郭家河煤礦水文地質特征及礦井涌水量預測

楊國棟

(陜西郭家河煤業有限責任公司,陜西 寶雞 721505)

礦井水文地質工作在煤礦生產過程中是一項基礎水文地質工作[1-5]。郭家河煤礦位于黃隴煤田永隴礦區,工作面采煤受到煤層頂板離層涌水影響,透水事故時有發生。自2000年以來,礦區在各勘探及階段施工了大量的探煤鉆孔,查明了井田煤系地層賦存及構造形態,以水文地質調查、井上下綜合物化鉆勘測試驗、抽放水實驗等多種方法對礦井的水文地質條件有了初步認識,指導了礦區內多對礦井建設生產?？碧诫A段的工作多圍繞探煤任務開展,專門的水文地質工作相對較少。

近年來,郭家河煤礦頂板離層涌水規律發生了變化。自2011年以來,完成1301—1309共9個工作面回采。1301—1307工作面回采期間,工作面涌水主要以偶發頂板離層涌水水害為主;自1309工作面開始,工作面涌水次數有所增加。礦區開展全面防治水技術工作,不斷加大防治水投入力度,實施了一系列頂板離層水害致災與主動防控技術研究,形成了以“研企、企企、校企”為基礎的科研合作平臺,以地面大口徑抽排為主導的“抽、探、疏、排、監、管、截”核心頂板離層水防治思路。通過現場實踐應用,1309工作面已經安全回采結束;1310工作面防治水工作有序開展,累計安全回采163 d(累計回采445.8 m),安全通過初次“見方”和地面河流等以往離層水多發區段,效果顯著。這表明目前采取的離層水防治技術措施是科學、合理的,郭家河煤礦頂板離層水防治已經取得階段性成果。綜合評價郭家河煤礦離層水害治理可防可控[6]。

1 礦區地質概況

1.1 區域地質

礦區地層區劃屬華北地層區鄂爾多斯盆地分區。礦區地層由老到新有:三疊系中統銅川組,侏羅系下統富縣組,侏羅系中統延安組、直羅組、安定組,白堊系下統宜君組、洛河組、華池組、羅漢洞組,新近系及第四系。

礦區位于鄂爾多斯盆地南部渭北撓褶帶北緣,屬渭北撓褶帶屬盆地Ⅰ級構造單元,以蒿店—御駕宮大斷裂為界,以南稱銅川凸起,以北稱廟彬凹陷。

1.2 井田地質

(1)地層。礦區內地表大部分地區被第四系黃土及新近系紅土所覆蓋,其鉆孔揭露地層由老至新依次有:三疊系上統銅川組,侏羅系下統富縣組,侏羅系中統延安組、直羅組、安定組,白堊系下統宜君組、洛河組、華池組,新近系及第四系更新統、全新統。其中,侏羅系中統延安組巖性為灰—深灰色泥巖、砂質泥巖、粉細砂巖與灰白色中粗粒砂巖互層,中夾炭質泥巖及煤層,為礦區主要含煤地層。

(2)古隆起對含煤地層的控制。三疊紀末的印支期形成煤系基底構造,呈近北東東—東西向。燕山早期繼承了印支期構造特點,使侏羅系各組沉積后,構造線方向與三疊系古構造基本一致。白堊系沉積前,地殼進一步夷平,高差減小,因而使白堊系構造線方向演化為東西向—北東向。

侏羅世早期,由于地殼下沉幅度的不均衡性,導致了含煤地層及煤層沉積厚度的差異。同一聚煤區內,下降幅度大,沉積厚度大;下降幅度小,沉積厚度亦小。如中部宋家集以東含煤地層厚度80 m以上,最大95.58 m,表明成煤期該處下沉幅度大;宋家集以西含煤地層厚60 m左右,最大63.79 m,也表明成煤期該處下沉幅度大。

1.3 可采煤層

延安組按沉積特點及含煤性分為3段,郭家河煤礦主要發育第一段和第二段。其中,第二段含2號煤層,第一段含3號煤層。2號煤層為局部可采煤層,3號煤層為主要可采煤層。井田內可采的2、3號煤層分述如下(表1)。

