淺議百良煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件下的充水因素

賈 圓

(陜西澄合百良旭升煤炭有限責(zé)任公司，陜西 渭南 715600)

0 引言

百良旭升煤礦位于澄合礦區(qū)的東北部，為資源整合型礦井，井田位于F1與F10兩斷層所形成的地壘構(gòu)造部位，井田內(nèi)發(fā)育有落差較大的斷層，地質(zhì)條件為復(fù)雜型。礦井主采5號(hào)煤層，開(kāi)采水平均在奧灰水靜水位(+371 m)以下，屬承壓區(qū)，煤層底板奧灰水可能會(huì)對(duì)采掘活動(dòng)產(chǎn)生一定威脅。在建設(shè)初期通過(guò)大量的補(bǔ)充勘探工作，發(fā)現(xiàn)多處物探低阻異常區(qū)，推測(cè)部分?jǐn)鄬影l(fā)育區(qū)域富水性較強(qiáng)，但在實(shí)際的礦井水文地質(zhì)勘查工作中，水文地質(zhì)條件與實(shí)際揭露有一定出入，且地質(zhì)基礎(chǔ)工作較為薄弱，例如煤層頂?shù)装搴畬拥乃牡刭|(zhì)條件探查稍顯欠缺，對(duì)水害預(yù)報(bào)工作的準(zhǔn)確性有一定影響。伴隨煤炭開(kāi)采，采掘范圍增大，可能存在地表裂陷、地表水污染、地下水流場(chǎng)改變、礦井涌水量增大、建筑物破壞等水害隱患，造成無(wú)法估量的經(jīng)濟(jì)損失。因此，分析本礦井采掘活動(dòng)中水文地質(zhì)條件，有利于指導(dǎo)礦井后期安全生產(chǎn)工作，對(duì)于防治水工作具有重要的指導(dǎo)作用。

1 地質(zhì)構(gòu)造因素分析

井田位于渭北石炭二疊紀(jì)煤田的東部。礦井主采5號(hào)煤層，位于下二疊統(tǒng)山西組(P1s)。地層由老至新依次為：中奧陶統(tǒng)馬家溝組(O2m)，峰峰組(O2f)；中石炭統(tǒng)本溪組(C2b)；上石炭統(tǒng)太原組(C3t)；下二疊統(tǒng)山西組(P1s)、下二疊統(tǒng)下石盒子組(P1sh)；上二疊統(tǒng)上石盒子組(P2sh)；上二疊統(tǒng)孫家溝組(P2s)；下三疊統(tǒng)劉家溝組(T1l)、下三疊統(tǒng)和尚溝組(T1h)；中三疊統(tǒng)紙坊組(T2z)；新生界(KZ)。地層走向NEE或近似東西向，傾向NNW，地層傾角一般6°～8°，最大11°。

礦區(qū)基本構(gòu)造形態(tài)為一向北傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角5°～25°，一般為10°左右。沿傾向和走向發(fā)育有次一級(jí)的褶皺，伴有斷裂構(gòu)造。井田于F1(韓城大斷裂)與F10這2條正斷層所形成的地壘構(gòu)造區(qū)域，受2條正斷層拉張應(yīng)力釋放等作用的影響，井田南部發(fā)育有規(guī)模較大的A1背斜、西北部的A2背斜和X1向斜。區(qū)域內(nèi)常見(jiàn)以擠壓形成的逆斷層，整體走向近NEE向，局部出現(xiàn)扭動(dòng)。

補(bǔ)充勘探資料結(jié)合三維地震剖面資料分析，預(yù)測(cè)的14條斷層均以正斷層為主，井田內(nèi)以拉伸作用的正斷層為主，井田內(nèi)均以大于45°的高角度的正斷層為主。

