趙志軍，魏丹峰，陳鑫源

(1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 沁秀公司龍灣煤礦，山西 晉城 048400；2.河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南 鄭州 450052；3.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

奧陶系灰?guī)r水是制約華北眾多煤礦安全生產(chǎn)的主要水害之一，由于受地理、地質(zhì)與水文地質(zhì)背景的影響，不同礦區(qū)影響程度存在顯著的差異性[1-4]。晉城礦區(qū)主采的山西組3號(hào)煤層和部分礦井延伸開(kāi)采的太原組15號(hào)煤層，受煤系地層基底奧陶系灰?guī)r承壓水威脅，目前奧灰水已成為礦井充水的主要因素和主要水害，3號(hào)、15號(hào)煤層帶壓開(kāi)采和奧灰水的防治也成為部分礦井安全生產(chǎn)中的重中之重[2，4]。

1 礦區(qū)概況

晉城煤礦區(qū)位于山西省東南部，與山西長(zhǎng)治、運(yùn)城，河南焦作、濟(jì)源等煤礦主產(chǎn)區(qū)相鄰，區(qū)內(nèi)煤礦區(qū)主要分布于晉城市轄屬的高平市、澤州縣、沁水縣和陽(yáng)城縣境內(nèi)，目前有生產(chǎn)礦井90余座，在建礦井10余座。礦區(qū)主采3號(hào)煤層，部分礦井延伸開(kāi)采15號(hào)煤層[4]，其中3號(hào)煤層，位于二疊系山西組下部，一般厚4.5～6.5 m，平均厚5.5 m，為低灰、低硫、特高發(fā)熱值無(wú)煙煤；15號(hào)煤層，位于石炭系太原組下部，上距3號(hào)煤層110 m左右，下距奧灰頂面20 m左右，煤層一般厚2.5～4.5 m，平均3 m左右，為中低灰、中高硫、高至特高發(fā)熱值無(wú)煙煤[4-7]。

2 礦區(qū)地理地質(zhì)背景特征

2.1 地理?xiàng)l件

礦區(qū)位于太行山隆起的南西部，屬中低山丘陵地貌，標(biāo)高+500～+1 200 m，一般在+800 m左右。地形起伏變化較大，山地、溝谷縱橫交錯(cuò)，蓄水條件較好[7]。區(qū)內(nèi)屬暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年降水量412.5～891.0 mm，年平均降水量563.7 mm，其中6—9月占年降水量的70%左右，大氣降水構(gòu)成區(qū)內(nèi)為地表水體、地下含水體和奧陶系灰?guī)r區(qū)的主要充水水源[4]。地表水體主要為沁河和丹河及其支流和大小不等的水庫(kù)，分別位于礦區(qū)的西部和東部，由于受降水影響，流量季節(jié)性變化較大。區(qū)內(nèi)總體地勢(shì)北高南低，構(gòu)成地表水體的排泄方向。

2.2 地質(zhì)條件

2.2.1 地層

晉城礦區(qū)屬華北地層區(qū)太行山小區(qū)，發(fā)育的地層自下而上主要有奧陶系中統(tǒng)馬家溝組與峰峰組；石炭系中統(tǒng)本溪組與太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組及上統(tǒng)上石盒子組和石千峰組[6-7]，其中太原組、山西組是主要含煤地層(表1)。

2.2.2 構(gòu)造

晉城礦區(qū)位于太行山復(fù)背斜的南西部、沁水復(fù)式向斜的南東部，受其影響，地層總體傾向北西至北西西，其東部與南部太行山隆起區(qū)構(gòu)成含煤地層的邊界。礦區(qū)內(nèi)主體構(gòu)造晉獲褶斷帶，走向北北東，對(duì)奧陶系地層、煤系地層和煤層賦存特征起到了控制作用[8-9](圖1)。

圖1 區(qū)內(nèi)煤系地層及基底地層柱狀Fig.1 Columnar diagram of coal measure strata and basement strata in Jincheng Mining Area

由于該區(qū)處于整體抬升相對(duì)穩(wěn)定的地塊，雖經(jīng)燕山期多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，但主要以擠壓應(yīng)力作用為主，主要表現(xiàn)為含煤地層與煤層中以小型寬緩褶皺為主，傾角一般5°～8°，軸向主要以北北東向?yàn)橹鳎螢楸蔽飨?。大中型斷裂?gòu)造稀疏，煤層中小型正斷層相對(duì)較發(fā)育，少許逆斷層(圖2)。陷落柱較發(fā)育，平斷面形態(tài)以橢圓、圓形為主，直徑20～200 m，一般50～150 m，垂向上為上小下大的錐柱狀，發(fā)育高度差異較大，自?shī)W陶系至3號(hào)、15號(hào)煤及其上覆巖層，甚至接近基巖頂面[9-11]，如圖3所示。

