干河井田水文地质规律及涌水特点分析研究

张 彬

(中国矿业大学)

干河井田水文地质规律及涌水特点分析研究

张 彬①

(中国矿业大学)

干河矿井为新建矿井,井田煤层埋藏深,带压程度高,地质构造复杂。在建井过程中,通过开展水文地质钻探、地下水水位动态监测、矿井涌水量观测等水文地质基础工作,对矿井涌水与各含水层水位变化的关系进行了深入研究,分析了井田边界断层的导水性,各主要含水层的赋水性、各含水层之间的水力联系。基本查明了干河井田的水文地质规律,并得出了干河矿工作面涌水的原因及治理措施。

干河井田;水文地质;涌水;特点;分析治理效果

干河井田位于郭庄泉域下游泉域排泄口以南。井田的北边界是以下团柏断层(断距350 m)及其内侧与其平行延展、呈阶梯状分布的F1派生断层(断距170 m)为界;南边界是以下张端断层为界。由于这一系列断层的落差较大,使得干河井田奥灰埋藏加深,奥灰最大埋深达750 m,最低标高-150 m。井田开采煤层皆处于区域岩溶水位之下(岩溶水位标高518 m),其上组煤及下组煤底板分别承受奥灰水压3.40～4.20 MPa和4.20～6.68 MPa。矿井生产必将面临岩溶水的严重威胁。鉴于此,在干河井田进行了水文地质补充勘探,同时加强了建井过程中水文地质资料的收集,分析了干河矿涌水特点和原因,提出治理措施。

1 涌水现状及水文地质情况

水文地质勘探以水文钻探为主,在井田东北部一、二采区范围内布置水文钻孔12个,其中B K1、BK2、BK3、B K44个水文钻孔勘查目的层为太原组K2灰岩含水层,B K5、BK62个水文钻孔勘查目的层为奥陶系峰峰组(O2f)灰岩含水层,GK1、GK2、GK3、GK44个水文钻孔分布于下团柏断层两侧,GK5、GK62个水文钻孔分布于下张端断层两侧,终孔层位为奥陶系上马家沟组(O2s)灰岩含水层,重点是查明断层的导、阻水性,对所揭露的各灰岩含水层也进行了查明;另外,矿区水源井揭露奥陶系下马家沟组(O2x)灰岩含水层,干河井田水文钻孔分布及地下水流场图见图1。

1)涌水现状。矿井建井过程中,3个井筒及清理斜巷穿过了石盒子组砂岩含水层,太原组砂岩及灰岩含水层,其中,回风立井在揭穿K2灰岩层段时,单个钻孔涌水量达到80 m3/h。目前,矿井只开采上组

图1 干河井田水文钻孔分布及地下水流场图

煤,在首采工作面回采期间,推进至78 m时,顶板周期来压,顶板冒裂高度增至最大,达到K9砂岩。K9及K8砂岩裂隙水沿采空冒裂带大量涌出,2 h涌水量增至最大130 m3/h,首采面涌水持续80 h后工作面最大涌水仍未有明显减小趋势,持续涌水一个月后,涌水量减小并稳定至35 m3/h。矿井总涌水量稳定在70 m3/h。井下清理斜巷全断面揭穿K2灰岩,涌水量35 m3/h,而回风立井揭穿K2灰岩,涌水量达80 m3/h。

2)水文地质情况。井田内各主要含水层埋藏较深,地下水长期处于滞流状态,含水层的厚度、岩性、岩相变化及其与下盘含水层的对接关系都影响到含水层的赋水性,各含水层赋水性差异较大。同一含水层受构造影响,其赋水性也不均一。

下石盒子组(K8、K9)砂岩裂隙含水层,赋水性差。井下巷道临近断层时,顶板淋水量往往会增大,为弱富水性的裂隙含水层;太原组(K2)石灰岩溶隙含水层,渗透系数为0.24 m/d,整体赋水性较差,属于弱富水性的溶隙含水层,但在局部构造发育区赋水性好;中奥陶石灰岩溶隙含水层,奥灰岩溶裂隙水是煤系地层下伏的主要含水层;上马家沟组(O2s)石灰岩溶隙含水层,岩性上部为灰岩,夹泥灰岩,中部白云质泥灰岩,岩溶裂隙较发育,为中等富水含水层;下马家沟组(O2x)岩溶裂隙含水层,井田内水源井揭露该段,为强富水含水层。

干河井田位处奥灰深埋区,上覆基岩隔水层厚度大,不可能直接获得大气降水入渗及地表水的渗漏补给,主要补给是来自侧向径流补给。来自西北部的郭庄泉域岩溶水可通过奥灰或寒灰含水层位的局部对接越过下团柏断层及F1断层补给井田区岩溶水见图2。

在井田区以北,下团柏断层下盘的岩溶水主要是沿下团柏断层由西向东径流,此外部分岩溶水可越过边界断层补给井田岩溶水。在井田区,岩溶水的径流方向总体是由北向南,水力坡度极缓。

在井田区内,岩溶水以潜流形式补给邻区含水层中地下水为其主要排泄形式。除以潜流形式由北向南径流外,在井田内由于受开采影响较小,井田内岩溶水基本处于滞留状态,仅少量通过人工开采排泄,干河矿主要含水层位置示意图见图3。

2 工作面涌水分析及治理措施

井田内各主要含水层除了通过横向接受井田北边界断层下盘含水层的侧向渗透补给外,还通过落差较大的导水断层或导水陷落柱由下而上垂向补给。综合对井田水文钻孔图、2-101面涌水量变化曲线图(图4)和各水文观测孔水位观测曲线图(图5)的分析研究,可以得出干河矿工作面涌水的原因及治理措施[1]。

