葛亭煤矿1160采区水文地质条件分析.doc

葛亭煤矿1160采区水文地质条件分析摘要：处于济宁煤田鲁西南断块坳陷区济宁地堑西侧的葛亭矿井，构造类型为中等复杂型。在分析了矿区水文地质条件的基础上，认为第四系含水层岩组，山西组3煤层顶、底板砂岩裂隙水和奥陶系岩溶水是矿井充水的主要水源，断裂带及陷落柱是充水的主要通道。奥灰水会由于强大的水压力向上冲破煤层至奥灰顶界面之间的压盖隔水层而涌入矿井造成奥灰水底鼓。根据对矿区16煤和17煤层突水系数的分析计算，认为16煤层在265以浅区域开采是安全的，17煤层在220以浅是安全的。在矿井开采过程中，应加强对陷落柱的观测，对主要断层应留足防水煤柱，加强探放水工作。 关键词：水文地质；原位测试；充水因素；突水系数；葛亭煤矿1.地质概况1.1地层井田内地层自上而下有第四系、侏罗系上统、二迭系上统上石盒子组、下统下石盒子组和山西组、石炭系上统太原组、中统本溪组、奥陶系中下统，现将主要含煤地层分述如下：1.1.1二叠系下统山西组(P11)由浅灰、灰白色中、细粒砂岩及黑色粉砂岩、泥岩和煤层组成，砂岩含量较高。是本区主要含煤地层。厚度53.7992.80m，平均72.20m。本组地层局部有有闪长岩侵入，并伴有剥蚀现象发生。为本区主采煤层，区内含煤5层，分别是1、2上、2下、3上、3下，其中3下煤层厚度大，储量丰富，为本区主采煤层。图1 区域构造示意图1.1.2、石炭系上统太原组(C3)由灰灰黑色粉砂岩、泥岩、浅灰色中、细粒砂岩、石灰岩及煤层组成。中夹石灰岩12层，其中三、十下灰岩厚度大且稳定；五、七、八灰较稳定，其他石灰岩局部发育，有相变现象。本组含煤22层，其中16、17煤层为较稳定煤层，全矿井大部分可采。本组地层局部有闪长岩侵入，并伴有剥蚀现象发生。厚度133.25225.37m，平均172.43m。1.2构造葛亭矿井处于济宁煤田鲁西南断块坳陷区的济宁地堑西侧。见图1。矿井构造发育受EW向及SN向区域构造控制，早期主要为NENEE向褶曲，后因受SN向断层控制，使其发生扭曲变形，被改造为NEEEW向褶曲，其形态已不完整。晚期主要表现为SN向褶曲。全矿井明显表现为一近SN向的向斜褶曲，构造的北端、翼部倾角较陡,轴部较缓,因受走向为SN向、近EW向及NE向三组断层的切割，基本被分解为几个地层块段,形态已不完整。区内主要发育有走向近SN向断层，同时由于受SN两侧东西向构造带的控制，仍然存有走向为EW向断层;另外走向为NW向断层数量较少，且落差小，延展短。本区构造类型为复杂中等型。1.含水层鲁西南断陷区自呈一个水文地质单元，嘉祥断层和凫山断层构成侧向补给边界，葛亭井田位于该单元的西北部。区域构造对岩溶水起着明显的控制作用，控制了含水构造和水文地质单元的划分。单元内具有独立的补给、径流和排泄区。现将井田的主要含水层介绍如下。1.3.1第四系含水层岩组该矿区第四系厚度190.70270.90m，平均235.95m，北部及东北部较薄，根据钻探成果和测井资料的分析认为第四系可分为上、中、下三组三个含水层段，它们分别是：上组厚79.50100.00m，含水层以细砂、中砂为主，含砂多达8层，单层厚度最大为11.30m，且连续性好。据周围农用灌溉机井调查资料，水位埋深69m；1996年济宁市水利局在水源勘查时曾对此组20个农田机井作抽水试验，单井出水量为3090m3/h，水质较好，被广泛用作工农业水源，为强富水含水层。中组厚63.0090.00m,夹69层砂层，砂层以中砂和细砂为主，砂层连续性好。中组为强富水含水层。下组厚64.5090.00m，一般夹12层砂层，累厚小于10m。砂层多含风化长石及白色粘土，以细砂为主，局部为中砂，砂层连续性差，多为透镜体状；据S8-1和3101号孔第四系下组抽水试验资料，水位标高为+25.64m,单位涌水量为0.0008780.01319L/s.m,富水性极弱,水质类型为HCO3-CaNaMg，矿化度为0.392g/L，渗透系数为0.031250.7229m/d。