太原西山煤矿带压开采对晋祠泉水影响的研究.pdf

第 19 卷 第 1 期山 西 煤 炭Vol. 19 No. 1 1999 年 3 月 SHANXI COALM ar. 1999 技术研究 太原西山煤矿带压开采对晋祠 泉水影响的研究 周 平 朴树林 太原西峪煤矿 摘 要 从水文地质、工程地质角度出发, 结合多年的井下防治水工作实践, 对西峪煤矿的 带压开采与地下水之间的联系进行了详细的分析研究,得出了西峪煤矿的带压开采不会影响晋祠 泉水, 甚至西山矿务局各煤矿的带压开采也不会影响晋祠泉水的结论。 关键词 带压开采; 晋祠泉水;同位素;含水岩组 太原西山煤田前山区有西铭、 白家庄、 杜儿坪、 官地和西峪 5 个煤矿。矿区规划总面积为 246. 5 km 2, 目前开采面积为 102. 5 km2, 原煤产量年平均 为 1 600 万t 以上, 其中官地、 西铭和杜儿坪 3 矿的 总产量 1 320 万t, 这 3 个矿开采煤层的底板标高均 高于奥陶系岩溶水位,因此煤层的开采对岩溶水 位 没有影响。 白家庄矿为 75 万 t/ a, 西峪煤矿为 105 万t/ a, 这两个矿位于西山煤田东部边缘, 煤层 埋藏较深。 白家庄 710 m 水平面积 3 km 2, 最低标 高为 520 m, 最高水压达 392 Pa/ cm 2; 西峪煤矿 650m 水平面积约5. 5 km 2, 现开采煤层的最低标高 为 462 m, 承受的最高水压达 432. 2 Pa/ cm 2, 煤系 底部奥陶纪石灰岩内岩溶发育,含水丰富, 是威胁 煤矿正常开采的主要因素之一。但是, 如果在煤层 开采过程中不发生奥灰水突出,也不进行专门的疏 水降压, 那么煤矿的正常开采是否仍影响奥灰岩溶 水以及晋祠泉水位的变化呢 带着这个问题,我们 对承压最大的太原西峪煤矿的带压开采条件进行了 较详细的研究。 1 区域水文地质概况 经水文地质补充勘探,西峪矿属岩溶型矿床水 文地质类型,位于太原西山煤田岩溶水系统晋祠岩 溶水亚系统内的非主迳流带上。矿区东部 X1和 X2 孔地段, 峰峰组岩溶裂隙水具有滞流状态特征, 属 断裂带处富水中等, 其余地段富水性小的含水层, 上 马家沟组岩溶裂隙水属强富水的含水层, 水位标高 与区域岩溶水的动力场相符。 1. 1 各含水岩组的水位差别 1. 1. 1 奥陶系中统含水岩组的水位差别 从太原地区岩溶水系统流场图 图 1 可以看 出西山煤田地下岩溶水的迳流大致是由西北向南 东方向汇入盆地, 其中晋祠泉和兰村泉是两个主要 排泄出口, 晋祠泉的出水层位是奥陶系中统上马家 沟组灰岩。 白家庄、西峪和晋祠一带, 奥灰岩溶水峰峰组 O2F 的水位是 804. 752 m～953. 28 m, 上马家沟 组 O 2S 的水位是 804. 0 m～807. 19 m,见表 1. 表 1 峰峰组与上马家沟组水位统计 区 段 孔 名位 称 补 给 迳 流 区 白家庄 C-1 白家庄 主-4 白家庄 D-5 西 峪 X1 周家庄 排泄区 晋祠地 震台 峰峰组含水岩 组水位 /m 953.28918.56837.62 804.752 962.59805.73 上马家沟组水 位 / m 805.07805.23807.19 805.202805. 9804. 0 水位差 /m148.21113.330. 49- 0.45157.681. 73 两含水岩组的水位差是 148. 21 m～0. 45 m, 说 明迳流区域内, 峰峰组岩溶水位 除西峪X1孔外 第一作者 周 平, 男, 1966 年生, 大学, 太原西峪煤矿, 工程师, 030021 收稿日期 1998-10-19 图 1 太原地区岩溶水系统流场 比上马家沟组岩溶水位高,而且由西北向南东的水 位差逐渐缩小。抽水试验证实峰峰组岩溶水与上马 家沟组岩溶水没有水力联系, 强富水的上马家沟组 岩溶水不会补给峰峰组岩溶水。 