錦界煤礦位于禿尾河流域東部, 礦井生產揭露表明地下水比較豐富。目前礦井已開采完4個工作面, 礦井涌水量已超過2500m3 /h, 遠大于勘探報告預計的涌水量(原勘探報告預計的正常涌水量711.6m3 /h, 最大涌水量時868.8m3 /h)。隨著礦井開采面積的增大, 礦井涌水量呈繼續增加的趨勢。預計礦井涌水量與實際涌水量的嚴重不符,說明對礦井水文地質條件的認識與實際情況有較大偏差。

 

  因此, 需要重新分析礦井水文地質條件, 確定礦井的主要充水水源、充水通道和充水特征, 制定切實可行水文地質條件探查思路和礦井的防治水方案, 以保證錦界煤礦的安全生產。

 

  1 礦井水文地質條件分析

 

  1.1 礦井主要充水水源

 

  根據礦井水文地質條件、煤層覆巖結構類型及礦井實際涌水情況分析, 錦界井田地表水的主要充水水源為青草界溝(長年流水), 地下水主要充水水源是第四系松散巖類潛水和頂板砂巖裂隙水, 頂板砂巖裂隙水主要是直羅組風化巖孔隙裂隙承壓水, 從礦井開采過程中實際揭露的含水層來看, 直羅組風化巖水遠比第四系沙層水涌水量要大得多, 這與其它相鄰礦區以第四系沙層水為主的賦水特征迥然不同 。

 

  1.2 充水通道

 

  1.2.1 導水裂隙帶

 

  1)導水裂隙發育高度。錦界井田范圍內巖樣飽和極限抗壓強度平均值略大于40MPa, 故采用《三下》規程[ 3] 中的中硬巖類冒落帶、導水裂隙帶及保護層厚度計算公式進行計算, 得出的冒落帶高度為11.83m, 導水裂隙帶高度為42.94m, 保護層厚度為20.04m。

 

  據此分析, 本區3 -1 煤層開采后冒落帶高度(含保護層)為31.87m, 導水裂隙帶高度(含保護層)62.98m, 3-1煤層上覆基巖厚度在青草界溝及兩側和隱伏溝地段小于導水裂隙帶發育高度(圖1)。冒裂裂隙可直接溝通風化基巖含水層, 成為全區的主要充水通道。局部導水裂隙可溝通松散沙層潛水, 特別是青草界溝谷地帶冒落帶及土層缺失的“天窗” 地段, 可直接溝通松散沙層含水層而造成突水潰砂。

 

  2)導水裂隙發育特征。由上述計算結果和神北礦區大柳塔礦井實際觀測資料說明, 近水平煤層, 上覆基巖厚度在30 ～ 50m, 受上部松散層的壓應力作用, 采空區冒裂特征不完全以“三帶” 發育規律呈現, 可能發生切冒和抽冒現象。

 

  從3-1煤層上覆基巖等厚線圖上可看出, J705 孔區基巖厚度僅5.6m左右, 冒落帶完全貫通基巖。在J605、J505、J706、J403孔區基巖厚度均小于40m, 這些基巖薄弱區是地質直羅期發育的古沖溝, 發育長度700 ～ 3000m, 寬度200 ～ 500m, 此區是導水裂隙帶強烈貫通基巖區, 是地下水嚴重影響礦井開采的地段, 在導水裂隙帶溝通第四系沙層中等富水區的地段, 應提前采取頂板水預疏放措施;在可能溝通青草界溝地表水體地段, 應在地面采取溝底覆膜或敷設導水管的方法, 避免突水潰砂事故的發生。

 

  在實際開采過程中, 根據工作面涌水量和地表塌陷情況判斷, 導水裂隙帶已經直接波及至地表, 其發育高度遠大于理論計算值。另據類似水文地質條件非常相似的補連塔煤礦3140 工作面導水裂隙帶實測結果, 其導采比為31.93 ～ 34.98[ 4] 。因此, 錦界煤礦在該種水文地質條件下開采, 導水裂隙帶是礦井的主要導水通道。

 

  1.2.2 斷層、構造等地質異常體

 

