臺格廟礦區(qū)水文地質(zhì)分析及煤炭保水開采研究

高 躍 張建華 趙思宇

(神華新街能源公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017200)

1 礦區(qū)概況和水文地質(zhì)條件

臺格廟礦區(qū)位于西北干旱—半干旱氣候區(qū)，水資源稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱，礦區(qū)的大規(guī)模開發(fā)建設(shè)必將面臨水資源破壞、植被退化、土地沙化等環(huán)境等問題。選擇一個合理的保水開采措施至關(guān)重要。

1.1 礦區(qū)概況

臺格廟礦區(qū)位于鄂爾多斯高原的中南部，毛烏素沙漠的東北邊緣，礦區(qū)為侵蝕性丘陵及風積沙漠區(qū)，地表幾乎全部被第四系風積沙所覆蓋，植被稀疏，地表水系屬黃河水系，地表水不太發(fā)育，只有在雨季降水匯集于洼地之中，通過風積沙滲入地下補給松散層含水層。礦區(qū)面積約737.2km2。礦區(qū)內(nèi)地層由老至新發(fā)育有三疊系上統(tǒng)延長組、侏羅系中統(tǒng)延安組、侏羅系中統(tǒng)直羅組、安定組，白堊系下統(tǒng)志丹群、第三系上新統(tǒng)和第四系，含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組。埋藏深度519～909m。

1.2 礦井水文地質(zhì)條件

1.2.1 含水層分布情況

根據(jù)地層時代及其賦存條件，臺格廟礦區(qū)地下主要含水層自地表到煤層有4層。

(1)第四系 (Q)松散層潛水含水層。該含水層根據(jù)地下水賦存的巖性條件包括兩種類型含水層。

全新統(tǒng)風積砂層孔隙潛水含水層 (Q4eol)，巖性為灰黃色、黃褐色中細砂、粉細砂，結(jié)構(gòu)松散，沉積厚度1～10m，遍布全區(qū)。地下水位埋深0.50～3.00m，單位涌水量0.25～1.00L／s·m。含水層的富水性中等，透水性能良好，地下水水質(zhì)良好。

全新統(tǒng)湖積物泥砂層孔隙潛水含水層 (Q4l)，巖性為灰白色、灰黑色淤泥及不同粒級的砂組成，沉積厚度0～10m。地下水位埋深1.50～4.00m，透水性能良好，地下水水質(zhì)良好。該含水層的變化直接影響著礦區(qū)內(nèi)地表植被、地表水系、礦區(qū)環(huán)境。

(2)白堊系下統(tǒng)志丹群 (K1zh)孔隙潛水～承壓水含水層。該含水層巖性以中-粗粒砂巖為主，中粒級砂巖以上地層厚度1.15～420.95m，平均111.37m，全區(qū)賦存，該含水層與上部第四系含水層間的隔水層發(fā)育較差，因此與上部含水層有一定的水力聯(lián)系。該含水層富水性弱-中等。

(3)侏羅系中統(tǒng)直羅組 (J2z)碎屑巖類孔隙、裂隙承壓水含水層。該含水層巖性以中粒砂巖為主，含水層主要分布在礦區(qū)北中部，連續(xù)性較好，分布區(qū)內(nèi)厚0.6～122.6m，平均24.05m。水位埋深14.39～126.60m，單位涌水量0.0155～0.0805L／s·m。礦區(qū)內(nèi)直羅組含水層富水性弱。該含水層與上部潛水含水層有一定水力聯(lián)系，與下部承壓水含水層的水力聯(lián)系較小。

(4)侏羅系中統(tǒng)延安組 (J2y)孔隙裂隙承壓水含水層。該含水層分布在煤系地層內(nèi)，含水層巖性以中粒砂巖為主，局部為粗粒砂巖，富水性弱，透水性與導(dǎo)水性能差，含水層與上覆含水層及大氣降水的水力聯(lián)系均較小，為礦床的直接充水含水層。

