岩溶山区倾斜煤层开采条件含水层再造方法研究

陈正华，姚光华，唐清敏

(1.重庆地质矿产研究院 外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室，重庆 400042；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室重庆研究中心，重庆 400042；3.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

岩溶山区倾斜煤层开采条件含水层再造方法研究

陈正华1，2，姚光华2，3，唐清敏1，2

(1.重庆地质矿产研究院 外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室，重庆 400042；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室重庆研究中心，重庆 400042；3.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

摘要：本文针对矿区主要含水层特征分析，确定重点保护T1j含水层，其次为P3c含水层，提出了采用封闭不良钻孔重新启封段注浆和离层裂隙带压力注浆两种含水层再造方法修复含水层，着重分析了最优压力注浆的层位在位于拉伸区T1f7隔水层，其次是P3l/P3c浅层离层裂缝带，最后划分了含水层再造的有利区位，为岩溶山区煤矿水害防治和地下水资源优化利用提供理论依据。

关键词：岩溶山区；倾斜煤层；含水层再造方法；再造有利区域

矿产资源开采会使地下水补径排关系、地下水动态、地下水流态以及水-岩化学相平衡发生变化，这些变化会引起地下水位的下降和水资源枯竭，为此国内外学者对采煤引起的地下水变化情况进行了广泛的研究。张发旺、侯新伟等针对北方干旱地区煤矿开采引起地下水资源严重破坏这一现实，提出了“含水层再造”和“再造的含水层”概念，分析研究了采动条件下煤层顶板裂隙的生成、含隔水性能的变化以及煤层顶板在采动应力状态下含水层再造的过程和分布，阐明了利用“含水层再造”进行“采煤保水”的机理，探讨了煤层顶板含水层再造变化规律及对地下水渗透性变化效应[1]。范立民、蒋泽泉通过对陕北十多年来的采煤实例研究表明，采煤造成地下水渗漏严重，同时对生态环境也产生了较大影响，在研究“保水采煤”的基础上，从陕北地区广泛分布的烧变岩和它特殊的水文地质条件得到启发，认为对部分小流域进行高强度的煤炭开采，使采空区顶板岩层破裂后，形成类似于烧变岩的地下水储存空间，经过一定时期的含水层再造，形成新的含水盆地，从而实现采煤与保水、保护生态环境并举，促进区域煤炭资源合理开发利用[2]。

此外，采用注浆加固和改造含水层的方法在我国各大矿业集团开始逐步采用，并积累了一定的经验。如永城煤电集团根据矿区的特点，采用了注浆方法加固顶底板灰岩，进行含水层改造，进而达到防治矿井水害的目的，同时在底板单一厚层灰岩含水层注浆技术的成功经验基础上，结合物探技术和计算机辅助，进行了多层含水层裂隙出水底板注浆改造的尝试[3]。张光辉、陈岳飞基于地质勘探过程中部分钻孔封孔质量不达标，从而成为地下各含水层的导水通道的实际情况，进行了井下突水钻孔扩孔注浆技术封堵勘探钻孔的尝试，在庞庄煤矿经过多次实践，取得了较好的经济效益，同时为封堵不规则突水钻孔积累了经验[4]。

这些针对含水层再造及再造方法技术研究多集中在北方地区，对于南方岩溶山区这种以基岩裸露为主的煤炭开发区域含水层再造及技术方法研究几乎没有涉及。

南桐煤矿是西南岩溶山区最早开发的老矿之一，于1938年投产，至今有70余年的开采历史，长期的煤矿开发形成了大面积的采沉区，引发的水资源和水环境问题十分突出，具有典型性。笔者以重庆南桐煤矿为主要研究对象，进行了地表水入渗特征研究、含水层破坏模式研究以及采沉区寻找地下水资源研究[5-7]，基于以上研究背景，本文通过特征分析法确定重点修复的含水层，研究含水层再造方法，在分析各个隔水层的岩体力学性质的基础上，选择最优压力注浆的层位在位于拉伸区T1f7隔水层，其次是P3l/P3c浅部离层裂缝带，最后划分了含水层再造的有利区位，为岩溶山区煤矿水害防治和地下水资源优化利用提供理论依据。

