常家梁煤矿含隔水层水文地质条件及矿井充水因素分析

常家梁煤矿含隔水层水文地质条件及矿井充水因素分析

近年来，榆神矿区发生了几起矿山应急事故，给矿工的安全带来了重大威胁，对生态环境产生了难以逆转的影响。防止突然发生洪水，促进蓄水技术的普及，是榆神矿区面临的一项重要任务。常家梁煤矿西部为预留区与红石峡井田、小纪汗井田相邻,东北部与薛庙滩井田相邻,东部与东风煤矿、榆林市榆阳区常兴煤矿、金牛煤矿相邻,井田边界均属人为边界,矿井之间均留设有煤柱,不存在造成含水层之间的水力联系,由于不同含水层间没有大的断层等切割联系,含水层之间尚未发现有明显水力联系。1包括单独水层1.1第四系富水性地下水组区内水文地质特征受区域水文地质条件的控制,显示了与区域水文地质特征的统一性。但由于受地层分布、埋藏及其地貌的影响,又显示了小区域性的差异性。根据区内地下水的赋存条件及水力特征,将区内地下水划分为两种类型四个含水岩层(组)。上更新统冲湖积层孔隙潜水含水层(Q3s):煤矿区连续分布,其上部多被第四系风积沙覆盖,呈片状不连续出露。该含水层地下水赋存条件严格受现代地貌、古地理环境及含水层厚度和岩性的控制。根据区内钻探成果,结合地球物理测井资料,煤矿区沙层厚度4.00~54.20m(图1)。地层主要由松散的中、细沙及粉沙组成,地下水赋存条件较好,含水层主要分布于煤矿区中部。通过本次浅1号钻孔抽水试验,含水层厚度52.34m,水位埋深1.86m,降深3.17m,涌水量为126.23m3/d,单位涌水量0.46088L/s·m,统径统降单位涌水量0.27423L/s·m,渗透系数0.6748m/d,富水性中等。水化学类型以HCO3·SO4-K+Na·Ca型水为主,矿化度663.58mg/L。煤矿范围内从该层出露的泉2的流量为40.92L/s,按富水性划分原则,属强富水区。第四系中更新统离石黄土孔隙裂隙潜水弱含水层。土层全区分布,未见出露,均隐伏于萨拉乌苏组及风积沙地层之下。黄土厚7.05~66.14m,一般为10~30m,总体呈西北部较厚,东南部较薄。含水层岩性主要为粉土质黄土,厚度一般为10~30m。该含水层水位埋深靠近滩地区较浅,一般小于10m,靠近黄土梁岗区较深,一般10~20m。据邻区常兴煤矿北部Y24孔抽水试验,含水层厚度119.24m,水位埋深16.30m,降深46.86m,涌水量51.93m3/d,单位涌水量0.013L/s·m,渗透系数0.013m/d;又据大梁湾井田SZK203水文钻孔抽水试验,水位埋深28.43m,降深20.95m,涌水量39.23m3/d,单位涌水量0.0127L/s·m,渗透系数0.0515m/d,又据民井简易抽水试验,水位埋深8.26~11.02m,降深7.51~10.02m,涌水量29.26~53.14m3/d,单位涌水量0.02513~0.0426L/s·m,渗透系数0.3465m/d,富水性弱。碎屑岩类裂隙水。根据水力特征划分为两个含水岩组,即侏罗系碎屑岩类风化带裂隙承压水及碎屑岩类裂隙承压水。侏罗系碎屑岩类风化带裂隙承压水含水层全区分布,未见出露,含水层为基岩顶部的风化裂隙带,一般厚20m左右,裂隙水具承压性。本次在该层未做抽水试验,据邻区煤矿竖井调查,基岩风化裂隙带内最大涌水量20m3/d,富水性弱。碎屑岩类裂隙承压水含水层以3号煤层为界分上、下两个含水岩组段。3号煤之上碎屑岩类裂隙承压水分布于3号煤层之上,主要为延安组第四岩性段。含水层主要由延安组第四段底部真武洞砂岩等组成。本次在该层段未作专门的抽水试验,据以往邻区钻孔抽水试验,水位埋深0.84~54.26m,含水层厚度24.80~52.95m,当降深26.56~45.36m,涌水量15.90~30.15m3/d,单位涌水量0.004~0.0131L/s·m,渗透系数0.007~0.0248m/d,富水性弱。根据浅1号钻孔3号煤以上整个基岩段抽水试验成果,含水层厚度47.77m,当降深28.04m时,涌水量0.577L/s,单位涌水量0.02058L/s·m,渗透系数0.006059m/d,富水性弱。碎屑岩类孔隙裂隙承压水含水层分布于3号煤层至延安组底界之间层段中。岩性主要为浅灰色粉、细砂岩与深灰色泥岩不等厚互层夹煤层,因埋藏深,岩石较完整,裂隙不发育,含水层较薄。据C3—3号水文钻孔抽水试验资料,含水层厚度79.01m,当降深50.92m时,涌水量0.140L/s,单位涌水量0.00275L/s·m,统径统降单位涌水量0.00056L/s·m,渗透系数0.001641m/d,富水性弱。综上所述,煤矿区内除萨拉乌苏组含水层中等到强外,其余各含水层段均富水性弱。1.2原状饱合黄土主要特征为煤矿区内的隔水层主要为第四系中更新统离石组黄土和延安组各段中的泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及粉砂岩等,有的分布稳定,有的厚度较大,为较好的隔水层,亦为层间裂隙承压水的隔水顶板。离石组黄土隔水层,全区分布,厚度5.60~72.42m,平均厚25.18。