朝川礦水文地質(zhì)特點(diǎn)與防治水對(duì)策

王新軍1,翟加文1,潘國(guó)營(yíng)2

(1.平頂山煤業(yè)集團(tuán)公司朝川礦,河南平頂山467000;2.河南理工大學(xué)資環(huán)學(xué)院河南焦作454000)摘　要:朝川礦水文地質(zhì)條件較復(fù)雜,曾多次發(fā)生大型底板巖溶水突水淹井事故。由于歷史原因,地質(zhì)資料匱乏,防治水技術(shù)水平落后。采用物探、示蹤試驗(yàn)、水化學(xué)與同位素分析等手段,對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行了全面研究,針對(duì)水文地質(zhì)特征提出了綜合性的防治水對(duì)策,取得較好的防治水效果。

關(guān)鍵詞:水文地質(zhì);防治水;地質(zhì)特征

中圖分類(lèi)號(hào):TD745+.2　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B　　　文章編號(hào):1003-496X(2006)05-0053-03

1　概　況

朝川礦位于河南省汝州市小屯鎮(zhèn),隸屬平頂山煤業(yè)(集團(tuán))公司,現(xiàn)有一井、二井、三井3對(duì)礦井,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬(wàn)t/a。一井開(kāi)采己16-17煤(二1煤),斜井開(kāi)拓,分水平開(kāi)采,第一水平標(biāo)高-l0 m,第二水平標(biāo)高-250 m,第二水平正在開(kāi)拓。二井開(kāi)采戊組煤(三煤組)和丁組煤(四煤組),斜井單水平上下山開(kāi)拓。三井開(kāi)采己16-17煤,混合開(kāi)拓。

朝川礦原屬于地方煤礦,上世紀(jì)70年代開(kāi)始建設(shè),重點(diǎn)開(kāi)發(fā)-10m水平的煤炭資源,開(kāi)采手段落

后,機(jī)械化裝備水平低,煤炭產(chǎn)量不高。1998年歸屬平煤集團(tuán)后,管理逐步規(guī)范,原煤產(chǎn)量增加。但由于歷史原因,礦井水文地質(zhì)工作不扎實(shí),地質(zhì)資料匱乏,隨著煤礦向深度開(kāi)拓,防治水工作處于被動(dòng)局面,水害問(wèn)題越來(lái)越突出。尤其是2001年12月26日,一井己16-17-21030工作面機(jī)巷發(fā)生了一次大型突水淹井事故,水源為煤層底板灰?guī)r巖溶水,最大突水量為1 996 m3/h,造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,針對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)特征,全面認(rèn)識(shí)朝川礦水文地質(zhì)條件,有的放矢地制定防治水對(duì)策是當(dāng)務(wù)之急。

2　礦井水文地質(zhì)條件

礦區(qū)為一弧形單斜構(gòu)造,弧頂向南,東翼地層走向北東,傾向北西,傾角20°。西翼走向北西,傾向北東,地層傾角大于70°,局部直立或倒轉(zhuǎn)。出露地層有寒武系白云巖和灰?guī)r、石炭系灰?guī)r、碎屑巖和薄煤層、二疊系砂巖、泥巖和煤層、第三系礫巖和砂巖、第四系沖洪積物。區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜,主要斷裂有北西向與北東向兩組,礦區(qū)或井田邊界多依構(gòu)造劃分邊界。

礦井充水的主要含水層有:寒武系白云巖巖溶含水層、石炭系太原組薄層灰?guī)r裂隙巖溶水含水層、二疊系中厚層砂巖孔隙裂隙水含水層、第三系礫巖含水層和第四系砂礫石孔隙含水層。太原組簿層灰?guī)r巖溶發(fā)育,富水性強(qiáng),上距煤層0~17.27 m,平均距離只有8.37 m,隔水層厚度薄且不穩(wěn)定,構(gòu)成煤底板的直接充水層。寒武系白云巖巖溶發(fā)育,富水性最強(qiáng),水壓高,補(bǔ)給較充沛,是煤層底板的間接充水層。寒武系灰?guī)r頂部與太原組薄層灰?guī)r之間分布有鋁土泥巖及砂質(zhì)泥巖,厚度不穩(wěn)定,最薄處只有1.4 m,最厚為51.50 m,平均厚度為15.13 m,因此,煤層底板太原組灰?guī)r巖溶水和寒武系白云巖巖溶水間水力聯(lián)系非常密切,水位相差不大,同步升降,可以視為一個(gè)含水層組。煤層頂板各層砂巖裂隙水對(duì)礦井充水意義不大,第三系礫巖水和第四系松散沉積物孔隙水遠(yuǎn)離己16-17煤,且隔有數(shù)層隔水層,對(duì)主采煤層亦無(wú)充水影響。

