朝川礦水文地質特點與防治水對策

王新軍1,翟加文1,潘國營2

(1.平頂山煤業集團公司朝川礦,河南平頂山467000;2.河南理工大學資環學院河南焦作454000)摘　要:朝川礦水文地質條件較複雜,曾多次發生大型底板岩溶水突水淹井02manbetx.com 。由於曆史原因,地質資料匱乏,防治水技術水平落後。采用物探、示蹤試驗、水化學與同位素03manbetx 等手段,對礦區水文地質條件進行了全麵研究,針對水文地質特征提出了綜合性的防治水對策,取得較好的防治水效果。

關鍵詞:水文地質;防治水;地質特征

中圖分類號:TD745+.2　　　文獻標識碼:B　　　文章編號:1003-496X(2006)05-0053-03

1　概　況

朝川礦位於河南省汝州市小屯鎮,隸屬平頂山煤業(集團)公司,現有一井、二井、三井3對礦井,設計生產能力120萬t/a。一井開采己16-17煤(二1煤),斜井開拓,分水平開采,第一水平標高-l 0 m ,第二水平標高 -250 m ,第二水平正在開拓。二井開采戊組煤(三煤組)和丁組煤(四煤組),斜井單水平上下山開拓。三井開采己16-17煤,混合開拓。

朝川礦原屬於地方煤礦,上世紀70年代開始建設,重點開發 -10m 水平的煤炭資源,開采手段落

後,機械化裝備水平低,煤炭產量不高。1998年歸屬平煤集團後,管理逐步規範,原煤產量增加。但由於曆史原因,礦井水文地質工作不紮實,地質資料匱乏,隨著煤礦向深度開拓,防治水工作處於被動局麵,水害問題越來越突出。尤其是 2001年12月26日 ,一井己16-17-21030工作麵機巷發生了一次大型突水淹井02manbetx.com ,水源為煤層底板灰岩岩溶水,最大突水量為1 996 m3 /h,造成了重大的經濟損失。因此,針對礦區水文地質特征,全麵認識朝川礦水文地質條件,有的放矢地製定防治水對策是當務之急。

2　礦井水文地質條件

礦區為一弧形單斜構造,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,地層傾角大於70°,局部直立或倒轉。出露地層有寒武係白雲岩和灰岩、石炭係灰岩、碎屑岩和薄煤層、二疊係砂岩、泥岩和煤層、第三係礫岩和砂岩、第四係衝洪積物。區內構造複雜,主要斷裂有北西向與北東向兩組,礦區或井田邊界多依構造劃分邊界。

礦井充水的主要含水層有:寒武係白雲岩岩溶含水層、石炭係太原組薄層灰岩裂隙岩溶水含水層、二疊係中厚層砂岩孔隙裂隙水含水層、第三係礫岩含水層和第四係砂礫石孔隙含水層。太原組簿層灰岩岩溶發育,富水性強,上距煤層0~ 17.27 m ,平均距離隻有 8.37 m ,隔水層厚度薄且不穩定,構成煤底板的直接充水層。寒武係白雲岩岩溶發育,富水性最強,水壓高,補給較充沛,是煤層底板的間接充水層。寒武係灰岩頂部與太原組薄層灰岩之間分布有鋁土泥岩及砂質泥岩,厚度不穩定,最薄處隻有 1.4 m ,最厚為 51.50 m ,平均厚度為 15.13 m ,因此,煤層底板太原組灰岩岩溶水和寒武係白雲岩岩溶水間水力聯係非常密切,水位相差不大,同步升降,可以視為一個含水層組。煤層頂板各層砂岩裂隙水對礦井充水意義不大,第三係礫岩水和第四係鬆散沉積物孔隙水遠離己16-17煤,且隔有數層隔水層,對主采煤層亦無充水影響。

礦區北部邊界為劉窪弧形正斷層,其落差超過1 000 m ,斷層北岩溶裂隙含水層深埋於第三和第四係地層之下,形成阻水邊界。礦區東部邊界是F1斷層利F4斷層,也起到阻水作用。石炭和寒武係灰岩呈條帶狀裸露於西南和南部,出露麵積 15 km 2,是岩溶水補給區(見圖1)。地下水總體上由西向東、由南向北徑流,在礦區以礦井排水的形式被排出地表。

3　水文地質特征

根據勘探、建井、生產期間大量的水文地質資料綜合03manbetx ,朝川礦的主要水文地質特征為:

圖1　朝川礦區構造綱要圖

　　(1)朝川礦區是一個相對獨立且封閉的水文地質單元。劉窪正斷層呈弧形展布,成為礦區的北部阻水邊界,朝川礦區南部和西南部呈條帶狀展布的寒武—石炭係和灰岩岩溶發育,接受大氣降水和地表水入滲補給,是礦區岩溶水的補給區。由於麵積有限,補給量較小,經過均衡計算,多年平均補給量為 850 m3 /h。

(2)岩溶發育和岩溶水分布具有強烈的不均勻。從岩溶水補給區到排泄區,隨著岩溶發育強度由弱到強,水文地質條件也由簡單過渡為複雜。受岩溶發育不均勻性的影響,岩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“西強東弱”的特點。例如,為提前疏放煤層底板太原組岩溶水,在一井二水平暗主副斜井西泄水巷布置了29個泄水孔,其中7個孔泄水量較大,其餘孔水量很小或無水。

