沁水煤田15#煤層帶壓開采奧陶系峰峰組隔水性技術研究

陳晉強

（晉城煤業集團成莊礦地測科，山西 晉城 048021）

1 水文地質條件概況

成莊礦位于沁水煤田南翼控制區域，礦井核定生產能力8.3Mt/a，主采3#、9#和15#煤層。礦井水文地質類型為中等，開采面臨的水患主要來自底板奧灰巖溶含水層的突水威脅，主要原因是奧陶系灰巖頂板與下組煤15#煤層底板間距很小，局部甚至小于20m，在帶壓區要安全開采15#煤，其上部分布的不穩定本溪組地層很難形成有效的隔水層。

2 水文地質研究背景

成莊礦位于華北斷塊中的呂梁-太行斷塊沁水塊坳東部次級構造單元沾尚-武鄉-陽城北北東向褶皺帶南段，面積為74.3km2。井田內地質構造類型為簡單，為一走向NNE或近SN，傾向NW的單斜，傾角3～12°，平均在8°以內，自東向西依次出露奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系地層。成莊礦屬延河泉域，對15#煤開采影響明顯的含水層為奧陶系中統石灰巖巖溶裂隙含水層、石炭系上統太原組石灰巖巖溶裂隙含水層組，主要的隔水層為石炭系上統太原組底部及中統本溪組泥巖、鋁質泥巖隔水層，隔水層厚度變化較大，一般為20～30m區間。

華北煤田煤礦水害防治中一般將奧陶系灰巖當做主要含水層，隨煤層埋深增加，奧灰水水壓增加，突水危險性越大，大量的下組煤開采風險增加。

3 下組煤開采底板有效隔水層構成及隔水性能

3.1 主采煤層垂向分布地層特征

下組煤開采的關鍵是確定其底板有效隔水層厚度及其帶壓阻隔水能力。依據礦井地質鉆孔（揭露奧灰中統峰峰組）柱狀資料，3#煤層下部含水層厚度統計如圖1所示。圖中顯示成莊煤礦3#煤層的平均厚度為6.10m，其到奧陶系灰巖的平均距離為117.77m，下部15#煤層厚度為3.68m，距離奧陶系灰巖的距離為23.42m，15#煤層距離上部9#煤層的距離為48.75m。從煤層垂向分析特征看，正常情況下奧陶系灰巖并不會影響3#煤層的采掘，但是對15#煤層的影響較大，因此15#煤層下部的本溪組硅鋁質泥巖的厚度及奧陶系上部峰峰組含水性能直接決定了15#煤層的安全開采。

3.2 奧陶系含水層水化學特征分析

峰峰組水樣的礦化度變化較大，一般為0.78～5.55g/l之間，說明本區峰峰組含水層水的循環條件差別很大，如SWY1孔的礦化度高達5.55g/l，陽離子主要以Na+和Ca2+為主，含量分別在21.94～769.35mg/l，10.20～1574mg/l之間；陰離子以SO42-為主，含量在104.55～2593.08mg/l之間。Cl-含量為39.49～3150.09mg/l，SWY1孔的Cl-含量很高，而SC2孔和GZ孔的HCO3-含量為零。峰峰組水樣的水化學類型比較復雜，SWY2、SWY3、SC3、SW2以SO4-Ca?Mg型水為主，與其他孔的水型不同，如SC2和SC3孔水樣的水化學類型為SO4?Cl-Na型，SW1孔水樣的水化學類型為HCO3-Na型。說明峰峰組薄層狀泥質灰巖和巖溶溶孔中大量粘土的存在使峰峰組灰巖中的水交替滯緩，會發生強烈的離子交換作用。

圖1 主采煤層與奧灰含水層垂向分布特征

峰峰組與峰峰組和上馬家溝組混合水的礦化度的對比結果中，發現不同鉆孔中的礦化度出現兩種情況：一是明顯減小，如SWY1、SW2、GZ孔；二是顯著增大，如SWY3、SW1、SWY2和SC2孔，不同層位中水中礦化度的變化反映出峰峰組含水層水質與上馬家溝組含水層在礦化度上具有一定的差異性，論證了兩層水存在較少的水力聯系。

