錦界煤礦位于禿尾河流域東部, 礦井生產(chǎn)揭露表明地下水比較豐富。目前礦井已開采完4個工作面, 礦井涌水量已超過2500m3 /h, 遠(yuǎn)大于勘探報告預(yù)計的涌水量(原勘探報告預(yù)計的正常涌水量711.6m3 /h, 最大涌水量時868.8m3 /h)。隨著礦井開采面積的增大, 礦井涌水量呈繼續(xù)增加的趨勢。預(yù)計礦井涌水量與實際涌水量的嚴(yán)重不符,說明對礦井水文地質(zhì)條件的認(rèn)識與實際情況有較大偏差。

 

  因此, 需要重新分析礦井水文地質(zhì)條件, 確定礦井的主要充水水源、充水通道和充水特征, 制定切實可行水文地質(zhì)條件探查思路和礦井的防治水方案, 以保證錦界煤礦的安全生產(chǎn)。

 

  1 礦井水文地質(zhì)條件分析

 

  1.1 礦井主要充水水源

 

  根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件、煤層覆巖結(jié)構(gòu)類型及礦井實際涌水情況分析, 錦界井田地表水的主要充水水源為青草界溝(長年流水), 地下水主要充水水源是第四系松散巖類潛水和頂板砂巖裂隙水, 頂板砂巖裂隙水主要是直羅組風(fēng)化巖孔隙裂隙承壓水, 從礦井開采過程中實際揭露的含水層來看, 直羅組風(fēng)化巖水遠(yuǎn)比第四系沙層水涌水量要大得多, 這與其它相鄰礦區(qū)以第四系沙層水為主的賦水特征迥然不同 。

 

  1.2 充水通道

 

  1.2.1 導(dǎo)水裂隙帶

 

  1)導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度。錦界井田范圍內(nèi)巖樣飽和極限抗壓強(qiáng)度平均值略大于40MPa, 故采用《三下》規(guī)程[ 3] 中的中硬巖類冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶及保護(hù)層厚度計算公式進(jìn)行計算, 得出的冒落帶高度為11.83m, 導(dǎo)水裂隙帶高度為42.94m, 保護(hù)層厚度為20.04m。

 

  據(jù)此分析, 本區(qū)3 -1 煤層開采后冒落帶高度(含保護(hù)層)為31.87m, 導(dǎo)水裂隙帶高度(含保護(hù)層)62.98m, 3-1煤層上覆基巖厚度在青草界溝及兩側(cè)和隱伏溝地段小于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度(圖1)。冒裂裂隙可直接溝通風(fēng)化基巖含水層, 成為全區(qū)的主要充水通道。局部導(dǎo)水裂隙可溝通松散沙層潛水, 特別是青草界溝谷地帶冒落帶及土層缺失的“天窗” 地段, 可直接溝通松散沙層含水層而造成突水潰砂。

 

  2)導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征。由上述計算結(jié)果和神北礦區(qū)大柳塔礦井實際觀測資料說明, 近水平煤層, 上覆基巖厚度在30 ～ 50m, 受上部松散層的壓應(yīng)力作用, 采空區(qū)冒裂特征不完全以“三帶” 發(fā)育規(guī)律呈現(xiàn), 可能發(fā)生切冒和抽冒現(xiàn)象。

 

  從3-1煤層上覆基巖等厚線圖上可看出, J705 孔區(qū)基巖厚度僅5.6m左右, 冒落帶完全貫通基巖。在J605、J505、J706、J403孔區(qū)基巖厚度均小于40m, 這些基巖薄弱區(qū)是地質(zhì)直羅期發(fā)育的古沖溝, 發(fā)育長度700 ～ 3000m, 寬度200 ～ 500m, 此區(qū)是導(dǎo)水裂隙帶強(qiáng)烈貫通基巖區(qū), 是地下水嚴(yán)重影響礦井開采的地段, 在導(dǎo)水裂隙帶溝通第四系沙層中等富水區(qū)的地段, 應(yīng)提前采取頂板水預(yù)疏放措施;在可能溝通青草界溝地表水體地段, 應(yīng)在地面采取溝底覆膜或敷設(shè)導(dǎo)水管的方法, 避免突水潰砂事故的發(fā)生。