通過(guò)收集2016—2019年以來(lái)的地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)構(gòu)造均以擠壓形成的煤巖層褶曲、逆斷層、煤(巖)層頂板侵入等構(gòu)造為主，斷層傾角在35°～60°左右，與井田北部F10構(gòu)造產(chǎn)狀較為接近。井田西北部為構(gòu)造集中區(qū)，斷層附近裂隙常伴有較多褶曲構(gòu)造，開(kāi)拓巷道巷(4號(hào)、5號(hào)煤層)施工至3DF3位置時(shí)發(fā)現(xiàn)多條逆斷層，斷層走向?yàn)镹NW，正好位于北部向斜軸部，斷層傾角小于30°，且揭露一條NNW向的褶曲構(gòu)造，巖層發(fā)生層滑擠壓、煤層出現(xiàn)厚度異常，且裂隙發(fā)育較多，區(qū)域內(nèi)頂板出現(xiàn)了淋水現(xiàn)象，水量小于5 m3/h。

依據(jù)前期補(bǔ)充勘探資料，井田內(nèi)存在多處低阻異常，大多集中帶在斷層、裂隙較發(fā)育區(qū)域。例如南翼A1背斜東翼的3DF3、3DF4斷層測(cè)區(qū)存在低阻異常區(qū)A-1，如圖1所示，斷層的影響造成地層破碎裂隙帶較發(fā)育，有導(dǎo)通K2、奧灰?guī)r溶水的可能，導(dǎo)致構(gòu)造區(qū)富水，給采掘生產(chǎn)帶來(lái)一定的水害威脅。

圖1 3DF3測(cè)區(qū)內(nèi)視電阻率斷面Fig.1 Apparent resistivity section in 3DF3 survey area

但后期通過(guò)鉆探、物探工程以及巷道揭露后的地質(zhì)觀測(cè)，對(duì)A-1號(hào)異常進(jìn)行了驗(yàn)證，均未發(fā)現(xiàn)涌水，僅發(fā)現(xiàn)3DF3斷層的存在，斷層傾角大于65°，預(yù)測(cè)低阻富水區(qū)域K2、奧灰層間存在巖石裂隙較為發(fā)育，5號(hào)煤層底板至奧灰頂界面均以硅脂膠結(jié)的砂巖為主，導(dǎo)致了低阻異常，實(shí)際的斷層富水性較弱。

井田深部(北部)X1向斜軸附近預(yù)測(cè)的D-2物探富水異常區(qū)內(nèi)，存在以3DF10斷層形成的斷層裂隙帶，在實(shí)際采掘施工中均得到了驗(yàn)證，斷層以傾角小于40°的逆斷層為主，走向?yàn)镹NE，為主煤層頂板K4、K中含水層均富水，且出現(xiàn)5號(hào)煤層頂板淋水、底板滲水現(xiàn)象，初始涌水量均為12 m3/h，且在出現(xiàn)涌水25 d后水量減小穩(wěn)定至3 m3/h，直至消失。由此可推斷在此區(qū)域內(nèi)5號(hào)煤層導(dǎo)水裂隙雖然發(fā)育，但含水層富水性不強(qiáng)。

綜合目前已得到驗(yàn)證、揭露的地質(zhì)構(gòu)造，以褶曲、逆斷層等擠壓式構(gòu)造為主，斷層角度范圍在15°～70°，以傾角70°～80°范圍內(nèi)的逆斷層居多，斷層、向斜、背斜走向以NEE居多，NNW走向的構(gòu)造在北部向斜軸部揭露較多，如圖2所示。

圖2 斷層走向玫瑰花Fig.2 Rose diagram of fault strike

實(shí)際揭露斷層、褶曲均與受F1、F10這2條斷層拉張應(yīng)力釋放作用，形成井田內(nèi)以NNE走向?yàn)橹鞯臄D壓構(gòu)造形態(tài)，斷層傾角以70°～80°為主，與原有的地質(zhì)資料有一定出入。斷層均在井田南部A1向斜南翼區(qū)域以小傾角的正斷層為主，北翼A2背斜區(qū)域附近以擠壓形成的褶曲及逆斷層為主，部分存在導(dǎo)水裂縫帶，出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，因此在小傾角(小于50°)的斷層區(qū)域富水可能性較大。

