3.2 地下水補(bǔ)徑排條件

 

  霍州礦區(qū)在區(qū)域上處于由汾河斷陷盆地及周圍的呂梁山、霍山山區(qū)組成的完整的水文地質(zhì)單元內(nèi)。補(bǔ)給區(qū)為呂梁山裸露區(qū)以東奧陶系灰?guī)r廣泛發(fā)育的地帶, 在汾河河谷奧陶系石灰?guī)r出露地段, 河床基本由奧陶系灰?guī)r組成, 第四系砂礫石孔隙含水層和奧灰含水層相互貫通, 汾河高水位期地表水大量滲漏補(bǔ)給奧陶系灰?guī)r。因此,本區(qū)地下水補(bǔ)給來源以大氣降雨滲入補(bǔ)給為主, 地表水滲漏補(bǔ)給為輔。

 

  地下水徑流方向受地層坡度和巖層傾向影響,從N、NW、W三面向郭莊泉排泄, 泉水流量大而穩(wěn)定, 高達(dá)7m3/s, 靜止水位標(biāo)高520～545m, 水力坡度平緩為1.7‰, 地下水徑流通暢。根據(jù)霍州礦區(qū)水文地質(zhì)資料分析, 具有距離泉口越近其單位涌水量越大, 水文地質(zhì)條件越復(fù)雜的特點(diǎn)。

 

  3.3 含水巖組

 

  霍州礦區(qū)區(qū)域含水層分為四大含水巖組。

 

  ①松散巖類孔隙含水巖組。第四系和第三系松散巖類含水巖組。

 

  ②碎屑巖類裂隙含水巖組。碎屑巖類含水巖組和碎屑巖夾碳酸鹽巖類含水巖組。

 

  ③碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組。奧陶系含水巖組: 以峰峰組二段、上馬家溝組二段及下馬家溝組二段為主要含水層。寒武系含水巖組: 以中寒武系張夏組為主要含水層。

 

  ④變質(zhì)巖類裂隙含水巖組。以變質(zhì)巖及侵入巖為主, 富水性弱。

 

  4 霍州礦區(qū)水害現(xiàn)狀及礦井充水類型劃分

 

  4.1 礦區(qū)礦井水害現(xiàn)狀

 

  霍州礦區(qū)受多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響, 構(gòu)造十分發(fā)育,斷裂構(gòu)造平均91 條/km2, 陷落柱平均60 個(gè)/km2。礦區(qū)位于郭莊泉域的徑流帶和排泄區(qū), 地下水豐富( 郭莊泉自然流量4~6m3/s) , 水文地質(zhì)條件復(fù)雜。受地下水與構(gòu)造兩種地質(zhì)因素的共同影響, 礦井水害威脅十分嚴(yán)重。

 

  隨著開采水平的不斷延伸和開采深度的不斷加大, 礦井受水害威脅程度也越來越大, 防治水工作愈顯突出。目前有7 對(duì)礦井帶壓開采, 所采煤層處于K2、O2 灰?guī)r承壓水靜水位以下, 最大水頭壓力6.1MPa。7 個(gè)帶壓生產(chǎn)礦井地質(zhì)儲(chǔ)量141 641.3 萬t,帶壓開采地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)100 844萬t, 占總儲(chǔ)量的71.2%。下組煤直接頂板為K2 灰?guī)r含水層,正常涌水量700～900m3/h。巨厚奧灰?guī)r溶含水層距主采煤層11# 煤底板平均25m ( 最小僅16m) , 存在突水可能。水害已成為威脅礦井安全生產(chǎn)的一個(gè)主要因素。

 

