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1、霍州矿区岩溶水对下组煤开采的威胁及构造控水研究田保安(山西省煤炭地质局一四四队，山西洪洞)摘要：霍州矿区下组煤炭资源储量占总储量的53以上，但由于下组煤层底板标高普遍低于其下部奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层水位。加之矿区内构造发育，水文地质条件复杂，对下组煤的开采构成了威胁。通过对霍州矿区水文地质条件的分析与研究认为。各井田下组煤开采受岩溶水威胁的程度不尽相同。为保障矿井安全生产，要有针对性实施各井田下煤组的开采方法及防突水措施。关键词：矿井突水；岩溶水；煤层开采；下组煤；霍州矿区0引言霍州矿区是山西省主要的炼焦煤生产基地之一，下组煤层(指9、10、11号煤)的储量占总储量的53.8。其中辛置矿下
2、组煤占总储量的比例为58.2，曹村矿下组煤古总储量的比例为67.5，团柏矿下组煤占总储量的比例为72.4，白龙矿下组煤占总储量的比例为52.5，李雅庄矿下组煤占总储量的比例为65.2。随着矿区上组煤资源储量日益减少，开采下组煤层已成为目前必须考虑的问题。霍州矿区下组煤层赋存于本区奥陶系石灰岩与太原群K2石灰岩两层主要含水层之间，K2石灰岩为9号煤层直接顶板，奥陶系石灰岩距11号煤层底板仅20m左右。以团柏井田为例，按照GB1271991推荐的经验公式计算，9号煤层底板岩溶水突水系数最大达0.277，最小0.107，一般0.150.20。11号煤层底板岩溶水突水系数最大达0.899，最小0.26
3、，一般0.4左右。因此岩溶地下水已对下组煤层的开采构成了严重威胁，由于下组煤层底板标高普遍低于奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层水位，水文地质条件复杂，如不能保障下组煤的安全开采，势必大大缩减矿井寿命。1矿区岩溶水特征霍州矿区东部为霍山，霍山主要为变质岩系组成，由于霍山断层使之成为矿区东部天然隔水屏障，西部吕梁山，奥陶系石灰岩，大面积出露，以吕梁山分水岭为界成为一个良好地下水补给区，北部至晋中盆向南运动。由于下团柏断层的阻水作用与汾河河床下切使得地下水在此大量出露，形成山西有名的郭庄泉，泉流量一般为7m3s，最大达10m/s，其流量变化幅度不大。霍山断层的存在使区内地层向东一东南倾伏，成为一个良好的盆
4、式储水构造。这个储水构造包含了吕梁山补给区、径流区与郭庄泉排泄区，构成一个完整的水文地质单元，其中补给区面积达1000余km，径流区面积约2600km，径流距离约60100km，补给范围之广，储存范围之大，是郭庄泉流量大而变化小的根本原因。区域主要含水层有奥陶系马家沟石灰岩与太原组k2石灰岩，而奥陶系石灰岩含水层又控制全区。奥陶系石灰岩含水层为本区主要含水层(图1)，该层厚度超过700m，岩溶发育，含水丰富，霍县郭庄泉流量大而稳定达7m/s。静止水位标高为520-545m，水力坡度平缓，一般1.7。，说明地下径流畅通。从目前地质资料分析，该层含水层具有广远的补给来源，由于流域范围广，库容大，具
5、有很好的调节能力。泉区是地下水集中排泄区，地下水对灰岩侵蚀作用强。据资料反映，单位涌水量离泉区愈远则愈小，反之则大，因此在矿区水文地质分区图分区特点是以泉区为中心呈环状分布。由于本区断裂构造发育，不同地区含水性又有很大差别，钻孔单位涌水量最大可达50L(sm)，最小则只有0.0005L/ (sm)，富水性相差极大，使本区水文地质条件变得十分复杂。本区地下水的活动剧烈，使得奥陶系石灰岩岩溶十分发育，沿汾河河谷一带，陷落柱十分发育，从目前矿井生产所揭露的情况来看，最大者直径可达百米，陷落高度可达200m。K2石灰岩含水层为9号煤直接顶板，厚度一般在10m左右，该层含水层虽然厚度薄，出露有限，但富水
6、性确较好。该层含水层之所以含水丰富，降水补给不是其主要因素，通过断层与陷落柱得到奥陶系灰岩含水层地下水的补给才是真正原因。由于奥灰水的水位标高在520545m，K2灰岩接受奥灰水的补给的范畴是容易圈定的，经圈定K2得到补给的范围有限，但由于下组煤层处于奥灰与K2灰岩两层含水层之间，在今后开采的过程中势必改变其平衡关系，加之霍州矿区下组煤层基本上位于奥灰水水位以下，造成矿井大量充水，甚至突水的可能性极大。2下组煤开采水文地质条件研究霍州矿区岩溶地下水的富水性在不同地区有很大差别，影响富水性的因素主要有两方面：一是受泉的影响；二是受断层的影响。由于断层的切割，破坏了含水层的完整性，地下水的运动相应
