锦界煤矿水文地质条件分析及探查技术研究

  锦界煤矿位于秃尾河流域东部, 矿井生产揭露表明地下水比较丰富。目前矿井已开采完4个工作面, 矿井涌水量已超过2500m3 /h, 远大于勘探报告预计的涌水量(原勘探报告预计的正常涌水量711.6m3 /h, 最大涌水量时868.8m3 /h)。随着矿井开采面积的增大, 矿井涌水量呈继续增加的趋势。预计矿井涌水量与实际涌水量的严重不符,说明对矿井水文地质条件的认识与实际情况有较大偏差。

 

  因此, 需要重新分析矿井水文地质条件, 确定矿井的主要充水水源、充水通道和充水特征, 制定切实可行水文地质条件探查思路和矿井的防治水方案, 以保证锦界煤矿的安全生产。

 

  1 矿井水文地质条件分析

 

  1.1 矿井主要充水水源

 

  根据矿井水文地质条件、煤层覆岩结构类型及矿井实际涌水情况分析, 锦界井田地表水的主要充水水源为青草界沟(长年流水), 地下水主要充水水源是第四系松散岩类潜水和顶板砂岩裂隙水, 顶板砂岩裂隙水主要是直罗组风化岩孔隙裂隙承压水, 从矿井开采过程中实际揭露的含水层来看, 直罗组风化岩水远比第四系沙层水涌水量要大得多, 这与其它相邻矿区以第四系沙层水为主的赋水特征迥然不同 。

 

  1.2 充水通道

 

  1.2.1 导水裂隙带

 

  1)导水裂隙发育高度。锦界井田范围内岩样饱和极限抗压强度平均值略大于40MPa, 故采用《三下》规程[ 3] 中的中硬岩类冒落带、导水裂隙带及保护层厚度计算公式进行计算, 得出的冒落带高度为11.83m, 导水裂隙带高度为42.94m, 保护层厚度为20.04m。

 

  据此分析, 本区3 -1 煤层开采后冒落带高度(含保护层)为31.87m, 导水裂隙带高度(含保护层)62.98m, 3-1煤层上覆基岩厚度在青草界沟及两侧和隐伏沟地段小于导水裂隙带发育高度(图1)。冒裂裂隙可直接沟通风化基岩含水层, 成为全区的主要充水通道。局部导水裂隙可沟通松散沙层潜水, 特别是青草界沟谷地带冒落带及土层缺失的“天窗” 地段, 可直接沟通松散沙层含水层而造成突水溃砂。

 

  2)导水裂隙发育特征。由上述计算结果和神北矿区大柳塔矿井实际观测资料说明, 近水平煤层, 上覆基岩厚度在30 ～ 50m, 受上部松散层的压应力作用, 采空区冒裂特征不完全以“三带” 发育规律呈现, 可能发生切冒和抽冒现象。

 

  从3-1煤层上覆基岩等厚线图上可看出, J705 孔区基岩厚度仅5.6m左右, 冒落带完全贯通基岩。在J605、J505、J706、J403孔区基岩厚度均小于40m, 这些基岩薄弱区是地质直罗期发育的古冲沟, 发育长度700 ～ 3000m, 宽度200 ～ 500m, 此区是导水裂隙带强烈贯通基岩区, 是地下水严重影响矿井开采的地段, 在导水裂隙带沟通第四系沙层中等富水区的地段, 应提前采取顶板水预疏放措施;在可能沟通青草界沟地表水体地段, 应在地面采取沟底覆膜或敷设导水管的方法, 避免突水溃砂事故的发生。

 

  在实际开采过程中, 根据工作面涌水量和地表塌陷情况判断, 导水裂隙带已经直接波及至地表, 其发育高度远大于理论计算值。另据类似水文地质条件非常相似的补连塔煤矿3140 工作面导水裂隙带实测结果, 其导采比为31.93 ～ 34.98[ 4] 。因此, 锦界煤矿在该种水文地质条件下开采, 导水裂隙带是矿井的主要导水通道。

 

  1.2.2 断层、构造等地质异常体

 

