演马庄矿水文地质特征浅析
2017-05-10吴斌强
吴斌强
摘要： 本文以演马庄矿区域及矿井水文地质为浅析对象，对矿井充水条件、充水状况及主要含水层进行分析，总结了矿井建井以来的突水点特征并提出了防范措施，为矿井安全生产提供了技术保障。
Abstract： In this paper， taking Yanmazhuang Mine and its hydrogeology as objects， to make a analysis of the mine water filling condition， water filling situation and the main aquifers， to summarize the characteristics of water inrush points since the mine construction and to put forward the preventive measures， in order to provide technical guarantee for the safe production of the mine.
关键词： 水文地质；充水条件；含水层；突水点特征
Key words： hydrogeology；water filling condition；aquifer；characteristics of water inrush points
中图分类号：P641.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）13-0109-03
0 引言
演马庄矿处于北东向太行山背斜的东南翼，断裂构造发育，各含水层之间水力联系密切，水文地质条件极为复杂，自建井以来共发生1m3/min以上突水事故47次，最大突水量达320m3/min，淹地区2次，淹井2次。矿井主要含水层有奥陶系灰岩（O2）含水层、石炭系灰岩含水层，其中L8、L2、O2灰岩含水层富水性强，是矿井突水的主要水源。
由于矿井水文地质条件极为复杂，需要对井田内各含水层的岩性、埋藏条件、水位、水量以及相互水力联系进行分析，查明矿井水文地质特征及矿井充水因素，保障矿井的生产安全。
1 区域水文地质
焦作煤田地处太行山隆起带南端，属太行山山前冲积、洪积缓倾斜平原，地势为西北高、东南低，微向东南倾斜，构造以断层为主。区内寒武系、奥陶系灰岩中岩溶裂隙发育，为地下水提供了良好的储水空间和径流通道。另外，在断层带附近岩溶裂隙相对发育，常常形成强富水、导水带。大气降水是焦作煤田岩溶裂隙水的主要补给来源，西部、北部裸露山区广泛出露的石灰岩是岩溶地下水良好的补给场所，补给面积约4900km2。
1.1 岩溶地下水补给、径流与排泄
大气降水为焦作煤田岩溶裂隙水的主要补给来源，西部、北部裸露山区广泛出露的石灰岩是岩溶地下水良好的补给场所，属九里山岩溶水系统，补给面积约4900km2，天然资源量为38541万m3/a。其中灰岩裸露补给区面积1395km2，大气降水补给量10～15m3/s、河流及水库渗入补给量26.28m3/s。
在天然状态下，補给区地下水水力坡度为11‰，径流区为5‰，进入煤田后为2～0.44‰。双头泉岩溶水的石灰岩裸露区为焦作矿区岩溶水的直接补给区，演马庄矿区即处于该区的径流排泄区内。岩溶水一部分沿山前冲洪积扇形成泉群排泄，总排泄量3.14～14.3m3/s，其中，九里山泉群流量9.2m3/s，百泉最大流量2.32m3/s；另一部分向深部循环径流或由人工排泄。
1.2 岩溶地下水的动态特征
本区为大气降水入渗型兼有地表渗漏，地下水动态直接受大气降水支配，岩溶埋藏区地下水位的峰值多出现在9～10月，滞后降水一个月左右，每年6～9月水位上升速度0.1～1.0m/d，10月至次年5月水位缓慢下降，速度为0.02～0.03m/d。
2 矿井水文地质
2.1 井田边界及其水力性质
