郭家河煤矿水文地质特征及矿井涌水量预测

杨国栋

(陕西郭家河煤业有限责任公司,陕西 宝鸡 721505)

矿井水文地质工作在煤矿生产过程中是一项基础水文地质工作[1-5]。郭家河煤矿位于黄陇煤田永陇矿区,工作面采煤受到煤层顶板离层涌水影响,透水事故时有发生。自2000年以来,矿区在各勘探及阶段施工了大量的探煤钻孔,查明了井田煤系地层赋存及构造形态,以水文地质调查、井上下综合物化钻勘测试验、抽放水实验等多种方法对矿井的水文地质条件有了初步认识,指导了矿区内多对矿井建设生产。勘探阶段的工作多围绕探煤任务开展,专门的水文地质工作相对较少。

近年来,郭家河煤矿顶板离层涌水规律发生了变化。自2011年以来,完成1301—1309共9个工作面回采。1301—1307工作面回采期间,工作面涌水主要以偶发顶板离层涌水水害为主;自1309工作面开始,工作面涌水次数有所增加。矿区开展全面防治水技术工作,不断加大防治水投入力度,实施了一系列顶板离层水害致灾与主动防控技术研究,形成了以“研企、企企、校企”为基础的科研合作平台,以地面大口径抽排为主导的“抽、探、疏、排、监、管、截”核心顶板离层水防治思路。通过现场实践应用,1309工作面已经安全回采结束;1310工作面防治水工作有序开展,累计安全回采163 d(累计回采445.8 m),安全通过初次“见方”和地面河流等以往离层水多发区段,效果显著。这表明目前采取的离层水防治技术措施是科学、合理的,郭家河煤矿顶板离层水防治已经取得阶段性成果。综合评价郭家河煤矿离层水害治理可防可控[6]。

1 矿区地质概况

1.1 区域地质

矿区地层区划属华北地层区鄂尔多斯盆地分区。矿区地层由老到新有:三叠系中统铜川组,侏罗系下统富县组,侏罗系中统延安组、直罗组、安定组,白垩系下统宜君组、洛河组、华池组、罗汉洞组,新近系及第四系。

矿区位于鄂尔多斯盆地南部渭北挠褶带北缘,属渭北挠褶带属盆地Ⅰ级构造单元,以蒿店—御驾宫大断裂为界,以南称铜川凸起,以北称庙彬凹陷。

1.2 井田地质

(1)地层。矿区内地表大部分地区被第四系黄土及新近系红土所覆盖,其钻孔揭露地层由老至新依次有:三叠系上统铜川组,侏罗系下统富县组,侏罗系中统延安组、直罗组、安定组,白垩系下统宜君组、洛河组、华池组,新近系及第四系更新统、全新统。其中,侏罗系中统延安组岩性为灰—深灰色泥岩、砂质泥岩、粉细砂岩与灰白色中粗粒砂岩互层,中夹炭质泥岩及煤层,为矿区主要含煤地层。

(2)古隆起对含煤地层的控制。三叠纪末的印支期形成煤系基底构造,呈近北东东—东西向。燕山早期继承了印支期构造特点,使侏罗系各组沉积后,构造线方向与三叠系古构造基本一致。白垩系沉积前,地壳进一步夷平,高差减小,因而使白垩系构造线方向演化为东西向—北东向。

侏罗世早期,由于地壳下沉幅度的不均衡性,导致了含煤地层及煤层沉积厚度的差异。同一聚煤区内,下降幅度大,沉积厚度大;下降幅度小,沉积厚度亦小。如中部宋家集以东含煤地层厚度80 m以上,最大95.58 m,表明成煤期该处下沉幅度大;宋家集以西含煤地层厚60 m左右,最大63.79 m,也表明成煤期该处下沉幅度大。

1.3 可采煤层

延安组按沉积特点及含煤性分为3段,郭家河煤矿主要发育第一段和第二段。其中,第二段含2号煤层,第一段含3号煤层。2号煤层为局部可采煤层,3号煤层为主要可采煤层。井田内可采的2、3号煤层分述如下(表1)。

