山西省霍州矿区水文地质条件及矿井充水条件分析

  1 矿区概况

 

  霍州矿区地处山西省霍西煤田中部, 临汾盆地的最北端。东起霍山西侧, 西至吕梁山东麓, 南至洪洞县, 北接汾西矿区。矿区地处霍山、吕梁山两个隆起带间, 以低山和黄土丘陵地貌特征为主, 地形南低北高, 海拔500～1 300m, 区内汾河由北而南流经矿区。矿区面积1 565km2。霍州矿区现有七对矿井分布在汾河两岸, 汾河以东有曹村、辛置、李雅庄矿井, 汾河以西有白龙、团柏、迥坡底和干河矿井。

 

  2 地质概况

 

  2.1 地层

 

  霍州矿区主要地层为太古界、元古界长城系、古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、第三系、第四系, 区内部分地区为新生界地层覆盖, 仅在汾河河谷有少量奥陶系出露, 局部二叠系下统下石盒子组和山西组出露。

 

  本区含煤地层为石炭系中统本溪组和太原组,二叠系下统山西组, 含煤层共15 层, 平均总厚度14.56m。主要可采煤层有1#、2#、10#(9#、10# 合并开采)和11# 煤层。

 

  2.2 构造

 

  霍州矿区处于祈吕贺兰山字型构造东翼外缘及新华夏系构造复合部位, 以断裂构造为主, 伴有开阔褶曲, 为一个轴向NNE 的开阔向斜, 向斜以西和以东分别为吕梁山和霍山复式背斜, 背斜轴向均为NNE 向。即霍西复向斜。

 

  罗云山断层和霍山断层分别构成了霍西煤田霍州矿区的西部和东部边界。边界之内发育了一系列规模较小的正断层, 构成了山西地堑临汾盆地内, 阶梯状断陷及地堑地垒相间和复杂构造格局。

 

  一系列正断层主要有:下团柏断层、上团柏断层, 赤峪断层、什林断层、张端断层和万安断层。此外, 中小断层极为发育。

 

  3 区域水文地质条件

 

  3.1 泉域系统

 

  霍州矿区岩溶地下水属郭庄泉岩溶水系统。该系统总面积5 128km2, 其中裸露区面积1 510km2。东部边界灵石以南由近南北向展布的霍山断裂构成,灵石以北由汾介断裂构成, 为阻水边界; 西部边界大体平行于紫荆山断裂带, 以紫荆山断层及出露地表的寒武系徐庄组以老地层为阻水边界; 北边界以文水县康家堡及以西寒武系徐庄组以老地层出露地表为界, 构成阻水边界; 西南段以山头地垒、青山峁背斜为界, 构成与南部龙子祠泉岩溶水系统的分界; 东南段以万安断层为界形成局部透水边界。郭庄泉排泄区位于霍州市南7km 处的郭庄附近, 郭庄泉在0.5km2 范围内有泉眼60 个, 该泉受下团柏断层阻隔形成的上升泉。

 

  3.2 地下水补径排条件

 

  霍州矿区在区域上处于由汾河断陷盆地及周围的吕梁山、霍山山区组成的完整的水文地质单元内。补给区为吕梁山裸露区以东奥陶系灰岩广泛发育的地带, 在汾河河谷奥陶系石灰岩出露地段, 河床基本由奥陶系灰岩组成, 第四系砂砾石孔隙含水层和奥灰含水层相互贯通, 汾河高水位期地表水大量渗漏补给奥陶系灰岩。因此,本区地下水补给来源以大气降雨渗入补给为主, 地表水渗漏补给为辅。

 

  地下水径流方向受地层坡度和岩层倾向影响,从N、NW、W三面向郭庄泉排泄, 泉水流量大而稳定, 高达7m3/s, 静止水位标高520～545m, 水力坡度平缓为1.7‰, 地下水径流通畅。根据霍州矿区水文地质资料分析, 具有距离泉口越近其单位涌水量越大, 水文地质条件越复杂的特点。

 

  3.3 含水岩组

 

  霍州矿区区域含水层分为四大含水岩组。

 

  ①松散岩类孔隙含水岩组。第四系和第三系松散岩类含水岩组。

 

  ②碎屑岩类裂隙含水岩组。碎屑岩类含水岩组和碎屑岩夹碳酸盐岩类含水岩组。

 

  ③碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组。奥陶系含水岩组: 以峰峰组二段、上马家沟组二段及下马家沟组二段为主要含水层。寒武系含水岩组: 以中寒武系张夏组为主要含水层。

 

  ④变质岩类裂隙含水岩组。以变质岩及侵入岩为主, 富水性弱。

 

  4 霍州矿区水害现状及矿井充水类型划分

 

  4.1 矿区矿井水害现状

 

  霍州矿区受多次构造运动影响, 构造十分发育,断裂构造平均91 条/km2, 陷落柱平均60 个/km2。矿区位于郭庄泉域的径流带和排泄区, 地下水丰富( 郭庄泉自然流量4~6m3/s) , 水文地质条件复杂。受地下水与构造两种地质因素的共同影响, 矿井水害威胁十分严重。

 