表1 可采煤層情況Tab.1 Condition of minable coal seams

2 水文地質概況

2.1 區域水文地質

郭家河井田位于鄂爾多斯盆地西南邊緣,屬鄂爾多斯盆地中生代承壓水范疇,其北部以白于山地表分水嶺為界,東到子午嶺,西與平涼—涇陽和太陽山巖溶子系統相接,南為侏羅系隔水邊界,面積3.45×104km2。

(1)區域地下水補給。區域地下水系統內白堊系含水層主要接受松散層、上游地表河流補給,延安組承壓裂隙水以側向補給為主,區外補給源較遠,主要是通過區外的深層斷裂構造導水帶補給。加之其巖性以粉、細粒砂巖和煤層為主,其接受補給量較小,因此含水量也較微弱。

(2)區域地下水徑流。區域白堊系地下水徑流方向與地表水流向基本相同。北部白堊系地下水水位約+1 400 m,最南部排泄點地下水水位約+850 m。區域地下水自東、北、西三面向南部徑流,地下水徑流受區域地形影響,東部較西部水力坡度大。

侏羅系直羅組、延安組含水層埋深較大,處于白堊系含水層之下,由泥巖、砂質泥巖及砂巖互層組成;上部安定組泥巖段總體發育穩定,具備較好的隔水能力,在天然條件下較好地阻隔了上部白堊系與下部侏羅系含水層之間的水力聯系。區域內侏羅系地層在水文地質單元邊界有出露,總體補給條件較差。

總體上,區域地下水由東、北、西三面向南部彬縣方向徑流。對郭家河井田來說,白堊系地下水流向大致為自西南向東北。

2.2 礦井水文地質

將鉆孔及周邊礦山資料作為分析其水文地質條件及離層水害等的依據,礦區煤層與主要含、隔水層位置如圖1所示。

圖1 礦區煤層與主要含、隔水層位置示意Fig.1 Location diagram of coal seam and main water-bearing and water-insulating layers in mining area

(1)含水層。①第四系全新統沖、洪積層孔隙潛水含水層(Ⅰ)。呈條帶狀展布,厚0～15 m。上部以砂質黏土、黏土及粉砂為主,下部為含水的砂及砂卵礫石層。地下水埋深1～4 m,含水層厚3～4 m。泉流量0.03～0.22 L/s。水質類型HCO3-Ca·Mg型,礦化度0.50 g/L,水溫13 ℃。②第四系中上更新統黃土孔隙—裂隙潛水含水層(Ⅱ)。分布廣泛,梁峁區5～10 m,殘塬區厚度大于150 m。屬孔隙—裂隙含水層,地下水埋深10～54 m,一般20～30 m,含水層厚1.5～10 m。水質類型HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg,礦化度0.468～0.659 g/L,水溫12～16 ℃。③新近系砂卵礫含水層段(Ⅳ)。溝谷中零星出露,厚3～5 m。在溝谷中以泉的形式排泄于地表,泉流量0.070～0.033 L/s,水質類型HCO3-Ca·Mg,礦化度0.482 g/L,水溫13 ℃。④白堊系下統洛河組砂巖孔隙—裂隙含水層(Ⅵ)。全區遍布,中—粗粒砂巖為主要含水層段。地下水埋深為56.60～249.60 m,單層厚度為9.20～13.84 m,計5個出水層段厚56.14 m。單位涌水量為0.001 8～0.690 5 L/(s·m),滲透系數為0.001 340～0.884 691 m/d,屬富水性不均一的弱—中等含水層。水質類型HCO3-Mg·Ca·Na,HCO3-Mg·Na,礦化度0.528～0.533 g/L,水溫14～15 ℃。⑤白堊系下統宜君組礫巖裂隙含水層(Ⅶ)。零星出露,厚度一般30 m,巖性為紫雜色塊狀礫巖,礫石成份以花崗巖、變質巖為主,礫徑3～7 cm。⑥侏羅系中統直羅組砂巖裂隙含水層(Ⅸ)。鉆探揭露厚度一般30 m左右,單位涌水量為0.000 022～0.002 6 L/(s·m),滲透系數為0.000 12～0.016 46 m/d,水質類型SO4-Na,礦化度為20.45 g/L。⑦侏羅系中統延安組煤層及其頂板砂巖含水層(Ⅹ)。鉆探揭露厚度一般為40～50 m,出水層段埋深為462.80～512.30 m、厚度7.50～9.90 m,共3個出水層段,總厚24.90 m。單位涌水量0.001 925～0.057 7 L/(s·m),滲透系數為0.003 26～0.007 35 m/d,屬富水性極弱含水層。水質類型Cl-Na,礦化度3.674 g/L,水溫18 ℃。