圖2 礦區(qū)構(gòu)造示意Fig.2 Structure diagram of mining area

圖3 因擠壓應(yīng)力作用形成的小型寬緩褶皺和小斷層及陷落柱分布簡(jiǎn)圖(鳳凰山礦)Fig.3 Distribution diagram of small wide and slow folds，small faults and collapse columns formed by compression stress(Fenghuangshan Mine)

3 奧陶系灰?guī)r富水性及其賦存特征

3.1 奧陶系灰?guī)r賦存特征

受區(qū)域主體構(gòu)造太行山復(fù)背斜與沁水向斜的影響，奧陶系灰?guī)r層裸露區(qū)主要分布于礦區(qū)東至南部的太行山背斜西翼至北翼的弧形隆起帶，構(gòu)成含煤地層的東部與南部的邊界。礦區(qū)中東部受晉獲褶斷帶的影響，在其西側(cè)斷續(xù)分布(圖1)。受其影響奧陶系地層由東至西，由南向北埋藏深度逐漸增大，部分地段受斷層影響，埋藏深度有所變化[4-5，9]。

3.2 奧陶系灰?guī)r富水性

區(qū)內(nèi)發(fā)育奧陶系中統(tǒng)峰峰組與馬家溝組，與上覆石炭系本溪組為平行不整合接觸，構(gòu)成含煤地層的基底，亦是開(kāi)采煤層受底板灰?guī)r承壓水的主要水源[12]。

(1)峰峰組。主要為灰—灰白色厚至巨厚層狀隱晶質(zhì)石灰?guī)r、角礫狀石灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r及泥質(zhì)石灰?guī)r，在下部見(jiàn)有纖維狀石膏，厚70～154 m，平均厚110 m，具有自南向北逐漸增大趨勢(shì)[4，13]。依據(jù)區(qū)內(nèi)北部趙莊、長(zhǎng)平礦，南東部鳳凰山山礦，西部成莊、坪上、岳城、寺河與北西部龍灣、東大等礦地面與井下鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果，單位涌水量0.000 02～0.086 80 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.000 4～0.281 6 m/d，均表現(xiàn)為弱—極弱含水性與透水性特征，可見(jiàn)區(qū)內(nèi)奧陶系峰峰組灰?guī)r巖溶裂隙欠發(fā)育及弱富水性具有普遍性(由于厚度大，不排除特殊地段若與下伏馬家溝組灰?guī)r水溝通會(huì)存在相對(duì)富水的可能性，但范圍、水量不會(huì)太大)[13-17]，見(jiàn)表2。礦化度為318～746 mg/L，水化學(xué)類型為HCO3-Na-Ca、CO3·SO4-Na和SO4·HCO3-Na+Ca型。

表2 區(qū)內(nèi)奧陶系峰峰組灰?guī)r抽水試驗(yàn)成果匯總Tab.2 Summary of pumping test results of Ordovician Fengfeng Formation limestone in Jincheng Mining Area

(2)馬家溝組。主要為灰至灰白色厚層石灰?guī)r、白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r，累計(jì)厚400 m左右，依據(jù)區(qū)內(nèi)地面與井下鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果，單位涌水量0.000 9～18.360 0 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.000 3～186.420 0 m/d，表現(xiàn)為弱至極強(qiáng)含水性，其中單位涌水量5 L/(s·m)以上的占2孔，占6.45%，單位涌水量1～5 L/(s·m)的11孔，占35.48%，單位涌水量0.1～1.0 L/(s·m)的6孔，占19.35%，單位涌水量0.1 L/(s·m)以下的占38.71%[13-17]。由于該灰?guī)r層灰?guī)r厚度大，且受埋藏條件的控制，表現(xiàn)了富水性橫向與垂向上存在顯著的不均衡性，見(jiàn)表3。礦化度為 348～950 mg/L，水化學(xué)類型為HCO3-Na·Mg型和SO4·HCO3-Na型。

表3 區(qū)內(nèi)奧陶系馬家溝組灰?guī)r抽水試驗(yàn)成果匯總Tab.3 Summary of Ordovician Majiagou Formation limestone pumping test results in Jincheng Mining Area

3.3 奧陶系灰?guī)r地下水賦存特征

通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)奧陶系峰峰組與馬家溝組灰?guī)r地下水位統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，在同一地段、同一鉆孔，水位標(biāo)高具有顯著的差異性，且峰峰組灰?guī)r地下水水位明顯高于馬家溝組灰?guī)r水，表明垂向上水力聯(lián)系弱，未構(gòu)成統(tǒng)一的含水體[4，13-17]，見(jiàn)表4。

表4 區(qū)內(nèi)奧陶系峰峰組與馬家溝組灰?guī)r水位對(duì)比一覽Tab.4 Limestone water level comparison list between Ordovician Fengfeng Formation and Majiagou Formation in Jincheng Mining Area

