西山古交矿区奥灰与下组煤带压开采

刘 丽,王 芳,常永旺,李俊杰,车灿辉

(1、中国矿业大学资源学院;2、西山煤电集团有限责任公司)

·专题综述·

西山古交矿区奥灰与下组煤带压开采

刘 丽①,王 芳②,常永旺②,李俊杰①,车灿辉①

(1、中国矿业大学资源学院;2、西山煤电集团有限责任公司)

古交矿区下组煤的开采深受中奥陶系灰岩含水层的威胁,存在严重的带压开采问题。介绍了前人对奥灰的研究,认为对下组煤造成影响的并不是整个奥灰,而是其中的某个含水层段;通过分析中奥陶系地层与下组煤之间的关系,认为O2f2是下组煤带压开采的直接充水含水层,O2s2+3是间接充水含水层;并且通过对揭露奥灰钻孔的地质、简易水文及抽水试验等资料的分析,认为O2f2富水性弱,对下组煤开采影响小,O2s2+3只有当存在集中导水通道时,才会对下组煤造成危害,并提出以O2f2作为中间指示含水层来监测、防治O2s2+3含水层。

奥灰;水文地质特征;带压开采;指示含水层

中奥陶统碳酸盐岩是华北石炭二叠系煤田基底,其分布范围广、厚度高达数百米至千余米、富水性强、水压高。若将奥灰视为一个单一的含水层,那么其是一个巨大的地下水库,给下组煤带压开采造成巨大威胁。因此,防治水工作中,均将奥灰水视为难以防治的劲敌,大有谈“奥”色变之势,令人望而生畏。然而事实并非如此。由于中奥陶统沉积时经历了三次海进和海退,沉积旋回明显,1975年峰峰地层会议上,专家将奥灰划分为三组八段,即峰峰组二段、一段(O2f2、O2f1),上马家沟组三段、二段、一段(O2s3、O2s2、O2s1)、下马家沟组组三段、二段、一段 (O2x3、O2x2、O2x1),以后各省区相继对奥灰地层进行划分,虽然划分不一、名称不同,但大体上是可以相互对比的,如表1所示。

表1 中奥陶地层的划分和对比[1]

水文地质工作者通过对各层段中大量的水文地质试验数据对比和分析研究,认为各组一段的富水性较差,可视为相对隔水层,而各组二、三段的富水性普遍较强,抽水孔或供水井水量均很大,是极具水资源开发价值的含水层段,同时又是煤矿生产最具威胁的含水层段。

既然奥灰中存在相对隔水层,那么奥灰各含水层段向矿井充水的作用就不同,有直接充水含水层与间接充水含水层之别。在研究奥灰对下组煤开采影响时,就必须分开研究各层段的富水性及其对下组煤开采的影响,而不可笼统地根据整个奥灰的富水性来评价下组煤带压开采的安全可靠性。

1 研究区概述

古交矿区位于西山煤田西北隅,含煤地层为山西组、太原组,含煤14层。其中,可采及局部可采煤层7层,主采煤层为 2#、3#、8#、9#煤层。区内现有西山煤电集团有限责任公司西曲矿、东曲矿、屯兰矿、马兰矿、镇城底矿5对生产矿井,面积约308 km2(见图1),设计能力1 650万 t,2007年核定生产能力1 750万t,2007年实际产量1 699万 t。地方各类煤矿遍布矿区周围,目前大部分矿井均开采上组煤,配采一部分下组煤。随着煤矿生产的发展,现已向深部和下组煤延伸。现生产水平的上、下组煤大多位于奥灰承压水位之下,尤其是下组煤(8#、9#煤)存在严重的带压开采问题。

图1 古交矿区概况图

2 研究区奥陶系灰岩水文地质特征

正如前面所述,由于沉积旋回,本区中奥陶统地层亦可划分为三组八段,即峰峰组(O2f)、上马家沟组(O2s)、下马家沟组(O2x),其中各组的一段主要为角砾状泥灰岩、泥灰岩、角砾状灰岩并夹数层石膏,为相对隔水层,各组的二、三段主要为石灰岩,岩溶裂隙发育,为含水层,见图2。