1.2.2 隔水層分布情況

根據(jù)地層時代，臺格廟礦區(qū)地下主要隔水層有3層。

(1)白堊系下統(tǒng)志丹群 (K1zh)隔水層。該地層巖性以礫巖、粗砂巖、中砂巖及細砂巖為主，夾砂質(zhì)泥巖，泥巖互層沉積，砂質(zhì)泥巖、泥巖為相對隔水層，其水平及垂向上的空間展布變化大，單層厚度變化3.50～22.70m，為隔水、半隔水巖層，對該含水層之間的水力聯(lián)系具有一定的控制作用。

(2)侏羅系中統(tǒng)安定組 (J2a)隔水層。區(qū)內(nèi)地層巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等泥質(zhì)巖類為主，間夾部分中粒砂巖、粗粒砂巖，區(qū)內(nèi)泥質(zhì)巖類呈 連 續(xù) 分 布， 厚 26.28～342.03m， 平 均185.48m，是白堊系下統(tǒng)志丹群含水層與侏羅系中統(tǒng)直羅組含水層間分布較穩(wěn)定的隔水層。

(3)煤系地層間泥巖隔水層。區(qū)內(nèi)地層以砂巖類、泥巖類及煤相間沉積為特點，泥巖類為相對隔水層，泥巖類發(fā)育層數(shù)多，為隔水、半隔水巖層，對延安組砂巖裂隙含水層之間的水力聯(lián)系具一定的控制作用。

1.2.3 地下水補給、徑流、排泄條件

第四系含水層主要接受大氣降水及地表水補給，一般降水后，潛水水位明顯增高。受地形的控制，經(jīng)短途徑流，即排向河道或洼地補給地表水或滲入下伏基巖裂隙中，部分消耗于地面蒸發(fā)和人工開發(fā)。白堊系下統(tǒng)志丹群 (K1zh)、侏羅系中統(tǒng)直羅組 (J2z)以及侏羅系中下統(tǒng)延安組 (J1-2y)含水層，基巖在地表出露較少，因此承壓水的主要補給來源為勘查區(qū)外承壓水的側(cè)向徑流補給，次為上部潛水的垂直滲入補給。承壓水與潛水在不同地段可形成互補關(guān)系。承壓水以側(cè)向徑流排泄為主。

2 臺格廟礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度估算

地下開采引起巖層移動和破壞所形成的頂板導(dǎo)水裂隙是主要的導(dǎo)水通道。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是評價煤層開采是否溝通水體的基礎(chǔ)。區(qū)內(nèi)可采煤層15層，煤層編號沿用東勝煤田的煤層編號，自上而下編為2＃～6＃煤組。2＃-1號煤層為勘查區(qū)內(nèi)的最上主要可采煤層，厚0.86～6.64m，平均3.84m， 煤 層 埋 深 569.83～824.34m， 平 均693.77m，可采煤層的頂?shù)装鍘r石為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，次為中細粒砂巖。根據(jù)臺格廟礦區(qū)鉆孔巖石物理、力學(xué)性試驗成果及臺格廟礦區(qū)井筒檢查孔巖石物理、力學(xué)性試驗成果，礦區(qū)內(nèi)煤層頂?shù)装鍘r石以軟弱～半堅硬巖石為主。開采2＃-1號煤層時，依據(jù) 《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》給出的導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗計算公式 (1)和 (2)，并按中硬類巖性頂板計算:

