柿庄北区主采煤层充水因素分析

2016-09-15翟虎威

西部探矿工程 2016年2期

关键词：隔水层水文地质泥岩

翟虎威

（山西省煤炭地质114勘查院，山西长治046000）

柿庄北区主采煤层充水因素分析

翟虎威*

（山西省煤炭地质114勘查院，山西长治046000）

通过采用历次勘查成果，对柿庄北区地面和地下水文地质条件做了全面阐述，对区内主要可采煤层3号和15-2号煤层的顶底板充水性做了详细分析，最终对未来3号和15-2号煤层开采提出指导性的结论。

沁水煤田；柿庄北；主要可采煤层；顶底板；充水

柿庄北区位于山西省晋城市沁水县柿庄镇，属于沁水煤田，面积为89.58km2。山西省财政厅以地勘基金的方式出资，山西省国土资源厅管理，确定了柿庄北区煤炭详查为2012年度省级矿业权价款地质勘查项目。区内主要可采煤层为3号和15-2号煤层，均为无烟煤。据初步估算，区内蕴藏3号和15-2号煤共计124483×104t，其中3号煤层71443×104t，15-2号煤层53040×104t。

1　泉域概况

本区位于沁水盆地南缘低山丘陵区，水文地质单元属延河泉域北部。延河泉域是一个从补给到排泄完整的地下水泉域，主要含水层是奥陶系厚层状碳酸盐岩。据《山西省岩溶泉域水资源保护》（2008年，中国水利水电出版社）最新资料，延河泉域出露于山西省晋城市阳城县东冶乡延河村北1km的沁河西岸。目前泉水流量约7.0m3/s。

2　地表水体

区内无大的地表水体，主要河流为固县河的3条支流，位于东部、中部和西部，均自北向南从区内通过，汇入固县河，固县河为沁河的支流。3条河流均为季节性河流，其流量受大气降水影响很大，平时水流量不大。据2014年7月调查，3条支流水流量最大2.17m3/s，最小0.92m3/s。

3　水文地质条件

3.1地面地质特征

本区位于太行山剥蚀山区，沟谷切割较深。出露的地层有三叠系下统和尚沟组（T1h）、三叠系下统刘家沟组（T1l）、二叠系上统石千峰组（P2sh）、二叠系上统上石盒子组上段（P2s3），第四系松散沉积物分布于山梁及沟谷之中。

本区总体构造为向西北倾的单斜，在此基础上发育了次一级褶曲9条，产状总体较为平缓，发育断层4条。

3.2主要含水层

（1）奥陶系中统岩溶裂隙含水层。该含水层位于延河泉域北部奥陶系上覆地层厚层覆盖区，含水空间以岩溶裂隙为主。区内地表未出露，埋藏较深，埋深在783.03～1457.35m，平均1027.85m。单位涌水量为0.0163L/（s·m），渗透系数0.151m/d，水位标高+ 626.03m，水质类型为HCO3·SO4-Ca型，按《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》（MT/ T1091-2008），属弱富水性含水层。

（2）石炭系上统太原组含水层组。该含水层组为碎屑岩夹碳酸盐岩岩溶裂隙含水层组，区内无出露。主要由数层砂岩裂隙含水层及K2、K3、K5、K6石灰岩岩溶裂隙含水层构成，是太原组各煤层的充水水源。其中K2石灰岩为15-2号煤层顶板直接充水含水层，全区稳定。单位涌水量为0.00185/（s·m），渗透系数0.0065m/ d，水位标高+822.50m，水质类型为HCO3-Na型，按《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》（MT/T1091-2008），属弱富水性含水层。

（3）二叠系下统山西组含水层组。该含水层组为碎屑岩裂隙含水层组，区内无出露。含水层主要由细粒砂岩、粉砂岩组成，是3号煤层的主要充水含水层。单位涌水量为0.00575L/（s·m），渗透系数0.0471m/d，水位标高+840.46m，水质类型为HCO3-Na型，按《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》（MT/T1091-2008），属弱富水性含水层。

（4）二叠系下统下石盒子组、二叠系上统上石盒子组和二叠系上统石千峰组砂岩裂隙含水层组。该含水层组为碎屑岩裂隙含水层组，在区内东部煤层相对浅埋区部分出露。单位涌水量为0.0278L/（s·m），渗透系数0.0315m/d，水位标高+955.96m，水质类型为HCO3· SO4-Na型，按《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》（MT/T1091-2008），属弱富水性含水层。

（5）三叠系下统刘家沟组砂岩裂隙含水层组。该含水层组为碎屑岩裂隙含水层组，区内大面积出露。含水层主要由粗—细粒砂岩组成，含水空间为砂岩裂隙，地表出露泉眼。据2014年4月调查，出露泉流量为0.01～0.30L/s，水质类型为HCO3-Ca·Na型，按《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》（MT/T1091-2008），属弱富水性含水层。

（6）基岩风化带裂隙含水层。该含水层为碎屑岩裂隙含水层，含水空间以风化裂隙为主，厚度因风化带发育程度而异，一般发育深度在50m左右。该含水层一般富水性差异较大。

（7）第四系松散岩类孔隙含水层。主要分布于山间河谷地带，由亚粘土、砂土及卵砾石组成，厚0～10m。富水性因地而异，主要接受大气降水及地表河流入渗补给。愈靠近河谷富水性愈好。据2014年6月井水调查，水质类型为HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na型，矿化度293～326mg/L。

