左則溝煤業(yè)太原組灰?guī)r富水性規(guī)律研究與治理

閆 亮

(山西介休鑫峪溝左則溝煤業(yè)有限公司,山西 介休 032000)

隨著我國淺埋煤炭資源逐步開采枯竭,近期及未來煤炭資源開采將會向深部延深[1]。深部煤層開采將對地下巖石應力和巖層結構造成破壞,深部含水層地下水天然狀態(tài)改變,原有的平衡被打破,水文地質(zhì)條件復雜化,煤礦集中出水甚至突水事故更易發(fā)生[2]。綜合眾多水文地質(zhì)學者的實踐和研究,我們得到復雜水文地質(zhì)條件探查含水層地層、構造與補徑排的性質(zhì)。針對太原組灰?guī)r水,局部進行注漿封堵改造,形成穩(wěn)定隔水假頂或假底。不具備注漿改造條件,結合物探,鉆探,通過疏水降壓實現(xiàn)小水或無水開采條件[3]。

本文以沁水煤田太原組灰?guī)r含水層(以下簡稱太灰含水層)為研究對象,運用現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析法對太灰含水層重新深入認知,探討采動影響下深部太灰含水層水害威脅方式與時空演化規(guī)律[4]。并以左則溝煤業(yè)局部太原組薄層灰?guī)r為例,對太灰含水層地下水條件定量評價[5-6],來認識真實水文地質(zhì)條件及其空間差異性。研究成果將為華北型煤田中的太原組薄層灰?guī)r水害防治及區(qū)域地下水資源開發(fā)與利用奠定理論基礎。

1 研究區(qū)概況

左則溝煤業(yè)上統(tǒng)太原組(C3t)地層厚度為64～130 m,平均為96.50 m。巖性主要由灰白—灰黑色砂巖、粉砂巖、泥巖、石灰?guī)r和煤層組成,為海陸交互相沉積,是主要含煤地層之一。據(jù)巖性組合,本組可分為三段:下段巖性主要由灰白—灰黑色砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層,夾1～2層石灰?guī)r組成;中段由石灰?guī)r、粉砂巖、砂巖及薄煤層組成;上段為灰色、深灰色的砂巖、粉砂巖夾黑灰色泥巖、鈣質(zhì)泥巖及煤層。與下伏本溪組呈整合接觸。

底部為K1砂巖。發(fā)育有4層石灰?guī)r,層位穩(wěn)定,標志明顯,由下而上分別為L1、L2、L3、L4灰?guī)r,太原組總厚為96.50 m。

L1石灰?guī)r厚度為1.75～3.88 m,平均厚度為3.05 m,局部分為上下兩層;L2石灰?guī)r厚度為3.24～8.17 m,平均厚度為6.80 m;L3石灰?guī)r厚度為1.97～2.85 m,平均厚度為2.15 m;L4石灰?guī)r厚度為2.10～3.14 m,平均厚度為2.40 m。石灰?guī)r巖溶裂隙多被泥質(zhì)及方解石充填,除L2石灰?guī)r富水性相對較強外,其他富水性一般較弱。根據(jù)2010年施工的ZK4-1、ZK6-1號水文孔,單位涌水量分別為0.063 7、0.009 13 L/(s·m),滲透系數(shù)分別為0.682、0.072 4 m/d,水位標高分別為893 m、924.10 m,水化學類型分別為SO4·HCO3-Mg·Ca和HCO3·SO4-Ca·Na·Mg型水。2007年施工的ZK2-1號水文孔,抽水試驗段主要為太原組、斷層破碎帶及以上地層,抽水深度為117～726.86 m,恢復水位標高為980.16 m,涌水量為0.169 9 L/s,單位涌水量為0.004 5 L·s-1·m-1,水化學類型為SO4-Na·Ca型水。2019年施工的ZS-2號水文孔,抽水試驗段主要為L3+L4灰?guī)r,單位涌水量為0.001 6 L/(s·m),滲透系數(shù)為0.022 2 m/d,水位標高為851.77 m。根據(jù)我公司一采區(qū)采掘?qū)嶋H揭露該含水層最大涌水量為50 m3/h左右,并且主要以靜儲量為主,一般疏放72 h左右涌水量即開始銳減,因此我們一般認為該含水層厚度薄、巖溶不發(fā)育、主要儲水空間為裂隙儲水、富水性為弱富水性含水層,見圖1。