式中:Hd——導(dǎo)水裂隙帶高度，m；

∑M——煤層開采厚度，開采2＃-1號煤層時，按最大厚度6.64m計算。

由式 (1)和式 (2)分別得出導(dǎo)水裂隙帶高度為46.7±5.6m和61.5m，取計算得到的最大值。

基于經(jīng)驗統(tǒng)計的導(dǎo)水裂隙帶高度確定方法基本能夠滿足我國大多數(shù)礦井條件水體下采煤設(shè)計的要求，但在某些特定條件下導(dǎo)水裂隙帶高度確定方法不能體現(xiàn)特殊的覆巖結(jié)構(gòu)和破斷特征，導(dǎo)水裂隙帶高度明顯大于按上述導(dǎo)水裂隙帶高度計算方法得到的值，主要是由于覆巖關(guān)鍵層對頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響。所以在地質(zhì)資料詳細的情況下，進入設(shè)計生產(chǎn)階段還應(yīng)根據(jù)關(guān)鍵層位置進一步計算導(dǎo)水裂隙帶高度。在煤層開采后采用導(dǎo)水裂隙帶探測技術(shù)驗證導(dǎo)水裂隙帶高度，總結(jié)適合臺格廟礦區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式。

3 礦區(qū)涌水量預(yù)算

由于周邊沒有礦井進行生產(chǎn)，礦區(qū)涌水量僅采用地下水動力學(xué)中的 “大井法”預(yù)算。根據(jù)煤層賦存情況，煤組中面積可采系數(shù)較大的煤層有3＃-1煤層 (63%)、6＃-2煤層 (85%)。該兩層煤厚度較大，分布穩(wěn)定，為礦區(qū)主要可采煤層。礦區(qū)劃分兩個水平預(yù)算涌水量，其中3＃-1煤層以上 (包含3＃-1煤層)為一水平，3＃-1煤層以下為二水平。計算面積采用主要可采煤層分布最大范圍面積進行預(yù)算。一水平采用3＃-1煤層，可采面積494.51km2，二水平采用6＃-2煤層，可采面積625.13km2。

計算礦井涌水量，參數(shù)選用地質(zhì)勘探鉆孔直羅組、延安組抽水試驗資料。前已敘及導(dǎo)水裂隙帶最大高度為61.5m，受冒落帶影響的地層為直羅組、延安組，礦區(qū)涌水量主要來源于上述兩個含水層的涌水量。

礦區(qū)涌水量計算采用承壓-潛水完整井公式:

式中:Q——預(yù)算巷道系統(tǒng)涌水量，m3／d；

k——含水層滲透系數(shù)，m／d；

H——隔水底板至承壓水位的水頭高度，m；

M——含水層厚度，m；

h——隔水底板至動水位之水頭高度，m；

Ro——影響半徑，m；

R——水位降至含水層底板時的影響半徑，m；

ro——大井引用半徑，m；

F——可采面積，取3＃-1煤層可采面積494.51km2，6＃-2煤層可采面積625.13km2。

計算結(jié)果為一水平礦區(qū)涌水量162124m3／d(6755m3／h)， 二 水 平 礦 區(qū) 涌 水 量 49409m3／d(2059m3／h)，礦區(qū)總涌水量211533m3／d (8814 m3／h)。

4 臺格廟礦區(qū)保水開采技術(shù)思路

4.1 煤層開采對含水層的影響

第四系薩拉烏素組 (Q3s)孔隙潛水含水層富水性強，并且該含水層的變化直接影響著礦區(qū)內(nèi)地表植被、地表水系、礦區(qū)環(huán)境。白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)孔隙潛水～承壓水含水層富水性不均勻，部分區(qū)域富水性強。與上部薩拉烏素組含水層有一定的水力聯(lián)系。志丹群 (K1zh)內(nèi)部存在以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主的相對隔水層。該隔水層對該含水層之間的水力聯(lián)系具一定的控制作用。志丹群下部的安定組巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等泥質(zhì)巖類為主，是白堊系志丹群含水層與煤系地層含水層之間分布較穩(wěn)定的隔水層。這兩個含水層富水性強，對地表生態(tài)環(huán)境影響大，離煤層較遠。按初步計算得到的開采2＃-1煤層形成的導(dǎo)水裂隙帶高度應(yīng)該受煤層開采影響很小。隨著煤炭向深部開采，導(dǎo)水裂隙帶高度將根據(jù)具體煤層工作面的位置、頂板巖性性質(zhì)厚度計算。

