红石岩煤矿水文地质特征及矿井充水因素分析

2018-11-19张冬冬

陕西煤炭 2018年6期

关键词：导水井田涌水量

张冬冬，穆驰

(陕西省土地工程建设集团，陕西西安 710075)

0 引言

红石岩煤矿是黄陵矿区骨干矿井之一，随着矿井开采面不断扩大和开采程度的不断加深，矿井水文条件对煤矿正常生产影响越来越大。分析矿井水文地质条件，预测矿井涌水量变化趋势，可对红石岩煤矿的防水工作和安全开采提供参考。

1 矿区概况

红石岩煤矿地处黄陵县店头镇南川河西岸的曹家峪村，行政区划属陕西省延安市黄陵县店头镇管辖。红石岩井田地处陕北黄土高原南部的低中山丘陵地带，全井田整体呈西北高、东南低之态势[1-2]，最高点位于井田西部南吴庄附近，标高+1 305.7 m，最低点位于井田东部西房沟沟口附近，标高+927.6 m，相对高差378.1 m。井田内有曹家峪沟、秋林子沟、西房沟等3条近东西向冲沟，均有溪水由西向东流出并注入南川河，常年不断，但流量甚微，随季节而变化[3]。井田面积约19.9 km2。

2 地质概况

2.1 地层

井田内地表绝大部分被第四系松散沉积物及植被所覆盖，基岩在沟谷内均有不同程度的发育。上部以灰黑色泥岩、粉砂岩为主，一般厚30 m左右，井田南部含1-1煤(相当于矿区的0#煤)，厚0～0.5 m。中部为灰黑色粉砂岩、灰白色细砂岩，含有植物化石，一般厚15 m。向井田东北部相变为灰白色中粒砂岩，其上含1-2煤(相当于矿区的1#煤)厚0.65～0.7 m。下部为灰黑色泥岩、砂质泥岩、煤层，一般厚10 m左右。2#煤为本区主要可采煤层，厚0.02～6.22 m，一般2.84 m。底部砂质泥岩含植物根化石或鲕状结核，为煤层底板。与三叠系地层呈假整合接触[4]。

2.2 构造

红石岩井田基本构造形态为走向北东、倾向北西的平缓单斜构造，地层倾角1°～5°。井田内发育一系列北东和北西向褶曲构造，目前尚未发现断裂构造存在。北东向褶曲规模较大，密度较小，两翼宽缓，多表现为井田一级褶曲，控制着井田的基本走向；北西向褶曲规模较小，密度较大，多表现为次级褶曲。从平面分布情况看，井田东南部北西向褶曲密集、幅度较大；井田西北部褶皱稀少[5]。

2.3 煤层

红石岩煤矿的赋存煤层呈西南厚、东北薄的规律。延安组地层为本区的含煤地层，共含煤3层，自上而下分别为1-1煤、1-2煤、2#煤。根据煤层厚度和稳定性等综合指标划分，2#煤层为区内主采煤层，其它煤层为不可采煤层。2#煤层位于延安组下部，为井田内主要可采煤层，地表出露于白石村至西房沟及车村一带。大部可采，可采厚度0.7～5.77 m，平均2.53 m，为中厚煤层，其厚度变化大致为向斜部分厚，背斜部分薄，厚度总体呈南厚北薄的规律[6]。2#煤层埋深一般在240 m左右，最大埋深330.67 m，最小埋深24.65 m。井田西部埋深较大，埋深一般大于200 m，西部埋深南深北浅。煤矿东部埋深都小于200 m，东部南浅北深。

