煤田巖溶水文地質(zhì)特征及水害防治技術(shù)范文

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摘要：巖溶水水害是影響準(zhǔn)格爾煤田安全開采的關(guān)鍵因素之一，為了掌握巖溶發(fā)育特征、水化學(xué)特征、滲流場(chǎng)特征及突水危險(xiǎn)性，通過(guò)鉆探、水文勘查及水化學(xué)試驗(yàn)等區(qū)域資料對(duì)其進(jìn)行了深入研究。研究結(jié)果表明：巖溶裂隙、溶孔和溶洞是主要儲(chǔ)水空間和地下水徑流通道，陷落柱、斷層是該區(qū)域重要的垂向?qū)ǖ溃谎貜搅魍緩綆r溶水質(zhì)類型呈HCO3•Cl-Na→HCO3•Cl-Na•Ca（Ca•Mg）→Cl-Na的演化順序，反應(yīng)了在東部邊界黃河水補(bǔ)給地下水，巖溶地下水總體向西運(yùn)移，在煤田西部形成滯流區(qū)；煤田中東部6號(hào)、9號(hào)煤均處于非帶壓開采狀態(tài)，中西部處于帶壓開采狀態(tài)，滯流區(qū)邊界附近突水系數(shù)較大。在巖溶含水層水文地質(zhì)特征研究基礎(chǔ)上，提出了探測(cè)、預(yù)測(cè)及監(jiān)測(cè)和治理與特殊開采等水害綜合防治技術(shù)體系。

關(guān)鍵詞：準(zhǔn)格爾煤田；巖溶水；水化學(xué)特征；突水系數(shù)；水害防治；水文地質(zhì)特征

華北石炭二疊紀(jì)煤系基底巖層在大部分地區(qū)是奧陶系與寒武系碳酸鹽巖，是區(qū)域性富水最強(qiáng)的含水層，其中以?shī)W陶系灰?guī)r含水層最為典型，該含水層往往處于高壓狀態(tài)，常通過(guò)斷層或陷落柱等導(dǎo)水構(gòu)造涌入礦井，造成突水事故的發(fā)生[1-3]。準(zhǔn)格爾煤田位于華北地臺(tái)西北部，地處鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部黃河西岸，為一近南北向的石炭二疊紀(jì)煤田，西部與東勝侏羅紀(jì)煤田相鄰，探明儲(chǔ)量380億t。準(zhǔn)格爾煤田大規(guī)模的開發(fā)建設(shè)始于20世紀(jì)90年代，目前正在開采和建設(shè)的大型礦井有不連溝煤礦、唐家會(huì)煤礦、玻璃溝煤礦、龍王溝煤礦、大飯鋪煤礦、酸刺溝煤礦、黃玉川煤礦和串草圪旦煤礦等。隨著煤礦大規(guī)模的建設(shè)和發(fā)展，其水文地質(zhì)條件變得越發(fā)復(fù)雜，尤其是煤層底板巖溶水害已成為制約該地區(qū)煤礦安全生產(chǎn)的重大隱患。2014年5月14日，唐家會(huì)煤礦風(fēng)井副井聯(lián)絡(luò)巷斷層突水，最大突水量達(dá)到500m3/h，突水水源為奧灰水，突水通道為斷層。黃玉川煤礦216上01工作面回撤通道掘進(jìn)前方進(jìn)行超前探測(cè)，穩(wěn)定水量為136m3/h，突水水源為底板奧灰水，突水通道為陷落柱。過(guò)去研究認(rèn)為，西北地區(qū)氣候干燥、降水量小，礦區(qū)地下水補(bǔ)給和水交替能力差，礦井涌水量小，而事故使人們對(duì)西部石炭二疊紀(jì)煤層水文地質(zhì)條件有了新的認(rèn)識(shí)，西北旱區(qū)也有地下暗河[4]。準(zhǔn)格爾煤田位于鄂爾多斯盆地東緣，主要開采石炭二疊系煤層，底板受灰?guī)r水害威脅嚴(yán)重。因此，通過(guò)對(duì)準(zhǔn)格爾煤田煤炭資源賦存特征、巖溶發(fā)育特征、巖溶水化學(xué)特征及突水危險(xiǎn)性進(jìn)行研究，對(duì)該區(qū)域煤礦安全開采具有重要意義。