1研究区背景

区内可溶性石灰岩大面积出露，特别是二叠系中统栖霞组(P2q)、茅口组(P2m)、上统长兴组(P3c)，和三叠系下统嘉陵江组(T1j)石灰岩，它们厚度大、质纯，加之区内降水充沛，温度适宜，给岩溶地貌的生成创造了良好条件。在P2q、P2m、P3c、T1j岩层中，溶洞、落水洞发育，溶蚀洼地、地下暗河亦较发育，各含水层的富水性见表1。

表1　南桐煤矿地层富水性表

2含水层再造原则

在采煤沉陷区内，采煤活动对上覆岩体不同区域产生了不同的破坏作用，对于含水层，这种破坏加大了储水空间，有利于地下水的汇集及有效利用；而对于隔水层，破坏后的隔水能力下降，会漏失上部含水层中的地下水。所以，含水层再造的核心是隔水层修复，即通过各种方法手段，使特定部位被破坏的隔水层修复为有隔水能力的地层，从而使上部含水层可以更方便的汇集地下水而不漏失，达到含水层再造的目的。

3含水层重点保护段分析

研究区主要含水层为T1j含水层和P3c含水层，次要含水层为T1f1-5弱含水层。

3.1T1j含水层

T1j含水层即为“统一含水体”(含水区域Ⅰ)，主要为灰色厚层状石灰岩，受侵蚀、溶蚀后，地形成槽谷、洼地、残丘地貌，溶洞、落水洞随处可见，地下暗河亦较发育，泉水多，流量较大，富水中等。由于其出水量大且稳定，接近地表，是考虑的重点保护含水层。

3.2P3c含水层

P3c含水层即为“离层裂缝带”(含水区域Ⅱ)，该含水层为强含水层，但含水性不均一，岩溶发育的相对深度在地表以下120m以内，以下为含水微弱。因此，P3c石灰岩含水层实际指的是浅部岩溶、裂隙发育段。这些浅部发育的风化裂隙、溶蚀(孔洞)与煤层大面积开采后形成的地表张裂隙、采动离层导水裂隙相互沟通。在浅部开采时直接向工作面涌水；在上水平开采结束、覆岩相对稳定后形成一个由采动裂隙导通的、统一的承压水体——“地下水库”，考虑该含水层同样具有较大的水量，是可以考虑的次重点保护层位。

3.3T1f1-5弱含水层

T1f1-5弱含水层为泥质灰岩和石灰岩互层，裂隙发育，有泉水出露，但流量小，钻孔抽水单位涌水量q=0.0276l/s.m，富水性弱。由于出水量小，深度大，实施保护的成本高，是一般的保护层位。

综上所述，通过特征分析，选取T1j含水层为重点保护的含水层，P3c含水层为次重点保护的含水层层位。

4含水层再造方法

通过隔水层修复来再造含水层，其再造方法主要分为封闭不良钻孔的再处理、离层裂隙带压力注浆。方法实施位置见图1。

4.1封闭不良钻孔启封隔水层段及弱含水层段注浆封闭

20世纪50～60年代的煤田地质勘查钻孔在T1f层位并没有密封，而P3c及P3l地层仅用黏土和碎石封堵；70年代以来施工的勘查孔，对P3c、P3l及P2m用水泥砂浆封堵，T1f及以上地层用钻井泥浆封堵，孔口段用水泥砂浆封堵。前期钻孔在T1f层位都没有密封，对隔水层造成了破坏，封闭不良钻孔是上部“统一含水层”与下部“离层储水带”直接联系的通道，为了达到含水层再造的目的，需要对隔水层封闭不良钻井井段进行技术处理，有效阻隔这条导水通道。

