紫金煤矿奥陶系灰岩含水层水文地质条件浅析

姚言璞 李红飞

摘要：紫金煤矿15号煤层底板标高-120m～+580m，奥灰水位标高748.0m～752.0m，全井田15号煤层为奥灰水带压开采，奥灰含水层岩溶发育、富水性不均一，使得奥灰水对15号煤层开采影响较大，本文通过分析含水层富水性、水化学、隔水层特征，初步预测了矿井奥灰水突水量，提出了矿井防治水工作重点部位及其防治措施，對紫金煤矿15号煤层实现安全开采有重要意义。

关键词：带压开采；突水量；防治水

紫金煤矿位于榆次区城北20km乌金山镇东蒜峪一带，井田位于沁水煤田北部边缘的东山找煤区，地下水水文地质单元属山西娘子关泉域岩溶地下水系统西北部径流区，矿井今后开采15号煤层面临严重的奥灰水突水危险，因此，分析研究奥陶系岩溶水水文地质条件对矿井安全开采意义重大。

1.地质概况

该区位于山西地台的中部，发育有一系列北北东向断层，构成山间断裂带，与晋中新断陷接壤，对西北部低山区和东南部丘陵区之形成起控制作用，井田总体为走向东、倾向南的单斜构造。井田主要含水层有第四系松散孔隙含水层、二叠系碎屑岩裂隙含水层、石炭系碎屑岩夹碳酸盐岩岩溶裂隙含水层、奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层，其中15号煤层底板主要充水含水层为奥陶系碳酸盐岩含水层，是15号煤层开采面临的重要底板充水水源。

2.煤层底板含、隔水层特征

2.1底板含水层特征

2.1.1峰峰组碳酸盐岩含水层

该组岩性主要以石灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩、角砾状灰岩为主，厚度49.15m～100.0m，平均77.4m，含水层单位涌水量单位涌水量为0.0001 L/s？m ～0.0022 L/s？m，渗透系数为0.0114m/d～0.2519m/d，水位标高为+748.0m～+752.0m，含水层富水性弱。

地下水中阳离子主要为K++Na+、Ca2 +，含量分别为31.17mg/L～144.43mg/L，100.20mg/L～139.48mg/L，阴离子主要为SO42-，含量为264.66mg/L～470.05mg/L，矿化度769.86mg/L～ 772.86mg/L，水化学类型为SO4·HCO3-Ca型或SO4-Na·Ca型（表1、图1），沿地下水径流方向，矿化度逐渐增大，表现出西南部地下水交替较东北部要积极，径流条件逐渐变差。

2.1.2上马家沟碳酸盐岩含水层

该组岩性以石灰岩、花斑灰岩、泥质灰岩为主，局部夹方解石脉，含水层单位涌水量0.001 L/s？m ～0.2 L/s？m，渗透系数0.16m/d～7.46m/d，水位标高为638.0m～640.0m，含水层富水性弱-中等。

地下水中阳离子主要为K++Na+、Ca2+、Mg2+，阴离子主要为SO42-、HCO3-。其中，K++Na+含量16.86mg/L～118.89mg/L，Ca2+含量28.06mg/L～100.20mg/L，Mg2+含量14.59mg/L～ 34.05mg/L；SO42-含量192.22mg/L～255.19mg/L，HCO3-含量49.11mg/L～252.23mg/L。矿化度525.95mg/L～609.63mg/L，水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg型或SO4-Na型（表2、图2），由于该组含水层接受井田外西北部奥陶系灰岩裸露区的侧向补给，地下水径流条件较峰峰组要好一些。

2.2煤层底板隔水层特征

隔水层主要为本溪组泥岩、砂质泥岩、铝质泥岩，峰峰组顶部泥灰岩组成，该层裂隙一般不发育，透水性差，隔水性能良好，厚度46.9m～86.94m，平均厚度62.82m，井田内东部隔水层厚度较大，向西厚度逐步递减。

3.构造富导水性

断层、陷落柱是底板奥灰水向矿井充水的重要通道，井田先期开采地段构造较发育，现阶段为发现有构造导水的现象，今后要加强对构造探查研究工作。

4.峰峰组与上马家沟组含水层水力联系

峰峰组底板普遍存在一层岩性为泥质灰岩，厚度为5.0m～47.8m的弱透水层，阻隔峰峰组与上马家沟组含水层水力联系，使之成为两个相对独立的含水系统，这点从地下水化学、水位可以得到证实，据此可说明二者之间在正常地段不存在水力联系。

5.突水危险性评价及突水量预测

5.1突水危险性评价

15煤底板奥灰水突水系数为0.036MPa/m～0.072MPa/m，井田内带压系数总体由西北向东南逐渐增大，小于正常地段突水系数临界值0.1MPa/m，因此在正常地段发生突水可能性很小，在构造地段仍存在突水危险（表3、图3）。

5.2突水量预测

运用地下水动力学理论，采用承压完整井计算公式，预测奥灰水突水量，预测公式为：

经估算，15号煤层底板峰峰组含水层水水突水量为222m3/h，上马家沟组含水层突水量为559m3/h。需要注意的是承压水完整井预测矿井涌水量有一定局限性，其是建立在地下含水层是均质、各向同性、等厚、水平的，且地下水为层流稳定状态。

6.奥陶系灰岩水水害分析及防治措施

井田15号煤层开采底板水害为奥陶系灰岩水，断层、陷落柱为发生突水的重要通道，峰峰组含水层整体富水性较弱，矿井即使发生突水，突水量较小，矿井排水系统完善，不至于造成灾害性。上马家沟组含水层局部富水性较好，有较好的补给条件，一旦发生突水，可渊源不断向矿井充水，对矿井危害性较大，因此煤层底板水防治措施重点要防在防治构造导水，其次为构造薄弱带。对于构造可通过物探、钻探探查其富导水性，进而通过注浆封堵可达到治理效果，对于构造薄弱带可通过底板注浆加固改造隔水层抗压能力达到防治目的。

7.结论

井田15煤底板突水水源为奥陶系灰岩含水层，煤层底板隔水层厚度较大，正常地段发生突水几率较小，在构造地段发生突水可能性较大，可通过对构造注浆封堵或底板薄弱带注浆加固等措施实现带压安全开采。