罗厝山煤矿三采区 +435巷道透水原因及防治措施

马海军

(福建省 121煤田地质勘探队,福建龙岩 364021)

1 概述

罗厝山煤矿位于福建省龙岩市新罗区铁山镇下村坂村。该矿在施工三采区 +435水平 39煤层南运输巷道时,揭露了 F1缓倾角断层下盘的灰岩地层,于 1999年元月 4日 16时在灰岩地层巷道 53m工作面发生透水事故,此后至 8月30日间隔不等的时间又发生过 4次透水,透水给罗厝山煤矿安全生产构成威胁。

罗厝山煤矿三采区 +435水平运输巷道透水是福建省典型煤矿岩溶水透水的案例,找出透水的原因及岩溶地下水的空间分布特征、补给来源、补给通道和水量大小等,对福建省同类型煤矿防治岩溶水害有一定的借鉴意义。

2 透水记录

罗厝山煤矿三采区 +435水平为平硐开采童子岩组一段煤层,在开拓三采区 39煤层南运巷掘进揭露 F1缓倾角断层带时,工作面地下水压力较大,多处小股水向外涌出,涌水量约 8.5m3/h。巷道继续掘进 F1缓断层下盘的灰岩地层,至灰岩巷道约 53m工作面时,工作面地下水压力增大,岩溶水在工作面沿风钻眼向外喷射的岩溶水柱约达 0.5～1m,将掘进工人的衣服全部喷湿,在工人退出工作面换衣服时,工作面左邦下部巨大的岩溶静水压力挤破边帮灰岩岩石,于1999年元月 4日 16时发生透水事故,水流携带泥砂等溶洞充填物冲入巷道经三采区 39煤层运输巷道进入主巷道流出硐口,大量的泥砂等溶洞充填物溃入巷道约 121.5 m3,透水颜色呈浑浊的土黄色,透水持续时间为 1小时,透水量约3452m3/h。此后至 8月 30日间隔不等的时间又发生四次透水,透水情况如表 1。

表1 罗厝山煤矿透水记录表

在五次透水间隔期间,还出现了 3～4次间歇性的次一级水量较小的透水。

五次透水合计总水量约 24 540m3,而在每次透水的间歇期间灰岩透水点水量较小,正常流量稳定在 5.3～9.5 m3/h。

3 矿区地质及水文地质背景

3.1 矿区地层及含水性

矿区内地层出露较全 (图 1),从西南往北东地层由老而新,出露地层有二叠系栖霞组、文笔山组、童子岩组、翠屏山组地层。童子岩组一段 37、37下、38、39煤层是矿区主采煤层,各含水岩层的含水性分述如下:

图1 罗厝山煤矿区构造纲要图

3.1.1 栖霞组(P1q)

为一套海相碳酸盐岩沉积,出露于矿区东南部F1断层下盘及井田南部下村坂村东侧,出露总面积 0.0546km2,其中井田东南部 F1缓断层下盘以“构造窗”式出露面积为 0.0167km2,其空间展布于 F0至 F1缓断层之间 (图 2),与上覆童子岩组和文笔山组及下伏下石炭统林地组地层均为断层接触关系。

地表出露的灰岩,溶蚀现象明显,溶洞、溶隙发育,溶洞大小不一,大者 2.30×1.20×0.80m。由于灰岩地层位于F1缓断层和 F0缓断层之间,受缓断裂构造破坏影响,裂隙发育,为岩溶发育创造了条件。在下村坂村内见 3处岩溶上升泉群 (见图 1),总流量为 90.62 L/s,说明岩溶的富水性强。

3.1.2 文笔山组(P1w)

为一套浅海相沉积,岩性主要由泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩组成。厚度大于 200m,主要分布在下村坂村周围和F5断层以东,为较好的隔水岩层。在正常情况下,可成为童子岩组一段含煤地层与栖霞灰岩强含水岩组的稳定隔水层,在矿区 2线、3线西南部童子岩组一段与文笔山组正常接触地段,文笔山组地层隔水性良好;在矿区的东部由于 F1缓倾角断层的破坏,全部断失了文笔山组隔水岩层,造成童子岩组一段含煤地层直接与栖霞灰岩强富水岩层直接对口。

