梵王寺煤矿开采9号煤对神头泉域奥灰岩溶水影响评价
2018-12-05王宗明张振宇张海波
王宗明 张振宇 张海波
(中国煤炭地质总局第三水文地质队,河北 邯郸 056006)
1 概况
神头泉为山西省19大岩溶泉水之一,位于朔州市朔城区神头镇,泉域面积4756km2,泉群分布面积5km2,大小泉眼100余处,呈散状排泄,主要由神头泉组,司马泊泉组,河道泉组3个泉组组成。神头泉多年平均流量6.71m3/s(1956~2003),年际泉水流量不稳定系数为1.99,动态稳定。80年代以来,由于降水量等自然因素及人类活动的影响,泉水实际流量已由80年代前的7.96m3/s,减少为80年代后的5.52m3/s,2014年泉水实际流量仅为3.03m3/s[1-2]。
梵王寺煤矿位于朔州市西南部,处于朔南矿区内,隶属于朔州市朔城区管辖。井田面积64.13km2,设计生产规模6.0Mt/a,4号、9号煤层为主采煤层,矿井服务年限71.99年。井田位于泉域南部岩溶水埋藏型径流区,距泉域重点保护区南边界约26km。
2 奥灰含水层特征
梵王寺煤矿奥灰水单位涌水量0.0046~1.1281L/s·m,渗透系数 0.0051~6.8963m/d,富水性由弱到强。由奥陶系富水性及流场图(图1)可知,井田由西南向东北,富水性由强到弱。奥灰水水位标高为1051.42~1061.61m,总体流向由西南向东北径流,其水力坡度为0.14%左右,水力坡度较缓,最终排泄于神头泉域。
图1 奥灰水富水性及流场图
3 安全开采评价
3.1 底板隔水层特征
神头泉域奥陶系上马家沟组顶部多为灰色厚层微晶、泥晶石灰岩及砾屑石灰岩,奥陶系灰岩浅部岩溶孔隙多被充填,形成相对隔水层。通过钻探过程发现裂隙及岩溶发育的深度、消耗量突变深度、测井解释奥灰出水深度三方面来划分奥灰顶部相对隔水层的厚度(表1),综合分析奥水顶部相对隔水层发育厚度为9.68~55.45m。层厚度得出,由此可知,9号煤层底板隔水层厚度46.83~127.20m[3]。
表1 奥灰顶部相对隔水层厚度表(m)
3.2 安全开采评价
3.2.1 五图双系数
根据“三下”采煤规范底板采动破坏带深度的公式:
式中:
h-底板导水破坏深度,m;
L-开采工作面斜长,m;
H-开采深度,m;
a-开采煤层倾角,(°)。
计算得梵王寺煤矿底板破坏深度为15.39~18.28m。
9号煤层底板有效保护层厚度为28.59~91.95m。最后通过三级判别可知,9号煤层在北部和西部构造裂隙带部分存在奥灰水直通式突水的可能性大,其他区段非直通式突水的可能性大,见图2。
(1)相对安全区:9号煤层在评价区西部块段,突水系数小于0.06MPa/m,面积为10.44km2;
(2)相对危险区:9号煤层在评价区北部及东南部块段,突水系数在0.06~0.1MPa/m区间,面积为32.25km2;
(3)危险区:9号煤层在评价区北部及西部构造发育区,突水系数在0.06~0.1MPa/m区间,面积为4.80km2;在井田中西部,突水系数大于0.1MPa/m,面积为16.64km2,危险区面积为21.44km2。
图2 9号煤层底板奥灰水带压开采评价分区图
3.2.2 安全开采评价
五图双系数法不仅考虑了奥灰顶部相对隔水层的存在,增加了相应的奥灰水头压力,去除了煤层开采底板破坏深度内的隔水层厚度,更加接近煤矿开采实际,而且对突水可能性和危害性进行了综合评价,对奥灰水环境的评价更加合理。