(1)峰峰組灰?guī)r地下水。峰峰組灰?guī)r厚度雖較大，但由于受巖性、巖溶裂隙發(fā)育程度、斷裂構(gòu)造發(fā)育程度及導(dǎo)水性等因素影響，地下水賦存主要表現(xiàn)為以下特征：①由于受區(qū)內(nèi)整體抬升地勢(shì)高，地形變化大，大中型斷裂構(gòu)造稀疏及導(dǎo)水性弱等因素影響，致使巖溶裂隙發(fā)育程度較弱，相應(yīng)限制了灰?guī)r水的儲(chǔ)水空間，致使主要表現(xiàn)為僅局部小型裂隙中含水；②由于巖溶裂隙發(fā)育程度低、間斷分布及斷裂構(gòu)造導(dǎo)水性差，致使橫向與垂向上未構(gòu)成水力聯(lián)系；③由于大中型斷層稀疏且導(dǎo)水性差，相應(yīng)限制了地下水的橫向上的補(bǔ)給、徑流及排泄。因此，保持了原始靜態(tài)滯水的特征；④由于受區(qū)內(nèi)地勢(shì)高、地形變化大，溝谷切割深，地下水徑流方向(主要沿裸露區(qū)沿溝谷或河道方向徑流)等因素影響，致使含煤地層區(qū)受灰?guī)r裸露區(qū)下滲的地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給影響較弱，使奧陶系灰?guī)r地下水處于弱循環(huán)狀態(tài)[4-5，12-16，18]。

(2)馬家溝組地下水。厚度在400 m左右，由于受巖溶裂隙發(fā)育，表現(xiàn)為層間富水為主，在受灰?guī)r裸露區(qū)大氣降水和地表水的側(cè)向徑流補(bǔ)給及泉域自然排泄和水源井持續(xù)排水的作用下，存在地下水徑流帶，由于受灰?guī)r賦存特征及距灰?guī)r裸露區(qū)距離影響主要表現(xiàn)了如下特征：① 由于受地形地貌、埋藏深度及排泄條件影響，馬家溝組灰?guī)r地下水位自北向南呈逐漸降低趨勢(shì)，如礦區(qū)北東部的趙莊礦水位標(biāo)高在+635～+644 m，長(zhǎng)平礦至伯方礦水位標(biāo)高+618 m左右，至?xí)x城市區(qū)北部的鳳凰山礦降為+553～+574 m；礦區(qū)北西部龍灣井田水位標(biāo)高+680～+705 m，向南至坪上、岳城礦為+489～+525 m，礦區(qū)中部成莊礦水位標(biāo)高+460～+520 m；② 由于受巖溶裂隙發(fā)育程度及地下水動(dòng)態(tài)特征不均衡影響，在垂向上表現(xiàn)為以層間富水為主，富水層段間均發(fā)育有相對(duì)隔水層，致使垂向上未構(gòu)成統(tǒng)一水體，且與上覆峰峰組灰?guī)r及太原組薄層灰?guī)r基本無(wú)水力聯(lián)系；③具有自淺至深巖溶裂隙發(fā)育程度和富水性逐漸減弱的變化趨勢(shì)，如礦區(qū)北東部趙莊與長(zhǎng)平井田西部的深部及北西部的龍灣、東大井田地下水滯水區(qū)富水性相對(duì)較弱。晉城市轄區(qū)及其附近由于水源井排泄，灰?guī)r地下水循環(huán)良好，其富水性相對(duì)較強(qiáng)；④灰?guī)r地下水的富水性與灰?guī)r裸露的補(bǔ)給區(qū)成正比關(guān)系，即距離越近富水性相對(duì)較好，具有良好的補(bǔ)給、徑流及排泄條件，遠(yuǎn)離補(bǔ)給區(qū)相對(duì)較差[4-5，12-16，18]。

4 討論

4.1 奧陶系灰?guī)r水對(duì)3號(hào)煤層開(kāi)采的影響

3號(hào)煤層位于二疊系山西組下部，煤層底板依次為山西組底部砂巖，太原組砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r、砂巖、泥巖互層和本溪組鋁土質(zhì)泥巖(由于太原組薄層灰?guī)r弱富水性，均作為隔水層)，累計(jì)厚度140 m左右，按照《煤礦防治水細(xì)則》(附錄四)采煤工作面安全水頭值計(jì)算公式[19]：

Ps=TsM

(1)

