朱仙庄煤矿“五含”水文地质特征及水害防治对策_朱冠宇.pdf

第 46 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.2 2018 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Huaibei Mining Co. Ltd., Zhuxianzhuang Coal Mine, Suzhou 234111, China Abstract The main water hazard during mining of seam 8 in northern mining district comes from the “fifth aqui- fer” of the roof Jurassic in Zhuxianzhuang coal mine. During extraction in the first mining face 866-1 under the fifth aquifer, water and sand burst accidents of the “fifth aquifer” have occurred, causing significant losses. The “fifth aquifer” has complex occurrence conditions and exploration degree is low, it was necessary to further explore and analyze its hydrogeological conditions and characteristics of water disasters, so as to put forward the countermea- sures to eradicate the threat of water hazards. It was needed to research the hydrogeological and water damage characteristics further. From the space distribution, geologic structure development, law of karst development, hydrogeology and zoning, water chemical features, water level dynamic changes and the supply relationships with the main aquifers, the thorough research of “fifth aquifer” was carried out. It is concluded that the main water dis- aster features of “fifth aquifer” is big static reserve and good runoff condition, with high water pressure and strong dynamic supply, then, “curtain closure” and “dewaterring mining” were put forward as the combined countermea- sures used to prevent water disasters. Keywords “fifth aquifer”; water disaster characteristics; curtain closure; mining through dewatering 淮北朱仙庄煤矿北部侏罗系底砾岩以半胶结状 的灰岩角砾为主，俗称“五含”。大面积压覆于煤系、 石炭系太原组灰岩（以下简称“太灰” ）及奥陶系灰 岩（以下简称“奥灰” ）之上，呈角度不整合接触关 系。区内新生界松散层自上而下划分 4 个含水层和 3 个隔水层，最下部含水层被称为“四含” ，其普遍 压覆于侏罗系、 “五含” 、煤系及太灰、奥灰地层之 上，呈角度不整合接触关系。 “五含”压覆下首采 866-1工作面仅推进 55 m 即 发生“五含”溃水灾害，后期治理期间采空区发生瞬 时溃水溃沙现象，造成人员伤亡。根据 1993 年“五 含”放水试验[1]及 2015 年溃水后的相关含水层水位 ChaoXing 112 煤田地质与勘探 第 46 卷 观测成果初步判定“五含”与“四含” 、太灰和奥灰均 存在较为密切的水力联系。 由此，“五含”静储量大，动储量涉及奥灰水补 给，灾变溃水可预见性差，破坏力极强。常规的防 治水方法难以根治顶板“五含”水害，亟待对“五含” 的赋存特征、水文地质条件及水害特征进行进一步 探查和评价，以制定根治其水害的防治对策。 1 探查手段及主要任务 探查工作主要采取2 种手段， 一是利用钻探、 测井、 水文地质试验等常规地质及水文地质补勘手段；另一方 面是对勘探区进行了高密度三维地震精细勘探。 ①常规补勘完成钻孔 15 个，累计钻探工程量 6 848.75 m。其中常规测井 15 孔、压水试验 7 个孔共 计 37 次、单孔抽水试验 11 次、简易注水 3 次，试 注浆 3 孔共计 5 次。其主要任务有以下几点 a. 查明“五含”的赋存情况及构造特征； b. 查明“四含”、 “五含”赋存特征及水文地质条件； c. 通过分段压水试验查明“五含”顶部是否存 在连续、稳定的隔水层；通过群孔抽水试验查明帷 幕墙范围内“五含”与“四含” 、太灰、奥灰含水层之 间的水力联系及“五含”的补径排条件； d. 通过分段注浆试验进一步查明补勘区“四 含” 、 “五含”的可注性。 ②高密度三维地震精细勘探完成施工线束 63 束， 测线 70 条， 控制面积 3.1 km2， 施工面积 6.9 km2， 完成低速带调查点 7 个， 试验物理点 260 个； 完成生 产物理点 9 441 个。 勘探范围见图 1， 其主要任务有 a. 查明勘探区内 8 煤赋存情况及构造特征； b. 查明勘探区内“五含”赋存情况、边界特征及 构造特征； c. 查明区域内构造发育特征； d. 查明“五含”压覆区太灰、奥灰顶界面深度 及构造发育情况。 图 1 高密度三维地震勘探范围示意图 Fig.1 Schematic diagram of 3D high density seismic exploration area 采用常规补勘和高密度三维地震精细勘探等手 段，获得了相关参数和边界条件，通过数值计算、 模拟及分析论证，基本查明了“五含”及相关含水层 的水文地质条件和水害特征。 2 “ 五含”赋存条件及地质特征 2.1 地质及构造特征 2.1.1 分布及边界条件 朱仙庄煤矿井田北部受塔桥断层影响，“五含” 覆盖区为独立断块， 面积约 9 km2。 其中井田范围内 为 2.8 km2图 2[2-3]。 “五含”底界面标高在–220–560 m， 总体呈西高 东低，倾向东北，倾角 15 25。 钻孔资料显示“五含”厚度 2.3570.36 m，平均 38.55 m。补勘钻孔揭露厚度一般为 5565 m[4]。 “五含”以塔桥断层为北界，呈向北开口的喇叭 状，南区“五含”覆盖范围明显收缩，推测与沉积、 剥蚀等因素有关，为喇叭口底端，厚度明显变薄， 约为 1535 m。西侧为剥蚀边界，不整合于新生界 底界面，自西向东厚度由 0 m 逐渐增大至 6075 m， ChaoXing 第 2 期 朱冠宇等 朱仙庄煤矿“五含”水文地质特征及水害防治对策 113 图 2 “五含”分布范围平面示意图 Fig.2 Plan sketch of the range of “fifth aquifer” 至此“五含”顶界面显现，厚度亦趋于稳定。东侧被 F21逆断层截断。 2.1.2 空间展布特征 “五含”大面积压覆于 8 煤、10 煤等煤系、太灰 及奥灰含水层之上， 呈角度不整合接触关系。 “五含” 上部为一层侏罗系砂泥岩互层，隔水性好，“四含” 呈角度不整合压覆在侏罗系之上，局部“五含”剥蚀 条带与“四含”直接接触。 2.1.3 构造发育特征 补勘钻孔[5]揭露“五含”厚度与周边临近钻孔揭 露情况差异很大， 判定存在多条断层切割至“五含”。 纠正了以往认为“五含”内无断层发育的误区。 钻探及高密度三维地震勘探查明勘探区内发育 至“五含”的断层 15 个，以正断层为主，落差一般小 于 40 m，均未将“五含”完全断开。此外，确定 F21 为“五含”东侧边界逆断层图 2，落差超过 200 m， 上盘“五含”完全被剥蚀。 