(2)隔水層。①新近系黏土隔水層段(Ⅲ)。厚度一般80 m,團塊狀結構,巖性穩定,隔水性強,為礦區內松散巖類與基巖含水層之間的穩定隔水層。②白堊系下統華池組相對隔水層(Ⅴ)。巖性以紫紅色、灰紫色、灰綠色泥巖為主,夾砂質泥巖及粉—細砂巖薄層。砂巖夾層在裂隙發育地段可形成局部含水層段,但富水性極其微弱,可視為相對隔水層。③侏羅系中統安定組泥巖隔水層(Ⅷ)。巖性為棕色、紫紅色、灰綠色泥巖、砂質泥巖夾中粗粒砂巖,隔水層厚度90～110 m,含水量甚微,故視為煤系與上覆白堊系之間的穩定隔水層。④侏羅系下統富縣組泥巖隔水層(Ⅺ)。厚度0～26.33 m,巖性多為紫雜色花斑狀含鋁土質泥巖,夾有角礫薄層,局部地段為褐灰色含鈣質泥巖,隔水性能良好。⑤三疊系上統銅川組砂巖裂隙含水層(Ⅻ)。上部為紫色泥巖、淺紫色細砂巖、灰白色細粒砂巖與中粒砂巖互層,夾灰綠色中—粗粒砂巖,為弱富水含水層。

3 礦井充水條件分析

3.1 充水水源

礦井充水水源主要為大氣降雨、地表水、地下水以及采空區老窯水[7-10]。其中,洛河組含水層單位涌水量為0.001 8～0.690 5 L/(s·m),富水性弱—中等,與煤層之間發育穩定且厚度巨厚的侏羅系安定組隔水層,以離層水形式參與工作面涌水,是礦井間接充水水源;回采工作面老空積水也是礦井充水水源之一。

3.2 充水通道

導水裂隙帶是井田內受威脅含水層的主要導水通道之一[11-13]。

(1)頂板采動導水裂隙帶。煤層與洛河組間距186.80～318.66 m,裂采比按23.31倍,預測導水裂隙帶時的最大煤層采高按12 m計算。預測導水裂隙帶發育高度為67.60～279.72 m,平均251.76 m。

預測煤層頂板導水裂隙帶部分區域波及洛河組含水層,考慮到導水裂隙帶穿過厚度150 m以上的巨厚安定組泥巖隔水層,裂隙帶容易閉合,上覆白堊系的含水層水一般不會直接進入工作面。

(2)斷層及構造裂隙。郭家河井田內褶皺、斷層都較為發育,工作面受褶皺影響,底板起伏較大。在褶皺軸部通常構造裂隙發育,除了是良好的導水通道以外,還能造成導水裂隙帶異常發育。

斷層導水是礦井水害發生的主要原因之一。1310工作面發育多條斷層,走向325°～345°,回采至這些地段應注意加強防范。

3.3 充水強度

除工作面出現離層涌水時瞬時涌水之外,郭家河礦井近3年涌水量為93～420 m3/h,平均133.70 m3/h(表2)。

表2 工作面各次涌(突)水情況匯總Tab.2 Summary of various water inrush situations in the working face

