大屯姚橋礦礦井水文地質(zhì)條件分類(lèi)與評價(jià)

  礦井水文地質(zhì)條件分類(lèi)評價(jià)是礦井水害防治的重要工作，是礦井建設、生產(chǎn)不可缺少的基礎工作，直接關(guān)系到礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟合理性、礦井安全生產(chǎn)、區域生態(tài)環(huán)境安全等可持續發(fā)展。由于礦井水文地質(zhì)條件不清、未進(jìn)行評價(jià)等原因導致了礦井水害持續發(fā)生，給國家和人民生命財產(chǎn)帶來(lái)嚴重損失。

 

  因此，礦井水文地質(zhì)條件分類(lèi)與評價(jià)研究對礦井水害防治和礦井安全生產(chǎn)具有重要的意義。

 

  1 水文地質(zhì)條件分類(lèi)

 

  1.1 分類(lèi)研究現狀

 

  1.1.1 國外研究現狀

 

  國外研究礦井水文地質(zhì)條件分類(lèi)主要是原蘇聯(lián)，其他國家沒(méi)有獨立的學(xué)科[2-5]。1940 年，原蘇聯(lián)謝戈列夫把礦井水文地質(zhì)條件分類(lèi)為裂隙性堅硬巖層、疏松的砂質(zhì)粘土巖層、巖溶的和易溶解巖層3 種類(lèi)型；1944 年聶留波夫和謝戈列夫又根據地質(zhì)及水文地質(zhì)條件把金屬礦井分為4 個(gè)基本類(lèi)型和8 個(gè)組；1947年特羅揚斯基、普羅霍洛夫在1945 年、1951 年和1955年及卡丘金在1955 年都曾對礦井水文地質(zhì)條件的類(lèi)型進(jìn)行過(guò)分類(lèi)，把礦井分為簡(jiǎn)單、復雜及極復雜3種；克利門(mén)托夫在1953 年又按不同標準將礦井水文地質(zhì)條件分類(lèi)為8 類(lèi)[2-3]。此后的礦井水害水文地質(zhì)條件分類(lèi)趨于以多因素與多元信息組合為基礎。以原蘇聯(lián)為主的礦井水文地質(zhì)條件分類(lèi)，最初偏重于礦井地質(zhì)巖性、礦井的產(chǎn)狀等，其后主要考慮礦井充水條件和礦井開(kāi)采條件等。蘇聯(lián)解體后，俄羅斯的礦井水文地質(zhì)條件的分類(lèi)理論和方法與世界格局一樣，基本處于滯后狀態(tài)，已不能滿(mǎn)足礦井安全生產(chǎn)和礦井防治水害的要求。

 

  1.1.2 國內研究現狀

 

  國內研究礦井水文地質(zhì)條件分類(lèi)是從新中國建國后開(kāi)始的。初期由原蘇聯(lián)專(zhuān)家克蘭尼涅夫1955 年把煤礦井的水文地質(zhì)條件分類(lèi)為3 種類(lèi)型；阿加比也夫1957 年分類(lèi)為簡(jiǎn)單、復雜、極復雜3 類(lèi)。1958年我國水文地質(zhì)工作者沈爾炎將礦井水文地質(zhì)條件分類(lèi)為簡(jiǎn)單、復雜、極復雜3 類(lèi)；1959 年王銳等人分類(lèi)為簡(jiǎn)單、中等、復雜，極復雜4 種類(lèi)型。1962年、1974 年、1981 年、1982 年原國家相關(guān)部委對煤礦井、金屬礦井等礦井水文地質(zhì)條件分類(lèi)進(jìn)行完善與補充，提出了以含水巖層的空隙特征為依據的孔隙充水巖層為主礦井、裂隙充水巖層為主礦井、溶洞充水巖層為主礦井3 類(lèi)分法，并按水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件的復雜程度進(jìn)一步分類(lèi)為簡(jiǎn)單、中等、復雜3 種。

 