1992 年～1994 年, 西峪煤矿上马家沟组岩溶水 位基本稳定在 804 m 左右, 而峰峰组岩溶水位却变 化在 792. 57 m～831 m. 1. 1. 2 峰峰组水位与煤系地层水位的差别 峰峰组含水岩组水位与上覆煤系地层石炭系和 二叠系含水岩组的水位差分别是 68. 48 m～147. 49 m 和 50. 1 m～110. 83 m,见表 2. 从表 2中可以看出, 石炭系的水位是最低的, 存 表 2 峰峰组与二叠系水位统计 孔 号 水位 标高 含 水 岩 组 x1x2x3x4x5x6 14 Ⅱ- 5 水峪沟 自流井 二叠系855912.32912.32855919. 75855 石炭系657.262735.05732.25736.066725.665725.665736 峰峰组804.752806.152804.546804.905804.905808. 52 水 位 差 与石炭系147.4971.1073.968.4879.2479.2472.5279.05 与二叠系50.25106.17106.17107. 850. 1110. 8350.25 在着二叠系和奥灰水补给的可能。但就目前的开采 情况可知 仅有二叠系含水层水经断裂带和冒裂带 补给石炭系地层,煤矿生产中主要是补给采掘工作 面, 而且随着时间的推移,采掘巷道顶、底板经裂 隙渗淋入工作面的煤系地层水被疏干, 未发现或没 有足够的证据证明有峰峰组岩溶水越流补给石炭系 地层,抽水试验也证明了这一点。 1. 2 奥陶系灰岩水文地质特征 奥陶系灰岩水文地质特征,见图 2, 3. 1. 2. 1 奥陶系峰峰组含水岩组 岩性为青灰色中厚层状灰岩, 局部含白云岩, 矿 物成分为低镁方解石, 属泥晶, 晶粒及碎屑泥晶灰 岩,白云质交代现象较重, 常含生物碎屑和角砾状 灰岩, 岩溶裂隙不发育,偶见有溶孔溶隙,透水性 差,峰峰组二段顶部常为方解石、泥质和黄铁矿充 填。 西峪煤矿 X6孔峰峰组岩溶水多孔抽水试验, 影 响范围竟达6. 07 km 2, 单位涌水量 0. 396 1 m3/ s, 渗 透系数 2. 873 m/ d,表明补给条件不好。 15 第 1期 周 平等 太原西山煤矿带压开采对晋祠泉水影响的研究 图 2 太原地区碳酸盐岩地层柱状 峰峰组一段与上马家沟组上中部之间, 有巨厚 的相对隔水岩柱阻水,地层岩性以泥灰岩、角砾状 泥灰岩和膏化泥灰岩为主, 它含的泥质成分较高, 该 段岩石的化学成分不利于构造裂隙和岩溶发育, 透 水性差, 厚度大,使峰峰组二段与上马家沟组之间 的水力联系很弱。即使煤矿在开采中发生峰峰组岩 溶水突出时,也不会受到强富水的上马家沟组岩溶 水的补给。试验还表明峰峰组岩溶水在断层带上与 煤系围岩含水层的水力联系极弱, 煤系下部 9煤层 底部的相对隔水岩柱抵抗岩溶水压的性能较好。 1. 2. 2 上马家沟岩溶水含水岩组 上马家沟岩溶水含水岩组厚度 196 m～268 m, 岩溶裂隙发育, 在岩溶发育带和岩溶水的排泄区, 常 形成直径大小不等的溶洞、 溶隙和蜂窝状溶蚀现象, 富水性强,矿区内 X1孔揭露上马家沟组含水段 17. 5 m 为质纯的灰岩, 岩溶裂隙发育, 有直径 0. 5 cm～2. 5 cm 的小溶洞,裂隙干净,涌水量 6. 331 m 3/ s, 渗透系数 480. 066 m/ d, 表明富水性强, 透水 性好, 水的交替能力强, X1孔上马家沟组岩溶水, 抽 水时观测 X2孔峰峰组岩溶水位没有变化。 1. 3 地下水的同位素特征 稳定同位素 据资料统计, 太原西山岩溶水 18 O 平均值为- 0. 975, 18O 值为- 6. 656. 西峪 煤矿岩溶水同位素值变化较大, O 值在- 0. 991 16 山 西 煤 炭 第 19 卷 图 3 西山矿区煤矿分布图 ～1. 