 

  在實際開采過程中, 根據(jù)工作面涌水量和地表塌陷情況判斷, 導(dǎo)水裂隙帶已經(jīng)直接波及至地表, 其發(fā)育高度遠(yuǎn)大于理論計算值。另據(jù)類似水文地質(zhì)條件非常相似的補(bǔ)連塔煤礦3140 工作面導(dǎo)水裂隙帶實測結(jié)果, 其導(dǎo)采比為31.93 ～ 34.98[ 4] 。因此, 錦界煤礦在該種水文地質(zhì)條件下開采, 導(dǎo)水裂隙帶是礦井的主要導(dǎo)水通道。

 

  1.2.2 斷層、構(gòu)造等地質(zhì)異常體

 

  錦界煤礦位于鄂爾多斯臺向斜東翼——— 陜北斜坡上,基本構(gòu)造形態(tài)為一緩緩向北西傾斜的單斜構(gòu)造。地層產(chǎn)狀平緩, 總體傾角小于10°左右, 區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)褶皺, 亦無巖漿活動, 目前近發(fā)現(xiàn)小型寬緩的波狀起伏和三條高角度正斷層。根據(jù)類似礦區(qū)開采經(jīng)驗, 采動裂隙將貫通上覆各含水層, 而斷裂帶附近可能發(fā)育基巖相對富水地段。

 

  1.3 礦井充水特征

 

  錦界井田內(nèi)第四系松散層潛水含水層富水性不均, 黃土隔水層厚度變化較大, 并存在透水“天窗”, 煤層頂板基巖厚度變化也較大, 因此不同地段礦井充水強(qiáng)度也存在較大差異。有利于礦坑充水的各種因素集中發(fā)育區(qū), 即基巖薄, 土層厚度薄, 潛水富水性好, 大氣降水易于匯聚地帶, 如青草界溝谷及北側(cè)土層古沖溝發(fā)育區(qū), 礦井涌水量較大并可能伴有潰砂現(xiàn)象, 尤其是冒落帶溝通潛水地段, 充水量一般是由大逐漸變小, 其歷時受充水水源的儲水量大小控制。

 

  在井田內(nèi)基巖厚度較大、土層缺失、潛水富水性不確定地段, 礦井涌水量變化較大。本區(qū)直羅組含水層富水性中等區(qū)主要位于一盤區(qū), 北部富水性弱, 南部漏水孔分布地段直羅組含水層會造成局部礦井涌水量顯著增大。

 

  當(dāng)松散層潛水和風(fēng)化層承壓水富水性一定時, 冒裂通道導(dǎo)通程度則決定充水強(qiáng)度的大小。裂隙密集暢通, 充水強(qiáng)度相對就大, 反之則小。初次冒裂范圍大, 充水強(qiáng)度則大。由于本區(qū)充水層包括沖、湖積層潛水, 所以, 當(dāng)冒落裂隙發(fā)育較窄小時, 初始涌水?dāng)y帶少量泥砂, 經(jīng)過一段時期裂縫變大時, 則攜帶的泥砂量也較大, 甚至對生產(chǎn)造成威脅。

 

  2 礦井水文地質(zhì)條件探查技術(shù)

 

  2.1 水文地質(zhì)條件補(bǔ)勘內(nèi)容

 