1準(zhǔn)格爾煤田巖溶水文地質(zhì)特征研究

1.1巖溶發(fā)育特征

準(zhǔn)格爾煤田巖溶水屬于天橋泉域巖溶水系統(tǒng)組成的一部分，位于天橋泉域的西北部，是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)。巖溶水北部邊界是寒武系碳酸鹽巖尖滅處；東部以黃河為界，為黃河滲漏與黃河以東巖溶水的側(cè)向徑流補(bǔ)給邊界；西部為奧灰?guī)r頂面埋深800m的滯水邊界；南部為榆樹灣泉群和側(cè)向徑流排泄邊界。根據(jù)巖性特征和巖溶發(fā)育的差異，自上而下劃分為3個(gè)含水巖段，即馬家溝含水層組（O2m）、I含水巖組（O1+綴33f）以及II含水巖組（綴3g+綴2z）。3個(gè)含水巖層之間的隔水層厚度不大，加上斷裂構(gòu)造的溝通，各含水層之間水力聯(lián)系密切，水位動(dòng)態(tài)反映同步，具有統(tǒng)一的地下水面，將其統(tǒng)稱為寒武、奧陶系巖溶裂隙含水巖組（綴+O）[5-6]。據(jù)鉆孔巖芯觀測(cè)，巖溶發(fā)育形態(tài)為溶蝕裂隙、溶孔和孔洞。溶蝕裂隙寬度一般小于1.0cm，馬家溝組灰?guī)r段裂隙相對(duì)較為發(fā)育，巖溶連通性總體較好，據(jù)統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)格爾煤田強(qiáng)徑流帶標(biāo)高+700~+900m范圍的平均巖溶裂隙率達(dá)到10.79%，是煤田內(nèi)主要儲(chǔ)水空間和地下水徑流通道[5]。溶孔多呈零星狀、蜂窩狀分布，直徑一般小于2.0cm，馬家溝組灰?guī)r段溶孔相對(duì)較為發(fā)育，亮甲山組和冶里組局部偶見溶隙、溶孔。溶洞主要見于白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖中，高程+760~+920m的強(qiáng)巖溶徑流帶所見溶洞數(shù)占溶洞統(tǒng)計(jì)總數(shù)的73.69％[5-6]。不連溝鉆孔一水文鉆孔在灰?guī)r鉆進(jìn)至100.30~101.30m段出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，掉鉆1.0m，水量由18m3/h增大至41m3/h，表明該區(qū)域發(fā)育連通性較好的溶洞；黃玉川煤礦一水文鉆孔鉆進(jìn)奧灰7.0m后有掉鉆1.8m，具有巖溶陷落柱的特征[7]。不連溝煤礦、黃玉川煤礦、酸刺溝煤礦和罐子溝煤礦在掘進(jìn)過(guò)程中均揭露了陷落柱。通過(guò)對(duì)河流侵蝕基準(zhǔn)面以上的巖溶溶洞調(diào)查表明，古溶洞多呈透鏡狀橢圓形，溶洞高1~2m，個(gè)別達(dá)到4~6m，洞長(zhǎng)延伸很遠(yuǎn)，均沿巖溶裂隙走向延伸[7-8]。準(zhǔn)格爾煤田溶洞較為發(fā)育，是該區(qū)域重要的垂向?qū)ǖ馈?/p>