生产实践证实，矿井西北部的二1煤层露头被新生界砂砾层覆盖，奥陶系、石炭系灰岩与冲积层直接接触，并相互发生水力联系，形成强补给边界；南部凤凰岭断层落差180m，北升南降，造成区内二1煤层、灰岩含水层与区外富水性弱的二叠系地层对接，形成阻水边界；从充水情况分析，矿井水主要来自西部，为西部充水边界；东部与九里山矿区相接，水力联系密切，为东部充水边界。
2.2 煤层底板含水层
2.2.1 奥陶系灰岩（O2）含水层
O2灰岩厚约400m，一般上距二1煤层100m左右、平均105.53m。岩溶裂隙发育，富水性极强，水头高、水压大之特征，是威胁矿井安全的主要含水层。根据岩性特征、富水程度和对二1煤层开采影响，可分为上下两段：上段O22-2+O23厚220m，单位涌水量1.1～37.9L/s·m；下段O21-2厚70～80m、单位涌水量0.5～1.0L/s·m，两段之间被厚50～60m灰色角砾状泥灰岩隔断。井田内具有统一地下水位。
2.2.2 石炭系灰岩含水层
石炭系灰岩9层，总厚一般20～35m。其中L8、L2两层灰岩分布较稳定，富水性强，分述如下：
① L2灰岩含水层。
厚4.82～14.34m，一般9～11m，平均10.81m，一般上距二1煤层70～80m、平均73.58m；下距O2灰岩11.72～37.52m，一般约20m，平均21.24m；是二1煤层底板间接充水含水层。据钻孔注水试验，单位涌水量1.81～7.15L/s·m，渗透系数5～20m/d。富水性极强，与O2灰岩含水层联系密切。
②L8灰岩含水层。
上距二1煤层14.17～23.90m，一般18～20m，平均18.56m，为二1煤层底板直接充水含水层。厚8～10m，岩溶裂隙发育，富水性强，但差异性较大。发育程度随深度增加而有所减弱。据钻孔注水试验和井下突水点反求，单位涌水量0.00345～5.4L/s·m，平均1.32L/s·m，渗透系数8.17～39.9m/d、平均23.05m/d，导水系数70.18～321.3m2/d，平均197.09m2/d。为HCO3-Ca·Mg型水。
2.3 矿井充水条件
2.3.1 充水水源
①大气降水。
地下水除接受大气降水与隐伏露头区附近新近系、第四系孔隙水补给外，主要为来自太行山区的侧向迳流补给。井田位于区域地下水迳流带，以透水性良好的寒武和奥陶系碳酸盐岩为主，具有良好的天然补给条件。对本矿而言，大气降水主要以侧向迳流补给地下水的形式间接进入井下。
②地表水。
井田内无河流、水库等水体存在，地表水对生产没有影响。
③小煤窑积水。
井田内有东韩王村小煤窑，位于一二采区上部，1995年投产，2005年6月关闭，井筒已回填，地面已平整。小煤窑与本矿之间按规定留设有防隔水煤（岩）柱。
④矿井老空积水。
井田内老空积水7处：二水平大巷、1441工作面、2509工作面、一一采区、二二下段采区、二一下山采区、二二采区。
⑤含水层水。
1）底板L2、O2灰岩水：L2、O2灰岩水一般不会直接充入矿井，但受断层错动和导水裂隙影响时，可通过断层破碎带进入矿井，水量较大，常给矿井造成较大损失。
2）底板L8灰岩水：L8灰岩水是主要充水水源，水量约占总水量的75%。该含水层平均上距二1煤层18.56m，岩溶裂隙发育，径流畅通。因上距开采煤层较近，在矿压和水压共同作用下，特别受断层影响时，常沿底板裂隙进入矿井。该含水层充水具有先小后大、然后趋于稳定或干涸之特点，涌水量多小于600m3/h。
3）二1煤层顶板砂岩裂隙水：受顶板冒落和断层破碎带影响，上覆砂岩裂隙水往往以淋水、滴水的形式进入矿井，水量较小，单点出水量一般不超过60m3/h，且持续时间短、易于疏干；据统计，开采至今顶板砂岩裂隙水总量600m3/h左右，对矿井安全无威胁，但给开采环境造成一定影响。
4）新近系、第四系砂砾石孔隙水：矿井开采初期，在井筒开挖与巷道掘进穿越或接近该含水层时，常有孔隙水流进巷道，水量变化多受季节影响，一般单点最大出水量不足300m3/h。当该含水层与基岩、特别与岩溶裂隙发育的灰岩含水层直接接触时，亦会对矿井安全形成威胁。
2.3.2 充水通道
