常家梁煤礦含隔水層水文地質(zhì)條件及礦井充水因素分析

常家梁煤礦含隔水層水文地質(zhì)條件及礦井充水因素分析

近年來，榆神礦區(qū)發(fā)生了幾起礦山應(yīng)急事故，給礦工的安全帶來了重大威脅，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了難以逆轉(zhuǎn)的影響。防止突然發(fā)生洪水，促進蓄水技術(shù)的普及，是榆神礦區(qū)面臨的一項重要任務(wù)。常家梁煤礦西部為預(yù)留區(qū)與紅石峽井田、小紀汗井田相鄰,東北部與薛廟灘井田相鄰,東部與東風(fēng)煤礦、榆林市榆陽區(qū)常興煤礦、金牛煤礦相鄰,井田邊界均屬人為邊界,礦井之間均留設(shè)有煤柱,不存在造成含水層之間的水力聯(lián)系,由于不同含水層間沒有大的斷層等切割聯(lián)系,含水層之間尚未發(fā)現(xiàn)有明顯水力聯(lián)系。1包括單獨水層1.1第四系富水性地下水組區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)特征受區(qū)域水文地質(zhì)條件的控制,顯示了與區(qū)域水文地質(zhì)特征的統(tǒng)一性。但由于受地層分布、埋藏及其地貌的影響,又顯示了小區(qū)域性的差異性。根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水的賦存條件及水力特征,將區(qū)內(nèi)地下水劃分為兩種類型四個含水巖層(組)。上更新統(tǒng)沖湖積層孔隙潛水含水層(Q3s):煤礦區(qū)連續(xù)分布,其上部多被第四系風(fēng)積沙覆蓋,呈片狀不連續(xù)出露。該含水層地下水賦存條件嚴格受現(xiàn)代地貌、古地理環(huán)境及含水層厚度和巖性的控制。根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆探成果,結(jié)合地球物理測井資料,煤礦區(qū)沙層厚度4.00~54.20m(圖1)。地層主要由松散的中、細沙及粉沙組成,地下水賦存條件較好,含水層主要分布于煤礦區(qū)中部。通過本次淺1號鉆孔抽水試驗,含水層厚度52.34m,水位埋深1.86m,降深3.17m,涌水量為126.23m3/d,單位涌水量0.46088L/s·m,統(tǒng)徑統(tǒng)降單位涌水量0.27423L/s·m,滲透系數(shù)0.6748m/d,富水性中等。水化學(xué)類型以HCO3·SO4-K+Na·Ca型水為主,礦化度663.58mg/L。煤礦范圍內(nèi)從該層出露的泉2的流量為40.92L/s,按富水性劃分原則,屬強富水區(qū)。第四系中更新統(tǒng)離石黃土孔隙裂隙潛水弱含水層。土層全區(qū)分布,未見出露,均隱伏于薩拉烏蘇組及風(fēng)積沙地層之下。黃土厚7.05~66.14m,一般為10~30m,總體呈西北部較厚,東南部較薄。含水層巖性主要為粉土質(zhì)黃土,厚度一般為10~30m。該含水層水位埋深靠近灘地區(qū)較淺,一般小于10m,靠近黃土梁崗區(qū)較深,一般10~20m。據(jù)鄰區(qū)常興煤礦北部Y24孔抽水試驗,含水層厚度119.24m,水位埋深16.30m,降深46.86m,涌水量51.93m3/d,單位涌水量0.013L/s·m,滲透系數(shù)0.013m/d;又據(jù)大梁灣井田SZK203水文鉆孔抽水試驗,水位埋深28.43m,降深20.95m,涌水量39.23m3/d,單位涌水量0.0127L/s·m,滲透系數(shù)0.0515m/d,又據(jù)民井簡易抽水試驗,水位埋深8.26~11.02m,降深7.51~10.02m,涌水量29.26~53.14m3/d,單位涌水量0.02513~0.0426L/s·m,滲透系數(shù)0.3465m/d,富水性弱。碎屑巖類裂隙水。根據(jù)水力特征劃分為兩個含水巖組,即侏羅系碎屑巖類風(fēng)化帶裂隙承壓水及碎屑巖類裂隙承壓水。侏羅系碎屑巖類風(fēng)化帶裂隙承壓水含水層全區(qū)分布,未見出露,含水層為基巖頂部的風(fēng)化裂隙帶,一般厚20m左右,裂隙水具承壓性。