开滦东欢坨矿水文地质特征及防治对策

地下水󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁GroundwaterMay󰀁,2009Vol󰀁31󰀁NO󰀁3开滦东欢坨矿水文地质特征及防治对策

田洪胜,洪益清,马亚杰

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(1󰀁河北理工大学资源与环境学院,河北唐山,063009;2󰀁开滦(集团)有限责任公司,河北唐山,063000)

[摘󰀁要]󰀁开滦东欢坨矿是水文地质条件极其复杂的矿井,矿井生产一直深受水害威胁。介绍了东欢坨矿的地质概况,深入分析了矿井的水文地质特征,提出了矿井防治水的对策和措施,以确保矿井的安全生产。

[关键词]󰀁矿井;水文地质特征;防治水;对策

[中图分类号]󰀁P1󰀁4󰀁󰀁[文献标识码]󰀁A󰀁󰀁[文章编号]󰀁1004-1184(2009)03-0110-04

HydrogeologyCharacteristicsandMeasuresofWaterPreventionin

DonghuantuoMineinKailuan

TIANHong-sheng1,HONGYi-qing2,MAYa-jie1

(1.CollegeofResourceandEnvironmentEngineering,HebeiPolytechnicUniversity,Tangshan063009,Hebei,China;2.Kailuan(Group)Co.Ltd.,Tangshan063000,Hebei,China)

Abstract:KailuanDonghuantuocoalmineisaminewhichhasanextremelycomplicatedhydrogeo󰀂logicalcondition,themineproductionhasbeenthreatenedbywaterdamage.Thepaperintroducesitsgenernalgeologicalsituations,analyzesitshydrogeologycharacteristicsandputsforwardsomestrate󰀂giesandmeasuresinordertoensurethesafetyproductionofmine.

Keywords:Mine,hydrogeologycharacteristics,waterpreventionandcountermeasures

也有利于矿井水资源有效合理的开发利用和矿区的生态环境的保护。

0󰀁引言

开滦东欢坨矿位于河北省唐山市丰润区境内,地处韩城镇与新军屯镇之间。井田呈北东向狭长区域,东南翼走向长13󰀁5km;倾向宽3km;西北翼走向长8km;倾向宽0󰀁5km;井田面积约40km2。地表为冲积平原地形,地势较为平坦。区内地势呈东北高西南低的特点,地形坡降为6󰀂。

东欢坨矿井是典型的华北型的石炭二叠纪煤田,也是水文地质条件极其复杂的大水矿井,建井期间最大涌水量曾达到62󰀁84m/min,矿井施工至今已发生很多次突水。其中大于1󰀁0m3/min的出水点就有32个,大于10󰀁0m/min的出水点为3个。单个采面最大涌水量为6󰀁01m3/min。目前,随着煤层开采的不断深入,水害威胁也进一步增大。

因此,全面深入的分析研究东欢坨矿的水文地质特征,对于科学有效的预测和防治煤矿突水,保证矿井安全生产促进矿井的可持续发展具有重要意义,同时

[收稿日期]󰀁2009-01-14

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1󰀁地质概况

1󰀁1󰀁地层特征

东欢坨井田地层是一套标准的华北型地层,全为第四系沉积层覆盖,属隐伏井田。钻孔揭露了第四系与上古代的地层,少数钻孔达到煤系底盘奥陶系的马家沟组顶部。东欢坨地层由老至新主要包括奥陶系(O)、石炭系(C)、二迭系(P)、第四系(Q),可采煤层主要集中在石炭系和二迭系地层中。

1󰀁2󰀁构造特征

东欢坨所在的车轴山向斜为一狭长的不对称向斜,向斜轴面向西北方向倾斜,枢纽向西南方向倾伏,在平面上呈 舌!状伸出。向斜两翼地层产状变化较大,东南翼地层平缓,而西北翼地层急陡。在向斜内部断裂构造较发育,断层走向多与向斜轴方向一致。

[作者简介]󰀁田洪胜(1977-),男,河北沧州人,助理工程师,在读硕士研究生,研究方向矿井水文地质。

110第31卷󰀁第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁地下水󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2009年5月

2󰀁矿井水文地质特征综合分析

2󰀁1󰀁地下水的赋存条件分析

第四系底部卵砾石孔隙水、石炭、二迭系砂岩裂隙水以及奥灰岩溶水组成了东欢坨矿井田承压水力系统。这一水力系统承压 顶盖!是由粘土和亚粘土组成的区域隔水层,它位于冲积层中下部,由北向南倾斜。第四系底部卵砾石层超覆所有的基岩含水层露头,由于露头无冲积或残积成因的粘土之类所隔,所以卵砾石含水层与基岩含水层尤其是大面积的奥灰含水层水力联系密切。其间水位、水压、水温均为渐变关系。基岩裂隙水赋存于向斜盆地中的石炭、二迭系粗、中、细砂岩地层之中。裂隙密集,多为张开裂隙,宽度>1mm,最大超过20mm以上,产状近乎直立。奥灰岩溶水赋存于煤系基底400m以上厚度的白云质和灰质地层之中,历年少量勘探(包括井田外围供水勘探和成井)已表明其透水性与富水性强于区内所有含水层。2󰀁2󰀁矿井含水层与隔水层2󰀁2󰀁1󰀁含水层及其特征