  霍州礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜, 水害類型多樣。既有底板灰?guī)r水害, 又有頂板砂巖水害, 還存在老空水害。在歷史上霍州礦區(qū)各礦曾發(fā)生大小水害事故多起。如團(tuán)柏礦在443 水平掘進(jìn)軌道巷和皮帶巷時(shí)發(fā)生突水, 三個(gè)突水點(diǎn)水量共800m3/h, 后逐漸增大到1 100m3/h, 突水點(diǎn)隨巷道掘進(jìn)移動(dòng),突水點(diǎn)水源來自奧陶系灰?guī)r巖溶水。又如曹村礦發(fā)生過三次較嚴(yán)重的突水事故, 其中兩次為老窯水, 一次為奧灰水突水。近期2007 年4 月白龍礦在巷道開拓時(shí)遇陷落柱發(fā)生突水, 水量由揭露初期100m3/h增至400m3/h, 造成工作面淹沒被迫停產(chǎn)。霍州礦區(qū)其他各礦也發(fā)生過程度不等的水害事故。

 

  目前隨著各礦區(qū)淺部上組煤開采相繼結(jié)束, 埋藏深的上組煤曹村擴(kuò)區(qū)2# 煤將接續(xù)開采, 各礦逐漸進(jìn)入以開采下組煤為主的生產(chǎn)時(shí)期, 大部分下組煤底板標(biāo)高位于下伏奧灰水位以下, 為帶壓開采( 表1) 。如近期發(fā)生突水的白龍礦, 目前地質(zhì)儲(chǔ)量23 901萬t, 受水威脅的儲(chǔ)量18 430.7 萬t, 占總儲(chǔ)量的77%, 奧灰含水層補(bǔ)給面積大, 為強(qiáng)富水含水層, 對(duì)煤層開采將產(chǎn)生較大影響。白龍礦地處地下水排泄區(qū)和徑流區(qū), 地下水活動(dòng)強(qiáng)烈, 南北向的徑流帶從礦區(qū)東北部穿過, 礦區(qū)直接接受地下水的側(cè)向補(bǔ)給,1#、2# 煤和大部分下組煤位于太原組K2 灰?guī)r和奧灰含水層水位以下, 白龍礦構(gòu)造斷裂異常發(fā)育, 斷層密度達(dá)80 條/km2, 陷落柱密度90 個(gè)/km2, 局部密度達(dá)120 個(gè)/km2, 個(gè)別斷層和陷落柱存在導(dǎo)水現(xiàn)象, 使得白龍礦水文地質(zhì)條件愈加復(fù)雜, 礦井的防治水工作難度更大。辛置礦東四采區(qū)540 水平開采下組煤, 最大帶壓值1.35MPa, 突水系數(shù)達(dá)1.35MPa/m。曹村礦250 水平以上下組11# 煤的開采, 煤層底板最大帶壓2.65MPa, 突水系數(shù)將高達(dá)0.265MPa, 同樣面臨奧灰高水壓下安全帶壓開采的問題。

 

  4.2 礦井充水類型劃分

 

  霍州礦區(qū)屬于華北型煤田, 上組煤受石盒子組砂巖和第四系砂礫石含水層影響, 下組煤同時(shí)受太原組灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r水威脅。由于受歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加的影響, 各礦的水文地質(zhì)條件有較大差異。按礦井的充水水源和充水方式可劃分為: 頂板透水、底板突水、老窯潰水和斷層突水四種類型。

 

  ①頂板透水。上組煤頂板距老頂石盒子組砂巖裂隙含水層僅4～5m, 下組煤的直接頂板為太原組K2 灰?guī)r含水層, 采動(dòng)影響下形成的冒落裂隙移動(dòng)帶“三帶高度”溝通含水層引發(fā)突水。如曹村礦10# 煤工作面揭露的突水點(diǎn)90%以上為K2 灰?guī)r裂隙水, 上組煤出水點(diǎn)幾乎全部為K8 砂巖水。在煤層淺埋地帶2# 煤與第三系風(fēng)化帶和第四系孔隙水直接與煤層頂板接觸, 含水層水直接補(bǔ)給礦井。

 

  ②底板突水。霍州礦區(qū)上組煤至太灰?guī)r厚度70m, 下組煤距奧灰?guī)r小于30m, 底板水壓大于安全值的情況在辛置、曹村、白龍、團(tuán)柏、迥坡底、李雅莊、干河各礦普遍存在, 各礦不同程度的存在底板突水危險(xiǎn)。

 