表1 可采煤层情况Tab.1 Condition of minable coal seams

2 水文地质概况

2.1 区域水文地质

郭家河井田位于鄂尔多斯盆地西南边缘,属鄂尔多斯盆地中生代承压水范畴,其北部以白于山地表分水岭为界,东到子午岭,西与平凉—泾阳和太阳山岩溶子系统相接,南为侏罗系隔水边界,面积3.45×104km2。

(1)区域地下水补给。区域地下水系统内白垩系含水层主要接受松散层、上游地表河流补给,延安组承压裂隙水以侧向补给为主,区外补给源较远,主要是通过区外的深层断裂构造导水带补给。加之其岩性以粉、细粒砂岩和煤层为主,其接受补给量较小,因此含水量也较微弱。

(2)区域地下水径流。区域白垩系地下水径流方向与地表水流向基本相同。北部白垩系地下水水位约+1 400 m,最南部排泄点地下水水位约+850 m。区域地下水自东、北、西三面向南部径流,地下水径流受区域地形影响,东部较西部水力坡度大。

侏罗系直罗组、延安组含水层埋深较大,处于白垩系含水层之下,由泥岩、砂质泥岩及砂岩互层组成;上部安定组泥岩段总体发育稳定,具备较好的隔水能力,在天然条件下较好地阻隔了上部白垩系与下部侏罗系含水层之间的水力联系。区域内侏罗系地层在水文地质单元边界有出露,总体补给条件较差。

总体上,区域地下水由东、北、西三面向南部彬县方向径流。对郭家河井田来说,白垩系地下水流向大致为自西南向东北。

2.2 矿井水文地质

将钻孔及周边矿山资料作为分析其水文地质条件及离层水害等的依据,矿区煤层与主要含、隔水层位置如图1所示。

图1 矿区煤层与主要含、隔水层位置示意Fig.1 Location diagram of coal seam and main water-bearing and water-insulating layers in mining area

(1)含水层。①第四系全新统冲、洪积层孔隙潜水含水层(Ⅰ)。呈条带状展布,厚0～15 m。上部以砂质黏土、黏土及粉砂为主,下部为含水的砂及砂卵砾石层。地下水埋深1～4 m,含水层厚3～4 m。泉流量0.03～0.22 L/s。水质类型HCO3-Ca·Mg型,矿化度0.50 g/L,水温13 ℃。②第四系中上更新统黄土孔隙—裂隙潜水含水层(Ⅱ)。分布广泛,梁峁区5～10 m,残塬区厚度大于150 m。属孔隙—裂隙含水层,地下水埋深10～54 m,一般20～30 m,含水层厚1.5～10 m。水质类型HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg,矿化度0.468～0.659 g/L,水温12～16 ℃。③新近系砂卵砾含水层段(Ⅳ)。沟谷中零星出露,厚3～5 m。在沟谷中以泉的形式排泄于地表,泉流量0.070～0.033 L/s,水质类型HCO3-Ca·Mg,矿化度0.482 g/L,水温13 ℃。④白垩系下统洛河组砂岩孔隙—裂隙含水层(Ⅵ)。全区遍布,中—粗粒砂岩为主要含水层段。地下水埋深为56.60～249.60 m,单层厚度为9.20～13.84 m,计5个出水层段厚56.14 m。单位涌水量为0.001 8～0.690 5 L/(s·m),渗透系数为0.001 340～0.884 691 m/d,属富水性不均一的弱—中等含水层。水质类型HCO3-Mg·Ca·Na,HCO3-Mg·Na,矿化度0.528～0.533 g/L,水温14～15 ℃。⑤白垩系下统宜君组砾岩裂隙含水层(Ⅶ)。零星出露,厚度一般30 m,岩性为紫杂色块状砾岩,砾石成份以花岗岩、变质岩为主,砾径3～7 cm。⑥侏罗系中统直罗组砂岩裂隙含水层(Ⅸ)。钻探揭露厚度一般30 m左右,单位涌水量为0.000 022～0.002 6 L/(s·m),渗透系数为0.000 12～0.016 46 m/d,水质类型SO4-Na,矿化度为20.45 g/L。⑦侏罗系中统延安组煤层及其顶板砂岩含水层(Ⅹ)。钻探揭露厚度一般为40～50 m,出水层段埋深为462.80～512.30 m、厚度7.50～9.90 m,共3个出水层段,总厚24.90 m。单位涌水量0.001 925～0.057 7 L/(s·m),渗透系数为0.003 26～0.007 35 m/d,属富水性极弱含水层。水质类型Cl-Na,矿化度3.674 g/L,水温18 ℃。

