錦界煤礦水文地質(zhì)條件分析及探查技術(shù)研究

  錦界煤礦位于禿尾河流域東部, 礦井生產(chǎn)揭露表明地下水比較豐富。目前礦井已開(kāi)采完4個(gè)工作面, 礦井涌水量已超過(guò)2500m3 /h, 遠大于勘探報告預計的涌水量(原勘探報告預計的正常涌水量711.6m3 /h, 最大涌水量時(shí)868.8m3 /h)。隨著(zhù)礦井開(kāi)采面積的增大, 礦井涌水量呈繼續增加的趨勢。預計礦井涌水量與實(shí)際涌水量的嚴重不符,說(shuō)明對礦井水文地質(zhì)條件的認識與實(shí)際情況有較大偏差。

 

  因此, 需要重新分析礦井水文地質(zhì)條件, 確定礦井的主要充水水源、充水通道和充水特征, 制定切實(shí)可行水文地質(zhì)條件探查思路和礦井的防治水方案, 以保證錦界煤礦的安全生產(chǎn)。

 

  1 礦井水文地質(zhì)條件分析

 

  1.1 礦井主要充水水源

 

  根據礦井水文地質(zhì)條件、煤層覆巖結構類(lèi)型及礦井實(shí)際涌水情況分析, 錦界井田地表水的主要充水水源為青草界溝(長(cháng)年流水), 地下水主要充水水源是第四系松散巖類(lèi)潛水和頂板砂巖裂隙水, 頂板砂巖裂隙水主要是直羅組風(fēng)化巖孔隙裂隙承壓水, 從礦井開(kāi)采過(guò)程中實(shí)際揭露的含水層來(lái)看, 直羅組風(fēng)化巖水遠比第四系沙層水涌水量要大得多, 這與其它相鄰礦區以第四系沙層水為主的賦水特征迥然不同 。

 

  1.2 充水通道

 

  1.2.1 導水裂隙帶

 

  1)導水裂隙發(fā)育高度。錦界井田范圍內巖樣飽和極限抗壓強度平均值略大于40MPa, 故采用《三下》規程[ 3] 中的中硬巖類(lèi)冒落帶、導水裂隙帶及保護層厚度計算公式進(jìn)行計算, 得出的冒落帶高度為11.83m, 導水裂隙帶高度為42.94m, 保護層厚度為20.04m。

 

  據此分析, 本區3 -1 煤層開(kāi)采后冒落帶高度(含保護層)為31.87m, 導水裂隙帶高度(含保護層)62.98m, 3-1煤層上覆基巖厚度在青草界溝及兩側和隱伏溝地段小于導水裂隙帶發(fā)育高度(圖1)。冒裂裂隙可直接溝通風(fēng)化基巖含水層, 成為全區的主要充水通道。局部導水裂隙可溝通松散沙層潛水, 特別是青草界溝谷地帶冒落帶及土層缺失的“天窗” 地段, 可直接溝通松散沙層含水層而造成突水潰砂。

 

  2)導水裂隙發(fā)育特征。由上述計算結果和神北礦區大柳塔礦井實(shí)際觀(guān)測資料說(shuō)明, 近水平煤層, 上覆基巖厚度在30 ～ 50m, 受上部松散層的壓應力作用, 采空區冒裂特征不完全以“三帶” 發(fā)育規律呈現, 可能發(fā)生切冒和抽冒現象。

 

  從3-1煤層上覆基巖等厚線(xiàn)圖上可看出, J705 孔區基巖厚度僅5.6m左右, 冒落帶完全貫通基巖。在J605、J505、J706、J403孔區基巖厚度均小于40m, 這些基巖薄弱區是地質(zhì)直羅期發(fā)育的古沖溝, 發(fā)育長(cháng)度700 ～ 3000m, 寬度200 ～ 500m, 此區是導水裂隙帶強烈貫通基巖區, 是地下水嚴重影響礦井開(kāi)采的地段, 在導水裂隙帶溝通第四系沙層中等富水區的地段, 應提前采取頂板水預疏放措施;在可能溝通青草界溝地表水體地段, 應在地面采取溝底覆膜或敷設導水管的方法, 避免突水潰砂事故的發(fā)生。

 

  在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中, 根據工作面涌水量和地表塌陷情況判斷, 導水裂隙帶已經(jīng)直接波及至地表, 其發(fā)育高度遠大于理論計算值。另?yè)?lèi)似水文地質(zhì)條件非常相似的補連塔煤礦3140 工作面導水裂隙帶實(shí)測結果, 其導采比為31.93 ～ 34.98[ 4] 。因此, 錦界煤礦在該種水文地質(zhì)條件下開(kāi)采, 導水裂隙帶是礦井的主要導水通道。

 

  1.2.2 斷層、構造等地質(zhì)異常體

 

