陳晉強

（晉城煤業(yè)集團(tuán)成莊礦地測科，山西 晉城 048021）

1 水文地質(zhì)條件概況

成莊礦位于沁水煤田南翼控制區(qū)域，礦井核定生產(chǎn)能力8.3Mt/a，主采3#、9#和15#煤層。礦井水文地質(zhì)類型為中等，開采面臨的水患主要來自底板奧灰?guī)r溶含水層的突水威脅，主要原因是奧陶系灰?guī)r頂板與下組煤15#煤層底板間距很小，局部甚至小于20m，在帶壓區(qū)要安全開采15#煤，其上部分布的不穩(wěn)定本溪組地層很難形成有效的隔水層。

2 水文地質(zhì)研究背景

成莊礦位于華北斷塊中的呂梁-太行斷塊沁水塊坳東部次級構(gòu)造單元沾尚-武鄉(xiāng)-陽城北北東向褶皺帶南段，面積為74.3km2。井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造類型為簡單，為一走向NNE或近SN，傾向NW的單斜，傾角3～12°，平均在8°以內(nèi)，自東向西依次出露奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系地層。成莊礦屬延河泉域，對15#煤開采影響明顯的含水層為奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層組，主要的隔水層為石炭系上統(tǒng)太原組底部及中統(tǒng)本溪組泥巖、鋁質(zhì)泥巖隔水層，隔水層厚度變化較大，一般為20～30m區(qū)間。

華北煤田煤礦水害防治中一般將奧陶系灰?guī)r當(dāng)做主要含水層，隨煤層埋深增加，奧灰水水壓增加，突水危險性越大，大量的下組煤開采風(fēng)險增加。

3 下組煤開采底板有效隔水層構(gòu)成及隔水性能

3.1 主采煤層垂向分布地層特征

下組煤開采的關(guān)鍵是確定其底板有效隔水層厚度及其帶壓阻隔水能力。依據(jù)礦井地質(zhì)鉆孔（揭露奧灰中統(tǒng)峰峰組）柱狀資料，3#煤層下部含水層厚度統(tǒng)計如圖1所示。圖中顯示成莊煤礦3#煤層的平均厚度為6.10m，其到奧陶系灰?guī)r的平均距離為117.77m，下部15#煤層厚度為3.68m，距離奧陶系灰?guī)r的距離為23.42m，15#煤層距離上部9#煤層的距離為48.75m。從煤層垂向分析特征看，正常情況下奧陶系灰?guī)r并不會影響3#煤層的采掘，但是對15#煤層的影響較大，因此15#煤層下部的本溪組硅鋁質(zhì)泥巖的厚度及奧陶系上部峰峰組含水性能直接決定了15#煤層的安全開采。

3.2 奧陶系含水層水化學(xué)特征分析

峰峰組水樣的礦化度變化較大，一般為0.78～5.55g/l之間，說明本區(qū)峰峰組含水層水的循環(huán)條件差別很大，如SWY1孔的礦化度高達(dá)5.55g/l，陽離子主要以Na+和Ca2+為主，含量分別在21.94～769.35mg/l，10.20～1574mg/l之間；陰離子以SO42-為主，含量在104.55～2593.08mg/l之間。Cl-含量為39.49～3150.09mg/l，SWY1孔的Cl-含量很高，而SC2孔和GZ孔的HCO3-含量為零。峰峰組水樣的水化學(xué)類型比較復(fù)雜，SWY2、SWY3、SC3、SW2以SO4-Ca?Mg型水為主，與其他孔的水型不同，如SC2和SC3孔水樣的水化學(xué)類型為SO4?Cl-Na型，SW1孔水樣的水化學(xué)類型為HCO3-Na型。說明峰峰組薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r和巖溶溶孔中大量粘土的存在使峰峰組灰?guī)r中的水交替滯緩，會發(fā)生強烈的離子交換作用。

圖1 主采煤層與奧灰含水層垂向分布特征

峰峰組與峰峰組和上馬家溝組混合水的礦化度的對比結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)不同鉆孔中的礦化度出現(xiàn)兩種情況：一是明顯減小，如SWY1、SW2、GZ孔；二是顯著增大，如SWY3、SW1、SWY2和SC2孔，不同層位中水中礦化度的變化反映出峰峰組含水層水質(zhì)與上馬家溝組含水層在礦化度上具有一定的差異性，論證了兩層水存在較少的水力聯(lián)系。