2.2 岩溶发育特征 “五含”的岩溶类型为溶洞、溶孔和岩溶裂隙[6-7]， 钻孔揭露最大溶洞直径达 16 m，一般以 0.21.0 m 的溶洞最常见。岩溶发育程度随埋深增加而减少， 具有明显的垂向分带性特征。统计钻孔中“五含”线 岩溶率和岩溶能见率，在–350 m 以浅岩溶发育率 8.8213.12，在–350–400 m 以深岩溶发育明显 减少，岩溶率只有 0.834.5表 1。 3 “ 五含”的水文地质特征 3.1 “ 五含”富水性及分区 根据“五含”抽水试验等资料显示表 2，“五含” 富水性为中等至强，大部分区段富水性强。 表 1 “五含”线岩溶率统计表 Table 1 Statistical table of linear karst rate of “fifth aquifers” 标高/m 累计砾岩 厚度/m 累计溶洞 长度/m 平均线岩 溶率/ –300以上 801.85 70.76 8.82 –300–350 168.91 22.16 13.12 –350–400 121.76 1.01 0.83 –400以下 136.02 6.22 4.57 表 2 部分“五含”钻孔水文地质参数一览表 Table 2 Hydrogeological parameters of some boreholes in “fifth aquifer” 区段孔号 厚度/m水位/m q/Lsm-1k/md-1 84-14 26.37–119.75 0.330 1.399 Ⅱ10 21.39 0.226 1.230 84-20 23.82–23.94 0.029 0.326 南区 08-水133.74 0.530 1.870 84-16 28.02 0.942 4.225 Ⅰ-Ⅰ-516.91 0.576 3.680 05-水132.07 1.010 3.477 13-水352.31 1.010 3.477 中区 84-18 63.78–19.64 2.099 3.780 84-19 73.97 4.377 6.842 J1 18.75–15.67 0.409 1.943 北区 DZ1 72.7 –21.72 6.376 6.790 不同区段岩溶发育不均，富水性强弱不等。随 着砾岩厚度由南向北增加， 岩溶发育程度逐渐增强， 富水性也逐渐增大。 根据“五含”钻孔的水文地质参数[8]与其赋存特 ChaoXing 114 煤田地质与勘探 第 46 卷 征，将其大体分为南、中、北 3 区图 3。 图 3 “五含”富水性分区图 Fig.3 Zoning of water abundance of “fifth aquifer“ 南区层厚较薄，一般厚度为 1535 m，受上 覆“四含”水疏降影响，水位较低，富水性较差。单 位 涌 水 量q0.0290.53 L/sm ， 渗 透 系 数 k0.3261.87 m/d； 中区除剥蚀影响带外，层厚稳定，平均为 60 m，富水性中等到强。q0.5762.099 L/sm， k3.4774.225 m/d； 北区该区钻孔数据较少，推测层厚稳定。该 区北侧压覆于太灰、奥灰含水层之上，接受其垂向 补给，灰岩水通过 “五含”侧向径流，汇入矿井。富 水性强。 q0.4096.376 L/sm， k1.9436.842 m/d。 3.2 水力联系特征 3.2.1 天然状态下 1993年放水试验之前各含水层水位曲线图显示 图 4，“五含”稳定水位在-15.58-0.14 m，以 0-5 m 为主，南北两侧水位较低；“四含”水位略低于“五 含”，在-32.47-11.21 m，自身水力联系弱；太灰水 位 1.54 m， 奥灰水位 12.81 m， 明显高于“四含”、 “五 含”水位。 分析水位曲线图，得出 ①“四含”在不同区段水位差异较大，说明水 平径流条件较差，侧向水力联系弱。水位总体低于 “五含” ，推测与矿井开采期间“四含”正常涌水有 关，但并未明显牵动“五含”水位，两者无明显补 给关系。 ②“五含”中区水位差异较小，说明中区水平 径流条件好，水力联系密切。北区、南区钻孔水位 较低，富水性具有较明显分区性。 ③太灰、奥灰水位明显高于“四含” 、 “五含” 水位，说明天然状态下，对“四含” 、 “五含”的区 域补给微弱。 