  錦界煤礦位于鄂爾多斯臺向斜東翼——— 陜北斜坡上,基本構造形態(tài)為一緩緩向北西傾斜的單斜構造。地層產(chǎn)狀平緩, 總體傾角小于10°左右, 區內未發(fā)現褶皺, 亦無(wú)巖漿活動(dòng), 目前近發(fā)現小型寬緩的波狀起伏和三條高角度正斷層。根據類(lèi)似礦區開(kāi)采經(jīng)驗, 采動(dòng)裂隙將貫通上覆各含水層, 而斷裂帶附近可能發(fā)育基巖相對富水地段。

 

  1.3 礦井充水特征

 

  錦界井田內第四系松散層潛水含水層富水性不均, 黃土隔水層厚度變化較大, 并存在透水“天窗”, 煤層頂板基巖厚度變化也較大, 因此不同地段礦井充水強度也存在較大差異。有利于礦坑充水的各種因素集中發(fā)育區, 即基巖薄, 土層厚度薄, 潛水富水性好, 大氣降水易于匯聚地帶, 如青草界溝谷及北側土層古沖溝發(fā)育區, 礦井涌水量較大并可能伴有潰砂現象, 尤其是冒落帶溝通潛水地段, 充水量一般是由大逐漸變小, 其歷時(shí)受充水水源的儲水量大小控制。

 

  在井田內基巖厚度較大、土層缺失、潛水富水性不確定地段, 礦井涌水量變化較大。本區直羅組含水層富水性中等區主要位于一盤(pán)區, 北部富水性弱, 南部漏水孔分布地段直羅組含水層會(huì )造成局部礦井涌水量顯著(zhù)增大。

 

  當松散層潛水和風(fēng)化層承壓水富水性一定時(shí), 冒裂通道導通程度則決定充水強度的大小。裂隙密集暢通, 充水強度相對就大, 反之則小。初次冒裂范圍大, 充水強度則大。由于本區充水層包括沖、湖積層潛水, 所以, 當冒落裂隙發(fā)育較窄小時(shí), 初始涌水攜帶少量泥砂, 經(jīng)過(guò)一段時(shí)期裂縫變大時(shí), 則攜帶的泥砂量也較大, 甚至對生產(chǎn)造成威脅。

 

  2 礦井水文地質(zhì)條件探查技術(shù)

 

  2.1 水文地質(zhì)條件補勘內容

 

  鑒于井田面積大, 大范圍物探工作投入過(guò)大, 而到目前為止, 對于大面積范圍內古河道和古沖溝的探查尚無(wú)有效手段, 在本次水文地質(zhì)補充勘探的方式上, 提出首先以GIS平臺下的遙感水文地質(zhì)調查為區域和井田普查手段, 圈定可疑富水區域和古河道, 然后以地面電法為重點(diǎn)驗證手段, 在重點(diǎn)地段和可疑區域進(jìn)行探查和驗證, 最后用水文地質(zhì)鉆探驗證并獲取可疑地段的水文地質(zhì)資料。應用本方案可以加快井田水文地質(zhì)補勘的進(jìn)度, 減少物探和鉆探工程量, 從而降低補勘的成本。

 

  2.2 水文地質(zhì)條件探查方法

 

  針對錦界煤礦的水文地質(zhì)特征及現有技術(shù)手段, 以6種方法綜合探查井田水文地質(zhì)條件, 為防治水方案制定和礦井涌水量預測提供依據。這6種探查方法是:GIS平臺下的遙感探查、水文地質(zhì)鉆探、水文地質(zhì)物探、水文地質(zhì)試驗、水文地球化學(xué)研究、水文地質(zhì)觀(guān)測網(wǎng)建立和水文地質(zhì)調查等。

 

  2.3 各探查方法的目的和任務(wù)

 

  2.3.1 GIS平臺下的遙感探查

 

  遙感探查目的和任務(wù)主要是為了查明區域完整的水文地質(zhì)單元, 以區域地下水的補、逕、排條件為重點(diǎn), 圈定區域水文地質(zhì)測繪面積;通過(guò)水文地質(zhì)遙感調查, 查明礦床疏干可能影響的范圍及補給邊界, 以及礦床充水因素和礦區水文地質(zhì)邊界條件。

 

  2.3.2 水文地質(zhì)鉆探

 

  水文地質(zhì)鉆探是指勘探孔、抽水試驗孔、水位觀(guān)測孔的施工, 它是取得直觀(guān)水文地質(zhì)資料的重要手段。其目的是通過(guò)詳細鉆孔編錄和描述, 確定含水層水位、沙層厚度、潛水含水層厚度、直羅組風(fēng)化基巖厚度、正?；鶐r頂界面、基巖厚度、含水層和隔水層巖性、厚度、裂隙發(fā)育程度及其富水性等資料。通過(guò)鉆探探查第四系含水層和侏羅系直羅組含水層的厚度、空間展布、富水性, 補給、徑流和排泄條件, 為礦井涌水量評價(jià)和實(shí)施疏降水開(kāi)采的可行性論證提供基礎資料;同時(shí)探查第四系與基巖風(fēng)化帶之間的紅土隔水層的厚度、分布及其穩定性、阻水能力, 為充分利用隔水層防治第四系松散層潛水和地表水體提供基礎資料;此外, 還可以驗證遙感和物探圈定的富水異常區域。