(2)隔水层。①新近系黏土隔水层段(Ⅲ)。厚度一般80 m,团块状结构,岩性稳定,隔水性强,为矿区内松散岩类与基岩含水层之间的稳定隔水层。②白垩系下统华池组相对隔水层(Ⅴ)。岩性以紫红色、灰紫色、灰绿色泥岩为主,夹砂质泥岩及粉—细砂岩薄层。砂岩夹层在裂隙发育地段可形成局部含水层段,但富水性极其微弱,可视为相对隔水层。③侏罗系中统安定组泥岩隔水层(Ⅷ)。岩性为棕色、紫红色、灰绿色泥岩、砂质泥岩夹中粗粒砂岩,隔水层厚度90～110 m,含水量甚微,故视为煤系与上覆白垩系之间的稳定隔水层。④侏罗系下统富县组泥岩隔水层(Ⅺ)。厚度0～26.33 m,岩性多为紫杂色花斑状含铝土质泥岩,夹有角砾薄层,局部地段为褐灰色含钙质泥岩,隔水性能良好。⑤三叠系上统铜川组砂岩裂隙含水层(Ⅻ)。上部为紫色泥岩、浅紫色细砂岩、灰白色细粒砂岩与中粒砂岩互层,夹灰绿色中—粗粒砂岩,为弱富水含水层。

3 矿井充水条件分析

3.1 充水水源

矿井充水水源主要为大气降雨、地表水、地下水以及采空区老窑水[7-10]。其中,洛河组含水层单位涌水量为0.001 8～0.690 5 L/(s·m),富水性弱—中等,与煤层之间发育稳定且厚度巨厚的侏罗系安定组隔水层,以离层水形式参与工作面涌水,是矿井间接充水水源;回采工作面老空积水也是矿井充水水源之一。

3.2 充水通道

导水裂隙带是井田内受威胁含水层的主要导水通道之一[11-13]。

(1)顶板采动导水裂隙带。煤层与洛河组间距186.80～318.66 m,裂采比按23.31倍,预测导水裂隙带时的最大煤层采高按12 m计算。预测导水裂隙带发育高度为67.60～279.72 m,平均251.76 m。

预测煤层顶板导水裂隙带部分区域波及洛河组含水层,考虑到导水裂隙带穿过厚度150 m以上的巨厚安定组泥岩隔水层,裂隙带容易闭合,上覆白垩系的含水层水一般不会直接进入工作面。

(2)断层及构造裂隙。郭家河井田内褶皱、断层都较为发育,工作面受褶皱影响,底板起伏较大。在褶皱轴部通常构造裂隙发育,除了是良好的导水通道以外,还能造成导水裂隙带异常发育。

断层导水是矿井水害发生的主要原因之一。1310工作面发育多条断层,走向325°～345°,回采至这些地段应注意加强防范。

3.3 充水强度

除工作面出现离层涌水时瞬时涌水之外,郭家河矿井近3年涌水量为93～420 m3/h,平均133.70 m3/h(表2)。

表2 工作面各次涌(突)水情况汇总Tab.2 Summary of various water inrush situations in the working face

