通讯作者:王 英(1958-),男,陕西蒲城人,教授,主要从事煤田地质和矿井地质教学与研究工作.
1.西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 710054; 2.陕西省崔家沟煤矿,陕西 铜川 727027
(1.College of Geology and Environment,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China; 2. Shaanxi Province Cuijiagou Coal Mine,Tongchuan 727027,China)
filling water source; filled water channel; aquifer; water flowing fractured zone
备注
通讯作者:王 英(1958-),男,陕西蒲城人,教授,主要从事煤田地质和矿井地质教学与研究工作.
崔家沟煤矿矿井涌水量呈逐年增大趋势,并于2008年1月17日在2107工作面发生了突水事故,给煤矿的安全生产带来了严重威胁。研究矿井水文地质条件、分析矿井充水因素具有重要的现实意义。根据崔家沟煤矿地质勘探和生产揭露的水文地质观测资料以及煤层开采导水裂隙带高度计算结果的综合分析,认为矿井直接充水水源主要是洛河组砂岩裂隙水和老空区积水,大气降水和地表水为其间接充水水源; 主要的充水通道为采动导水裂隙带,其次是断裂构造。
The amount of gushing water in Cuijiagou coal mine increases year by year, and on January 17, 2008 occurred water inrush accident in 1207 work face brings serious threat tosafety production of coal mine. The study and analysis of mine hydrogeologic conditions and water filling factors has important practical significance. According to Cuijiagou coal mine geological exploration and hydrogeological observation information and integrated analysis seam mining-caused water fracture height calculation results, proved that the main reason of mine directly filled water is Luo He sandstone aquifer water and older goaf water,atmospheric precipitation and surface water for its indirect water filling source; the main of filled water channel is mining-caused fractured zone, followed is fracture structure.
引言
崔家沟煤矿位于黄陇侏罗系煤田焦坪矿区中部[1]。东以煤层露头为界,西止煤层变薄尖灭带,北与铜川矿业有限公司玉华煤矿毗邻,南与下石节煤矿相接。含煤地层为侏罗系中统延安组,主采煤层为4-2号煤。矿井于1958年7月开始兴建,最初生产规模仅为0.15~0.20 Mt/a,后经改扩建和技术改造,生产能力逐步提高到目前的1.95 Mt/a.目前矿井采用斜井开拓方式、综采放顶煤一次采全高采煤工艺和全部垮落法管理顶板。近年来,随着开采范围和开采强度的加大,矿井涌水量呈逐年增大趋势(由2007年的150 m3/h余增大到2010年的200 m3/h左右)。尤其是在2008-01-17,基本无水的2107综采工作面突然出现大量涌水,涌水量达75 m3/h左右,到5月15日,该工作面顶板淋水再次增大,工作面涌水量增至105 m3/h左右,给矿井正常生产带来了严重影响,也给矿井安全造成了一定威胁。研究矿井水文地质条件、分析矿井突水和涌水量不断增大的原因、查明矿井充水水源和充水通道,是矿井目前亟待解决的重要现实问题之一。这不仅对于崔家沟煤矿制定合理的矿井水防治措施、有效防止矿井水患具有重要的实际意义,而且对于研究焦坪矿区乃至黄陇侏罗系煤田水文地质特征与规律也具有一定的理论意义[2]。
1 矿井水文地质条件
1.1 矿区水文地质特征焦坪矿区地处以凤凰山至长蛇岭为分水岭的渭河与洛河上游冲蚀地段,区内地形复杂,山峦起伏,沟壑纵横,梁、川遍布,坡陡谷深。以凤凰山至长蛇岭为界可将焦坪矿区划分为玉华水文地质单元和崔(家沟)-陈(家山)水文地质单元2个水文地质单元。崔家沟井田主体位于崔-陈水文地质单元内(图1),主要为崔-陈水文地质单元的补给区域,仅在西南部地形切割较深地段成为上游地表水的径流区和地下水的小范围、小强度的排泄区,而且以下降泉为其主要的排泄形式[3]。
1.2 矿井含(隔)水层井田内对矿井生产可能造成影响的含水层共5层:三叠系上统延长组砂岩裂隙含水层; 侏罗系中统直罗组和延安组含水层,混合抽水单位涌水量为0.000 055 L/s.m,渗透系数为0.000 052 m/d(CJ1号钻孔),属弱富水性含水层[4]; 白垩系下统洛河组下部砂岩裂隙含水层,单位涌水量为0.367 475 L/s.m,渗透系数为0.379 143 m/d(CJ1号钻孔),属中等富水性含水层[4]; 白垩系下统华池环河组砂岩裂隙含水层; 第四系松散堆积物孔隙潜水含水层。隔水层3层:侏罗系下统富县组隔水层; 白垩系下统宜君组相对隔水层; 白垩系下统洛河组上部相对隔水层。
