李小龙,姚多喜,杨金香

安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南,232001

孙疃煤矿 102采区松散层底部水文地质特征分析

李小龙,姚多喜,杨金香

安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南,232001

运用钻探、岩芯取样、土工试验、X-射线衍射、抽(注)水试验等方法,研究分析了孙疃煤矿 102采区新生界松散层底部第三隔水层“三隔”和第四含水层“四含”的岩性特征、矿物成分、厚度分布、水理性质、物理力学性质及富水性特征等因素,分析得出了孙疃煤矿 102采区“三隔”具有良好的隔水性 ,“四含”为“弱富水性”含水层类型的结果。对孙疃煤矿提高 102采区的回采上限及煤炭资源的回采率具有重要的指导作用。

松散层;XRD;抽水试验;富水性

*通讯作者:杨金香(1980-),辽宁丹东人 ,博士,讲师,主要从事环境保护与土壤污染治理研究。

我国华北、东北的许多大煤田多为隐伏型,煤层上伏有 130～ 300 m的中、厚松散层;松散层底部常存在着中等富水,甚至很强富水的含水层。在中、厚松散层下进行缩小安全煤岩柱留设试采实践和理论研究过程中,我国已经开展了部分试采实践、现场勘探测试、室内试验及理论研究等工作[1-3]。查明松散层底部沉积特征与含隔水性,深入分析研究松散层下部含水层、隔水层的分布、厚度结构、性质、含水或隔水性及其对井下开采的影响程度,研究其岩层抗破坏能力和阻隔水能力,是评价薄基岩浅埋煤层能否实现安全绿色开采的重要内容。对松散层底部含水层、隔水层的水文地质特征的正确认识,对于矿井安全煤岩柱的合理留设有着重要的意义。为了更好地、系统地进行缩小安全煤岩柱合理留设的研究,有必要对矿井松散层底部含水层、隔水层的水文地质特征进行深入研究;通过对其水文地质条件的研究,可为实现薄基岩浅埋煤层的绿色开采提供重要保障[4-6]。孙疃煤矿 102采区为矿井首采区,主采煤层10煤层。其底部含水层为 102采区矿坑充水的主要间接充水含水层,为确保井下安全生产,采区设计暂定在煤层隐伏露头处留设防水煤柱,防水煤柱积压了大量煤炭资源。因此,对孙疃矿102采区松散层底部含水层、隔水层的水文地质特征进行深入的研究,对于防水煤柱的合理留设有着重要的理论意义和现实意义。

1 研究区概况

孙疃井田位于安徽省淮北市濉溪县境内,孙疃集是其中心位置,向北东距宿州市约23 km。孙疃井田内地势较平坦,地面标高 25～ 27 m,一般 26 m左右。采区内现已施工地面钻孔 55个,其中-300 m以浅有19个钻孔揭露10煤。钻孔资料表明,采区-300 m以浅地区新生界松散层厚度为188.32～203.55 m,平均 166.80 m;区内古地形起伏不平,总体上基岩面标高自采区南西向北东逐渐变大,标高在-140.7～ -177.66 m之间。 102采区松散层按其岩性组合特征及区域水文地质剖面对比,自上而下可划分为四个含水层(组)和三个隔水层(组)。本次研究的底部含水层、隔水层组主要指第三隔水层和第四含水层,以下简称“三隔”、“四含”。松散层沉积基本特征和含、隔水性评价见表 1。

2 “三隔”分布特征

2.1 岩性及厚度分布特征

通过对采区内的 09水 1孔、09水 2孔“三隔”取岩样并进行实验分析,结果表明“三隔”岩性主要由灰绿色、棕黄色粘土及砂质粘土夹薄砂层组成,中下部部分地段见有泥灰岩及钙质粘土。上部粘土土质较纯,中下部粘土钙质含量增多,局部呈半固结状。

表1 孙疃煤矿102采区第四系松散层结构特征表

102采区“三隔”底界深度 166.80～ 197.60 m,一般为 186 m左右。根据本次对-300 m以浅的钻孔统计分析可知,“三隔”隔水层有效厚度 22.00～49.10 m,平均38.37 m。其厚度分布如图1所示。18-1孔厚度最薄为 22.00 m,19-2孔厚度最厚为49.10 m,从图 1可以看出,采区-300 m以浅南边“三隔”厚度最大,向北方向厚度逐渐变薄,但总体均匀,变化不大。本组在-300 m以浅内普遍厚度较大,分布稳定,为良好的隔水层(组)。 由于“三隔”的存在,使其以上的地表水和第一、二、三含水层与“四含”和煤系砂岩裂隙水失去水力联系。

图1 “三隔”沉积厚度分布

2.2 “三隔”矿物成分

本次研究采用矿物粉末X-射线衍射分析“三隔”的矿物成分,结果如表 2所示。

表2 “三隔”样品衍射定性分析结果表

分析结果表明,“三隔”粘土矿物成分中主要为蒙脱石,含量多数为中多;其次为绿泥石,绿泥石大都为中;蒙脱石和绿泥石二者的含量总数占主导地位。由于沉积环境不同,往往粘土的矿物成分不同。不同类型的粘土矿物具有不同的吸水性、膨胀性。蒙脱石具有活动的结晶格架,亲水性强,分散程度大,浸湿时能强烈地膨胀。当粘土矿物成分中含有较多量亲水强的蒙脱石时,其膨胀变形大,隔水性能就好。

