李小龍,姚多喜,楊金香

安徽理工大學地球與環(huán)境學院,安徽淮南,232001

孫疃煤礦 102采區(qū)松散層底部水文地質(zhì)特征分析

李小龍,姚多喜,楊金香

安徽理工大學地球與環(huán)境學院,安徽淮南,232001

運用鉆探、巖芯取樣、土工試驗、X-射線衍射、抽(注)水試驗等方法,研究分析了孫疃煤礦 102采區(qū)新生界松散層底部第三隔水層“三隔”和第四含水層“四含”的巖性特征、礦物成分、厚度分布、水理性質(zhì)、物理力學性質(zhì)及富水性特征等因素,分析得出了孫疃煤礦 102采區(qū)“三隔”具有良好的隔水性 ,“四含”為“弱富水性”含水層類型的結(jié)果。對孫疃煤礦提高 102采區(qū)的回采上限及煤炭資源的回采率具有重要的指導作用。

松散層;XRD;抽水試驗;富水性

*通訊作者:楊金香(1980-),遼寧丹東人 ,博士,講師,主要從事環(huán)境保護與土壤污染治理研究。

我國華北、東北的許多大煤田多為隱伏型,煤層上伏有 130～ 300 m的中、厚松散層;松散層底部常存在著中等富水,甚至很強富水的含水層。在中、厚松散層下進行縮小安全煤巖柱留設(shè)試采實踐和理論研究過程中,我國已經(jīng)開展了部分試采實踐、現(xiàn)場勘探測試、室內(nèi)試驗及理論研究等工作[1-3]。查明松散層底部沉積特征與含隔水性,深入分析研究松散層下部含水層、隔水層的分布、厚度結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、含水或隔水性及其對井下開采的影響程度,研究其巖層抗破壞能力和阻隔水能力,是評價薄基巖淺埋煤層能否實現(xiàn)安全綠色開采的重要內(nèi)容。對松散層底部含水層、隔水層的水文地質(zhì)特征的正確認識,對于礦井安全煤巖柱的合理留設(shè)有著重要的意義。為了更好地、系統(tǒng)地進行縮小安全煤巖柱合理留設(shè)的研究,有必要對礦井松散層底部含水層、隔水層的水文地質(zhì)特征進行深入研究;通過對其水文地質(zhì)條件的研究,可為實現(xiàn)薄基巖淺埋煤層的綠色開采提供重要保障[4-6]。孫疃煤礦 102采區(qū)為礦井首采區(qū),主采煤層10煤層。其底部含水層為 102采區(qū)礦坑充水的主要間接充水含水層,為確保井下安全生產(chǎn),采區(qū)設(shè)計暫定在煤層隱伏露頭處留設(shè)防水煤柱,防水煤柱積壓了大量煤炭資源。因此,對孫疃礦102采區(qū)松散層底部含水層、隔水層的水文地質(zhì)特征進行深入的研究,對于防水煤柱的合理留設(shè)有著重要的理論意義和現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

孫疃井田位于安徽省淮北市濉溪縣境內(nèi),孫疃集是其中心位置,向北東距宿州市約23 km。孫疃井田內(nèi)地勢較平坦,地面標高 25～ 27 m,一般 26 m左右。采區(qū)內(nèi)現(xiàn)已施工地面鉆孔 55個,其中-300 m以淺有19個鉆孔揭露10煤。鉆孔資料表明,采區(qū)-300 m以淺地區(qū)新生界松散層厚度為188.32～203.55 m,平均 166.80 m;區(qū)內(nèi)古地形起伏不平,總體上基巖面標高自采區(qū)南西向北東逐漸變大,標高在-140.7～ -177.66 m之間。 102采區(qū)松散層按其巖性組合特征及區(qū)域水文地質(zhì)剖面對比,自上而下可劃分為四個含水層(組)和三個隔水層(組)。本次研究的底部含水層、隔水層組主要指第三隔水層和第四含水層,以下簡稱“三隔”、“四含”。松散層沉積基本特征和含、隔水性評價見表 1。

2 “三隔”分布特征

2.1 巖性及厚度分布特征

通過對采區(qū)內(nèi)的 09水 1孔、09水 2孔“三隔”取巖樣并進行實驗分析,結(jié)果表明“三隔”巖性主要由灰綠色、棕黃色粘土及砂質(zhì)粘土夾薄砂層組成,中下部部分地段見有泥灰?guī)r及鈣質(zhì)粘土。上部粘土土質(zhì)較純,中下部粘土鈣質(zhì)含量增多,局部呈半固結(jié)狀。