  目前水文地質(zhì)條件分類(lèi)研究工作多是以經(jīng)驗與實(shí)踐、試驗數據為基礎的定性分類(lèi)法。隨著(zhù)計算機及智能化軟件的發(fā)展，水文地質(zhì)條件分類(lèi)逐漸向定性、定量相結合的方向發(fā)展，如水文地質(zhì)條件文本分類(lèi)法、Fuzzy 模糊數學(xué)分類(lèi)法在水文地質(zhì)條件分類(lèi)中的應用等。

 

  1.2 分類(lèi)依據

 

  礦井水文地質(zhì)條件分類(lèi)依據是礦井客觀(guān)存在的自然水文地質(zhì)特征及開(kāi)采后產(chǎn)生的新水文地質(zhì)問(wèn)題，分類(lèi)突出水害防治基礎和水文地質(zhì)工作方法、水害防治的方法和措施、水害誘發(fā)的生態(tài)環(huán)境保護的方法措施等，重點(diǎn)突出礦井突水、涌水等水量預計、水害預測預報、水害環(huán)境效應及采后產(chǎn)生、引發(fā)的水文地質(zhì)工程地質(zhì)問(wèn)題等。

 

  1.3 分類(lèi)方案

 

  a. 第一種分類(lèi)方案

 

  以氣候因素、主要充水巖層巖性及空隙性質(zhì)、礦床與含水層接觸組合關(guān)系及人類(lèi)的影響破壞活動(dòng)因素，對礦井水文地質(zhì)條件進(jìn)行區、類(lèi)、亞類(lèi)、型等4個(gè)級別的分類(lèi)，將礦井水文地質(zhì)條件分為兩區、三類(lèi)、五亞類(lèi)、四型。

 

  b. 第二種分類(lèi)方案

 

  按開(kāi)采礦層及相關(guān)含水層埋藏深度進(jìn)行分類(lèi)，按開(kāi)采期間主要充水水源進(jìn)行分型，按礦井富水系數(礦井總涌水量同產(chǎn)礦量之比)大小分類(lèi)其亞型，按潛在水害因素進(jìn)行輔助類(lèi)型分類(lèi)等，將水文地質(zhì)條件分為四類(lèi)、五型、四亞型、四輔助型。

 

  2 水文地質(zhì)條件評價(jià)

 

  2.1 評價(jià)指標

 

  評價(jià)指標是指礦井水文地質(zhì)條件的主要影響因素，也是評價(jià)內容的方向，包括：礦層與侵蝕基準面、地下水位的關(guān)系；地表水體的影響因素；含水層富水性及補給條件；斷裂構造的發(fā)育程度；地質(zhì)災害的影響程度等。

 

  2.2 評價(jià)內容

 

  評價(jià)內容包括：

 

  a. 礦床(體)與當地侵蝕基準面及地下水位的關(guān)系。

 

  b. 地表水體的影響。地表水體對礦井充水的影響程度取決于地表水與礦層的距離、導水通道的性質(zhì)、地表水體的規模、性質(zhì)等因素。

 

  c. 含水層的富水程度及補給條件。含水層接受補給和儲存地下水的能力是控制礦床充水條件的一個(gè)重要因素。對暗河管道亞類(lèi)礦井涌水量起控制作用的是其入口的匯水面積。

 

  d. 斷裂構造的發(fā)育程度。構造斷裂帶是巖溶發(fā)育帶、富水帶，構造斷裂的發(fā)育程度在一定程度上反映巖層的富水性[16]。

 

  e. 地質(zhì)災害。水文地質(zhì)條件評價(jià)的地質(zhì)災害是評價(jià)地下水引起的或有關(guān)的地質(zhì)災害；流砂沖潰主要是孔隙水礦井的水文地質(zhì)條件問(wèn)題。

 

  2.3 評價(jià)手段方法

 

  評價(jià)手段方法主要有：

 

  a. 水文地質(zhì)測繪法。測繪方法包括地質(zhì)點(diǎn)的觀(guān)察和描述、水點(diǎn)的觀(guān)察與描述。

 

  b. 鉆孔簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀(guān)測法。觀(guān)測內容包括詳細記錄鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生涌水等出現的深度及層位、巖心水文地質(zhì)編錄、測定終孔穩定水位等。