礦區(qū)北部邊界為劉洼弧形正斷層,其落差超過(guò)1 000 m,斷層北巖溶裂隙含水層深埋于第三和第四系地層之下,形成阻水邊界。礦區(qū)東部邊界是F1斷層利F4斷層,也起到阻水作用。石炭和寒武系灰?guī)r呈條帶狀裸露于西南和南部,出露面積15 km2,是巖溶水補(bǔ)給區(qū)(見(jiàn)圖1)。地下水總體上由西向東、由南向北徑流,在礦區(qū)以礦井排水的形式被排出地表。

3　水文地質(zhì)特征

根據(jù)勘探、建井、生產(chǎn)期間大量的水文地質(zhì)資料綜合分析,朝川礦的主要水文地質(zhì)特征為:

圖1　朝川礦區(qū)構(gòu)造綱要圖

　　(1)朝川礦區(qū)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立且封閉的水文地質(zhì)單元。劉洼正斷層呈弧形展布,成為礦區(qū)的北部阻水邊界,朝川礦區(qū)南部和西南部呈條帶狀展布的寒武—石炭系和灰?guī)r巖溶發(fā)育,接受大氣降水和地表水入滲補(bǔ)給,是礦區(qū)巖溶水的補(bǔ)給區(qū)。由于面積有限,補(bǔ)給量較小,經(jīng)過(guò)均衡計(jì)算,多年平均補(bǔ)給量為850 m3/h。

(2)巖溶發(fā)育和巖溶水分布具有強(qiáng)烈的不均勻。從巖溶水補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū),隨著巖溶發(fā)育強(qiáng)度由弱到強(qiáng),水文地質(zhì)條件也由簡(jiǎn)單過(guò)渡為復(fù)雜。受巖溶發(fā)育不均勻性的影響,巖溶含水層富水性也具有顯著的不均勻性,以一井主副斜井為界呈現(xiàn)“西強(qiáng)東弱”的特點(diǎn)。例如,為提前疏放煤層底板太原組巖溶水,在一井二水平暗主副斜井西泄水巷布置了29個(gè)泄水孔,其中7個(gè)孔泄水量較大,其余孔水量很小或無(wú)水。

(3)巖溶水受構(gòu)造控制。大斷層控制著區(qū)域水文地質(zhì)條件,也是巖溶水進(jìn)入礦區(qū)的通道。小斷層發(fā)育的區(qū)域巖溶含水層富水性好,發(fā)生底板突水的概率高。此外,小斷層也是煤層底板巖溶水的導(dǎo)水通道。

(4)煤層底板天然裂隙或采動(dòng)裂隙也是巖溶水進(jìn)入礦升的重要通道。已16-17煤至石炭系巖溶含水層之間隔水層厚度平均值為8.5 m,薄弱處只有2-3 m,局部甚至缺失隔水層。隔水層巖性為泥巖和砂質(zhì)泥巖,不僅分布有小斷層和裂隙,且在采動(dòng)破壞影響下還會(huì)形成密集的采動(dòng)裂隙,構(gòu)成導(dǎo)水通道,使深部巖溶水沿導(dǎo)通裂隙帶進(jìn)入礦井。此外,寒武系白云巖巖溶水和石炭系灰?guī)r巖溶水水力聯(lián)系非常密切,在一定程度上可以視為相同的含水層。

根據(jù)下三帶理論,在采動(dòng)礦壓作用下煤層底板隔水層發(fā)生變形甚至破壞,根據(jù)破壞程度不同可以劃分為“三帶”,即底板破壞帶、完整巖層帶和承壓水導(dǎo)升帶。在底板破壞深度范圍之內(nèi),底板巖層產(chǎn)生大量的裂隙,其連續(xù)性和隔水性受到破壞,當(dāng)裂隙與深部的含水層(或承壓水導(dǎo)升帶或?qū)當(dāng)鄬?溝通時(shí),則發(fā)生底板突水。底板破壞深度與采動(dòng)礦壓、煤層賦存條件、工作面尺寸、開(kāi)采方法及頂板管理方法、頂?shù)装鍘r性及結(jié)構(gòu)等多種因素有關(guān)。在自然條件不變的情況下,采動(dòng)礦壓越大,底板破壞深度就大。

礦井開(kāi)采過(guò)程中,煤層底板在采動(dòng)礦壓作用下也會(huì)受到破壞,表現(xiàn)在巷道和采空區(qū)時(shí)常出現(xiàn)底板斷裂鼓起現(xiàn)象,底板鼓起發(fā)生變化處經(jīng)常出現(xiàn)地下水滲出或突水。朝川礦一井采煤工作面斜長(zhǎng)60~100 m,煤層傾角12°,開(kāi)采深度250~350 m,根據(jù)底板破壞深度經(jīng)驗(yàn)公式推算,一井二水平工作面底板破壞深度在6~15 m之間,也就意味著有效隔水層厚度<2 m甚至為0 m。