  锦界煤矿位于鄂尔多斯台向斜东翼——— 陕北斜坡上,基本构造形态为一缓缓向北西倾斜的单斜构造。地层产状平缓, 总体倾角小于10°左右, 区内未发现褶皱, 亦无岩浆活动, 目前近发现小型宽缓的波状起伏和三条高角度正断层。根据类似矿区开采经验, 采动裂隙将贯通上覆各含水层, 而断裂带附近可能发育基岩相对富水地段。

 

  1.3 矿井充水特征

 

  锦界井田内第四系松散层潜水含水层富水性不均, 黄土隔水层厚度变化较大, 并存在透水“天窗”, 煤层顶板基岩厚度变化也较大, 因此不同地段矿井充水强度也存在较大差异。有利于矿坑充水的各种因素集中发育区, 即基岩薄, 土层厚度薄, 潜水富水性好, 大气降水易于汇聚地带, 如青草界沟谷及北侧土层古冲沟发育区, 矿井涌水量较大并可能伴有溃砂现象, 尤其是冒落带沟通潜水地段, 充水量一般是由大逐渐变小, 其历时受充水水源的储水量大小控制。

 

  在井田内基岩厚度较大、土层缺失、潜水富水性不确定地段, 矿井涌水量变化较大。本区直罗组含水层富水性中等区主要位于一盘区, 北部富水性弱, 南部漏水孔分布地段直罗组含水层会造成局部矿井涌水量显著增大。

 

  当松散层潜水和风化层承压水富水性一定时, 冒裂通道导通程度则决定充水强度的大小。裂隙密集畅通, 充水强度相对就大, 反之则小。初次冒裂范围大, 充水强度则大。由于本区充水层包括冲、湖积层潜水, 所以, 当冒落裂隙发育较窄小时, 初始涌水携带少量泥砂, 经过一段时期裂缝变大时, 则携带的泥砂量也较大, 甚至对生产造成威胁。

 

  2 矿井水文地质条件探查技术

 

  2.1 水文地质条件补勘内容

 

  鉴于井田面积大, 大范围物探工作投入过大, 而到目前为止, 对于大面积范围内古河道和古冲沟的探查尚无有效手段, 在本次水文地质补充勘探的方式上, 提出首先以GIS平台下的遥感水文地质调查为区域和井田普查手段, 圈定可疑富水区域和古河道, 然后以地面电法为重点验证手段, 在重点地段和可疑区域进行探查和验证, 最后用水文地质钻探验证并获取可疑地段的水文地质资料。应用本方案可以加快井田水文地质补勘的进度, 减少物探和钻探工程量, 从而降低补勘的成本。

 

  2.2 水文地质条件探查方法

 

  针对锦界煤矿的水文地质特征及现有技术手段, 以6种方法综合探查井田水文地质条件, 为防治水方案制定和矿井涌水量预测提供依据。这6种探查方法是:GIS平台下的遥感探查、水文地质钻探、水文地质物探、水文地质试验、水文地球化学研究、水文地质观测网建立和水文地质调查等。

 

  2.3 各探查方法的目的和任务

 

  2.3.1 GIS平台下的遥感探查

 

  遥感探查目的和任务主要是为了查明区域完整的水文地质单元, 以区域地下水的补、迳、排条件为重点, 圈定区域水文地质测绘面积;通过水文地质遥感调查, 查明矿床疏干可能影响的范围及补给边界, 以及矿床充水因素和矿区水文地质边界条件。

 

  2.3.2 水文地质钻探

 

  水文地质钻探是指勘探孔、抽水试验孔、水位观测孔的施工, 它是取得直观水文地质资料的重要手段。其目的是通过详细钻孔编录和描述, 确定含水层水位、沙层厚度、潜水含水层厚度、直罗组风化基岩厚度、正常基岩顶界面、基岩厚度、含水层和隔水层岩性、厚度、裂隙发育程度及其富水性等资料。通过钻探探查第四系含水层和侏罗系直罗组含水层的厚度、空间展布、富水性, 补给、径流和排泄条件, 为矿井涌水量评价和实施疏降水开采的可行性论证提供基础资料;同时探查第四系与基岩风化带之间的红土隔水层的厚度、分布及其稳定性、阻水能力, 为充分利用隔水层防治第四系松散层潜水和地表水体提供基础资料;此外, 还可以验证遥感和物探圈定的富水异常区域。