1.2巖溶水化學(xué)特征

通過(guò)煤田中北部、中西部和西部邊界15個(gè)鉆孔獲取的巖溶水樣品，經(jīng)水化學(xué)分析得到巖溶水主要化學(xué)特征值。1）區(qū)域地層巖性主要是由含碳酸鹽、硫酸鹽巖類為主構(gòu)成，地下巖溶水的水化學(xué)場(chǎng)的演變是以地層的巖性特征為基礎(chǔ)，并通過(guò)溶濾作用體現(xiàn)，此泉域的溶濾作用主要包含碳酸鹽巖溶濾及硫酸鹽溶濾2部分。2）土壤中的鈉鹽由于降水淋濾作用而帶入地下水和黃河（化學(xué)反應(yīng)式①），黃河水對(duì)西岸地下巖溶水進(jìn)行大量補(bǔ)給，增加了巖溶水中Na+（K＋）、Cl-等離子的成分[9]。同時(shí)供給充足的CO2氣體開始與碳酸鹽巖（灰?guī)r及白云巖）及硫酸鹽巖（石膏）發(fā)生溶濾作用（化學(xué)反應(yīng)式②~式④）。此時(shí)，補(bǔ)給區(qū)域的巖溶水Na+（K+）、Cl-離子含量會(huì)顯著增加，Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-離子含量也會(huì)隨著溶濾作用反應(yīng)不斷增多，此時(shí)的水化學(xué)類型本以HCO3•Cl-Na型水為主。3）水文地質(zhì)單元徑流路徑中，巖溶徑流區(qū)地下水水化學(xué)場(chǎng)演化是整個(gè)徑流途徑中重要階段，此區(qū)域中徑流條件較好，巖溶水中水化學(xué)特征值及礦化度具有持續(xù)明顯的變化。此階段中Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-及Cl-等主要離子含量比重隨徑流路徑不斷增加，水質(zhì)礦化度也隨之不斷增加，表1中（煤田中北部及煤田中西部）水樣水化學(xué)特征的變化表明此時(shí)的巖溶水水化學(xué)類型由HCO3•Cl-Na型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3•Cl-Na•Ca（Ca•Mg）型水。4）隨著巖溶地下水循環(huán)逐步加深（井田東部、中部到井田西部巖溶水埋深逐步增加，水位降低），徑流條件逐漸弱化，巖溶水由井田東部、中部徑流狀態(tài)過(guò)渡到井田西部滯流狀態(tài)，此區(qū)域環(huán)境較封閉，水文地球化學(xué)環(huán)境處于還原環(huán)境，地下巖溶水在該區(qū)內(nèi)排泄不暢，CO2溶解能力降低，含量耗盡，碳酸鹽巖（灰?guī)r及白云巖）及硫酸鹽巖（石膏）等的溶濾作用反應(yīng)也達(dá)到一個(gè)飽和平衡狀態(tài)。同時(shí)，地下水環(huán)境的改變使原本溶解度較小的鹽類在水中因相繼達(dá)到飽和而發(fā)生逆反應(yīng)沉淀析出，即出現(xiàn)脫碳酸鹽的沉淀作用（見化學(xué)方程式⑤~式⑦），此時(shí)Ca2+、Mg2+、HCO3-離子比重開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但礦化度依然不斷增加。

1.3巖溶地下水補(bǔ)給和徑流及排泄特征

寒武奧陶碳酸巖地層整體傾向南西，在黃河河床處大面積出露，接受大氣降水的補(bǔ)給，同時(shí)接受黃河水側(cè)向滲漏補(bǔ)給。萬(wàn)家寨水庫(kù)修建前黃河水位為+905m，蓄水后正常水位達(dá)到+976m，與煤田巖溶水位形成了巨大的高差[12]。因此，由于水庫(kù)的修建導(dǎo)致徑流區(qū)水力坡度變大，滲流速度增大，黃河水對(duì)西岸巖溶水的側(cè)向補(bǔ)給進(jìn)一步增大，造成近岸巖溶地下水位升高15～61m不等，促進(jìn)了巖溶水的賦存補(bǔ)給和徑流[13]。2010年在榆樹灣—龍口附近修建了龍口水庫(kù)，水庫(kù)大壩壩頂高程+900m，水庫(kù)正常蓄水位+898m，增加了對(duì)岸邊地下水的補(bǔ)給，煤田東南部串草圪旦煤礦地下水位上升達(dá)到+891.41m，水位變幅和時(shí)間基本上與庫(kù)水位同步，說(shuō)明水庫(kù)與西岸巖溶水存在著密切的水力聯(lián)系。因此，水庫(kù)蓄水對(duì)黃河西岸巖溶水位產(chǎn)生了一定的影響。黃河水補(bǔ)給地下水，巖溶地下水總體向西運(yùn)移，在煤田西部形成滯流區(qū)，導(dǎo)致巖溶水轉(zhuǎn)向由北向南運(yùn)移，形成南北向的徑流帶，在榆樹灣—龍口一帶以下形成低的排泄區(qū)。由于黃河水?dāng)y帶的大量泥沙沉淀充填在近河岸邊3~6km范圍內(nèi)的巖溶裂隙中，致使礦區(qū)內(nèi)巖溶地下水的富集帶不在河谷旁[6]。目前，從煤田西部到東部各礦井所處的巖溶水位標(biāo)高位于+870~+940m之間。

