層 (Q4eol)，巖性為灰黃色、黃褐色中細砂、粉細砂，結構松散，沉積厚度1～10m，遍布全區。地下水位埋深0.50～3.00m，單位涌水量0.25～1.00L／s·m。含水層的富水性中等，透水性能良好，地下水水質良好。

全新統湖積物泥砂層孔隙潛水含水層 (Q4l)，巖性為灰白色、灰黑色淤泥及不同粒級的砂組成，沉積厚度0～10m。地下水位埋深1.50～4.00m，透水性能良好，地下水水質良好。該含水層的變化直接影響著礦區內地表植被、地表水系、礦區環境。

(2)白堊系下統志丹群 (K1zh)孔隙潛水～承壓水含水層。該含水層巖性以中-粗粒砂巖為主，中粒級砂巖以上地層厚度1.15～420.95m，平均111.37m，全區賦存，該含水層與上部第四系含水層間的隔水層發育較差，因此與上部含水層有一定的水力聯系。該含水層富水性弱-中等。

(3)侏羅系中統直羅組 (J2z)碎屑巖類孔隙、裂隙承壓水含水層。該含水層巖性以中粒砂巖為主，含水層主要分布在礦區北中部，連續性較好，分布區內厚0.6～122.6m，平均24.05m。水位埋深14.39～126.60m，單位涌水量0.0155～0.0805L／s·m。礦區內直羅組含水層富水性弱。該含水層與上部潛水含水層有一定水力聯系，與下部承壓水含水層的水力聯系較小。

(4)侏羅系中統延安組 (J2y)孔隙裂隙承壓水含水層。該含水層分布在煤系地層內，含水層巖性以中粒砂巖為主，局部為粗粒砂巖，富水性弱，透水性與導水性能差，含水層與上覆含水層及大氣降水的水力聯系均較小，為礦床的直接充水含水層。

1.2.2 隔水層分布情況

根據地層時代，臺格廟礦區地下主要隔水層有3層。

(1)白堊系下統志丹群 (K1zh)隔水層。該地層巖性以礫巖、粗砂巖、中砂巖及細砂巖為主，夾砂質泥巖，泥巖互層沉積，砂質泥巖、泥巖為相對隔水層，其水平及垂向上的空間展布變化大，單層厚度變化3.50～22.70m，為隔水、半隔水巖層，對該含水層之間的水力聯系具有一定的控制作用。

(2)侏羅系中統安定組 (J2a)隔水層。區內地層巖性以泥巖、砂質泥巖、粉砂巖等泥質巖類為主，間夾部分中粒砂巖、粗粒砂巖，區內泥質巖類呈 連 續 分 布， 厚 26.28～342.03m， 平 均185.48m，是白堊系下統志丹群含水層與侏羅系中統直羅組含水層間分布較穩定的隔水層。

(3)煤系地層間泥巖隔水層。區內地層以砂巖類、泥巖類及煤相間沉積為特點，泥巖類為相對隔水層，泥巖類發育層數多，為隔水、半隔水巖層，對延安組砂巖裂隙含水層之間的水力聯系具一定的控制作用。

1.2.3 地下水補給、徑流、排泄條件

第四系含水層主要接受大氣降水及地表水補給，一般降水后，潛水水位明顯增高。受地形的控制，經短途徑流，即排向河道或洼地補給地表水或滲入下伏基巖裂隙中，部分消耗于地面蒸發和人工開發。白堊系下統志丹群 (K1zh)、侏羅系中統直羅組 (J2z)以及侏羅系中下統延安組 (J1-2y)含水層，基巖在地表出露較少，因此承壓水的主要補給來源為勘查區外承壓水的側向徑流補給，次為上部潛水的垂直滲入補給。承壓水與潛水在不同地段可形成互補關系。承壓水以側向徑流排泄為主。

