紫金煤礦奧陶系灰巖含水層水文地質條件淺析

姚言璞 李紅飛

摘要：紫金煤礦15號煤層底板標高-120m～+580m，奧灰水位標高748.0m～752.0m，全井田15號煤層為奧灰水帶壓開采，奧灰含水層巖溶發育、富水性不均一，使得奧灰水對15號煤層開采影響較大，本文通過分析含水層富水性、水化學、隔水層特征，初步預測了礦井奧灰水突水量，提出了礦井防治水工作重點部位及其防治措施，對紫金煤礦15號煤層實現安全開采有重要意義。

關鍵詞：帶壓開采；突水量；防治水

紫金煤礦位于榆次區城北20km烏金山鎮東蒜峪一帶，井田位于沁水煤田北部邊緣的東山找煤區，地下水水文地質單元屬山西娘子關泉域巖溶地下水系統西北部徑流區，礦井今后開采15號煤層面臨嚴重的奧灰水突水危險，因此，分析研究奧陶系巖溶水水文地質條件對礦井安全開采意義重大。

1.地質概況

該區位于山西地臺的中部，發育有一系列北北東向斷層，構成山間斷裂帶，與晉中新斷陷接壤，對西北部低山區和東南部丘陵區之形成起控制作用，井田總體為走向東、傾向南的單斜構造。井田主要含水層有第四系松散孔隙含水層、二疊系碎屑巖裂隙含水層、石炭系碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層、奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層，其中15號煤層底板主要充水含水層為奧陶系碳酸鹽巖含水層，是15號煤層開采面臨的重要底板充水水源。

2.煤層底板含、隔水層特征

2.1底板含水層特征

2.1.1峰峰組碳酸鹽巖含水層

該組巖性主要以石灰巖、白云質灰巖、泥質灰巖、角礫狀灰巖為主，厚度49.15m～100.0m，平均77.4m，含水層單位涌水量單位涌水量為0.0001 L/s？m ～0.0022 L/s？m，滲透系數為0.0114m/d～0.2519m/d，水位標高為+748.0m～+752.0m，含水層富水性弱。

地下水中陽離子主要為K++Na+、Ca2 +，含量分別為31.17mg/L～144.43mg/L，100.20mg/L～139.48mg/L，陰離子主要為SO42-，含量為264.66mg/L～470.05mg/L，礦化度769.86mg/L～ 772.86mg/L，水化學類型為SO4·HCO3-Ca型或SO4-Na·Ca型（表1、圖1），沿地下水徑流方向，礦化度逐漸增大，表現出西南部地下水交替較東北部要積極，徑流條件逐漸變差。

2.1.2上馬家溝碳酸鹽巖含水層

該組巖性以石灰巖、花斑灰巖、泥質灰巖為主，局部夾方解石脈，含水層單位涌水量0.001 L/s？m ～0.2 L/s？m，滲透系數0.16m/d～7.46m/d，水位標高為638.0m～640.0m，含水層富水性弱-中等。

地下水中陽離子主要為K++Na+、Ca2+、Mg2+，陰離子主要為SO42-、HCO3-。其中，K++Na+含量16.86mg/L～118.89mg/L，Ca2+含量28.06mg/L～100.20mg/L，Mg2+含量14.59mg/L～ 34.05mg/L；SO42-含量192.22mg/L～255.19mg/L，HCO3-含量49.11mg/L～252.23mg/L。礦化度525.95mg/L～609.63mg/L，水化學類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型或SO4-Na型（表2、圖2），由于該組含水層接受井田外西北部奧陶系灰巖裸露區的側向補給，地下水徑流條件較峰峰組要好一些。

2.2煤層底板隔水層特征

隔水層主要為本溪組泥巖、砂質泥巖、鋁質泥巖，峰峰組頂部泥灰巖組成，該層裂隙一般不發育，透水性差，隔水性能良好，厚度46.9m～86.94m，平均厚度62.82m，井田內東部隔水層厚度較大，向西厚度逐步遞減。

3.構造富導水性

斷層、陷落柱是底板奧灰水向礦井充水的重要通道，井田先期開采地段構造較發育，現階段為發現有構造導水的現象，今后要加強對構造探查研究工作。

4.峰峰組與上馬家溝組含水層水力聯系

峰峰組底板普遍存在一層巖性為泥質灰巖，厚度為5.0m～47.8m的弱透水層，阻隔峰峰組與上馬家溝組含水層水力聯系，使之成為兩個相對獨立的含水系統，這點從地下水化學、水位可以得到證實，據此可說明二者之間在正常地段不存在水力聯系。

5.突水危險性評價及突水量預測

5.1突水危險性評價

15煤底板奧灰水突水系數為0.036MPa/m～0.072MPa/m，井田內帶壓系數總體由西北向東南逐漸增大，小于正常地段突水系數臨界值0.1MPa/m，因此在正常地段發生突水可能性很小，在構造地段仍存在突水危險（表3、圖3）。

5.2突水量預測

運用地下水動力學理論，采用承壓完整井計算公式，預測奧灰水突水量，預測公式為：

經估算，15號煤層底板峰峰組含水層水水突水量為222m3/h，上馬家溝組含水層突水量為559m3/h。需要注意的是承壓水完整井預測礦井涌水量有一定局限性，其是建立在地下含水層是均質、各向同性、等厚、水平的，且地下水為層流穩定狀態。

6.奧陶系灰巖水水害分析及防治措施

井田15號煤層開采底板水害為奧陶系灰巖水，斷層、陷落柱為發生突水的重要通道，峰峰組含水層整體富水性較弱，礦井即使發生突水，突水量較小，礦井排水系統完善，不至于造成災害性。上馬家溝組含水層局部富水性較好，有較好的補給條件，一旦發生突水，可淵源不斷向礦井充水，對礦井危害性較大，因此煤層底板水防治措施重點要防在防治構造導水，其次為構造薄弱帶。對于構造可通過物探、鉆探探查其富導水性，進而通過注漿封堵可達到治理效果，對于構造薄弱帶可通過底板注漿加固改造隔水層抗壓能力達到防治目的。

7.結論

井田15煤底板突水水源為奧陶系灰巖含水層，煤層底板隔水層厚度較大，正常地段發生突水幾率較小，在構造地段發生突水可能性較大，可通過對構造注漿封堵或底板薄弱帶注漿加固等措施實現帶壓安全開采。