根据周边矿井土工试验结果可以看出,黄土物理性质的主要特征为:密度一般为1.674~2.104g/cm3,干密度1.589~1.826g/cm3;孔隙比为0.604~0.815;天然含水量低,6.7~7.7%。原状饱合黄土的压缩系数多为0.007~0.056,属中等压缩性土,抗剪强度较大。原状黄土内摩擦角φ值在28.1~35.5之间,粘聚力c值为3.0~52.0,数值均较大,故在天然状态下具有较高的抗剪强度。区内黄土湿陷性系数在0.001~0.0054之间,故绝大多数黄土为非湿陷性黄土。黄土土质较紧密坚硬,颗粒均匀,承载力较高,稳定性较好。延安组薄粉砂岩、泥岩及互层岩组隔水层,是煤系地层的主要岩组,由粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩、砂质泥岩及薄煤等组成,多出现于煤层直接顶、底板。岩石泥质胶结,粘土矿物和有机质含量较高,水平层理发育,节理裂隙较少。据岩石测试成果饱和抗压强度平均为24.60Mpa,软化系数0.62,属中硬类岩石,RQD平均值69%,本区粉砂岩在垂向上出现频率较高、层厚不等,综合评定该岩组岩石质量中等,岩体中等完整。2矿山充水条件2.1地表径流2号煤大气降水。煤矿区内第四系广布,其上多被现代风积沙覆盖,大气降水均渗入地下,成为松散岩类孔隙潜水。区内多年平均降水量410mm,降水多集中在7-9月份,占全年降水量的65.5%,日最大降水量达141.7mm。大气降水在本区为间接充水水源。地表水。煤矿内地表水系主要为位于北部的二道河,从本煤矿2号煤不可采区穿过,勘探阶段填图时测得流量约为10000m3/d。区内2号煤层埋藏较浅,但其上覆基岩厚度较大,开采后引起的导水裂隙带穿越上覆基岩并穿透土层与地表水直接沟通的可能性不大,故地表水为本煤矿开采过程中矿坑充水的间接水源。地下水。矿坑直接充水水源为各煤层顶板基岩裂隙水,通过抽水试验资料分析,2号煤层之上砂岩含水段较厚,但富水性相对较弱,单位涌水量为0.004~0.02058l/s·m,渗透系数0.006059~0.0248m/d。2号煤层之下岩石完整性较好,裂隙不发育,砂岩含水层厚度薄,含水微弱,渗透系数、涌水量均很小。第四系萨拉乌苏组在煤矿内全区分布,有利于接受大气降水直接补给,虽其富水性较好,但煤矿内最上部主要煤层的导水裂隙带最大高度均小于煤层上覆基岩的厚度,故当煤层采空后,上部的第四系萨拉乌苏组潜水不会进入矿坑,亦即为矿床充水的间接充水水源。2.2矿井涌压发育高度根据区内地质、水文地质条件简单,构造简单及本区煤层顶板为中硬岩层等地质特征,其形成的冒落带、导水裂隙带高度计算分别采用《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB12719-19)及国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的中硬类岩石的冒落带及导水裂隙带最大高度的经验公式计算煤矿内主要可采煤层3号、9号各煤层冒落带高度及导水裂隙带最大高度计算结果见表1。在煤矿范围内3号煤的导水裂隙带发育高度只在浅1号孔附近稍大于3号煤上覆基岩厚度,也就是说在浅1号附近采煤时导水裂隙带高度会穿透基岩段而进入土层,破坏土原有的性状,有可能使上部松散含水层水沿导水裂隙进入矿坑,使矿井涌水量增大,可能会影响正常生产,需慎重处理。在开采9号煤时,由于其上覆基岩厚度或与3号煤间距均远大于其开采时形成的导水裂隙带高度,因此在煤矿整个范围内开采9号煤时,第四系松散层潜水及地表水均为矿井的间接充水含水层,对矿井安全生产不会造成影响。区内矿坑充水强度主要取决于直接充水水源的富水程度及冒裂带发育程度两个因素,并受隔水层明显影响。煤矿内各主采煤层的直接充水含水层为煤层顶板的砂岩含水层,其结构致密,裂隙不发育,富水性弱,矿坑涌水以顶板滴水或淋水为主,对矿井安全生产无大的影响。前已述及,煤矿在开采3号煤层时,只在浅1、浅4号孔周围小范围内形成导水裂隙带沟通土层现象,在此范围内采煤,矿井涌水量有可能增大,应提前预防。本煤矿东邻的常兴煤矿、金牛煤矿及东风煤矿均开采3号煤层,自建矿以来,均未发生过突水事故。2.3两组井筒法和廊道法的对比根据《常家梁煤矿勘探地质报告》中对3号煤层的矿坑涌水量的预算结果,则按富水系数法公式计算常家梁煤矿日最大涌水量为2635m3/d,与大井法和廊道法计算的平均值接近。常家粱煤矿主井、副井、风井的风化基岩段均采用冷冻法施工,施工至稳定基岩段后对三个井筒掘进面进行了止水墙封闭。在经过长时间冷冻施工层位解冻后,进行了探放水。目前主井止水墙已经打开,主井涌水量28.9m3/h,其它两个井筒止水墙还没有完全打开,涌水量根据探放水钻孔涌水量比较推测得出风井涌水量43.62m3/h,副井涌水量14.5m3/h。3矿井充水水源(1)常家梁煤矿含水层主要有萨拉乌苏组含水层、延安组砂岩裂隙承压水含水层,矿坑直接充水水源为各煤层顶板基岩裂隙水含