主要采取的措施是启封原有煤田地质勘查钻孔，于T1f1-7层位注浆封闭，针对T1f地层进行修复。

4.2离层裂隙带压力注浆

研究区地层软硬岩相间，在下部软岩上部硬岩的接触部位，容易形成离层裂隙汇集少量地下水，虽然弯曲带或整体移动带内的岩层裂缝间的连通性不好，导水能力很微弱，但是离层现象的出现对隔水层的完整性和隔水性能还是造成了一定的影响，所以在某些特定层位有必要做离层裂隙带压力注浆，提升隔水层的隔水能力。针对保护T1j含水层，离层裂隙带压力注浆可以用于减小下伏地层的透水性，从而减少T1j含水层中的地下水向下越流。

针对P3c含水层离层带储水随着采掘工程的延深而逐渐向下水平移动，一直处于动态变化中的特征，如果对下水平离层带储水空间注浆再造后又会受到重复破坏，离层裂隙带压力注浆意义不大。因此选择在上部离层储水裂隙带利用生产井浅部老巷或老窑进行帷幕注浆可以起到截流地下水的作用，汇聚地下水。

主要采取的离层裂隙带压力注浆措施有两种：一是选择含水层下伏软岩层位，进行压力注浆，形成帷幕，有效托起上部含水层地下水，达到含水层再造的目的；二是在离层裂隙带地下水径流的通道中进行压力注浆阻断地下水的径流，引导地下水汇集形成新的储水空间，达到再造含水层的目的。

5研究区压力注浆层位选择

针对研究区内各个隔水层受采煤破坏形式，分析选择最优再造层位。

5.1隔水层P3l

二叠系上统龙潭组(P3l)厚约92m，为泥岩、页岩、砂质泥岩，生物碎屑灰岩、硅质灰岩、砂岩、钙质泥岩、黏土岩及煤层，底部为铝质泥岩、杂色角砾岩。

在未开采条件下属于隔水层，由于煤层位于此层内，开采后形成裂缝带或导水裂缝带，破坏了原岩的完整性，导致整个P3l地层裂隙发育，丧失隔水能力。P3l上覆地层为含水层P3c，随着采掘工程的延深，P3l不断遭到破坏，由于导水裂隙带延伸到了含水层P3c内，P3l/P3c地层导水性大大增强，储水空间变大，可以考虑在生产矿井浅部利用老窑或老巷帷幕注浆截流过水通道，形成新的储水空间，故认为P3l地层浅部属于可以选择的较有利再造层位。

5.2隔水层T1f6-7

三叠系下统飞仙关组(T1f6-7)厚约157m。

七段(T1f7)厚32.86m左右，为灰黄、绿灰色钙质泥岩夹薄层状石灰岩，底部含生物化石碎屑灰岩，为软硬岩相间，据SK15提水试验及压水试验成果显示，T1f7地层虽然属于隔水层，但是在采煤影响下，SK15钻孔所在部位T1f7地层隔水性能受到破坏，产生倒八字形裂隙，已不具备隔水能力，具有深度不大，容易修复的特点，适宜选作再造的有利层位。

六段(T1f6)厚124.51m左右，暗紫色钙质泥岩，间夹钙质结核，质地致密，性脆，节理发育，暴露地表易风化崩解成颗粒状，属于厚层软岩，据SK15钻孔现场钻探情况看此地层完整性好，是研究区重要隔水层，T1j1含水层中的地下水主要靠这层隔水层隔水，在已有封闭不良钻孔内，选作一般再造层位。

上部T1j1地层是研究区重要的含水层，在未开采条件下，T1f6-7地层属于隔水层，能够很好的起到保护T1j1地下水的作用，但是在采动影响下，位于拉伸区的T1f7岩层出现裂缝，不具备隔水能力，拉伸区渗透性能增大，在平面成条带状，范围有限，下部T1f6地层能够有效隔水和阻止注浆液向深部流动的作用，从而可以对拉伸区的T1f7地层进行处理，有效阻隔T1j1地下水的向深部渗透，故认为T1f7地层是含水层再造的有利层位。

