高家堡煤矿洛河组含水层水文地质特征及水害防治

任邓君,蔺成森,霍 超,马家辉,许南南

(1.陕西正通煤业有限责任公司,陕西 咸阳 713600;2.长安大学 水利与环境学院,陕西 西安 710054)

0 引言

矿井水害是诱发矿井安全事故的主要根源,是制约矿山安全高效开采的重要灾害之一。近年来,随着我国政府部门对矿山安全事故的高度重视以及国家政策法规的不断完善,矿井水害发生的次数及规模逐渐得到有效控制[1-4]。

彬长矿区作为我国原煤生产的重要基地,其普遍分布的巨厚砂岩含水层对煤层安全开采造成严重威胁。国内学者已对该区域矿井水害问题展开了深入的研究。肖乐乐等[5]通过水文地球化学方法研究了彬长矿区地下水化学特征,建立了PAC-fisher水源判别模型进行各突(涌)水点水源识别;高虎[6]针对孟村煤矿4号煤层上覆洛河组巨厚砂岩含水层威胁,制定了厚煤层综放工作面“走向‘波浪式’+倾向‘倒V式’+架后留疏水通道”控水工艺;武谋达[7]总结了彬长矿区复合煤层联合开采工作面涌水特征,认为洛河组是煤层开采的直接或间接充水含水层;李超峰等[8-9]采用水文地质钻探、抽放水试验、水化学测试等方法查明了彬长矿区水文地质特征,指出洛河组含水层垂向具有明显差异性;盛奉天等[10]采用数据分析方法研究了矿区工作面综放开采导水裂隙带高度,利用数值模拟和现场实测对回归公式进行验证;张彪[11]在研究彬长矿区水位地质条件的基础上,提出了顶板预注浆封堵、高渗径流通道封堵、帷幕注浆、矿井水回灌等一系列厚层顶板水减水体系。

众多学者针对彬长矿区水害防治问题进行了大量研究并取得了一定成果,但高家堡矿井作为彬长矿区的一部分,对于其小范围内的水文地质特征及水害防治对策研究较少。本文采用水文地质钻探、抽水试验及水化学分析等方法研究了矿井白垩系含水层水文地质特征,评价矿井水害威胁,提出水害防治对策,为后期煤层安全高效开采提供理论依据。

1 工程概况

高家堡井田位于陕西彬长矿区西北部,行政区划隶属陕西省咸阳市长武县。井田东西长约25.7 km,南北宽约16.6 km,矿区面积219.168 1 km2,井田共有煤炭资源量978.278 3 Mt,矿井设计生产能力5.0 Mt/a,服务年限62.5 a。矿井采用竖井开拓,单水平开采,主采煤层为4号煤层。4号煤层为特厚煤层,资源储量909.696 5 Mt,煤层大部可采,结构简单。

高家堡煤矿为高瓦斯矿井,各可采煤层均易自燃,顶板水害威胁较大。主要含水层为延安组顶板砂岩含水层、直罗组砂岩裂隙承压含水层以及白垩系洛河组砂岩孔隙-裂隙承压含水层;主要隔水层为第三系红土隔水层、华池组和安定组泥岩隔水层。4号煤层顶底板地层特征见表1。

表1 高家堡井田4号煤层顶底板地层特征

2 涌水特征

2.1 导水裂隙带

采用地面钻探法实测了高家堡煤矿101、204、205工作面煤层顶板导水裂隙带发育高度,实测成果见表2。根据实测结果,101工作面回采至165 m综放煤层采高控制之前导水裂隙带发育最高为173.00 m,裂采比为23.07;停采线附近导水裂隙带发育高度最大为88.03 m,裂采比为20.23。204工作面DT2钻孔位置煤层顶板导水裂隙带发育高度为197.85 m,裂采比为35.33;205工作面DT1钻孔位置煤层顶板导水裂隙带发育高度为327.75 m,裂采比为25.81。