4 未來3年礦井涌水量預測

郭家河煤礦未來3年內主要回采1310工作面和2308工作面,此次涌水量預測主要考慮1310工作面和2308工作面。由于離層涌水具有突發性,且對涌水位置、時間、水量等難以精準預測,涌水量預測時不考慮離層涌水量。由于二盤區發育有隔水性能較好的巨厚安定組泥巖隔水層,在不發生離層涌水時,洛河組地下水參與工作面涌水的概率很小。因此,此次涌水量預測時的充水含水層主要考慮侏羅系直羅組、延安組含水層。

4.1 涌水量預測方法

本文采用解析法進行礦井涌水量預測[12-16]。根據侏羅系直羅組、延安組含水層水文地質參數,進行各個工作面涌水量預測。侏羅系直羅組按疏干考慮、延安組含水層按疏干考慮。解析法公式選用承壓轉無壓公式:

(1)

(2)

R0=R+r0

(3)

式中,K為滲透系數;M為含水層厚度;H為疏降水頭高度;R0為引用半徑;r0為預測區折算半徑;R為影響半徑;h為潛水含水層水位,h=0 m。

各個工作面形狀為矩形(表3),則有:

(4)

表3 各工作面涌水量預計r0取值統計Tab.3 Statistics of the expected r0 value of water inflow at each working face

工作面涌水量解析法預測結果見表4。

表4 各工作面涌水量預測結果統計Tab.4 Statistics of forecast results of water inflow in each working face

采用解析法預測礦井近3年正常涌水量為198.01～225.17 m3/h(表5)。

表5 解析法涌水量預測結果Tab.5 Prediction results of water inflow by analytical method

4.2 涌水量預測結果評述

礦區實際揭露水文地質條件是否會發生較大變化尚不明確,且煤層最大厚度約21 m,隨著煤層采厚增大,工作面涌水量存在變化的可能。為安全起見,解析法預測2022—2025年郭家河煤礦1310工作面和2308工作面回采期間,礦井正常涌水量為225.17 m3/h。

郭家河煤礦在工作面無離層涌水時工作面基本無水,出現離層涌水時瞬時最大涌水量可達1 000 m3/h以上。依據經驗,為防災考慮,建議礦井最大涌水量按正常涌水量的2倍預計[15-19]。因此,預測2022—2025年郭家河煤礦1310工作面和2308工作面回采期間,礦井最大涌水量為450.34 m3/h。

5 礦井水文地質類型劃分及評價

根據《煤礦防治水細則》中礦井水文地質類型劃分標準,劃分郭家河煤礦礦井水文地質類型[17-21]。

(1)受采掘破壞或影響的含水層及水體。郭家河煤礦開采范圍內不存在奧陶系灰巖含水層,井田主要充水含水層為洛河組,其單位涌水量為0.001 8～0.690 5 L/(s·m),洛河組僅在地表溝谷有出露,接受地表水補給,富水性為弱—中等,故不存在強含水層影響。

(2)礦井及周邊老空水分布狀況。郭家河煤礦及相鄰園子溝煤礦、招賢煤礦等采空區范圍清楚,積水量定期監測,并有序疏放。因此,礦井及周邊老窯水分布狀況類別應劃為中等。

(3)礦井涌水量。預測近3年礦井正常涌水量為225.17 m3/h,最大涌水量為450.34 m3/h。因此,礦井涌水量類別為中等。

(4)礦井突水量。郭家河煤礦1309工作面“8.21”突水最大平均涌水量為1 630 m3/h,“11.22”突水最大涌水量為910 m3/h。因此,礦井突水量類別劃分為復雜。

(5)開采受水害影響的程度。郭家河煤礦開采主要受到煤層頂板離層涌水影響與威脅。自2021年開始,郭家河煤采取防治水工程措施,累計安全回采445.8 m。目前,郭家河煤礦頂板離層水防治已經取得階段性成果。綜合分析,開采受水害影響程度確定為復雜。

(6)防治水工作難易程度。礦井綜合采用地下水位異常變化預警預報離層涌水、施工地面鉆孔以“上抽下泄”方式疏放離層積水、施工工作面泄水巷集中自流排水等措施防治離層水。同時,嚴格落實相關防治水工程并不斷優化、調整,細化工作面管理,做好水情綜合分析與離層涌水預警。采取一系列綜合防治措施,以達到郭家河煤礦離層水害治理可防可控的目的。因此,防治水工作難易程度確定為復雜。

