1 礦區(qū)概況

 

  霍州礦區(qū)地處山西省霍西煤田中部, 臨汾盆地的最北端。東起霍山西側(cè), 西至呂梁山東麓, 南至洪洞縣, 北接汾西礦區(qū)。礦區(qū)地處霍山、呂梁山兩個隆起帶間, 以低山和黃土丘陵地貌特征為主, 地形南低北高, 海拔500～1 300m, 區(qū)內(nèi)汾河由北而南流經(jīng)礦區(qū)。礦區(qū)面積1 565km2?；糁莸V區(qū)現(xiàn)有七對礦井分布在汾河兩岸, 汾河以東有曹村、辛置、李雅莊礦井, 汾河以西有白龍、團柏、迥坡底和干河礦井。

 

  2 地質(zhì)概況

 

  2.1 地層

 

  霍州礦區(qū)主要地層為太古界、元古界長城系、古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、第三系、第四系, 區(qū)內(nèi)部分地區(qū)為新生界地層覆蓋, 僅在汾河河谷有少量奧陶系出露, 局部二疊系下統(tǒng)下石盒子組和山西組出露。

 

  本區(qū)含煤地層為石炭系中統(tǒng)本溪組和太原組,二疊系下統(tǒng)山西組, 含煤層共15 層, 平均總厚度14.56m。主要可采煤層有1#、2#、10#(9#、10# 合并開采)和11# 煤層。

 

  2.2 構(gòu)造

 

  霍州礦區(qū)處于祈呂賀蘭山字型構(gòu)造東翼外緣及新華夏系構(gòu)造復(fù)合部位, 以斷裂構(gòu)造為主, 伴有開闊褶曲, 為一個軸向NNE 的開闊向斜, 向斜以西和以東分別為呂梁山和霍山復(fù)式背斜, 背斜軸向均為NNE 向。即霍西復(fù)向斜。

 

  羅云山斷層和霍山斷層分別構(gòu)成了霍西煤田霍州礦區(qū)的西部和東部邊界。邊界之內(nèi)發(fā)育了一系列規(guī)模較小的正斷層, 構(gòu)成了山西地塹臨汾盆地內(nèi), 階梯狀斷陷及地塹地壘相間和復(fù)雜構(gòu)造格局。

 

  一系列正斷層主要有:下團柏斷層、上團柏斷層, 赤峪斷層、什林斷層、張端斷層和萬安斷層。此外, 中小斷層極為發(fā)育。

 

  3 區(qū)域水文地質(zhì)條件

 

  3.1 泉域系統(tǒng)

 

  霍州礦區(qū)巖溶地下水屬郭莊泉巖溶水系統(tǒng)。該系統(tǒng)總面積5 128km2, 其中裸露區(qū)面積1 510km2。東部邊界靈石以南由近南北向展布的霍山斷裂構(gòu)成,靈石以北由汾介斷裂構(gòu)成, 為阻水邊界; 西部邊界大體平行于紫荊山斷裂帶, 以紫荊山斷層及出露地表的寒武系徐莊組以老地層為阻水邊界; 北邊界以文水縣康家堡及以西寒武系徐莊組以老地層出露地表為界, 構(gòu)成阻水邊界; 西南段以山頭地壘、青山峁背斜為界, 構(gòu)成與南部龍子祠泉巖溶水系統(tǒng)的分界; 東南段以萬安斷層為界形成局部透水邊界。郭莊泉排泄區(qū)位于霍州市南7km 處的郭莊附近, 郭莊泉在0.5km2 范圍內(nèi)有泉眼60 個, 該泉受下團柏斷層阻隔形成的上升泉。

 

  3.2 地下水補徑排條件

 

  霍州礦區(qū)在區(qū)域上處于由汾河斷陷盆地及周圍的呂梁山、霍山山區(qū)組成的完整的水文地質(zhì)單元內(nèi)。補給區(qū)為呂梁山裸露區(qū)以東奧陶系灰?guī)r廣泛發(fā)育的地帶, 在汾河河谷奧陶系石灰?guī)r出露地段, 河床基本由奧陶系灰?guī)r組成, 第四系砂礫石孔隙含水層和奧灰含水層相互貫通, 汾河高水位期地表水大量滲漏補給奧陶系灰?guī)r。因此,本區(qū)地下水補給來源以大氣降雨滲入補給為主, 地表水滲漏補給為輔。

 

  地下水徑流方向受地層坡度和巖層傾向影響,從N、NW、W三面向郭莊泉排泄, 泉水流量大而穩(wěn)定, 高達7m3/s, 靜止水位標(biāo)高520～545m, 水力坡度平緩為1.7‰, 地下水徑流通暢。根據(jù)霍州礦區(qū)水文地質(zhì)資料分析, 具有距離泉口越近其單位涌水量越大, 水文地質(zhì)條件越復(fù)雜的特點。

