煤田岩溶水文地质特征及水害防治技术范文

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摘要：岩溶水水害是影响准格尔煤田安全开采的关键因素之一，为了掌握岩溶发育特征、水化学特征、渗流场特征及突水危险性，通过钻探、水文勘查及水化学试验等区域资料对其进行了深入研究。研究结果表明：岩溶裂隙、溶孔和溶洞是主要储水空间和地下水径流通道，陷落柱、断层是该区域重要的垂向导水通道；沿径流途径岩溶水质类型呈HCO3•Cl-Na→HCO3•Cl-Na•Ca（Ca•Mg）→Cl-Na的演化顺序，反应了在东部边界黄河水补给地下水，岩溶地下水总体向西运移，在煤田西部形成滞流区；煤田中东部6号、9号煤均处于非带压开采状态，中西部处于带压开采状态，滞流区边界附近突水系数较大。在岩溶含水层水文地质特征研究基础上，提出了探测、预测及监测和治理与特殊开采等水害综合防治技术体系。

关键词：准格尔煤田；岩溶水；水化学特征；突水系数；水害防治；水文地质特征

华北石炭二叠纪煤系基底岩层在大部分地区是奥陶系与寒武系碳酸盐岩，是区域性富水最强的含水层，其中以奥陶系灰岩含水层最为典型，该含水层往往处于高压状态，常通过断层或陷落柱等导水构造涌入矿井，造成突水事故的发生[1-3]。准格尔煤田位于华北地台西北部，地处鄂尔多斯市准格尔旗东部黄河西岸，为一近南北向的石炭二叠纪煤田，西部与东胜侏罗纪煤田相邻，探明储量380亿t。准格尔煤田大规模的开发建设始于20世纪90年代，目前正在开采和建设的大型矿井有不连沟煤矿、唐家会煤矿、玻璃沟煤矿、龙王沟煤矿、大饭铺煤矿、酸刺沟煤矿、黄玉川煤矿和串草圪旦煤矿等。随着煤矿大规模的建设和发展，其水文地质条件变得越发复杂，尤其是煤层底板岩溶水害已成为制约该地区煤矿安全生产的重大隐患。2014年5月14日，唐家会煤矿风井副井联络巷断层突水，最大突水量达到500m3/h，突水水源为奥灰水，突水通道为断层。黄玉川煤矿216上01工作面回撤通道掘进前方进行超前探测，稳定水量为136m3/h，突水水源为底板奥灰水，突水通道为陷落柱。过去研究认为，西北地区气候干燥、降水量小，矿区地下水补给和水交替能力差，矿井涌水量小，而事故使人们对西部石炭二叠纪煤层水文地质条件有了新的认识，西北旱区也有地下暗河[4]。准格尔煤田位于鄂尔多斯盆地东缘，主要开采石炭二叠系煤层，底板受灰岩水害威胁严重。因此，通过对准格尔煤田煤炭资源赋存特征、岩溶发育特征、岩溶水化学特征及突水危险性进行研究，对该区域煤矿安全开采具有重要意义。

1准格尔煤田岩溶水文地质特征研究

1.1岩溶发育特征

准格尔煤田岩溶水属于天桥泉域岩溶水系统组成的一部分，位于天桥泉域的西北部，是一个相对独立的子系统。岩溶水北部边界是寒武系碳酸盐岩尖灭处；东部以黄河为界，为黄河渗漏与黄河以东岩溶水的侧向径流补给边界；西部为奥灰岩顶面埋深800m的滞水边界；南部为榆树湾泉群和侧向径流排泄边界。根据岩性特征和岩溶发育的差异，自上而下划分为3个含水岩段，即马家沟含水层组（O2m）、I含水岩组（O1+缀33f）以及II含水岩组（缀3g+缀2z）。3个含水岩层之间的隔水层厚度不大，加上断裂构造的沟通，各含水层之间水力联系密切，水位动态反映同步，具有统一的地下水面，将其统称为寒武、奥陶系岩溶裂隙含水岩组（缀+O）[5-6]。据钻孔岩芯观测，岩溶发育形态为溶蚀裂隙、溶孔和孔洞。溶蚀裂隙宽度一般小于1.0cm，马家沟组灰岩段裂隙相对较为发育，岩溶连通性总体较好，据统计准格尔煤田强径流带标高+700~+900m范围的平均岩溶裂隙率达到10.79%，是煤田内主要储水空间和地下水径流通道[5]。溶孔多呈零星状、蜂窝状分布，直径一般小于2.0cm，马家沟组灰岩段溶孔相对较为发育，亮甲山组和冶里组局部偶见溶隙、溶孔。溶洞主要见于白云质灰岩、灰质白云岩中，高程+760~+920m的强岩溶径流带所见溶洞数占溶洞统计总数的73.69％[5-6]。不连沟钻孔一水文钻孔在灰岩钻进至100.30~101.30m段出现掉钻现象，掉钻1.0m，水量由18m3/h增大至41m3/h，表明该区域发育连通性较好的溶洞；黄玉川煤矿一水文钻孔钻进奥灰7.0m后有掉钻1.8m，具有岩溶陷落柱的特征[7]。不连沟煤矿、黄玉川煤矿、酸刺沟煤矿和罐子沟煤矿在掘进过程中均揭露了陷落柱。通过对河流侵蚀基准面以上的岩溶溶洞调查表明，古溶洞多呈透镜状椭圆形，溶洞高1~2m，个别达到4~6m，洞长延伸很远，均沿岩溶裂隙走向延伸[7-8]。准格尔煤田溶洞较为发育，是该区域重要的垂向导水通道。