  錦界煤礦位于鄂爾多斯臺向斜東翼——— 陜北斜坡上,基本構造形態為一緩緩向北西傾斜的單斜構造。地層產狀平緩, 總體傾角小于10°左右, 區內未發現褶皺, 亦無巖漿活動, 目前近發現小型寬緩的波狀起伏和三條高角度正斷層。根據類似礦區開采經驗, 采動裂隙將貫通上覆各含水層, 而斷裂帶附近可能發育基巖相對富水地段。

 

  1.3 礦井充水特征

 

  錦界井田內第四系松散層潛水含水層富水性不均, 黃土隔水層厚度變化較大, 并存在透水“天窗”, 煤層頂板基巖厚度變化也較大, 因此不同地段礦井充水強度也存在較大差異。有利于礦坑充水的各種因素集中發育區, 即基巖薄, 土層厚度薄, 潛水富水性好, 大氣降水易于匯聚地帶, 如青草界溝谷及北側土層古沖溝發育區, 礦井涌水量較大并可能伴有潰砂現象, 尤其是冒落帶溝通潛水地段, 充水量一般是由大逐漸變小, 其歷時受充水水源的儲水量大小控制。

 

  在井田內基巖厚度較大、土層缺失、潛水富水性不確定地段, 礦井涌水量變化較大。本區直羅組含水層富水性中等區主要位于一盤區, 北部富水性弱, 南部漏水孔分布地段直羅組含水層會造成局部礦井涌水量顯著增大。

 

  當松散層潛水和風化層承壓水富水性一定時, 冒裂通道導通程度則決定充水強度的大小。裂隙密集暢通, 充水強度相對就大, 反之則小。初次冒裂范圍大, 充水強度則大。由于本區充水層包括沖、湖積層潛水, 所以, 當冒落裂隙發育較窄小時, 初始涌水攜帶少量泥砂, 經過一段時期裂縫變大時, 則攜帶的泥砂量也較大, 甚至對生產造成威脅。

 

  2 礦井水文地質條件探查技術

 

  2.1 水文地質條件補勘內容

 

  鑒于井田面積大, 大范圍物探工作投入過大, 而到目前為止, 對于大面積范圍內古河道和古沖溝的探查尚無有效手段, 在本次水文地質補充勘探的方式上, 提出首先以GIS平臺下的遙感水文地質調查為區域和井田普查手段, 圈定可疑富水區域和古河道, 然后以地面電法為重點驗證手段, 在重點地段和可疑區域進行探查和驗證, 最后用水文地質鉆探驗證并獲取可疑地段的水文地質資料。應用本方案可以加快井田水文地質補勘的進度, 減少物探和鉆探工程量, 從而降低補勘的成本。

 

  2.2 水文地質條件探查方法

 

  針對錦界煤礦的水文地質特征及現有技術手段, 以6種方法綜合探查井田水文地質條件, 為防治水方案制定和礦井涌水量預測提供依據。這6種探查方法是:GIS平臺下的遙感探查、水文地質鉆探、水文地質物探、水文地質試驗、水文地球化學研究、水文地質觀測網建立和水文地質調查等。

 

  2.3 各探查方法的目的和任務

 

  2.3.1 GIS平臺下的遙感探查

 

  遙感探查目的和任務主要是為了查明區域完整的水文地質單元, 以區域地下水的補、逕、排條件為重點, 圈定區域水文地質測繪面積;通過水文地質遙感調查, 查明礦床疏干可能影響的范圍及補給邊界, 以及礦床充水因素和礦區水文地質邊界條件。

 

  2.3.2 水文地質鉆探

 

  水文地質鉆探是指勘探孔、抽水試驗孔、水位觀測孔的施工, 它是取得直觀水文地質資料的重要手段。其目的是通過詳細鉆孔編錄和描述, 確定含水層水位、沙層厚度、潛水含水層厚度、直羅組風化基巖厚度、正常基巖頂界面、基巖厚度、含水層和隔水層巖性、厚度、裂隙發育程度及其富水性等資料。通過鉆探探查第四系含水層和侏羅系直羅組含水層的厚度、空間展布、富水性, 補給、徑流和排泄條件, 為礦井涌水量評價和實施疏降水開采的可行性論證提供基礎資料;同時探查第四系與基巖風化帶之間的紅土隔水層的厚度、分布及其穩定性、阻水能力, 為充分利用隔水層防治第四系松散層潛水和地表水體提供基礎資料;此外, 還可以驗證遙感和物探圈定的富水異常區域。