5.3隔水层T1j2-3

三叠系下统嘉陵江组(T1j2-3)厚约69m。三段(T1j3)为紫红、灰绿色等杂色页岩，间夹1～2m薄层石灰岩，厚约38.89m；二段(T1j2)下部为灰色、黄色钙质页岩，间夹黄色泥灰岩，上部灰色薄层状石灰岩，含泥质厚约30.48m。

T1j2-3地层主要为软岩夹薄层硬岩，在未开采条件下属于隔水层，由于这层隔水层总厚度不大，采动裂缝的存在，将T1j1、T1j4连成一个整体，有利于储水空间的扩大而增加地下水储藏量，不考虑对其再造。

5.4弱含水层T1f1-5

三叠系下统飞仙关组(T1f1-5) 厚约145m。为泥质灰岩和石灰岩互层。

五段(T1f5)：灰色石灰岩，顶部为鲕状灰岩，中下部有黑色泥质缝合线，间夹薄层紫色泥质灰岩，平均42.82m。

四段(T1f4)：紫色泥质灰岩，夹薄层状灰岩，平均23.94m。

三段(T1f3)：灰～浅灰色不纯石灰岩夹钙质泥岩，有泥质缝合线，平均21.38m。

二段(T1f2)：紫色薄片状泥质石灰岩，层理发育，平均21.40m。

一段(T1f1)：下部灰绿色页岩(风化后呈土黄色)，致密；上部为薄层状灰色石灰岩，夹泥质甚重，性脆，平均37.77m。

T1f1-5地层为软硬岩互层，在未开采条件下富水性弱，深部为隔水层。在开采条件下，T1f1-5地层软硬岩接触部位存在离层现象，含有少量地下水。对照上面岩性分析，T1f5和T1f3为灰岩含水层，但是由于层厚不大，埋藏深度大，水量小，再造的经济效益不好，故T1f1、T1f2、T1f3软岩不宜作为重点再造层位，在已有封闭不良钻孔内，选作一般再造层位。

5.5离层裂隙带压力注浆再造有利层位

综上述所，所有隔水层中，位于拉伸区T1f7隔水层具有最好的再造条件，其次是P3l/P3c离层裂隙带再造条件一般。故可以选择受采煤破坏的T1f7地层进行压力灌浆，形成帷幕(图1)，阻止T1j含水层下渗，达到含水层再造的目的；还可以在P3l/P3c离层裂隙带浅部利用老窑或生产矿井对P3l地层帷幕注浆(图1)，形成帷幕截流地下水到新的储水空间，达到再造含水层的目的。

