沁水煤田15#煤层带压开采奥陶系峰峰组隔水性技术研究

陈晋强

（晋城煤业集团成庄矿地测科，山西 晋城 048021）

1 水文地质条件概况

成庄矿位于沁水煤田南翼控制区域，矿井核定生产能力8.3Mt/a，主采3#、9#和15#煤层。矿井水文地质类型为中等，开采面临的水患主要来自底板奥灰岩溶含水层的突水威胁，主要原因是奥陶系灰岩顶板与下组煤15#煤层底板间距很小，局部甚至小于20m，在带压区要安全开采15#煤，其上部分布的不稳定本溪组地层很难形成有效的隔水层。

2 水文地质研究背景

成庄矿位于华北断块中的吕梁-太行断块沁水块坳东部次级构造单元沾尚-武乡-阳城北北东向褶皱带南段，面积为74.3km2。井田内地质构造类型为简单，为一走向NNE或近SN，倾向NW的单斜，倾角3～12°，平均在8°以内，自东向西依次出露奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系地层。成庄矿属延河泉域，对15#煤开采影响明显的含水层为奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层、石炭系上统太原组石灰岩岩溶裂隙含水层组，主要的隔水层为石炭系上统太原组底部及中统本溪组泥岩、铝质泥岩隔水层，隔水层厚度变化较大，一般为20～30m区间。

华北煤田煤矿水害防治中一般将奥陶系灰岩当做主要含水层，随煤层埋深增加，奥灰水水压增加，突水危险性越大，大量的下组煤开采风险增加。

3 下组煤开采底板有效隔水层构成及隔水性能

3.1 主采煤层垂向分布地层特征

下组煤开采的关键是确定其底板有效隔水层厚度及其带压阻隔水能力。依据矿井地质钻孔（揭露奥灰中统峰峰组）柱状资料，3#煤层下部含水层厚度统计如图1所示。图中显示成庄煤矿3#煤层的平均厚度为6.10m，其到奥陶系灰岩的平均距离为117.77m，下部15#煤层厚度为3.68m，距离奥陶系灰岩的距离为23.42m，15#煤层距离上部9#煤层的距离为48.75m。从煤层垂向分析特征看，正常情况下奥陶系灰岩并不会影响3#煤层的采掘，但是对15#煤层的影响较大，因此15#煤层下部的本溪组硅铝质泥岩的厚度及奥陶系上部峰峰组含水性能直接决定了15#煤层的安全开采。

3.2 奥陶系含水层水化学特征分析

峰峰组水样的矿化度变化较大，一般为0.78～5.55g/l之间，说明本区峰峰组含水层水的循环条件差别很大，如SWY1孔的矿化度高达5.55g/l，阳离子主要以Na+和Ca2+为主，含量分别在21.94～769.35mg/l，10.20～1574mg/l之间；阴离子以SO42-为主，含量在104.55～2593.08mg/l之间。Cl-含量为39.49～3150.09mg/l，SWY1孔的Cl-含量很高，而SC2孔和GZ孔的HCO3-含量为零。峰峰组水样的水化学类型比较复杂，SWY2、SWY3、SC3、SW2以SO4-Ca•Mg型水为主，与其他孔的水型不同，如SC2和SC3孔水样的水化学类型为SO4•Cl-Na型，SW1孔水样的水化学类型为HCO3-Na型。说明峰峰组薄层状泥质灰岩和岩溶溶孔中大量粘土的存在使峰峰组灰岩中的水交替滞缓，会发生强烈的离子交换作用。

图1 主采煤层与奥灰含水层垂向分布特征

峰峰组与峰峰组和上马家沟组混合水的矿化度的对比结果中，发现不同钻孔中的矿化度出现两种情况：一是明显减小，如SWY1、SW2、GZ孔；二是显著增大，如SWY3、SW1、SWY2和SC2孔，不同层位中水中矿化度的变化反映出峰峰组含水层水质与上马家沟组含水层在矿化度上具有一定的差异性，论证了两层水存在较少的水力联系。