  随着开采水平的不断延伸和开采深度的不断加大, 矿井受水害威胁程度也越来越大, 防治水工作愈显突出。目前有7 对矿井带压开采, 所采煤层处于K2、O2 灰岩承压水静水位以下, 最大水头压力6.1MPa。7 个带压生产矿井地质储量141 641.3 万t,带压开采地质储量达100 844万t, 占总储量的71.2%。下组煤直接顶板为K2 灰岩含水层,正常涌水量700～900m3/h。巨厚奥灰岩溶含水层距主采煤层11# 煤底板平均25m ( 最小仅16m) , 存在突水可能。水害已成为威胁矿井安全生产的一个主要因素。

 

  霍州矿区水文地质条件复杂, 水害类型多样。既有底板灰岩水害, 又有顶板砂岩水害, 还存在老空水害。在历史上霍州矿区各矿曾发生大小水害事故多起。如团柏矿在443 水平掘进轨道巷和皮带巷时发生突水, 三个突水点水量共800m3/h, 后逐渐增大到1 100m3/h, 突水点随巷道掘进移动,突水点水源来自奥陶系灰岩岩溶水。又如曹村矿发生过三次较严重的突水事故, 其中两次为老窑水, 一次为奥灰水突水。近期2007 年4 月白龙矿在巷道开拓时遇陷落柱发生突水, 水量由揭露初期100m3/h增至400m3/h, 造成工作面淹没被迫停产。霍州矿区其他各矿也发生过程度不等的水害事故。

 

  目前随着各矿区浅部上组煤开采相继结束, 埋藏深的上组煤曹村扩区2# 煤将接续开采, 各矿逐渐进入以开采下组煤为主的生产时期, 大部分下组煤底板标高位于下伏奥灰水位以下, 为带压开采( 表1) 。如近期发生突水的白龙矿, 目前地质储量23 901万t, 受水威胁的储量18 430.7 万t, 占总储量的77%, 奥灰含水层补给面积大, 为强富水含水层, 对煤层开采将产生较大影响。白龙矿地处地下水排泄区和径流区, 地下水活动强烈, 南北向的径流带从矿区东北部穿过, 矿区直接接受地下水的侧向补给,1#、2# 煤和大部分下组煤位于太原组K2 灰岩和奥灰含水层水位以下, 白龙矿构造断裂异常发育, 断层密度达80 条/km2, 陷落柱密度90 个/km2, 局部密度达120 个/km2, 个别断层和陷落柱存在导水现象, 使得白龙矿水文地质条件愈加复杂, 矿井的防治水工作难度更大。辛置矿东四采区540 水平开采下组煤, 最大带压值1.35MPa, 突水系数达1.35MPa/m。曹村矿250 水平以上下组11# 煤的开采, 煤层底板最大带压2.65MPa, 突水系数将高达0.265MPa, 同样面临奥灰高水压下安全带压开采的问题。

 

  4.2 矿井充水类型划分

 

  霍州矿区属于华北型煤田, 上组煤受石盒子组砂岩和第四系砂砾石含水层影响, 下组煤同时受太原组灰岩和奥陶系灰岩水威胁。由于受历次构造运动叠加的影响, 各矿的水文地质条件有较大差异。按矿井的充水水源和充水方式可划分为: 顶板透水、底板突水、老窑溃水和断层突水四种类型。

 

  ①顶板透水。上组煤顶板距老顶石盒子组砂岩裂隙含水层仅4～5m, 下组煤的直接顶板为太原组K2 灰岩含水层, 采动影响下形成的冒落裂隙移动带“三带高度”沟通含水层引发突水。如曹村矿10# 煤工作面揭露的突水点90%以上为K2 灰岩裂隙水, 上组煤出水点几乎全部为K8 砂岩水。在煤层浅埋地带2# 煤与第三系风化带和第四系孔隙水直接与煤层顶板接触, 含水层水直接补给矿井。

 

  ②底板突水。霍州矿区上组煤至太灰岩厚度70m, 下组煤距奥灰岩小于30m, 底板水压大于安全值的情况在辛置、曹村、白龙、团柏、迥坡底、李雅庄、干河各矿普遍存在, 各矿不同程度的存在底板突水危险。

 

  ③老窑溃水。由于小煤窑乱采滥伐破坏防水煤柱或采掘中意外触及小煤窑采空区废弃的老空积水区引发突水事故, 如曹村, 辛置矿老空突水占全部突水事故的一半以上。曹村矿两次由于揭露了小煤窑的老空区引起突水事故。1966 年突水水量达14594.6m3/h, 给矿井造成极大损失。白龙矿周边小煤窑及废弃老窑多达115 个, 也曾发生过小煤窑溃水事故。

 

  ④断层突水。断层构造发育是本区的主要特点,由于断层错动, 使煤层和含水层对接或距离缩短, 或断层本身具导水性, 造成突水事故。白龙矿因揭露断层共造成突水四次, 对于构造异常发育的霍州矿区各矿应对断层突水危险性极大。

 

  5 矿井充水条件分析

 

  5.1 充水水源

 

