李雅庄矿区断裂构造对地下水控制影响研究

2013-07-23王春海狄效斌

山西焦煤科技 2013年3期

王春海，狄效斌

(1.山西焦煤霍州煤电集团李雅庄煤矿，山西霍州 031400；2.山西省煤炭地质勘查研究院，山西太原 030031)

李雅庄煤矿井田范围内地质构造较为复杂，整个井田在区域自西北向东南倾斜的缓波状单斜褶皱的控制下，井田内发育着主要以东北－西南方向延伸的近平行阵列式断层，其间还零散地发育着陷落柱构造。李雅庄矿区在区域上属于郭庄泉域北部的主径流区，岩溶水水位高于所有开采煤层底板，为带压开采矿井，存在岩溶水突水危险。因此，开展本矿区地质构造控水特征研究显得尤为重要。

1 矿区地质构造特征

在区域上李雅庄矿区位于临汾断陷盆地，处于祁吕贺兰山山字型构造之东翼汾渭地堑的东端，北部边缘与灵石隆起相接，东西两侧受霍山和罗云山两大断裂控制。

李雅庄矿区受南侧什林挠褶断裂带和东侧霍山断裂带的控制，矿区内总体构造为一走向北东，倾向南东的单斜构造，地层倾角一般为10°左右。其中矿区中部陈家洼向斜西翼至李雅庄村东，有一近北北东向的陡斜地带，其宽约500 m，地层倾角一般15°～25°;矿区南部边缘地带地层走向急剧向西偏转，什林挠褶断裂带北盘，走向接近东西，倾角一般40°左右，局部达80°;矿区西北部有两对紧密相连的北东向的背向斜宽缓褶曲，其轴部发育有纵向正断层，向南延伸;西南部发育一对紧密相连的北西向褶曲。

1.1 断层

断层是本井田的主要构造，断层性质多为正断层，断层走向多为NE。经统计，目前矿区发现断层263 条，落差大于5 m的断层有65 条，小于5 m的198 条。其中落差大于50 m的断层共5 条;20～50 m 之间的断层共14 条，落差在5～20 m 之间的45条，小于5 m的198 条。从整体看，矿区主要断层为倾向NW的阶梯正断层。

经分析认为，矿区内断裂构造具有如下特点:

1)大中型断层(落差大于5 m)数量少，主要为地质勘探判定，其走向主要为北北东－北东向，断层性质为正断层，呈阵列式阶梯状展布于矿区中东部及南部，延伸长，断距较大。从西至东主要有:F2、F3、F6、F10、F12、F14 等。

2)小型断层(落差小于5 m)数量多，主要为井下采煤揭露，其走向多变，延伸短，断层性质多数为正断层，偶见少数逆断层，主要呈零散状分布于矿区南部和东部。

3)大中型断层走向与区域褶皱构造方向基本平行，断层性质为正断层，反映了本区在构造变动时期，地层接受了先挤压后拉伸的受力状态。

4)矿区内断层分布广，密度较大，说明矿区内地质构造应力分布较为分散。

5)受矿区南边界什林挠褶断裂带控制，以及西边界和东边界断层围限作用，使本矿区整体呈现断块构造形态。

6)在矿区内部，由于断裂构造的多级阶梯和阵列分布特征，使矿区内呈现出沿北东向多个条带状构造块段，且自西向东块段间距渐趋变短(见图1)。

图1 李雅庄井田断裂构造纲要图

1.2 陷落柱

矿区内的陷落柱，地表尚未发现，据以往地质勘探过程中有4 个钻孔揭露，柱内填充物岩性复杂，次序紊乱。在井下开采2号煤层生产过程中，共揭露陷落柱234 个，平均密度为69 个/km2。揭露陷落柱时，发现陷落柱塌陷角度65°～85°，其长轴最大者120 m，最小者6 m，陷落柱长轴一般为30 m 左右。陷落柱长轴方向主要是NNW～SSE，与地层倾向大体一致(见图2)。