1)工作面涌水原因分析。2-101面涌水量变化曲线可分为3个阶段[2]:

a)为缓慢上升阶段。工作面水量稳定,变化不大。主要是切眼刚刚掘成,围岩未出现大的裂隙,涌水主要为顶板淋水,当揭穿构造时,涌水量明显增大。

b)为急剧增加阶段。工作面涌水量在短时间内急剧上升并达到峰值,变化不稳定还出现回降现象,呈“V”字型布置。在首采工作面回采期间,推进至78 m时,顶板周期来压,顶板冒裂高度增至最大,达到K9砂岩。K9及K8砂岩裂隙水沿采空冒裂带大量涌出,2 h涌水量增至最大130 m3/h,井田内K2灰岩含水层水文观测孔(B K1、BK3)水位有明显下降,说明K2灰岩含水层通过隐伏断裂构造与K8、K9砂岩裂隙水导通,同时奥灰水文观测孔(B K5)也下降0.9 m,说明奥灰含水层与K2灰岩含水层也有导通的可能。

由于K2砂岩的补给能力比K8、K9好,在钻孔水位观测图上,可以看到BK1、B K3(K2)水文观测孔水位变化幅度明显比其它的钻孔下降幅度大。

c)为缓慢下降阶段。工作面持续涌水一个月后,涌水量减小并稳定至35 m3/h。矿井总涌水量稳定在70 m3/h。随着回采范围的扩大,受采动的影响,出水通道发生了变化,甚至K2灰岩含水层补给砂岩含水层的通道也发生了变化,工作面涌水量基本稳定在35 m3/h左右,由于自身含水层水从高水位向低水位的运移和奥灰峰峰组含水向K2灰岩含水层的越流补给,各长观孔水位开始恢复并趋于初始水位。但从恢复曲线分析,奥灰水补给K2灰岩水的区域有限,通道小或者不畅[3]。

目前,矿井总涌水量已稳定至70 m3/h,奥灰峰峰组含水层水位也恢复并稳定至初始值,K2灰岩含水层水位恢复至495 m水位后又开始缓慢下降。目前BK2孔水位标高489 m,比初始水位516 m下降了28 m,现水位已基本稳定。究其原因,主要是由矿井清理斜巷直接揭穿K2灰岩含水层涌水(35 m3/h),井下排水所致。

2)矿井涌水的治理措施。为了减少工作面涌水对矿井生产的影响,消除安全隐患,干河矿积极采取治理措施,主要从技术和管理两方面入手,以确保高效安全生产[4]。

在技术上:合理留设防水煤柱,提高矿井的排水能力,建立健全井上下水动态自动观测系统,利用三维地震、电法勘探等技术手段对工作面内部导水构造及其富水性进行探测,对隔水层薄弱地段、富水区段和潜在导水通道进行注浆加固。

在管理上,贯彻执行“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采、有掘必探”防治水原则;定期进行水情水害分析和预报,编制中长期和年度水害防治计划并组织实施。编制水害应急处理预案,及时进行修改、补充和完善。

3 总 结

通过对干河矿工作面涌水原因及治理措施的研究分析,得出:

1)井田北部下团柏断层的深部导水是干河井田各含水层水的主要补给来源,但由于埋藏深,地下水迳流条件差,各含水层的岩性差异大,使得各含水层的赋水性差异较大。其中,对煤层开采有直接影响的K8、K9砂岩含水层,K2灰岩含水层均为弱富水含水层。

2)井田内各含水层通过构造存在相互补给的可能。先期开采的2#煤层面临顶板K8、K9砂岩水和底部K2灰岩水的影响,K8、K9砂岩水接受K2灰岩含水层的补给,但补给通道有限。K2灰岩含水层接受奥灰水补给,补给通道为隐伏构造,补给通道不通畅。

3)干河矿涌水情况,从技术和管理上对涌水情况进行监测、探测、治理,形成一整套涌水监测和治理的方案,取得了显著的效果。

[1] 孟召平,张孝文.焦作演马庄井田构造分布特征及突水地质因素分析[R].西安:煤炭科学研究总院西安分院科学技术报告,1988.

[2] 杨尔乾.大型投盐探测地下水连通试验经验总结[J].水资源保护,1994(3):40-46.

[3] 吴建荣.多孔地下水连通试验确定主径流带[J].煤矿安全,1994(6):11-13.

[4] 徐建红,蔡竹聪,蔡丰伟.新课纳隧道特大涌水防治技术[J].公路交通科技(应用技术版),2006(7):124-126.

Analysis and Research on Hydrological Geology Rule and Water Burst Characteristic of G anhe Field

Zhang Bin

Ganhe mine is new mine,the buried depth of coal seam in field is deep,the degree with water pressure is high,the geologic structure is complex.In the mine building process,through developing hydrology geology foundation work such as the hydrology geology drilling,the dynamic monitoring of phreatic water surface,the observation of water burst and so on,further research the relationship between water burst of the mine and water level change in each aquifer,analyzes the hydraulic conductivity of boundary fault in field,water-preserving of each main aquifer,the hydraulic connection between each aquifers.Has verified the hydrology geology rule of Ganhe field basically,and obtained the water burst reason and the government measure of the working face in Ganhe mine.

Ganhe field;Hydrology geology;Water burst;Characteristic;Analyses governance effect

book=4,ebook=151

TD742

B

1672-0652(2010)04-0031-04

2010-03-22

张 彬 男 1989年出生 中国矿业大学在读本科生 徐州 221116