新安煤田含水层垂向水文地质条件差异性分析.pdf

2 0 1 6 年第 4 1 卷第 3 期 Vo 1 4 1 No 3 能 源 技 术 与 管 理 En e r g y T e ch n o lo gy a n d Ma n a g e me n t 1 7 d o i lO 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 2 9 9 4 3 2 0 1 6 0 3 0 0 6 新安燥田含水层垂向水文地质条件差异牲分析 杨培 符勇 张春光 1 河南理工大学 资源与环境学院 河南 焦作 4 5 4 0 0 0 2 义马煤业集团股份有限公司 地质研究所 河南 义马 4 7 2 3 0 0 摘要 根据新安煤田各矿勘探及 井下 实际揭 露地质资料 研 究了矿 井主要充水含水层的 水文地质条件 通过含水层类型 层 间结构 充水强度和水质 4个方面的对比分析 发现新安煤田矿井主要 充水含水层在垂 向上水文地质条件差异明显 为井下突水 水源判断 水文地质条件分析和针对不同含水层应采取不同的防治水策略提供参考 关键词 含水层 水文地质 层间结构 水质 充水强度 水源判断 中图分类号 T D 7 4 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 9 9 4 3 f2 0 1 6 0 3 一 O 0 1 7 3 0 引 言 矿井水害是制约煤矿安全和高效生产的主要 因素之一 在生产过程中 矿井常存在多种水害 其充水途径和危害程度各异 这种差异往往与充 水害防治过程中 弄清井 田内主要充水含水层的 水文地质特征及其在垂向上的水文地质条件变化 情况 对制定不同水害防治策略有重要意义 1 水文地质概况 水含水层的水文地质条件密切相关 因此 在矿井 新安煤田水文地质综合柱状如图 1 所示 地层及代号 标志 系 统 组 一代号 厚度 m 柱状 主要岩性 水文地质特征 层 第四系 Q 0 8 3 6 o 易 譬 河床 砾石及表土 层 主 要赋存河谷内 的孔隙潜水 新近系 N O 5 O 砂岩 砂质粘土及泥灰岩 含水层 富水性中等 0 0 o 组吱 刘家 三叠系 下统 沟组 T I 1 0 2 2 0 S J 细粒砂岩 局部 中粒 石 干 P 2 s h 1 7 0 2 8 0 舞 以砂质泥岩为主 峰组 平 顶 山砂 岩裂隙 承压水 层 上统 P 2 s h 4 3 1 0 0 S P 中 粗粒长石石英砂岩 富水性弱 一 中等 j 蠹 一 田 家 沟 砂 岩 裂 隙 承 压 水 层 丰 虿 盒 P 21 1 6 O 2 2 0 S 砂 质 泥 岩 泥 岩 及 中 细 粒 砂 岩 底部中粗粒砂岩 富水性相对较弱 二叠 系 中细粒砂岩 砂质泥岩或泥 砂锅窑砂岩裂隙承压水层 下石盒 P Ix 2 o o 2 8 3 S 翟辜瓷 莲 主 霾 岩 及 薄 煤 层 底部中 粗粒 砂 裂隙 不 甚 发 育 富 水 性 相 对 子 组 岩 较弱 下统 一日 h 一 一 山西组 P 1s 7 6 1 3 6 S 石 英砂岩 粉砂 岩 泥 岩 砂 香炭砂岩和大 占砂岩裂隙承 S d 一一 质 泥岩及 主要 可采煤 层二 压水 二 煤层顶板 直接充 煤 水含水层 富水性弱 上统 太原组 C 3 5 6 O L 石灰岩及砂 岩 砂 质泥岩 太原组灰 砂 岩裂隙岩溶承 石炭系 k 泥岩及煤层 压含水层 富水性弱 中统 本 溪组 C 6 1 6 铝质岩和 铝质泥岩 马 家 奥 陶系 中统 沟组 0 6 5 3 0 o 岩性 主要 为灰岩 白云岩 奥 陶系 灰 岩岩 溶 承 压含 水 寒武系 3 0 0 厚层状白 云质灰岩 白云岩 l层 富 水性极不均一 及鲕状 白云质灰岩 富水性不均匀 的岩溶承压含 水层 图 1 新安煤田水文地质综合柱状 新安煤田一 1 0 0 0 m标高以浅面积约 8 0 0 k m 主采煤层为二叠系山西组二 煤 煤种为贫瘦煤 发热量高 煤质较好 是义煤公司十分重要的生产 基金项目 国家 自然科学基金重点资助项目 4 1 1 3 