085,D 值在- 7. 42 ～8. 37 , D～ 18O 关系曲线特征表明岩溶水与降水的关系不密切, 岩 溶水的补给主要是河流水的侧向迳流补给, 且水源 的补给高程比西山、前山各煤矿高约 30 m. 放射性同位素 西峪矿区岩溶水的氚值较低, X1孔峰峰组岩溶水氚值含量小于 0. 5 Tu,上马家 沟组岩溶水氚值含量 0. 76 Tu, 在 18O～D 曲线图 上, 分布在最下方而靠近 18O 轴, 远远低于西山岩 溶水的氚值含量 28. 71 T u, 更低于当地降水的氚值 含量,表明矿区的岩溶水补给源较远, 交替更新的 循环周期长, 水的流速缓慢, 含水层内储存时间长, 岩溶水的年龄较老, 具有滞流水的特点。 石 炭系 含 水岩 组 18 O 值 在 - 1. 088～ 1. 127 之间, D 值介于- 7. 83 ～8. 57 之间, 氚 值含量较低, 小于 0. 5 T u～5. 7 T u; 二叠系砂岩裂 隙水 D 值 平均为- 7. 016 介于- 6. 83～ 7. 23 之间, 18O 值在- 0. 906 ～1. 006 , 氚值 含量 60. 74～66. 88 T u. 反映出石炭系砂岩和层间 岩溶水贮留时间较长,年令较老, 补给源较远, 迳 流条件不畅, 而二叠系砂岩裂隙水补给来源单一, 直 接受大气降水补给, 水的交替更新能力强。 2 煤矿开采过程中的水位动态变化 2. 1 奥灰水位的动态变化 矿区西北部白家庄矿的 5 个水文孔的长期观测 资料为 马家沟组 O2S 水位是 802. 76 m～798. 75 m, 峰峰组的水位变化在 722. 35 m～833. 26 m; 矿 区内 4 个水文长观孔水位分别是上马家沟组 O2S 水位基本稳定在 799. 5 m～800. 01 m 之内, 峰峰组水位则是变化在 777 m～838 m. 以上资料表明峰峰组的水位变化较大, 而上 马家沟组的水位变化较小, 峰峰组与上马家沟组水 之间无水力联系。 2. 2 矿井采掘期间煤系地层水的水位、水量变化 2. 2. 1 下山采区准备巷道掘进中的水位、 水量变化 西峪煤矿现有 5 个采区同时开采,其中 3 个承 压较大的下山采区, 在掘进中水位、 水量变化如下 上组煤层顶部含水层的水位变化是, 每隔 75 d ～100 d, 二叠系部分含水岩组水位随采掘巷道下降 12 m, 截至 1998年 1 月上组煤层随采掘受影响的含 水岩组水位已下降到 4采区 595 m, 5 采区 560 m, 6 采区 520 m;中组煤层采掘过程中顶底部受影响 的含水层水位已下降到 537 m, 平均疏降 140 d, 水 17 第 1期 周 平等 太原西山煤矿带压开采对晋祠泉水影响的研究 位下降 15 m. 采掘过程中,经煤层顶底板淋渗出的水量一般 为 1 m3/ d～15 m3/ d. 但遇有断裂时, 出水量则明显 增大, 开拓巷道四部胶带巷 F7断层附近石炭系 含水层的出水量达 60 m 3/ h～80 m3/ h, 经 1 a 多时 间的自然排泄, 现已稳定在 45 m 3/ d 左右, 奥子垴风 井 F 3断层处二叠系砂岩含水层的突水量达170m 3/ h～130 m 3/ h 左右。 2. 2. 2 矿井下山采区回采工作面渗淋水量的变化 2502 工作面是西峪煤矿回采标高最低的一个 工作面, 2煤层的最低标高为 462 m, 回采 30 m 后 出水量由掘进时 5 m 3/ h 增大到 30 m3/ h 左右, 而 3601 和 3603 工作面回采前后的出水量并未增加多 少, 基本上在 3 m 3/ h～10 m3/ h 左右, 可见二叠系 含隔水岩组厚薄不均一。 经过两年多时间的观测分析, 未发现有奥灰水 经断裂带渗流入石炭系、二叠系地层的迹象。 2. 