4 未来3年矿井涌水量预测

郭家河煤矿未来3年内主要回采1310工作面和2308工作面,此次涌水量预测主要考虑1310工作面和2308工作面。由于离层涌水具有突发性,且对涌水位置、时间、水量等难以精准预测,涌水量预测时不考虑离层涌水量。由于二盘区发育有隔水性能较好的巨厚安定组泥岩隔水层,在不发生离层涌水时,洛河组地下水参与工作面涌水的概率很小。因此,此次涌水量预测时的充水含水层主要考虑侏罗系直罗组、延安组含水层。

4.1 涌水量预测方法

本文采用解析法进行矿井涌水量预测[12-16]。根据侏罗系直罗组、延安组含水层水文地质参数,进行各个工作面涌水量预测。侏罗系直罗组按疏干考虑、延安组含水层按疏干考虑。解析法公式选用承压转无压公式:

(1)

(2)

R0=R+r0

(3)

式中,K为渗透系数;M为含水层厚度;H为疏降水头高度;R0为引用半径;r0为预测区折算半径;R为影响半径;h为潜水含水层水位,h=0 m。

各个工作面形状为矩形(表3),则有:

(4)

表3 各工作面涌水量预计r0取值统计Tab.3 Statistics of the expected r0 value of water inflow at each working face

工作面涌水量解析法预测结果见表4。

表4 各工作面涌水量预测结果统计Tab.4 Statistics of forecast results of water inflow in each working face

采用解析法预测矿井近3年正常涌水量为198.01～225.17 m3/h(表5)。

表5 解析法涌水量预测结果Tab.5 Prediction results of water inflow by analytical method

4.2 涌水量预测结果评述

矿区实际揭露水文地质条件是否会发生较大变化尚不明确,且煤层最大厚度约21 m,随着煤层采厚增大,工作面涌水量存在变化的可能。为安全起见,解析法预测2022—2025年郭家河煤矿1310工作面和2308工作面回采期间,矿井正常涌水量为225.17 m3/h。

郭家河煤矿在工作面无离层涌水时工作面基本无水,出现离层涌水时瞬时最大涌水量可达1 000 m3/h以上。依据经验,为防灾考虑,建议矿井最大涌水量按正常涌水量的2倍预计[15-19]。因此,预测2022—2025年郭家河煤矿1310工作面和2308工作面回采期间,矿井最大涌水量为450.34 m3/h。

5 矿井水文地质类型划分及评价

根据《煤矿防治水细则》中矿井水文地质类型划分标准,划分郭家河煤矿矿井水文地质类型[17-21]。

(1)受采掘破坏或影响的含水层及水体。郭家河煤矿开采范围内不存在奥陶系灰岩含水层,井田主要充水含水层为洛河组,其单位涌水量为0.001 8～0.690 5 L/(s·m),洛河组仅在地表沟谷有出露,接受地表水补给,富水性为弱—中等,故不存在强含水层影响。

(2)矿井及周边老空水分布状况。郭家河煤矿及相邻园子沟煤矿、招贤煤矿等采空区范围清楚,积水量定期监测,并有序疏放。因此,矿井及周边老窑水分布状况类别应划为中等。

(3)矿井涌水量。预测近3年矿井正常涌水量为225.17 m3/h,最大涌水量为450.34 m3/h。因此,矿井涌水量类别为中等。

(4)矿井突水量。郭家河煤矿1309工作面“8.21”突水最大平均涌水量为1 630 m3/h,“11.22”突水最大涌水量为910 m3/h。因此,矿井突水量类别划分为复杂。

(5)开采受水害影响的程度。郭家河煤矿开采主要受到煤层顶板离层涌水影响与威胁。自2021年开始,郭家河煤采取防治水工程措施,累计安全回采445.8 m。目前,郭家河煤矿顶板离层水防治已经取得阶段性成果。综合分析,开采受水害影响程度确定为复杂。

(6)防治水工作难易程度。矿井综合采用地下水位异常变化预警预报离层涌水、施工地面钻孔以“上抽下泄”方式疏放离层积水、施工工作面泄水巷集中自流排水等措施防治离层水。同时,严格落实相关防治水工程并不断优化、调整,细化工作面管理,做好水情综合分析与离层涌水预警。采取一系列综合防治措施,以达到郭家河煤矿离层水害治理可防可控的目的。因此,防治水工作难易程度确定为复杂。