 

  3.3 含水巖組

 

  霍州礦區(qū)區(qū)域含水層分為四大含水巖組。

 

  ①松散巖類孔隙含水巖組。第四系和第三系松散巖類含水巖組。

 

  ②碎屑巖類裂隙含水巖組。碎屑巖類含水巖組和碎屑巖夾碳酸鹽巖類含水巖組。

 

  ③碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組。奧陶系含水巖組: 以峰峰組二段、上馬家溝組二段及下馬家溝組二段為主要含水層。寒武系含水巖組: 以中寒武系張夏組為主要含水層。

 

  ④變質(zhì)巖類裂隙含水巖組。以變質(zhì)巖及侵入巖為主, 富水性弱。

 

  4 霍州礦區(qū)水害現(xiàn)狀及礦井充水類型劃分

 

  4.1 礦區(qū)礦井水害現(xiàn)狀

 

  霍州礦區(qū)受多次構(gòu)造運動影響, 構(gòu)造十分發(fā)育,斷裂構(gòu)造平均91 條/km2, 陷落柱平均60 個/km2。礦區(qū)位于郭莊泉域的徑流帶和排泄區(qū), 地下水豐富( 郭莊泉自然流量4~6m3/s) , 水文地質(zhì)條件復(fù)雜。受地下水與構(gòu)造兩種地質(zhì)因素的共同影響, 礦井水害威脅十分嚴(yán)重。

 

  隨著開采水平的不斷延伸和開采深度的不斷加大, 礦井受水害威脅程度也越來越大, 防治水工作愈顯突出。目前有7 對礦井帶壓開采, 所采煤層處于K2、O2 灰?guī)r承壓水靜水位以下, 最大水頭壓力6.1MPa。7 個帶壓生產(chǎn)礦井地質(zhì)儲量141 641.3 萬t,帶壓開采地質(zhì)儲量達100 844萬t, 占總儲量的71.2%。下組煤直接頂板為K2 灰?guī)r含水層,正常涌水量700～900m3/h。巨厚奧灰?guī)r溶含水層距主采煤層11# 煤底板平均25m ( 最小僅16m) , 存在突水可能。水害已成為威脅礦井安全生產(chǎn)的一個主要因素。

 

  霍州礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜, 水害類型多樣。既有底板灰?guī)r水害, 又有頂板砂巖水害, 還存在老空水害。在歷史上霍州礦區(qū)各礦曾發(fā)生大小水害事故多起。如團柏礦在443 水平掘進軌道巷和皮帶巷時發(fā)生突水, 三個突水點水量共800m3/h, 后逐漸增大到1 100m3/h, 突水點隨巷道掘進移動,突水點水源來自奧陶系灰?guī)r巖溶水。又如曹村礦發(fā)生過三次較嚴(yán)重的突水事故, 其中兩次為老窯水, 一次為奧灰水突水。近期2007 年4 月白龍礦在巷道開拓時遇陷落柱發(fā)生突水, 水量由揭露初期100m3/h增至400m3/h, 造成工作面淹沒被迫停產(chǎn)?；糁莸V區(qū)其他各礦也發(fā)生過程度不等的水害事故。

 

  目前隨著各礦區(qū)淺部上組煤開采相繼結(jié)束, 埋藏深的上組煤曹村擴區(qū)2# 煤將接續(xù)開采, 各礦逐漸進入以開采下組煤為主的生產(chǎn)時期, 大部分下組煤底板標(biāo)高位于下伏奧灰水位以下, 為帶壓開采( 表1) 。如近期發(fā)生突水的白龍礦, 目前地質(zhì)儲量23 901萬t, 受水威脅的儲量18 430.7 萬t, 占總儲量的77%, 奧灰含水層補給面積大, 為強富水含水層, 對煤層開采將產(chǎn)生較大影響。白龍礦地處地下水排泄區(qū)和徑流區(qū), 地下水活動強烈, 南北向的徑流帶從礦區(qū)東北部穿過, 礦區(qū)直接接受地下水的側(cè)向補給,1#、2# 煤和大部分下組煤位于太原組K2 灰?guī)r和奧灰含水層水位以下, 白龍礦構(gòu)造斷裂異常發(fā)育, 斷層密度達80 條/km2, 陷落柱密度90 個/km2, 局部密度達120 個/km2, 個別斷層和陷落柱存在導(dǎo)水現(xiàn)象, 使得白龍礦水文地質(zhì)條件愈加復(fù)雜, 礦井的防治水工作難度更大。辛置礦東四采區(qū)540 水平開采下組煤, 最大帶壓值1.35MPa, 突水系數(shù)達1.35MPa/m。曹村礦250 水平以上下組11# 煤的開采, 煤層底板最大帶壓2.65MPa, 突水系數(shù)將高達0.265MPa, 同樣面臨奧灰高水壓下安全帶壓開采的問題。