2準(zhǔn)格爾煤田突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

2.1底板隔水性能分析

1）厚度及巖性組合。根據(jù)煤田內(nèi)28個(gè)鉆孔資料分析，6號(hào)煤底板與奧灰頂界面距離為40~73m，平均距離為50m左右。其中泥巖、砂質(zhì)泥巖等平均占比53.28%，中、粗砂巖占比27.41%，粉砂巖占比10.45%，煤層占比8.86%。9號(hào)煤底板與奧灰頂界面距離為18~43m，平均距離為30m左右。其中泥巖、砂質(zhì)泥巖等平均占比66.94%，中、粗砂巖占比25.66%，粉砂巖占比7.40%。泥巖、砂質(zhì)泥巖占了較大比例且呈互層結(jié)構(gòu)，剛性、柔性組合結(jié)構(gòu)形成了抗破壞性能力較好的隔水層，這種巖層組合在完整無(wú)破壞地段抗水壓力能力較強(qiáng)，比較有利于6號(hào)煤和9號(hào)煤開采。2）構(gòu)造發(fā)育程度。煤田內(nèi)斷裂較為發(fā)育，如酸刺溝煤礦首采區(qū)地震勘探解譯落差10m以上的斷層有11條；不連溝煤礦首采區(qū)地震勘探解譯落差10m以上的斷層有7條，且掘進(jìn)過(guò)程中已經(jīng)揭露部分?jǐn)鄬印Ｃ禾飪?nèi)陷落柱較為發(fā)育，如不連溝井田已揭露4個(gè)，酸刺溝井田已揭露2個(gè)，黃玉川井田已揭露1個(gè)，這些陷落柱均位于強(qiáng)徑流帶內(nèi)。不連溝、唐家會(huì)、玻璃溝、龍王溝、酸刺溝、黃玉川、大飯鋪和長(zhǎng)灘等礦井均不同程度分布在準(zhǔn)格爾巖溶區(qū)的徑流帶內(nèi)，隨著采掘范圍擴(kuò)大，實(shí)際揭露陷落柱數(shù)量將會(huì)越來(lái)越多。斷裂構(gòu)造和陷落柱是突水的集中通道，當(dāng)采掘工作面一旦接近或揭露，就會(huì)引發(fā)突水事故，因此，隱伏斷層、陷落柱及其附近為突水高危區(qū)域。3）底板承受水壓力。根據(jù)已有的勘探資料，煤田內(nèi)最大水壓達(dá)到了4MPa，在高承壓水條件下，隔水層較薄的區(qū)域，將會(huì)成為突水危險(xiǎn)區(qū)域。4）巖溶富水性。煤田內(nèi)巖溶水富水性不均一，根據(jù)區(qū)域水文鉆孔勘查，最大的單位涌水量達(dá)到9.4L/（s•m），最小的僅為0.0006L/（s•m），富水性強(qiáng)的南北向徑流帶則成為突水危險(xiǎn)區(qū)域。5）開采條件。準(zhǔn)格爾煤田煤層為特厚煤層，6號(hào)煤層厚度最大達(dá)到24m，9號(hào)煤層厚度達(dá)到8m，開采后底板破壞深度大。因此，隔水層較薄區(qū)域，由于底板破壞深度大，導(dǎo)致有效隔水層厚度變薄，將會(huì)成為突水危險(xiǎn)區(qū)域。

2.2突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

回采工作面底板突水主要采用突水系數(shù)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)[14-15]，突水系數(shù)就是作用于底板隔水層的水壓與底板隔水層厚度之比值。

3準(zhǔn)格爾煤田水害防治技術(shù)