表2 导水裂隙带高度实测成果

采用实测裂采比对导水裂隙带高度进行预测,预测导水裂隙带发育高度为92.03～277.13 m,平均181.95 m,如图1所示。

图1 高家堡煤矿导水裂隙带发育高度等值线

2.2 导水裂隙带波及含水层

根据导水裂隙带实测发育高度和预测结果可知,导水裂隙带已经波及到白垩系含水层,将成为沟通白垩系含水层与采煤工作面之间的涌水通道,突水危险性较大。

预测导水裂隙带高度波及洛河组含水层厚度为0～166.21 m,平均86.42 m,如图2所示。根据预测导水裂隙带高度波及洛河组含水层厚度结果,高家堡井田在开采4号煤层时导水裂隙带基本发育至洛河组含水层。然而,洛河组含水层整体为富水性弱-中等的巨厚砂岩裂隙含水层,具有一定的静储量,若导水裂隙带沟通洛河组后将造成含水层水进入采动空间,增加矿井涌水量,危险性较大。因此,深入探查洛河组含水层的水文地质特征尤为重要。

图2 高家堡煤矿导水裂隙带高度波及洛河组厚度等值线

3 洛河组含水层水文地质特征

3.1 岩性特征

白垩系洛河组含水层较厚,一般为318.00～509.93 m,平均厚度400.35 m,自西南向东北总体呈逐渐变厚的趋势。钻孔揭露洛河组地层主要岩性有细粒砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩以及泥质岩类,砾岩分布相对较少,如图3所示。其中,砂岩在洛河组地层厚度中占比80%以上,是洛河组的主要岩性组成;泥质岩类平均厚度66.54 m,占整个洛河组厚度的16.3%,在洛河组地层中较普遍发育;砾岩发育相对较少,地层厚度占比不足1%。

图3 不同岩性平均厚度所占百分比

3.2 富水特征

含水层富水特性是表征地下水含量的重要参数。洛河组含水层厚度较大,结合钻孔岩性和富水性指数等认为洛河组可以按“二分法”将其划分为上下段。通过单孔抽水试验评价含水层富水特性,结果见表3。由表3可知,洛河组下段与上段水文地质参数差异较明显。洛河组下段渗透系数为0.027～0.049 m/d,单位涌水量为0.013～0.084 3 L/(s·m);而洛河组上段渗透系数为0.920～1.552 m/d,单位涌水量为1.305～2.248 13 L/(s·m)。因此,洛河组上段富水性强,下段富水性弱,富水性差异明显。

表3 洛河组及其不同层段水文地质参数

3.3 水力联系

3.3.1 洛河组上段同层水力联系

洛河组上段同层之间水力联系判定主要通过在上段进行群孔抽水试验实现。在对洛河组上段进行抽水试验时同步观测洛河组上段水位变化,群孔抽水试验成果和水位变化趋势分别见表4、图4。可以看出,在对T1孔洛河组上段进行抽水试验时,最大抽水量为22.453 L/s,最大水位降深为9.24 m,同步观测T2孔洛河组上段相应水位降深分别为3.78 m、3.42 m和2.85 m。当T1孔停止抽水30 min后T2孔水位已恢复0.31 m,T2孔洛河组上段地下水水位随T1孔抽水同步变化趋势较明显。在对T2孔洛河组上段进行抽水试验时,最大抽水量15.140 L/s,最大水位降深为10.28 m,观测T1孔洛河组上段相应水位降深分别为3.79 m、3.45 m和2.62 m,T1孔洛河组上段地下水水位随T2孔抽水同步变化趋势亦较明显。因此,综合分析认为T1、T2孔洛河组上段同层之间水力联系较密切。

夜里她一直在书房看稿子。厚厚一摞打印稿，她需要在睡觉以前看完。天气闷热，大雨倾盆，念蓉起身，去阳台关好窗子。楚墨还没有回来，两个小时以前她给楚墨打电话，楚墨说他正在与朋友吃饭。电话里声音嘈杂，隔着电话念蓉也能闻到浓重的酒精气味。念蓉问他：“要不要我过去帮你把车开回来？”楚墨大着舌头说：“我不开车，我飞回去。”