 

  4.2 礦井充水類型劃分

 

  霍州礦區(qū)屬于華北型煤田, 上組煤受石盒子組砂巖和第四系砂礫石含水層影響, 下組煤同時受太原組灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r水威脅。由于受歷次構(gòu)造運動疊加的影響, 各礦的水文地質(zhì)條件有較大差異。按礦井的充水水源和充水方式可劃分為: 頂板透水、底板突水、老窯潰水和斷層突水四種類型。

 

  ①頂板透水。上組煤頂板距老頂石盒子組砂巖裂隙含水層僅4～5m, 下組煤的直接頂板為太原組K2 灰?guī)r含水層, 采動影響下形成的冒落裂隙移動帶“三帶高度”溝通含水層引發(fā)突水。如曹村礦10# 煤工作面揭露的突水點90%以上為K2 灰?guī)r裂隙水, 上組煤出水點幾乎全部為K8 砂巖水。在煤層淺埋地帶2# 煤與第三系風(fēng)化帶和第四系孔隙水直接與煤層頂板接觸, 含水層水直接補給礦井。

 

  ②底板突水?；糁莸V區(qū)上組煤至太灰?guī)r厚度70m, 下組煤距奧灰?guī)r小于30m, 底板水壓大于安全值的情況在辛置、曹村、白龍、團柏、迥坡底、李雅莊、干河各礦普遍存在, 各礦不同程度的存在底板突水危險。

 

  ③老窯潰水。由于小煤窯亂采濫伐破壞防水煤柱或采掘中意外觸及小煤窯采空區(qū)廢棄的老空積水區(qū)引發(fā)突水事故, 如曹村, 辛置礦老空突水占全部突水事故的一半以上。曹村礦兩次由于揭露了小煤窯的老空區(qū)引起突水事故。1966 年突水水量達14594.6m3/h, 給礦井造成極大損失。白龍礦周邊小煤窯及廢棄老窯多達115 個, 也曾發(fā)生過小煤窯潰水事故。

 

  ④斷層突水。斷層構(gòu)造發(fā)育是本區(qū)的主要特點,由于斷層錯動, 使煤層和含水層對接或距離縮短, 或斷層本身具導(dǎo)水性, 造成突水事故。白龍礦因揭露斷層共造成突水四次, 對于構(gòu)造異常發(fā)育的霍州礦區(qū)各礦應(yīng)對斷層突水危險性極大。

 

  5 礦井充水條件分析

 

  5.1 充水水源

 

  霍州礦區(qū)礦井充水水源主要有: 奧陶系灰?guī)r巖溶水(O2) ; 太原組灰?guī)r裂隙水(K2) , 上石盒子組砂巖裂隙水(K3、K4、K8) , 第四系砂礫巖孔隙水(Q) 和老窯水。

 

  據(jù)調(diào)查統(tǒng)計各礦的突水水源較多, 其中太原組灰?guī)rK2、砂巖K4 在汾河以西的白龍礦、團柏礦、迥坡底礦和干河礦富水性較好, 為中等—豐富含水層,特別是白龍礦K4、K3、K2 灰?guī)r受井田內(nèi)斷層影響與奧灰?guī)r接觸, K2 灰?guī)r裂隙溶洞發(fā)育, 鉆孔單孔涌水量達40m3/h, 太灰水K2 對下組煤開采造成較大影響。處在汾河以東的曹村、辛置、李雅莊K2 灰?guī)r富水性較弱, 一般為弱含水層, 井下K2 出水量一般也為3～30m3/h。

 

  5.2 充水通道

 

  充水通道包括陷落柱導(dǎo)水, 斷層和裂隙帶導(dǎo)水,封閉不良的鉆孔導(dǎo)水、含水層直接與煤層接觸導(dǎo)水等。

 

  5.2.1 陷落柱導(dǎo)水

 

  本區(qū)陷落柱異常發(fā)育, 據(jù)統(tǒng)計白龍礦已揭露陷落柱高達532 個; 團柏礦揭露陷落柱29.6 個/km2; 迥坡底礦平均16 個/km2; 李雅莊礦平均90 個/km2, 其中N0183# 陷落柱造成工作面突水, 初始水量25m3/h, 后水量穩(wěn)定在50m3/h; 曹村井田揭露陷落柱60個, 平均密度20 個/km2, 其中11 個導(dǎo)水, 占18%, 上組煤揭露34 個有6 個導(dǎo)水, 占17.6%, 9、10 號煤揭露26 個, 有5 個導(dǎo)水, 占19.2%, 500m 奧陶系石灰?guī)r大巷揭露6 個有3 個導(dǎo)水, 占50%。