2 臺格廟礦區導水裂隙帶高度估算

地下開采引起巖層移動和破壞所形成的頂板導水裂隙是主要的導水通道。導水裂隙帶發育高度是評價煤層開采是否溝通水體的基礎。區內可采煤層15層，煤層編號沿用東勝煤田的煤層編號，自上而下編為2＃～6＃煤組。2＃-1號煤層為勘查區內的最上主要可采煤層，厚0.86～6.64m，平均3.84m， 煤 層 埋 深 569.83～824.34m， 平 均693.77m，可采煤層的頂底板巖石為砂質泥巖、粉砂巖，次為中細粒砂巖。根據臺格廟礦區鉆孔巖石物理、力學性試驗成果及臺格廟礦區井筒檢查孔巖石物理、力學性試驗成果，礦區內煤層頂底板巖石以軟弱～半堅硬巖石為主。開采2＃-1號煤層時，依據 《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》給出的導水裂隙帶高度經驗計算公式 (1)和 (2)，并按中硬類巖性頂板計算:

式中:Hd——導水裂隙帶高度，m；

∑M——煤層開采厚度，開采2＃-1號煤層時，按最大厚度6.64m計算。

由式 (1)和式 (2)分別得出導水裂隙帶高度為46.7±5.6m和61.5m，取計算得到的最大值。

基于經驗統計的導水裂隙帶高度確定方法基本能夠滿足我國大多數礦井條件水體下采煤設計的要求，但在某些特定條件下導水裂隙帶高度確定方法不能體現特殊的覆巖結構和破斷特征，導水裂隙帶高度明顯大于按上述導水裂隙帶高度計算方法得到的值，主要是由于覆巖關鍵層對頂板導水裂隙帶發育高度的影響。所以在地質資料詳細的情況下，進入設計生產階段還應根據關鍵層位置進一步計算導水裂隙帶高度。在煤層開采后采用導水裂隙帶探測技術驗證導水裂隙帶高度，總結適合臺格廟礦區的導水裂隙帶高度計算公式。

3 礦區涌水量預算

由于周邊沒有礦井進行生產，礦區涌水量僅采用地下水動力學中的 “大井法”預算。根據煤層賦存情況，煤組中面積可采系數較大的煤層有3＃-1煤層 (63%)、6＃-2煤層 (85%)。該兩層煤厚度較大，分布穩定，為礦區主要可采煤層。礦區劃分兩個水平預算涌水量，其中3＃-1煤層以上 (包含3＃-1煤層)為一水平，3＃-1煤層以下為二水平。計算面積采用主要可采煤層分布最大范圍面積進行預算。一水平采用3＃-1煤層，可采面積494.51km2，二水平采用6＃-2煤層，可采面積625.13km2。

計算礦井涌水量，參數選用地質勘探鉆孔直羅組、延安組抽水試驗資料。前已敘及導水裂隙帶最大高度為61.5m，受冒落帶影響的地層為直羅組、延安組，礦區涌水量主要來源于上述兩個含水層的涌水量。

礦區涌水量計算采用承壓-潛水完整井公式:

式中:Q——預算巷道系統涌水量，m3／d；

k——含水層滲透系數，m／d；

H——隔水底板至承壓水位的水頭高度，m；

M——含水層厚度，m；

h——隔水底板至動水位之水頭高度，m；

Ro——影響半徑，m；

R——水位降至含水層底板時的影響半徑，m；

ro——大井引用半徑，m；

F——可采面積，取3＃-1煤層可采面積494.51km2，6＃-2煤層可采面積625.13km2。

計算結果為一水平礦區涌水量162124m3／d(6755m3／h)， 二 水 平 礦 區 涌 水 量 49409m3／d(2059m3／h)，礦區總涌水量211533m3／d (8814 m3／h)。