對采集各水樣點水化學類型進行繪制Piper三線圖，結果如圖2所示。除了SW2孔兩個層位水樣的水質差別較小，其他孔的兩個層位的水質差別較大。可以分為兩類：一是具有明顯差異特征，如SC2、SC3、GZ和SW1孔，其在菱形圖中所在位置明顯不同；二是整體相同局部存在差異，如SWY1、SWY2和SWY3孔，雖然水樣點在Piper三線圖中大體相似，但在其所處的局部仍有所不同，如SWY1、SWY2孔峰峰組水樣中Ca2+、Mg2+在陽離子中所占比重大于峰峰組+上馬家溝組水樣，而K++Na+比重則小于上馬家溝組。

奧灰峰峰組和上馬家溝組兩個層位之間的水力聯系比較弱，沒有明顯的互相補給關系。峰峰組含水層的礦化度變化很大，峰峰組在井田內屬于奧灰水的相對滯留區，沒有大的巖溶通道使各抽水孔發生水力聯系，峰峰組地層具有一定的隔水性能。

3.3 奧陶系峰峰組隔水性能技術分析

一定厚度的隔水層可以阻隔含水層之間的水力聯系，隔離底板含水層的突水通道。依據地質鉆孔資料繪制15#煤與奧灰峰峰組頂面間隔厚度等值線，東區15#煤至奧灰峰峰組頂面厚度（主要是本溪組厚度）在8～46m之間，最薄處位于東區西北部為8～12m左右，中部厚度在12～24m之間，在東北部方向厚度由12m逐漸增加到46m左右。在西南部厚度由12m逐漸增加到46m左右。15#煤底板至奧灰峰峰組頂面厚度大部分區域在24m以下。

圖2 水化學Piper三線圖

對奧灰峰峰組做抽水試驗結果發現，峰峰組厚度在83.13～99.62m之間，最大單位涌水量僅為0.000244L/s.m，巖溶裂隙相對不發育，確定峰峰組為弱富水性含水層。因此，對15#煤開采底板有效隔水層的判斷不能僅僅依靠15#煤底板至奧灰峰峰組之間的厚度，而應考慮峰峰組本身的隔水性，本文將其稱之為有效相對隔水層厚度。從揭露峰峰組的鉆孔看井田內峰峰組相對隔水層厚度為57.2～130.09m 之間。

奧陶系峰峰組有效相對隔水層厚度計算結果如圖3所示，15#煤開采底板有效隔水層厚度在24～62m之間。成莊礦15#煤開采底板有效隔水層厚度在24m以上，有效相對隔水層的存在對帶壓區內15#煤層開采時奧灰巖溶水底板突水將起到關鍵性隔離和制約作用。

圖3 15#煤開采底板有效隔水層等厚線圖

4 結語

通過對15#煤層與奧陶系灰巖的垂向分布關系分析、奧陶系峰峰組與上馬家溝組之間的水化學特征對比及奧陶系峰峰組隔水性能分析，論證了奧陶系峰峰組地層的有效隔水性能，可將奧陶系峰峰組上部地層作為15#煤層開采時的有效隔水層。

（1）根據奧陶系峰峰組水化學檢測結果中水質礦化度的變化情況，確定其具有較為復雜的水化學類型。對比奧陶系峰峰組和上馬家溝組的水化學特征分析發現，上下兩個含水層之間的水化學特征并不一致，二者并不存在明顯的水力聯系，峰峰組地層具有一定的隔水性能；

（2）依據峰峰組弱含水性的水文特征來確定相對隔水層的厚度，論證了15#煤層開采時的有效隔水厚度應為煤層底板至奧灰峰峰組之間的厚度加上峰峰組本身厚度，隔水層厚度為24～62m，在15#煤層開采時能夠有效起到隔水的根本目的。

（3）峰峰組有效相對隔水層的存在和量化確定，確定和相對增加了15#煤層底板有效隔水層的厚度值，降低了礦井帶壓區突水系數的計算數值，對礦井奧灰巖溶帶壓區的危險區的劃分和圈定提供了科學的技術支撐，有效地增加了礦井安全區（可采區）的開采范圍。