 

  目前盡管淺部揭露的陷落柱絕大多數(shù)不導(dǎo)水,但當(dāng)深部水壓增大, 仍存在導(dǎo)水的可能性, 一旦溝通奧灰含水層, 陷落柱就成為重要通道, 因此應(yīng)特別重視發(fā)育在構(gòu)造帶、褶皺軸部, 斷裂帶的規(guī)模較大, 發(fā)育較深的陷落柱。

 

  5.2.2 斷層和裂隙帶導(dǎo)水

 

  斷裂構(gòu)造極為發(fā)育是本區(qū)另一共同特點。霍州礦區(qū)構(gòu)造十分發(fā)育, 斷裂構(gòu)造平均91 條/km2, 在區(qū)域性構(gòu)造斷裂控制下, 各礦發(fā)育的斷層均以NE—NNE 向正斷層為主。白龍礦井田范圍內(nèi)落差大于5m 的斷層45 條; 團柏礦斷層密度達130 條/km2; 迥坡底礦發(fā)育斷層23 條, 李雅莊礦落差大于5m 的斷層64 條, 可見各礦斷裂構(gòu)造異常發(fā)育, 且部分具有導(dǎo)水性, 如白龍礦曾發(fā)生規(guī)模較大的斷層突水4 次,構(gòu)造裂隙帶突水10 次。自1985 年至2006 年突水點統(tǒng)計情況可以看出, 由斷層及裂隙帶破碎帶導(dǎo)致的突水占絕大多數(shù), 而且在下組煤開采中突水點個數(shù)明顯比上組煤開采時多。

 

  根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件, 當(dāng)斷層落差大于58m 時,K3、K4、K2 灰?guī)r就會與O2 灰?guī)r對接, 產(chǎn)生水力聯(lián)系,落差大于25m 的斷層都會造成K2 和O2, K4～K2 直接接觸, 發(fā)生水力聯(lián)系。同時水平底板帶壓高, 隔水層厚度薄, 突水系數(shù)超過安全帶壓開采下限, 存在突水的危險性。斷裂破碎帶是下伏含水層最主要的導(dǎo)水通道, 是引發(fā)突水的重要條件。

 

  5.2.3 封閉不良的鉆孔導(dǎo)水

 

  歷史上封閉不良的廢棄鉆孔往往成為下伏含水層的導(dǎo)水通道, 白龍礦是不良導(dǎo)水鉆孔最多的礦區(qū),370 水平周邊23 個鉆孔終孔后全部未進行封孔檢查, 經(jīng)檢查其中有4 個鉆孔未封孔, 5 個鉆孔封孔質(zhì)量不合格, 23 個鉆孔中有16 個揭露奧灰含水層, 這些封孔不良的鉆孔是奧灰承壓水與上覆巖層溝通的通道。歷史上曾因833, 819 兩個鉆孔導(dǎo)水, 造成2-401 和2- 402 工作面發(fā)生突水, 最大水量85m3/min。

 

  5.2.4 含水層直接與煤層接觸導(dǎo)水

 

  構(gòu)造運動造成含水層和煤層直接接觸導(dǎo)水。曹村擴區(qū)南部煤層淺埋地帶2# 煤頂板直接與K8 或第三系、第四系裂隙孔隙含水層接觸造成2# 煤發(fā)生頂板水害可能性加大。白龍礦在煤層淺埋地帶曾發(fā)生過2# 煤頂板冒落裂隙帶溝通第四系含水層水引發(fā)突水。

 

  6 結(jié)語

 

  霍州礦區(qū)由于處于郭莊巖溶水系統(tǒng)的徑流帶和排泄區(qū), 地下水水量大, 礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜, 加之構(gòu)造十分發(fā)育, 多數(shù)礦井帶壓開采, 水害類型復(fù)雜多樣。隨著開拓范圍的不斷擴大, 開采深度向下延深, 所屬各礦的水文地質(zhì)條件日益復(fù)雜, 多種水害類型逐漸顯現(xiàn)。為了確保礦井安全, 提高企業(yè)的經(jīng)濟效益, 促進煤炭生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展, 必須從根本上消除和治理威脅安全生產(chǎn)的各類隱患, 逐步實施煤礦水害的防治措施, 防治水工作愈顯突出, 急需開展礦井防治水工作, 并且加強礦區(qū)水文地質(zhì)條件和防治水分析研究, 以保證礦井生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展。