圖1 q=f(s)曲線圖Fig.1 Curve of q=f(s)

2 太原組薄層灰?guī)r含水層水文地質(zhì)條件探查分析

2.1 放水試驗

通過近幾年井下水文地質(zhì)補勘情況,單孔(直徑94 mm)涌水量達280 m3/h。且放水時，同水質(zhì)井下觀測孔水壓呈穩(wěn)步下降的趨勢(圖3水壓動態(tài)曲線圖)。根據(jù)地面1號奧灰孔做抽水試驗時2號太灰孔水位沒有變化，同時井下放水孔放水時地面1號奧灰孔水位沒有變化(地面1號奧灰孔與2號太灰孔之間有一條落差300 m斷層)，說明F1斷層組兩側(cè)奧灰水和太灰水水力聯(lián)系微弱。并且通過后續(xù)的放水試驗、疏水降壓、水質(zhì)分析等一系列水文地質(zhì)工程,探明該含水層、與其他含水層無水力聯(lián)系(圖2太灰觀測孔與奧灰觀測孔、F1斷層組關系平面圖)。放水情況簡述如下。

ZS-1—地面1號奧灰孔；ZS-2—2號太灰孔；SW-1—太灰放水孔；F8—F1斷層組斷層圖2 太灰觀測孔與奧灰觀測孔、F1斷層組關系平面圖Fig.2 Relationship between Taiyuan formation limestone aquifer observation holes, Ordovician holes and F1 fault group

圖3 放水量水壓動態(tài)曲線圖Fig.3 Dynamic curves of discharge water pressure

初始放水量僅50 m3/h，放水時長21 h，觀測孔水壓由4.3 MPa下降到4.2 MPa.后續(xù)在放水量不變的情況下，每疏放1 200 m3觀測孔水壓下降1 MPa,水壓持續(xù)下降到3.2 MPa。隨著放水量的不斷增加，水壓也隨之下降,目前水壓保持在0.99 MPa,放水量約100 m3/h。通過以上數(shù)據(jù)可以看出，我公司太灰水疏降效果良好,并且通過疏降已經(jīng)安全地回采完畢2個綜采工作面和4個掘進工作面,未發(fā)生太灰水突涌水事故。其中，回采工作面為2#煤層,掘進工作面分別為2個2#煤層和2個5#煤層。

采取疏水降壓方法開采時,應把承壓含水層的水頭值降到安全水頭值以下，具體安全水頭值計算公式詳見《煤礦防治水細則》附錄四。

2.2 含水層補徑排條件調(diào)查分析

通過與相鄰礦井調(diào)查了解在疏降的同時,該礦井在未進行任何疏放工作的情況下水位也同步下降,對比數(shù)據(jù)，隨著放水量的增加造成水壓下降緩慢的主要原因為疏放半徑在不斷增加。

而整個放水期間礦井的兩個奧灰水實時觀測孔數(shù)據(jù)顯示,兩個觀測孔水位無變化?？拷麱1斷層處太灰?guī)r溶裂隙不發(fā)育，可作為區(qū)域太灰?guī)r溶北部邊界；另外，采區(qū)南部以F2斷層為采區(qū)分界線，通過水文觀測，一采區(qū)太灰水、奧灰水與二采區(qū)太灰水、奧灰水無水力聯(lián)系。礦井一采區(qū)二采區(qū)以F2斷層為界，因此F2斷層上盤可作為區(qū)域太灰?guī)r溶南部邊界。井田二采區(qū)太灰水體沿地層傾向方向(南北方向)為一獨立的水文地質(zhì)單元,特點是靜儲量占絕對主導地位,動儲量(界外補給量)微小,對充水的影響甚至可忽略。

