潞安矿区康庄井田3号煤层水文地质条件分析

2019-10-11郭瑞睿

煤 2019年9期

郭瑞睿

(长治职业技术学院，山西长治 046000)

康庄井田处于潞安矿区中部，是二岗山地垒中的相对孤立含煤带，位于山西省长治市屯留区李高乡康庄村-驼坊村一带，地理坐标为东经112°57′30″～112°59′30″，北纬36°12′30″～36°14′00″，东西长3.0 km，南北宽2.7 km，面积为4.5 km2。该井田周边矿井有古城煤矿、王庄煤矿、高河煤矿以及小常煤矿(见图1)。目前，该井田的煤炭地质勘查工作已达到勘探程度，已具备开展矿井建设可行性研究和初步设计的前提条件。因此，很有必要对其水文地质条件进行详细分析，以便指导今后的煤炭开发工作。

1 井田地质

1.1 井田地层

该井田地表均为黄土覆盖，无基岩出露。根据地质钻孔及邻区资料，井田地层从下至上依次发育奥陶系马家沟组、峰峰组，石炭系本溪组、太原组，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组，第四系。井田主要含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组。

康庄井田3号煤层所在的山西组地层平均厚度为45.11 m，含煤1～4层，煤层总厚度为8 m，含煤系数为17.7%。其中，3号煤层为稳定可采煤层，厚6.90～10.00 m，平均7.91 m，底板标高为280～860 m，主要赋存于二岗山地垒的中间断盘，少量赋存于南侧断盘和北侧断盘，在二岗山地垒中间断盘靠二岗山北正断层(F1)一侧有一带状剥蚀无煤区(图1)。

图1 康庄井田构造纲要及3号煤层带压开采分区

1.2 井田构造

该井田最典型的构造特征就是地垒构造(二岗山地垒，图1)，由走向NEE的二岗山北正断层(F1，倾角75°，断距280～310 m)和二岗山南正断层(F2，倾角75°，断距201～255 m)两大断裂构造控制，在二岗山地垒的中间断盘上还发育一轴向NEE、贯穿全区的向斜构造(康庄向斜)。受大断裂影响，二岗山南正断层的北侧还派生一些断距多小于50 m的7条小型断裂(F3～F9)。暂未见陷落柱及岩浆岩侵入。

2 井田水文地质条件分析

2.1 含水层

井田内含水层由下至上依次发育奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层，石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组砂岩孔隙裂隙含水层，基岩风化带裂隙含水层，第四系松散层孔隙含水层。

1) 奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层是井田最主要的含水层。井田中部的85-26水文孔奥灰水位标高648.86 m，但因钻孔施工年代久远，本次不予采用其水位标高值。井田西侧边界1 km外1301水文孔奥灰水位标高634.66 m，井田北侧边界3 km外王-168水文孔奥灰水位标高为632.36 m，目前西北侧相邻的古城煤矿在两井田交界段的奥灰水位标高为632～634 m，因此推测康庄井田奥灰水位标高为632～634 m，水位自西南向东北方向逐渐降低。据区域水文地质资料，该含水层富水性以中等为主。

2) 石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层。井田内以往勘查钻孔未揭露该含水层，据区域水文地质资料，该区域富水性弱。

3) 二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组砂岩孔隙裂隙含水层。该含水层岩性主要为中、细粒砂岩，包括K7、K8、K10等几层砂岩。据井田内ZK3-3钻孔风化带以下含水层抽水试验资料，其单位涌水量q为0.011 7～0.011 8 L/(s·m)，渗透系数k为0.016 3 m/d。富水性弱。

4) 基岩风化带裂隙含水层。井田内风化裂隙带发育深度一般在基岩面以下50～60 m。在钻遇该层时，大多有冲洗液漏失现象，富水性为弱-中等。

5) 第四系松散层孔隙含水层。岩性主要为粉、细粒砂岩。富水性一般为弱-中等，随季节变化较大。

2.2 隔水层

井田内隔水层包括石炭系本溪组及太原组底部隔水层、太原组灰岩含水层层间隔水层、二叠系砂岩含水层层间隔水层、第四系隔水层。石炭二叠系隔水层的岩性主要为煤层、泥岩、铁铝质泥岩、粉砂质泥岩等；第四系隔水层的岩性主要为黏土、亚黏土。

2.3 充水因素分析

2.3.1 主要充水水源

根据性质，矿井充水水源可分为地表水、顶板水、底板水、老空水等几大类。井田内无小窑开采历史，不存在老空水。地表无水库、常年性河流等水体，黄土盖层平均厚度151 m，能够有效阻隔地表水(包括大气降水)向矿井充水。因此，该井田的主要充水水源只需考虑顶板水和底板水。

1) 顶板水。包括3号煤层上方的全部含水层水。未开采3号煤层前，其上覆各含水层因层间隔水层的阻隔导致相互间的水力联系较为微弱，仅在构造发育部位可能会产生一定的水力联系。3号煤层开采后，其顶板各含水层水将通过导水裂隙带向矿井充水，是矿井充水的主要来源之一。