3 区域水文地质条件

3.1 矿区水文地质单元划分

黄陵矿区地处陕北黄土高原南部的低山丘陵地带。区内山峦起伏，沟壑纵横，地形复杂，相对高差几十米至二三百米不等。由于第四纪以来间歇性上升较为显著，不利于黄土堆积，而形成黄土高原中的孤岛状石质低山丘陵，缺少连续的黄土覆盖，仅在平缓的山坡和谷地有黄土零星分布，厚5～20 m不等。区内植被发育，壮年期溯源侵蚀作用明显，现代侵蚀比较轻微[7]。岩体相对完整，坡体稳定性较好。黄陵矿区北侧为洛河水系二级支流葫芦河，黄陵矿区地形地貌与地表水系分布如图1所示，南侧为泾河水系二级支流三水河，洛河二级支流沮河横穿矿区中部。

图1 黄陵矿区地形地貌与地表水系分布图

3.2 矿井主要含水层组

全新统冲、洪积层孔隙潜水含水层：主要分布于沮水河谷一级阶地与河床地带，厚0～8.87 m，岩性为冲积亚砂土、亚粘土、细砂、砂粒石层。砾石分选性差，粒径一般2～8 cm，大者可达20 cm，水位埋深1～2 m。该层属中等富水的孔隙潜水含水层。

上、中更新统黄土裂隙孔隙含水层：该层主要分布于山梁坡地，厚度0～77.90 m，岩性由灰黄色、棕黄色亚砂土、亚粘土组成。中下部含钙质结核层，同时夹数层棕红色亚粘土、粘土层与古土壤层，大孔结构，垂直裂隙发育，立壁性能好，地表形成许多黄土梁、黄土桥、黄土悬谷等黄土地貌景观。

白垩系下统华池组裂隙含水层：该层分布于梁峁地带，厚0～274.81 m，岩性上部以粉砂岩为主，中夹泥岩与砂质泥岩，下部以细砂岩为主，夹泥岩、粉砂岩。砂岩钙质胶结，质脆。该层细砂岩裂隙发育，但很少切穿泥岩，裂隙中部分被石膏充填。该层泉点甚多，流量0.014～0.2 L/s。

白垩系下统洛河组砂岩裂隙孔隙含水层：该层基本全区分布，厚0～276.94 m。岩性以棕红色、砖红色中粒砂岩为主，中夹泥岩、粉砂岩层。分选性好，次棱角状，接触式泥钙质胶结，松散，收敛型板状交错层理发育，风化成粉、细砂。该层泉水甚多，流量0.015～1.296 L/s。

侏罗系中统直罗组下段含水层：该层全区分布，厚度43.23～91.80 m，一般厚度60 m左右。岩性顶部灰绿色、灰色泥岩、粉砂岩，中、下部以灰白色中、粗粒砂岩为主，底部为细砾岩或含砾粗砂岩，该层俗称“直罗砂岩”。

3.3 矿井主要隔水层组

侏罗系中统直罗组上段相对隔水层：该层全区分布，厚度33.36～154.18 m，岩性上部浅蓝、紫灰色、杂色泥岩、粉砂岩，夹细砂岩条带，下部中粒砂岩与粉砂岩、泥岩互层，底部粗砂岩到细砾岩，分选性差，接触-空隙式泥铁质胶结。该层厚度大，分布稳定，岩性以泥岩、粉砂岩为主，富水性极弱，可作为上、下含水层的相对隔水层。

侏罗系中统延安组上部相对隔水层：该层全区分布。厚度3.33～102.83 m，岩性以深灰色、灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩为主，夹细砂岩，厚度由南向北加厚。简易水文观测未发现异常现象，证实该层含水十分微弱或不含水。该层厚度大，分布稳定，是直罗组下段与煤系含水层的稳定隔水层。

侏罗系中统延安组下部与富县组相对隔水层：延安组下部为2#煤底板以下延安组地层，延安组下部厚度0.40～26.70 m，一般厚度3 m左右。该层岩性主要由泥岩、砂质泥岩组成。富县组厚度0～40.70 m，南部缺失，北部加厚，岩性由杂色泥岩、粉砂岩组成，具滑面。该层富水性极弱，可作为相对隔水层。