表1 孫疃煤礦102采區(qū)第四系松散層結(jié)構(gòu)特征表

102采區(qū)“三隔”底界深度 166.80～ 197.60 m,一般為 186 m左右。根據(jù)本次對-300 m以淺的鉆孔統(tǒng)計分析可知,“三隔”隔水層有效厚度 22.00～49.10 m,平均38.37 m。其厚度分布如圖1所示。18-1孔厚度最薄為 22.00 m,19-2孔厚度最厚為49.10 m,從圖 1可以看出,采區(qū)-300 m以淺南邊“三隔”厚度最大,向北方向厚度逐漸變薄,但總體均勻,變化不大。本組在-300 m以淺內(nèi)普遍厚度較大,分布穩(wěn)定,為良好的隔水層(組)。 由于“三隔”的存在,使其以上的地表水和第一、二、三含水層與“四含”和煤系砂巖裂隙水失去水力聯(lián)系。

圖1 “三隔”沉積厚度分布

2.2 “三隔”礦物成分

本次研究采用礦物粉末X-射線衍射分析“三隔”的礦物成分,結(jié)果如表 2所示。

表2 “三隔”樣品衍射定性分析結(jié)果表

分析結(jié)果表明,“三隔”粘土礦物成分中主要為蒙脫石,含量多數(shù)為中多;其次為綠泥石,綠泥石大都為中;蒙脫石和綠泥石二者的含量總數(shù)占主導地位。由于沉積環(huán)境不同,往往粘土的礦物成分不同。不同類型的粘土礦物具有不同的吸水性、膨脹性。蒙脫石具有活動的結(jié)晶格架,親水性強,分散程度大,浸濕時能強烈地膨脹。當粘土礦物成分中含有較多量親水強的蒙脫石時,其膨脹變形大,隔水性能就好。

2.3 “三隔”的水理性質(zhì)及物理力學性質(zhì)

本次研究對 09水 1、09水 2鉆孔取芯,進行土工試驗,測試部分結(jié)果如表 3所示。

表3 09水 1孔、09水 2孔土工試驗成果表

測試結(jié)果表明,“三隔”中的粘土土粒比重均在2.77 g/cm3左右,液限 48.2%～ 56.0%,塑限24.4%～ 27.2%,塑性指數(shù)為23.8～ 28.8,液性指數(shù)0.10～ 0.27,自由膨脹率72.5%～ 86.0%,原樣抗壓強度為 421～ 1697 KPa。膨脹性通常是超固結(jié)粘土的主要屬性之一,根據(jù)測試,按膨脹巖的分類標準劃分,新生界松散層第三隔水層的厚層粘土屬于典型的膨脹土。說明“三隔”中的粘土層易變形,具有良好的隔水能力[7-9]。

綜上所述,102采區(qū)“三隔”巖性組分中主要以粘土為主,粘土礦物成分中主要為方解石、高嶺土,親水性、膨脹性強,隔水性能好?？梢钥闯?“三隔”分布穩(wěn)定,厚度較大,是穩(wěn)定的隔水層,隔水性好。

3 “四含”分布特征及富水性分析

3.1 “四含”分布特征

3.1.1 “四含”巖性特征

“四含”巖性主要由灰綠色、棕褐色、淺黃色粘土質(zhì)砂、細～粉砂、粘土夾礫石、砂質(zhì)粘土組成,個別孔還含有薄層礫石。礫石成分為砂巖及灰?guī)r碎屑,粒徑0.3～1.5 cm,分選差,磨圓度中等,粘土質(zhì)充填。多數(shù)為殘坡積物。根據(jù)鉆探資料,巖性分布特征為:在20線與21線中間向北至 F5斷層之間巖性以粘土夾礫石為主,在22線— 21～ 22線之間“四含”以粘土分布,在 22-231孔附近以粉砂為主,其他塊段以粘土質(zhì)砂為主。

3.1.2 “四含”厚度分布特征

根據(jù)采區(qū)-300以淺鉆孔資料,采區(qū)-300以淺“四含”底界深度 173.20～ 203.55 m,平均 191.73 m,含水層純厚度 0～ 6.59 m,平均 2.44 m,22-12孔附近最厚,厚度達 6.59 m,本次補充水文勘探孔09水 1與09水2孔 “四含”缺失。從“四含”的巖性上看,一般泥質(zhì)含量大,多數(shù)為殘坡積物,厚度總的來說不大,分布不穩(wěn)定,為弱富水性。本次研究對 102采區(qū)-300 m以淺19個鉆孔資料的統(tǒng)計分析,沉積厚度分布如圖 2所示。從圖 2可以看出,“四含”沉積厚度較小,分布不穩(wěn)定,采區(qū)中部相對較厚,煤層露頭較薄,出現(xiàn)沉積尖滅?？傮w來說,102采區(qū)內(nèi)“四含”沉積厚度不大,分布不穩(wěn)定,故其含水性較弱。