图4 同层段群孔抽水试验水位变化趋势

表4 同层段群孔抽水试验成果表

3.3.2 洛河组上下段水力联系

洛河组上下段之间水力联系判定同样通过不同层段群孔抽水试验实现。在对洛河组上下段进行抽水时同步观测相应水位变化,群孔抽水试验成果分别见表5、图5。可以看出,在对T1孔洛河组下段进行抽水试验时,最大抽水量为0.610 L/s,最大水位降深为57.26 m,同步观测T2孔洛河组上段水位变化。水位恢复阶段,T2孔洛河组上段水位与T1孔洛河组下段水位虽然具有相似的上升趋势,但总体来看两者同步性不强。在对T2孔洛河组上段进行抽水试验时,最大抽水量为15.140 L/s,最大水位降深为11.05 m,同步观测T1孔洛河组下段水位变化。T1孔洛河组下段水位大体表现出随T2孔洛河组上段抽水、水位恢复等分别出现下降和上升趋势,但同步性较弱。洛河组上段与下段群孔抽水试验期间,无论洛河组下段抽水还是上段抽水,观测孔大体出现与抽水孔相应地下降或上升,但没有出现与洛河组上段同层之间相类似明显的3次降深及恢复水位趋势,同步性较弱。因此,综合分析认为洛河组上段与下段含水层之间存在水力联系,但水力联系微弱。

图5 不同层段群孔抽水试验水位变化趋势

表5 不同层段群孔抽水试验成果

3.4 水化学特征

为查明白垩系洛河组含水层与其他含水层之间的水化学特征,分别取华池组、洛河组不同层段、延安组及其与直罗组混合水样进行全分析检测,各水源水质全分析测试结果见表6和如图6所示。

图6 水化学Piper三线图

表6 水化学特征对比一览表

4 矿井水害防治

4.1 矿井水害威胁评价

高家堡矿井主要水害威胁来自白垩系洛河组含水层和侏罗系直罗组、延安组含水层顶板水。侏罗系直罗组、延安组含水层厚度较小,首采区直罗组平均厚度21.46 m,延安组平均厚度44.11 m,且涌水量和渗透系数相对较小,均为弱富水性,地下水径流条件较差,接受侧向补给水量相对有限。虽然距离煤层较近,但在巷道掘进和工作面回采过程中可以逐步进行预疏放和自然疏放。总体来看,除了局部地段可能存在相对富水异常区之外,侏罗系直罗组和延安组含水层对煤层回采影响较小。

洛河组下段含水层厚度较小,单位涌水量为0.013～0.084 3 L/(s·m),富水性较弱,地下水静储量较少,渗透系数为0.027～0.049 m/d,地下水径流相对滞缓,接受补给条件较差。同时,洛河组下段与上段之间水力联系微弱,接受上段和侧向地下水补给水量相对有限,对煤层回采虽有一定影响,但总体可以通过预疏放和自然疏放等方法减小水害发生概率。

4.2 矿井水害防治对策

4.2.1 防治原则

高家堡井田导水裂隙带已经波及洛河组含水层。因此,4号煤层顶板洛河组含水层是对煤层回采安全构成威胁的主要充水含水层,在巷道掘进和工作面回采过程中需要针对性地开展防治水工作。矿井防治水工作应坚持“积极主动、预防为主、超前治理”的指导方针,坚持洛河组上段水以防为主,洛河组下段和侏罗系水以预疏放和自然疏放为主的工作思路[13-14]。

4.2.2 坚持物探与钻探相结合

顶板洛河组上段含水层构成煤层回采的主要水害威胁,为保证矿井煤层回采安全,巷道掘进应坚持超前钻探。工作面回采前应进行富水异常区和构造异常区物探探查,发现异常后应在可疑地段布置钻孔进行钻探验证。

4.2.3 提前疏放

侏罗系含水层距离煤层较近,洛河组下段含水层富水性弱,静储量相对有限,且与洛河组上段含水层水力联系微弱。在巷道掘进和工作面回采时应提前施工钻孔,并结合巷道掘进和工作面开拓对侏罗系顶板、白垩系洛河组下段含水层进行预疏放。

4.2.4 完善排水系统

完善矿井及工作面排水系统,确保工作面回采不受井下涌水和积水影响。同时,建立完善矿井抗灾排水系统,使矿井具有一定的防灾抗灾能力。

5 结论

(1)通过地面钻探法实测了高家堡井田导水裂隙带高度为88.03～327.75 m,采用实测裂采比预测的导水裂隙带高度为92.03～277.13 m,导水裂隙带已经波及到白垩系洛河组含水层。

(2)采用水文地质钻探、抽水试验及水化学分析等方法从岩性特征、富水特性、水力联系以及水化学特征方面分析总结了矿区白垩系含水层水文地质特征。

(3)高家堡井田4号煤层安全开采受顶板洛河组含水层水害威胁较大,洛河组上段水应坚持以防为主,洛河组下段和侏罗系顶板水则以预疏放和自然疏放为主。