根据含水层的在地层中的赋存特征,东欢坨井田发育有着三大含水系统:即第四系冲积层孔隙承压含水层、石炭二迭系砂岩裂隙承压含水层以及奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层,分述如下:

1)第四系冲积层孔隙承压含水层

第四系冲积层覆盖于煤系地层之上,分布全区,不整合于古生代地层之上,北薄南厚,较均匀的渐变:车54和车60两个钻孔一线以北为厚度小于180m的宽缓平台,向南一般以每公里50~60m的幅度增厚。第四系全为松散沉积物,含水量充沛,但变化较大。单位涌水量0󰀁275~2󰀁258L/sm,渗透系数0󰀁371~4󰀁846m/d,水质类型为HCO3-CaNaMg型或HCO3-CaMgNa型。水温12∀~18󰀁5∀,富水性强,水量充沛,为煤系含水层的补给水源。

2)石炭-二迭系砂岩裂隙承压含水层

该含水层以倾伏向斜的形式伏于新生界松散层之下,地下水主要储存于泥质或硅质胶结的中、粗砂岩裂隙之中。在砂岩中并夹有煤层、粘土层、沉凝灰岩及粉砂质泥岩,不易产生裂隙,特别是粘土岩和沉凝灰岩,易风化,遇水膨胀,使裂隙弥合,故表现为弱透水或不透水。从而成为煤系地层的隔水层和弱透水层。砂岩由于受不透水或极弱透水的岩层阻隔,形成富水性各异的含水层。该含水层分为四个组:

(1)以第四系底卵水为水源的A0-A含水层组

本组厚约130m,以粗砂岩和巨粗不等粒砂岩为主,泥硅质胶结。上段岩石裂隙发育,且以直立裂隙为

主,含水层强于下段。本组含水层与第四系底卵水广泛直接接触,以其为补给水源,因此水量充沛,不易疏干。此层是矿区内发育比较好的两层铁铝质粘土岩,并且隔水性较好而于下组含水层组联系较弱。

(2)以第四系底卵水为补给水源的A层-煤5强含水层组

本组厚约280m,自A层附近的巨粗不等粒砂岩经粗粒砂岩至煤5顶板中细粒砂岩,由裂隙作为介质,构成水位连续水化微变的统一含水层组。由于A层上下夹有3~5层薄层铁铝质粘土岩以及巨粗不等粒砂粒岩中的长石成分,易于风化,A层附近透水性变小,使得本含水层组与A0-A层水力联系减弱。但A层以下层位的抽水试验(东观33孔、东观31孔)也说明A层以上层段水位(东观26孔)仍受波及。经研究分析表明,此含水层对煤8和煤9的开采顶板突水构成直接威胁[1,2]。

(3)煤5-煤12-2弱含水层组

本组厚度在110~125m之间,细砂岩、粉砂岩、泥岩交互成层。由于细砂岩和粉砂岩单层厚度最大不超过10m,隐伏露头相互孤立呈窄条状,底卵水补给有限,仅形成层间联系不畅的薄层含水段。据迄今为止的简易水文资料,泥浆消耗量>3󰀁5m3/h者很少。本组含水层的富水性取决于上下有无强含水层邻近。(4)以第四系底部卵砾石含水层和奥陶系岩溶含水层为水源的煤12-2底板强含水层组

本组厚度约为140~155m,以细砂岩和粉砂岩为主,上部粒级相对较粗,可见中砂岩;中下部粒级渐细,泥岩相对增多。以煤14-1复合煤组弱透水段为界,上下水位、水质、水温差异明显。煤14-1以上显示第四系底卵水源背景,煤14-1以下反映奥灰水特征。煤12-2及煤14-1开采的直接冲水含水层位于本组中、上段,尤其对煤12-2的开采构成严重的水害威胁;阻止奥灰水威胁的矿井保护层即为本组下段。勘探表明,本组含水层富水性虽不均一,但在-500m采区、西南采区及东南采区,中等和强富水区连片。