矿区内陷落柱主要为井下采煤揭露，就目前该矿开采情况分析，陷落柱主要分布于矿区南部已开采煤层地段，其规模小，但密度较大。目前，暂难以寻求陷落柱的发育规律，其物性差异与煤层相近，对其展布形式及发育特征不能很好地掌握，影响采区、工作面布置并增加巷道掘进成本，使综掘机械化难以实现。

2 矿区水文地质条件

图2 李雅庄井田陷落柱发育分布示意图

依据含水层的岩性组合、含水介质、空隙类型、富水性以及含水特征，矿区内主要含水层分为:松散岩类孔隙潜水含水层;碎屑岩类裂隙承压水含水层;碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙承压水含水层;碳酸盐岩类岩溶裂隙承压水含水层。其中二叠系碎屑岩类裂隙承压水含水层为目前开采2号煤层的直接充水含水层，而太原组碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙承压水含水层和奥陶系碳酸盐岩类岩溶裂隙承压水含水层为2号煤层间接充水含水层。二叠系碎屑岩类裂隙承压水含水层富水性弱，太原组及奥陶系岩溶裂隙含水层富水性一般较强，且其静水水头高于2号煤层底板，对矿井充水影响较大。

本区地下水主要接受基岩露头地带大气降水补给以及区外侧向径流补给，在地质构造控制影响下，矿区地下水整体顺地层倾向自西北向东南运移，受区内北东向断裂构造影响，地下水往往在断裂构造附近发生水流跳跃波动，或为多层含水层地下水交融混合，或为地下水发生间断阻隔滞留，由于本区断裂构造相对密集，地下水流场趋势变得错综复杂，地下水径流途径迂回曲折。地下水排泄途径主要以潜流形式向矿区东南部排出，目前，矿井采煤时的矿坑排水也是地下水的排泄途径。

3 构造控水影响分析

3.1 区域构造控水分析

李雅庄矿区位处汾西复向斜东翼的南部，汾河以东，灵石—什林隆起的东南角。区域上构造条件复杂，除褶皱构造外，多以高角度正断层为主，主要表现为复杂的差异性断裂升降运动。由于构造条件的影响，不仅控制着区域地下水的形成与分布，同时对岩层埋藏条件、岩溶裂隙发育程度、含水介质、含水层的富水性、动态特征、水化学特征，以及地下水的补、径、排条件等，也起着明显的控制作用。

李雅庄矿区南边界发育有近东西向的什林挠褶断裂带，倾向南，倾角86°，最大落差175 m，由于断层断距较大，导致地层错断。据十里沟河流断面测量，什林断层不导水或弱导水，由此可见，该挠褶断裂带在一定程度上起到阻水屏障的作用，即阻止矿区大部分地下水直接向南部径流，对矿井生产造成一定影响。该断裂带走向近东西，倾向南，倾角86°，西部最大落差175 m，向东逐渐变小为100 m 左右。在断层南盘可见第三系红层以80°倾角向南倾斜，断层北盘不远地层平缓，倾角30°左右，表现为挠曲。在断裂带的北部还发育有数条近于平行的断裂，但断距较小。据调查，该断裂大部被黄土覆盖，地表有零星露头可见，并沿走向有断层破碎带存在，结构疏松，孔隙、裂隙发育。

基于上述，并根据本次勘查资料，初步分析认为，什林断层沿断层破碎带渗透性较强，断层的力学性质可能为张性导水断裂带，但由于断距相对较大，导致地层错断，从而使得断层北盘(上升盘)与其南盘(下降盘)弱透水层相接触，造成阻水屏障，起到一定的阻水作用。由于地下水运移受阻，使其接触面一侧地下水易于富集，因此，井田南部太灰含水层富水性较强。

3.2 矿区内断裂构造控水分析

3.2.1 断裂构造导水性分析

李雅庄矿区发育有一系列北北东或北东向断裂构造，断距一般5～20 m，部分断距大于30 m，且多为张性或张扭性正断层。由于断层沟通，往往形成良好的导水通道。矿井历次突水资料表明，充水水源大部分来源于裂隙或断层导水。