  鑒于井田面積大, 大范圍物探工作投入過大, 而到目前為止, 對于大面積范圍內(nèi)古河道和古沖溝的探查尚無有效手段, 在本次水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探的方式上, 提出首先以GIS平臺下的遙感水文地質(zhì)調(diào)查為區(qū)域和井田普查手段, 圈定可疑富水區(qū)域和古河道, 然后以地面電法為重點驗證手段, 在重點地段和可疑區(qū)域進(jìn)行探查和驗證, 最后用水文地質(zhì)鉆探驗證并獲取可疑地段的水文地質(zhì)資料。應(yīng)用本方案可以加快井田水文地質(zhì)補(bǔ)勘的進(jìn)度, 減少物探和鉆探工程量, 從而降低補(bǔ)勘的成本。

 

  2.2 水文地質(zhì)條件探查方法

 

  針對錦界煤礦的水文地質(zhì)特征及現(xiàn)有技術(shù)手段, 以6種方法綜合探查井田水文地質(zhì)條件, 為防治水方案制定和礦井涌水量預(yù)測提供依據(jù)。這6種探查方法是:GIS平臺下的遙感探查、水文地質(zhì)鉆探、水文地質(zhì)物探、水文地質(zhì)試驗、水文地球化學(xué)研究、水文地質(zhì)觀測網(wǎng)建立和水文地質(zhì)調(diào)查等。

 

  2.3 各探查方法的目的和任務(wù)

 

  2.3.1 GIS平臺下的遙感探查

 

  遙感探查目的和任務(wù)主要是為了查明區(qū)域完整的水文地質(zhì)單元, 以區(qū)域地下水的補(bǔ)、逕、排條件為重點, 圈定區(qū)域水文地質(zhì)測繪面積;通過水文地質(zhì)遙感調(diào)查, 查明礦床疏干可能影響的范圍及補(bǔ)給邊界, 以及礦床充水因素和礦區(qū)水文地質(zhì)邊界條件。

 

  2.3.2 水文地質(zhì)鉆探

 

  水文地質(zhì)鉆探是指勘探孔、抽水試驗孔、水位觀測孔的施工, 它是取得直觀水文地質(zhì)資料的重要手段。其目的是通過詳細(xì)鉆孔編錄和描述, 確定含水層水位、沙層厚度、潛水含水層厚度、直羅組風(fēng)化基巖厚度、正常基巖頂界面、基巖厚度、含水層和隔水層巖性、厚度、裂隙發(fā)育程度及其富水性等資料。通過鉆探探查第四系含水層和侏羅系直羅組含水層的厚度、空間展布、富水性, 補(bǔ)給、徑流和排泄條件, 為礦井涌水量評價和實施疏降水開采的可行性論證提供基礎(chǔ)資料;同時探查第四系與基巖風(fēng)化帶之間的紅土隔水層的厚度、分布及其穩(wěn)定性、阻水能力, 為充分利用隔水層防治第四系松散層潛水和地表水體提供基礎(chǔ)資料;此外, 還可以驗證遙感和物探圈定的富水異常區(qū)域。

 

  2.3.3 水文地質(zhì)物探

 

  目前錦界煤礦主要受第四系潛水和基巖風(fēng)化帶承壓水等的威脅, 在開采之前或開采初期必須查明開采區(qū)域內(nèi)第四系潛水含水層、基巖風(fēng)化帶含水層的富水性及主要富水區(qū)域。針對錦界井田的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件, 并根據(jù)各種物探方法在水文地質(zhì)勘探中的應(yīng)用效果, 采用分辨率較高的高密度電阻率勘探方法, 探測和確定主要富水區(qū)的分布范圍。物探工作的主要地質(zhì)任務(wù)是:查明富水范圍、含水層厚度、富水性、松散層厚度及基巖頂面的起伏形態(tài), 控制其分布范圍。

 

  2.3.4 直羅組含水層放水試驗

 