侏羅系中統(tǒng)直羅組 (J2z)孔隙裂隙承壓水含水層與侏羅系中統(tǒng)延安組 (J2y)孔隙裂隙承壓水含水層富水性弱，連續(xù)性較好。根據(jù)初步計算得到的開采2＃-1煤層形成的導(dǎo)水裂隙帶高度，采煤不可避免地會破壞這兩層含水層，所以這兩層含水層為礦床的直接充水含水層。礦區(qū)的直接充水含水層以裂隙含水層為主，孔隙含水層次之，直接充水含水層的富水性弱，補給條件和徑流條件較差，以區(qū)外承壓水的側(cè)向徑流為主要補給源，大氣降水為次要補給源；煤層雖位于地下水位以下，但直接充水含水層富水性弱；礦區(qū)內(nèi)目前為止未發(fā)現(xiàn)斷層，正常情況下地表水體對2＃-1煤層不構(gòu)成威脅。

4.2 臺格廟礦區(qū)保水開采思路

根據(jù)臺格廟礦區(qū)含水層分布、富水性特點及隔水層分布、隔水性特點。臺格廟礦區(qū)保水開采應(yīng)以不破壞地表生態(tài)環(huán)境、不影響煤炭生產(chǎn)高產(chǎn)高效、不浪費水資源為方向，采取安定組隔水層以上的含水層堅決保護、安定組隔水層以下的含水層充分利用的思路進行保水開采工作。

對于安定組隔水層下的侏羅系中統(tǒng)直羅組 (J2z)孔隙裂隙承壓水含水層與侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)孔隙裂隙承壓水含水層，煤炭開采不可避免地會破壞這兩層含水層，且這兩層含水層富水性弱，可以進行資源化處理，對礦井水凈化和利用，在地面和井下建設(shè)礦井水凈化處理系統(tǒng)，凈化的礦井水作為井下采掘、煤炭加工、礦區(qū)生活用水?；赜脮r根據(jù)利用方向，按因地制宜、經(jīng)濟方便的原則處理，優(yōu)先保證礦區(qū)內(nèi)用水，尤其優(yōu)先考慮井下用水，做到先井下后井上，先礦內(nèi)后礦外，先生產(chǎn)后生活。實現(xiàn)礦井水資源化利用，不僅可以緩解礦區(qū)缺水的問題，而且還能解決礦井廢水外排污染環(huán)境的問題，同時還能節(jié)省外購水和治理排污的費用，具有較好的經(jīng)濟和社會、環(huán)境效益。隨著煤炭向深部開采，采煤可能破壞安定組隔水層的區(qū)域，可根據(jù)具體開采條件留設(shè)防水煤巖柱、降低導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度、注漿堵截水源等技術(shù)措施控制導(dǎo)水裂隙帶不破壞安定組隔水層，從而對志丹群和薩拉烏蘇組含水層進行保護。

5 結(jié)論

(1)臺格廟礦區(qū)煤層上部有含水層4層，隔水層3層。安定組隔水層分布較穩(wěn)定，隔水性能好，其上部的志丹群、第四系含水層水量較豐富，直接或間接影響著地表生態(tài)環(huán)境，其下部的直羅組、延安組含水層富水性弱，直接受煤層開采影響。

(2)根據(jù)臺格廟礦區(qū)詳查地質(zhì)資料，依據(jù) 《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗公式估算臺格廟礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶最大高度為61.5m。

(3)采用地下水動力學(xué)中的解析法預(yù)算礦區(qū)總涌水量211533m3／d (8814m3／h)。

(4)根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)特征和估算導(dǎo)水裂隙帶最大高度，采取安定組隔水層以上的含水層堅決保護、安定組隔水層以下的含水層進行利用的保水開采思路。

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