山西省楊家灣勘查區(qū)充水因素分析

摘??要：根據(jù)勘查區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)特征，經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為，勘查區(qū)內(nèi)的主要充水水源為新生界松散層孔隙水、主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水和奧灰?guī)r溶裂隙水。通過(guò)計(jì)算主采煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)現(xiàn)，8號(hào)煤層采空后續(xù)采13號(hào)煤層時(shí)，易溝通8號(hào)煤層的采空區(qū)，進(jìn)而引起頂板突水。通過(guò)計(jì)算突水系數(shù)發(fā)現(xiàn)，開(kāi)采13號(hào)煤層比開(kāi)采8號(hào)煤層時(shí)更易引發(fā)底板突水事故。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì)特征;充水因素;導(dǎo)水裂隙帶;突水系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD745??????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.074

楊家灣勘查區(qū)位于河?xùn)|煤田北部，面積為73.34?km2?？辈閰^(qū)的總體構(gòu)造為走向北西、傾向南西的單斜，地層傾角為2°～9°，地貌類(lèi)型屬中低山區(qū)，主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組。其中，山西組主采煤層為8號(hào)煤層，太原組主采煤層為13號(hào)煤層。

1??勘查區(qū)的水文地質(zhì)特征

勘查區(qū)隸屬于鄂爾多斯盆地東緣的天橋泉域徑流區(qū)，區(qū)內(nèi)地表水屬黃河流域，主要河流有勘查區(qū)西南部的腰莊河和中北部的蘆子溝河，勘查區(qū)的水文地質(zhì)特征分述如下。

1.1??含水層

1.1.1??新生界松散巖類(lèi)孔隙含水層

該含水層的含水巖性為沖洪積的砂礫石層，呈帶狀分布于區(qū)內(nèi)較大的溝谷中，易接受大氣降水和地表水的補(bǔ)給，富水性較好;中、上更新統(tǒng)黃土層在全區(qū)廣泛分布，受地形和巖性特征的影響，富水性極弱。

上第三系保德組底部有一層鈣質(zhì)膠結(jié)的砂礫層，由于下部泥巖的頂托，泉水從該層涌出，是當(dāng)?shù)鼐用裰饕娘嬘盟?。泉水流量一般?～30?m3/d，地下水屬于滲入溶濾水。

1.1.2??三疊系、二疊系碎屑巖裂隙含水層

三疊系、二疊系地下水主要賦存于砂巖裂隙中，為風(fēng)化殼潛水或微承壓裂隙水，地下水屬于沉積成因水。由于砂巖各段之間有較厚的泥質(zhì)間隔，且裂隙不甚發(fā)育，地下水補(bǔ)給條件極差，屬于富水性較弱的含水層。據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔上、下石盒子組和山西組抽水試驗(yàn)結(jié)果，單位涌水量為0.000?25～0.000?9?L/s·m，滲透系數(shù)為0.000?197～0.005?47?m/d，水質(zhì)為Cl-K+Na·Ca型，礦化度為655?mg/L，總硬度為57.60?mg/L，pH值在7.61～8.30之間。

1.1.3??石炭系碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙含水層

該含水層主要為太原組砂巖，為灰?guī)r裂隙承壓水，由于巖石膠結(jié)致密，導(dǎo)致裂隙不發(fā)育，埋藏較深，且補(bǔ)給條件差，屬于富水性較弱的承壓含水層。據(jù)區(qū)內(nèi)Y502號(hào)鉆孔太原組抽水試驗(yàn)結(jié)果，單位涌水量為0.000?4?L/s·m，滲透系數(shù)為0.001?465?m/d，靜止水位標(biāo)高為813.12?m，水質(zhì)為Cl-K+Na型，礦化度為617?mg/L，總硬度為54.91?mg/L，pH值為8.74.