(3)岩溶水受構造控製。大斷層控製著區域水文地質條件,也是岩溶水進入礦區的通道。小斷層發育的區域岩溶含水層富水性好,發生底板突水的概率高。此外,小斷層也是煤層底板岩溶水的導水通道。

(4)煤層底板天然裂隙或采動裂隙也是岩溶水進入礦升的重要通道。已16-17煤至石炭係岩溶含水層之間隔水層厚度平均值為 8.5 m ,薄弱處隻有2 -3 m ,局部甚至缺失隔水層。隔水層岩性為泥岩和砂質泥岩,不僅分布有小斷層和裂隙,且在采動破壞影響下還會形成密集的采動裂隙,構成導水通道,使深部岩溶水沿導通裂隙帶進入礦井。此外,寒武係白雲岩岩溶水和石炭係灰岩岩溶水水力聯係非常密切,在一定程度上可以視為相同的含水層。

根據下三帶理論,在采動礦壓作用下煤層底板隔水層發生變形甚至破壞,根據破壞程度不同可以劃分為“三帶”,即底板破壞帶、完整岩層帶和承壓水導升帶。在底板破壞深度範圍之內,底板岩層產生大量的裂隙,其連續性和隔水性受到破壞,當裂隙與深部的含水層(或承壓水導升帶或導水斷層)溝通時,則發生底板突水。底板破壞深度與采動礦壓、煤層賦存條件、工作麵尺寸、開采方法及頂板管理方法、頂底板岩性及結構等多種因素有關。在自然條件不變的情況下,采動礦壓越大,底板破壞深度就大。

礦井開采過程中,煤層底板在采動礦壓作用下也會受到破壞,表現在巷道和采空區時常出現底板斷裂鼓起現象,底板鼓起發生變化處經常出現地下水滲出或突水。朝川礦一井采煤工作麵斜長60~ 100 m ,煤層傾角12°,開采深度250~ 350 m ,根據底板破壞深度經驗公式推算,一井二水平工作麵底板破壞深度在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　礦井防治水對策

(1)根據煤層底板岩溶水多年補給量(動儲量)不大和易於疏放的特點,並結合曆年來防治水經驗,證明對己組煤底部灰岩承壓含水層進行疏水降壓,以使采煤工作麵處在安全水位以上,保證己組煤的正常開采,是有效的針對性措施。為此,一井分別在 -10 m 水平、 -150 m 輔助水平和 -250 m 水平設置充足的防排水設施,並施工泄水工程進行泄水。

目前,為保證 -250 m 水平安全采煤,繼 -150 m 臨時泄水陣地實施泄水降壓後,又在-250水平實施了在東西兩側水閘門之間進行提前泄水工程工業性試驗。共布置泄水孔23個(見圖2)。使總穩定泄水量達到 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t以上。

圖2　朝川礦一井 -250 m 水平提前泄水鑽孔布置平麵圖

　　(2)根據己16-17煤層底板隔水層厚度薄、岩溶發育、富水性強且變化大的特點,開采過程中采用先進手段確保安全生產。在地麵采用瞬變電磁方法對石炭係灰岩富水區和寒武係灰岩富水區進行探測,在井下采用直流電法對煤層底板隔水層厚度、裂隙發育程度、含水層富水性以及底板破壞深度等進行超前探測。根據探測結果,布置泄水巷道和泄水孔位置或者采取其它防治水措施,每個地點生產前均進行安全評估,通過大量過細的基礎工作,已經取得

較好的效果和經濟效益。

(3)針對灰岩和煤層露頭區是礦井水的重要補給來源的特點,製定了泄水降壓與注漿堵水相結合防治水措施。除繼續加大泄水降壓的力度外,在礦井外圍的岩溶水補給區,采用地麵三維地震、瞬變電磁、鑽探等手段探測地下水補給通道或補給位置,然後用地麵注漿方法封堵地表水對岩溶水的補給,提高泄水降壓效果,降低排水費用。目前,該項工作正在進行之中。

(4)針對朝川礦過去水文地質基礎工作薄弱的特點,最近幾年,我們嚴格執行《礦井水文地質01manbetx 》等規定,在人員組織、儀器配備、資金傾斜等各個方麵加強了礦井水文地質工作的投入,有針對性地進行了水文地質補充勘探工作。例如,為掌握岩溶水動態和流場特征,先後施工了20餘個地麵水文孔和井下測壓孔;為查明岩溶水進入礦井的通道,開展了大型示蹤試驗;為認識己組煤底板石炭係和寒武係岩溶含水層的水文地質條件,在全麵收集和03manbetx 各種資料基礎上,采用野外水文地質凋查、水化學和同位素03manbetx 、鑽探、物探等多種技術手段對岩溶水水文地質條件進行了係統研究。

　　作者簡介:王新軍(1955-),男,高級工程師,1979年畢業於河南理工大學采礦專業,現任平煤集團朝川礦總工程師、主要從事煤礦安全生產技術管理工作,先後完成多項科研課題,曾獲省級科技進步二、三等獎2項、市科技進步一等獎2項,發表論文多篇。

(收稿日期: 2005-10-18 ;責任編輯:齊秀昆)