4　礦井防治水對(duì)策

(1)根據(jù)煤層底板巖溶水多年補(bǔ)給量(動(dòng)儲(chǔ)量)不大和易于疏放的特點(diǎn),并結(jié)合歷年來(lái)防治水經(jīng)驗(yàn),證明對(duì)己組煤底部灰?guī)r承壓含水層進(jìn)行疏水降壓,以使采煤工作面處在安全水位以上,保證己組煤的正常開(kāi)采,是有效的針對(duì)性措施。為此,一井分別在-10 m水平、-150 m輔助水平和-250 m水平設(shè)置充足的防排水設(shè)施,并施工泄水工程進(jìn)行泄水。

目前,為保證-250 m水平安全采煤,繼-150 m臨時(shí)泄水陣地實(shí)施泄水降壓后,又在-250水平實(shí)施了在東西兩側(cè)水閘門(mén)之間進(jìn)行提前泄水工程工業(yè)性試驗(yàn)。共布置泄水孔23個(gè)(見(jiàn)圖2)。使總穩(wěn)定泄水量達(dá)到900 m3/h,水壓已由泄水前的1.3 MPa降至目前的0.2 MPa,解放煤炭資源在200萬(wàn)t以上。

圖2　朝川礦一井-250 m水平提前泄水鉆孔布置平面圖

　　(2)根據(jù)己16-17煤層底板隔水層厚度薄、巖溶發(fā)育、富水性強(qiáng)且變化大的特點(diǎn),開(kāi)采過(guò)程中采用先進(jìn)手段確保安全生產(chǎn)。在地面采用瞬變電磁方法對(duì)石炭系灰?guī)r富水區(qū)和寒武系灰?guī)r富水區(qū)進(jìn)行探測(cè),在井下采用直流電法對(duì)煤層底板隔水層厚度、裂隙發(fā)育程度、含水層富水性以及底板破壞深度等進(jìn)行超前探測(cè)。根據(jù)探測(cè)結(jié)果,布置泄水巷道和泄水孔位置或者采取其它防治水措施,每個(gè)地點(diǎn)生產(chǎn)前均進(jìn)行安全評(píng)估,通過(guò)大量過(guò)細(xì)的基礎(chǔ)工作,已經(jīng)取得

較好的效果和經(jīng)濟(jì)效益。

(3)針對(duì)灰?guī)r和煤層露頭區(qū)是礦井水的重要補(bǔ)給來(lái)源的特點(diǎn),制定了泄水降壓與注漿堵水相結(jié)合防治水措施。除繼續(xù)加大泄水降壓的力度外,在礦井外圍的巖溶水補(bǔ)給區(qū),采用地面三維地震、瞬變電磁、鉆探等手段探測(cè)地下水補(bǔ)給通道或補(bǔ)給位置,然后用地面注漿方法封堵地表水對(duì)巖溶水的補(bǔ)給,提高泄水降壓效果,降低排水費(fèi)用。目前,該項(xiàng)工作正在進(jìn)行之中。

(4)針對(duì)朝川礦過(guò)去水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作薄弱的特點(diǎn),最近幾年,我們嚴(yán)格執(zhí)行《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》等規(guī)定,在人員組織、儀器配備、資金傾斜等各個(gè)方面加強(qiáng)了礦井水文地質(zhì)工作的投入,有針對(duì)性地進(jìn)行了水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探工作。例如,為掌握巖溶水動(dòng)態(tài)和流場(chǎng)特征,先后施工了20余個(gè)地面水文孔和井下測(cè)壓孔;為查明巖溶水進(jìn)入礦井的通道,開(kāi)展了大型示蹤試驗(yàn);為認(rèn)識(shí)己組煤底板石炭系和寒武系巖溶含水層的水文地質(zhì)條件,在全面收集和分析各種資料基礎(chǔ)上,采用野外水文地質(zhì)凋查、水化學(xué)和同位素分析、鉆探、物探等多種技術(shù)手段對(duì)巖溶水水文地質(zhì)條件進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

　　作者簡(jiǎn)介:王新軍(1955-),男,高級(jí)工程師,1979年畢業(yè)于河南理工大學(xué)采礦專(zhuān)業(yè),現(xiàn)任平煤集團(tuán)朝川礦總工程師、主要從事煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)管理工作,先后完成多項(xiàng)科研課題,曾獲省級(jí)科技進(jìn)步二、三等獎(jiǎng)2項(xiàng)、市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng),發(fā)表論文多篇。

(收稿日期:2005-10-18;責(zé)任編輯:齊秀昆)