1.1.4??奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層

該含水層以白云質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r為主，區(qū)內(nèi)地表未見(jiàn)出露，屬于隱伏或覆蓋巖溶區(qū)。據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果，單位涌水量為0.000?5～0.005?85?L/s·m，滲透系數(shù)為0.000?269～0.003?046?m/d，水位標(biāo)高為825～860?m，水質(zhì)為Cl-K+Na型，礦化度為16?910?mg/L，總硬度為2?224.37?mg/L，pH值為6.74，地下水屬于沉積成因水，屬于富水性中等的承壓含水層。

1.2??隔水層

為了分析區(qū)內(nèi)充水的影響因素，按勘查區(qū)主采煤層8號(hào)、13號(hào)煤層將勘查區(qū)內(nèi)主要隔水層劃分為以下4層。

1.2.1??新近系保德組隔水層

該隔水層全區(qū)分布穩(wěn)定，巖性為棕紅色粉質(zhì)黏土，偶含鈣質(zhì)結(jié)核，侵水具有濕脹性，屬于上部松散巖類(lèi)含水層與下部含水層之間良好的隔水層。

1.2.2??8號(hào)煤層之上的隔水層

該隔水層中的各含水層之間的泥巖、砂質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu)致密，厚度穩(wěn)定，單層厚度最厚可超過(guò)20?m，屬于砂巖含水層的相對(duì)隔水層。

1.2.3??8～13號(hào)煤層之間的隔水層

8～13號(hào)煤層的間隔為40.81～67.77?m，其間的泥巖、砂質(zhì)泥巖隔水層與砂巖、灰?guī)r含水層呈穩(wěn)定的互層產(chǎn)出，屬于良好隔水層。

1.2.4??13號(hào)煤層底界至奧灰含水層頂界

13號(hào)煤底板至奧灰頂界的厚度為25.74～80.74?m，包括石炭系上統(tǒng)太原組下段和中統(tǒng)本溪組。其中，本溪組全區(qū)分布穩(wěn)

定，巖性為灰黑色泥巖、鋁質(zhì)泥巖，間夾有薄層砂巖、灰?guī)r，厚度為6.04～22.40?m，屬于奧灰?guī)r溶水與煤系地層之間重要的隔水層。

1.3??地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件

本區(qū)地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，其次為地表水。

松散巖類(lèi)含水層的巖性主要為砂礫，分布于各大溝谷中，易接受大氣降水和地表水的補(bǔ)給。地下水在向溝谷兩側(cè)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，一部分以泉水的形式排泄，另一部分以蒸發(fā)的形式排泄至大氣中。

碎屑巖類(lèi)裂隙含水層由三疊系、二疊系和石炭系地層構(gòu)成。其中，山西組以上地層在區(qū)內(nèi)溝谷兩側(cè)有出露。由于本區(qū)溝深壁陡，且降水多以暴雨的形式出現(xiàn)，因此，大氣降水對(duì)裸露基巖的入滲量很小。隨著巖層深度的增加，巖石的節(jié)理裂隙越來(lái)越少，且有砂巖之間較厚的泥巖間隔，導(dǎo)致地下水的補(bǔ)給條件也隨之變差。山西組、太原組地層在研究區(qū)內(nèi)的埋深較大，地面未見(jiàn)出露，其含水層僅接受少量的側(cè)向補(bǔ)給或其他含水層通過(guò)斷裂破碎帶、陷落破壞帶提供的滲入補(bǔ)給。由于碎屑巖類(lèi)呈層狀產(chǎn)出，含水層與隔水層互層疊置，導(dǎo)致地下水主要沿地層產(chǎn)狀層面徑流，地下水整體自東向西沿地層傾，并向平緩運(yùn)移。在基巖侵蝕基準(zhǔn)面以上的地層，因受溝谷切割的影響，多以泉水點(diǎn)狀排泄于溝谷下游;在侵蝕基準(zhǔn)面以下的地層，多以潛流形式向深部運(yùn)移，在未遇導(dǎo)水構(gòu)造的情況下，地下水的滲流速率漸趨降低，從而在本區(qū)西部邊緣形成地下水滯流帶。碎屑巖類(lèi)裂隙水主要以徑流的方式向區(qū)外排泄。在煤層開(kāi)采或煤層氣開(kāi)發(fā)后，人工的抽排水方式成為了主要的排泄形式。

碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層主要由石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r組成，屬于隱伏巖溶徑流區(qū)，主要接受東部巖溶水的側(cè)向補(bǔ)給。本區(qū)位于天橋泉域的西部邊緣，天橋泉群出露點(diǎn)的南面，屬于天橋泉域強(qiáng)徑流帶，巖溶水整體自南向北偏東方向徑流，最后在天橋泉集中排泄。

2??礦井主要充水因素分析

2.1??頂板砂巖裂隙水

頂板砂巖裂隙水為煤層直接充水含水層，根據(jù)本次抽水試驗(yàn)結(jié)果，其富水性較弱。煤層開(kāi)采引起的頂板導(dǎo)水裂隙可能會(huì)溝通上部的多個(gè)含水層，成為充水的主要來(lái)源。采用導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算公式，計(jì)算8號(hào)煤層和13號(hào)煤層采空后產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶的高度：