0 4 1 9 区域 现 一 6 0 0 m以浅有云顶 新安 新义 义安 孟 津等 5 对生产矿井 一 6 0 0 m以深为规划区 新安煤 田属于新安岩溶水系统 亦称新安水 文地质单元 主要含水层为寒武系与奥陶系灰岩 岩溶裂隙承压含水层 根据地层岩性组合特征 井 1 8 杨培 等新安煤田含水层垂 向水文地质条件差异性分析 2 0 1 6年 6月 J u n 2 0l6 田内发育有 6 个含水层 组 包括奥陶系灰岩裂 隙岩溶含水层 太原组灰岩裂隙岩溶含水层 山西 组砂岩裂隙含水层 组 石盒子组砂岩裂隙含水 层 平顶山砂岩裂隙含水层 风化带孑 L 隙裂隙含水 层和第四系松散岩类孔隙含水层 其中石炭系太 原组灰砂岩裂隙岩溶含水层和山西组砂岩裂隙含 水层 组 为矿井直接充水含水层 新安煤田 5 对矿井防治水形势十分严峻 同 时面临底板岩溶水 顶板砂岩水 浅部小窑水和地 表水库水等多种水患威胁 防治水任务繁重 矿井 水文地质条件持续 向复杂方 向转化 2 含水层垂向水文地质差异 由图 1 分析可知 新安煤田受沉积环境 构造 运动等条件影响 在地层垂向上形成了白下而上 分别为灰岩 砂泥岩和松散沉积物等为主的地层 系统 赋存其中的含水层由于埋藏条件 岩性 地 层结构等不 同而呈现明显的水文地质差异 同一 含水层 由于存在垂向岩性差异 空隙发育程度不 同 邻近地层差别 垂向水力联系密切程度各异 等 使得其内部也存在着一定的水文地质差异 2 1 含水层类型差异 新安煤田受地下水埋藏条件和赋存介质不同 的影响 在地层垂向上各含水层类型差异明显 在第四系及新近系地层 中 岩性主要为河床砾石 表土层 砂质粘土 泥灰岩等松散或胶结不良的沉 积物 相应含水层则 以赋存在河谷及相对低洼处 的孔隙潜水含水层为主 在二 煤层顶板二叠 系地层中 岩性主要为砂岩 砂质泥岩 泥岩等 相 应含水层以赋存在中粗粒砂岩期间的裂隙承压含 水层为主 在二 煤层底板石炭系 奥陶系和寒 武系地层 中 含水层岩性主要为灰岩 相应含水层 以灰岩溶裂隙承压含水层为主 2 2 含水层间结构差异 新安煤 田部分钻场奥灰含水层施 I 段参数如 表 1 所示 表 1 新安煤田部分钻场奥灰含水层施工段参数 1 二 煤层顶板岩层中 砂质泥岩 泥岩等 软弱岩层约 占总厚度 的 6 0 且多与 中粗粒砂岩 等含水层组相间分布 这些稳定的具隔水层性质 的岩层存在 有效阻隔顶板各含水层间的水力联 系 当顶板受到采掘活动破坏突水时 仅冒裂范围 内砂岩含水层起充水作用 上部砂岩含水层既不 起充水作用 也不对充水含水层起补给作用 2 二 煤层底板太原组岩层 中 自上而下大 致可分为 5 段 分别为底部砂泥岩段 下部灰岩 段 中部砂泥岩段 上部灰岩段和顶部砂泥岩段 在矿井生产过程中 该含水层段上下两段灰岩对 矿井有一定充水意义 而两含水层段以砂泥岩相 隔 当采掘后 上部灰岩段可成为矿井直接充水含 水层 而下部灰岩段受中部砂泥岩段阻隔 正常情 况下不对矿井起直接充水作用 该含水层段 的这 种岩性结构 在控制含富水性同时 也为底板注浆 加固和预防奥灰突水提供了良好的空间条件 3 二 煤层底板奥 寒灰含水层间岩性也存 在差异 奥灰含水层岩性 主要为石灰岩 白云岩 夹泥灰岩 寒灰含水层岩性 自上而下在 统凤 山 长山组中 岩性以白云岩和泥质 白云岩为主 上统 崮山组和中统张夏组中 岩性以石灰岩 白云质灰 岩为主 中统徐庄 毛庄组和下统馒头 辛集组 中 岩性则变化 为泥岩 砂质泥岩夹灰岩 泥灰岩等 岩性组合的不同 其岩溶发育强度差异较大 奥 寒灰含水层垂向上的岩溶发育程度 含富水性等 应存在较大差异 如奥灰含水层单孔涌水量 见水 深度 温度等存在明显变化 含水层各 向异性 岩 溶发育极不均匀 含富水性极不均一 各含水通道 问联通性较差 垂向水文地质条件差异明显 寒灰 含水层中大量 出现的泥岩段 砂质泥岩段等甚至 成为相对隔水层段 对含水层间各含水段问的水 2 0 1 6年第 4 1 卷第 3期 Vo l 41 No 3 能 源 技 术 与 管 理 En e r g y T e ch n o l o gy a