1.3.2山西组3煤层顶、底板砂岩裂隙含水层顶板砂岩厚3.4039.85m，平均18.32m。底板砂岩厚4.7021.10m，平均11.75m，矿井内有24个钻孔穿过3煤层顶、底板砂岩，有2个钻孔漏水，漏水孔率8.3。据S75和S81钻孔抽水试验资料，水位标高为+32.69m，单位涌水量为0.0030680.00608L/s.m，矿化度为0.40122.4057g/l，水质类型为HCO3Na和SO4-NaMg，渗透系数为0.001590.0174m/d，为弱富水含水层。1.3.3太原组三灰岩溶裂隙含水层厚3.807.35m，平均5.28，矿井内有37个钻孔穿过三灰，有5个钻孔漏水，漏水孔率13.5。漏水点全部分布在600m以浅；5个漏水钻孔中，4个漏水孔分布在300m水平以浅，说明随深度增加其富水性显著减弱。据矿井内N75和S82钻孔抽水试验资料，水位标高为+32.65m，单位涌水量为0.0002090.003131L/s.m,矿化度为0.54990.6731g/L,水质类型为HCO3Na和HCO3NaCa，渗透系数为0.0040260.07993m/d，为弱富水含水层1.3.4前寒武纪岩浆岩矿井内有燕山晚期较大规模的岩浆岩侵入，据钻孔揭露资料，岩浆岩上部、中部、底部裂隙普遍发育，岩芯破碎，主要侵入层位为山西组，岩性为闪长玢岩。共有24个钻孔发现岩浆岩,有12个钻孔漏水,漏水孔率50；有12个钻孔侵入3煤层，成为3煤层的直接顶板或底板，其中6个钻孔发生漏水，漏水孔率50。漏水点大部分集中在岩浆岩的顶部和底部。说明由于岩浆岩冷却收缩，在其顶部、中部和底部产生裂隙，因而形成相对富水段。 据N9-7孔抽水试验资料,水位标高为33.00m，单位涌水量达2.0513L/s.m，矿化度0.8159g/l，水质类型为SO4-K+NaCa，渗透系数为1.432m/d，属强富水含水层。岩浆岩厚度大，富水性强，开采时冒裂带可达到岩浆岩含水层内，是3、16、17煤层的直接充水含水层。F7断层以东，岩浆岩侵入太原组煤层层位，将使16、17煤开采时受到岩浆岩水的影响；F7断层以西至F2断层以东、岩浆岩侵入山西组3煤层块段，开采3煤层时会受到岩浆岩水的影响。2、采区水文地质特征 1160采区位于矿井西翼-386m水平,开采太原组16、17煤层。地面位于葛亭煤矿工业广场西部,主井井口以西8202720m的区域内, 地面标高平均+38.0m。采区北到17煤层露头、向西、向南至矿井边界,东以F2和F3支1断层为界,上限标高-180m,下限标高-440m（见图2）。采区东西长1.01.8 km，南北宽1.0图2 采区构造示意图3.0km，面积3.96 km2。区内主要含水层有两个，现分述如下：2.1、太原组十下灰岩岩溶裂隙含水层十下灰是采16煤层时的顶板直接充水含水层，是采17煤时的主要充水因素。厚2.506.97m，平均4.93m，含丰富的海相动物化石。全区有22个钻孔揭露，其中4个钻孔出现漏水，漏水率18.18%。区内共有6个钻孔进行了抽水试验，其中精查阶段为4个钻孔，补勘时2个钻孔均对十下灰进行了抽水试验。根据采区内钻孔抽水成果分析，精查阶段时，十下灰水位+14.672+32.88m，单位涌水量0.0021381.6879L/s.m，矿化度0.70270.806g/L，水质类型为SO4HCO3-CaKMg和SO4HCO3-CaMg，渗透系数0.0314437.3535m/d；补勘时，十下灰水位+14.672+32.794m，单位涌水量0.007760.0635L/s.m，矿化度0.7280.806g/L，水质类型为HCO3-SO42-Ca2+Mg2+和SO42-HCO3-Ca2+Mg2+，渗透系数0.16191.29825m/d，为弱强富水含水层。