①受煤层采掘影响，在煤层顶板和底板常形成大量采动裂隙，为煤层顶板水、底板L8灰岩水进入矿井提供了良好通道。如砂砾石层水、基岩裂隙风化带水等多是沿顶板裂隙进入矿井，而L8灰岩岩溶裂隙水则多是沿底板裂隙进入矿井。
②受构造影响，在断层附近或褶曲轴部常形成构造裂隙，严重破坏了地层的完整性，是地下水、特别是L2、O2灰岩岩溶水进入矿井的主要通道。矿井底板突水淹井事故均是L2+O2灰岩岩溶水通过断层裂隙带进入矿井造成的。
③据以往勘探资料，封孔用煤矸石、粘土、黄泥浆等材料均定为封闭质量不良钻孔。这些封闭不良钻孔将会增加矿井内的充水通道，从而引起含水层水甚至地表水、大气降水沿其涌入井下，采掘活动接近时，应采取有效防治水措施或留设防（隔）水煤柱，预防钻孔出水对矿井生产带来危害。
3 矿井充水状况
3.1 突水点概况
矿井发生突水79次。按最大突水量（Q）：Q≤60m3/h的突水11次、1
3.2 突水点特征
3.2.1 位置
①底板薄弱处：水压和矿压共同作用下，可破坏岩体原有应力平衡，当受巷道开拓或构造影响，导致隔水层变薄或揭露含水层时，常形成底板水进入矿井的通道。
②断层带附近、断层尖灭及交汇处：与断层有关的突水21次，其中断层尖灭或交汇处突水8次，占38.1%。断层本身已破坏了隔水层，其附近岩体破碎、隔水性差，再加上矿压和水压作用，常形成地下水的良好通道；断层尖灭和交汇附近，是地应力集中地带，在矿压、水压、地应力共同作用下，可使岩体破裂而导致突水。
③岩溶裂隙发育处：断层破碎带附近、褶曲轴部、标高+10～-10m和+45～+65m之间及静水位活动带，岩溶裂隙发育，是地下水充水点的主要位置。
3.2.2 水量
水量大小受充水水源控制，一般先小后大、随后趋于稳定或者减小；其次与所处位置有关，浅部砂砾石层水多受季节变化影响，深部则受补给含水层控制。
3.2.3 突水水源
①底板灰岩水是矿井充水主要水源：在79次突水中有55次为底板水，占69.6%，而最大水量大于600m3/h的15次，其中大于3000m3/h 2次。尽管L8灰岩自身富水性中等，但当有L2、O2灰岩水参与时，则会造成灾害性突水，如矿井的两次淹井事故。
②松散层孔隙水：1995年以前，矿井多在浅部开采，难免受孔隙水影响。据统计，有16次孔隙水进入矿井。水量一般≤180m3/h、最大702m3/h，给矿井生产带来一定影响。
③顶板水：顶板大占砂岩水水量较小，对矿井生产有一定影响。
3.3 突水通道
据分析，主要突水通道为采动裂隙和构造裂隙带。
①受煤层采动影响，在煤层上部和底板常形成大量采动裂隙，为煤层上部水、L8灰岩水进入矿井提供了良好通道。如砂砾石层水、基岩裂隙风化带水等多是沿顶板裂隙进入矿井，而L8灰岩岩溶裂隙水则多是沿底板扰动裂隙进入矿井。
②受构造影响，在断层附近或褶曲轴部常形成构造裂隙，严重破坏了地层完整性，是地下水、特别是O2灰岩岩溶水进入矿井的主要通道。本矿2次最大底板突水淹井事故，均是L2+O2灰岩岩溶水通过断层裂隙带进入矿井造成的。
③若以往施工钻孔封闭不良，常可构成地下水进入矿井的良好通道。
4 结论
通过对矿井水文地质特征的分析，矿井水文地质条件评价为极复杂。为此，矿井在生产中应始终坚持“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原则，落实“防、堵、疏、排、截”的综合治理措施，按规定留设各类防隔水煤（岩）柱，采取超前探测、底板含水层注浆改造与断层注浆加固、深部导水通道截流、进行采掘工作面水害评价等防治水措施，保证在极复杂水文地质条件下，使矿井具备防灾抗灾能力，实现矿井安全生产。
参考文献：
[1]河南焦煤能源有限公司演马庄矿.生产地质报告[R].2015.
[2]国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2016.
[3]国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定[M].北京：煤炭工业出版社，2009.