6离层裂隙带压力注浆有利区域划分

6.1含水层再造不利区

综合前文，离层裂缝带压力注浆含水层再造的不利区域主要有以下三处。

第一：属于多次采动影响地段，这种区域覆岩遭受多次拉伸挤压作用，岩体破碎，形成块状，不利于再造。

第二：封闭不良钻孔多、导水断层密布地区，再造工作量太大，投入大，经济效益差，不易于再造。

第三：层位的选择上，根据压力注浆层位选择分析，T1j2-3、T1f1、T1f2、T1f3和深部P3l再造条件差。

以上述条件，划分离层压力注浆含水层再造的平面不利区域(图2)。

图2　离层压力注浆有利区域划分平面图

6.2含水层再造较有利区

含水层再造较有利区(图1、图2)，指历史上受采煤破坏，目前不受采煤直接破坏的相对稳定区域，位于浅部的P3l/P3c离层裂隙带。

6.3含水层再造有利区

离层裂隙带压力注浆含水层再造的有利区域(图1、图2)位于采动最边缘的拉伸区，此区域只有拉伸变形，呈条带状分布，对隔水层修复有利，压力注浆层位为T1f7隔水层。

7结论

1)针对矿区主要含水层特征分析，T1j含水层出水量大且稳定，接近地表，是重点保护的含水层；P3c含水层同样具有较大的水量，是可以考虑的次重点保护层位。

2)含水层再造核心是隔水层修复。T1j含水层再造采用修复下伏T1f地层隔水性的方法；P3c含水层再造采取浅部修复下伏P3l隔水层截流地下水到新的储水空间的方法。

3)研究提出可采用封闭不良钻孔启封隔水层段及弱含水层段注浆封闭和离层裂隙带压力注浆两种含水层再造方法，达到再造含水层的目的。

4)对于T1j含水层，位于拉伸区的T1f7地层为再造有利层位；对于P3c含水层，P3l/P3c离层裂缝带浅部具有再造条件。

5)提出的有利区域划分为岩溶山区倾斜煤层开采条件下地表水优化利用及煤矿防治水指明了方向。

参考文献

[1]张发旺，侯新伟，韩占涛，等.采煤条件下煤层顶板“含水层再造”及其变化规律研究[C]//第六届世界华人地质科学研讨会、中国地质学会2005年学术年会论文集，2005.

[2]范立民，蒋泽泉.烧变岩地下水的形成及保水采煤新思路[J].煤炭工程，2006(4)：40-41.

[3]李飞，安栓志，高琪，等.采煤工作面底板加固和含水层改造防治水方法[J].煤炭技术，2004，23(11)：75-76.

[4]张光辉，陈岳飞.井下突水钻孔扩孔注浆封堵技术的应用[J]．煤炭科技，2003(2)：24-25.

[5]姚光华，陈正华，向喜琼.采煤条件下地表水入渗特征分析研究[J].矿业安全与环保，2012，39(3)：12-15.

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[7]姚光华，陈正华，向喜琼.岩溶山区采煤条件下隔水层破坏及地表水入渗特征研究[J].水文地质工程地质，2012，39(5)：16-20.

Study on aquifer reconstruction methods under inclined coal seam mining conditions in karst mountain areas

CHENZheng-hua1，2，YAOGuang-hua2，3，TANGQing-min1，2

(1.ChongqingKeyLaboratoryofExogenicMineralizationandMineEnvironment，ChongqingInstituteofGeologyandMineralResources，Chongqing400042，China；2.ChongqingResearchCenterofKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining，Chongqing400042，China；3.StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China)

Abstract:According to characteristics analysis of main aquifer in mining area，we determine T1j aquifer is of significance for the protection，followed by P3c aquifer.Two reconstruction methods for aquifer，which are sealing poor boreholes and grouting to unsealed section，pressure grouting in separated strata fracture zone，are proposed in this paper.Also，we analyze and conclude that the optimal pressure grouting horizon is T1f7 aquifuge in the tensile zone，followed by P3l/P3c separation cracks in separated strata fracture zone.Finally favorable location for aquifer reconstruction is classified，which provides the theory basis to prevent water disaster in karst mountain coal mine and optimize the utilization of groundwater resources.

Key words：karst mountain coal mine；inclined coal seam；aquifer reconstruction methods；favorable location for aquifer reconstruction

收稿日期：2015-06-07

基金项目：重庆市国土资源和房屋管理局2014年第一批科技计划项目“丘陵山区煤层采动条件下地下水疏降及汇集规律研究”资助(编号：CQGT-KJ-2014019)；国土资源部公益性行业专项科研经费项目“岩溶矿区地下水分层监测技术集成与应用示范”资助(编号：201411083-6)

作者简介：陈正华(1983—)，女，汉族，湖北人，硕士，中级工程师，主要从事矿区水文地质工作。E-mail：chenzhenghua369@126.com； 姚光华(1963—)，男，汉族，重庆人，博士研究生，高级工程师，主要从事矿产地质、岩土工程和地质工程工作； 唐清敏(1964—)，男，汉族，四川大竹人，高级工程师，主要从事矿产地质、矿产开发相关工作。

中图分类号：P641.4

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)04-0098-05