浅部N7-11钻孔抽水试验单位涌水量1.6879 L/s.m，而相距仅220m的N7-10钻孔（十下灰含水层深度较N7-11深45m）抽水试验单位涌水量仅0.002138 L/s.m，表现出该含水层富水的不均匀性，且随埋深的增加，富水性有减弱的趋势。本区构造复杂,存在几条落差较大的南北向正断层,自东向西分别是F4、F8、F3、F2、F1,均使十下灰与奥灰间距缩小或是对口接触。开采16煤层时,当十下灰与奥灰之间形成较大的水位差时，十下灰有可能通过断层接受对盘奥灰水的补给。2.2奥陶系岩溶裂隙含水层该含水层是开采16、17煤层时的间接充水含水层，本采区揭露奥灰钻孔14个，揭露深度9.35155.03m。其中有8个钻孔漏水，漏水率53.33%（见表1）。孔号奥灰顶界标高揭露奥灰厚度奥灰漏水情况岩性及水文地质特征漏失深度漏失量（ m3/h）N5-4-266.8250.05307.677.5浅灰色，具裂隙，充填方解石。N6-1-373.93155.03411.74566.773.2浅灰色，裂隙发育，含溶洞。N7-11-249.2757.50883.00全漏N7-12-245.8454.82327.77332.571.605.0褐灰色，上部交错裂隙极发育，充填方解石，具小溶洞，下部-290m以下泥质含量增加。335.07339.07N8-1-315.1652.38356.1370.9全漏裂隙发育，局部充填方解石，有溶蚀现象，上部夹泥岩薄层。L10-288.94869.82355.51373.43全漏浅灰色，裂隙发育，含溶洞。L10-165.07478.32207.63 283.10全漏浅灰色，裂隙发育，含溶洞。Osh-251.11370.60290.30360.90全漏浅灰色，裂隙发育，含溶洞。 表1 奥灰漏水钻孔统计表 单位：m据钻孔取芯资料，顶部岩芯破碎，裂隙发育，中下部裂隙较为发育，但多为方解石充填。采区及附近抽水试验钻孔8个；抽水试验单位涌水量0.0080840.622 L/s.m，水位标高+31.44+34.88m，矿化度为0.68180.7424 g/L，水质类型为SO4.HCO3-CaMg和HCO3 SO4- Na.Ca.Mg型，富水性弱中等。抽水试验成果见表2。表2采区及附近奥灰抽水钻孔成果表 孔号孔口标高（m）含水层厚度（m）水位（m）单位涌水量（L/s.m）N6-1+35.68155.03+31.570.622N6-2+37.3352.58+32.410.045N7-12+38.4154.82+34.970.617N7-11+38.4357.50+34.880.236L10-+39.60269.72+33.8820.1493L10-+38.76062.65+33.0900.0323Osh+37.85569.20+32.8350.008084Osh+39.18770.60+32.2870.056062.3采区含水层的补给、径流、排泄条件采区西部、北部的奥陶系灰岩和太原组十灰隐伏于第四系之下，由于第四系下组隔水性能好，接受垂向补给的条件较差；但在浅部风化带露头，第四系底部存在“天窗”构造时，奥灰会直接接收第四系的补给，当含水层间有较大的水位差时各含水层也可发生一定的水力联系。据矿井内抽水试验资料,西部浅部奥陶系岩溶水的水位标高为34.98m(N7-11)，相距640m的N6-1号孔水位标高为31.75m；浅部太原组十灰水位标高为33.77m，相距100m的N7-10号孔水位标高为31.55m。由此可以看出，本区地下水由西部、北部、东部的浅部隐伏露头向南和东南深部运动。矿井排水是本区地下水排泄的主要途径，矿井大量排水时，地下水流场会因此而发生变化，由四周向矿坑中心运动。矿坑中心形成较大的降落漏斗后，东南济宁断层和长沟断层交汇处，使奥陶系岩溶水有可能通过断层对矿井内的奥灰和其它含水层发生补给。根据水文地质勘探类型划分原则，矿区的水文地质条件为以顶板进水为主的岩溶裂隙含水层，水文地质条件中等。