7、的受到影响，使水文地质分区具有特殊性(图2，图3)。如赤峪断层两侧，水文地质条件明显不同。K2灰为9号煤直接顶板，在开采的过程中必将大面积揭露，因此K2灰岩充水是不可避免的。奥灰岩顶距11号煤底最小为12m，其间均为隔水层，就矿区下组煤层的埋藏深度而言，一般情况不会形成透水，但由于本区断裂构造发育，在采动情况下，地应力场发生变化，破坏了岩层的完整性，增强了断裂构造的导水性，形成突水性灾害的危险是存在的。根据霍州矿区复杂的地质构造条件，奥陶系灰岩水透水也是可能的，但不同于K2灰大面积透水，而是以透水点的形式充水。由于含水层的含水性明显受断层因素的控制，我们可以将其划分各个不同水文地质分区。团柏矿
8、，白龙井田不但靠近泉区，而且处于径流方向的上游，水文地质条件最为复杂，开采下组煤层有突水的危险；李雅庄矿水文地质条件简单，曹村矿、辛置矿因赤峪断层等因素，形成一个相对封闭区，水文地质条件较简单，开采下组煤较为安全。以团柏井田为例，由于受地堑式构造形态的影响，形成了近于平行的下团柏和下张端边界断层，含水层富水性弱，对本区的水文地质条件意义不大，而下团柏断层落差l10320m，直接影响着井田的水文地质条件，断层西、北部为郭庄泉径流排泄区，含水层富水性强，当断层走向北北东时，由于断层落差相对小，只有110m，这样西北部的奥灰岩溶水就可以通过断层进入万安详查区南部，然后向南径流到龙子祠泉排泄，而断层折
9、向北东东向时起阻水作用。断层具有“一阻一导”主要是由于两盘岩性的接触关系及埋藏深度的不同起主导作用。北北东向由于断层落差大，使得上盘奥灰地层埋藏变深、埋深一般在547.33733.60m，接触关系在团柏矿的团一6孔与本井田的126号孔剖面可以看出，下盘奥灰含水层与上盘的石盒子组、山西组的泥岩和粉砂岩接触(图4)，岩层受挤压将对地下水起阻水作用，位于断层两盘的团一6号孔与127号孔，相距2150m抽水试验表明，团6号O2f层当水位下降1.03m，涌水量达11.57Ls，单位涌水量为11.20L(sm)，钻孔消耗量达7m3h，岩心鉴定发现岩溶发育，钻进曾多次出现钻具自行下落，最大达5.10m，说明
10、有大溶洞存在；而位于上盘的127号孔，水位降深49.78m，涌水量只有0.40Ls，单位涌水量为0.008L(sm)，钻进消耗量最大只有0.20mh再通过其它奥灰探岩溶孔发现断层为北东东向时，上盘一侧钻进消耗量均很小，岩心采取率均很高，表明岩溶裂隙不发育。603号孔奥灰进尺205.67m，消耗量最大为0.20m3h，O2f+O2s混合抽水试验，水位降深44.76m，涌水量为2.10Ls，单位涌水量只有0.0469L(sm)，表明富水性弱，进一步说明断层在北东东向为阻水断层(图4)。而断层为北北东向时为导水断层，上盘奥灰埋藏变浅，一般在261.15358.30m，在断层的转折地带距本井田边界约8
11、km的勘探线上，断层下盘奥陶系含水层与上盘峰峰组含水层直接接触，奥灰岩溶水可通过断层而导水(图5)。位于下盘团柏煤矿扩区的99号孔，岩心鉴定发现O2s地层溶隙发育，具有蜂窝状溶洞，钻进消耗量为12.05mh，而在上盘一侧万安详查区中部的94号孔，抽水试验表明，当水位下降11.3m时，单位涌水量为0.38L(sm)，富水性明显大于本井田地带富水性，94号孔向南、西方向，从钻孔中发现奥灰地层岩溶更加发育，证明下团柏断层北北东向为导水断层。3结语防止矿井突水的目的，一是为了保障矿井安全生产，二是为了保护地下水资源，保护环境。为减少矿区因下组煤开采引起的矿井涌水乃至突水，必须采取行之有效的方法及预防措
12、施。首先，对团柏、白龙等水文地质条件复杂的地区进行专门水文地质勘查工作，包括采用钻探、电法、地震等各种勘查手段，查明矿区水文地质条件。其次，在各种可能导水的断层附近预留防水保安煤柱，加强对矿井涌水量的监测工作，并成立专门的下组煤开采安全技术机构。第三，在奥灰地下水径流地带上游部位，可布置抽水孔进行地下水疏排，减少流向矿区排泄区的地下水流量，为矿区生产、生活提供用水，也保障矿井安全生产。参考文献：【1】葛亮涛.中国煤田水文地质学：煤炭工业出版社，2001.【2】牛仁亮。孔繁珠，赵敏崎，李振拴，等.山西省煤炭开采对水资源的破坏影响及评价【M】.北京：巾国科学技术出版社，2003.【3】范立民.论保水采煤问题【J】煤田地质与勘探，2005.33(5)【4】范立民.陕北煤炭资源开采对地下水的影响及对策【5】孙敬选，等.下乐平井田精查地质勘探报告【R】.山西洪洞：山西省煤田地质局一四四队，1983.【6】杨守源，等.霍县矿退沙井田精查勘探地质报告【R】.山西洪洞山西省煤田地质局一四四队1986.【7】孙敬选，等.山西省霍西煤田万安勘探区详查地质报告【R】.山西洪洞：山西省煤田地质局一四四队，1989.
