晉城礦區奧陶系灰巖地下水賦存特征及對帶壓開采的影響

趙志軍，魏丹峰，陳鑫源

(1.晉能控股煤業集團 沁秀公司龍灣煤礦，山西 晉城 048400；2.河南省煤炭地質勘察研究總院，河南 鄭州 450052；3.河南省煤炭科學研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

奧陶系灰巖水是制約華北眾多煤礦安全生產的主要水害之一，由于受地理、地質與水文地質背景的影響，不同礦區影響程度存在顯著的差異性[1-4]。晉城礦區主采的山西組3號煤層和部分礦井延伸開采的太原組15號煤層，受煤系地層基底奧陶系灰巖承壓水威脅，目前奧灰水已成為礦井充水的主要因素和主要水害，3號、15號煤層帶壓開采和奧灰水的防治也成為部分礦井安全生產中的重中之重[2，4]。

1 礦區概況

晉城煤礦區位于山西省東南部，與山西長治、運城，河南焦作、濟源等煤礦主產區相鄰，區內煤礦區主要分布于晉城市轄屬的高平市、澤州縣、沁水縣和陽城縣境內，目前有生產礦井90余座，在建礦井10余座。礦區主采3號煤層，部分礦井延伸開采15號煤層[4]，其中3號煤層，位于二疊系山西組下部，一般厚4.5～6.5 m，平均厚5.5 m，為低灰、低硫、特高發熱值無煙煤；15號煤層，位于石炭系太原組下部，上距3號煤層110 m左右，下距奧灰頂面20 m左右，煤層一般厚2.5～4.5 m，平均3 m左右，為中低灰、中高硫、高至特高發熱值無煙煤[4-7]。

2 礦區地理地質背景特征

2.1 地理條件

礦區位于太行山隆起的南西部，屬中低山丘陵地貌，標高+500～+1 200 m，一般在+800 m左右。地形起伏變化較大，山地、溝谷縱橫交錯，蓄水條件較好[7]。區內屬暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候，年降水量412.5～891.0 mm，年平均降水量563.7 mm，其中6—9月占年降水量的70%左右，大氣降水構成區內為地表水體、地下含水體和奧陶系灰巖區的主要充水水源[4]。地表水體主要為沁河和丹河及其支流和大小不等的水庫，分別位于礦區的西部和東部，由于受降水影響，流量季節性變化較大。區內總體地勢北高南低，構成地表水體的排泄方向。

2.2 地質條件

2.2.1 地層

晉城礦區屬華北地層區太行山小區，發育的地層自下而上主要有奧陶系中統馬家溝組與峰峰組；石炭系中統本溪組與太原組，二疊系下統山西組、下石盒子組及上統上石盒子組和石千峰組[6-7]，其中太原組、山西組是主要含煤地層(表1)。

2.2.2 構造

晉城礦區位于太行山復背斜的南西部、沁水復式向斜的南東部，受其影響，地層總體傾向北西至北西西，其東部與南部太行山隆起區構成含煤地層的邊界。礦區內主體構造晉獲褶斷帶，走向北北東，對奧陶系地層、煤系地層和煤層賦存特征起到了控制作用[8-9](圖1)。

圖1 區內煤系地層及基底地層柱狀Fig.1 Columnar diagram of coal measure strata and basement strata in Jincheng Mining Area

由于該區處于整體抬升相對穩定的地塊，雖經燕山期多次構造運動，但主要以擠壓應力作用為主，主要表現為含煤地層與煤層中以小型寬緩褶皺為主，傾角一般5°～8°，軸向主要以北北東向為主，次為北西向。大中型斷裂構造稀疏，煤層中小型正斷層相對較發育，少許逆斷層(圖2)。陷落柱較發育，平斷面形態以橢圓、圓形為主，直徑20～200 m，一般50～150 m，垂向上為上小下大的錐柱狀，發育高度差異較大，自奧陶系至3號、15號煤及其上覆巖層，甚至接近基巖頂面[9-11]，如圖3所示。

圖2 礦區構造示意Fig.2 Structure diagram of mining area

圖3 因擠壓應力作用形成的小型寬緩褶皺和小斷層及陷落柱分布簡圖(鳳凰山礦)Fig.3 Distribution diagram of small wide and slow folds，small faults and collapse columns formed by compression stress(Fenghuangshan Mine)

3 奧陶系灰巖富水性及其賦存特征

3.1 奧陶系灰巖賦存特征

受區域主體構造太行山復背斜與沁水向斜的影響，奧陶系灰巖層裸露區主要分布于礦區東至南部的太行山背斜西翼至北翼的弧形隆起帶，構成含煤地層的東部與南部的邊界。礦區中東部受晉獲褶斷帶的影響，在其西側斷續分布(圖1)。受其影響奧陶系地層由東至西，由南向北埋藏深度逐漸增大，部分地段受斷層影響，埋藏深度有所變化[4-5，9]。