由于本区地质构造复杂等原因造成石灰岩岩溶发育的不均一，富水性差异较大，若发生底鼓突水时，矿井可转化成为水文地质条件中等复杂的底板进水型岩溶充水矿床。3、矿床充水因素分析3.1、带压系数原位测试在水文地质条件补勘过程中对钻孔十三灰奥灰顶之间进行了带压系数原位测试，具体要求为待十三灰以上注浆封闭后,自十三灰底板开始,每隔3m观测一次水位及冲洗液消耗量直至见到真正的奥灰水位。每次水位观测要求在提钻水位稳定后，提桶提水10m开始观测,间隔20分钟,计4小时。测试情况见表3。 奥灰带压系数原位测试情况表 表3回 次123456距奥灰顶间距（m）13.6010.607.604.601.60提水前稳定水位深（m）56.2957.4743.0136.3734.0724.17提水后恢复水位深（m）61.9862.0748.0442.7637.277.20通过观测发现，奥灰各观测点得水位差别不是很大，第6回次揭露奥灰后，测得水位深为7.20m，与奥灰的水位深度6.87m较为接近，说明奥灰水没有明显的导升带。3.2、充水因素分析3.2.1充水水源山西组3上煤主要充水含水层是3下煤层顶底板砂岩含水层。由于各砂岩含水层之间具有密切的水力联系，已形成一个统一的含水层体，尽管抽水试验资料表明各砂岩含水层为弱富水含水层，但由于其厚度大、分布范围广，因而具有一定的静储量，对未来的矿井安全生产具有一定的危害。在首采区之外，岩浆岩侵入煤系地层，局部形成煤层的顶板，由于其厚度大、富水性强，是开采煤层时的直接充水含水层，对煤层开采有很大的威胁。 奥灰水是重要的充水水源，奥灰水在强大的水压力向上冲破煤层至奥灰顶界面之间的压盖隔水层以底鼓的方式涌入矿井形成充水水源。陷落柱是矿井突水的重要水害，目前矿井内物探已发现一个较大的陷落柱，其它资料较少，矿井生产中需引起高度重视。3.2.2充水通道断裂带是地下水进入矿井的重要途径之一。断裂带的岩层破碎，隔水层的抗张强度大大降低，而裂隙、岩溶相对其它地段发育，透水性较强，常成为地下水的汇集带和强迳流带。据生产矿井统计资料，当工作面或巷道接近或接触断裂带时，矿井涌水量往往会突然增大，有时甚至造成突水淹井事故。本区的南北向断层较发育， F4、F8、F3、F2、F1断层使十下灰、16煤、17煤与奥灰间距缩小或对口接触。当十下灰与奥灰之间形成较大的水位差时，十下灰有可能通过断层接受对盘奥灰水的补给，成为矿井突水的主要通道。大量资料表明，钻孔封闭不良而导致含水层相互连通有时是矿井安全生产的主要水害。由于本区经历了多期不同的勘探阶段，不同阶段的钻孔封闭标准不同，因而封闭质量也各不相同。封闭不良钻孔会使各含水层间发生水力联系，地下水会直接通过钻孔涌入矿井，对矿井产生极大的危害。3.3奥灰突水威胁程度分析.奥灰水由于强大的水压力向上冲破煤层至奥灰顶界面之间的压盖隔水层而涌入矿井造成底鼓。奥灰水能否产生底鼓受多种因素的制约：岩溶发育程度和奥灰水压力的大小、奥灰压盖隔水层的厚度、岩性组合关系、抗张强度、地质构造及采煤方法等。据对淄博矿区夏庄矿在奥灰之上压盖隔水层厚度正常地段发生的奥灰底鼓突水资料分析，奥灰底鼓时突水系数一般在0.1以上，也就是说压盖隔水层底板每米岩柱承受的奥灰水压超过0.1MPa时即发生底鼓突水，小于0.1MPa时一般不会发生底鼓突水。根据矿区水文地质工程地质勘探规范中突水系数计算公式：Ts =P/（M-Cp）孔 号奥灰顶标高（m）16煤底板深度（m）17煤底板深度（m）16煤底板隔水层厚度（m）17煤底板隔水层厚度（m）16煤底板隔水层承受的水压（MPa）17煤底板隔水层承受的水压（MPa）16煤突水系数（MPa/m）17煤突水系数（MPa/m）N5-4-266.82-211.50-223.9055.3238.922.82982.95380.065320.1097N9-8-291.36-214.36-223.877767.492.8610