3)奥陶系石灰岩岩溶裂隙承压含水层

本组不整合于煤系地层之下。矿区有十二个钻孔揭露此层,除车43、车59两孔揭露较厚(73󰀁26m和97󰀁38m)外,一般揭露厚度多小于10m,但推测其厚度大于400m。通常第四系底部卵砾石层与之直接接触的地区,岩溶比较发育。单位涌水量为0󰀁799~1󰀁794L/sm,渗透系数3󰀁405~10󰀁385m/d,水质类型为HCO3-CaMg型。水温19󰀁5∀。本层含水性强,对供水是一良好层位,但对矿井深部的安全开采威胁很大。

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第31卷󰀁第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁地下水󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2009年5月

2󰀁2󰀁2󰀁隔水层及其特征

本区弱及极弱透水性地层或密集为层系或成层。撇开构造因素,仅就岩性区分,自上而下有:

1)A层附近(含A层)铁铝质粘土岩

A层以上发育3~4层,层厚3~8m,层间距4~20m;A层以下80m段距内密集4~5层,层厚不足2m。东观33孔A层下80m抽水(Q=0󰀁446m3/min,S=30󰀁46m),556m以外的A层以上观测孔东观26孔水位下降0󰀁46m。据此判定A层以上段落的粘土岩为弱透水层;又据东观38孔抽水试验,A层以下段落的粘土岩为弱透水层。

2)煤5-煤12-2层间沉凝灰岩,各类泥岩,高岭土质砂岩

沉凝灰岩和高岭土质砂岩分布在煤8、煤9近旁以及煤12-1-煤12-2之间,遇水膨胀、裂隙弥合,是极弱透水层。层厚由2~28m不等。各类泥岩层薄,主要是赋存在煤8以上与煤12-2近旁,构成煤层直接顶底板。上述类别岩石连同煤层本身,组成了水源不足的层间承压水顶底板。而这种含、隔水层密集相间的层系结构,又形成了垂向迳流纤弱的整体阻水效应。因此,煤5以上和煤12-2以下能以水源为背景,分为缺乏垂向联系的两大含水层组。

3)G层铝土质粘土岩

位于煤系地层基底,是稳定的区域隔水层,其厚度随奥灰剥蚀面的起伏而变化,一般不足10m。本层是防护奥灰水进入煤系的第一道屏障;第二道屏障便是复结构的煤14及其泥岩和粉砂岩互层。

2󰀁3󰀁矿井的充水水源与充水通道

在整个东欢坨矿区内无河流,第四系松散冲积层中第三隔水层厚达10~25m,即使是采空塌陷,也不至于使粘土层断开,阻隔了大气降水和潜水的向下补给,因此大气降水、潜水和地表水对矿井涌水量基本无影响。因此,东欢坨矿井的充水水源为地下水和老空水。地表水水源从目前东欢坨矿的开采区域来看,直接充水水源是A0-A、A-煤5顶、煤12-煤14含水层组,间接水源是第四系底部卵砾石砂岩裂隙承压含水层和奥陶系石灰岩岩溶承压含水层。对于老空水,本矿虽然建井时间不长,但仍有老空水问题,如2081、2083及2085等工作面,均进行过探放,证明存在老空水。

从矿区实际情况来看,矿井的充水通道主要是断层带导水和采动裂隙带导水。本井田内构造发育,建井期间,共揭露断层102条,地面勘探钻孔控制40条北一采区三维地震勘探线给出断层5条,这些断层的透水性和含水性影响着断层带的导水性。另外在巷道112掘进和工作面回采时,不可避免的会改变原有围岩的性质,在围岩周围产生新的裂隙,包括回采顶板冒落产生的裂隙及底板破坏产生的裂隙可能导通含水层形成突水。2󰀁4󰀁矿井涌水量

矿井涌水量是评价富水性的一个重要指标,同时也设计矿井排水量的重要参考依据[4]。东欢坨矿井田所在的车轴山向斜,为一个的水文地质单元。第四系底部卵砾石含水层超露于所有基岩含水层之上,构成稳定丰富的补给水源。根据建井期间矿井涌水量变化来看,在建井初期,随着巷道开拓工程不断揭露各含水层,矿井涌水量逐年增加,在1995年3月20日达到最大62󰀁84m/min。之后由于矿井含水层本身的自然衰减及本矿注浆堵水工作的开展,涌水量有下降的趋势。但在北翼采区含水层的水位仍然较高,因此在北翼掘进和开采时水量会增加。在开采深部煤层时由于底部含水层间距减小,也有突水可能。

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[3]

,这些裂隙通道有

3󰀁矿井防治水对策

针对东欢坨矿的地质条件和复杂的水文地质特征以及煤层开采情况,提出以下防治水对策:

