沁水煤田坪上井田充水因素分析_张茂林

文章编号:1001-1986(2002)04-0038-03沁水煤田坪上井田充水因素分析张茂林1,马新胜2(11晋城市煤炭研究所,山西晋城 048000;21山西地质局212地质队,山西长治 046000)摘要:对延河泉域北部的坪上井田3号煤层和15号煤层的充水因素进行了综合分析,将该井田和突水严重的山东淄博矿区从区域水文地质条件、隔水岩层厚度、断层导水作用、含水层的富水性诸方面进行对比,分析煤层底板突水的可能性。

由此得出结论,3号煤和15号煤的开采是比较安全的。

关 键 词:充水因素;隔水层;沁水煤田中图分类号:P64114 文献标识码:A1 引言坪上井田位于山西省沁水县端氏镇西,区内主要河流为沁河,环绕井田北部及东部边缘向南流去,年径流量31652~12.557亿m 3。

井田内主要可采煤层为山西组3号煤层及太原组15号煤层,9号煤层局部可采。

3号煤层厚4165~5175m,15号煤层厚2124~3160m,为优质无烟煤,煤层埋深大于300m 。

井田内尚无生产矿井及小窑,离井田最近的生产矿井为永红煤矿,位于井田南约9km 。

2 水文地质条件沁水井田位于延河泉域北部,奥陶系灰岩岩溶裂隙不甚发育,富水性弱,往南其富水性有变强的趋势。

(图1)延河泉域碳酸盐岩岩溶水主要接受东南和西南部灰岩裸露区的大气降水的补给,另有地表水及上覆地层裂隙孔隙水通过断层破碎带或越流补给。

端氏一带岩溶水近于滞流,径流缓慢,补给条件差;潘庄到润城一带为岩溶水径流区,润城以南的下河泉,延河泉一带为岩溶水排泄区。

井田内按含水介质的不同,可分为4类含水层组。

211 碳酸盐岩含水层组主要为奥陶系中统的一套海相地层,其顶板埋深在400m 以下,水位标高550~560m 。

上距15煤21~25m 。

中奥陶统灰岩岩溶裂隙越往上发育越差,峰峰组富水性最弱,上马家沟组次之,下马家沟组较好。

井田内奥陶系灰岩岩溶水水质类型属硫酸型水,矿化度高达4g P L 以上,也反映了径流缓慢,补给条件差,富水性弱的滞流区特征。

该井田奥陶系灰岩岩溶水主要接受寺头断层破碎带地下水的补给,其依据是寺头断层破碎带水位高出岩溶水水位20~40m 。

而延河泉域东南、西南灰岩裸露区水位低于该井田40~70m,(图1)不可能补给该井田岩溶水。

212 碎屑岩夹碳酸盐岩类含水层组石炭系太原组的一套海、陆交互相地层,为主要含煤地层之一。

厚度为84~89m 。

含水层主要为砂岩及K2、K3、K4、K5灰岩,其间夹数层泥岩、泥质砂岩等塑性岩层,相互间水力联系微弱。

各含水层裂隙岩溶不发育,富水性差,钻孔混合抽水试验单位涌水量仅为010058L P s #m,渗透系数010013m P d,水质类型HCO 2-K+Na 型,在寺头断层破碎带附近富水性相对较好。

地下水的主要来源为上覆地层的越流补给以及通过断层破碎带,再沿层面横向补给的水流。

213 碎屑岩类含水层组岩性主要为二叠系的一套以陆相沉积为主的碎屑岩类。

厚度为195~295m 。

山西组地层为主要含煤地层之一,3号煤为井田内煤层最厚、埋藏最浅的可采煤层。

含水层主要为呈中、厚层状分布的中、细粒砂岩,为开采3号煤层的主要充水来源,但其砂岩裂隙不发育,富水性差,钻孔单位涌水量010011L P s #m,渗透系数010025m P d,水质类型为HCO 2-K +Na 型。

