榆神府矿区矿井水文地质条件分类研究

榆神府矿区矿井水文地质条件分类研究

0透水事故分析近年来，中国多次发生煤矿洪水，导致重大人员死亡和财产损失，给矿工的安全带来隐患。截至2010年6月上旬,全国共发生较大以上煤矿水害事故7起:1月15日山西灵石煤矿发生透水事故,死亡4人;1月19日山西西山晟聚煤业有限公司发生透水事故,死亡3人;1月22日宁夏太阳山开发区隆能煤业有限公司发生透水事故,死亡7人;3月1日,神华集团骆驼山矿煤层底板发生突水事故,死亡32人;3月19日贵州科兴煤矿发生透水事故,死亡6人;3月28日中煤王家岭矿发生透水事故,死亡38人;6月3日,山西晋城郊南煤矿发生透水事故,死亡3人。2010年7月31日全国煤矿发生了3起较大以上透水事故:吉林道清煤矿透水4人被困;黑龙江恒鑫源煤矿透水24人被困;河南新密市恒泰煤业有限公司透水3人被困。上述事故的共性问题是:水文地质工作薄弱,没有落实由专业探放水人员使用专用钻机探放水的防治水规定,出现透水征兆后没有采取撤人措施。榆神府区尽管没有发生灾难性突水事故,但该区萨拉乌苏组富水性强,顶板水(萨拉乌苏组地下水)、老窑积水和小窑水及局部烧变岩地下水仍然威胁着煤矿安全和矿区生态环境,因而,准确划分矿井水文地质类型,有针对性地开展防治水工作,是一条行之有效的防治水技术思路。1矿山地质条件1.1萨拉乌苏-烧变岩地下水的补充陕北侏罗纪煤田煤炭资源丰富,但水资源贫乏。该区有限的水资源赋存于萨拉乌苏组和烧变岩中,这些水资源是本区泉水的补给来源,也是维系区内生态环境和工农业建设的重要水源。1.1.1神泉池及其周边地区含水层含水层岩性以细砂、中砂为主,厚度差异较大,一般在古沟槽及低洼中心沉积最厚,如前石畔井田内的瓷窑湾煤矿,在约4km2的范围内,厚度由0m增加到61m。该含水层水位埋藏较浅,一般在0.9~9.27m。该组沉积厚度受古地形的制约,各沟槽之间有相对的分水岭。各沟槽或泉域均具独立的水文地质单元,各沟槽或泉域之间的分界,与现在地表分水岭一致。该含水层有以下特点:(1)分布不均匀,厚度变化较大(图1)。在榆溪河上游,最大厚度170m,在神木北部矿区、榆神矿区,最大厚度位于锦界煤矿范围内的青草界泉域,为76m;富水性强,在该区采煤,矿井涌水量大。(2)含水层与下伏延安组煤系地层间距变化较大,瓷窑湾煤矿饮马泉泉域最小只有3.14m,一般20~30m。(3)区内流量大于10L/s的泉水,均直接或间接发育于萨拉乌苏组含水层,其中间接发育于萨拉乌苏组的为延安组烧变岩地下水,补给来源是萨拉乌苏组地下水。烧变岩是一个“临时”储存场所,易于疏干。(4)含水层地下水水位是维系地表生态的重要指标,采煤时应该予以保护,尤其是秃尾河沿岸,已经规划了一些井田,建议未建井的井田暂缓采煤,已经建井的或投产的,应该改进采煤工艺,确保采煤不造成地下水水位的大幅度下降。根据大量钻孔抽水试验,该含水层单位涌水量一般为0.0098~1.44L/(s·m),除新民区和神北矿区局部外属于简单类型外,其余地区的单位涌水量均大于0.1L/(s·m),属于中等—复杂类型。1.1.2地下水流场分布特征韩树青最早研究了烧变岩的水文地质条件,认为烧变岩富水性强,是陕北侏罗纪煤田开发的重要水源地。