朝川矿水文地质特点与防治水对策

王新军1,翟加文1,潘国营2

(1.平顶山煤业集团公司朝川矿,河南平顶山467000;2.河南理工大学资环学院河南焦作454000)摘　要:朝川矿水文地质条件较复杂,曾多次发生大型底板岩溶水突水淹井事故。由于历史原因,地质资料匮乏,防治水技术水平落后。采用物探、示踪试验、水化学与同位素分析等手段,对矿区水文地质条件进行了全面研究,针对水文地质特征提出了综合性的防治水对策,取得较好的防治水效果。

关键词:水文地质;防治水;地质特征

中图分类号:TD745+.2　　　文献标识码:B　　　文章编号:1003-496X(2006)05-0053-03

1　概　况

朝川矿位于河南省汝州市小屯镇,隶属平顶山煤业(集团)公司,现有一井、二井、三井3对矿井,设计生产能力120万t/a。一井开采己16-17煤(二1煤),斜井开拓,分水平开采,第一水平标高-l0 m,第二水平标高-250 m,第二水平正在开拓。二井开采戊组煤(三煤组)和丁组煤(四煤组),斜井单水平上下山开拓。三井开采己16-17煤,混合开拓。

朝川矿原属于地方煤矿,上世纪70年代开始建设,重点开发-10m水平的煤炭资源,开采手段落

后,机械化装备水平低,煤炭产量不高。1998年归属平煤集团后,管理逐步规范,原煤产量增加。但由于历史原因,矿井水文地质工作不扎实,地质资料匮乏,随着煤矿向深度开拓,防治水工作处于被动局面,水害问题越来越突出。尤其是2001年12月26日,一井己16-17-21030工作面机巷发生了一次大型突水淹井事故,水源为煤层底板灰岩岩溶水,最大突水量为1 996 m3/h,造成了重大的经济损失。因此,针对矿区水文地质特征,全面认识朝川矿水文地质条件,有的放矢地制定防治水对策是当务之急。

2　矿井水文地质条件

矿区为一弧形单斜构造,弧顶向南,东翼地层走向北东,倾向北西,倾角20°。西翼走向北西,倾向北东,地层倾角大于70°,局部直立或倒转。出露地层有寒武系白云岩和灰岩、石炭系灰岩、碎屑岩和薄煤层、二叠系砂岩、泥岩和煤层、第三系砾岩和砂岩、第四系冲洪积物。区内构造复杂,主要断裂有北西向与北东向两组,矿区或井田边界多依构造划分边界。

矿井充水的主要含水层有:寒武系白云岩岩溶含水层、石炭系太原组薄层灰岩裂隙岩溶水含水层、二叠系中厚层砂岩孔隙裂隙水含水层、第三系砾岩含水层和第四系砂砾石孔隙含水层。太原组簿层灰岩岩溶发育,富水性强,上距煤层0~17.27 m,平均距离只有8.37 m,隔水层厚度薄且不稳定,构成煤底板的直接充水层。寒武系白云岩岩溶发育,富水性最强,水压高,补给较充沛,是煤层底板的间接充水层。寒武系灰岩顶部与太原组薄层灰岩之间分布有铝土泥岩及砂质泥岩,厚度不稳定,最薄处只有1.4 m,最厚为51.50 m,平均厚度为15.13 m,因此,煤层底板太原组灰岩岩溶水和寒武系白云岩岩溶水间水力联系非常密切,水位相差不大,同步升降,可以视为一个含水层组。煤层顶板各层砂岩裂隙水对矿井充水意义不大,第三系砾岩水和第四系松散沉积物孔隙水远离己16-17煤,且隔有数层隔水层,对主采煤层亦无充水影响。

矿区北部边界为刘洼弧形正断层,其落差超过1 000 m,断层北岩溶裂隙含水层深埋于第三和第四系地层之下,形成阻水边界。矿区东部边界是F1断层利F4断层,也起到阻水作用。石炭和寒武系灰岩呈条带状裸露于西南和南部,出露面积15 km2,是岩溶水补给区(见图1)。地下水总体上由西向东、由南向北径流,在矿区以矿井排水的形式被排出地表。

3　水文地质特征

根据勘探、建井、生产期间大量的水文地质资料综合分析,朝川矿的主要水文地质特征为:

图1　朝川矿区构造纲要图

　　(1)朝川矿区是一个相对独立且封闭的水文地质单元。刘洼正断层呈弧形展布,成为矿区的北部阻水边界,朝川矿区南部和西南部呈条带状展布的寒武—石炭系和灰岩岩溶发育,接受大气降水和地表水入渗补给,是矿区岩溶水的补给区。由于面积有限,补给量较小,经过均衡计算,多年平均补给量为850 m3/h。

(2)岩溶发育和岩溶水分布具有强烈的不均匀。从岩溶水补给区到排泄区,随着岩溶发育强度由弱到强,水文地质条件也由简单过渡为复杂。受岩溶发育不均匀性的影响,岩溶含水层富水性也具有显著的不均匀性,以一井主副斜井为界呈现“西强东弱”的特点。例如,为提前疏放煤层底板太原组岩溶水,在一井二水平暗主副斜井西泄水巷布置了29个泄水孔,其中7个孔泄水量较大,其余孔水量很小或无水。