在寺头断层附近富水性相对较好,钻孔单位涌水量010074L P s #m,渗透系数010092m P d 。

下石盒子组在井田内没有出露,上石盒子组普遍出露,含水层岩性主要为中、细粒砂岩,一般裂隙不发育,富水性差,但在接近地表的风化带(一般厚60~90m),裂隙较发育,受大气降水影响,富水性相对较好,收稿日期:2001-09-12作者简介:张茂林(1963)),男,山西临猗县人,山西省晋城市煤炭研究所工程师,煤炭开采技术专业1#38#煤田地质与勘探COAL GEOLOGY &EXPLORATIONVol.30No.4Aug.2002图1沁水煤田延河泉域水文地质略图1)))碳酸盐岩类;2)))碎屑岩夹碳酸盐岩类;3)))碎屑岩类;4)))松散岩类;5)))正断层;6)))地层产状;7)))岩类界线;8)))坪上井田边界线;9)))上升泉出露标高(m);10)))下降泉出露标高(m);11)))钻孔编号岩溶水位标高(m);12)))岩溶水等水位线钻孔单位涌水量01019L P s#m,渗透系数01055m P d,水质类型属HCO2-K+Na型。

214松散岩类含水层组主要指第四系松散沉积物,其中富水性较好,有一定供水意义的为沿沁河一级阶地及二级阶地前缘呈带状分布的上更新统、全新统孔隙含水层,岩性由亚砂土、砂及卵砾石组成,主要接受大气降水补给,向河流及其岩风化带排泄。

33号煤层充水因素分析311邻近矿井的充水因素特征永红煤矿位于坪上井田以南约9km,开采3号煤层,总开采面积0172km2,分设上、下两个水仓排水,上水仓排水量70~350m3P d,为井筒所穿地层的充水,主要为浅层地下水和大气降水入渗;下水仓每隔2~3 d排一次水,每次排水量50~187m3,主要为3号煤层顶板砂岩充水。

排水量雨季增大,旱季减少,上水仓变化较大,下水仓变化较小。

该矿开采水平+380m,分别低于当地中奥陶统上马家沟组岩溶水位标高(516m)及当地沁河河床标高(523m)百余米,但未发现有底板突水和河道侧向大量补给的现象[1]。

312本井田3号煤层充水因素分析井田内3号煤层埋深309~524m,底板标高209 ~266m,直接充水含水层为顶板砂岩,富水性差,煤层开采后,由于采空塌陷所产生的导水裂隙有可能沟通上部几层砂岩,根据煤炭部5煤炭资源地质勘探工作有关规程规定6中提供的/冒落带与导水裂隙带最大高度的经验公式0计算,按坚硬岩公式(H f= 100m2.4n+2.1+11.2)计算的导水裂隙带最大高度为95m,其中3号煤层厚度(m)采用井田内最大厚度5175m,煤层开采分层层数(n)采用分两层开采;若按半坚硬岩石公式(H f=100m2.4n+3.8+5.1)计算,则导水裂隙带最大高度约为70m。

换言之,若3号煤#39#第4期张茂林,马新胜:沁水煤田坪上井田充水因素分析以上岩层皆按坚硬岩石考虑,导水断裂带有可能沟通3号煤至上石盒子组底部含水层,若按半坚硬岩石考虑,则只能影响到下石盒子组下部的几层砂岩含水层。

实际上3号煤上覆地层既有坚硬岩层,也有半坚硬岩层。

据钻孔抽水试验资料及所揭露地层裂隙发育情况来看,3号煤上覆地层除寺头断层附近外,裂隙一般不发育,富水性差,对3号煤开采影响不大。

虽然风化带裂隙水富水性相对较好,且易沟通地表水及第四系孔隙水,但煤层开采后所形成的导水裂隙带最大高度尚距风化带底部100~200m 以上,其间有隔水性能良好的泥岩阻隔。