含水體是不均一的,因此含水體的出水量取決于:

1)出水處含水體的導水性與貯水性,導、貯性越強,出水點的出水量越大。

2)出水點(或放水鉆孔)越多,或者煤層開采面積越大,出水量越多。

3)水壓(或水位)值越大,出水量越大。

由于主要是靜儲量的含水體(或水箱)的水壓(水位)不是定值,是變化的,水壓(水位)隨出水的延續(xù),總靜儲量的減少而不斷下降,因此出水量不是定值,而是早期隨開拓面積的擴大而增加,后期隨總靜儲量減少,水壓(水位)的降低而不斷減小。在理論上,最終穩(wěn)定出水量為太灰動儲量,很微小,在實際上是接近動儲量,也相當小。這樣,我們不能用外圍水位為定值的解析公式(影響半徑外水位衡定)計算涌水量。下組煤層向深部開采,太灰的儲水性(貯水系數(shù))較上組煤層不會增強而應趨弱。上組煤層對太灰的揭露是點式的(出水點或鉆孔),而下組煤在頂板采動垮落帶和導水裂縫帶作用下對太灰的揭露是面式(揭蓋式)的,其規(guī)模和強度要大得多。鑒于此,下組煤層礦井涌水量適應于用比擬法進行概算。

2.3 太原組薄層灰?guī)r含水層防治思路

目前已收集的水文地質(zhì)相關數(shù)據(jù),太灰水補給條件一般較差,通過太灰水超前探放、太灰水預疏干等方法加以解決,上組煤層太灰水帶壓開采是可行的,在一采區(qū)已得到證實。例如，左則溝煤業(yè)一采區(qū)上組煤開采標高為+900～+570 m,原太灰水標高約+870 m,最大承壓約3 MPa左右,通過疏降一采區(qū)已經(jīng)回采完畢；二采區(qū)疏水降壓前太灰水水位標高+746 m左右,目前已回采完畢的工作面最低標高為+300 m左右,已掘進完畢的掘進工作面最低標高為+280 m,開采前承壓4.66 MPa,通過疏降已安全回采完畢。采取疏水降壓方法開采時,首先應把承壓含水層的水頭值降到安全水頭值以下,具體安全水頭值計算公式詳見《煤礦防治水細則》附錄四,當然在條件允許的情況下完全疏干是最佳的疏降效果。左則溝煤業(yè)采取的是邊疏降、邊開采的疏降方法,保證在開采前把太灰承壓含水層的水壓值降到安全值以下,在開采的同時繼續(xù)疏降,來保證安全開采不受太灰水害威脅。

下組煤層開采直接充水含水層主要為太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層,由上所述,在做好頂板探放水工作加強采掘工作面排水能力配置的情況下,一般不會危及礦井安全,防治水工作簡單。

通過以上水文地質(zhì)探查工作可以說明F1大斷層組附近太原組薄層灰?guī)r與奧陶紀灰?guī)r雖然對接但兩種水源未連通,也可間接地判斷F1大斷層在此區(qū)域不導水。

太原組薄層灰?guī)r富水性不均一(原因為該含水層厚度較薄，且該含水層上下巖層均為泥巖,易于保存水資源但補給條件不好),但區(qū)域聯(lián)通性較好(相鄰礦井太灰觀測孔距我公司觀測孔間距為4.5 km在我公司疏水降壓的同時該相鄰礦井觀測孔水位有明顯變化)。本區(qū)域太原組薄層灰?guī)r在沒有補給的情況下,以靜儲量為主并且靜儲量豐富,含水層內(nèi)生裂隙較發(fā)育,雖然整個區(qū)域含水層富水性不均一,但是聯(lián)通性非常好。局部區(qū)域富水性等級可劃分為中等、強富水性含水層,因此在采掘活動中應加強該含水層的探查、分析、研究工作,根據(jù)不同地段的富水性采取不同的治理措施。