 

  2.3.3 水文地質(zhì)物探

 

  目前錦界煤礦主要受第四系潛水和基巖風(fēng)化帶承壓水等的威脅, 在開(kāi)采之前或開(kāi)采初期必須查明開(kāi)采區域內第四系潛水含水層、基巖風(fēng)化帶含水層的富水性及主要富水區域。針對錦界井田的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件, 并根據各種物探方法在水文地質(zhì)勘探中的應用效果, 采用分辨率較高的高密度電阻率勘探方法, 探測和確定主要富水區的分布范圍。物探工作的主要地質(zhì)任務(wù)是:查明富水范圍、含水層厚度、富水性、松散層厚度及基巖頂面的起伏形態(tài), 控制其分布范圍。

 

  2.3.4 直羅組含水層放水試驗

 

  根據對礦井水文地質(zhì)條件和礦井主要充水水源分析,侏羅系直羅組砂巖含水層是目前礦井主要充水水源, 其次是第四系松散層含水層。因此, 確定放水試驗的放水層為直羅組砂巖含水層, 觀(guān)測直羅組砂巖含水層和第四系松散層含水層的水位。放水試驗的目的是建立水文地質(zhì)數值模型, 通過(guò)參數反演, 獲取不同地段的水文地質(zhì)參數, 包括滲透系數、給水度等;通過(guò)正演計算, 預計礦井涌水量,進(jìn)行預疏放孔優(yōu)化布置等工作。通過(guò)放水試驗, 可以對直羅組砂巖含水層的補給量有明確的認識, 圈定試驗影響范圍內第四系潛水對直羅組砂巖承壓水的補給位置。通過(guò)水文地質(zhì)試驗, 確定含水層的水文地質(zhì)參數、評價(jià)含水層的富水性、了解不同含水層間的水力聯(lián)系等, 評價(jià)礦井涌水量, 包括不同盤(pán)區和工作面涌水量。

 

  2.3.5 水文地球化學(xué)研究

 

  水文地球化學(xué)研究主要包括水化學(xué)成份的分析和研究、同位素組成分析研究和示蹤試驗研究三部分。在煤礦區進(jìn)行這些研究的主要目的和任務(wù)是:

 

  1)進(jìn)一步查明地下水的補給、徑流和排泄條件。地下水本質(zhì)上是一種溶液, 這種溶液的特征很大程度上反映了地下水的環(huán)境狀況或其他水文地質(zhì)條件。

 

  2)判別礦井突水水源, 為制定礦井防治水措施提供依據。尋找能代表每個(gè)含水層地下水特征的特征組份是進(jìn)行突水水源判別的關(guān)鍵。

 

  3)查明第四系含水層和直羅組含水層之間的水力聯(lián)系, 以及地表水與含水層之間的水力聯(lián)系。

 

  2.3.6 地下水長(cháng)期觀(guān)測網(wǎng)

 

  通過(guò)施工的水文地質(zhì)孔, 建立井田地下水長(cháng)期觀(guān)測系統, 采集動(dòng)態(tài)資料, 掌握地下水動(dòng)態(tài)變化規律以及礦井開(kāi)采活動(dòng)對地下水系統的影響規律, 為礦井防治水方法研究提供資料和依據。建立觀(guān)測網(wǎng)的目的是:

 

  1)了解不同含水層或同一含水層不同區段的水位變化情況, 確定井田范圍內地下水流場(chǎng)。

 

  2)通過(guò)豐水期、枯水期地下水位的動(dòng)態(tài)觀(guān)測, 分析影響礦區地下水位變化的主要因素, 判斷地下水位動(dòng)態(tài)變化與降水、礦井疏排水、地表水體之間的關(guān)系。

 

  3)當需要進(jìn)行抽(放)水試驗時(shí), 可有效地控制激發(fā)流場(chǎng)的分布情況, 從而為井田或采區地下水徑流特征分析提供依據。

 

  4)當井下發(fā)生突水時(shí), 通過(guò)加密觀(guān)測各含水層地下水位, 有助于確定突水水源和途徑, 以便及時(shí)采取措施。

 

  3 結 論

 

  1)錦界煤礦地表水主要充水水源是青草界溝和河則溝,地下水主要充水水源是第四系沙層孔隙水和直羅組風(fēng)化巖裂隙水, 其中風(fēng)化巖裂隙水遠比沙層水含水豐富, 是礦井水害的主要來(lái)源;礦井的主要充水通道是煤層開(kāi)采形成的導水裂隙帶, 其次為原生結構面裂隙, 局部為斷層裂隙。

 

  2)提出了采用GIS平臺下的遙感探查、水文地質(zhì)鉆探、水文地質(zhì)物探、水文地質(zhì)試驗、水文地球化學(xué)研究和水文地質(zhì)觀(guān)測網(wǎng)建立等6 種方法聯(lián)合探查錦界井田水文地質(zhì)條件, 并明確了各種探查方法的目的和任務(wù)。