2) 底板水。井田内3号煤层底板标高在280～860 m之间，推测奥灰水位标高为632～634 m之间，因此3号煤层在井田内大部分区域带压。为了安全起见，本次将3号煤层底板标高634 m以下的区域，均划分为带压区。奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层是井田最主要的含水层，富水性以中等为主。在带压区域，尤其是受构造破坏地段，该含水层将是矿井充水的主要来源之一。

本次采用《煤矿防治水细则》中的突水系数计算公式，对开采3号煤层时奥灰水突水危险性进行分析：

T=p/M

式中：T为突水系数，MPa/m；p为底板隔水层承受的实际水头值，MPa；M为底板隔水层厚度，m。

奥灰水位标高取井田内的最大值634 m，3号煤层底板标高取井田内的最小值280 m，理论上3号煤层底板隔水层承受的奥灰水最大水头高度h=634 m-280 m=354 m，则底板隔水层承受的最大水头值p=ρgh=3.47 MPa(ρ取1.0×103kg/m3)；底板隔水层厚度M取潞安矿区最小值80 m(潞安矿区3号煤层底板至奥陶系顶界的地层厚度为80～140 m[1])。

经计算，开采3号煤层时的最大突水系数：T=p/M=3.47/80=0.043 MPa/m。

就全国实际资料看，底板受构造破坏的地段突水系数一般不得大于0.06 MPa/m，因此，将3号煤层带压区域全部划分为非突水危险区。需要强调的是，0.043 MPa/m是出于安全考虑的理论上的最大值，而井田内实际的最大突水系数肯定小于此值。

2.3.2 主要充水通道

从成因上，一般将矿井充水通道分为天然通道和人为通道两种。天然通道包括断层、陷落柱等地质构造，人为通道包括导水裂隙带、井筒、封闭不良钻孔等。该井田以往地质勘查施工的钻孔均封闭良好，且历史上无小窑开采。因此，井田内主要充水通道只需考虑潜在陷落柱、断层和导水裂隙带。

1) 潜在陷落柱。目前井田暂未发现陷落柱，可能是二维地震勘探精度低造成的。由于二岗山地垒的岩溶发育，加之向斜轴部裂隙一般较为发育，因此井田内极可能发育有若干个陷落柱，且多沿康庄向斜轴部分布。在井田内康庄向斜的轴部，3号煤层底板标高为400～600 m，均处于带压区。一旦这些潜在陷落柱导水，将能够直接导通奥灰水。因此，本文将潜在陷落柱列为最重要的充水通道。今后，应通过三维地震勘探查明那些潜在陷落柱。

2) 断层。根据井田内以往二维地震勘探资料，除二岗山北正断层和二岗山南正断层两条区域断层外，井田内还发育有7条断距大小不一的断层(正断层4条，逆断层3条)。由于二岗山地垒为汇(导)水蓄水构造，主要接受其南部背斜蓄水构造及单斜蓄水构造的补给，向东排泄于潞城一带，岩溶发育，导水性好[2]，因此二岗山北正断层和二岗山南正断层应该是导水的，是重要的充水通道。另外7条断层因无钻孔控制，且无进一步的物探资料佐证，目前其导水性暂不能确定，有待进一步查明。今后，在生产过程中必须严格执行“有掘必探”“三专两探”等规定，从而查明上述断层的导水性。另外，因二维地震勘探精度低，井田内可能还发育有其他断层。今后，应通过三维地震勘探进一步查明。

3) 导水裂隙带。目前，潞安矿区绝大多数矿井采用放顶煤采煤法开采3号煤层。尽管《煤矿防治水细则》第87条规定“导水裂隙带可以按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中的公式计算”，但该公式仅适用于“厚煤层分层开采”的情形。同样根据《煤矿防治水细则》第87条“放顶煤开采或者大采高(3 m以上)综采的垮落带、导水裂隙带高度，应当根据本矿区类似地质条件实测资料等多种方法综合确定”的规定，本次采用朱伟等[3]提出的潞安矿区放顶煤开采导水裂隙带发育高度经验公式计算：

式中：Hli为导水裂隙带发育高度，m；M为累计采高，m；n为开采分层数。

井田内3号煤层厚6.90～10.00 m，平均7.91 m。假定累计采高M等于煤层厚度，当采用放顶煤开采3号煤层时n取1，经计算导水裂隙带发育高度Hli为149.38～212 m，平均为169.78 m。而3号煤层距K8砂岩底平均32.93 m，距K10砂岩底平均88.38 m。因此，导水裂隙带可直接导通上覆的K8砂岩、K10砂岩含水层，大部分区域还能导通基岩风化带裂隙含水层及第四系松散层孔隙含水层(康庄向斜轴部附近区域除外)。