山西省霍州礦區水文地質(zhì)條件及礦井充水條件分析

  1 礦區概況

 

  霍州礦區地處山西省霍西煤田中部, 臨汾盆地的最北端。東起霍山西側, 西至呂梁山東麓, 南至洪洞縣, 北接汾西礦區。礦區地處霍山、呂梁山兩個(gè)隆起帶間, 以低山和黃土丘陵地貌特征為主, 地形南低北高, 海拔500～1 300m, 區內汾河由北而南流經(jīng)礦區。礦區面積1 565km2?；糁莸V區現有七對礦井分布在汾河兩岸, 汾河以東有曹村、辛置、李雅莊礦井, 汾河以西有白龍、團柏、迥坡底和干河礦井。

 

  2 地質(zhì)概況

 

  2.1 地層

 

  霍州礦區主要地層為太古界、元古界長(cháng)城系、古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、第三系、第四系, 區內部分地區為新生界地層覆蓋, 僅在汾河河谷有少量奧陶系出露, 局部二疊系下統下石盒子組和山西組出露。

 

  本區含煤地層為石炭系中統本溪組和太原組,二疊系下統山西組, 含煤層共15 層, 平均總厚度14.56m。主要可采煤層有1#、2#、10#(9#、10# 合并開(kāi)采)和11# 煤層。

 

  2.2 構造

 

  霍州礦區處于祈呂賀蘭山字型構造東翼外緣及新華夏系構造復合部位, 以斷裂構造為主, 伴有開(kāi)闊褶曲, 為一個(gè)軸向NNE 的開(kāi)闊向斜, 向斜以西和以東分別為呂梁山和霍山復式背斜, 背斜軸向均為NNE 向。即霍西復向斜。

 

  羅云山斷層和霍山斷層分別構成了霍西煤田霍州礦區的西部和東部邊界。邊界之內發(fā)育了一系列規模較小的正斷層, 構成了山西地塹臨汾盆地內, 階梯狀斷陷及地塹地壘相間和復雜構造格局。

 

  一系列正斷層主要有:下團柏斷層、上團柏斷層, 赤峪斷層、什林斷層、張端斷層和萬(wàn)安斷層。此外, 中小斷層極為發(fā)育。

 

  3 區域水文地質(zhì)條件

 

  3.1 泉域系統

 

  霍州礦區巖溶地下水屬郭莊泉巖溶水系統。該系統總面積5 128km2, 其中裸露區面積1 510km2。東部邊界靈石以南由近南北向展布的霍山斷裂構成,靈石以北由汾介斷裂構成, 為阻水邊界; 西部邊界大體平行于紫荊山斷裂帶, 以紫荊山斷層及出露地表的寒武系徐莊組以老地層為阻水邊界; 北邊界以文水縣康家堡及以西寒武系徐莊組以老地層出露地表為界, 構成阻水邊界; 西南段以山頭地壘、青山峁背斜為界, 構成與南部龍子祠泉巖溶水系統的分界; 東南段以萬(wàn)安斷層為界形成局部透水邊界。郭莊泉排泄區位于霍州市南7km 處的郭莊附近, 郭莊泉在0.5km2 范圍內有泉眼60 個(gè), 該泉受下團柏斷層阻隔形成的上升泉。

 

  3.2 地下水補徑排條件

 

  霍州礦區在區域上處于由汾河斷陷盆地及周?chē)膮瘟荷?、霍山山區組成的完整的水文地質(zhì)單元內。補給區為呂梁山裸露區以東奧陶系灰巖廣泛發(fā)育的地帶, 在汾河河谷奧陶系石灰巖出露地段, 河床基本由奧陶系灰巖組成, 第四系砂礫石孔隙含水層和奧灰含水層相互貫通, 汾河高水位期地表水大量滲漏補給奧陶系灰巖。因此,本區地下水補給來(lái)源以大氣降雨滲入補給為主, 地表水滲漏補給為輔。

 

  地下水徑流方向受地層坡度和巖層傾向影響,從N、NW、W三面向郭莊泉排泄, 泉水流量大而穩定, 高達7m3/s, 靜止水位標高520～545m, 水力坡度平緩為1.7‰, 地下水徑流通暢。根據霍州礦區水文地質(zhì)資料分析, 具有距離泉口越近其單位涌水量越大, 水文地質(zhì)條件越復雜的特點(diǎn)。

 

  3.3 含水巖組

 

  霍州礦區區域含水層分為四大含水巖組。

 

  ①松散巖類(lèi)孔隙含水巖組。第四系和第三系松散巖類(lèi)含水巖組。

 