1.2岩溶水化学特征

通过煤田中北部、中西部和西部边界15个钻孔获取的岩溶水样品，经水化学分析得到岩溶水主要化学特征值。1）区域地层岩性主要是由含碳酸盐、硫酸盐岩类为主构成，地下岩溶水的水化学场的演变是以地层的岩性特征为基础，并通过溶滤作用体现，此泉域的溶滤作用主要包含碳酸盐岩溶滤及硫酸盐溶滤2部分。2）土壤中的钠盐由于降水淋滤作用而带入地下水和黄河（化学反应式①），黄河水对西岸地下岩溶水进行大量补给，增加了岩溶水中Na+（K＋）、Cl-等离子的成分[9]。同时供给充足的CO2气体开始与碳酸盐岩（灰岩及白云岩）及硫酸盐岩（石膏）发生溶滤作用（化学反应式②~式④）。此时，补给区域的岩溶水Na+（K+）、Cl-离子含量会显著增加，Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-离子含量也会随着溶滤作用反应不断增多，此时的水化学类型本以HCO3•Cl-Na型水为主。3）水文地质单元径流路径中，岩溶径流区地下水水化学场演化是整个径流途径中重要阶段，此区域中径流条件较好，岩溶水中水化学特征值及矿化度具有持续明显的变化。此阶段中Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-及Cl-等主要离子含量比重随径流路径不断增加，水质矿化度也随之不断增加，表1中（煤田中北部及煤田中西部）水样水化学特征的变化表明此时的岩溶水水化学类型由HCO3•Cl-Na型逐渐转变为HCO3•Cl-Na•Ca（Ca•Mg）型水。4）随着岩溶地下水循环逐步加深（井田东部、中部到井田西部岩溶水埋深逐步增加，水位降低），径流条件逐渐弱化，岩溶水由井田东部、中部径流状态过渡到井田西部滞流状态，此区域环境较封闭，水文地球化学环境处于还原环境，地下岩溶水在该区内排泄不畅，CO2溶解能力降低，含量耗尽，碳酸盐岩（灰岩及白云岩）及硫酸盐岩（石膏）等的溶滤作用反应也达到一个饱和平衡状态。同时，地下水环境的改变使原本溶解度较小的盐类在水中因相继达到饱和而发生逆反应沉淀析出，即出现脱碳酸盐的沉淀作用（见化学方程式⑤~式⑦），此时Ca2+、Mg2+、HCO3-离子比重开始呈现下降趋势，但矿化度依然不断增加。

1.3岩溶地下水补给和径流及排泄特征

寒武奥陶碳酸岩地层整体倾向南西，在黄河河床处大面积出露，接受大气降水的补给，同时接受黄河水侧向渗漏补给。万家寨水库修建前黄河水位为+905m，蓄水后正常水位达到+976m，与煤田岩溶水位形成了巨大的高差[12]。因此，由于水库的修建导致径流区水力坡度变大，渗流速度增大，黄河水对西岸岩溶水的侧向补给进一步增大，造成近岸岩溶地下水位升高15～61m不等，促进了岩溶水的赋存补给和径流[13]。2010年在榆树湾—龙口附近修建了龙口水库，水库大坝坝顶高程+900m，水库正常蓄水位+898m，增加了对岸边地下水的补给，煤田东南部串草圪旦煤矿地下水位上升达到+891.41m，水位变幅和时间基本上与库水位同步，说明水库与西岸岩溶水存在着密切的水力联系。因此，水库蓄水对黄河西岸岩溶水位产生了一定的影响。黄河水补给地下水，岩溶地下水总体向西运移，在煤田西部形成滞流区，导致岩溶水转向由北向南运移，形成南北向的径流带，在榆树湾—龙口一带以下形成低的排泄区。由于黄河水携带的大量泥沙沉淀充填在近河岸边3~6km范围内的岩溶裂隙中，致使矿区内岩溶地下水的富集带不在河谷旁[6]。目前，从煤田西部到东部各矿井所处的岩溶水位标高位于+870~+940m之间。