(3)岩溶水受构造控制。大断层控制着区域水文地质条件,也是岩溶水进入矿区的通道。小断层发育的区域岩溶含水层富水性好,发生底板突水的概率高。此外,小断层也是煤层底板岩溶水的导水通道。

(4)煤层底板天然裂隙或采动裂隙也是岩溶水进入矿升的重要通道。已16-17煤至石炭系岩溶含水层之间隔水层厚度平均值为8.5 m,薄弱处只有2-3 m,局部甚至缺失隔水层。隔水层岩性为泥岩和砂质泥岩,不仅分布有小断层和裂隙,且在采动破坏影响下还会形成密集的采动裂隙,构成导水通道,使深部岩溶水沿导通裂隙带进入矿井。此外,寒武系白云岩岩溶水和石炭系灰岩岩溶水水力联系非常密切,在一定程度上可以视为相同的含水层。

根据下三带理论,在采动矿压作用下煤层底板隔水层发生变形甚至破坏,根据破坏程度不同可以划分为“三带”,即底板破坏带、完整岩层带和承压水导升带。在底板破坏深度范围之内,底板岩层产生大量的裂隙,其连续性和隔水性受到破坏,当裂隙与深部的含水层(或承压水导升带或导水断层)沟通时,则发生底板突水。底板破坏深度与采动矿压、煤层赋存条件、工作面尺寸、开采方法及顶板管理方法、顶底板岩性及结构等多种因素有关。在自然条件不变的情况下,采动矿压越大,底板破坏深度就大。

矿井开采过程中,煤层底板在采动矿压作用下也会受到破坏,表现在巷道和采空区时常出现底板断裂鼓起现象,底板鼓起发生变化处经常出现地下水渗出或突水。朝川矿一井采煤工作面斜长60~100 m,煤层倾角12°,开采深度250~350 m,根据底板破坏深度经验公式推算,一井二水平工作面底板破坏深度在6~15 m之间,也就意味着有效隔水层厚度<2 m甚至为0 m。

4　矿井防治水对策

(1)根据煤层底板岩溶水多年补给量(动储量)不大和易于疏放的特点,并结合历年来防治水经验,证明对己组煤底部灰岩承压含水层进行疏水降压,以使采煤工作面处在安全水位以上,保证己组煤的正常开采,是有效的针对性措施。为此,一井分别在-10 m水平、-150 m辅助水平和-250 m水平设置充足的防排水设施,并施工泄水工程进行泄水。

目前,为保证-250 m水平安全采煤,继-150 m临时泄水阵地实施泄水降压后,又在-250水平实施了在东西两侧水闸门之间进行提前泄水工程工业性试验。共布置泄水孔23个(见图2)。使总稳定泄水量达到900 m3/h,水压已由泄水前的1.3 MPa降至目前的0.2 MPa,解放煤炭资源在200万t以上。

图2　朝川矿一井-250 m水平提前泄水钻孔布置平面图

　　(2)根据己16-17煤层底板隔水层厚度薄、岩溶发育、富水性强且变化大的特点,开采过程中采用先进手段确保安全生产。在地面采用瞬变电磁方法对石炭系灰岩富水区和寒武系灰岩富水区进行探测,在井下采用直流电法对煤层底板隔水层厚度、裂隙发育程度、含水层富水性以及底板破坏深度等进行超前探测。根据探测结果,布置泄水巷道和泄水孔位置或者采取其它防治水措施,每个地点生产前均进行安全评估,通过大量过细的基础工作,已经取得

较好的效果和经济效益。

(3)针对灰岩和煤层露头区是矿井水的重要补给来源的特点,制定了泄水降压与注浆堵水相结合防治水措施。除继续加大泄水降压的力度外,在矿井外围的岩溶水补给区,采用地面三维地震、瞬变电磁、钻探等手段探测地下水补给通道或补给位置,然后用地面注浆方法封堵地表水对岩溶水的补给,提高泄水降压效果,降低排水费用。目前,该项工作正在进行之中。

(4)针对朝川矿过去水文地质基础工作薄弱的特点,最近几年,我们严格执行《矿井水文地质规程》等规定,在人员组织、仪器配备、资金倾斜等各个方面加强了矿井水文地质工作的投入,有针对性地进行了水文地质补充勘探工作。例如,为掌握岩溶水动态和流场特征,先后施工了20余个地面水文孔和井下测压孔;为查明岩溶水进入矿井的通道,开展了大型示踪试验;为认识己组煤底板石炭系和寒武系岩溶含水层的水文地质条件,在全面收集和分析各种资料基础上,采用野外水文地质凋查、水化学和同位素分析、钻探、物探等多种技术手段对岩溶水水文地质条件进行了系统研究。

　　作者简介:王新军(1955-),男,高级工程师,1979年毕业于河南理工大学采矿专业,现任平煤集团朝川矿总工程师、主要从事煤矿安全生产技术管理工作,先后完成多项科研课题,曾获省级科技进步二、三等奖2项、市科技进步一等奖2项,发表论文多篇。

(收稿日期:2005-10-18;责任编辑:齐秀昆)