3 矿井排水量的变化 1987 年～1997 年矿井的总涌水量基本保持在 54 万 m 3/ a～91 万 m3/ a, 平均 69 万 m3/ a, 吨煤含 水系数保持在0. 54～1. 09之间, 平均0. 74, 比西山 矿务局前山 4 个矿计算的吨煤平均含水系数 0. 83 还小,进一步说明奥灰水补给煤系地层水的可能性 不大。 3 薄弱地段的导水性能 从区域地质构造的基本特征看,西山地区经历 了长城纪、燕山期和喜山期的形变,特别是燕山期 的东西向挤压和喜山期的拉张,形成有规律的地垒 和张性裂隙系统,在地垒两侧特别是边山形成了密 集小断裂和张扭性裂隙带,西峪矿正好位于西山煤 田的东部边缘, 断层密度是 73. 93 个/ km 2, 陷落柱 密度为 42. 89 个/ km 2, 为奥灰水导入煤系地层创造 了条件, 但奥灰水是否能经构造薄弱地段导入带压 开采工作面,结合实际做如下分析。 3. 1 隔水岩层的工程地质条件 9层底部至峰峰组顶面, 以泥岩为主, 并有夹 砂岩和石灰岩, 隔水岩柱厚度 47. 61 m～71. 92 m, 硬脆性岩类平均占总厚的 32. 32,再加上砂岩裂 隙和灰岩岩溶不发育,完整性好, 含水条件差, 尤 其是本溪组地层的铝土质岩类,隔水性很强,这种 泥质岩类与硬脆性岩类的组合,既具有一定的隔水 性能又有一定的力学强度 对抵抗岩溶水压是有利 的 , 这样才形成岩溶奥灰水与石灰岩系含水层水有 很大的水位差。 3. 2 实例证明断裂带不导水 a. 650 大巷和 3 部胶带道穿越 F9断层 h 38 m, 倾角 68 ～71 , 断带宽 20 m 处的标高为 655 m 和 651 m, 承压 228. 32 Pa/ cm 2, 计算的突水系数为 5. 68 Pa/ cm 2 m ～6. 37 Pa/ cm 2m 和 7. 55 Pa/ cm 2m～8. 65 Pa/ cm2m, 存在突水或有奥灰水 越流补给石炭系地层可能, 但时隔5 a 之多, 断裂带 处逐渐干燥无水, 否定了带压开拓有奥灰水越流回 补煤系地层的观点。 b. 二水平 650 大巷二采区绕道口处 此处巷道底板标高为 654 m, 巷底隔水岩柱厚 度为 37. 9 m, 承受的水压为 238. 3 Pa/ cm 2, 而且正 好穿越一个短轴 70 m, 长轴 90 m 以上的单倾陷落 柱,出陷落柱处地层突然被抬升几十米 推测在陷 落柱和正常岩层接触处有断层存在 , 巷道刚穿越陷 落柱后有 1. 07 m 3/ h 的水量从它们的交接处渗淋 出,经两年的自然排泄,逐渐疏干无水。该处的突 水系数为 10. 49 Pa/ cm2m,远远超过 矿井水文 地质规程中规定的临界突水系数 5. 88 Pa/ cm 2 m, 存在突水的危险, 但巷道开拓后长达 6 a 之久, 没有任何突水的迹象。 综上所述,西域矿在现有的带压开拓技术条件 下,在如此薄弱的地段尚且没有峰峰组岩溶水越流 补给煤系地层的可能, 更不用说上马家沟组水补给 煤系地层, 从而影响晋祠泉水了。 4 结论及建议 a. 通过对西峪煤矿带压开采期间的水文地质 研究, 笔者认为目前西峪煤矿和西山矿务局前山各 矿的带压开采主要影响晋祠泉域内石炭和二叠系地 层中的水, 对晋祠泉水流量及水位的变化没有影响。 b. 影响晋祠泉位流量变化的因素多种多样, 主 要有 晋祠泉域水的周期性变化; 人工开采的 干扰; 降水量的逐年减少; 地表迳流漏失量的 影响等。 c. 要加强对中下组煤层隐伏构造 特别是落差 大于 15 m 断层 的探测, 不仅可以防治奥灰水的突 出,还能为西山矿务局后山各矿的带压开采积累丰 富的带压开采资料,从而保护了晋祠泉域地下水。 d. 在地质构造、水文地质条件和地表迳流、地 形有利的晋祠泉域,修建小型拦洪坝或打深孔对岩 溶水进行回灌,使晋祠泉水逐渐恢复。 18 山 西 煤 炭 第 19 卷 参 考 文 献 1 山西省地质工程勘察院. 