奥灰峰峰组顶部阻水特征及其水文地质意义

张广宁

（晋能控股煤业集团赵庄二号井，山西 长治 046600）

0 引 言

奥陶系地层在华北地区广泛发育，许多矿区的资料证明，在奥灰峰峰组顶部存在一定厚度的相对隔水层段，该隔水层段的存在与中奥陶系之后整个华北地台上升，经历了奥陶系上统，石炭系下统近1 亿年长期风化剥蚀所形成的古风化壳有关。传统水文地质意义上，人们往往将奥陶系中统灰岩笼统视为强富水的岩溶裂隙含水层来对待，并视为石炭二叠系煤层开采的主要水害威胁，近年来随着下组煤开采的需求与日俱增，人们逐渐认识到重新分析、评价奥陶系中统水文地质特征，尤其是峰峰组顶部阻水性对解放下组煤的重要意义[1-5]。

本文以赵庄二号井为工程技术背景，施工地面D1 和井下J1、J2 钻孔，采用了钻井液消耗量观测、抽（放）水试验、压水试验、声波测试等技术手段，研究证明了峰峰组顶部相对隔水层的存在，最后结合矿井实际指出了下组煤开采的水害防治策略。

1 区域水文地质条件

赵庄二号井井田位于辛安泉域西南部径流区，辛安泉是山西省较大的岩溶大泉之一，出露于山西省长治市的平顺县、潞城市、黎成县交界带的浊漳河河床内，具有独立的补、径、排条件，发育于沁水盆地东翼中段，属大型沉降盆地边缘单斜型岩溶水系统。

奥陶系中统峰峰组为煤系之基底，赵庄二号井井田内厚81.53～145.25 m，平均厚111.19 m，上部为灰色～灰白色巨厚层状隐晶质石灰岩，裂隙发育；中部为灰色角砾状石灰岩、石灰岩、白云岩和泥质白云岩，局部溶洞、溶隙发育；下部为灰色石灰岩、浅灰色中厚层状白云岩、白云质灰岩、含泥石灰岩，局部溶洞、溶隙发育。

2 奥灰峰峰组顶部阻水特征研究

2.1 钻井液消耗情况

图1 D1 孔钻井液消耗量变化曲线图

如图1，地面D1 孔钻进521.20 m 进入奥灰峰峰组，至655.52 m 进入上马家沟组，在峰峰组内钻井消耗液为0.01～0.06 m3/h，相对较小，未出现大量漏失情况；进入上马家沟组后消耗液为0.03～6.36 m3/h，有较大变化。钻探表明峰峰组岩溶裂隙较上马家沟组不发育，对钻孔中消耗液起到了阻滞作用，漏失量较低。

2.2 抽（放）水试验

对D1 孔进行了峰峰组抽水试验，J1 和J2 孔进行了峰峰组放水试验，峰峰组灰岩含水层单位涌水量为0.004 4 ～0.174 L/s.m，渗透系数0.026 ～0.192 m/d，可见其富水性由弱～中等富水性。

D1、J1 孔进行了上马家沟组与峰峰组混合抽（放）水试验，单位涌水量在0.046～0.289 L/s.m，据以往水文钻孔勘探数据，个别钻孔单位涌水量可达7.624 2 L/s.m，富水性极不均一。

由此可见，正常地段峰峰组与上马家沟组之间的水力联系较为弱，在富水性上有明显的差异。

2.3 压水试验

如图2（a），地面D1 孔峰峰组顶部0～18 m 范围内岩层渗透性弱，渗透率0.025～0.35 Lu，隔水性较好；进入峰峰组18～81 m 测试段节理裂隙发育，渗透率一般在1～32 Lu 之间，裂隙连通性好。

如图2（b），井下J2 孔峰峰组顶部0～17 m 范围内岩层渗透性弱，渗透率0.042～0.068 Lu，隔水性较好；进入峰峰组17～100 m 测试段节理裂隙发育，渗透率一般在1～43.31 Lu 之间，裂隙连通性好。