综上所述,根据“就高不就低”的划分原则,确定郭家河煤矿水文地质类型为复杂型[16-19]。

6 矿井离层水防治

近年来,矿井不断加大防治水投入力度,实施了一系列顶板离层水害致灾与主动防控技术研究,形成了以“研企、企企、校企”为基础的科研合作平台,“监测预警、动态抽泄、突水自流、精细管理”的高位离层水害主动防控技术体系,以地面大口径抽排为主导的“抽、探、疏、排、监、管、截”核心顶板离层水防治思路,坚持以不发生离层水害为导向,以“不淹面”“不堵人”“不影响生产”为目标,“以无当有”原则进行常态化灾害防控,为矿井水害治理提供了可靠有效的防治思路和技术方案,为其他矿井防治顶板离层水害提供了指导和借鉴。

(1)“抽”。施工地面大直径抽水钻孔,采取抽水方式提前疏放煤层顶板离层空间积水体,降低离层积水体水头高度和减少积水量,防止上覆高位离层积水与导水裂隙带叠加压穿安定组泥岩隔水层,造成大量离层积水通过裂隙通道溃入工作面(图2)。

(2)“探”。采用物探与钻探等方法查清地质与水文地质条件,以及煤层开采覆岩导水裂隙发育高度等。

(3)“疏”。提前疏放相邻工作面老空积水。

(4)“排”。主动超前建立工作面临时排水系统,施工泄水巷,及时、有效排水,降低和减轻涌水影响和水灾程度,达到“不淹面”“不堵人”“不影响生产”的目的。

(5)“监”。结合水量、地下水位异常等水情信息,及时进行涌水预警,出现涌水及溃砂征兆时,立即启动水灾应急预案并撤人,确保井下人员安全。

(6)“管”。“以无当有”原则进行常态化灾害防控,按照高位离层水害防治要求,对工作面采煤与支护等进行精细管理,合理控制煤层采高及推采速度。通过对开采条件进行控制,降低离层涌水频率和水害威胁程度。

图2 地面抽水钻孔结构示意(采后施工,采后抽水)Fig.2 Schematic diagram of surface pumping borehole structure(post-mining construction,post-mining pumping)

(7)“截”。在相邻工作面采空区地面施工抽水钻孔实施抽水,将相邻工作面上方离层空间积水和含水层水提前截流抽排,防止相邻工作面离层积水大量进入回采工作面,减小其对回采工作面的影响,保障工作面回采安全。

7 结论

(1)矿区位于鄂尔多斯盆地南部渭北挠褶带北缘,含煤地层主要为侏罗系中统延安组。矿区含水层主要为第四系孔隙—裂隙潜水含水层,白垩系下统洛河组砂岩、宜君组砾岩孔隙—裂隙含水层,侏罗系中统直罗组砂岩裂隙、延安组煤层及其顶板砂岩裂隙含水层。井田受导水裂隙带影响,地下水以离层水形式参与工作面涌水。

(2)采用解析法进行矿井涌水量预测,预测2022—2025年郭家河煤矿1310、2308工作面回采期间,矿井正常涌水量225.17 m3/h。依据经验,为防灾考虑,矿井最大涌水量按正常涌水量的2倍预计,最大涌水量为450.34 m3/h。

(3)综合评价郭家河煤矿矿井水文地质条件为复杂型。

(4)矿井建立了“监测预警、动态抽泄、突水自流、精细管理”的高位离层水害主动防控技术体系,以地面大口径抽排为主导的“抽、探、疏、排、监、管、截”核心顶板离层水防治思路,坚持以不发生离层水害为导向,以“不淹面、不堵人、不影响生产”为目标,“以无当有”原则进行常态化灾害防控,为矿井水害治理提供了可靠有效的防治思路和技术方案,为其他矿井防治顶板离层水害提供了指导和借鉴。