n d Ma n a g e me n t 1 9 力联系起一定的阻隔或减弱作用 奥寒灰含水层 间的这些组合特征 一方面使奥 寒灰水 的防治难 度增加 另一方面也使含水层的改造成为可能 2 3 含水层充水强度差异 1 第四系及新近系含水层 富水性中等 透 水性强 直接接受大气降水补给 在河床及低凹处 可受到地表水补给 由于小煤矿采深较浅 采后导 水裂隙可沟通该含水层 故第四系及新近系含水 层对浅部小煤矿起重要的充水作用 大矿采深较 大 且现生产区域主要集中在煤田深部 采后导水 裂隙远离该含水层 故其充水作用有限 2 二 煤层顶板砂岩裂隙含水层 由于呈多 层分布 单层厚度小 受泥岩或砂质泥岩阻隔 层 间缺乏水力联系 加之其整体富水性弱且不均 故 多以滴 淋水等充水方式进入采掘空间 充水强度 较小 生产中多表现为 来也匆匆 去也匆匆 特 征 可直接通过疏排方式进行治理 虽影响工作 面 正常生产 但不对矿井安全构成大的威胁 3 二 煤层底板太原组灰 砂 岩含水层 地 表出露条件较差 以接受大气降水补给为主 岩溶 裂隙发育不佳 厚度不大 富水性较弱 生产中也 多以突水形式涌入矿井 但水量往往不大 在不和 下部奥灰含水层富水区域发生水力联系时 对矿 井充水强度有限 不会对矿井安全构成威胁 4 二 煤层底板奥灰含水层多以突水形式 进入采掘空间 该煤田几起大型 特大型突水事故 均由此含水层引起 几次突水事故 的统计如表 2 所示 该含水层厚度大 地表裸露面积广 补给充 分 岩溶相对发育 富水性极不均一 多存在以管 道流为主要流动形式的地下水强富水区段 且与 下部寒武系灰岩含水层直接相连 水力联系密切 一 旦发生突水 充水强度较大 且涌水量较为稳 定 难以通过疏排的方式进行有效治理 将严重影 响生产 甚至威胁矿井安全 表 2 新安煤 田几起大型 特大型奥灰突水事故 突水地点 突水 突水强度 通道 m 1 9 9 5 1 1 0 5新安煤矿 1 2 1 6 1 工作面上巷 断层4 2 6 0 2 0 0 8 0 8 1 8 渠里煤矿 2 1 1 1 1 工作面 断层 1 5 2 0 2 0 1 2 一 O 1 1 6新安煤矿 1 3 1 5 1 工作面下巷 采动裂隙 7 0 0 2 0 1 3 0 4 1 6 孟津煤矿 1 1 0 1 0 作面 采动裂隙 l 7 9 0 2 4 含水层水质差异 地下水水质的化学成分是地下水与岩石系统 长期相互作用的产物 由于二 煤层顶 底板地下 水赋存介质 岩石系统的差异 顶 底板含水层 水质差异明显 如表 3所示 表 3 新安煤田部分涌 出 水点水质类型及出水水源 矿井 取样地点 水质类 型 出水水源 新安煤矿 新 义煤矿 义安煤矿 孟津煤矿 云顶煤矿 1 5 皮 带下山正头 西大巷水源井水 东八 车场顶板淋水 东 区水文孔 HCO3 Na HCO3 Ca Mg HCO3 Na HCO C a Mg 顶板砂 岩水 底板奥灰水 顶板砂岩水 底 板奥灰水 西轨巷道顶板淋水HC O 一 N a 顶板砂岩水 井下 2 水文孔H C O 一 C a Mg 底板奥灰水 H c0 N 顶板砂岩水 轨顺顶板补 6孑 L 1 1 0 1 1 工作面H C 0 3 S 0 4 C a Mg 底板奥灰水 HC O 3 C a Mg底板奥灰水 1 二 煤层顶板以砂岩裂隙含水层为主 此 水岩系统中 长石类矿物富集 风化水解后易形成 阳离子以 N a 为主的地下水 水质类型常表现为 H C O 3 一 N a 型 2 二 煤层底板 以灰岩溶隙含水层为主 此 水岩系统中 岩石主要成分为碳酸盐类沉积物 风 化水解后易形成阳离子以 ca 2 M 为主的地下 水 水质类型常表现为 H C O 一 C a Mg 型 顶 底板 含水层水质的明显差异为井下涌水水源的判断提 供 了良好的基础 3 结论 通过系统性总结和分析 认为新安煤 田地层 垂向上各主要含水层水文地质特征变化明显 在 含水层类型 层 间结构 充水强度 水质类型等方 面均有明显体现 矿井主要充水含水层的这些差 异 为复杂水文地质条件矿井突水水源判断 水文 地质条件分析和