综上， 天然状态下及 1993 年矿井开采程度影响 下， “四含”水平径流条件差， “五含” 、太灰、奥灰 水对其补给微弱； “五含”水平径流条件较好，井下 无“五含”出水，排泄条件差， “四含” 、太灰、奥 灰水对其补给微弱。 3.2.2 疏放水条件 根据 1993 年“五含”疏放水试验中各含水层水 位降深曲线图 5，得出 ①“五含”中心放水区及北区具有相似的降深， 平均降深 98.22 m。说明中区和北区水力联系密切， 顺层径流条件好；受距离及构造因素影，越向南水 位降深越小，南区对中区、北区补给较弱。 图 4 放水试验前各主要含水层水位曲线图 Fig.4 Water level curves of main aquifers before the test of water release ChaoXing 第 2 期 朱冠宇等 朱仙庄煤矿“五含”水文地质特征及水害防治对策 115 图 5 1993 年放水试验主要含水层水位变化综合曲线图 Fig.5 Comprehensive curve diagram of water level change in the main aquifer during water release test in 1993. ②“四含”与“五含”存在明显水力联系。 ③ 太 灰 、 奥 灰 水 位 均 有 显 著 下 降 ， 降 幅 12.857.72 m，对“五含”形成补给。 综上，各含水层水位均有明显下降，放水试验 过程中，以“五含”为中心，“四含”、太灰、奥灰水 均对“五含”形成补给，为主要补给水源。 3.2.3 “五含”溃水条件 866-1工作面发生“五含”溃水，随工作面出水， 各“五含”观测孔水位呈现不同程度下降，最大降深 达 120.8 m图 6。 图 6 866-1工作面“五含”溃水各观测孔水位变化图 Fig. 6 Water level change of different observation holes dur- ing water burst of the “fifth aquifer” in working face 866-1 ①90-放 2 和 84-18 孔均位于“五含”中区，与出 水工作面间距相似，约 500600 m，水位降深最大。 出水工作面位于“五含”中区浅部，两者之间水力联 系密切。 ②84-20 和 84-14 孔位于“五含”南部，后被证实 钻孔堵塞，数据不具分析价值。 ③“四含”、奥灰水位降约 47 m显示参与对 “五含”的补给，为此次出水的间接补给水源。 ④太灰观测孔远离出水点，间距超过 8 km，水 位无明显波动。 综上， 根据对 866-1工作面出水各钻孔水位变化 分析得出，“五含”静储量较大，为出水的主要直接 补给水源，“四含”、奥灰水均参与对“五含”的补给， 其中奥灰水动储量大，补给显著。 3.3 与主要含水层的补给关系 结合“五含”覆盖区地层接触关系、各含水层水 位动态变化特征及水化学特征等综合分析，“五含” 补给水源主要为“四含”、太灰及奥陶系灰岩含水层 图 7。 a. 与“四含”的补给关系 以压覆补给为主，间 接补给为辅。在“四含”与“五含”直接接触带上，“四 含”、“五含”可视为同一含水层组，为互相补给关系 [9]。 “五含”水位下降， 牵动“四含”对“五含”直接补给。 “四含”连续性、透水性差，且主要为“五含”隐伏露 头区局部补给，补给量有限。此外，“四含”广泛覆 盖在侏罗系、煤系及太灰、奥灰之上，灰岩水对“四 含”存在补给关系，加上“四含”与“五含”之间存在隐 伏露头区补给关系，灰岩水可通过“四含” 成为“五 含”间接补给水源。 b. 与太灰、奥灰的补给关系 以压覆越流补给 为主，以断层对接补给为辅。井田北部及东北部“五 含”直接覆盖于太灰、奥灰之上且无稳定的隔水层。 各含水层水位动态显示， “五含”水位低于灰岩水位， 必将存在奥灰及太灰水对“五含”的压覆越流补给。 ChaoXing 116 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 7 主要含水层补给关系平剖面示意图[6-7] Fig.7 Schematic diagram of recharge relationship of the main aquifers 补给主要取决于其压覆面积， 尤其是塔桥断层和 F21 断层对“五含”影响尤为明显。