研究现状表明,烧变岩的水文地质特征与其分布区及邻区的地形地貌条件有关外(范立民,1996),还与上覆岩层的岩性、厚度及煤层底板倾斜构造有关。侏罗系延安组含煤地层,总体呈向北西倾斜的单斜构造,倾角1°~3°,局部存在洼盆形构造。烧变岩区也以这两种底板构造形态为主,并受沟谷切割影响。煤层自燃由沟谷露头向两侧深部扩展,位于煤层倾伏一侧具有隔水边界的烧变岩区易形成储水构造单元,位于仰起一侧的则不易形成。当沟谷切割方向与煤层倾向一致时,储水构造的完整性与沟谷切割程度相关。神木北部矿区柠条塔露天区,烧变岩底板低洼处含水丰富,形成了强富水区,据专门水文地质钻孔抽水试验,地下水位下降0.1m,钻孔涌水量达788m3/d。烧变岩区地下水常以下降泉的形式排泄,故泉水出露较多,考考乌素沟从沙渠到四门沟地段,烧变岩泉水总流量为90.635~102.503L/s。据以往资料,2-2煤烧变岩区地下水静储量约433万m3。烧变岩地下水的来源主要靠南部沙层潜水的侧向补给。1990年烧变岩潜水位标高为1144.67m;2006年补勘时发现,由于小煤矿采动影响,3-1煤以上的地下水自然流场已经变动,烧变岩水已流入采空区,水头和沙渠两泉干枯,潜水位大致在1137m±处,水位南高北低,且有所降低。烧变岩钻孔单位涌水量为0.0005~88.67L/(s·m),一般为1~10L/(s·m),除局部属于简单类型外,多数地区均大于1L/(s·m),属于复杂—极复杂类型。1.2其他含水层主要是延安组、直罗组基岩裂隙潜水、承压水含水层,含水微弱,单位涌水量一般小于0.0001L/(s·m),属于简单类型。2矿山总供水和总供水2.1矿井涌水量较榆神矿区矿井涌水量普遍较大,按照《矿井防治水规定》的指标,多数为“极复杂”—“复杂”型,少数为“中等”型。锦界煤矿目前的实际产量11Mt/a,矿井涌水量逐年增大,2008年约2500m3/h,2009年达到3800m3/h(崔杰等,2009),2010年超过3900m3/h;凉水井煤矿实际产量4Mt/a,矿井涌水量也不断增大,2009年7月实测三个采煤工作面的总涌水量为338m3/h,预测一盘区回采完成后矿井涌水量为3394.51m3/h;榆阳煤矿2010年4月矿井正常涌水量1013m3/h,7月达到1300m3/h以上,同期煤炭产量约11000t/d;上河煤矿2004年2月-2007年11月最大涌水量70m3/h,最小24m3/h,平均34m3/h,2004年3月30日11时曾经发生突水事故,突水量70m3/h,到4月10日,现场排水量达到434m3/h,水位仍然以2~3cm/d的速度增长,估算最大突水量为619m3/h;常乐堡煤矿,2003年2月—2007年11月矿井最大涌水量96m3/h,最小55m3/h,平均85m3/h,由于烧变岩含水层边界不清,2008年3月曾发生突水事故。上述这些大型矿井(多采用综采,实际生产能力多大于3Mt/a)的水文地质条件属于中等—复杂,后期则为极复杂型。