图2 D1、J1 孔压水试验成果图

2.4 声波测试

井下J2 孔裸孔测试从124 m 开始进入奥灰峰峰组，测深124～145.5 m 范围灰岩岩溶裂隙发育不明显，钻孔围岩完整性较好，声波传播时间缩短，波速普遍在1.55～2.84 km/s；测深145.5～236 m 范围内，声波接收时间延长，声波波速普遍在0.58～1.55 km/s，该段透水性普遍高于测深124～145.5 m 区域；可知峰峰组顶部约21.5 m 在物性上与深部存在明显区别。

地面D1 孔裸孔测试从525 m 开始进入峰峰组，测深525～541.75 m 范围灰岩岩溶裂隙发育不明显，钻孔围岩完整性较好，声波传播时间缩短，波速普遍在1.67～2.74 km/s；测深541.75～638 m 范围内，声波接收时间延长，声波波速普遍在0.476～1.67 km/s，该段透水性普遍高于测深525～541.75 m 区域；可知峰峰组顶部约21.75 m 在物性上与深部存在明显区别。

3 峰峰组相对隔水层的提出与划分

3.1 古风化壳存在的地质背景

早古生代地层在加里东运动时期，发生了昌平、怀远及加里东晚期3 次抬升，使下古生界3 次大面积暴露地表被淋滤风化，形成了3 个平行于古风化壳的溶蚀带，特别是加里东晚期的抬升运动，使得本区整体抬升并先后经历了130～150 Ma 的风化、剥蚀和夷平。遭受剥蚀和充填的风化基岩和裂隙在沉积旋回中随地台下沉而埋入地下。随着华北断块进一步下沉，海水进一步入侵，细碎屑的铝土质粘土开始在古剥蚀面相对隆起部位或已为碎屑填平的部位上沉积，在奥陶系灰岩突起的古溶洞裂隙或早期沉积的粗碎屑中岩溶裂隙再次被铝泥质充填。

从水文地质补勘钻孔取芯资料来看，峰峰组上部层段为古风化壳形成、灰岩基底风化较明显的区域，这部分区域岩石风化残积物与未风化的完整灰岩重新发生胶结，二次成岩，这部分受古风化作用影响的岩层，泥质含量较高，隔水性较好。

3.2 峰峰组岩性组合与裂隙特征

峰峰组主要由厚层状石灰岩、泥灰岩、角砾状石灰岩及白云质灰岩组成，在峰峰组常见灰岩、泥质灰岩反复旋回沉积，且泥质灰岩和灰岩厚度均不大，岩溶裂隙发育程度差，裂隙多被方解石充填。由于奥陶系晚期地壳升降运动，经历长期风化剥蚀作用，峰峰组顶部地层在接受石炭系海陆交互沉积，石炭系本溪组底部泥岩充填进入峰峰组顶部风化裂隙中，形成了在峰峰组灰岩中有本溪组泥岩的现状。加上峰峰组二段为泥质灰岩和石灰岩组成，因此，形成了顶部隔水性能较好的特征。

就岩溶发育及裂隙充填特征而言，峰峰组顶部岩溶裂隙发育程度差，裂隙多被方解石脉充填，顶部裂隙中也见铝土充填和黄铁矿结核，裂隙充填的方解石脉中偶见小溶孔。

3.3 峰峰顶部岩层的阻水能力

D1 孔简易水文观测显示峰峰组顶部地层冲洗液消耗量没有大的漏失，针对D1、J1 和J2 孔的峰峰组做了抽（放）水试验，显示峰峰组灰岩含水层单位涌水量为0.004 4～0.174 L/(s·m)，由此可以判断，本次探查峰峰组整体上为弱-中等富水性含水层；此外根据压水试验结果显示，透水率一般在1 Lu 以下，属于透水性微弱的地层，表明相对隔水段也主要集中于峰峰组顶部。

从相邻的赵庄矿、长平矿水文地质勘探资料也可以看出，钻进到峰峰组时钻井消耗液均为正常消耗，部分钻孔在进入峰峰组下段一定进尺后才开始明显漏失，揭穿峰峰组钻孔的抽水试验单位涌水量数量级一般都在10-2-10-3，峰峰组总体富水性弱具有区域性特点。

3.4 峰峰组隔水层厚度的判定

井田内峰峰组厚度在81.53～145.25 m，平均厚111.19 m，综合钻井消耗液、抽（放）水试验、压水试验、声波测试等资料认为，峰峰组上部17～22 m 层段可以作为相对隔水层，另外考虑岩溶发育的不均一性，取安全储备系数K = 1.2，峰峰组顶部相对隔水层厚度取15 m。

