桌子山煤田下组煤开采受奥灰承压水威胁程度研究

李雄伟

神华乌海能源有限责任公司 乌海 016000

1.引言

桌子山煤田地层区划属华北地层大区，受区域沉积环境和构造影响，该区既具有我国华北型煤田的共性，下组煤距奥灰隔水层厚度薄，水压高、水量丰富，又具有桌子山煤田的独特性，奥灰富水性极其不均一，区内断裂构造柱发育，区内下组煤（太原组16#煤）开采受奥灰水严重威胁。由于该区处于西北干旱缺水地区，上、中组煤层（山西组煤层）开采亦未受到过奥灰水的威胁，对奥灰水的威胁认识不足。随着区内煤炭开采层次“向下”延伸，开采深度逐渐加大，“奥灰水”突水几率也在增加，2010年区内骆驼山煤矿曾发生下组煤奥灰突水的严重安全事故，因此开展对区内下组煤受奥灰承压水威胁程度研究显得极为重要。文章总结了桌子山煤田2010～2012年水文地质补充勘探的最新成果，对桌子山煤田下组煤开采受奥灰水威胁程度做一些浅析。

2.奥灰含水层水文地质特征分析

（1）区内奥陶系灰岩层控规律

桌子山煤田奥陶系灰岩大部分发育，苛乌素逆断层以东区域奥陶系、寒武系缺失，含煤地层直接覆盖在震旦系、太古界之上。奥陶系灰岩自上向下主要发育有中统桌子山组（O2z）及三道坎组（O2s），桌子山组与本溪组直接接触，该组岩性以厚层灰岩为主，为盆地边缘海陆交互相沉积。三道坎组上部为灰白色石英砂岩与厚层灰岩互层；中部为灰色石英砂岩与生物碎屑灰岩互层；下部为钙质石英砂岩与砂质灰岩互层。

（2）奥灰岩溶水富水性不均一

奥陶系灰岩含水层的非均质特征表现在平面上富水性不均一及垂向上出水层段的不均一。在平面上表现为水文地质补勘各孔单孔涌水量、单位涌水量、渗透系数均有较大区别。单孔涌水量最大220m3/h，最小的仅为1.17m3/h；单位涌水量最大为4.22L/s·m，最小仅为0.0018L/s·m，富水性自弱到强，差距较大；渗透系数存在同样特征，最小为0.0007m/d，最大为2.1293m/d。

根据勘探资料在垂向上奥陶系灰岩含水层出水位置有较大区别，根据奥灰钻孔统计资料，各孔出水深度及钻液流失量位置各不相同，多数钻孔奥灰顶界面下20m～50m这一段漏失量较大，说明奥灰岩溶较为发育，垂向上奥灰顶面50m范围内为强富水段，这也与桌子山煤田内各矿井井下出水点实际情况相符。

（3）构造控水因素分析

图1 桌子山煤田构造分布、奥灰地下水流向及隔水层厚度变化图

碳酸盐岩产生岩溶作用，除与可溶岩岩性有关外，还与构造作用有关。一方面，构造不仅影响岩溶发育程度，而且影响岩溶发育空间和延伸方向。桌子山煤田主体构造为桌子山背斜，两侧为桌子山东麓大断裂、岗德尔——西来峰大断裂及岗德尔背斜，主要构造线方向近南北向，以压扭性构造为主。次一级构造线则呈东西向展布，以张性构造为主，近东西走向的右旋平移断层对南北向逆断层进行切割，如千里沟平移断层、正谊关（巴音陶亥）平移断层等。总体来讲桌子山煤田构造控水规律明显，南北向的大型逆断层控制含水层边界条件、径流条件，东西向正断层多形成赋水构造，形成地下水强径流带和富水带，成为岩溶地下水的良好赋存场所，如区内所有奥灰取水点均分布在向斜核部及东西向正断层构造带内。

构造另一方面还控制地下水的补给、径流、排泄条件。桌子山大面积裸露的碳酸盐区，为该区地下水的主要补给区，补给源以大气降水入渗和季节性地表洪水渗漏补给为主。桌子山岩溶水在向卡布其向斜径流至岗德尔山前，由于受岗德尔山东缘断裂的阻挡，在自然地下水头压力作用下，沿构造线方向作近南北向径流，顺黑龙贵断裂带和西来峰断裂带由北向南径流（径流区）进入棋盘井地区，由于南部近东西向的正谊关右旋平移断层隔水边界等原因，地下水向西南方向公乌素、拉僧庙径流排泄（称为拉僧庙岩溶子系统）。所以，从地形和水文网分布上看，桌子山东部沿着顺黑龙贵断裂带和西来峰断裂带为径流带，根据水文地质补勘漏水情况，岩溶较为发育；桌子山西部为相对滞留区，岩溶相对不发育。（图1）