間接地說明洪山區(qū)域附近采煤區(qū),主要采煤影響水源上下石河子組、山西組砂巖含水層、太原組含水層與該泉域奧陶紀含水層無明顯水力聯(lián)系，正常情況下在不觸及奧陶紀含水層時對泉域水源影響較小。

3 太原組灰?guī)r水害治理措施及效果

一般礦井采掘區(qū)段沒有大斷裂構造切割情況下,該含水層不會與奧灰水溝通。與此同時，即使兩者之間有溝通,通過一些常規(guī)的水文地質(zhì)工作即可探查清楚,兩者之間從各項水文參數(shù)上均有明顯的區(qū)別。

其次，該含水層有地表出漏、或者通過其他出漏巖層間接的接受補給,針對這種情況,可通過建設水文觀測工程系統(tǒng),能夠逐步清楚掌握補徑排條件。

再次，該含水層不接受任何補給,以本身的靜儲量為主,這種情況一般采用施工幾組探放鉆孔并建立水文觀測孔,做簡單的放水試驗即可準確地進行判斷其可疏放性。

通過以上三項論述，結合該含水層發(fā)育厚度及其他地質(zhì)特征,一般地都會將該含水層判別或者認識為富水性弱的含水層。就左則溝煤業(yè)而論,前期施工的三個地面水文觀測孔數(shù)據(jù)均顯示單位涌水量不超過0.1 L/(s·m),并且在左則溝煤業(yè)有限公司兼并重組勘查報告中也明確地寫明該含水層為富水性弱的含水層。因此作為弱富水性含水層我們?nèi)粘５墓ぷ髦幸话憔蜁鲆?，采取的措施是直接揭露后疏排?/p>

由于該含水層發(fā)育均為薄層狀，最大厚度僅8 m左右,巖溶溶洞不發(fā)育，只是裂隙發(fā)育,因此綜合對比目前水害治理方案除疏放之外沒有更加有效的方案，當然疏放的同時礦井排水考慮與礦區(qū)供水、生態(tài)環(huán)保相結合,推廣應用礦井排水、供水、生態(tài)環(huán)保“三位一體”優(yōu)化結合的管理模式和方法。例如，我公司就采取疏放水返井再利用和作為農(nóng)業(yè)澆地等措施，這樣既保證了礦井開采安全不受水害威脅,也做到了礦井排水、供水、生態(tài)環(huán)?！叭灰惑w”的管理模式。當然此種情況是在無水源補給情況下建議使用,如在有補給水源情況下建議采取補充勘探等方式查明具體參數(shù)，根據(jù)實際情況采取相應措施。例如，帷幕注漿封堵補給通道,截斷水源補給,然后再疏水降壓;或者采取底板加固隔水層、改造含水層等方法。

4 結論

1)通過現(xiàn)場試驗探查分析,沁水煤田西部邊緣左則溝煤業(yè)太灰含水層富水規(guī)律總體為富水性弱,判斷在于含水層薄且受到周圍含水層補給不充分;但在局部區(qū)域由于該含水層聯(lián)通性較好,局部區(qū)域富水性等級可劃分為中等、強富水性含水層。

2)綜合考慮太原組薄層灰?guī)r與開采煤層位置關系,含水層富水性及富水規(guī)律,采動裂隙及構造裂隙等充水因素條件,主要選擇注漿封堵改造、疏水降壓等水害治理工程措施,意在實現(xiàn) “安全可行-經(jīng)濟實效-環(huán)境保護” 型太灰水防治理念。

3)通過對礦區(qū)太灰?guī)r含水層結構特征和類型的研究,為礦井生產(chǎn)過程中對太灰水防治提供實踐數(shù)據(jù),為進一步推廣應用提供參考。