第四系厚含水层下采煤防治水措施研究

2010-02-14王金安贾亚会

中国矿业 2010年1期

左伟，王金安，贾亚会

（北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083）

石嘴山一、二矿西区井田位于石嘴山向斜西北翼，西部为贺兰山。在西区与贺兰山之间，分布着一个 “封存古河谷”，为一套巨厚的砂砾和砂土等冲洪积物，是区域内主要含水层。该含水层主要接受银川平原冲积层水与贺兰山基岩裂隙水的补给，是西区井下主要充水水源，也是石嘴山居民点的主要供水水源。这样的特殊结构，如同煤层之上覆盖着一层厚厚的含水 “海绵”，只要对地下煤炭进行开采，就会造成应力的重分布，进而引起导水通道的变化，最终造成淹井，如何保证煤层开采过程中矿山的安全，成为一个难题。

1 项目概况

石嘴山矿区西依贺兰山，东滨黄河，矿井井田地表地势平坦，西高东低，略向黄河倾伏，坡度约为15‰。地表标高平均+1116.50 m，为冲积、洪积扇堆积平原，部分基岩裸露，形成残缺丘陵地貌。区内有若干条干沟成为山洪向外排泄的通道，第三排水沟由矿区东侧入黄河，成为银北排泄山洪的主要人工渠。

由于矿区西采区水文地质条件复杂，地层不整合，第三系地层缺失，巨厚的第四系富水含水层直接覆盖在煤系地层之上，各基岩含水层受冲积层的补给，水量很大。根据原三号井水文地质资料以及三号井在1983～1991年期间矿井排水量估算，总水量为1863.34万m3，相当于260 m3/h。该区在建井期间和生产初期，井筒、石门、上下山等主要开拓巷道都曾出现过大量涌水的情况，给矿井正常生产和排水造成了巨大的困难和压力。

2 工作成果及存在问题

为了解决矿井生产后含水层下煤层的安全开采问题，查清水害的主要成因，探明地下水的补给来源及导水通道很重要。因此，在原水文地质调查资料的基础上，对区域构造、含隔水层分布、地层岩性等进行详细研究，并完成了遥感技术、三维地震勘探、瞬变电磁测试和钻孔补充勘探工程。得到了以下认识：

2.1 矿区内的主要构造

石嘴山向斜是矿区主要影响的褶皱构造，其轴向由东北向西南蜿延伸展，略呈 “S”形，由N65°～75°E转为N40°～50°E，向南又转为N65°～75°E，该向斜在北端黄河东侧趋于闭合，向西南倾伏，在Ⅳ勘探线以北650 m处向斜轴与E1断层相交，至E22断层以南，向斜两翼地质走向与轴向吻合，东南翼地层一般走向N35°～60°E，倾向N W，倾角18°～32°，平均23°，轴部近于水平。井田内次级小褶皱颇为发育。井田东北角有向南西方向倾斜的小背斜，该背斜受E2断层斜截，延伸情况不明。地层沿倾斜方向倾角变化较大，浅部为5°～9°，中部为18°～24°，深部为35°～45°；沿走向自N 40°E，转向近 WE向。其褶皱轴部破碎带的储水性能不可忽视。

采区除主要断层E1、E2导以外，还查明了一系列以逆断层为主，断层走向基本为NE向，倾角较缓，压性为主，导水性微弱的小断层。同时，建井时揭露了一系列张扭性为主的正断层，走向N25°～45°E，倾向N W，倾角为高角度，断层面紧闭，断层破碎带中充填物已泥化，坚硬不充水。断层多发生在煤岩层走向急剧变化的地段，其断层走向与岩层走向成锐角分布，反映了西区断层分布的基本规律。

由此可见，由于一、二矿西翼采区所在的向斜西北翼，处于巨厚的第四系含水层与基岩裂隙含水层的交接部位，其东部、南部均为E1逆断层所阻隔，北部为E2正断层切割，而西部剥蚀边界为一个向西倾斜的斜坡面，坡度为45°；第四系接受银川平原冲积层水和贺兰山基岩裂隙水的补给，水量丰富，属于黄河古河道的一部分。它既是银川地下水排泄通道，也是贺兰山基岩裂隙水汇集的场所，而经抽水试验证明，断层E1和E2均为导水性微弱的断层。因此，除了西部剥蚀面导水外，其他各方为相对隔水的，则研究区便成了一个近于封闭的地质构造体。