2 水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)介

2.1 水文地質(zhì)單元及邊界條件

井田地處渭北高塬，由于地表經(jīng)受長(zhǎng)期的剝蝕及流水下切沖刷，形成了較多的侵蝕深溝地貌，“V”型沖溝發(fā)育，地形較復(fù)雜，海拔標(biāo)高458～743 m。區(qū)域位于合耀區(qū)澄合礦區(qū)內(nèi)合耀水文地質(zhì)單元東段，處于鄂爾多斯盆地南緣斷陷式巖溶含水層亞系統(tǒng)東南部分，地質(zhì)單元東南部邊界為黃河河谷，黃河為合耀水文地質(zhì)單元最低排泄基準(zhǔn)面，河谷內(nèi)東王瀵泉為區(qū)域最終排泄點(diǎn)，因此黃河邊界為排泄邊界。

地表發(fā)育有小溝谷，均為季節(jié)性水系，礦區(qū)東北部外側(cè)的徐水河水流由北而南匯入黃河，但受季節(jié)影響較大，平時(shí)水量較小，通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)，一般流量0.23～0.4 m3/s，屬常流河，位于井田東部邊界區(qū)域，距離當(dāng)前采掘區(qū)域較遠(yuǎn)，通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)流量呈季節(jié)性規(guī)律變化，無(wú)異常。

徐水溝向斜兩側(cè)逆斷層發(fā)育，逆斷層的形成使得碳酸鹽巖與石炭二疊系地層對(duì)接，巖溶水徑流不良；逆斷層帶內(nèi)形成的擠壓裂隙帶一般情況下也將成為弱透水段，因此合耀水文地質(zhì)單元在東北部邊界處為隔水邊界。

井田中部偏西為人工渠，呈南北向貫穿井田，為灌溉水渠，流量觀測(cè)結(jié)果顯示，流量均小于2 m3/h，水渠經(jīng)過(guò)前期4號(hào)煤層回采工作面，2017—2019年的觀測(cè)結(jié)果顯示，水渠并未發(fā)生明顯位移和變形，流量穩(wěn)定，采動(dòng)暫時(shí)未對(duì)紅旗渠造成影響。

2.2 含水層及類型

日常采掘活動(dòng)中通過(guò)觀測(cè)分析，主要受到裂隙水含水層影響最大、巖溶水次之。裂隙水由上至下依次為：上二疊統(tǒng)上石盒子組底部K5砂巖含水層(P2sh)、下二疊統(tǒng)下石盒子組K中砂巖含水層(P1sh)、下二疊統(tǒng)山西組下部K4砂巖含水層(P1s)；巖溶水由上至下依次為：上石炭統(tǒng)太原組石英砂巖和K2灰?guī)r含水巖組(C3t)、中下奧陶統(tǒng)峰峰組(O2f)。

區(qū)域內(nèi)含水地層，按其巖性及充水空間性質(zhì)不同，可劃分為孔隙裂隙潛水、裂隙水及巖溶水3種類型。

孔隙裂隙水：主要儲(chǔ)存于古近系、第四系(Q～N)底c部半膠結(jié)的粉砂巖，細(xì)-粗砂及砂礫巖層中。含水層厚度變化較大，數(shù)米至數(shù)十米不等，一般厚3～63 m。據(jù)鉆孔抽水資料，單位涌水量一般為0.01～0.10 L/s·m，滲透系數(shù)0.007 3～1.55 m/d。該種裂隙水水力大多具承壓性質(zhì)，一般屬富水性弱的含水層組，在地表以泉眼形式出露。

裂隙水：裂隙水主要賦存于下三疊統(tǒng)至下二疊統(tǒng)細(xì)-粗粒砂巖中。裂隙的發(fā)育程度與地層、構(gòu)造及巖性組合有密切聯(lián)系。由于各含水層之間均有厚度較大的砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和泥巖組成隔水性能良好的相對(duì)隔水層，故一般均無(wú)直接水力聯(lián)系。井田內(nèi)上二疊統(tǒng)上石盒子組底部K5砂巖含水層(P2sh)、下二疊統(tǒng)下石盒子組K中砂巖含水層(P1sh)、下二疊統(tǒng)山西組下部K4砂巖含水層(P1s)均屬于富水性弱的承壓裂隙含水層，在日常觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，裂隙水主要存在于揭露4號(hào)煤層及上覆層位的巷道或工作面中，出水形式為滴水或淋水形式，一般出水點(diǎn)不超過(guò)15 d便會(huì)減小或者消失。