  根據(jù)對礦井水文地質(zhì)條件和礦井主要充水水源分析,侏羅系直羅組砂巖含水層是目前礦井主要充水水源, 其次是第四系松散層含水層。因此, 確定放水試驗的放水層為直羅組砂巖含水層, 觀測直羅組砂巖含水層和第四系松散層含水層的水位。放水試驗的目的是建立水文地質(zhì)數(shù)值模型, 通過參數(shù)反演, 獲取不同地段的水文地質(zhì)參數(shù), 包括滲透系數(shù)、給水度等;通過正演計算, 預(yù)計礦井涌水量,進(jìn)行預(yù)疏放孔優(yōu)化布置等工作。通過放水試驗, 可以對直羅組砂巖含水層的補(bǔ)給量有明確的認(rèn)識, 圈定試驗影響范圍內(nèi)第四系潛水對直羅組砂巖承壓水的補(bǔ)給位置。通過水文地質(zhì)試驗, 確定含水層的水文地質(zhì)參數(shù)、評價含水層的富水性、了解不同含水層間的水力聯(lián)系等, 評價礦井涌水量, 包括不同盤區(qū)和工作面涌水量。

 

  2.3.5 水文地球化學(xué)研究

 

  水文地球化學(xué)研究主要包括水化學(xué)成份的分析和研究、同位素組成分析研究和示蹤試驗研究三部分。在煤礦區(qū)進(jìn)行這些研究的主要目的和任務(wù)是:

 

  1)進(jìn)一步查明地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件。地下水本質(zhì)上是一種溶液, 這種溶液的特征很大程度上反映了地下水的環(huán)境狀況或其他水文地質(zhì)條件。

 

  2)判別礦井突水水源, 為制定礦井防治水措施提供依據(jù)。尋找能代表每個含水層地下水特征的特征組份是進(jìn)行突水水源判別的關(guān)鍵。

 

  3)查明第四系含水層和直羅組含水層之間的水力聯(lián)系, 以及地表水與含水層之間的水力聯(lián)系。

 

  2.3.6 地下水長期觀測網(wǎng)

 

  通過施工的水文地質(zhì)孔, 建立井田地下水長期觀測系統(tǒng), 采集動態(tài)資料, 掌握地下水動態(tài)變化規(guī)律以及礦井開采活動對地下水系統(tǒng)的影響規(guī)律, 為礦井防治水方法研究提供資料和依據(jù)。建立觀測網(wǎng)的目的是:

 

  1)了解不同含水層或同一含水層不同區(qū)段的水位變化情況, 確定井田范圍內(nèi)地下水流場。

 

  2)通過豐水期、枯水期地下水位的動態(tài)觀測, 分析影響礦區(qū)地下水位變化的主要因素, 判斷地下水位動態(tài)變化與降水、礦井疏排水、地表水體之間的關(guān)系。

 

  3)當(dāng)需要進(jìn)行抽(放)水試驗時, 可有效地控制激發(fā)流場的分布情況, 從而為井田或采區(qū)地下水徑流特征分析提供依據(jù)。

 

  4)當(dāng)井下發(fā)生突水時, 通過加密觀測各含水層地下水位, 有助于確定突水水源和途徑, 以便及時采取措施。

 

  3 結(jié) 論

 

  1)錦界煤礦地表水主要充水水源是青草界溝和河則溝,地下水主要充水水源是第四系沙層孔隙水和直羅組風(fēng)化巖裂隙水, 其中風(fēng)化巖裂隙水遠(yuǎn)比沙層水含水豐富, 是礦井水害的主要來源;礦井的主要充水通道是煤層開采形成的導(dǎo)水裂隙帶, 其次為原生結(jié)構(gòu)面裂隙, 局部為斷層裂隙。

 

  2)提出了采用GIS平臺下的遙感探查、水文地質(zhì)鉆探、水文地質(zhì)物探、水文地質(zhì)試驗、水文地球化學(xué)研究和水文地質(zhì)觀測網(wǎng)建立等6 種方法聯(lián)合探查錦界井田水文地質(zhì)條件, 并明確了各種探查方法的目的和任務(wù)。