断层造成地层错断，破坏了岩体本身的连续性及完整性，较大规模的断层构造使得奥灰含水层与煤层或太灰含水层相对接，同时也缩短了煤层与含水层之间的距离，沟通了不同含水层之间的水力联系，降低了隔水层的抗阻水能力，从而易造成导水通道，增加了底板突水的可能性。尤其在断层与断层相交，或断层与褶皱相交，以及褶皱与褶皱的端点处，往往是承压水从煤层底板突出的薄弱面，水压的存在是驱动岩溶水流入矿井的动力，而底板破裂则是地下水得以流动的通道和咽喉，从而易引发导水或突水事故。李雅庄煤矿现开采+355 水平(上组煤)和远景开采+260水平(下组煤)，奥灰峰峰组灰岩含水层的最大水压为4 MPa 左右。在静水压力和动水压力的共同作用下，由于断层的存在会导致承压水的导升，从而减少了隔水层的有效厚度，增加了底板隔水层的变形破坏，诱发导水的可能性增大，如不采取有效防治措施，突水事故可能会逐趋显现。

区内断层构造发育，由于构造断裂形成的断层破碎带，往往具有较好的渗透性或导水性，从而形成矿井充水的良好通道。特别是较大规模的断裂构造，断层两盘的索引以及多次构造运动的影响，往往次生裂隙广泛发育，形成断层影响带或密集带。在这些断裂带范围内，不但具有导水性，而且断裂本身就是一个含水体，富水性往往较强。

3.2.2 生产实践情况分析

李雅庄井田断层构造发育，落差在20～50 m的断层17 条，落差大于50 m的断层4 条，且多为高角度正断层。据井下突水点汇总资料，各采掘工作面(上组煤)、回风井、轨道巷、皮带巷等共发生太灰与奥灰突水12 次，其中太灰(K2、K3、K4)突水6 次，太灰和奥灰突水2 次，突水量一般为20～60 m3/h，最大突水量达100 m3/h。2010年10月，在施工井田南部大巷的LK1 井下钻孔，在施工孔深55 m(K3 灰岩)时，因钻遇F12 断层(最大断距29 m)，突发涌水，突水量达300 m3/h 左右(已封堵);2011年3月24日，发生在六采区东大巷南边界附近的突水，其突水量达350 m3/h 左右，这些突水原因均为揭露断层而造成突水，对生产造成了一定影响。由于张性断层或构造破碎带的存在，造成断层附近岩石力学强度的降低，渗透性及导水性增强，从而导致上覆及下伏含水层中地下水与矿井开采煤层相沟通，由此导致煤层顶板含水层中地下水下渗，以及下伏含水层中地下水上涌顶托补给矿井，严重时会使得奥灰高压强含水层岩溶水涌入矿井，造成突水或淹井事故。

据有关资料分析，岩溶陷落柱的充水情况各不相同，大部岩溶陷落柱不导水，个别为导水陷落柱。充填物胶结程度良好，孔隙、裂隙不发育的陷落柱，往往不含水或含水甚微;充填物结构疏松，孔隙、裂隙发育的陷落柱，往往渗透能力强，地下水补给来源充沛，从而形成充水或导水陷落柱，即岩溶陷落柱本身就是一个良好的含水体。就李雅庄矿而言，2006年7月30日在2－211工作面回风巷揭露的陷落柱在推进中发生涌水，水量20～50 m3/h;2006年8月12日，2－211工作面在+217 m 标高出现陷落柱导水，最大水量52 m3/h，其水质化验结果，钙镁离子确定为太原组灰岩水。

总之，从开采2#煤层的陷落柱来看，大部分陷落柱不导水。发生渗水、淋水的陷落柱水流绝大部分为顶板砂岩水。涌水量较大的陷落柱涌水水源，多为太原组灰岩水。