3.3主要隔水层

（1）石炭系本溪组泥岩、铝质泥岩隔水层。本溪组主要以铝质泥岩、泥岩及砂质泥岩组成，夹细粒砂岩、粉砂岩，偶见深灰色石灰岩。层厚为5.70～31.84m，平均14.33m。该层组裂隙不发育，透水性差，一般隔水性能良好。

（2）石炭系太原组砂质泥岩及泥岩隔水层。各层石灰岩及砂岩之间均有数十厘米至数米的可塑性砂质泥岩及泥岩，是阻隔各含水层间水力联系的主要隔水层。

（3）二叠系、三叠系含水层层间隔水层。由泥岩、砂质泥岩、粉砂岩等组成，单层厚几十厘米至数十米，平行分布于各含水层之间，形成平行复合结构，起到了阻隔各含水层之间垂向水力联系的作用。

3.4主要含水层的补给、径流、排泄条件

（1）松散岩类孔隙含水层主要接受大气降水、地表河流入渗及泉水的补给，沿河谷或沟谷向固县河3条支流排泄，形成地表径流，流出区外或垂向补给下部含水层。

（2）基岩风化带、刘家沟组和石千峰组砂岩裂隙含水层组，主要接受大气降水的补给，以层间径流为主，垂向上水力联系微弱。

（3）太原组、山西组及下石盒子组含水层组埋藏较深，各含水层间均有一定厚度的隔水层，属于平行复合结构类型。含、隔水层均处于分散隔离状态，各个含水层间的水力联系被其间隔水层所阻隔，各含水层间的水力联系微弱。

（4）奥陶系中统岩溶裂隙含水层，位于泉域东北部边界处，区内未出露，全部被厚层基岩所覆盖，故补给条件差，地下水径流缓慢。在区域上属补给—径流区。

4　充水因素分析

4.13号煤层

（1）顶板。3号煤层直接充水含水层为3号煤层顶板砂岩裂隙含水层，由于煤层开采过程中产生的裂隙塌陷，容易沟通导水裂隙带内其他含水层。

其导水裂隙带最大高度按《煤矿床文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》（MT/T 1091-2008）附录D的公式计算见公式（1）：

式中：Hf——导水裂隙带（包括冒落带）最大高度，m；

M——煤层厚度，m；

n——煤分层开采系数，取1。

区内3号煤层一次性采全高时产生的导水裂隙带（包括冒落带）最大高度为60.53～158.98m，一般为136.98m，可以沟通上部K10砂岩等含水层水。

（2）底板。区内3号煤层底板标高为-120～+430m，均位于奥陶系岩溶裂隙含水层水位标高以下，但其间相对隔水地层厚度一般为121.22～160.35m，平均为136.45m，突水系数按《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》（MT/T 1091-2008）附录E的公式计算见公式（2）。

式中：Ts——突水系数，MPa/m；

p——隔水层承受的水压，MPa；

M——底板隔水层厚度，m；

Cp——采矿对底板隔水层的扰动破坏厚度，m，取经验值16m。

底板隔水层厚度取值为奥灰界面至3号煤层底板间距。经计算区内3号煤层Ts为0.029～0.075MPa/m。3号煤层底板突水系数计算值见表1。

按《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》（MT/T 1091-2008）附录E，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa/m，正常块段突水系数不大于0.15MPa/m，本次确定以下带压开采分区标准：

Ts＜0.06相对安全区（Ⅰ）

0.06≤Ts＜0.15临界区（Ⅱ）

Ts≥0.15危险区（Ⅲ）

本次在Ts＜0.06MPa/m（Ⅰ）区中对构造地段划分为（Ⅱ）区，0.06≤Ts＜0.15MPa/m（Ⅱ）区中对构造地段划分为（Ⅲ）区。

按标准正常块段不大于0.15MPa/m，构造破坏块段不应大于0.06MPa/m。因此正常情况块段，一般不会发生底板突水事故。在构造破坏段0.06≤Ts＜0.15MPa/m，存在底板发生底板突水的可能。由于煤层底板突水是一种复杂的过程，突水与多种因素有关，以上标准提供的临界突水值只是全国实际平均值，不一定适用于本区，有待下一步在勘探过程中对煤层底板突水进一步研究。

表1　3号煤层底板奥灰水突水系数计算表

4.215-2号煤层

（1）顶板。15-2号煤层直接充水含水层为顶板石灰岩及砂岩裂隙含水层，由于煤层开采过程中产生的裂隙塌陷，容易沟通导水裂隙带内其他含水层，煤层厚度为1.50～7.80m，平均3.95m。按公式1计算，区内15-2号煤层一次性采全高时产生的导水裂隙带（包括冒落带）最大高度为44.53～184.53m，一般为98.98m。3号煤层底距15-2号煤层平均间距104.11m，考虑到开采3号煤层底板扰动破坏带（取20m）的影响，开采15-2号煤层除沟通导水裂隙带内含水层水外，还很可能沟通3号煤层采空水。

（2）底板。区内15-2号煤层底板标高为-230～+320m，均位于奥陶系岩溶裂隙含水层水位标高以下，15-2号煤层底板距奥灰界面一般为18.92～58.46m，平均为29.10m。

经计算区内15-2号煤层底板突水系数Ts≥0.131MPa/m（计算方法同3号煤层，底板扰动破坏带取20m），见表2。

按标准正常块段不大于0.15MPa/m，构造破坏块段不应大于0.06MPa/m。因此正常情况下，15-2号煤层开采均存在底板突水可能。矿井生产时应加强防范。