式中，Ps為底板隔水層安全水頭值；M為底板隔水層厚度；Ts為臨界突水系數(shù)。

底板隔水層厚度，采用煤層底板至奧陶系峰峰組灰?guī)r頂面間厚度140 m；臨界突水系數(shù)采用底板受構(gòu)造破壞的地段按0.06 MPa/m，隔水層完整無(wú)斷裂構(gòu)造破壞的地段按0.1 MPa/m[19]，計(jì)算底板隔水層安全水頭值分別為8.4 MPa和14.0 MPa。依據(jù)區(qū)內(nèi)多數(shù)礦井3號(hào)煤層開(kāi)采最低標(biāo)高+300 m，奧陶系馬家溝組灰?guī)r水位標(biāo)高+460～+705 m，一般在+600 m左右，煤層底板隔水層水頭壓力一般在4 MPa以下，達(dá)到可安全帶壓開(kāi)采的基本標(biāo)準(zhǔn)。由于區(qū)內(nèi)大中型斷層稀疏，陷落柱雖較發(fā)育，均經(jīng)三維地震勘探，其位置、規(guī)?；静槊鳎深A(yù)防其導(dǎo)通與奧陶系灰?guī)r承壓水的聯(lián)系。加之煤層底板至奧陶系灰?guī)r頂面有軟硬巖層互層，不僅具有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度，而且有良好的隔水性能，以及奧陶系峰峰組灰?guī)r厚度大(平均110 m)，弱富水性，對(duì)阻止奧陶系馬家溝組強(qiáng)富水含水層水起到了抑制作用。因此，綜合評(píng)價(jià)3號(hào)煤層可安全帶壓開(kāi)采。

4.2 奧陶系灰?guī)r水對(duì)15號(hào)煤層開(kāi)采的影響

15號(hào)位于太原組下部，煤層底板依次為本溪組鋁土質(zhì)泥巖、奧陶系峰峰組與馬家溝組灰?guī)r，平均厚分別為20、110、400 m(圖2)。區(qū)內(nèi)多個(gè)礦井水文孔對(duì)該層抽水試驗(yàn)結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)奧陶系峰峰組灰?guī)r巖溶裂隙欠發(fā)育，以弱—極弱富水性為主，對(duì)奧陶系馬家溝組弱至極強(qiáng)富水而言，可以作為相對(duì)隔水層。因此，15號(hào)煤層底板至馬家溝組頂面累計(jì)厚度達(dá)130 m，臨界突水系數(shù)采用底板受構(gòu)造破壞的地段按0.06 MPa/m，隔水層完整無(wú)斷裂構(gòu)造破壞的地段按0.1 MPa/m，代入公式計(jì)算安全水頭壓力值分別為7.8 MPa與13.0 MPa，對(duì)比區(qū)內(nèi)15號(hào)煤層可開(kāi)采最低標(biāo)高+200 m，奧陶系馬家溝組灰?guī)r水位標(biāo)高+460～+705 m，一般在+600 m左右，煤層底板隔水層最大水頭壓力6 MPa以下，理論上在安全水壓值以內(nèi)。但考慮到峰峰組灰?guī)r局部地段巖溶裂隙有可能發(fā)育或富水，為確保帶壓開(kāi)采絕對(duì)安全性，在生產(chǎn)過(guò)程中建議采取以下防范措施：①采用物探與鉆探相結(jié)合的手段與方法，進(jìn)一步準(zhǔn)確查明奧陶系峰峰組灰?guī)r富水異常區(qū)范圍，并采取鉆探驗(yàn)證措施；②采取物探與鉆探方法準(zhǔn)確確定斷層、陷落柱導(dǎo)富水性，若可能存在導(dǎo)(富)水性的斷層、陷落柱，采取注漿加固措施[13-16，20]。

5 結(jié)論

(1)晉城礦區(qū)處于整體抬升的地質(zhì)塊段，致使地勢(shì)高，地形變化大，溝谷切割深，大中型斷裂構(gòu)造發(fā)育程度低，且導(dǎo)水較弱，相應(yīng)限制了奧陶系巖溶裂隙發(fā)育程度及灰?guī)r裸露區(qū)灰?guī)r地下水向含煤地層區(qū)灰?guī)r地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給。

(2)奧陶系中統(tǒng)峰峰組含水層以零星分布的弱靜態(tài)滯水為主，橫向上與區(qū)域灰?guī)r地下水、垂向上與上覆太原組薄層灰?guī)r水和下伏馬家溝地下水基本無(wú)水力聯(lián)系；馬家溝組灰?guī)r含水層橫向與垂向上富水性存在顯著的不均衡性，主要以層間含水為主。

(3)區(qū)內(nèi)主采的3號(hào)煤層，可以安全帶壓開(kāi)采；15號(hào)煤層雖距峰峰組灰?guī)r僅30 m左右，但由于峰峰組灰?guī)r厚度大，富水性弱，斷裂構(gòu)造導(dǎo)水性差，可視為相對(duì)隔水層，理論上可帶壓開(kāi)采，局部巖溶裂隙發(fā)育或斷層、陷落柱導(dǎo)富水段需采取相應(yīng)措施后亦可帶壓開(kāi)采。