郭向陽(yáng)

（沁和能源集團(tuán)有限公司永紅煤礦，山西 晉城 048200)

永紅煤礦隨著3號(hào)煤層資源的枯竭，即將進(jìn)入下組煤15號(hào)煤層的開(kāi)采。15號(hào)煤層底板距奧灰頂界面距離在10.88～29.32m之間，煤層底板承受水壓值在1.13～2.42MPa之間，受奧灰水的威脅極大。為實(shí)現(xiàn)15號(hào)煤層的安全開(kāi)采，當(dāng)務(wù)之急是研究評(píng)價(jià)奧陶系上部峰峰組的隔水性能，為15號(hào)煤層的安全評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。

1 礦井概況

永紅煤礦位于沁水縣城東南直距約32.5km的嘉峰鎮(zhèn)西南側(cè)，沁河西側(cè)的梁圪坨村、大夫街村一帶，屬沁水縣嘉峰鎮(zhèn)管轄。井田面積為9.3398km2，開(kāi)采3號(hào)～15號(hào)煤層，開(kāi)采深度+450m～+230m標(biāo)高。井田內(nèi)大面積為黃土覆蓋，僅在沁河岸邊和南部、中部及西北部溝谷中有少量二疊系上石盒子組、下石盒子組地層出露，煤系地層主要為二疊系山西組和石炭系太原組。受區(qū)域構(gòu)造影響，井田內(nèi)地層總體走向北東，傾向于北西，傾角約2°～6°，構(gòu)造形跡主要為較寬緩的褶曲構(gòu)造，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，未見(jiàn)陷落柱，未見(jiàn)巖漿巖侵入。

永紅煤礦在水文地質(zhì)單元上位于延河泉域北部徑流區(qū)。井田內(nèi)奧陶系含水層富水性、水質(zhì)變化較大，平面上具有富水性不均一性，垂向上有“上弱下強(qiáng)”的垂直分帶規(guī)律，可分為峰峰組、上馬家溝組、下馬家溝組三個(gè)層段。峰峰組巖溶裂隙不發(fā)育，富水性較差，上馬家溝組中、下部局部地段巖溶較發(fā)育，富水性強(qiáng)，下馬家溝組富水性極強(qiáng)。

2 峰峰組上部隔水性分析

2.1 奧灰含水層特征分析

煤層底板承壓含水層是底板突水的水源，是底板突水的先決條件，也是底板突水事故的必要條件。從抽水資料可以看出，峰峰組含水層總體上富水性弱，上馬家溝組含水層富水性強(qiáng)于峰峰組（見(jiàn)表1）。上馬家溝組含水層對(duì)15號(hào)煤開(kāi)采威脅程度大于峰峰組含水層。

另外從YH-1、YH-2、YH-3抽水試驗(yàn)成果可以發(fā)現(xiàn)，峰峰組水位與上馬家溝組水位有一定的差異（見(jiàn)表2），說(shuō)明兩者之間水力聯(lián)系弱。從峰峰組與上馬家溝組水化學(xué)特征分析來(lái)看，峰峰組與上馬家溝組水化學(xué)特征在礦化度、硬度及各主要陰、陽(yáng)離子含量等方面有較大的差別。峰峰組含水層總體礦化度和總硬度低于混合含水層，混合水中的SO2-4離子含量高于峰峰組含水層（見(jiàn)表3）。這說(shuō)明峰峰組含水層和上馬家溝組含水層的垂直補(bǔ)給量小。由此綜合分析，在無(wú)構(gòu)造發(fā)育的情況下，峰峰組與上馬家溝組含水層之間水力聯(lián)系較弱。