 

  2.3.3 水文地質物探

 

  目前錦界煤礦主要受第四系潛水和基巖風化帶承壓水等的威脅, 在開采之前或開采初期必須查明開采區域內第四系潛水含水層、基巖風化帶含水層的富水性及主要富水區域。針對錦界井田的地質和水文地質條件, 并根據各種物探方法在水文地質勘探中的應用效果, 采用分辨率較高的高密度電阻率勘探方法, 探測和確定主要富水區的分布范圍。物探工作的主要地質任務是:查明富水范圍、含水層厚度、富水性、松散層厚度及基巖頂面的起伏形態, 控制其分布范圍。

 

  2.3.4 直羅組含水層放水試驗

 

  根據對礦井水文地質條件和礦井主要充水水源分析,侏羅系直羅組砂巖含水層是目前礦井主要充水水源, 其次是第四系松散層含水層。因此, 確定放水試驗的放水層為直羅組砂巖含水層, 觀測直羅組砂巖含水層和第四系松散層含水層的水位。放水試驗的目的是建立水文地質數值模型, 通過參數反演, 獲取不同地段的水文地質參數, 包括滲透系數、給水度等;通過正演計算, 預計礦井涌水量,進行預疏放孔優化布置等工作。通過放水試驗, 可以對直羅組砂巖含水層的補給量有明確的認識, 圈定試驗影響范圍內第四系潛水對直羅組砂巖承壓水的補給位置。通過水文地質試驗, 確定含水層的水文地質參數、評價含水層的富水性、了解不同含水層間的水力聯系等, 評價礦井涌水量, 包括不同盤區和工作面涌水量。

 

  2.3.5 水文地球化學研究

 

  水文地球化學研究主要包括水化學成份的分析和研究、同位素組成分析研究和示蹤試驗研究三部分。在煤礦區進行這些研究的主要目的和任務是:

 

  1)進一步查明地下水的補給、徑流和排泄條件。地下水本質上是一種溶液, 這種溶液的特征很大程度上反映了地下水的環境狀況或其他水文地質條件。

 

  2)判別礦井突水水源, 為制定礦井防治水措施提供依據。尋找能代表每個含水層地下水特征的特征組份是進行突水水源判別的關鍵。

 

  3)查明第四系含水層和直羅組含水層之間的水力聯系, 以及地表水與含水層之間的水力聯系。

 

  2.3.6 地下水長期觀測網

 

  通過施工的水文地質孔, 建立井田地下水長期觀測系統, 采集動態資料, 掌握地下水動態變化規律以及礦井開采活動對地下水系統的影響規律, 為礦井防治水方法研究提供資料和依據。建立觀測網的目的是:

 

  1)了解不同含水層或同一含水層不同區段的水位變化情況, 確定井田范圍內地下水流場。

 

  2)通過豐水期、枯水期地下水位的動態觀測, 分析影響礦區地下水位變化的主要因素, 判斷地下水位動態變化與降水、礦井疏排水、地表水體之間的關系。

 

  3)當需要進行抽(放)水試驗時, 可有效地控制激發流場的分布情況, 從而為井田或采區地下水徑流特征分析提供依據。

 

  4)當井下發生突水時, 通過加密觀測各含水層地下水位, 有助于確定突水水源和途徑, 以便及時采取措施。

 

  3 結 論

 

  1)錦界煤礦地表水主要充水水源是青草界溝和河則溝,地下水主要充水水源是第四系沙層孔隙水和直羅組風化巖裂隙水, 其中風化巖裂隙水遠比沙層水含水豐富, 是礦井水害的主要來源;礦井的主要充水通道是煤層開采形成的導水裂隙帶, 其次為原生結構面裂隙, 局部為斷層裂隙。

 

  2)提出了采用GIS平臺下的遙感探查、水文地質鉆探、水文地質物探、水文地質試驗、水文地球化學研究和水文地質觀測網建立等6 種方法聯合探查錦界井田水文地質條件, 并明確了各種探查方法的目的和任務。