.????????????（1）

式（1）中：H為導(dǎo)水裂隙帶高度，m;M為煤層厚度，m;n為煤層分層開(kāi)采層數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，13號(hào)煤層的導(dǎo)水裂隙帶高度為69.55～72.19?m，8～13號(hào)煤層的間距在24.69～50.62?m之間。由此可見(jiàn)，8號(hào)煤層采空后，續(xù)采下煤組13號(hào)煤層時(shí)，易溝通8號(hào)煤層的采空區(qū)，存在發(fā)生頂板突水事故的危險(xiǎn)。

2.2??奧灰水

勘查區(qū)內(nèi)主采煤層底板標(biāo)高均位于奧灰水水位以下，各煤層均存在不同程度的帶壓開(kāi)采。根據(jù)本次勘查成果，推測(cè)勘查區(qū)奧灰水水位標(biāo)高為825～860?m。下面分別計(jì)算主要可采的8號(hào)煤層和13號(hào)煤層的突水系數(shù)：

.????????????????（2）

式（2）中：Ts為突水系數(shù)，MPa/m;P為隔水層承受的水壓，MPa;M為底板隔水層的厚度，m;Cp為采礦對(duì)隔水層底板擾動(dòng)破壞的厚度，16?m。

依據(jù)式（2）可獲得本勘查區(qū)8號(hào)煤層和13號(hào)煤層的突水系數(shù)，并繪制了8號(hào)煤層帶壓開(kāi)采圖和13號(hào)煤層帶壓開(kāi)采圖，如圖1和圖2所示。

從圖1和圖2中可以看出，8號(hào)煤層?xùn)|北部的突水系數(shù)小于受構(gòu)造破壞地段奧灰突水系數(shù)的臨界值0.06?MPa/m，西南部大于正常地段奧灰突水系數(shù)的臨界值0.10?MPa/m;13號(hào)煤層僅東北部一小塊區(qū)域的突水系數(shù)小于正常地段奧灰突水系數(shù)的臨界值0.10?MPa/m。因此，8號(hào)煤層受奧灰水突水的可能性較小，而13號(hào)煤層受奧灰水突水可能性較大。

圖1??8號(hào)煤層帶壓開(kāi)采圖??????????圖2??13號(hào)煤層帶壓開(kāi)采圖

3??結(jié)束語(yǔ)

楊家灣勘查區(qū)的煤層直接充水含水層以砂巖裂隙含水層為主，含水層的富水性較弱;間接充水含水層的充水來(lái)源為大氣降水和地表水，相對(duì)比較貧乏。奧灰?guī)r溶含水層為煤層底板的間接充水含水層，主采煤層均位于奧灰水水位之下。綜合分析認(rèn)為，煤層開(kāi)采由于受奧灰水的威脅而變的復(fù)雜，礦井水文地質(zhì)類(lèi)型為二類(lèi)二型，水文地質(zhì)條件中等。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：覃軒（1986—），男，山西交城人，2009年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)水文與水資源工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事水文地質(zhì)方面的技術(shù)工作。

〔編輯：張思楠〕

Analysis?of?District?Water?Filling?Factors?in?Shanxi?Province?Yangjiawan?Exploration

Tan?Xuan

Abstract：?According?to?the?exploration?and?hydrogeological?characteristics?in?the?region，?through?analysis，?exploration?the?main?water?filling?source?region?for?Cenozoic?loose?bed?pore?water，?the?main?coal?seam?roof?and?floor?sandstone?fissure?water?and?Ordovician?limestone?karst?fissure?water.?Found?through?the?calculation?of?the?main?coal?seam?water?flowing?fractured?zone，?No.?8?coal?seam?mined?subsequent?mining?of?No.?13?coal?seam，?easy?communication?in?No.?8?coal?seam?goaf，?and?then?cause?the?roof?water?inrush.?Through?the?calculation?of?water?inrush?coefficient?found?in?No.?13?coal?mining，?mining?more?than?No.?8?coal?seam?floor?water?inrush?accidents?easily?caused.

Key?words：?hydrological?and?geological?characteristics;?water?filling?factors;?water?flowing?fractured?zone;?coefficient?of?water?inrush