1)下马家沟组二段、三段(O2x2+3)含水层。该段由于埋藏较深,岩溶发育弱,只是在灰岩段具小溶孔和蜂窝状岩溶,研究区内揭露该段的钻孔较少。古交钢厂以东的C-39孔在揭露该层段时,岩溶发育较弱,抽水试验降深28.75 m,单位涌水量仅为0.026 L/s·m,该层段与下伏O1含水层混合水样的矿化度为2 808 mg/L,说明该层段富水性弱;屯兰井田北部边界 TS-3号孔揭露该层段67.43 m,结果无水;镇城底井田阴家沟的GS-14号孔揭露该层段52 m,简易水文资料也反映富水性弱。

2)上马家沟组二段、三段(O2s2+3)含水层。该段是区域内的强含水层,研究区内的水源地多以该层段为目的层。石灰岩中发育有溶孔和蜂窝状岩溶,钻进中水位、水量有变化,大部分钻孔揭露该层时均出现漏水现象,水位急剧下降。据简易水文资料,GS-9孔在孔深633.65～662.61 m,水位由20 m突然降至160.8 m,消耗量由2 m3/h增加到120 m3/h。钻孔单位涌水量一般为0.046～6.70 L/s·m,水质类型大都为 SO4-Ca·Mg型,矿化度 311～2 619 mg/L。富水性中等—丰富。

3)峰峰组二段(O2f2)含水层。该段由于长期处于剥蚀作用下,顶部裂隙岩溶多被上部铝土质泥岩充填,使得本段富水性较弱且差异较大。钻孔单位涌水量一般为0.000 1～8.39 L/s·m,个别钻孔的单位涌水量达26.959 5 L/s·m(GS-16孔),水质类型为 SO4-Ca·Mg、HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg和 SO4·HCO3-Ca·Mg型,矿化度377～2 438 mg/L。

图2 奥陶系柱状示意图

该层段岩溶发育程度与埋深之间关系密切,在镇城底西北部以及西曲水源地,峰峰组埋藏浅,岩溶发 育,单位涌水量大的钻孔多位于此处;屯兰矿的413、416、417孔,峰峰组埋藏深,仅发育有少量蜂窝状溶孔,含水性差,单位涌水量最大者仅为 0.025 L/s·m,417孔O2f2与O2s2+3混合抽水的单位涌水量小于0.000 26,几乎可以说是干孔;而研究区南部,峰峰组埋藏深,峰峰组二段甚至不含水,如 GS-8-1、GS-8-2(见表 2,表 3)。

从表3看出,除个别钻孔 q>0.1 L/s·m外,绝大多数钻孔 q<0.1 L/s·m,甚至小于 q<0.01 L/s·m,这充分说明该含水层富水性弱。

4)峰峰组(O2f2)与上马家沟组(O2s2+3)含水层之间的水力联系差。

排除补给区的钻孔,即镇城底西北部以及西曲水源地部分钻孔(图1),O2f2与O2s2+3两含水层之间存在着一定的水位差,见表2;从水质类型来看,O2f2的水质以硫酸型为主,而O2s2+3以重碳酸型为主,也说明两者之间水力联系差。这充分说明了峰峰组一段(O2f1)具有良好的隔水性能,从而使下组煤带压开采水文地质条件简化(见表4)。

3 奥灰含水层对下组煤开采影响初步分析

综上所述,奥灰并不是一个单一的巨厚含水层,对下组煤带压开采造成影响的也不是整个奥灰。峰峰组二段是中奥陶统的第一个含水层段,距下组煤平均厚度65 m,是下组煤带压开采的直接充水含水层;由于峰峰组一段(O2f1)具有良好的隔水性能,加之上马家沟组含水层距下组煤较远,只能起到间接充水含水层作用,在没有集中导水通道的情况,不会造成底板突水;而下马家沟组含水层埋深大,岩溶基本不发育,富水性极弱,且距下组煤200 m以上,对下组煤带压开采不造成影响。因此,在下组煤带压开采研究中,研究峰峰组二段的富水性及富水规律是最为重要的;其次是研究上马家沟组与峰峰组之间是否存在集中导水通道。