2.3 “三隔”的水理性质及物理力学性质

本次研究对 09水 1、09水 2钻孔取芯,进行土工试验,测试部分结果如表 3所示。

表3 09水 1孔、09水 2孔土工试验成果表

测试结果表明,“三隔”中的粘土土粒比重均在2.77 g/cm3左右,液限 48.2%～ 56.0%,塑限24.4%～ 27.2%,塑性指数为23.8～ 28.8,液性指数0.10～ 0.27,自由膨胀率72.5%～ 86.0%,原样抗压强度为 421～ 1697 KPa。膨胀性通常是超固结粘土的主要属性之一,根据测试,按膨胀岩的分类标准划分,新生界松散层第三隔水层的厚层粘土属于典型的膨胀土。说明“三隔”中的粘土层易变形,具有良好的隔水能力[7-9]。

综上所述,102采区“三隔”岩性组分中主要以粘土为主,粘土矿物成分中主要为方解石、高岭土,亲水性、膨胀性强,隔水性能好。可以看出,“三隔”分布稳定,厚度较大,是稳定的隔水层,隔水性好。

3 “四含”分布特征及富水性分析

3.1 “四含”分布特征

3.1.1 “四含”岩性特征

“四含”岩性主要由灰绿色、棕褐色、浅黄色粘土质砂、细～粉砂、粘土夹砾石、砂质粘土组成,个别孔还含有薄层砾石。砾石成分为砂岩及灰岩碎屑,粒径0.3～1.5 cm,分选差,磨圆度中等,粘土质充填。多数为残坡积物。根据钻探资料,岩性分布特征为:在20线与21线中间向北至 F5断层之间岩性以粘土夹砾石为主,在22线— 21～ 22线之间“四含”以粘土分布,在 22-231孔附近以粉砂为主,其他块段以粘土质砂为主。

3.1.2 “四含”厚度分布特征

根据采区-300以浅钻孔资料,采区-300以浅“四含”底界深度 173.20～ 203.55 m,平均 191.73 m,含水层纯厚度 0～ 6.59 m,平均 2.44 m,22-12孔附近最厚,厚度达 6.59 m,本次补充水文勘探孔09水 1与09水2孔 “四含”缺失。从“四含”的岩性上看,一般泥质含量大,多数为残坡积物,厚度总的来说不大,分布不稳定,为弱富水性。本次研究对 102采区-300 m以浅19个钻孔资料的统计分析,沉积厚度分布如图 2所示。从图 2可以看出,“四含”沉积厚度较小,分布不稳定,采区中部相对较厚,煤层露头较薄,出现沉积尖灭。总体来说,102采区内“四含”沉积厚度不大,分布不稳定,故其含水性较弱。

图2 “四含”沉积厚度分布

3.2 “四含”富水性分析

根据精查地质报告,21-224孔“四含”进行了抽(注)水试验,另井田内施工 07观 1和 07观 2孔的“四含”观测孔,位于采区南边界和采区10煤层露头处;2009年,本采区在靠近煤层露头处施工了09水1与09水2补充勘探孔,并进行抽水试验,抽水层位为“四含”与基岩风化带,在试验过程中,由于抽水试验抽不到水,改为注水试验。两钻孔施工过程中孔内水位无明显变化,冲洗液无明显消耗,更没有全漏现象,根据对 102采区内 4个孔(09-水 1、09-水 2、07- 观 2、21-224)抽 (注 )水试验资料 ,“四含”静止水位埋深 24.18～ 77.23 m,水位标高 2.31～ -51.24 m,根据等水压线图,采区内自西北向东南形成地下水运动场。

表4为09水1和 09水2孔含水层的参数计算成果表,是利用 09水1与 09水 2孔的水位恢复观测求得的含水层水文地质参数;通过本次试验结果与前期试验结果对比可以发现,“四含”与基岩风化带混合抽水,其水文地质参数与“四含”层位相似,可认为本采区“四含”富水性指标与基岩风化带相似。

根据抽 (注)水试验,“四含”及风氧化带单位涌水量 q=0.000 85～ 0.010 5 L/sm,渗透系数 K=0.021～ 0.278 m/d,渗透性差,属弱透水层;依据《煤矿防治水规定》[10],102采区“四含”为弱富水性含水层类型。含水层的富水性与岩性、厚度等因素密切相关,根据采区内“四含”的岩性、厚度等因素分析可知,“四含”为弱富水性且富水存在不均一性。

表4 “四含”层位抽 (注)试验水文地质参数计算成果表

综上所述,102采区“四含”岩性主要由粘土质砂、粗砂～粉砂、砾石层、粘土夹砾石、砾石夹钙质粘土组成,一般泥质含量大,多数为残坡积物。粘土矿物成分中主要为石英、高岭土、蒙脱石、绿泥石、方解石等,具有较强的隔水性能。从分布规律看,“四含”分布极不稳定,大部分地区出现缺失,且抽水试验的水文地质参数表明其为弱富水性含水层且富水存在不均一性。

4 讨论与结论

根据以上分析,可认为 102采区受新生界松散层的水害威胁较小,其 102采区原设计暂定留设的防水煤柱可改为防砂安全煤岩柱,并具备提高回采上限的可能性。本研究表明,探明和正确评价采区松散层底部“三隔”和“四含”的水文地质条件,对安全煤岩柱留设类型的确定和提高回采上限及煤炭资源的回采率,充分开发和利用煤炭资源具有重要的现实意义和理论意义。

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A

1673-2006(2013)12-0086-04

10.3969/j.issn.1673-2006.2013.12.024

2013-10-15

国家自然科学基金“灰岩含水体上煤层开采底板采动稳定可靠性随机有限元研究”(51174256);安徽省教育厅自然科学研究项目“采煤沉陷区地质条件稳定性分析与水系修复机理研究”(K J2013Z068);“安徽理工大学中青年学术骨干”人才基金。

李小龙(1979-),新疆奇台人 ,硕士,讲师,主要从事矿山环境治理与水害防治研究。

(责任编辑:汪材印)