  ③老窯潰水。由于小煤窯亂采濫伐破壞防水煤柱或采掘中意外觸及小煤窯采空區(qū)廢棄的老空積水區(qū)引發(fā)突水事故, 如曹村, 辛置礦老空突水占全部突水事故的一半以上。曹村礦兩次由于揭露了小煤窯的老空區(qū)引起突水事故。1966 年突水水量達(dá)14594.6m3/h, 給礦井造成極大損失。白龍礦周邊小煤窯及廢棄老窯多達(dá)115 個(gè), 也曾發(fā)生過小煤窯潰水事故。

 

  ④斷層突水。斷層構(gòu)造發(fā)育是本區(qū)的主要特點(diǎn),由于斷層錯(cuò)動(dòng), 使煤層和含水層對(duì)接或距離縮短, 或斷層本身具導(dǎo)水性, 造成突水事故。白龍礦因揭露斷層共造成突水四次, 對(duì)于構(gòu)造異常發(fā)育的霍州礦區(qū)各礦應(yīng)對(duì)斷層突水危險(xiǎn)性極大。

 

  5 礦井充水條件分析

 

  5.1 充水水源

 

  霍州礦區(qū)礦井充水水源主要有: 奧陶系灰?guī)r巖溶水(O2) ; 太原組灰?guī)r裂隙水(K2) , 上石盒子組砂巖裂隙水(K3、K4、K8) , 第四系砂礫巖孔隙水(Q) 和老窯水。

 

  據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)各礦的突水水源較多, 其中太原組灰?guī)rK2、砂巖K4 在汾河以西的白龍礦、團(tuán)柏礦、迥坡底礦和干河礦富水性較好, 為中等—豐富含水層,特別是白龍礦K4、K3、K2 灰?guī)r受井田內(nèi)斷層影響與奧灰?guī)r接觸, K2 灰?guī)r裂隙溶洞發(fā)育, 鉆孔單孔涌水量達(dá)40m3/h, 太灰水K2 對(duì)下組煤開采造成較大影響。處在汾河以東的曹村、辛置、李雅莊K2 灰?guī)r富水性較弱, 一般為弱含水層, 井下K2 出水量一般也為3～30m3/h。

 

  5.2 充水通道

 

  充水通道包括陷落柱導(dǎo)水, 斷層和裂隙帶導(dǎo)水,封閉不良的鉆孔導(dǎo)水、含水層直接與煤層接觸導(dǎo)水等。

 

  5.2.1 陷落柱導(dǎo)水

 

  本區(qū)陷落柱異常發(fā)育, 據(jù)統(tǒng)計(jì)白龍礦已揭露陷落柱高達(dá)532 個(gè); 團(tuán)柏礦揭露陷落柱29.6 個(gè)/km2; 迥坡底礦平均16 個(gè)/km2; 李雅莊礦平均90 個(gè)/km2, 其中N0183# 陷落柱造成工作面突水, 初始水量25m3/h, 后水量穩(wěn)定在50m3/h; 曹村井田揭露陷落柱60個(gè), 平均密度20 個(gè)/km2, 其中11 個(gè)導(dǎo)水, 占18%, 上組煤揭露34 個(gè)有6 個(gè)導(dǎo)水, 占17.6%, 9、10 號(hào)煤揭露26 個(gè), 有5 個(gè)導(dǎo)水, 占19.2%, 500m 奧陶系石灰?guī)r大巷揭露6 個(gè)有3 個(gè)導(dǎo)水, 占50%。

 

  目前盡管淺部揭露的陷落柱絕大多數(shù)不導(dǎo)水,但當(dāng)深部水壓增大, 仍存在導(dǎo)水的可能性, 一旦溝通奧灰含水層, 陷落柱就成為重要通道, 因此應(yīng)特別重視發(fā)育在構(gòu)造帶、褶皺軸部, 斷裂帶的規(guī)模較大, 發(fā)育較深的陷落柱。

 

  5.2.2 斷層和裂隙帶導(dǎo)水

 