表2 峰峰組與奧灰混合水位對(duì)比表

2.2 峰峰組上部巖溶裂隙研究

根據(jù)鉆孔資料，鉆孔巖溶裂隙均不太發(fā)育，發(fā)育有細(xì)小裂隙大多為方解石脈充填；峰峰組上部風(fēng)化殼均被充填膠結(jié)，厚度約6～8m左右。從簡(jiǎn)易水文觀測(cè)結(jié)果看，鉆進(jìn)中消耗量變化不明顯。峰峰組上部巖溶裂隙發(fā)育較差，在破碎裂隙密集發(fā)育的區(qū)域，常見(jiàn)泥質(zhì)膠結(jié)，灰?guī)r裂隙在后期物理、化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中形成了大量碎裂狀角礫，與上覆的風(fēng)化殘積層混雜在一起形成二次膠結(jié)，由于泥質(zhì)膠結(jié)程度高，使得峰峰組上部的風(fēng)化殼在成巖后具有較高的強(qiáng)度和隔水性能。

表3 水化學(xué)對(duì)比表

2.3 峰峰組上部隔水性能相關(guān)特性研究

不同的巖性組合對(duì)峰峰組上部隔水性能的影響程度不同，就巖石力學(xué)性質(zhì)而言，石灰?guī)r抗壓強(qiáng)度為58.3～63.5MPa，泥灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度為48.6～64.5MPa，泥灰?guī)r的脆性較石灰?guī)r有所下降，但塑性有一定的增強(qiáng)，增加了隔水性能。

峰峰組這一套淺海相碳酸鹽巖地層，為泥灰?guī)r和石灰?guī)r互層結(jié)構(gòu)?？傮w特征是泥質(zhì)、SiO2等難溶于水的成分含量較高，具有一定的可塑性，泥質(zhì)成分遇水后有一定膨脹性，在受到應(yīng)力作用擠壓破壞產(chǎn)生裂隙時(shí)，通過(guò)變形、泥分膨脹，減少了滲水裂隙、通道。根據(jù)鉆孔巖芯資料，巖層本身的完整性較好，巖塊內(nèi)部發(fā)育的各種小裂隙多被次生方解石脈充填結(jié)晶。部分巖層中夾大量角礫，巖層斷面發(fā)黃，泥分高，具有紋理易變形，表明其海-陸交換沉積環(huán)境。根據(jù)鉆孔資料，峰峰組泥灰?guī)r厚度占到峰峰組厚度的40.2%～64.4%，這種泥灰?guī)r和石灰?guī)r的互層結(jié)構(gòu)具有較好的隔水性能。

2.4 阻隔水能力研究

通過(guò)YH-2、YH-3壓水試驗(yàn)，峰峰組上部35～45m內(nèi)測(cè)試段滲透系數(shù)很?。ㄒ?jiàn)表4），水壓力在管路中具有一定的損耗，但即便將其考慮在內(nèi)，滲透系數(shù)的數(shù)量級(jí)別依然在10-4，可見(jiàn)測(cè)試段巖層的總體透水性極其微弱。由此可知，井田內(nèi)峰峰組上部35m以?xún)?nèi)可視為相對(duì)隔水層。

表4 峰峰組上部壓水試驗(yàn)段滲透系數(shù)一覽表

3 井田內(nèi)有效隔水層厚度

根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)資料可知，15號(hào)煤底板至奧灰頂界面距離為10.88～29.32m之間，峰峰組上部有效隔水層厚度取最小值35m。15號(hào)煤底板有效隔水層厚度增加至45.88～64.32m之間（圖1），使15號(hào)煤層突水系數(shù)得到了降低。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)永紅煤礦奧陶系含水層特征分析，結(jié)合抽水試驗(yàn)、水化學(xué)特征分析等工作手段，證實(shí)了井田內(nèi)峰峰組含水層與上馬家溝組含水層沒(méi)有直接水力聯(lián)系。通過(guò)峰峰組上部巖溶裂隙發(fā)育及充填特征分析、峰峰組巖性特征分析，結(jié)合壓水試驗(yàn)等工作手段，論證了峰峰組上部至少存在35m厚的相對(duì)隔水層。

圖1 有效隔水層厚度等值線(xiàn)