永红煤矿峰峰组上部隔水性能研究

郭向阳

（沁和能源集团有限公司永红煤矿，山西 晋城 048200)

永红煤矿随着3号煤层资源的枯竭，即将进入下组煤15号煤层的开采。15号煤层底板距奥灰顶界面距离在10.88～29.32m之间，煤层底板承受水压值在1.13～2.42MPa之间，受奥灰水的威胁极大。为实现15号煤层的安全开采，当务之急是研究评价奥陶系上部峰峰组的隔水性能，为15号煤层的安全评价提供技术支撑。

1 矿井概况

永红煤矿位于沁水县城东南直距约32.5km的嘉峰镇西南侧，沁河西侧的梁圪坨村、大夫街村一带，属沁水县嘉峰镇管辖。井田面积为9.3398km2，开采3号～15号煤层，开采深度+450m～+230m标高。井田内大面积为黄土覆盖，仅在沁河岸边和南部、中部及西北部沟谷中有少量二叠系上石盒子组、下石盒子组地层出露，煤系地层主要为二叠系山西组和石炭系太原组。受区域构造影响，井田内地层总体走向北东，倾向于北西，倾角约2°～6°，构造形迹主要为较宽缓的褶曲构造，断裂构造不发育，未见陷落柱，未见岩浆岩侵入。

永红煤矿在水文地质单元上位于延河泉域北部径流区。井田内奥陶系含水层富水性、水质变化较大，平面上具有富水性不均一性，垂向上有“上弱下强”的垂直分带规律，可分为峰峰组、上马家沟组、下马家沟组三个层段。峰峰组岩溶裂隙不发育，富水性较差，上马家沟组中、下部局部地段岩溶较发育，富水性强，下马家沟组富水性极强。

2 峰峰组上部隔水性分析

2.1 奥灰含水层特征分析

煤层底板承压含水层是底板突水的水源，是底板突水的先决条件，也是底板突水事故的必要条件。从抽水资料可以看出，峰峰组含水层总体上富水性弱，上马家沟组含水层富水性强于峰峰组（见表1）。上马家沟组含水层对15号煤开采威胁程度大于峰峰组含水层。

另外从YH-1、YH-2、YH-3抽水试验成果可以发现，峰峰组水位与上马家沟组水位有一定的差异（见表2），说明两者之间水力联系弱。从峰峰组与上马家沟组水化学特征分析来看，峰峰组与上马家沟组水化学特征在矿化度、硬度及各主要阴、阳离子含量等方面有较大的差别。峰峰组含水层总体矿化度和总硬度低于混合含水层，混合水中的SO2-4离子含量高于峰峰组含水层（见表3）。这说明峰峰组含水层和上马家沟组含水层的垂直补给量小。由此综合分析，在无构造发育的情况下，峰峰组与上马家沟组含水层之间水力联系较弱。

表2 峰峰组与奥灰混合水位对比表

2.2 峰峰组上部岩溶裂隙研究

根据钻孔资料，钻孔岩溶裂隙均不太发育，发育有细小裂隙大多为方解石脉充填；峰峰组上部风化壳均被充填胶结，厚度约6～8m左右。从简易水文观测结果看，钻进中消耗量变化不明显。峰峰组上部岩溶裂隙发育较差，在破碎裂隙密集发育的区域，常见泥质胶结，灰岩裂隙在后期物理、化学风化过程中形成了大量碎裂状角砾，与上覆的风化残积层混杂在一起形成二次胶结，由于泥质胶结程度高，使得峰峰组上部的风化壳在成岩后具有较高的强度和隔水性能。

表3 水化学对比表

2.3 峰峰组上部隔水性能相关特性研究

不同的岩性组合对峰峰组上部隔水性能的影响程度不同，就岩石力学性质而言，石灰岩抗压强度为58.3～63.5MPa，泥灰岩的抗压强度为48.6～64.5MPa，泥灰岩的脆性较石灰岩有所下降，但塑性有一定的增强，增加了隔水性能。

峰峰组这一套浅海相碳酸盐岩地层，为泥灰岩和石灰岩互层结构。总体特征是泥质、SiO2等难溶于水的成分含量较高，具有一定的可塑性，泥质成分遇水后有一定膨胀性，在受到应力作用挤压破坏产生裂隙时，通过变形、泥分膨胀，减少了渗水裂隙、通道。根据钻孔岩芯资料，岩层本身的完整性较好，岩块内部发育的各种小裂隙多被次生方解石脉充填结晶。部分岩层中夹大量角砾，岩层断面发黄，泥分高，具有纹理易变形，表明其海-陆交换沉积环境。根据钻孔资料，峰峰组泥灰岩厚度占到峰峰组厚度的40.2%～64.4%，这种泥灰岩和石灰岩的互层结构具有较好的隔水性能。

2.4 阻隔水能力研究

通过YH-2、YH-3压水试验，峰峰组上部35～45m内测试段渗透系数很小（见表4），水压力在管路中具有一定的损耗，但即便将其考虑在内，渗透系数的数量级别依然在10-4，可见测试段岩层的总体透水性极其微弱。由此可知，井田内峰峰组上部35m以内可视为相对隔水层。

表4 峰峰组上部压水试验段渗透系数一览表

3 井田内有效隔水层厚度

根据钻孔数据资料可知，15号煤底板至奥灰顶界面距离为10.88～29.32m之间，峰峰组上部有效隔水层厚度取最小值35m。15号煤底板有效隔水层厚度增加至45.88～64.32m之间（图1），使15号煤层突水系数得到了降低。

4 结论

通过对永红煤矿奥陶系含水层特征分析，结合抽水试验、水化学特征分析等工作手段，证实了井田内峰峰组含水层与上马家沟组含水层没有直接水力联系。通过峰峰组上部岩溶裂隙发育及充填特征分析、峰峰组岩性特征分析，结合压水试验等工作手段，论证了峰峰组上部至少存在35m厚的相对隔水层。

图1 有效隔水层厚度等值线