3.2 奧陶系灰巖富水性

區內發育奧陶系中統峰峰組與馬家溝組，與上覆石炭系本溪組為平行不整合接觸，構成含煤地層的基底，亦是開采煤層受底板灰巖承壓水的主要水源[12]。

(1)峰峰組。主要為灰—灰白色厚至巨厚層狀隱晶質石灰巖、角礫狀石灰巖、白云巖、白云質灰巖及泥質石灰巖，在下部見有纖維狀石膏，厚70～154 m，平均厚110 m，具有自南向北逐漸增大趨勢[4，13]。依據區內北部趙莊、長平礦，南東部鳳凰山山礦，西部成莊、坪上、岳城、寺河與北西部龍灣、東大等礦地面與井下鉆孔抽水試驗結果，單位涌水量0.000 02～0.086 80 L/(s·m)，滲透系數0.000 4～0.281 6 m/d，均表現為弱—極弱含水性與透水性特征，可見區內奧陶系峰峰組灰巖巖溶裂隙欠發育及弱富水性具有普遍性(由于厚度大，不排除特殊地段若與下伏馬家溝組灰巖水溝通會存在相對富水的可能性，但范圍、水量不會太大)[13-17]，見表2。礦化度為318～746 mg/L，水化學類型為HCO3-Na-Ca、CO3·SO4-Na和SO4·HCO3-Na+Ca型。

表2 區內奧陶系峰峰組灰巖抽水試驗成果匯總Tab.2 Summary of pumping test results of Ordovician Fengfeng Formation limestone in Jincheng Mining Area

(2)馬家溝組。主要為灰至灰白色厚層石灰巖、白云巖夾白云質灰巖、角礫狀灰巖，累計厚400 m左右，依據區內地面與井下鉆孔抽水試驗結果，單位涌水量0.000 9～18.360 0 L/(s·m)，滲透系數0.000 3～186.420 0 m/d，表現為弱至極強含水性，其中單位涌水量5 L/(s·m)以上的占2孔，占6.45%，單位涌水量1～5 L/(s·m)的11孔，占35.48%，單位涌水量0.1～1.0 L/(s·m)的6孔，占19.35%，單位涌水量0.1 L/(s·m)以下的占38.71%[13-17]。由于該灰巖層灰巖厚度大，且受埋藏條件的控制，表現了富水性橫向與垂向上存在顯著的不均衡性，見表3。礦化度為 348～950 mg/L，水化學類型為HCO3-Na·Mg型和SO4·HCO3-Na型。

表3 區內奧陶系馬家溝組灰巖抽水試驗成果匯總Tab.3 Summary of Ordovician Majiagou Formation limestone pumping test results in Jincheng Mining Area

3.3 奧陶系灰巖地下水賦存特征

通過對區內奧陶系峰峰組與馬家溝組灰巖地下水位統計對比分析，在同一地段、同一鉆孔，水位標高具有顯著的差異性，且峰峰組灰巖地下水水位明顯高于馬家溝組灰巖水，表明垂向上水力聯系弱，未構成統一的含水體[4，13-17]，見表4。

表4 區內奧陶系峰峰組與馬家溝組灰巖水位對比一覽Tab.4 Limestone water level comparison list between Ordovician Fengfeng Formation and Majiagou Formation in Jincheng Mining Area

(1)峰峰組灰巖地下水。峰峰組灰巖厚度雖較大，但由于受巖性、巖溶裂隙發育程度、斷裂構造發育程度及導水性等因素影響，地下水賦存主要表現為以下特征：①由于受區內整體抬升地勢高，地形變化大，大中型斷裂構造稀疏及導水性弱等因素影響，致使巖溶裂隙發育程度較弱，相應限制了灰巖水的儲水空間，致使主要表現為僅局部小型裂隙中含水；②由于巖溶裂隙發育程度低、間斷分布及斷裂構造導水性差，致使橫向與垂向上未構成水力聯系；③由于大中型斷層稀疏且導水性差，相應限制了地下水的橫向上的補給、徑流及排泄。因此，保持了原始靜態滯水的特征；④由于受區內地勢高、地形變化大，溝谷切割深，地下水徑流方向(主要沿裸露區沿溝谷或河道方向徑流)等因素影響，致使含煤地層區受灰巖裸露區下滲的地下水側向徑流補給影響較弱，使奧陶系灰巖地下水處于弱循環狀態[4-5，12-16，18]。

(2)馬家溝組地下水。厚度在400 m左右，由于受巖溶裂隙發育，表現為層間富水為主，在受灰巖裸露區大氣降水和地表水的側向徑流補給及泉域自然排泄和水源井持續排水的作用下，存在地下水徑流帶，由于受灰巖賦存特征及距灰巖裸露區距離影響主要表現了如下特征：① 由于受地形地貌、埋藏深度及排泄條件影響，馬家溝組灰巖地下水位自北向南呈逐漸降低趨勢，如礦區北東部的趙莊礦水位標高在+635～+644 m，長平礦至伯方礦水位標高+618 m左右，至晉城市區北部的鳳凰山礦降為+553～+574 m；礦區北西部龍灣井田水位標高+680～+705 m，向南至坪上、岳城礦為+489～+525 m，礦區中部成莊礦水位標高+460～+520 m；② 由于受巖溶裂隙發育程度及地下水動態特征不均衡影響，在垂向上表現為以層間富水為主，富水層段間均發育有相對隔水層，致使垂向上未構成統一水體，且與上覆峰峰組灰巖及太原組薄層灰巖基本無水力聯系；③具有自淺至深巖溶裂隙發育程度和富水性逐漸減弱的變化趨勢，如礦區北東部趙莊與長平井田西部的深部及北西部的龍灣、東大井田地下水滯水區富水性相對較弱。晉城市轄區及其附近由于水源井排泄，灰巖地下水循環良好，其富水性相對較強；④灰巖地下水的富水性與灰巖裸露的補給區成正比關系，即距離越近富水性相對較好，具有良好的補給、徑流及排泄條件，遠離補給區相對較差[4-5，12-16，18]。