 

  c. 地球物理及地球化學(xué)方法。常用方法是物探方法、示蹤試驗、遙感技術(shù)等，其他評價(jià)的地球物理及地球化學(xué)方法有水化學(xué)勘測、環(huán)境同位素方法的應用等。

 

  d. 礦井抽水試驗法。抽水試驗常用方法有穩定流、非穩定流的抽水試驗，單孔抽水、多孔抽水及群孔抽水，分層抽水、混合抽水，地表抽水試驗、井下放水試驗等。

 

  e. 地下水動(dòng)態(tài)研究法。地下水動(dòng)態(tài)研究主要是含水層在時(shí)間及空間上的變化特征、地下水流場(chǎng)的現狀及演變的過(guò)程與歷史、控制含水層動(dòng)態(tài)變化的因素；含水層之間及含水層與地表水體之間的相互聯(lián)系、制約的關(guān)系；含水層受區域補給的條件；褶皺、斷裂構造導水與阻水性能；礦井開(kāi)采時(shí)疏干排水的效果；漏斗擴展情況等。

 

  f. 礦井涌水量預測法。礦井涌水量預測常用方法是解析法、數值法、電網(wǎng)絡(luò )模擬法等。常用方法是水均衡法、回歸分析法、系統理論法(T 箱)、灰色系統方法。

 

  3 礦井水文地質(zhì)條件分類(lèi)評價(jià)案例大屯姚橋煤礦位于江蘇省徐州市西北大約 82 km處，大屯姚橋井田地貌屬黃淮沖積平原，為第四系地層覆蓋地區，地勢平坦，東部有常年積水的湖區。姚橋煤礦于1976 年投產(chǎn)，設計年生產(chǎn)能力為120 萬(wàn)t，現生產(chǎn)規?？蛇_300 萬(wàn)t/a。姚橋井田為全掩蓋式煤田，由于受區域構造的影響，斷裂構造較發(fā)育，湖區次一級褶曲較發(fā)育。

 

  3.1 邊界水文地質(zhì)條件

 

  姚橋井田南、北、西三面被大斷層所切割，為一傾向NNW的單斜構造，是補給不暢的相對隔水邊界，但在袁堂斷層局部及井田東南、西南煤層露頭區存在水源補給，為一相對獨立的封閉—半封閉的水文地質(zhì)單元。

 

  3.2 含水層水文地質(zhì)條件

 

  礦井主要含水層為：第四系松散含水層組，由北東向南西逐漸增厚，含水砂層厚度變化較大，井田東南、西南煤層露頭區；上侏羅統底部礫巖含水層溶洞裂隙發(fā)育，鉆孔揭露時(shí)普遍漏水；下石盒子組底部分界砂巖含水層，一般情況下對煤層開(kāi)采無(wú)影響，當綜采放頂煤厚度較大，“兩帶”發(fā)育高度增大時(shí)，導水裂隙帶波及到該含水層，通過(guò)采后老空區補給礦井；太原組灰巖含水層，總厚一般為160 m，共含灰巖14層，與煤層開(kāi)采有關(guān)的是L4 灰、L8—L9 灰和L12灰4 層灰巖，L8—L9 灰為17 煤頂板上覆充水含水層，屬弱含水層，L12 灰是21 煤開(kāi)采直接充水含水層，該灰巖富水性弱；奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層分為中、下奧陶統6 個(gè)地層組，為區域性強含水層，正常開(kāi)采山西組煤層時(shí)，由于與奧灰相距較遠，一般威脅不大，受袁堂斷層等大斷層的影響，由于斷層上盤(pán)開(kāi)采煤層與奧灰含水層對接，在其附近開(kāi)采煤層時(shí)，或當開(kāi)采太原組17、21 煤層時(shí)，由于與奧灰相距較近，奧灰水壓較大、斷裂發(fā)育時(shí)，存在水害威脅。