井田东部 F21断层一 线，按照其 200 m 以上的落差推算，断层上盘太灰、 奥灰隐伏露头与断层下盘“五含”对接。太灰及奥灰 水对“五含”存在断层对接补给关系。 4 “ 五含”水害特征分析及防治对策 4.1 水害特征 “五含”下伏 8 煤压覆可采储量约 2 000 万 t。 866-1工作面的溃水事故表明“五含”水害严重威胁矿 井北翼的安全生产。通过对“五含”赋存条件、岩溶 发育特征、构造发育情况、富水性分区特征及与主 要含水层补给条件的综合分析[10]，“五含”水存在以 下几个主要水害特征。 a. 静储量大 根据矿井北部“五含”赋存条件、 线岩溶率等相关因素粗略估算，塔桥断层以南断块 内，“五含”赋水量约为 1 400 万 m3。 b. 径流条件好 1993 年放水试验、 2015 年溃水 的水位观测资料显示，“五含”中区和北区浅部–350 m 以上，岩溶发育率高，径流条件极好。影响范围 内“五含”水可以快速得到补给。 c. 顶板水压高 “五含”中北区稳定水位约 –20–30 m，8 煤开采深度–350–400 m。顶板水压 力约 34 MPa。 d. 动态补给强 放水试验及溃水资料分析，“四 含”、太灰及奥灰水均对“五含”形成补给，尤其是奥 灰含水层，水量丰富，补给量充足，是“五含”的主 要补给水源。 综上，采掘扰动影响下，导水裂缝带一旦波及 到“五含”，在水压高，径流强，静储量大，动态补 给强等的情况下，极易形成顶板溃水。且溃水量一 般较大，来势凶猛，持续稳定。目前，常规的治理 方法难度极大，效果有限，极易诱发隐蔽性强的叠 加水灾事故，严重威胁矿井生产安全。 4.2 水害防治对策 顶板水害的常规治理思路是疏干开采。根据上 述条件分析，由于“四含”、太灰及奥灰水对“五含” 形成补给，尤以灰岩水的补给量大，直接对“五含” 进行区域性的疏水牵动灰岩水补给，一方面增加无 效排水费用，另一方面，水位疏降困难，难以彻底 根治水害。 根据“五含”水害特征及与主要含水层的补给关 系，须采取“帷幕截流”和“疏干开采”相结合的综合 水害防治对策。 a. 帷幕截流 在 8 煤开采范围以外、10 煤或太 灰以内不受采动影响的合适位置，设计建造一条防 渗帷幕墙。通过合理布置地面探注钻孔，对设计墙 体位置进行钻探探查，查明帷幕线上“五含”储水空 间或径流通道，然后利用地面注浆系统进行反复的 注浆和压水试验检查，最终在预设位置建造一条具 有“上顶下底隔水”且满足 8 煤安全开采截流要求的 连续防渗墙体，阻隔来自帷幕墙外侧“五含”及灰岩 水对矿井的侧向补给。 b. 疏干开采 根据建帷幕墙前各个含水层的水 位动态特征、补径排关系、水力联系、水均衡情况 等资料，建立“五含”覆盖区及一定影响范围内的地 下水流数值模型，模拟帷幕墙建成后的地下水流场 动态变化特征。根据模拟计算确定最优疏放水量和 最佳疏放位置，通过井下、地面相结合的疏干工程， 将帷幕墙内“五含”水位疏放至主采煤层底板以下， 保证工作面不受顶板“五含”水害威胁。 5 结 论 a. 淮北朱仙庄煤矿“五含”除局部被剥蚀及断 层 影 响 外 ， 平 均 层 厚 约 5565 m。 底 板 深 度 –220–560 m，西高东低。受多组断层切割，以正断 层为主，未被完全切断。浅部岩溶发育程度高于深 部，具有显著的垂向分带性。富水性分为南、中、 北 3 区，越往北富水性越好。放水试验及溃水后水 位观测资料显示，中区、北区水力联系密切，静储 量大。“四含”、太灰及奥灰水均对“五含”形成补给， ChaoXing 第 2 期 朱冠宇等 朱仙庄煤矿“五含”水文地质特征及水害防治对策 117 奥灰水为最主要的补给水源。各含水层对“五含”的 补给方式分别为压覆补给、压覆越流补给、断层对 接补给、间接补给。 b. “五含”水静储量大，径流条件好，水压高和 动态补给强。依据“五含”水害特征及与主要含水层 的补给关系，经研究须采取“帷幕截流”和“疏干开 采”相结合的综合水害防治对策。 参考文献 [1] 刘天泉，梁怀清，马嘉荣，等. 淮北矿务局朱仙庄煤矿侏罗纪 砾岩岩溶含水层疏降的工业性试验研究报告[R]. 北京煤炭 科学研究总院北京开采研究所，1993. 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