3.1.3 童子岩组(P1t)

为一套海陆交互相 ～过渡相 ～陆相沉积地层。岩性由细砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层组成。地层厚度约821.0 m。含丰富的动物化石和植物化石。经龙永煤田多次抽水试验,岩层的单位涌水量为 0.000 515～0.433 L/S◦m,渗透系数为 0.002 69～2.991m/d,为弱富水的不均匀裂隙含水岩组。

根据岩性、古生物、结核及含煤性,可划分为三个段。与下伏文笔山组地层呈整合接触,与上覆翠屏山组地层呈假整合接触,主要分布于矿区倾伏背斜东侧,为矿区大部出露地层。

童子岩组第一段 (P1t1):为滨海相 ～浅海相沉积,岩性以泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩为主,夹少量细砂岩,厚约 256 m。出露于矿区西南部,岩层中普遍含有扁球状菱铁矿结核,含丰富的动物化石和植物化石:是矿区的主要含煤地层段,其中37、37下、38、39为主采煤层。为不均匀弱裂隙含水岩组。

童子岩组第二段 (P1t2):为一套浅海相沉积。岩性以砂质泥岩、泥岩夹砂质灰岩或钙质砂岩组成,厚约 115 m,出露于矿区中部,含丰富的动物化石,为较好的隔水岩层。

童子岩组第三段 (P1t3),为一套海退型海陆交互相 ～湖泊相沉积,岩性以砂质泥岩、细砂岩、泥岩及煤层组成,厚约450m,出露于矿区东北部,含丰富的大羽羊齿、栉羊齿等植物化石和舌形贝动物化石等。含煤 9层,其中 22煤层为主采层,21煤层为局部可采煤层。为不均匀弱裂隙含水岩组。

3.1.4 翠屏山组(P2cp)

为一套湖泊相、沼泽相及泥炭沼泽相为主的陆相沉积,地表出露于矿区东北部及外围,岩性以砂岩、砂质泥岩、砂砾岩为主,与童子岩组呈假整合接触。厚度约 640m。为不均匀弱裂隙含水岩组。

3.2 矿区构造及对水文地质条件的影响

罗厝山煤矿区域构造位于闽西南拗陷的东侧、下村坂的倾伏背斜东翼,总体是一个倾向北东的单斜构造,倾角 20～60°,浅部地层倾角较平缓,往深部 +300水平以下,地层产状变陡,且次级褶曲、倒转和缓断层发育。

矿区内断裂构造发育,主要断裂有两组,一组是隐伏在井田深部的缓倾角断层 F0、F1、F2(图 2)。

另一组是出露地表的高角度正断层 F3、F4、F5(图 1)。高角度正断层组构成了井田西部、北部和东部边界,隐伏在井田深部的缓倾角断层 F0、F1、F2间距较近,又相互切割,形成缓断层组合,破坏了井田深部地层的连续性和完整性,并造成主采煤层与栖霞灰岩直接对口,使井田水文地质条件复杂化。

矿区构造的另一个特点,隐伏在深部的缓倾角断层 F1在矿区的东部抬高,并于流水沟谷底部由于风化剥蚀、侵蚀和水流的冲刷作用下,在沟谷底部以“构造窗”形式成闭合环状出露地表,造成童子岩组一段地层直接覆盖在栖霞灰岩地层之上,形成矿区独特的“构造窗”地质景观。

4 透水原因分析

罗厝山煤矿三采区 +435水平 39煤层南运巷透水的直接因素是三采区 39煤层南运巷掘进施工进入 F1缓断层下盘含水丰富的栖霞灰岩地层 (见图 2),当巷道掘进施工进入灰岩地层时,未能及时停止掘进,直到掘进至灰岩溶洞附近,巨大的岩溶地下水静水压力挤破巷道左侧邦灰岩岩石,将岩溶溶洞内的地下水和溶洞充填物泥砂冲入巷道内,幸好透水发生时掘进工人正好提前退出,没有造成人员伤亡。