本次在該層未做抽水試驗,據(jù)鄰區(qū)煤礦豎井調(diào)查,基巖風(fēng)化裂隙帶內(nèi)最大涌水量20m3/d,富水性弱。碎屑巖類裂隙承壓水含水層以3號煤層為界分上、下兩個含水巖組段。3號煤之上碎屑巖類裂隙承壓水分布于3號煤層之上,主要為延安組第四巖性段。含水層主要由延安組第四段底部真武洞砂巖等組成。本次在該層段未作專門的抽水試驗,據(jù)以往鄰區(qū)鉆孔抽水試驗,水位埋深0.84~54.26m,含水層厚度24.80~52.95m,當降深26.56~45.36m,涌水量15.90~30.15m3/d,單位涌水量0.004~0.0131L/s·m,滲透系數(shù)0.007~0.0248m/d,富水性弱。根據(jù)淺1號鉆孔3號煤以上整個基巖段抽水試驗成果,含水層厚度47.77m,當降深28.04m時,涌水量0.577L/s,單位涌水量0.02058L/s·m,滲透系數(shù)0.006059m/d,富水性弱。碎屑巖類孔隙裂隙承壓水含水層分布于3號煤層至延安組底界之間層段中。巖性主要為淺灰色粉、細砂巖與深灰色泥巖不等厚互層夾煤層,因埋藏深,巖石較完整,裂隙不發(fā)育,含水層較薄。據(jù)C3—3號水文鉆孔抽水試驗資料,含水層厚度79.01m,當降深50.92m時,涌水量0.140L/s,單位涌水量0.00275L/s·m,統(tǒng)徑統(tǒng)降單位涌水量0.00056L/s·m,滲透系數(shù)0.001641m/d,富水性弱。綜上所述,煤礦區(qū)內(nèi)除薩拉烏蘇組含水層中等到強外,其余各含水層段均富水性弱。1.2原狀飽合黃土主要特征為煤礦區(qū)內(nèi)的隔水層主要為第四系中更新統(tǒng)離石組黃土和延安組各段中的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂巖等,有的分布穩(wěn)定,有的厚度較大,為較好的隔水層,亦為層間裂隙承壓水的隔水頂板。離石組黃土隔水層,全區(qū)分布,厚度5.60~72.42m,平均厚25.18。根據(jù)周邊礦井土工試驗結(jié)果可以看出,黃土物理性質(zhì)的主要特征為:密度一般為1.674~2.104g/cm3,干密度1.589~1.826g/cm3;孔隙比為0.604~0.815;天然含水量低,6.7~7.7%。原狀飽合黃土的壓縮系數(shù)多為0.007~0.056,屬中等壓縮性土,抗剪強度較大。原狀黃土內(nèi)摩擦角φ值在28.1~35.5之間,粘聚力c值為3.0~52.0,數(shù)值均較大,故在天然狀態(tài)下具有較高的抗剪強度。區(qū)內(nèi)黃土濕陷性系數(shù)在0.001~0.0054之間,故絕大多數(shù)黃土為非濕陷性黃土。黃土土質(zhì)較緊密堅硬,顆粒均勻,承載力較高,穩(wěn)定性較好。延安組薄粉砂巖、泥巖及互層巖組隔水層,是煤系地層的主要巖組,由粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖及薄煤等組成,多出現(xiàn)于煤層直接頂、底板。巖石泥質(zhì)膠結(jié),粘土礦物和有機質(zhì)含量較高,水平層理發(fā)育,節(jié)理裂隙較少。據(jù)巖石測試成果飽和抗壓強度平均為24.60Mpa,軟化系數(shù)0.62,屬中硬類巖石,RQD平均值69%,本區(qū)粉砂巖在垂向上出現(xiàn)頻率較高、層厚不等,綜合評定該巖組巖石質(zhì)量中等,巖體中等完整。2礦山充水條件2.1地表徑流2號煤大氣降水。煤礦區(qū)內(nèi)第四系廣布,其上多被現(xiàn)代風(fēng)積沙覆蓋,大氣降水均滲入地下,成為松散巖類孔隙潛水。區(qū)內(nèi)多年平均降水量410mm,降水多集中在7-9月份,占全年降水量的65.5%,日最大降水量達141.7mm。大氣降水在本區(qū)為間接充水水源。地表水。煤礦內(nèi)地表水系主要為位于北部的二道河,從本煤礦2號煤不可采區(qū)穿過,勘探階段填圖時測得流量約為10000m3/d。