4 矿井充水条件分析

4.1 充水水源分析

大气降水：大气降水是地下水及地表水的补给来源，因此，矿床充水都直接或间接与大气降水有关。据延安地区大气降水资料显示，降雨多集中在6～9月份。通过分析矿井涌水量与延安地区大气降水之间的关系曲线，如图2所示。矿井涌水量与降雨量的变化趋势一致，大气降水可能会通过导水裂隙、废弃老窑巷道等直接涌入井下，成为矿井的直接充水水源[8]。另外，本区内各含水层在井田及其周边均有不同程度的出露，大气降水可通过补给含水层而成为矿井充水的间接水源。

图2 矿井涌水量与降水量相关曲线

地表水：井田及其周边地表水主要有秋林子沟、曹家峪沟、西房沟、沮水河和南川河。“三沟”内均有溪水流出，常年不断，但流量甚微，随季节变化而变化。“两河”河水流量受季节性降水的影响较大，枯水季节与丰水季节流量变化悬殊[9-11]。

井田水：井田内地质构造较简单，主釆煤层的直接充水含水层为上覆砂岩含水层，富水性弱-中等，地下水补给条件一般。而矿井水文地质变化规律依地层岩性组成而定，本区地层岩性以中生代的粗、细粒砂岩与粉砂岩、泥岩相间的碎屑岩类组成。区内地下水可分为2种类型，即第四系松散层孔隙裂隙潜水和基岩裂隙孔隙层间水。

4.2 充水通道分析

目前红石岩煤矿开采显现的导水通道主要有煤层采动裂隙、废弃小窑采空区及井筒，其次为含水层空隙(包括孔隙和裂隙)。潜在导水通道主要是封闭不良钻孔。

采动裂隙：根据《煤矿防治水规定》及本区煤层顶板岩层的工程地质特征[12]，2#煤层开采后，其开采冒落带、采动导水裂隙带最大高度按坚硬类岩石的经验公式计算，即

(1)

(2)

式中：Hm—冒落带最大高度，m；HLi—导水裂隙带最大高度，m；∑M—累计采厚，m。依据红石岩煤矿目前的采煤方法，采煤最大高度按3.5 m计算。根据矿井地质资料，2#煤层的开采冒落带发育高度在5.43～17.49 m之间，平均13.49 m；采动导水裂隙带发育高度在31.21～66.12 m之间，平均55.07 m。其余导水裂隙带几乎全部发育至直罗组砂岩含水层，未导通至洛河砂岩含水层。

废弃小窑采空区及井筒：红石岩井田及其周边存在众多废弃小窑，并与浅部二、七采区采空区相互贯通。主、副井筒也有较大范围位于小窑破坏区内，岩体破坏严重。因此，一旦雨季来临，地表水体水位上涨，地表水可能会沿着采空区或主、副井筒涌入井下，成为矿井的直接充水通道。另外，秋林子灾害治理区采煤坑遗留残坑，曹家峪灾害治理区露天采煤坑，均未及时回填夯实，雨季时可能成为矿井涌水的直接导水通道[13-14]。

含水层空隙及裂隙：各含水层中均不同程度地发育有孔隙和裂隙，它们是保持含水层内水力联系的通道，当采矿揭穿含水层时，这些孔隙和裂隙也必然成为地下水向矿坑充水的直接通道[15]。

4.3 充水强度分析

矿井充水强度主要决定于地质构造以及煤层顶板以上含水层的富水性、厚度及导水裂隙沟通各含水层的程度、采煤方式、开采强度和大气降水特征等因素[16]。

根据矿井涌水量与煤炭产量、采空面积分析，如图3、4所示，矿井涌水量与煤炭产量变化趋势一致，而与月采空面积和累计采空面积关系不大。而在雨季，由于受大气降水和地表水体的影响，矿井涌水量明显加大。由此可知，矿井涌水量的多少是由大气降水、地表水体和煤炭产量共同作用的结果。矿井在未来开采过程当中，随着煤炭产量的加大，破坏区面积的增大，导水裂隙带高度的增大，矿井涌水量会进一步增加，矿井充水强度也必然会增大。