图2 罗厝山煤矿 A-A′剖面岩溶水补给关系示意图

4.1 透水水源

F1下盘的栖霞灰岩地层,由于构造发育,在 +200～+750水平上形成了大小不一、结构复杂的众多岩溶溶洞、溶隙,成为地下水良好的储存场所,是本次透水的水源地。

4.2 透水水源的发育特征和连通性

由于岩溶发育在空间分布上极不均一,岩溶溶洞发育的大小、形状呈复杂结构。溶洞与溶洞之间连通也呈复杂状态,在 +435水平巷道第一次透水发生后的一段时间里,井下巷道掘进及采煤放炮时,产生岩石振动,使溶洞之间连接的薄弱层受到破坏,造成另一溶洞的岩溶水集中释放,迅速排泄,这是造成透水呈现间歇性的主要原因。出现五次较大规模的透水,说明该灰岩地层发育有五个较大的溶洞。

在岩溶地下水均衡未被打破之前,岩溶水处于相对的平衡状态,当 +435水平巷道透水发生后,成为人工新揭露的岩溶地下水排泄水点,打破了原有栖霞灰岩岩溶地下水体的平衡,岩溶地下水的赋存、运移、迳流在不同的状态下的均衡需要一个过程,新的平衡建立需要一定的时间才能完成。岩溶透水呈现间歇性是在这种特定的地质、水文地质条件下发生的。

4.3 岩溶透水与下村坂村岩溶泉的关系

当 +435水平巷道透水发生后,在下村坂村内的 3处岩溶上升泉流量均发生了明显的减少 (透水点标高 +441 m,下村坂泉标高 435m)。

表2 岩溶泉点透水前后流量对比表

表 2说明:+435水平巷道透水点的岩溶水与下村坂村3处上升泉群的岩溶地下水存在水力联系。

4.4 透水水源的补给

矿区西侧有一山涧溪流,在矿区中部有一条长年流水的沟谷穿过,流量 126.5 L/s,该沟谷水在矿区东部流经以“构造窗”形式出露的灰岩地层 (见图 1),流经的灰岩地层段较短,约 65.0m。经连通试验,即在沟谷经过灰岩地层的上游,直接投放工业用盐的方法,在井下透水点取水样化验分析,投盐前后水质化验结果显示,Na+离子和 Cl-离子含量变化不明显,说明沟谷水对灰岩岩溶地下水的补给量较小。在透水的间歇期间,透水点的水量仅为 5.3～9.5m3/h,说明岩溶地下水的补给主要来自灰岩上覆童子岩组地层的垂直渗入补给,补给量较小。

通过上述分析可以得出,造成此次矿井透水的原因是巷道掘进揭露到了灰岩溶洞附近,造成透水事故,岩溶透水破坏了岩溶地下水体的平衡,透水的水量主要来自岩溶溶洞中地下水的静储量,补给的动储量相对较小。

5 矿井防治水措施

根据矿井三采区 +435水平 39煤层南运输巷道透水的特点,可采取如下矿井水害防治措施:

(1)未来矿井巷道施工不能进入 F1断层下盘的栖霞灰岩地层,可防止同类透水事故的发生。

(2)井下巷道和采煤施工始终坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的水害治理十六字原则,当巷道施工出现涌水量增大时,应停止掘进,先探明地下水的来源和水量大小,确定安全时,再掘进施工。

(3)加强矿井水文地质工作,按《矿井水文地质规程》规定,做好矿井涌水量的长期观测,建立水文观测记录台帐,建立地下水动态观测系统。

6 结语

综上所述,可得出如下结论:

(1)该矿井三采区 +435水平 39煤层南运输巷道直接揭露下二叠统栖霞组灰岩含水体是导致透水的直接原因;

(2)栖霞灰岩溶洞发育较多且在空间上呈复杂结构分布是矿井间歇性透水的主要因素;

(3)矿井巷道和采煤放炮施工,是矿井间歇性透水的诱发因素;

(4)岩溶水宏观统一的水力联系,局部水力联系呈复杂状态和水量分布的极不均匀,使透水呈间歇性不断发生。

(5)正确认识岩溶水的赋存运移特征,对正确制定防治水方案,更好地为煤矿生产服务具有实际意义。

[1]福建省 121煤田地质勘探队 .福建龙永煤田综合研究成果及煤炭资源评价报告[R].龙岩:1992.

[2]许学汉,王杰 .煤矿突水预报研究[M],北京:地质出版社,1991.