區(qū)內(nèi)2號煤層埋藏較淺,但其上覆基巖厚度較大,開采后引起的導(dǎo)水裂隙帶穿越上覆基巖并穿透土層與地表水直接溝通的可能性不大,故地表水為本煤礦開采過程中礦坑充水的間接水源。地下水。礦坑直接充水水源為各煤層頂板基巖裂隙水,通過抽水試驗資料分析,2號煤層之上砂巖含水段較厚,但富水性相對較弱,單位涌水量為0.004~0.02058l/s·m,滲透系數(shù)0.006059~0.0248m/d。2號煤層之下巖石完整性較好,裂隙不發(fā)育,砂巖含水層厚度薄,含水微弱,滲透系數(shù)、涌水量均很小。第四系薩拉烏蘇組在煤礦內(nèi)全區(qū)分布,有利于接受大氣降水直接補給,雖其富水性較好,但煤礦內(nèi)最上部主要煤層的導(dǎo)水裂隙帶最大高度均小于煤層上覆基巖的厚度,故當煤層采空后,上部的第四系薩拉烏蘇組潛水不會進入礦坑,亦即為礦床充水的間接充水水源。2.2礦井涌壓發(fā)育高度根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件簡單,構(gòu)造簡單及本區(qū)煤層頂板為中硬巖層等地質(zhì)特征,其形成的冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶高度計算分別采用《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB12719-19)及國家煤炭工業(yè)局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中的中硬類巖石的冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶最大高度的經(jīng)驗公式計算煤礦內(nèi)主要可采煤層3號、9號各煤層冒落帶高度及導(dǎo)水裂隙帶最大高度計算結(jié)果見表1。在煤礦范圍內(nèi)3號煤的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度只在淺1號孔附近稍大于3號煤上覆基巖厚度,也就是說在淺1號附近采煤時導(dǎo)水裂隙帶高度會穿透基巖段而進入土層,破壞土原有的性狀,有可能使上部松散含水層水沿導(dǎo)水裂隙進入礦坑,使礦井涌水量增大,可能會影響正常生產(chǎn),需慎重處理。在開采9號煤時,由于其上覆基巖厚度或與3號煤間距均遠大于其開采時形成的導(dǎo)水裂隙帶高度,因此在煤礦整個范圍內(nèi)開采9號煤時,第四系松散層潛水及地表水均為礦井的間接充水含水層,對礦井安全生產(chǎn)不會造成影響。區(qū)內(nèi)礦坑充水強度主要取決于直接充水水源的富水程度及冒裂帶發(fā)育程度兩個因素,并受隔水層明顯影響。煤礦內(nèi)各主采煤層的直接充水含水層為煤層頂板的砂巖含水層,其結(jié)構(gòu)致密,裂隙不發(fā)育,富水性弱,礦坑涌水以頂板滴水或淋水為主,對礦井安全生產(chǎn)無大的影響。前已述及,煤礦在開采3號煤層時,只在淺1、淺4號孔周圍小范圍內(nèi)形成導(dǎo)水裂隙帶溝通土層現(xiàn)象,在此范圍內(nèi)采煤,礦井涌水量有可能增大,應(yīng)提前預(yù)防。本煤礦東鄰的常興煤礦、金牛煤礦及東風(fēng)煤礦均開采3號煤層,自建礦以來,均未發(fā)生過突水事故。2.3兩組井筒法和廊道法的對比根據(jù)《常家梁煤礦勘探地質(zhì)報告》中對3號煤層的礦坑涌水量的預(yù)算結(jié)果,則按富水系數(shù)法公式計算常家梁煤礦日最大涌水量為2635m3/d,與大井法和廊道法計算的平均值接近。常家粱煤礦主井、副井、風(fēng)井的風(fēng)化基巖段均采用冷凍法施工,施工至穩(wěn)定基巖段后對三個井筒掘進面進行了止水墻封閉。在經(jīng)過長時間冷凍施工層位解凍后,進行了探放水。目前主井止水墻已經(jīng)打開,主井涌水量28.9m3/h,其它兩個井筒止水墻還沒有完全打開,涌水量根據(jù)探放水鉆孔涌水量比較推測得出風(fēng)井涌水量43.62m3/h,副井涌水量14.5m3/h。3礦井充水水源(1)常家梁煤礦含水層主要有薩拉烏蘇組含水層、延安組砂巖裂隙承壓水含水層,礦坑直接充水水源為各煤層頂板基巖裂隙水含