  霍州矿区矿井充水水源主要有: 奥陶系灰岩岩溶水(O2) ; 太原组灰岩裂隙水(K2) , 上石盒子组砂岩裂隙水(K3、K4、K8) , 第四系砂砾岩孔隙水(Q) 和老窑水。

 

  据调查统计各矿的突水水源较多, 其中太原组灰岩K2、砂岩K4 在汾河以西的白龙矿、团柏矿、迥坡底矿和干河矿富水性较好, 为中等—丰富含水层,特别是白龙矿K4、K3、K2 灰岩受井田内断层影响与奥灰岩接触, K2 灰岩裂隙溶洞发育, 钻孔单孔涌水量达40m3/h, 太灰水K2 对下组煤开采造成较大影响。处在汾河以东的曹村、辛置、李雅庄K2 灰岩富水性较弱, 一般为弱含水层, 井下K2 出水量一般也为3～30m3/h。

 

  5.2 充水通道

 

  充水通道包括陷落柱导水, 断层和裂隙带导水,封闭不良的钻孔导水、含水层直接与煤层接触导水等。

 

  5.2.1 陷落柱导水

 

  本区陷落柱异常发育, 据统计白龙矿已揭露陷落柱高达532 个; 团柏矿揭露陷落柱29.6 个/km2; 迥坡底矿平均16 个/km2; 李雅庄矿平均90 个/km2, 其中N0183# 陷落柱造成工作面突水, 初始水量25m3/h, 后水量稳定在50m3/h; 曹村井田揭露陷落柱60个, 平均密度20 个/km2, 其中11 个导水, 占18%, 上组煤揭露34 个有6 个导水, 占17.6%, 9、10 号煤揭露26 个, 有5 个导水, 占19.2%, 500m 奥陶系石灰岩大巷揭露6 个有3 个导水, 占50%。

 

  目前尽管浅部揭露的陷落柱绝大多数不导水,但当深部水压增大, 仍存在导水的可能性, 一旦沟通奥灰含水层, 陷落柱就成为重要通道, 因此应特别重视发育在构造带、褶皱轴部, 断裂带的规模较大, 发育较深的陷落柱。

 

  5.2.2 断层和裂隙带导水

 

  断裂构造极为发育是本区另一共同特点。霍州矿区构造十分发育, 断裂构造平均91 条/km2, 在区域性构造断裂控制下, 各矿发育的断层均以NE—NNE 向正断层为主。白龙矿井田范围内落差大于5m 的断层45 条; 团柏矿断层密度达130 条/km2; 迥坡底矿发育断层23 条, 李雅庄矿落差大于5m 的断层64 条, 可见各矿断裂构造异常发育, 且部分具有导水性, 如白龙矿曾发生规模较大的断层突水4 次,构造裂隙带突水10 次。自1985 年至2006 年突水点统计情况可以看出, 由断层及裂隙带破碎带导致的突水占绝大多数, 而且在下组煤开采中突水点个数明显比上组煤开采时多。

 

  根据区内地质条件, 当断层落差大于58m 时,K3、K4、K2 灰岩就会与O2 灰岩对接, 产生水力联系,落差大于25m 的断层都会造成K2 和O2, K4～K2 直接接触, 发生水力联系。同时水平底板带压高, 隔水层厚度薄, 突水系数超过安全带压开采下限, 存在突水的危险性。断裂破碎带是下伏含水层最主要的导水通道, 是引发突水的重要条件。

 

  5.2.3 封闭不良的钻孔导水

 

  历史上封闭不良的废弃钻孔往往成为下伏含水层的导水通道, 白龙矿是不良导水钻孔最多的矿区,370 水平周边23 个钻孔终孔后全部未进行封孔检查, 经检查其中有4 个钻孔未封孔, 5 个钻孔封孔质量不合格, 23 个钻孔中有16 个揭露奥灰含水层, 这些封孔不良的钻孔是奥灰承压水与上覆岩层沟通的通道。历史上曾因833, 819 两个钻孔导水, 造成2-401 和2- 402 工作面发生突水, 最大水量85m3/min。

 

  5.2.4 含水层直接与煤层接触导水

 

  构造运动造成含水层和煤层直接接触导水。曹村扩区南部煤层浅埋地带2# 煤顶板直接与K8 或第三系、第四系裂隙孔隙含水层接触造成2# 煤发生顶板水害可能性加大。白龙矿在煤层浅埋地带曾发生过2# 煤顶板冒落裂隙带沟通第四系含水层水引发突水。

 

  6 结语

 

  霍州矿区由于处于郭庄岩溶水系统的径流带和排泄区, 地下水水量大, 矿区水文地质条件复杂, 加之构造十分发育, 多数矿井带压开采, 水害类型复杂多样。随着开拓范围的不断扩大, 开采深度向下延深, 所属各矿的水文地质条件日益复杂, 多种水害类型逐渐显现。为了确保矿井安全, 提高企业的经济效益, 促进煤炭生产的持续发展, 必须从根本上消除和治理威胁安全生产的各类隐患, 逐步实施煤矿水害的防治措施, 防治水工作愈显突出, 急需开展矿井防治水工作, 并且加强矿区水文地质条件和防治水分析研究, 以保证矿井生产的持续发展。