2 井田构造
崔家沟井田位于华北板块鄂尔多斯断陷盆地的东南缘,地处鄂尔多斯盆地次级构造单元之渭北隆起的彬黄坳褶带内[5]。井田主体构造为一倾向北西的单斜构造,地层比较平缓,地层倾角2°~10°,发育有宽缓的褶皱[6]; 三维地震共发现12条断层,均为正断层,断距一般小于20 m,延展长度小于700 m,总体上井田构造简单。
3 充水水源
3.1 大气降水大气降水是地表水及地下水的补给来源,因此,矿井充水直接或间接都与大气降水有关。根据近几年矿区大气降水和崔家沟煤矿矿井涌水量资料分析结果,矿井涌水量的变化与大气降水量有一定关系(图2),一般在大气降水增大后,矿井涌水量滞后1~2个月后也随之增大。因此,大气降水是崔家沟煤矿矿井充水的间接补给水源之一。
3.2 地表水区内地表水主要为中部的杏树坪沟及西北部的翁沟、后沟等沟流。矿井开采之4-2煤层位于当地侵蚀基准面下。沟流区域煤层上覆基岩厚度一般在200~400 m之间,采煤后形成的导水裂隙带高度多在100 m以下,最大不超过150 m.可见采后导水裂隙带不会直接导通地表水体。但根据地表沟流流量观测结果,在翁沟和碾子沟汇流点至翁沟水坝段有10 m3/h左右的河水露失量,该河段河床有洛河砂岩出露,说明地表水可能通过地下含水层而间接涌入矿井,故其为矿井充水的间接水源。
3.3 地下水井田内的主要含水层为洛河组下部砂岩裂隙含水层,其次为侏罗系中统直罗组和延安组含水层。通过导水裂隙带高度计算,矿井采掘破坏可以影响到洛河组砂岩裂隙含水层,该含水层富水性中等,使得洛河砂岩地下水成为矿井主要的直接充水水源[7]。
3.4 老空区积水崔家沟煤矿由于开采时间长,周边小煤窑分布较多,多集中于井田东南部(图3)。井田内煤层由南东向北西方向开采,现开采盘区和未来开采三、四盘区虽离东南部的小窑较远,但井田主体构造为一倾向北西的单斜构造,矿井长期开采形成的采空区和小窑老空区长时间积聚可能会造成大量积水,后期开采区域较东南部低,老空水可能通过裂隙通道涌入矿井,从而构成矿井充水的直接水源之一。
图4 2107工作面与f2正断层位置关系示意图
Fig.4 Relationship of location between 2107 working face and f2 normal fault图5 4-2煤层导水裂隙带突破洛河组含水层底面区域示意图
Fig.5 Region of 4-2 coal seam water flowing fracture zones breakthrough the underside of Luohe formation aquifer4 充水通道
4.1 断层裂隙带井田范围内存在12条较小的正断层。在煤矿开采过程中,一旦导水断层与洛河组砂岩裂隙含水层导通,则会引发矿井集中涌水甚至突水事故[8]。2008-01-17发生于2107工作面的突水事故,即与f2断层的伴、派生断裂构造有关。2107工作面位于f2正断层上盘(图4),回采初期,煤层顶板完整,工作面基本无水,回采至工作面出现异常涌水地段时,可见煤层顶板裂隙发育,水由裂隙涌出而形成工作面大量淋水。现场分析认为,异常涌水地段应为f2正断层的伴、派生裂隙带所在,该裂隙带导通了上覆洛河砂岩含水层水,从而使工作面出现突水现象。
4.2 导水裂隙带矿井主采4-2号煤层,采用综采放顶煤一次采全高采煤方法,全部垮落式管理顶板,使顶板导水裂隙带成为矿井充水的主要途径。导水裂隙带的高度与井下煤层开采厚度、煤层顶板管理方法、岩性等直接相关[9-10]。区内煤层厚度0~24.5 m,煤层缓倾斜,据《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB12719-91)附录F中的中硬岩导水裂隙带最大高度经验公式
Hf=(100 M)/(3.3n+3.8)+5.1.
式中 Hf为导水裂隙带最大高度,m; M为累计采厚(取煤层厚度),m; n为煤分层层数,(当煤厚小于10 m时,取n=1; 当煤厚大于10 m时,取n=2)。
根据井田内85个钻孔的计算结果,导水裂隙带发育高度为9.18~408.06 m,一般为100 m.其中有26个钻孔开采导水裂隙带突破了洛河组砂岩裂隙含水层底界,突破高度在0.63~241 m之间,突破区域多集中在井田北部矿井后续开采的三、四盘区和四盘区以东(图5),使洛河组砂岩裂隙地下水可直接进入矿井,参与矿井涌水的补给。因此,导水裂隙带为未来矿井的主要充水通道。
4.3 封闭不良钻孔由于井田内地质勘探历史比较早,早期的钻孔封闭质量未经检查,封孔质量无法保证,如遇封闭不良钻孔,这些钻孔将成为导通上覆含水层甚至地表水体的通道,从而给煤矿安全造成威胁。应加强对钻孔封闭质量的调查研究工作。
5 结 论
井田地层总体呈倾向北西的单斜构造; 地表无较大水体,主要有杏树坪沟、翁沟和后沟等地表流水; 地下含水层有侏罗系中统直罗组和延安组含水层、白垩系下统洛河组下部砂岩裂隙含水层、白垩系下统华池环河组砂岩裂隙含水层和第四系松散堆积物孔隙潜水含水层,其中白垩系下统洛河组下部砂岩裂隙含水层层富水性较强。矿井充水水源主要有大气降水、地表水、含水层水和采空区积水等4类,其中大气降水和地表水为矿井的间接充水水源,含水层水和采空区积水为矿井的直接充水水源。矿井充水通道有断层裂隙带、采动导水裂隙带和封闭不良钻孔等形式,其中以采动导水裂隙带为主要充水通道,其次为断层裂隙带。
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