山西省太原西峪煤矿二水平水文地质勘探. 1992 2 乔居岳. 晋祠泉衰减原因分析及保护对策, 1990 3 周 平等. 西峪煤矿陷落柱的发育特征和分布规律. 中国煤田地质, 1996, 49～51 4 陆远昭. 西山煤矿开采与地下水关系, 1991 Studying the influence of mining under safe water pressure of aquifer in Taiyuan Xishan Mines on Jinci Spring Zhou Ping Piao Shulin Taiyuan, Xiyu Mine Abstract Stated from the point of hydrogeology and engineering geology, combined with the years practice of mine water control work, this paper has analyzed and studied detailly on the rela- tions between the mining under safe water pressure of aquifer of Xiyu Mine and underground wa- ter, and come to the conclusion that the mining under safe water pressure of aquifer in Xiyu Mine would not influence Jinci Spring, even none of all Xishan Mines would influence on it. Key words mining under safe water pressure of aquifer; Jinci Spring; isotope; aquiferous rock ations 本文责任编辑 胡广权 上接第 13页 Analyzing superficailly the meaning and prospects of coal blending in thermal-coal-producting mines Zhang Dongfeng Taiyuan University of Technology Yan Yuan Shanxi Unif ied Central Planning Mine H igh- N ew T echnology Comp any Abstract In the light of the present situation of coal supplying in China, the dominant posi- tion and significance of coal blending in thermal-coal-producting mines are analyzed,a further study project needed by the development of thermal coal blending is approached and an effective way to raise itselves competitive capacity in market is found out in this paper. Key words thermal coal mine; thermal coal blending; theory of coal blending; on line detec- tion; professional standard 本文责任编辑 刘大为 19 第 1期 周 平等 太原西山煤矿带压开采对晋祠泉水影响的研究