巖溶水：井田區(qū)域內(nèi)巖溶水，主要賦存于上石炭統(tǒng)太原組及中下奧陶統(tǒng)峰峰組，巖溶類型以古巖溶、空溶洞以及溶蝕裂隙為主，目前在井田內(nèi)暫未發(fā)現(xiàn)奧灰?guī)r溶水揭露。古巖溶充填程度較完全，空溶洞主要分布于奧灰區(qū)域水位高程以上，溶蝕裂隙在空間的分布規(guī)律受地質(zhì)構(gòu)造所控制，本礦涉及的巖溶水含水層為上石炭統(tǒng)太原組石英砂巖和K2灰?guī)r含水巖組(C3t)、峰峰組二段(O2f2)、峰峰組一段(O2f1)。

2.3 地表補(bǔ)給條件

礦區(qū)地下水主要接受大氣降水和區(qū)外側(cè)向徑流的補(bǔ)給，其補(bǔ)給形式主要是通過(guò)地表露頭和具孔隙性的疏松黃土層，分別以直接或間接的方式滲入補(bǔ)給基巖地下水。補(bǔ)給區(qū)受到斷裂和褶皺的影響發(fā)育NEE、NW、NNE、NWW方向四組節(jié)理，節(jié)理的發(fā)育使得大氣降水入滲補(bǔ)給系數(shù)增大。

3 煤層頂?shù)装宄渌蛩胤治?/h2>

礦井自2015年9月起至2018年3月開(kāi)采4號(hào)煤層，2018年4月開(kāi)始回采5號(hào)煤層工作面，以上2個(gè)工作面均位于井田南翼。

工作面采煤方法為綜采，垮落法管理頂板，主采5號(hào)煤層，配采4號(hào)煤層，煤層間距一般2～4 m左右，5號(hào)煤層采厚4.0 m，4號(hào)煤層采厚1.6 m。由于煤層間距較小，計(jì)算導(dǎo)水裂縫帶高度時(shí)按同一煤層計(jì)算，采厚按5.6 m。

5號(hào)煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為63～130 m，5號(hào)煤頂面埋深296～548 m， 5號(hào)煤層回采之后導(dǎo)水裂縫帶高度不會(huì)發(fā)育至地表，故大氣降水及地表水為礦井充水的間接充水水源，但導(dǎo)水裂縫帶波及K5、K中、K*、K4含水層，此4層含水層水是礦井主要頂板直接充水水源，因主采煤層位于4層含水層之下，在現(xiàn)場(chǎng)以頂板水形式出現(xiàn)井田范圍內(nèi)5號(hào)煤底面標(biāo)高+185～+304 m，太原組K2灰?guī)r水水位標(biāo)高+379.95～+402.15 m，區(qū)域奧灰水位為+370 m，5號(hào)煤處于帶壓狀態(tài)。

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》中煤炭開(kāi)采底板破壞深度計(jì)算公式，以本礦某工作面為例，采深為410～460 m，平均約440 m，工作面斜長(zhǎng)180 m，煤層傾角4°～7°，平均6°。

h=0.008 5H+0.166 5α+0.109 7L-4.357 9

(1)

式中，h為底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞深度，m；H為采深，m；α為煤層傾角，(°)；L為工作面斜長(zhǎng)，m。