由此可以看出,梵王寺煤矿9号煤层承受的奥水水压较大且突水危险性较大,在危险区开采后,若不进行防治水治理,将会对泉域岩溶水资源造成一定的影响,此区域为防治水重点防范区域。要做到安全回采,保护水环境,不仅要对底板构造进行探查研究,局部区段对底板进行注浆加固,还应建立应急预案[4]。
3.3 对补、径、排的影响
3.3.1 对神头泉域岩溶水补给的影响
神头泉域奥灰岩溶水的主要补给途径为大气降水的入渗补给和河流渗入补给,神头泉域灰岩裸露区均位于井田外围,泉域主要渗漏河流马营河和马关河距离井田较远。井田9号煤层开采时导水裂隙带发育高度为30.30~256.95m,上部二叠系地层平均厚度达340.2m,在井田西部煤层隐伏露头部位及主要断层处留设合理煤柱,则地表降水的渗入补给奥灰水的可能性较小。因此,梵王寺煤矿开采9号煤层,对神头泉域补给产生影响较小。
3.3.2 对神头泉域岩溶水径流的影响
梵王寺煤矿位于神头泉域深部埋藏径流区,补给区渗入地下后,沿层间构造裂隙系及其他空隙向向斜核部汇集,后沿向斜核部向朔县平原运移。井田中部、东部区域突水系数大于底板受构造破坏地段突水系数临界值0.060MPa/m。在这些区域,开采9号煤层时一旦发生奥灰水突水,将会造成新的奥灰岩溶水排泄点,对奥灰水的水力坡度产生较大影响,同时对神头泉域的径流条件产生较大影响。
3.3.3 对神头泉域岩溶水排泄的影响
梵王寺煤矿位于神头泉域径流区,若井田开采9号煤层时发生较严重的奥灰水突水事故,造成新的奥灰岩溶水排泄点,必将会对下游泉口排泄区泉水出流量产生一定的影响,突水形成的矿坑水排放对下游区水环境质量构成威胁,严重影响到泉域岩溶水资源的合理开发与配置利用[4]。
4 防治措施
(1)按照9号煤层突水危险性分区,确定合理的开采边界,危险区严禁开采。根据突水评价结果,在突水危险区内禁止开采9号煤层,在相对危险区内不采取措施禁止开采9号煤层。
(2)主要断层和构造发育地带留足隔水煤柱,对于断层发育导通奥灰水的区域留设保安煤柱或进行水泥灌浆,在主要构造和含水层的防隔水煤岩柱宽度为不小于20m。
(3)底板薄弱地带进行底板注浆加固,通过综合物探探测底板断层破碎带及隔水层的位置和分布,注浆加固的目的层主要为9号煤层底板下隔水层及局部奥灰顶部相对隔水层。
(4)建立岩溶水动态观测网。①在井田内、周围的构造复杂区及井田北部排泄区建立岩溶地下水动态观测网,定期采样监测,进行水位、水温、水质监测,定期整理研究,定期预报,发现问题及时研究,并及时采取措施,尽量减小煤炭开采对地下水的不利影响。②目前梵王寺煤矿北部有丰予煤矿、东部有麻家梁煤矿、南部有北辛窑煤矿等多个煤矿均位于神头泉域南部径流区,因此要定期收集、调查和核对相邻煤矿的情况,并在专门的图纸上标出其井田位置、开采范围、开采年限、水情况等,且要制定科学合理的综合开采方案[5]。
(5)封闭不良钻孔,以往施工进入奥灰地层的钻孔,若存在封闭不良钻孔,毕竟会成为导水通道。因此,对有透水威胁的钻孔进行启封或者留设防水煤柱。
(6)建立突水应急预案。神头泉域奥灰水具有水压大、富水性较好的特征,一旦突水会导致灾难性的后果,同时势必会破坏神头泉域奥灰水水环境。因此要做好突水应急预案,加强水文观测、做好信息预警等工作。
5 结语
梵王寺煤矿9号煤层开采对神头泉域奥灰水有一定的影响。开采9号煤层时应严格按照突水危险性分区开采,禁止对奥灰水采用疏水降压的方法进行采煤,在主要导水断层留设隔水煤柱,底板薄弱地段进行注浆加固,建立井田内外岩溶动态观测网,加强对底板奥灰水的防治,制定科学合理的开采方案,保证煤矿安全生产,同时减少对神头泉域水资源的影响,保护神头泉域水资源。