  斷裂構(gòu)造極為發(fā)育是本區(qū)另一共同特點(diǎn)。霍州礦區(qū)構(gòu)造十分發(fā)育, 斷裂構(gòu)造平均91 條/km2, 在區(qū)域性構(gòu)造斷裂控制下, 各礦發(fā)育的斷層均以NE—NNE 向正斷層為主。白龍礦井田范圍內(nèi)落差大于5m 的斷層45 條; 團(tuán)柏礦斷層密度達(dá)130 條/km2; 迥坡底礦發(fā)育斷層23 條, 李雅莊礦落差大于5m 的斷層64 條, 可見各礦斷裂構(gòu)造異常發(fā)育, 且部分具有導(dǎo)水性, 如白龍礦曾發(fā)生規(guī)模較大的斷層突水4 次,構(gòu)造裂隙帶突水10 次。自1985 年至2006 年突水點(diǎn)統(tǒng)計(jì)情況可以看出, 由斷層及裂隙帶破碎帶導(dǎo)致的突水占絕大多數(shù), 而且在下組煤開采中突水點(diǎn)個(gè)數(shù)明顯比上組煤開采時(shí)多。

 

  根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件, 當(dāng)斷層落差大于58m 時(shí),K3、K4、K2 灰?guī)r就會(huì)與O2 灰?guī)r對(duì)接, 產(chǎn)生水力聯(lián)系,落差大于25m 的斷層都會(huì)造成K2 和O2, K4～K2 直接接觸, 發(fā)生水力聯(lián)系。同時(shí)水平底板帶壓高, 隔水層厚度薄, 突水系數(shù)超過安全帶壓開采下限, 存在突水的危險(xiǎn)性。斷裂破碎帶是下伏含水層最主要的導(dǎo)水通道, 是引發(fā)突水的重要條件。

 

  5.2.3 封閉不良的鉆孔導(dǎo)水

 

  歷史上封閉不良的廢棄鉆孔往往成為下伏含水層的導(dǎo)水通道, 白龍礦是不良導(dǎo)水鉆孔最多的礦區(qū),370 水平周邊23 個(gè)鉆孔終孔后全部未進(jìn)行封孔檢查, 經(jīng)檢查其中有4 個(gè)鉆孔未封孔, 5 個(gè)鉆孔封孔質(zhì)量不合格, 23 個(gè)鉆孔中有16 個(gè)揭露奧灰含水層, 這些封孔不良的鉆孔是奧灰承壓水與上覆巖層溝通的通道。歷史上曾因833, 819 兩個(gè)鉆孔導(dǎo)水, 造成2-401 和2- 402 工作面發(fā)生突水, 最大水量85m3/min。

 

  5.2.4 含水層直接與煤層接觸導(dǎo)水

 

  構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成含水層和煤層直接接觸導(dǎo)水。曹村擴(kuò)區(qū)南部煤層淺埋地帶2# 煤頂板直接與K8 或第三系、第四系裂隙孔隙含水層接觸造成2# 煤發(fā)生頂板水害可能性加大。白龍礦在煤層淺埋地帶曾發(fā)生過2# 煤頂板冒落裂隙帶溝通第四系含水層水引發(fā)突水。

 

  6 結(jié)語

 

  霍州礦區(qū)由于處于郭莊巖溶水系統(tǒng)的徑流帶和排泄區(qū), 地下水水量大, 礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜, 加之構(gòu)造十分發(fā)育, 多數(shù)礦井帶壓開采, 水害類型復(fù)雜多樣。隨著開拓范圍的不斷擴(kuò)大, 開采深度向下延深, 所屬各礦的水文地質(zhì)條件日益復(fù)雜, 多種水害類型逐漸顯現(xiàn)。為了確保礦井安全, 提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益, 促進(jìn)煤炭生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展, 必須從根本上消除和治理威脅安全生產(chǎn)的各類隱患, 逐步實(shí)施煤礦水害的防治措施, 防治水工作愈顯突出, 急需開展礦井防治水工作, 并且加強(qiáng)礦區(qū)水文地質(zhì)條件和防治水分析研究, 以保證礦井生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展。