对采集各水样点水化学类型进行绘制Piper三线图，结果如图2所示。除了SW2孔两个层位水样的水质差别较小，其他孔的两个层位的水质差别较大。可以分为两类：一是具有明显差异特征，如SC2、SC3、GZ和SW1孔，其在菱形图中所在位置明显不同；二是整体相同局部存在差异，如SWY1、SWY2和SWY3孔，虽然水样点在Piper三线图中大体相似，但在其所处的局部仍有所不同，如SWY1、SWY2孔峰峰组水样中Ca2+、Mg2+在阳离子中所占比重大于峰峰组+上马家沟组水样，而K++Na+比重则小于上马家沟组。

奥灰峰峰组和上马家沟组两个层位之间的水力联系比较弱，没有明显的互相补给关系。峰峰组含水层的矿化度变化很大，峰峰组在井田内属于奥灰水的相对滞留区，没有大的岩溶通道使各抽水孔发生水力联系，峰峰组地层具有一定的隔水性能。

3.3 奥陶系峰峰组隔水性能技术分析

一定厚度的隔水层可以阻隔含水层之间的水力联系，隔离底板含水层的突水通道。依据地质钻孔资料绘制15#煤与奥灰峰峰组顶面间隔厚度等值线，东区15#煤至奥灰峰峰组顶面厚度（主要是本溪组厚度）在8～46m之间，最薄处位于东区西北部为8～12m左右，中部厚度在12～24m之间，在东北部方向厚度由12m逐渐增加到46m左右。在西南部厚度由12m逐渐增加到46m左右。15#煤底板至奥灰峰峰组顶面厚度大部分区域在24m以下。

图2 水化学Piper三线图

对奥灰峰峰组做抽水试验结果发现，峰峰组厚度在83.13～99.62m之间，最大单位涌水量仅为0.000244L/s.m，岩溶裂隙相对不发育，确定峰峰组为弱富水性含水层。因此，对15#煤开采底板有效隔水层的判断不能仅仅依靠15#煤底板至奥灰峰峰组之间的厚度，而应考虑峰峰组本身的隔水性，本文将其称之为有效相对隔水层厚度。从揭露峰峰组的钻孔看井田内峰峰组相对隔水层厚度为57.2～130.09m 之间。

奥陶系峰峰组有效相对隔水层厚度计算结果如图3所示，15#煤开采底板有效隔水层厚度在24～62m之间。成庄矿15#煤开采底板有效隔水层厚度在24m以上，有效相对隔水层的存在对带压区内15#煤层开采时奥灰岩溶水底板突水将起到关键性隔离和制约作用。

图3 15#煤开采底板有效隔水层等厚线图

4 结语

通过对15#煤层与奥陶系灰岩的垂向分布关系分析、奥陶系峰峰组与上马家沟组之间的水化学特征对比及奥陶系峰峰组隔水性能分析，论证了奥陶系峰峰组地层的有效隔水性能，可将奥陶系峰峰组上部地层作为15#煤层开采时的有效隔水层。

（1）根据奥陶系峰峰组水化学检测结果中水质矿化度的变化情况，确定其具有较为复杂的水化学类型。对比奥陶系峰峰组和上马家沟组的水化学特征分析发现，上下两个含水层之间的水化学特征并不一致，二者并不存在明显的水力联系，峰峰组地层具有一定的隔水性能；

（2）依据峰峰组弱含水性的水文特征来确定相对隔水层的厚度，论证了15#煤层开采时的有效隔水厚度应为煤层底板至奥灰峰峰组之间的厚度加上峰峰组本身厚度，隔水层厚度为24～62m，在15#煤层开采时能够有效起到隔水的根本目的。

（3）峰峰组有效相对隔水层的存在和量化确定，确定和相对增加了15#煤层底板有效隔水层的厚度值，降低了矿井带压区突水系数的计算数值，对矿井奥灰岩溶带压区的危险区的划分和圈定提供了科学的技术支撑，有效地增加了矿井安全区（可采区）的开采范围。