4 臺格廟礦區保水開采技術思路

4.1 煤層開采對含水層的影響

第四系薩拉烏素組 (Q3s)孔隙潛水含水層富水性強，并且該含水層的變化直接影響著礦區內地表植被、地表水系、礦區環境。白堊系下統志丹群(K1zh)孔隙潛水～承壓水含水層富水性不均勻，部分區域富水性強。與上部薩拉烏素組含水層有一定的水力聯系。志丹群 (K1zh)內部存在以砂質泥巖、泥巖為主的相對隔水層。該隔水層對該含水層之間的水力聯系具一定的控制作用。志丹群下部的安定組巖性以泥巖、砂質泥巖、粉砂巖等泥質巖類為主，是白堊系志丹群含水層與煤系地層含水層之間分布較穩定的隔水層。這兩個含水層富水性強，對地表生態環境影響大，離煤層較遠。按初步計算得到的開采2＃-1煤層形成的導水裂隙帶高度應該受煤層開采影響很小。隨著煤炭向深部開采，導水裂隙帶高度將根據具體煤層工作面的位置、頂板巖性性質厚度計算。

侏羅系中統直羅組 (J2z)孔隙裂隙承壓水含水層與侏羅系中統延安組 (J2y)孔隙裂隙承壓水含水層富水性弱，連續性較好。根據初步計算得到的開采2＃-1煤層形成的導水裂隙帶高度，采煤不可避免地會破壞這兩層含水層，所以這兩層含水層為礦床的直接充水含水層。礦區的直接充水含水層以裂隙含水層為主，孔隙含水層次之，直接充水含水層的富水性弱，補給條件和徑流條件較差，以區外承壓水的側向徑流為主要補給源，大氣降水為次要補給源；煤層雖位于地下水位以下，但直接充水含水層富水性弱；礦區內目前為止未發現斷層，正常情況下地表水體對2＃-1煤層不構成威脅。

4.2 臺格廟礦區保水開采思路

根據臺格廟礦區含水層分布、富水性特點及隔水層分布、隔水性特點。臺格廟礦區保水開采應以不破壞地表生態環境、不影響煤炭生產高產高效、不浪費水資源為方向，采取安定組隔水層以上的含水層堅決保護、安定組隔水層以下的含水層充分利用的思路進行保水開采工作。

對于安定組隔水層下的侏羅系中統直羅組 (J2z)孔隙裂隙承壓水含水層與侏羅系中統延安組(J2y)孔隙裂隙承壓水含水層，煤炭開采不可避免地會破壞這兩層含水層，且這兩層含水層富水性弱，可以進行資源化處理，對礦井水凈化和利用，在地面和井下建設礦井水凈化處理系統，凈化的礦井水作為井下采掘、煤炭加工、礦區生活用水。回用時根據利用方向，按因地制宜、經濟方便的原則處理，優先保證礦區內用水，尤其優先考慮井下用水，做到先井下后井上，先礦內后礦外，先生產后生活。實現礦井水資源化利用，不僅可以緩解礦區缺水的問題，而且還能解決礦井廢水外排污染環境的問題，同時還能節省外購水和治理排污的費用，具有較好的經濟和社會、環境效益。隨著煤炭向深部開采，采煤可能破壞安定組隔水層的區域，可根據具體開采條件留設防水煤巖柱、降低導水裂隙帶發育高度、注漿堵截水源等技術措施控制導水裂隙帶不破壞安定組隔水層，從而對志丹群和薩拉烏蘇組含水層進行保護。

5 結論

(1)臺格廟礦區煤層上部有含水層4層，隔水層3層。安定組隔水層分布較穩定，隔水性能好，其上部的志丹群、第四系含水層水量較豐富，直接或間接影響著地表生態環境，其下部的直羅組、延安組含水層富水性弱，直接受煤層開采影響。

(2)根據臺格廟礦區詳查地質資料，依據 《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》導水裂隙帶高度經驗公式估算臺格廟礦區導水裂隙帶最大高度為61.5m。

(3)采用地下水動力學中的解析法預算礦區總涌水量211533m3／d (8814m3／h)。

(4)根據礦區水文地質特征和估算導水裂隙帶最大高度，采取安定組隔水層以上的含水層堅決保護、安定組隔水層以下的含水層進行利用的保水開采思路。

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