4 相对隔水层的水文地质意义

奥陶系岩溶地下水既是影响煤矿安全生产的“突水水患”，又是制约煤炭企业发展的宝贵水资源，因此在煤矿开采过程中必需要重视奥灰水的两重性，在保证煤炭安全生产的同时，要充分合理的利用好宝贵的水资源，走“绿色矿山”的发展理念。因此，科学认识和评价奥陶系灰岩的水文地质特征是实现“煤-水”共生的必由之路。

赵庄二号井15 号煤层至奥灰顶界面厚度为10.4～47.6 m，平均厚度23.52 m，主要发育有煤层底板太原组底部砂岩、本溪组铝土质泥岩，及上奥陶系峰峰组顶部由古风化壳组成的相对隔水层15 m，隔水层厚度有所增加。未考虑峰峰组相对隔水层之前，15 号煤奥灰突水系数变化范围为0.063 7～0.269 7 MPa/m，本井田大部分为突水危险区；当考虑峰峰组顶部15 m 相对隔水层时，突水系数变化范围为0.040～0.111 MPa/m 之间，本井田大部分为突水威胁区，因此相对隔水层的存在对突水系数的计算影响较大，对改善带压开采条件具有显著意义。

由于古风化面起伏不定，峰峰组顶部形态也呈现一定的波动性，在认识到风化壳具有阻水特性的同时，还需要认识到其潜在的不稳定性，即大概率还存在岩溶通道未被风化残积物充填密实的区域，该区域可能构成突水通道，需要提前治理。

总体上，峰峰组相对隔水层的存在对下组煤开采有重要意义，主要表现在两方面：一是增加了隔水层厚度，降低了突水系数；二是为大规模区域治理提供了理想的层位选择。

5 下组煤开采的水害防治策略

由于峰峰组相对隔水层厚度较小，且稳定性难以保证，考虑采动破坏，据以往经验，隔水层小于35～40 m 时，难以阻抗奥灰水压，易发生底板突水事故[5]。因此，峰峰组相对隔水层的利用应具备一定的前提，即回采前必须结合带压条件对底板采取局部治理和区域治理措施。

5.1 局部治理

采用常规手段进行局部治理区域主要针对突水系数小于0.06 MPa/m 的突水威胁区，可采用井下局部治理方案进行先期开采。凡探测和分析认为存在富水异常区或存在断层、陷落柱时，必须进行钻探验证，确认存在水害隐患时应进行注浆治理。隐患排除后可进行试采，回采期间要做好监测工作，评价采用井下局部治理模式的技术可靠性和生产效率，如常规手段仍无法满足安全、高效生产需求，则应进行底板区域治理。

5.2 区域治理

进入突水系数大于0.06 MPa/m 的区域后，需对峰峰组顶部相对隔水层进行区域治理，保证其完整性和阻水能力，一般采用定向钻探加注浆治理工程。主要应遵循以下原则：

1）工作面底板孔全部采用定向孔，在巷道掘进钻探期间可同时进行工作面底板孔的施工。

2）注浆加固范围内钻孔终孔位置间距应不大于50 m，钻孔水平投影均匀布满探测区域。

3）注浆钻孔应对物探异常区、断层、陷落柱等构造的探查与加固有所侧重。

4）工作面切眼位置、初次来压位置、周期来压位置、巷道直接底板两侧15 m 范围内和停采线附近作为重点加固区段。

5）造浆系统一般设置于地面，便于大流量制浆与高压注浆。

6 结 论

1）受古岩溶环境和地质构造运动影响，峰峰组顶部存在一定厚度的风化壳，使其成为相对隔水层具备了基础条件。

2）通过钻井液消耗量观测、抽（放）水试验、压水试验、声波测试等技术手段，验证了赵庄二号井峰峰组相对隔水层厚度为15 m 左右。

3）峰峰组相对隔水层的存在对下组煤开采有重要意义，一是增加了隔水层厚度，降低了突水系数；二是为大规模区域治理提供了理想的层位选择。

4）针对下组煤带压开采问题，按照突水系数分区域采区针对性的治理措施，由局部治理向全面区域治理逐渐过渡，是解决下组煤开采的重要途径。