  ②碎屑巖類(lèi)裂隙含水巖組。碎屑巖類(lèi)含水巖組和碎屑巖夾碳酸鹽巖類(lèi)含水巖組。

 

  ③碳酸鹽巖類(lèi)巖溶裂隙含水巖組。奧陶系含水巖組: 以峰峰組二段、上馬家溝組二段及下馬家溝組二段為主要含水層。寒武系含水巖組: 以中寒武系張夏組為主要含水層。

 

  ④變質(zhì)巖類(lèi)裂隙含水巖組。以變質(zhì)巖及侵入巖為主, 富水性弱。

 

  4 霍州礦區水害現狀及礦井充水類(lèi)型劃分

 

  4.1 礦區礦井水害現狀

 

  霍州礦區受多次構造運動(dòng)影響, 構造十分發(fā)育,斷裂構造平均91 條/km2, 陷落柱平均60 個(gè)/km2。礦區位于郭莊泉域的徑流帶和排泄區, 地下水豐富( 郭莊泉自然流量4~6m3/s) , 水文地質(zhì)條件復雜。受地下水與構造兩種地質(zhì)因素的共同影響, 礦井水害威脅十分嚴重。

 

  隨著(zhù)開(kāi)采水平的不斷延伸和開(kāi)采深度的不斷加大, 礦井受水害威脅程度也越來(lái)越大, 防治水工作愈顯突出。目前有7 對礦井帶壓開(kāi)采, 所采煤層處于K2、O2 灰巖承壓水靜水位以下, 最大水頭壓力6.1MPa。7 個(gè)帶壓生產(chǎn)礦井地質(zhì)儲量141 641.3 萬(wàn)t,帶壓開(kāi)采地質(zhì)儲量達100 844萬(wàn)t, 占總儲量的71.2%。下組煤直接頂板為K2 灰巖含水層,正常涌水量700～900m3/h。巨厚奧灰巖溶含水層距主采煤層11# 煤底板平均25m ( 最小僅16m) , 存在突水可能。水害已成為威脅礦井安全生產(chǎn)的一個(gè)主要因素。

 

  霍州礦區水文地質(zhì)條件復雜, 水害類(lèi)型多樣。既有底板灰巖水害, 又有頂板砂巖水害, 還存在老空水害。在歷史上霍州礦區各礦曾發(fā)生大小水害事故多起。如團柏礦在443 水平掘進(jìn)軌道巷和皮帶巷時(shí)發(fā)生突水, 三個(gè)突水點(diǎn)水量共800m3/h, 后逐漸增大到1 100m3/h, 突水點(diǎn)隨巷道掘進(jìn)移動(dòng),突水點(diǎn)水源來(lái)自?shī)W陶系灰巖巖溶水。又如曹村礦發(fā)生過(guò)三次較嚴重的突水事故, 其中兩次為老窯水, 一次為奧灰水突水。近期2007 年4 月白龍礦在巷道開(kāi)拓時(shí)遇陷落柱發(fā)生突水, 水量由揭露初期100m3/h增至400m3/h, 造成工作面淹沒(méi)被迫停產(chǎn)?；糁莸V區其他各礦也發(fā)生過(guò)程度不等的水害事故。

 

  目前隨著(zhù)各礦區淺部上組煤開(kāi)采相繼結束, 埋藏深的上組煤曹村擴區2# 煤將接續開(kāi)采, 各礦逐漸進(jìn)入以開(kāi)采下組煤為主的生產(chǎn)時(shí)期, 大部分下組煤底板標高位于下伏奧灰水位以下, 為帶壓開(kāi)采( 表1) 。如近期發(fā)生突水的白龍礦, 目前地質(zhì)儲量23 901萬(wàn)t, 受水威脅的儲量18 430.7 萬(wàn)t, 占總儲量的77%, 奧灰含水層補給面積大, 為強富水含水層, 對煤層開(kāi)采將產(chǎn)生較大影響。白龍礦地處地下水排泄區和徑流區, 地下水活動(dòng)強烈, 南北向的徑流帶從礦區東北部穿過(guò), 礦區直接接受地下水的側向補給,1#、2# 煤和大部分下組煤位于太原組K2 灰巖和奧灰含水層水位以下, 白龍礦構造斷裂異常發(fā)育, 斷層密度達80 條/km2, 陷落柱密度90 個(gè)/km2, 局部密度達120 個(gè)/km2, 個(gè)別斷層和陷落柱存在導水現象, 使得白龍礦水文地質(zhì)條件愈加復雜, 礦井的防治水工作難度更大。辛置礦東四采區540 水平開(kāi)采下組煤, 最大帶壓值1.35MPa, 突水系數達1.35MPa/m。曹村礦250 水平以上下組11# 煤的開(kāi)采, 煤層底板最大帶壓2.65MPa, 突水系數將高達0.265MPa, 同樣面臨奧灰高水壓下安全帶壓開(kāi)采的問(wèn)題。