準(zhǔn)格爾煤田承壓水表現(xiàn)為水壓大、通道發(fā)育及富水性不均一的特點(diǎn)。根據(jù)準(zhǔn)格爾煤田巖溶水特點(diǎn)、地質(zhì)條件和開采條件，需研究其針對(duì)性的巖溶水害綜合防治對(duì)策。水害防治應(yīng)堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原則，采用水害探測(cè)、預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)的“三測(cè)”技術(shù)和物探、鉆探、化探的“三探”技術(shù)，形成超前預(yù)報(bào)技術(shù)體系。首先，采用地面物探技術(shù)探測(cè)富水區(qū)域和導(dǎo)水通道，結(jié)合地質(zhì)條件、水文條件，采用五圖雙系數(shù)或脆弱性指數(shù)法對(duì)巖溶水害危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)和分區(qū)，從整體上來(lái)確定突水危險(xiǎn)分布區(qū)及危險(xiǎn)程度。其次，井下掘進(jìn)和回采時(shí)，在突水危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行井下物探和鉆探驗(yàn)證，確定的突水危險(xiǎn)性區(qū)域需采取針對(duì)性的水害防治措施。由于準(zhǔn)格爾煤田巖溶水補(bǔ)給豐富，因此不宜采用疏干開采方法，隔水層較薄弱的突水危險(xiǎn)局部區(qū)域可以采用充填開采、條帶開采或短壁開采等減少底板破壞深度的特殊開采方法，或者進(jìn)行底板注漿加固來(lái)增強(qiáng)底板圍巖強(qiáng)度。具有導(dǎo)水通道的突水危險(xiǎn)區(qū)域可以留設(shè)防水煤（巖）柱，或采取注漿加固的主動(dòng)防治水技術(shù)；具有重大突水隱患的區(qū)域可構(gòu)筑水閘門、水閘墻使礦井形成分采區(qū)隔離開采。

4結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)準(zhǔn)格爾煤田巖溶地層巖性、巖溶發(fā)育特征、鉆孔漏失量及巖芯觀測(cè)等勘查結(jié)果綜合分析，裂隙、溶孔、溶洞是煤田內(nèi)主要儲(chǔ)水空間和地下水徑流通道，陷落柱、斷層是該區(qū)域重要的垂向?qū)ǖ馈?）通過(guò)巖溶水水化學(xué)分析，沿徑流途徑巖溶水質(zhì)類型呈HCO3•Cl-Na→HCO3•Cl-Na•Ca（Ca•Mg）→Cl-Na的演化順序，反應(yīng)了在東部邊界黃河水補(bǔ)給地下水，巖溶地下水總體向西運(yùn)移，在煤田西部形成滯流區(qū)，導(dǎo)致巖溶水轉(zhuǎn)向由北向南運(yùn)移，形成南北向的徑流帶。從煤田東部到西部各礦井所處的巖溶水位標(biāo)高位于+875~+940m之間。3）煤田中東部6號(hào)、9號(hào)煤均處于非帶壓開采狀態(tài)，中西部處于帶壓開采狀態(tài)，滯流區(qū)邊界附近突水系數(shù)較大。除了黃玉川、酸刺溝、黑岱溝和長(zhǎng)灘煤礦部分開采區(qū)域突水系數(shù)較大以外，煤田大部分正常區(qū)域6煤和9煤發(fā)生底板巖溶水突水可能性相對(duì)較小，但煤田內(nèi)部構(gòu)造較為發(fā)育，部分煤礦采掘過(guò)程中均發(fā)現(xiàn)有陷落柱存在，多數(shù)已發(fā)育到6號(hào)煤層。因此，開采過(guò)程中重點(diǎn)防御對(duì)象是斷層、陷落柱、隔水層較薄區(qū)域及底板裂隙發(fā)育區(qū)域。在巖溶含水層水文地質(zhì)特征研究基礎(chǔ)上，提出了水害的探測(cè)、預(yù)測(cè)及監(jiān)測(cè)和治理與特殊開采等綜合防治技術(shù)。

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作者：李宏杰1，2；馬君3；姜鵬1，2；黎靈1，2；郝志鵬4 單位：1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，3.鄂爾多斯市煤炭局