 

  2.3.3 水文地质物探

 

  目前锦界煤矿主要受第四系潜水和基岩风化带承压水等的威胁, 在开采之前或开采初期必须查明开采区域内第四系潜水含水层、基岩风化带含水层的富水性及主要富水区域。针对锦界井田的地质和水文地质条件, 并根据各种物探方法在水文地质勘探中的应用效果, 采用分辨率较高的高密度电阻率勘探方法, 探测和确定主要富水区的分布范围。物探工作的主要地质任务是:查明富水范围、含水层厚度、富水性、松散层厚度及基岩顶面的起伏形态, 控制其分布范围。

 

  2.3.4 直罗组含水层放水试验

 

  根据对矿井水文地质条件和矿井主要充水水源分析,侏罗系直罗组砂岩含水层是目前矿井主要充水水源, 其次是第四系松散层含水层。因此, 确定放水试验的放水层为直罗组砂岩含水层, 观测直罗组砂岩含水层和第四系松散层含水层的水位。放水试验的目的是建立水文地质数值模型, 通过参数反演, 获取不同地段的水文地质参数, 包括渗透系数、给水度等;通过正演计算, 预计矿井涌水量,进行预疏放孔优化布置等工作。通过放水试验, 可以对直罗组砂岩含水层的补给量有明确的认识, 圈定试验影响范围内第四系潜水对直罗组砂岩承压水的补给位置。通过水文地质试验, 确定含水层的水文地质参数、评价含水层的富水性、了解不同含水层间的水力联系等, 评价矿井涌水量, 包括不同盘区和工作面涌水量。

 

  2.3.5 水文地球化学研究

 

  水文地球化学研究主要包括水化学成份的分析和研究、同位素组成分析研究和示踪试验研究三部分。在煤矿区进行这些研究的主要目的和任务是:

 

  1)进一步查明地下水的补给、径流和排泄条件。地下水本质上是一种溶液, 这种溶液的特征很大程度上反映了地下水的环境状况或其他水文地质条件。

 

  2)判别矿井突水水源, 为制定矿井防治水措施提供依据。寻找能代表每个含水层地下水特征的特征组份是进行突水水源判别的关键。

 

  3)查明第四系含水层和直罗组含水层之间的水力联系, 以及地表水与含水层之间的水力联系。

 

  2.3.6 地下水长期观测网

 

  通过施工的水文地质孔, 建立井田地下水长期观测系统, 采集动态资料, 掌握地下水动态变化规律以及矿井开采活动对地下水系统的影响规律, 为矿井防治水方法研究提供资料和依据。建立观测网的目的是:

 

  1)了解不同含水层或同一含水层不同区段的水位变化情况, 确定井田范围内地下水流场。

 

  2)通过丰水期、枯水期地下水位的动态观测, 分析影响矿区地下水位变化的主要因素, 判断地下水位动态变化与降水、矿井疏排水、地表水体之间的关系。

 

  3)当需要进行抽(放)水试验时, 可有效地控制激发流场的分布情况, 从而为井田或采区地下水径流特征分析提供依据。

 

  4)当井下发生突水时, 通过加密观测各含水层地下水位, 有助于确定突水水源和途径, 以便及时采取措施。

 

  3 结 论

 

  1)锦界煤矿地表水主要充水水源是青草界沟和河则沟,地下水主要充水水源是第四系沙层孔隙水和直罗组风化岩裂隙水, 其中风化岩裂隙水远比沙层水含水丰富, 是矿井水害的主要来源;矿井的主要充水通道是煤层开采形成的导水裂隙带, 其次为原生结构面裂隙, 局部为断层裂隙。

 

  2)提出了采用GIS平台下的遥感探查、水文地质钻探、水文地质物探、水文地质试验、水文地球化学研究和水文地质观测网建立等6 种方法联合探查锦界井田水文地质条件, 并明确了各种探查方法的目的和任务。