图2 骆驼山及棋盘井奥灰地下水位变化曲线图

3.奥灰岩溶水水位动态变化特征

据区域水文地质调查资料显示，目前区域上奥陶系灰岩含水层水位也呈下降趋势。拉僧庙岩溶子系统汇水面积2，177k㎡，裸露区面积183k㎡，埋藏区面积1，817k㎡。奥陶系降水入渗系数按0.13考虑，年补给量为3.70×106m3/a，日均补给量为1.04×104m3/d，即便将三分之一的埋藏浅埋区算作裸露区接受降雨补给，日均补给量为4.37×104m3/d。而区域内的工业用水、生活用水均取自该含水层，据调查奥陶系灰岩水日供水量约5.61×104m3/d。计算得出奥灰水采取量超过岩溶子系统补给量，区域水位呈单调下降趋势（图2），骆驼山矿区位于拉僧庙岩溶子系统补给区，2010～2012年间奥灰水位年平均降幅7.44m，棋盘井矿区位于拉僧庙岩溶子系统径流区，奥灰水位年平均降幅达17.5m。

4.隔水层厚度变化规律及突水危险性分析

（1）下组煤带压情况分析

根据勘探资料，整理编制了桌子山煤田下组煤底板带压相关参数表（表1）。奥陶系灰岩水初始水位标高在1，061.57～1，118.5m之间。16#煤底板标高介于＋390.51m～＋1，015.8m之间，落差625.29m，16#煤底板承受奥陶系灰岩水压1.00MPa～7.20MPa。桌子山煤田东部16#煤底板受奥陶系灰岩含水层水压较小，从桌子山煤田东部到岗德尔——西来峰逆断层线间水压呈增大趋势，断层西侧公乌素矿区16#煤带压0 MPa～4.62MPa。

表1 桌子山煤田16#煤底板带压情况及突水系数计算表

图3 桌子山煤田下组煤奥灰突水系数等直线图

（2）隔水层厚度变化情况分析

岗德尔——西来峰逆断层以东16#煤距奥陶系灰岩顶界面距离为26.95m～82.43m，平均39.04m，总体上煤层底板隔水层厚度稳定，由东向西呈增厚趋势。岗德尔——西来峰逆断层以西公乌素矿区隔水层厚度发育大于200m，煤层开采受奥灰水威胁较小。

（3）下组煤开采突水系数评价

根据统计资料计算桌子山煤田16#煤底板奥陶系灰岩水突水系数（表1）并绘制等值图（图3）。从表1及图3可以看出岗德尔——西来峰逆断层以东突水系数介于0.04MPa/m～0.148MPa/m之间，在平面上由东向西呈增大趋势。对照突水系数分区标准，桌子山煤田16#煤底板奥陶系灰岩水突水系数大部分区域大于0.06MPa/m，底板发生奥陶系灰岩水突水威胁程度较高。出岗德尔——西来峰逆断层以西突水系数介于0 MPa～0.03MPa之间，隔水层厚度较大，煤层开采基本不受奥灰水害威胁。

5.下组煤开采受奥灰承压水威胁程度

通过对桌子山煤田下组煤带压现状、底板隔水层发育特征、底板突水威胁性的分析研究，对下组煤层受底板奥灰水威胁程度进行了综合评价。桌子山煤田下组煤开采受奥灰水威胁程度可为3个区，其中岗德尔——西来峰逆断层以西公乌素矿区，其煤层底板隔水层发育较厚，各煤层开采基本不受奥灰水害威胁；苛乌素逆断层以东阿尔巴斯逆断层以西奥陶系和寒武系缺失，煤层开采不涉及奥灰水问题；平沟、骆驼山及棋盘井矿区隔水层厚度较薄受奥灰水害威胁程度较大，这三个矿区根据带压程度、隔水层厚度及底板的完整程度分析，各受奥灰水的威胁程度也各不相同（表2）。下组煤开采带压程度以骆驼山矿区最高，其次是平沟和棋盘井矿区，骆驼山矿区受奥灰水威胁最严重；平沟和棋盘井矿区下组煤带奥灰水压相当，平沟矿区16#煤底板厚度较薄但完整性较好，受奥灰水威胁较小；棋盘井矿区虽隔水层厚度相对更大，但区内断裂构造发育，且局部存在奥灰导升现象，下组煤受奥灰水威胁较大。

表2 桌子山煤田各矿区下组煤开采受奥灰水威胁程度对比表

6.结论

通过对桌子山煤田奥灰水文地质条件分析，得出该区奥灰岩溶在平面及垂向上的发育均具有不均一性。平面上受构造因素影响明显，富水区域主要集中在向斜核部及东西向正断层构造带内，垂向上奥灰顶面50m范围内为主要富水段。在此基础上对区内各矿区下组煤层受底板奥灰水威胁程度进行了综合评价，其中岗德尔——西来峰逆断层以西，煤层开采基本不受奥灰水害威胁；苛乌素逆断层以东阿尔巴斯逆断层以西煤层开采不涉及奥灰水问题；平沟、骆驼山及棋盘井矿区隔水层厚度较薄受奥灰水害威胁程度较大。

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