表2 上马家沟组含水层部分钻孔抽水实验成果表

表3 峰峰组含水层部分钻孔抽水实验成果表

表4 峰峰组与上马家沟组含水层水位差值表

前已叙及,峰峰组二段(O2f2)富水性普遍较弱,有些地段O2f2甚至不含水,只是个别地方富水性较强,因此,O2f2对下组煤的影响也因地段不同而具有差异性。加之峰峰组顶部多被铝土泥岩填充,增加了其与下组煤之间的隔水层厚度。因此,总体上来说,O2f2对下组煤的开采不致于造成重大水害,只有当其水压大且富水性强时,才可能对下组煤开采产生重大影响。

上马家沟组含水层段(O2s2+3)是区域内的强含水层,多数水源地均布置在此层,且华北型煤田重特大突水事故均与该含水层有关,如范各庄2171工作面陷落柱突水、皖北任楼7222陷落柱突水等均是由于陷落柱导通了上马家沟组强含水层而淹井。在没有集中导水通道(断层、陷落柱、钻孔)的情况下,O2s2+3不会对底板突水构成威胁,因此,应该重点对集中导水通道进行探查,防止集中通道突水。

对于O2s2+3强含水层的防治,建议在O2f2中布置监测孔,以峰峰组二段弱含水层为中间指示层。因为O2f2是O2s2+3的水进入矿井的必经之路,在其进入下组煤前必然会引起峰峰组二段的水位、水质、水温等发生变化。通过对水质、水温分析,就可以判别进入O2f2的水是否为O2s2+3的水,而后采用“物探先行,钻探验证”的方法探查通道的性质和位置,根据具体情况,或直接封堵通道,或将O2f2改造为隔水层。

4 结 论

1)研究区内奥灰由3个含水层及3个隔水层组成,影响下组煤带压开采的并不是整个奥灰,其中O2f2是下组煤带压开采的直接充水含水层,O2s2+3是间接充水含水层。2)O2f2总体上富水性弱,况且其顶部充填有铝土泥岩,因此,对下组煤带压开采不会造成水害事故。3)O2s2+3之间水力联系差,说明O2f1隔水性良好,二者是两个相对独立含水层。4)O2s2+3是区域内的强含水层,但只起到间接充水含水层的作用,在没有集中导水通道的情况下,不会对下组煤带压开采构成威胁。而O2s2+3在对矿井充水之前必然经过O2f2,因此,可利用O2f2作为中间指示含水层来监测是否有集中导水通道导通O2s2+3,并根据通道的性质和特征,采用注浆封堵或改造加固底板的防治措施。

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Ordovician Limestone and Mining the Lower Series Coal with Water Pressure in Xishan Gujiao Mining Area

Liu Li,Wang Fang,Chang Yong-wang,Li Jun-jie,Che Can-hui

The mining of the lower series coal in Gujiao mining area is threatened by the the Ordovician limestone aquifer,and there is a serious problem of mining with water pressure.This paper introduced the previous study of Ordovician limestone and think that impact the lower series coal is not the whole Ordovician but one of the aquifers in it.Through analysis the relationship between the Ordovician and the lower series coal,this paper think that the O2f2is the direct discharge aquifer and the O2s2+3is the indirect discharge aquifers;by analyzed the information of geological,hydrological and pumping test,this paper think the O2f2water abundance is weak and O2s2+3will damage the coal mining only if exist the concentrated conductor,and offered O2f2aquifer as the intermediary indicator aquifer to monitor and control O2s2+3aquifer.

Ordovician limestone;Hydrogeology features;Mining with water pressure;Indicator aquifer

TD132

B

1672-0652(2010)05-0018-05

2010-03-16

刘 丽 女 1985年出生 2008级中国矿业大学资源学院在读硕士生 徐州 221008