 

  4.2 礦井充水類(lèi)型劃分

 

  霍州礦區屬于華北型煤田, 上組煤受石盒子組砂巖和第四系砂礫石含水層影響, 下組煤同時(shí)受太原組灰巖和奧陶系灰巖水威脅。由于受歷次構造運動(dòng)疊加的影響, 各礦的水文地質(zhì)條件有較大差異。按礦井的充水水源和充水方式可劃分為: 頂板透水、底板突水、老窯潰水和斷層突水四種類(lèi)型。

 

  ①頂板透水。上組煤頂板距老頂石盒子組砂巖裂隙含水層僅4～5m, 下組煤的直接頂板為太原組K2 灰巖含水層, 采動(dòng)影響下形成的冒落裂隙移動(dòng)帶“三帶高度”溝通含水層引發(fā)突水。如曹村礦10# 煤工作面揭露的突水點(diǎn)90%以上為K2 灰巖裂隙水, 上組煤出水點(diǎn)幾乎全部為K8 砂巖水。在煤層淺埋地帶2# 煤與第三系風(fēng)化帶和第四系孔隙水直接與煤層頂板接觸, 含水層水直接補給礦井。

 

  ②底板突水?；糁莸V區上組煤至太灰巖厚度70m, 下組煤距奧灰巖小于30m, 底板水壓大于安全值的情況在辛置、曹村、白龍、團柏、迥坡底、李雅莊、干河各礦普遍存在, 各礦不同程度的存在底板突水危險。

 

  ③老窯潰水。由于小煤窯亂采濫伐破壞防水煤柱或采掘中意外觸及小煤窯采空區廢棄的老空積水區引發(fā)突水事故, 如曹村, 辛置礦老空突水占全部突水事故的一半以上。曹村礦兩次由于揭露了小煤窯的老空區引起突水事故。1966 年突水水量達14594.6m3/h, 給礦井造成極大損失。白龍礦周邊小煤窯及廢棄老窯多達115 個(gè), 也曾發(fā)生過(guò)小煤窯潰水事故。

 

  ④斷層突水。斷層構造發(fā)育是本區的主要特點(diǎn),由于斷層錯動(dòng), 使煤層和含水層對接或距離縮短, 或斷層本身具導水性, 造成突水事故。白龍礦因揭露斷層共造成突水四次, 對于構造異常發(fā)育的霍州礦區各礦應對斷層突水危險性極大。

 

  5 礦井充水條件分析

 

  5.1 充水水源

 

  霍州礦區礦井充水水源主要有: 奧陶系灰巖巖溶水(O2) ; 太原組灰巖裂隙水(K2) , 上石盒子組砂巖裂隙水(K3、K4、K8) , 第四系砂礫巖孔隙水(Q) 和老窯水。

 

  據調查統計各礦的突水水源較多, 其中太原組灰巖K2、砂巖K4 在汾河以西的白龍礦、團柏礦、迥坡底礦和干河礦富水性較好, 為中等—豐富含水層,特別是白龍礦K4、K3、K2 灰巖受井田內斷層影響與奧灰巖接觸, K2 灰巖裂隙溶洞發(fā)育, 鉆孔單孔涌水量達40m3/h, 太灰水K2 對下組煤開(kāi)采造成較大影響。處在汾河以東的曹村、辛置、李雅莊K2 灰巖富水性較弱, 一般為弱含水層, 井下K2 出水量一般也為3～30m3/h。

 

  5.2 充水通道

 

  充水通道包括陷落柱導水, 斷層和裂隙帶導水,封閉不良的鉆孔導水、含水層直接與煤層接觸導水等。

 

  5.2.1 陷落柱導水

 

  本區陷落柱異常發(fā)育, 據統計白龍礦已揭露陷落柱高達532 個(gè); 團柏礦揭露陷落柱29.6 個(gè)/km2; 迥坡底礦平均16 個(gè)/km2; 李雅莊礦平均90 個(gè)/km2, 其中N0183# 陷落柱造成工作面突水, 初始水量25m3/h, 后水量穩定在50m3/h; 曹村井田揭露陷落柱60個(gè), 平均密度20 個(gè)/km2, 其中11 個(gè)導水, 占18%, 上組煤揭露34 個(gè)有6 個(gè)導水, 占17.6%, 9、10 號煤揭露26 個(gè), 有5 個(gè)導水, 占19.2%, 500m 奧陶系石灰巖大巷揭露6 個(gè)有3 個(gè)導水, 占50%。