計(jì)算得底板破壞深度：h=20.128 9 m。

依據(jù)地質(zhì)資料，井田所有區(qū)域均屬于承壓區(qū)域，煤層底板與奧灰?guī)r頂界面間距在50～70 m，5號(hào)煤底板與K2灰?guī)r頂界面間距均在11～25 m之間，綜合以上數(shù)據(jù)，大部分區(qū)域K2含水層位于煤層底板破壞帶以內(nèi)，使其成為煤層開(kāi)采的直接底板充水含水層。在無(wú)奧灰水補(bǔ)給的條件下，太原組含水層富水性較弱，易于疏干，本身不會(huì)形成大的突水。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)鉆孔資料計(jì)算突水系數(shù)，均小于臨界安全突水系數(shù)0.06 MPa/m，因此，正常情況下，奧灰含水層水直接突入礦井的可能性小。但奧灰?guī)r溶水水頭壓力高，富水不均，且太原組下部隔水巖層不穩(wěn)定，在隱伏斷層、陷落柱及裂隙發(fā)育區(qū)，可能存在奧灰水導(dǎo)水通道。綜上分析，奧灰為礦井的底板間接充水含水層。

4 礦井涌水量變化分析

根據(jù)礦井日常的涌水量觀測(cè)資料，目前礦井涌水量的組成主要包括主井斜巷進(jìn)水、巷道系統(tǒng)和工作面涌水等，日常采用流速儀法、漂移法、容積法等每月分3次測(cè)定。礦井目前涌水量在65～82 m3/h，迄今為止未發(fā)生明顯的突水事故。

表1 百良煤礦2012—2019年度平均礦井涌水量一覽Table 1 List of average mine water inflow in Bailiang coal mine from 2012 to 2019

依據(jù)以上數(shù)據(jù)不難看出，2012—2015年礦建期間，因開(kāi)拓巷道不斷延伸，涌水量有不斷增加的趨勢(shì)，2015年涌水量達(dá)到最大，綜合分析，可能與新出現(xiàn)的出水點(diǎn)有關(guān)，但此類出水點(diǎn)涌水量后期逐漸減小甚至為0，2015—2018年完成402工作面回采并封閉后，2018年以來(lái)接續(xù)5號(hào)煤層工作面截止目前暫未出現(xiàn)大于20 m3/h的涌水，因此2019年趨于減小趨勢(shì)。

礦井在2019年全年正常回采，因此綜合氣象觀測(cè)資料，以2019年數(shù)據(jù)為例，7～9月份為雨季，對(duì)比涌水量變化，期間涌水量并沒(méi)有特別明顯的增大趨勢(shì)，證明了大氣降水對(duì)井田內(nèi)補(bǔ)給有限，對(duì)礦井涌水量的影響較小，見(jiàn)表2。

表2 百良煤礦2012—2019年月度平均礦井涌水量一覽Table 2 List of average mine water inflow in Bailiang coal mine from 2012 to 2019

5 結(jié)論及防治水工作建議

(1)受采掘影響的K5、K中、K*和K4砂巖含水層和K2灰?guī)r含水層為礦井主要的充水水源，補(bǔ)給條件一般，K2含水層與奧灰含水層之間的水力聯(lián)系不明，有待進(jìn)一步研究。

(2)礦井水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，因前地質(zhì)報(bào)告收集資料有限，導(dǎo)致與實(shí)際稍有出入，在今后工作中應(yīng)做好資料收集工作。

(3)根據(jù)礦井年平均涌水量與降水量的數(shù)據(jù)分析可知，二者變化相關(guān)性較小，但可以推斷大氣降水的補(bǔ)給很可能另有排泄區(qū)域，在今后水文地質(zhì)工作中應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)查分析。

(4)加強(qiáng)水害防治工作，在防治水工作中應(yīng)采用多種方法探測(cè)水文地質(zhì)條件,對(duì)5號(hào)煤層采動(dòng)影響范圍內(nèi)的頂?shù)装搴畬佑绕涫菉W灰富水性及導(dǎo)水通道進(jìn)行勘探研究,提高準(zhǔn)確度，做到針對(duì)性防治。

(5)工作面在接近小傾角的斷層區(qū)易形成的導(dǎo)水裂縫帶較長(zhǎng)，易導(dǎo)通含水層，應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)預(yù)警。

(6)優(yōu)化巷道布置，盡可能地少穿斷層, 減少巷道交叉。加強(qiáng)對(duì)斷層富水性的探查工作，在導(dǎo)水?dāng)鄬佑绊憛^(qū)域留煤柱開(kāi)采,減少底板突水的影響范圍和因素。