2准格尔煤田突水危险性评价

2.1底板隔水性能分析

1）厚度及岩性组合。根据煤田内28个钻孔资料分析，6号煤底板与奥灰顶界面距离为40~73m，平均距离为50m左右。其中泥岩、砂质泥岩等平均占比53.28%，中、粗砂岩占比27.41%，粉砂岩占比10.45%，煤层占比8.86%。9号煤底板与奥灰顶界面距离为18~43m，平均距离为30m左右。其中泥岩、砂质泥岩等平均占比66.94%，中、粗砂岩占比25.66%，粉砂岩占比7.40%。泥岩、砂质泥岩占了较大比例且呈互层结构，刚性、柔性组合结构形成了抗破坏性能力较好的隔水层，这种岩层组合在完整无破坏地段抗水压力能力较强，比较有利于6号煤和9号煤开采。2）构造发育程度。煤田内断裂较为发育，如酸刺沟煤矿首采区地震勘探解译落差10m以上的断层有11条；不连沟煤矿首采区地震勘探解译落差10m以上的断层有7条，且掘进过程中已经揭露部分断层。煤田内陷落柱较为发育，如不连沟井田已揭露4个，酸刺沟井田已揭露2个，黄玉川井田已揭露1个，这些陷落柱均位于强径流带内。不连沟、唐家会、玻璃沟、龙王沟、酸刺沟、黄玉川、大饭铺和长滩等矿井均不同程度分布在准格尔岩溶区的径流带内，随着采掘范围扩大，实际揭露陷落柱数量将会越来越多。断裂构造和陷落柱是突水的集中通道，当采掘工作面一旦接近或揭露，就会引发突水事故，因此，隐伏断层、陷落柱及其附近为突水高危区域。3）底板承受水压力。根据已有的勘探资料，煤田内最大水压达到了4MPa，在高承压水条件下，隔水层较薄的区域，将会成为突水危险区域。4）岩溶富水性。煤田内岩溶水富水性不均一，根据区域水文钻孔勘查，最大的单位涌水量达到9.4L/（s•m），最小的仅为0.0006L/（s•m），富水性强的南北向径流带则成为突水危险区域。5）开采条件。准格尔煤田煤层为特厚煤层，6号煤层厚度最大达到24m，9号煤层厚度达到8m，开采后底板破坏深度大。因此，隔水层较薄区域，由于底板破坏深度大，导致有效隔水层厚度变薄，将会成为突水危险区域。

2.2突水危险性评价

回采工作面底板突水主要采用突水系数来进行评价[14-15]，突水系数就是作用于底板隔水层的水压与底板隔水层厚度之比值。

3准格尔煤田水害防治技术

准格尔煤田承压水表现为水压大、通道发育及富水性不均一的特点。根据准格尔煤田岩溶水特点、地质条件和开采条件，需研究其针对性的岩溶水害综合防治对策。水害防治应坚持“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原则，采用水害探测、预测和监测的“三测”技术和物探、钻探、化探的“三探”技术，形成超前预报技术体系。首先，采用地面物探技术探测富水区域和导水通道，结合地质条件、水文条件，采用五图双系数或脆弱性指数法对岩溶水害危险性进行评价和分区，从整体上来确定突水危险分布区及危险程度。其次，井下掘进和回采时，在突水危险区域进行井下物探和钻探验证，确定的突水危险性区域需采取针对性的水害防治措施。由于准格尔煤田岩溶水补给丰富，因此不宜采用疏干开采方法，隔水层较薄弱的突水危险局部区域可以采用充填开采、条带开采或短壁开采等减少底板破坏深度的特殊开采方法，或者进行底板注浆加固来增强底板围岩强度。具有导水通道的突水危险区域可以留设防水煤（岩）柱，或采取注浆加固的主动防治水技术；具有重大突水隐患的区域可构筑水闸门、水闸墙使矿井形成分采区隔离开采。

4结论

1）通过对准格尔煤田岩溶地层岩性、岩溶发育特征、钻孔漏失量及岩芯观测等勘查结果综合分析，裂隙、溶孔、溶洞是煤田内主要储水空间和地下水径流通道，陷落柱、断层是该区域重要的垂向导水通道。2）通过岩溶水水化学分析，沿径流途径岩溶水质类型呈HCO3•Cl-Na→HCO3•Cl-Na•Ca（Ca•Mg）→Cl-Na的演化顺序，反应了在东部边界黄河水补给地下水，岩溶地下水总体向西运移，在煤田西部形成滞流区，导致岩溶水转向由北向南运移，形成南北向的径流带。从煤田东部到西部各矿井所处的岩溶水位标高位于+875~+940m之间。3）煤田中东部6号、9号煤均处于非带压开采状态，中西部处于带压开采状态，滞流区边界附近突水系数较大。除了黄玉川、酸刺沟、黑岱沟和长滩煤矿部分开采区域突水系数较大以外，煤田大部分正常区域6煤和9煤发生底板岩溶水突水可能性相对较小，但煤田内部构造较为发育，部分煤矿采掘过程中均发现有陷落柱存在，多数已发育到6号煤层。因此，开采过程中重点防御对象是断层、陷落柱、隔水层较薄区域及底板裂隙发育区域。在岩溶含水层水文地质特征研究基础上，提出了水害的探测、预测及监测和治理与特殊开采等综合防治技术。

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作者：李宏杰1，2；马君3；姜鹏1，2；黎灵1，2；郝志鹏4 单位：1.煤炭科学技术研究院有限公司，2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，3.鄂尔多斯市煤炭局