 

  目前盡管淺部揭露的陷落柱絕大多數不導水,但當深部水壓增大, 仍存在導水的可能性, 一旦溝通奧灰含水層, 陷落柱就成為重要通道, 因此應特別重視發(fā)育在構造帶、褶皺軸部, 斷裂帶的規模較大, 發(fā)育較深的陷落柱。

 

  5.2.2 斷層和裂隙帶導水

 

  斷裂構造極為發(fā)育是本區另一共同特點(diǎn)?；糁莸V區構造十分發(fā)育, 斷裂構造平均91 條/km2, 在區域性構造斷裂控制下, 各礦發(fā)育的斷層均以NE—NNE 向正斷層為主。白龍礦井田范圍內落差大于5m 的斷層45 條; 團柏礦斷層密度達130 條/km2; 迥坡底礦發(fā)育斷層23 條, 李雅莊礦落差大于5m 的斷層64 條, 可見(jiàn)各礦斷裂構造異常發(fā)育, 且部分具有導水性, 如白龍礦曾發(fā)生規模較大的斷層突水4 次,構造裂隙帶突水10 次。自1985 年至2006 年突水點(diǎn)統計情況可以看出, 由斷層及裂隙帶破碎帶導致的突水占絕大多數, 而且在下組煤開(kāi)采中突水點(diǎn)個(gè)數明顯比上組煤開(kāi)采時(shí)多。

 

  根據區內地質(zhì)條件, 當斷層落差大于58m 時(shí),K3、K4、K2 灰巖就會(huì )與O2 灰巖對接, 產(chǎn)生水力聯(lián)系,落差大于25m 的斷層都會(huì )造成K2 和O2, K4～K2 直接接觸, 發(fā)生水力聯(lián)系。同時(shí)水平底板帶壓高, 隔水層厚度薄, 突水系數超過(guò)安全帶壓開(kāi)采下限, 存在突水的危險性。斷裂破碎帶是下伏含水層最主要的導水通道, 是引發(fā)突水的重要條件。

 

  5.2.3 封閉不良的鉆孔導水

 

  歷史上封閉不良的廢棄鉆孔往往成為下伏含水層的導水通道, 白龍礦是不良導水鉆孔最多的礦區,370 水平周邊23 個(gè)鉆孔終孔后全部未進(jìn)行封孔檢查, 經(jīng)檢查其中有4 個(gè)鉆孔未封孔, 5 個(gè)鉆孔封孔質(zhì)量不合格, 23 個(gè)鉆孔中有16 個(gè)揭露奧灰含水層, 這些封孔不良的鉆孔是奧灰承壓水與上覆巖層溝通的通道。歷史上曾因833, 819 兩個(gè)鉆孔導水, 造成2-401 和2- 402 工作面發(fā)生突水, 最大水量85m3/min。

 

  5.2.4 含水層直接與煤層接觸導水

 

  構造運動(dòng)造成含水層和煤層直接接觸導水。曹村擴區南部煤層淺埋地帶2# 煤頂板直接與K8 或第三系、第四系裂隙孔隙含水層接觸造成2# 煤發(fā)生頂板水害可能性加大。白龍礦在煤層淺埋地帶曾發(fā)生過(guò)2# 煤頂板冒落裂隙帶溝通第四系含水層水引發(fā)突水。

 

  6 結語(yǔ)

 

  霍州礦區由于處于郭莊巖溶水系統的徑流帶和排泄區, 地下水水量大, 礦區水文地質(zhì)條件復雜, 加之構造十分發(fā)育, 多數礦井帶壓開(kāi)采, 水害類(lèi)型復雜多樣。隨著(zhù)開(kāi)拓范圍的不斷擴大, 開(kāi)采深度向下延深, 所屬各礦的水文地質(zhì)條件日益復雜, 多種水害類(lèi)型逐漸顯現。為了確保礦井安全, 提高企業(yè)的經(jīng)濟效益, 促進(jìn)煤炭生產(chǎn)的持續發(fā)展, 必須從根本上消除和治理威脅安全生產(chǎn)的各類(lèi)隱患, 逐步實(shí)施煤礦水害的防治措施, 防治水工作愈顯突出, 急需開(kāi)展礦井防治水工作, 并且加強礦區水文地質(zhì)條件和防治水分析研究, 以保證礦井生產(chǎn)的持續發(fā)展。