對采集各水樣點水化學(xué)類型進(jìn)行繪制Piper三線圖，結(jié)果如圖2所示。除了SW2孔兩個層位水樣的水質(zhì)差別較小，其他孔的兩個層位的水質(zhì)差別較大?？梢苑譃閮深悾阂皇蔷哂忻黠@差異特征，如SC2、SC3、GZ和SW1孔，其在菱形圖中所在位置明顯不同；二是整體相同局部存在差異，如SWY1、SWY2和SWY3孔，雖然水樣點在Piper三線圖中大體相似，但在其所處的局部仍有所不同，如SWY1、SWY2孔峰峰組水樣中Ca2+、Mg2+在陽離子中所占比重大于峰峰組+上馬家溝組水樣，而K++Na+比重則小于上馬家溝組。

奧灰峰峰組和上馬家溝組兩個層位之間的水力聯(lián)系比較弱，沒有明顯的互相補給關(guān)系。峰峰組含水層的礦化度變化很大，峰峰組在井田內(nèi)屬于奧灰水的相對滯留區(qū)，沒有大的巖溶通道使各抽水孔發(fā)生水力聯(lián)系，峰峰組地層具有一定的隔水性能。

3.3 奧陶系峰峰組隔水性能技術(shù)分析

一定厚度的隔水層可以阻隔含水層之間的水力聯(lián)系，隔離底板含水層的突水通道。依據(jù)地質(zhì)鉆孔資料繪制15#煤與奧灰峰峰組頂面間隔厚度等值線，東區(qū)15#煤至奧灰峰峰組頂面厚度（主要是本溪組厚度）在8～46m之間，最薄處位于東區(qū)西北部為8～12m左右，中部厚度在12～24m之間，在東北部方向厚度由12m逐漸增加到46m左右。在西南部厚度由12m逐漸增加到46m左右。15#煤底板至奧灰峰峰組頂面厚度大部分區(qū)域在24m以下。

圖2 水化學(xué)Piper三線圖

對奧灰峰峰組做抽水試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，峰峰組厚度在83.13～99.62m之間，最大單位涌水量僅為0.000244L/s.m，巖溶裂隙相對不發(fā)育，確定峰峰組為弱富水性含水層。因此，對15#煤開采底板有效隔水層的判斷不能僅僅依靠15#煤底板至奧灰峰峰組之間的厚度，而應(yīng)考慮峰峰組本身的隔水性，本文將其稱之為有效相對隔水層厚度。從揭露峰峰組的鉆孔看井田內(nèi)峰峰組相對隔水層厚度為57.2～130.09m 之間。

奧陶系峰峰組有效相對隔水層厚度計算結(jié)果如圖3所示，15#煤開采底板有效隔水層厚度在24～62m之間。成莊礦15#煤開采底板有效隔水層厚度在24m以上，有效相對隔水層的存在對帶壓區(qū)內(nèi)15#煤層開采時奧灰?guī)r溶水底板突水將起到關(guān)鍵性隔離和制約作用。

圖3 15#煤開采底板有效隔水層等厚線圖

4 結(jié)語

通過對15#煤層與奧陶系灰?guī)r的垂向分布關(guān)系分析、奧陶系峰峰組與上馬家溝組之間的水化學(xué)特征對比及奧陶系峰峰組隔水性能分析，論證了奧陶系峰峰組地層的有效隔水性能，可將奧陶系峰峰組上部地層作為15#煤層開采時的有效隔水層。

（1）根據(jù)奧陶系峰峰組水化學(xué)檢測結(jié)果中水質(zhì)礦化度的變化情況，確定其具有較為復(fù)雜的水化學(xué)類型。對比奧陶系峰峰組和上馬家溝組的水化學(xué)特征分析發(fā)現(xiàn)，上下兩個含水層之間的水化學(xué)特征并不一致，二者并不存在明顯的水力聯(lián)系，峰峰組地層具有一定的隔水性能；

（2）依據(jù)峰峰組弱含水性的水文特征來確定相對隔水層的厚度，論證了15#煤層開采時的有效隔水厚度應(yīng)為煤層底板至奧灰峰峰組之間的厚度加上峰峰組本身厚度，隔水層厚度為24～62m，在15#煤層開采時能夠有效起到隔水的根本目的。

（3）峰峰組有效相對隔水層的存在和量化確定，確定和相對增加了15#煤層底板有效隔水層的厚度值，降低了礦井帶壓區(qū)突水系數(shù)的計算數(shù)值，對礦井奧灰?guī)r溶帶壓區(qū)的危險區(qū)的劃分和圈定提供了科學(xué)的技術(shù)支撐，有效地增加了礦井安全區(qū)（可采區(qū)）的開采范圍。