1)地面防治水。由于本区内无河流,所以地面防治水工作主要是保证矿井周边的防护,避免在雨季和汛期造成积水倒灌井筒。

2)井下探放水。坚持 有疑必探,先探后掘!的探放水原则。在巷道掘进前,必须进行超前探放。充分利用物探和井下钻探等手段,分析工作面顶底板的富水性,加强矿井防治水的针对性和有效性。对于接近强含水层的部位,可以采取边探边掘边注浆边掘进的方法,以便顺利通过含水层。对于接近含水断层的部位,要首先查清断层的位置、含水性及导水性,并通过地面钻孔的水位观测及水质分析,确定其是否会导通强含水层,以便及时采取相应的防治措施。

3)探放老空水。工作面开采后,在某些采空区有可能造成局部积水,当在其下方进行掘进施工时,这些老空积水有可能进入下方工作面,造成突水事故。因此必须对有突水可能的工作面进行探放水工作。在矿井实际生产中,曾经对2083和2097工作面进行了老空水的探放工作,取得了良好的效果。

4)疏水降压。对于带压开采的工作面,在开采前对含水层进行疏放,将其水压降低到安全水压之下,以达到安全开采的要求。东欢坨矿首采煤层是8煤层,根据水文地质条件的分析,有部分工作面受煤5顶含水层威胁,而煤5顶含水层水位高、水压大、富水性强,为了达到安全回采,对其进行了疏放,取得了良好的

第31卷󰀁第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁地下水󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2009年5月

参考文献

效果。

5)注浆堵水。通过此法可以阻断含水层的补给,减少排水量,变含水层为隔水层,以增加煤层顶底板有效保护层的厚度[5]。针对东欢坨矿的水文地质条件,可以在井筒开凿前进行井筒地面预注浆,以便减少第四系冲积层底卵水对井筒施工的影响;在顺利完成凿井后,为了保证矿井各类设施的正常工作,降低涌水量,可以采取工作面超前预注浆的办法进行防治水工作;为了加快进度,减少投资,有针对性的进行防治水工作,而在井底车场及以后的施工巷道采取探水注浆工作,取得了良好的效果。

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版社,2005󰀁

(上接第109页)

󰀁指标

地下水位上升,浸润岩土体,使岩土体的含水量增加,物理力学性质发生变化,进而影响岩土体的工程力学性质,引发建筑物地基发生改变。

认真分析地下水上升的可能性,充分论证地下水上升对建筑物的影响。同时,提供岩土样饱和状态下的物理力学性质指标。并综合分析评价现有状态下和地下水位上升后的情况下,地基岩土的物理力学性质变化和化学性质变化。为设计和施工做好铺垫工作。

(3)通过现场试验,测定地层渗透系数等水文地质参数。

3󰀁2󰀁预测水位上升可能后评价地下水的作用3󰀁2󰀁1󰀁岩土工程勘察应评价地下水的作用和影响,并提出预防措施的建议。

3󰀁2󰀁2󰀁地下水力学作用的评价应包括下列内容:(1)对基础、地下结构物和挡土墙,应考虑在最不利组合情况下,地下水对结构物的上浮作用,原则上应按设计水位计算浮力;对节理不发育的岩石和粘土且有地方经验或实测数据时,可根据经验确定;

(2)验算边坡稳定时,应考虑地下水及其动水压力对边坡稳定的不利影响;

(3)当地下水位回升时,应考虑可能引起的回弹和附加的浮托力;

(4)在湿陷性黄土地区应考虑地下水位上升对湿陷性的影响;

(5)当墙背填土为粉砂、粉土或粘性土,验算支挡结构物的稳定时,应根据不同排水条件评价静水压力、动水压力对支挡结构物的作用。

3󰀁2󰀁3󰀁地下水的物理、化学作用的评价应包括下列内容:

(1)应评价地基土遇地下水后对混凝土、金属材料产生的腐蚀性。

(2)对软质岩石、强风化岩石、残积土、湿陷性土、膨胀岩土和盐渍岩土,应评价地下水的聚集和散失所产生的软化、崩解、湿陷、胀缩和潜蚀等有害作用;

(3)在冻土地区,应评价地下水上升对土的冻胀和融陷的影响。

3󰀁3󰀁提供必要的饱和条件下岩土样的物理力学性质

4󰀁结论

由点带面,我们在注意到石家庄市水文地质评价问题的同时,也考虑到整个北方半干旱地区的水文地质工作,特别北京、天津等地区。(1)这些地区类似于石家庄市,受自然条件和人工调水的影响,地下水位有上升的客观条件;(2)房地产市场正向城郊山区发展。同样的问题,理应引起工程技术人员的重视。

地下水位的变化可以引起多种岩土工程问题,这些岩土工程问题与人类的生产、生活密切相关。岩土工程技术人员不仅要研究兴建建筑物之前场地静止的工程地质条件,还须预测建筑物兴建和使用过程中地质环境条件的变化,并为控制和防治环境工程地质问题提出切实可行的措施,只有这样才能保证建筑的长久安全使用,才能产生经济效益,才能推动社会的和谐稳步发展。

参考文献

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