2.2 地层岩性

矿区新生界第四系地层受古地形的控制总体趋势比较陡、厚度变化大，厚度在7～400 m；区内新生界呈一单斜形态，北部厚、南部薄；西部厚、东部薄。最薄处出现在318孔附近，厚度为7 m左右；最厚处约400 m。坡度一般约在10°～30°之间。

本区主要可采煤层为3、6煤层，全区总体为一单斜构造，煤系地层走向为近北东向，倾向南东。煤层埋藏北部浅、南部深。北部倾角较缓，南部较陡，北部有小的褶曲存在。3、6煤层在北部有露头。全区以逆断层为主，主体走向为北东向。3煤层埋藏深度在250～550 m左右。6煤埋深在360～650 m左右。

3煤层的厚度变化趋势是中间厚、四周较薄，南部较厚最厚处在318孔附近，厚度约11 m左右，最薄处出现在319孔附近，厚度2.25 m。6煤层的厚度变化趋势是：中间相对较薄，四周相对较厚。最厚处在39孔附近，厚度9.22 m左右。最薄处出现在44孔附近，厚度约4.5 m。

2.3 瞬变电磁、连通试验、抽水试验联合探查导水通道

第四系巨厚沉积物与煤系地层呈角度不整合接触，中间缺失部分第三系，且接触面无稳定的隔水层，黏性土多为透镜体而不起隔水作用。因此，第四系含水层成为其稳定的补给来源，西区成为一个水流只进不出的蓄水构造。

但是，第四系并非大面积均衡补给煤系地层，而是透过局部缺失第三系的区域小范围集中补给。根据瞬变电磁法、连通试验、抽水试验的结果可知：第四系与煤系地层的主要导水通道，处于瞬变电磁测线13～17线和4勘探线和12勘探线之间。

3 防治水技术措施

石嘴山矿西翼采区恢复生产的关键，是解决西区矿井涌水量大的问题。若要采取疏干第四系含水层，人工改变第四系含水层对煤系地层的补水条件，则由于第四系含水层与银川古河道相连，得到贺兰山区水源的不断补给，工程量巨大，耗时难以计数，因此不可行；若要沿剥蚀斜坡的走向进行帷幕注浆，截断第四系冲积层水对矿井煤系地层补给，不但工程投资高，且随着采动，原本加固的涌水通道有进一步贯通的可能，因此也很难奏效。

本采区开采煤层含水量一般在1%左右，属特低含水煤。由于本区基岩剥蚀面及煤层露头与第四系水体直接接触，二层煤顶板的K7砂层及五层煤顶板K5灰岩含水主要由第四系水体补给，属中等含水砂岩。二、三层煤层间距为15～24 m，如果开采三层煤，导水裂隙带会直接波及到K7砂岩，K7砂层水会直接涌入工作面及采空区内，对开采可能造成较大的影响。因此，围绕西区防治水工程设计方案，结合西区的具体水文地质条件，在充分研究现有资料的基础上，采用如下防治水措施：①制定 “以防为主、堵疏结合”防治水方案。该方案主要思想是留够足够宽防水煤柱，并通过对西部进水的裂隙通道的注浆，截断第四系水向工作面补给，然后利用深部巷道揭露含水层放水，以消耗静储量，降低水位水压，达到疏水降压式疏干开采条件。②通过控制放顶煤开采的放煤量来控制垮落带高度，从而减小工作面的涌水。③通过建立可靠的排水系统和相应的排水保障措施，保障能够处理工作面突然涌水和人员的安全撤离。④在地面布置一些水文地质观测网，用于观测开采与地下水体之间的关系。⑤通过试采工作面来探明、总结和掌握防治水的经验，为采区的正式投产以及下组煤的开采、防水煤柱的预留总结经验。