一般情况下,风化带裂隙潜水不可能通过导水裂隙带大量涌入矿坑。

南部邻区的永红煤矿煤层埋藏较坪上井田浅,导水裂隙带接近风化裂隙带,也未发生过顶板大量涌水,进一步说明了该井田3号煤层顶板大量涌水的可能性很小。

3号煤层底板以下有太原组K2~K54层灰岩,虽然水头高出3号煤层底板310~370m,但富水性弱,不具备向3号煤层突水的条件。

中奥陶统顶面距3号煤层底板尚有100m以上的间隔,且富水性差。

在无构造沟通的情况下,不可能构成底板突水的危险。

415号煤层充水因素井田内15号煤层埋深401~616m,底板标高133 ~175m,直接充水含水层为K2灰岩,富水性差。

导水裂隙带最大高度若按坚硬岩石计算则H f=82m,若按半坚硬岩计算则H f=51m,其煤层厚度采用井田内最大厚度3120m。

导水裂隙带有可能沟通的K3、K4、K53层灰岩及砂岩,其富水性都差。

由于煤层埋深大,在没有较大的导水断层存在的情况下,地表水及浅层地下水则不能向矿井充水。

在3号煤层开采后再开采15号煤层时,应注意3号煤层旧巷道积水通过导水裂隙带突然涌入15号煤层坑道。

井田内3号煤层底板至15号煤层顶板距离84~89m,和坚硬岩石的H f相近,三者很有可能发生水力联系。

411岩溶水突水因素15号煤层底板距中奥陶统顶面仅21~25m,而奥陶系灰岩岩溶水水头高出15号煤层底板385~ 426m,突水系数值达0115~0.2MPa P m,超过山东淄博矿区突水系数值0106~0115MPa P m。

若只从突水系数来看,整个井田15号煤层都有突水的可能。

但岩溶水对15号煤层底板突水的控制因素不能只考虑水压条件,还要考虑中奥陶统上部灰岩的埋藏条件、构造条件、富水程度、隔水层条件等。

41111区域补给条件山东省淄博矿区所处的区域环境和坪上井田相差悬殊,淄博矿区位于山东半岛淄博盆地,其东、南、西三面为中奥陶统灰岩组成的低山丘陵区,灰岩出露面积达800km2,岩溶水补给边界远,汇水面积大,突水时不仅瞬时流量大,而且有较长时间的动储量补给。

而坪上井田及其邻区处于中低山区,中奥陶统灰岩埋深大于400m,寺头断层以北大于600m,井田以北数千平方公里没有奥陶系灰岩出露,井田以南近20km基本也无大片奥陶系灰岩出露,岩溶水径流方向由北往南在下河泉及延河泉排泄,虽然延河泉域东南及西南有大片碳酸盐岩地层出露,但不可能倒流补给该区。

唯一可作为补给来源的是寺头断层破碎带,但断层破碎带富水性不强,钻孔单位涌水量0132L P s#m。

穿过断层后距断层破碎带平距约50m的3号煤顶板富水性就大大减小,单位涌水量仅010074L P s#m。

因此,寺头断层破碎带对岩溶水的补给量较小,且影响宽度不大。

淄博矿区和该井田所处的水文地质环境相差悬殊,不能只根据临界突水系数值单方面对比评价。

41112底板隔水层厚度及岩性习惯上只是把泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩及泥灰岩等塑性岩层作为隔水层,而把砂岩及灰岩作为含水层。

作者根据多年的野外实践认为,在构造不发育地段,结构致密、岩溶裂隙不发育、富水性极差的灰岩也可作为隔水层。

另据5矿区水文地质工程地质勘探规范6,一般将钻孔单位涌水量小于01001 L P s#m的岩层视为隔水层。

在坪上井田东约600m 的YS-6号水文孔所揭露的峰峰组灰岩结构致密,岩溶裂隙不发育,少许发育的裂隙也被方解石所充填;上马家沟组灰岩裂隙较发育,偶见小溶孔,潜水泵抽水,降深150m,抽10min就抽不上水;下马家沟组灰岩富水性虽相对较好,单位涌水量也仅01052L P s#m。

另据井田南部几个钻孔抽水资料, (图1)峰峰组单位涌水量一般为5@10-6~315@ 10-4L P s#m,只有YS-4号孔单位涌水量为010015 L P s#m。

结合延河泉域水文地质条件及水质分析,奥陶系灰岩岩溶水富水性越向北越差,从而得出结论:中奥陶统含水层与15号煤层之间不只是本溪组及太原组底部泥岩可作为隔水层,中奥陶统峰峰组也可作为隔水层。