 

  3.3 礦井水源的水文地質(zhì)條件分類(lèi)

 

  a. 第四系松散層中間隔水層厚度較大，有效阻隔了大氣降水、地表水、第四系淺部松散層水與第四系底部砂礫層水、基巖含水層水之間的水力聯(lián)系，淺部松散層水、大氣降水、地表水一般不會(huì )對礦井充水。

 

  b. 第四系底部砂礫層水(底含水) 可通過(guò)煤層頂板砂巖露頭或其風(fēng)氧化帶、構造裂隙帶或采動(dòng)后的導水裂隙帶補給礦井，而第四系底部砂礫層水又可接受奧陶系灰巖水等其它含水層的補給，從而造成奧灰等強含水層間接補給礦井。

 

  c. 太原組L4 灰巖水 在露頭區通過(guò)第四系底部砂礫層接受底含水、奧灰含水層的補給；在袁堂斷層局部區段接受奧灰水的側向補給；通過(guò)鉆孔放水、巷道揭露L4 灰含水層突水、受斷層裂隙或工作面底板突水、斷層對工作面煤系砂巖含水層的側向補給而突水等方式補給礦井。

 

  d. 斷層水巷道揭露不導水的斷層受采動(dòng)影響，在工作面采后可以轉化為導水斷層；當斷層一側(或兩側)為含水層時(shí)，造成局部含水或導水。

 

  3.4 礦井含水層的水力類(lèi)型評價(jià)

 

  a. 第四系粘土層的3 隔水層、4 隔水層巖性主要為粘土，厚度分別為33.56 m、13.79 m，塑性指數14~32，分布穩定，隔水性強，有效地阻隔了大氣降水、地表水、第四系中上部砂層水與第四系底部含水層水、基巖地下水的水力聯(lián)系。

 

  b. 在井田東南、西南煤層露頭區，第四系沖積層底部含水層直接覆蓋在露頭區各基巖含水層上，使底含水與煤層頂板砂巖、L4 灰巖、奧灰等基巖含水層水直接產(chǎn)生水力聯(lián)系，當井巷揭露底含及下伏風(fēng)化砂巖、工作面回采導水裂隙帶波及底含和地層傾角及斷層影響，第四系沖積層底部含水層就成為礦井充水主要補給水源。

 

  c. 煤層頂板露頭風(fēng)化帶與第四系沖積層底部含水層直接接觸時(shí)，頂板砂巖水與底含水產(chǎn)生水力聯(lián)系，接受底含水的補給，可形成局部煤層頂板風(fēng)化裂隙帶、第四系底含復合含水體，對礦井充水。

 

  d. 井田內 7、8 煤層距L4 灰距離較大，中間地層有良好的隔水層，當斷層落差接近于煤層與太原組L4 地層的層間距時(shí)，煤層頂板砂巖裂隙水與L4 含水層產(chǎn)生水力聯(lián)系，工作面將接受L4 水的側向補給，對礦井充水影響較大。

 

  e. 袁堂斷層下盤(pán)奧灰強含水地層與上盤(pán)煤系地層對接，奧灰含水層在袁堂斷層局部區段與煤層頂板砂巖裂隙含水層及L4 灰含水層產(chǎn)生水力聯(lián)系，對礦井充水。

 

  3.5 礦井水文地質(zhì)條件評價(jià)

 

  礦井水文地質(zhì)條件評價(jià)見(jiàn)圖4。通過(guò)分析井田內各主要含水層的分布規律及其對煤炭開(kāi)采的影響、礦井的充水因素及突水規律，得出礦井主要水害類(lèi)型有第四系底含水、分界砂巖水、7 號煤層頂底板砂巖水、太原組L4 灰巖含水層水、奧陶系灰巖水、斷層水以及老塘老硐水，特別是7 號煤層的頂板砂巖水是礦井突水的主要含水層，通過(guò)評價(jià)得出煤礦水文地質(zhì)條件為中等類(lèi)型。