綜上所述,根據“就高不就低”的劃分原則,確定郭家河煤礦水文地質類型為復雜型[16-19]。

6 礦井離層水防治

近年來,礦井不斷加大防治水投入力度,實施了一系列頂板離層水害致災與主動防控技術研究,形成了以“研企、企企、校企”為基礎的科研合作平臺,“監測預警、動態抽泄、突水自流、精細管理”的高位離層水害主動防控技術體系,以地面大口徑抽排為主導的“抽、探、疏、排、監、管、截”核心頂板離層水防治思路,堅持以不發生離層水害為導向,以“不淹面”“不堵人”“不影響生產”為目標,“以無當有”原則進行常態化災害防控,為礦井水害治理提供了可靠有效的防治思路和技術方案,為其他礦井防治頂板離層水害提供了指導和借鑒。

(1)“抽”。施工地面大直徑抽水鉆孔,采取抽水方式提前疏放煤層頂板離層空間積水體,降低離層積水體水頭高度和減少積水量,防止上覆高位離層積水與導水裂隙帶疊加壓穿安定組泥巖隔水層,造成大量離層積水通過裂隙通道潰入工作面(圖2)。

(2)“探”。采用物探與鉆探等方法查清地質與水文地質條件,以及煤層開采覆巖導水裂隙發育高度等。

(3)“疏”。提前疏放相鄰工作面老空積水。

(4)“排”。主動超前建立工作面臨時排水系統,施工泄水巷,及時、有效排水,降低和減輕涌水影響和水災程度,達到“不淹面”“不堵人”“不影響生產”的目的。

(5)“監”。結合水量、地下水位異常等水情信息,及時進行涌水預警,出現涌水及潰砂征兆時,立即啟動水災應急預案并撤人,確保井下人員安全。

(6)“管”?！耙詿o當有”原則進行常態化災害防控,按照高位離層水害防治要求,對工作面采煤與支護等進行精細管理,合理控制煤層采高及推采速度。通過對開采條件進行控制,降低離層涌水頻率和水害威脅程度。

圖2 地面抽水鉆孔結構示意(采后施工,采后抽水)Fig.2 Schematic diagram of surface pumping borehole structure(post-mining construction,post-mining pumping)

(7)“截”。在相鄰工作面采空區地面施工抽水鉆孔實施抽水,將相鄰工作面上方離層空間積水和含水層水提前截流抽排,防止相鄰工作面離層積水大量進入回采工作面,減小其對回采工作面的影響,保障工作面回采安全。

7 結論

(1)礦區位于鄂爾多斯盆地南部渭北撓褶帶北緣,含煤地層主要為侏羅系中統延安組。礦區含水層主要為第四系孔隙—裂隙潛水含水層,白堊系下統洛河組砂巖、宜君組礫巖孔隙—裂隙含水層,侏羅系中統直羅組砂巖裂隙、延安組煤層及其頂板砂巖裂隙含水層。井田受導水裂隙帶影響,地下水以離層水形式參與工作面涌水。

(2)采用解析法進行礦井涌水量預測,預測2022—2025年郭家河煤礦1310、2308工作面回采期間,礦井正常涌水量225.17 m3/h。依據經驗,為防災考慮,礦井最大涌水量按正常涌水量的2倍預計,最大涌水量為450.34 m3/h。

(3)綜合評價郭家河煤礦礦井水文地質條件為復雜型。

(4)礦井建立了“監測預警、動態抽泄、突水自流、精細管理”的高位離層水害主動防控技術體系,以地面大口徑抽排為主導的“抽、探、疏、排、監、管、截”核心頂板離層水防治思路,堅持以不發生離層水害為導向,以“不淹面、不堵人、不影響生產”為目標,“以無當有”原則進行常態化災害防控,為礦井水害治理提供了可靠有效的防治思路和技術方案,為其他礦井防治頂板離層水害提供了指導和借鑒。