榆神矿区地方煤矿,由于采用“保水采煤”的窄条带采煤方法,矿井涌水量均较小,六墩煤矿矿井水最大产生量13.6m3/h,最小8.9m3/h,平均9.5m3/h;王家沟煤矿,开采3-1煤层,煤层平均厚度3.2m,设计能力为6~15万t/a,采用房柱式开采方法,实测正常涌水量为5.83m3/h,最大涌水量为6.67m3/h,平均6m3/h;十八墩煤矿2003、2004年实际涌水量10m3h,2005年12m3/h,2006年16m3/h,2007年正常涌水量30m3/h,最大涌水量35m3/h;黑龙沟煤矿原煤产量约0.5Mt/a,实测正常涌水量为23.6m3/h,最大涌水量为30m3/h,平均25m3/h。这类煤矿由于采煤方法的限制,而成为“简单”型。若采用综采,无疑矿井涌水量将增大,成为“中等”甚至“复杂”型,或“极复杂”型。因此,榆神矿区无疑是陕北煤矿防治水工作的重点和难点所在。2.2矿井涌水量大、矿井数量大的矿区神木北部矿区北部的神东开采区,单井原煤产量均为10Mt/a左右,由于矿井多数已经开采10~15a,矿井涌水量也逐年增加,大柳塔煤矿大柳塔井、活鸡兔井投产初期,矿井涌水量只有200~300m3/h,目前均超过600m3/h。石圪台煤矿,由于柳根沟泉域萨拉乌苏组厚度大,富水性强,煤层埋藏浅,矿井涌水量较大,目前一般500m3/h左右。神木北部矿区南部的陕煤集团开采区,张家峁煤矿设计能力6Mt/a,先期开采地段正常涌水量158m3/h,最大涌水量185m3/h。神木北部矿区曾发生过2次突水溃沙灾害,均发生在瓷窑湾煤矿(现哈拉沟煤矿),发生时间是1990年4月20日和12月28日,突水量较小。其他矿井未发生过突水事故。2.3矿井水地下水。据一般关系说,矿井水型、富水性微新民矿区除北部的袁家梁勘查区外,萨拉乌苏组厚度很小,富水性微弱,矿井水主要来自第四系黄土裂隙潜水和侏罗系裂隙潜水,局部有少量烧变岩地下水,矿井涌水量普遍很小,一般小于50m3/h,属于“简单”型。3第四系老窑类型研究区20世纪80年代中后期开始大规模煤炭开采,地方小煤矿最多时达到500余处,经过近年来的资源整合和关井压产,煤矿数量降低到约300处。关闭或整合的小煤矿,主要分布于神木北部矿区、新民矿区,榆神矿区只在东北部的神木县西沟乡一带分布。因此,从小窑、老窑及其积水情况分析,新民矿区为“复杂”型,但老窑积水量普遍较小;神木北部矿区为“中等—复杂”型,部分老窑可能积水量较大;榆神矿区多数没有老窑,小窑集中在西沟乡一带,整体为“简单”型,西沟一带为“中等—复杂”型,部分老窑可能有一定的积水。值得注意的是,由于防止老空区煤的自燃,陕北多数煤矿工作面采完后予以封闭,尤其是小煤矿,采用房柱式采煤,封闭后,顶板稳定,采空区不易塌实,这就为老窑积水创造了条件。4注浆堵水防治水榆神府矿区除榆神矿区上河、常乐堡煤矿外,其他矿井均未发生过突水事故,上河、常乐堡煤矿曾经发生过突水事故(蒋泽泉,2006),采用注浆堵水的方法进行了防治水工作,整体上,防治水难度不大,但局部难度较大,如上河煤矿等榆神矿区部分地段。因此,防治水工作难易程度方面,属于简单,少量中等和复杂。5矿井水文地质条件划分报告为了彻底遏制矿井突水灾害的发生,2009年国家安监总局发布了《煤矿防治水规定》,并要求各煤矿要加强矿井防治水基础工作,编写矿井水文地质条件划分报告。根据受采掘破坏、影响的含水层及水体、矿井及周边老空水分布状况、矿井涌水量、突水量、开采受水害影响程度和防治水工作难易程度对榆神府矿区矿井水文地质条件进行了划分,旨在提高矿井防治水的研究(表1)。6富水性矿井形成说(1)榆神府矿区煤矿开采主要受到