圖2 “四含”沉積厚度分布

3.2 “四含”富水性分析

根據(jù)精查地質(zhì)報告,21-224孔“四含”進行了抽(注)水試驗,另井田內(nèi)施工 07觀 1和 07觀 2孔的“四含”觀測孔,位于采區(qū)南邊界和采區(qū)10煤層露頭處;2009年,本采區(qū)在靠近煤層露頭處施工了09水1與09水2補充勘探孔,并進行抽水試驗,抽水層位為“四含”與基巖風化帶,在試驗過程中,由于抽水試驗抽不到水,改為注水試驗。兩鉆孔施工過程中孔內(nèi)水位無明顯變化,沖洗液無明顯消耗,更沒有全漏現(xiàn)象,根據(jù)對 102采區(qū)內(nèi) 4個孔(09-水 1、09-水 2、07- 觀 2、21-224)抽 (注 )水試驗資料 ,“四含”靜止水位埋深 24.18～ 77.23 m,水位標高 2.31～ -51.24 m,根據(jù)等水壓線圖,采區(qū)內(nèi)自西北向東南形成地下水運動場。

表4為09水1和 09水2孔含水層的參數(shù)計算成果表,是利用 09水1與 09水 2孔的水位恢復(fù)觀測求得的含水層水文地質(zhì)參數(shù);通過本次試驗結(jié)果與前期試驗結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn),“四含”與基巖風化帶混合抽水,其水文地質(zhì)參數(shù)與“四含”層位相似,可認為本采區(qū)“四含”富水性指標與基巖風化帶相似。

根據(jù)抽 (注)水試驗,“四含”及風氧化帶單位涌水量 q=0.000 85～ 0.010 5 L/sm,滲透系數(shù) K=0.021～ 0.278 m/d,滲透性差,屬弱透水層;依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》[10],102采區(qū)“四含”為弱富水性含水層類型。含水層的富水性與巖性、厚度等因素密切相關(guān),根據(jù)采區(qū)內(nèi)“四含”的巖性、厚度等因素分析可知,“四含”為弱富水性且富水存在不均一性。

表4 “四含”層位抽 (注)試驗水文地質(zhì)參數(shù)計算成果表

綜上所述,102采區(qū)“四含”巖性主要由粘土質(zhì)砂、粗砂～粉砂、礫石層、粘土夾礫石、礫石夾鈣質(zhì)粘土組成,一般泥質(zhì)含量大,多數(shù)為殘坡積物。粘土礦物成分中主要為石英、高嶺土、蒙脫石、綠泥石、方解石等,具有較強的隔水性能。從分布規(guī)律看,“四含”分布極不穩(wěn)定,大部分地區(qū)出現(xiàn)缺失,且抽水試驗的水文地質(zhì)參數(shù)表明其為弱富水性含水層且富水存在不均一性。

4 討論與結(jié)論

根據(jù)以上分析,可認為 102采區(qū)受新生界松散層的水害威脅較小,其 102采區(qū)原設(shè)計暫定留設(shè)的防水煤柱可改為防砂安全煤巖柱,并具備提高回采上限的可能性。本研究表明,探明和正確評價采區(qū)松散層底部“三隔”和“四含”的水文地質(zhì)條件,對安全煤巖柱留設(shè)類型的確定和提高回采上限及煤炭資源的回采率,充分開發(fā)和利用煤炭資源具有重要的現(xiàn)實意義和理論意義。

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A

1673-2006(2013)12-0086-04

10.3969/j.issn.1673-2006.2013.12.024

2013-10-15

國家自然科學基金“灰?guī)r含水體上煤層開采底板采動穩(wěn)定可靠性隨機有限元研究”(51174256);安徽省教育廳自然科學研究項目“采煤沉陷區(qū)地質(zhì)條件穩(wěn)定性分析與水系修復(fù)機理研究”(K J2013Z068);“安徽理工大學中青年學術(shù)骨干”人才基金。

李小龍(1979-),新疆奇臺人 ,碩士,講師,主要從事礦山環(huán)境治理與水害防治研究。

(責任編輯:汪材印)