4 討論

4.1 奧陶系灰巖水對3號煤層開采的影響

3號煤層位于二疊系山西組下部，煤層底板依次為山西組底部砂巖，太原組砂質泥巖、石灰巖、砂巖、泥巖互層和本溪組鋁土質泥巖(由于太原組薄層灰巖弱富水性，均作為隔水層)，累計厚度140 m左右，按照《煤礦防治水細則》(附錄四)采煤工作面安全水頭值計算公式[19]：

Ps=TsM

(1)

式中，Ps為底板隔水層安全水頭值；M為底板隔水層厚度；Ts為臨界突水系數。

底板隔水層厚度，采用煤層底板至奧陶系峰峰組灰巖頂面間厚度140 m；臨界突水系數采用底板受構造破壞的地段按0.06 MPa/m，隔水層完整無斷裂構造破壞的地段按0.1 MPa/m[19]，計算底板隔水層安全水頭值分別為8.4 MPa和14.0 MPa。依據區內多數礦井3號煤層開采最低標高+300 m，奧陶系馬家溝組灰巖水位標高+460～+705 m，一般在+600 m左右，煤層底板隔水層水頭壓力一般在4 MPa以下，達到可安全帶壓開采的基本標準。由于區內大中型斷層稀疏，陷落柱雖較發育，均經三維地震勘探，其位置、規?；静槊?，可預防其導通與奧陶系灰巖承壓水的聯系。加之煤層底板至奧陶系灰巖頂面有軟硬巖層互層，不僅具有較強的抗壓強度，而且有良好的隔水性能，以及奧陶系峰峰組灰巖厚度大(平均110 m)，弱富水性，對阻止奧陶系馬家溝組強富水含水層水起到了抑制作用。因此，綜合評價3號煤層可安全帶壓開采。

4.2 奧陶系灰巖水對15號煤層開采的影響

15號位于太原組下部，煤層底板依次為本溪組鋁土質泥巖、奧陶系峰峰組與馬家溝組灰巖，平均厚分別為20、110、400 m(圖2)。區內多個礦井水文孔對該層抽水試驗結果表明，區內奧陶系峰峰組灰巖巖溶裂隙欠發育，以弱—極弱富水性為主，對奧陶系馬家溝組弱至極強富水而言，可以作為相對隔水層。因此，15號煤層底板至馬家溝組頂面累計厚度達130 m，臨界突水系數采用底板受構造破壞的地段按0.06 MPa/m，隔水層完整無斷裂構造破壞的地段按0.1 MPa/m，代入公式計算安全水頭壓力值分別為7.8 MPa與13.0 MPa，對比區內15號煤層可開采最低標高+200 m，奧陶系馬家溝組灰巖水位標高+460～+705 m，一般在+600 m左右，煤層底板隔水層最大水頭壓力6 MPa以下，理論上在安全水壓值以內。但考慮到峰峰組灰巖局部地段巖溶裂隙有可能發育或富水，為確保帶壓開采絕對安全性，在生產過程中建議采取以下防范措施：①采用物探與鉆探相結合的手段與方法，進一步準確查明奧陶系峰峰組灰巖富水異常區范圍，并采取鉆探驗證措施；②采取物探與鉆探方法準確確定斷層、陷落柱導富水性，若可能存在導(富)水性的斷層、陷落柱，采取注漿加固措施[13-16，20]。

5 結論

(1)晉城礦區處于整體抬升的地質塊段，致使地勢高，地形變化大，溝谷切割深，大中型斷裂構造發育程度低，且導水較弱，相應限制了奧陶系巖溶裂隙發育程度及灰巖裸露區灰巖地下水向含煤地層區灰巖地下水的側向徑流補給。

(2)奧陶系中統峰峰組含水層以零星分布的弱靜態滯水為主，橫向上與區域灰巖地下水、垂向上與上覆太原組薄層灰巖水和下伏馬家溝地下水基本無水力聯系；馬家溝組灰巖含水層橫向與垂向上富水性存在顯著的不均衡性，主要以層間含水為主。

(3)區內主采的3號煤層，可以安全帶壓開采；15號煤層雖距峰峰組灰巖僅30 m左右，但由于峰峰組灰巖厚度大，富水性弱，斷裂構造導水性差，可視為相對隔水層，理論上可帶壓開采，局部巖溶裂隙發育或斷層、陷落柱導富水段需采取相應措施后亦可帶壓開采。