常村煤礦n2-7陷落柱及其水源分析
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2005-12-29 14:46:30
摘要: 常村煤礦n2 - 7 皮順巷掘進過程中發生湧水,經探測證實是陷落柱湧水。通過對陷落柱湧水的湧水量模擬,利用水質及同位素判別,結合礦區地質、水文地質等多種因素綜合分析,判定了常村煤礦n2 - 7 陷落柱的湧水水源不是奧灰層含水,而是上部砂岩水,從而為礦井的防水、堵水設計與施工打下了基礎。
關鍵詞: 陷落柱; 湧水; 水源
[1 ] 。特別是陷落柱常導通多層含水層,使之水力聯絡增強,有時將深部高壓的奧灰含水層水匯入礦井,造成重大災難。1984 年6 月2 日開灤範各庄礦發生震驚中外的特大突水災害就是因為陷落柱導通了奧灰水而引起的。
因此,陷落柱導水是礦井最為重要、最為敏感的防治水問題。常村煤礦是潞安礦業(集團) 公司主力生產礦井之一,位於山西省屯留縣境內,礦井設計生產能力4. 0 ×102萬t/ a.
屬典型的華北型煤田,主採3 # 煤。下部賦存極厚的奧陶紀灰岩含水層,奧灰至3 # 煤底板平均厚度為110m ,且水壓較高,屬於帶壓開採。
1 n2 - 7 陷落柱湧水情況
在常村礦生產過程中,發現了多個陷落柱,由於這些陷落柱均不導水,未能引起重視。2002 年8 月15 日n2 - 7皮順巷掘進時,工作面頂煤破碎,並發生冒落,工作面左上角開始向外出水,最初湧水量為10 m3/ h ;8 月24日工作面又發生第二次冒落,並伴隨大量水湧出,衝出大量的岩石碎塊,且岩性雜亂不均一,出水量約100 m3/ h ;27 日湧水量達到120 m3/ h 。
2 湧水水源分析
陷落柱湧水是乙個複雜的湧水方式,它是由於陷落柱構成的垂向越導通道溝通了垂向上發育的多個含水層,在上下含水層水壓差的驅動下而發生含水層水直接向礦坑湧水的現象[2 ] 。由於一般溝通多層含水層,因此,其水源分析十分複雜。通過探查工程,從陷落柱湧水的水量、水質以及同位素等方面結合地質、水文地質條件對湧水水源進行了綜合分析。
2. 1 湧水量
目前陷落柱總湧水量約2 ×105 m3 ,如果全部水量來自陷落柱中的儲存水,將含水層的空隙率按0. 1 %考慮,則疏幹體積應為2 ×108 m3 。經探測,陷落柱的直徑為50 m 左右,陷落柱的截面為1 962 m2 ,陷落柱的高度應為101 936 m ,這不可能。
因此可以認定突水有水源補給。補給的途徑有3 種可能:下部太原群多個薄層灰岩組成的復合含水層、深部巨厚的奧陶灰岩含水層或上部砂岩。
假設q補全部來自上部砂岩水,據《建井地質報告》記述,主、付、風井井筒開鑿經過石盒子組—山西組各砂岩含水層段時,均發生井筒湧水,初見湧水量和井筒剩餘漏水量與本次出水量大致相當。
砂岩裂隙水害一般不同於岩溶水的突發性和潰入性,而往往呈現出小→大→小的突水變化過程,也就是說突水前期一般有先兆,突水後期水量會逐漸衰減(圖2) 。本次陷落柱湧水量變化過程與砂岩裂隙水量變化過程相似。因此,以陷落柱導通多個頂部砂岩含水層是可能的。
若湧水水源為太原群多個薄層灰岩組成的復合含水層組,這幾層灰岩含水層雖然較弱,但在清理撒煤斜巷施工過程中,先後揭露太原群k5 ,k4 ,k3 ,k2 4 層灰岩含水層。揭露k5 灰岩時,湧水量為5 m3/ h ;揭露k4 , k3 灰岩時,湧水量分別為23 ,30. 66 m3/ h ,注漿後兩層灰岩殘餘湧水量為5.
01 m3/ h ;揭露k2 灰岩時發生突水,最大突水量約120 m3/ h ,水位穩定後,正常湧水量為55 m3/ h ,經多次注漿堵水, k2 灰岩殘餘湧水量為5. 0 m3/ h 。從湧水量來看,太原群多個薄層灰岩組作為湧水水源是可能的。
若湧水水源為深部奧灰水,由於水壓約為1. 2 mpa ,礦井所揭露的裂隙出水點的湧水量大且穩定,湧水量將遠大於100 m3/ h 。
2. 2 水質
對第四系水、上部砂岩水、陷落柱上部湧水、陷落柱下部湧水、k2 灰岩水及奧灰水等6 種水樣進行了測試及分析。陷落柱出水為hco3 - na 型水質。可以看出水質同於本區砂岩地下水型別,但其顯著特徵是2 000 mg/ l 左右的高礦化度、過高的na + 含量、高的cl - 及hco-3 含量是構成高礦化度的主要組成,與各含水層位地下水相比,以上水質特徵充分反映陷落柱上部水儲存於更封閉的環境中,居於其中的地下水長期與圍岩相互作用,其結果使溶解、溶濾的cl - 含量增加;強烈的離子交換作用導致na + 離子濃度普遍達到600 mg/ l 左右(最高含量662.
78 mg/ l) ;而so2 -4 還原作用產生高含量的hco-3 ,而so2 -4 本身含量降低。
2. 3 環境同位素d ,18o 分析
在天然水(地下水) 的研究中,環境同位素d(2h) ,18o 是屬於水的分子組成,在地下水中作為水體自身參與迴圈,由於這些環境同位素具有質量守恆特徵,使其成為天然水迴圈過程最理
想的示蹤原子,不受圍岩化學成分的干擾。通過對地下水中環境同位素豐度(比值或強度) 的測定,可以提供地下水成因、補給高程、環境溫度、不同水源的混合等資訊[3 ] 。本
次研究對上部砂岩水、陷落柱上部湧水、陷落柱下部湧水、k2 灰岩水及奧灰水等5 種水樣進行了測試及分析。
將所取各含水層水樣的δ18o ,δd 測定值進行對比,並繪出δ18o -δd 關係圖。從δ18o - δd 關係圖可以看出以下3 點。
1) 各含水層水樣δ18o - δd 值分布在大氣降水線附近,沒有明顯的偏離和漂移,說明各層地下水均為現代大氣降雨下滲形成,不存在其他成因形成的地下水。
2) 煤系砂岩水樣、陷落柱出水及陷落柱下部探孔水樣為一組,而k2 ,o2 灰岩水樣為另一組,兩組δ18o 有3. 45 ‰,δd 有24. 9 ‰的差異。
在同位素高度效應的作用下, k2 ,o2 灰岩水同位素值偏負,分析為由較高海拔高程山區的降雨補給,經奧灰、k2 灰岩露頭區廣泛下滲,徑
流並運移至取樣點所處層位。期間k2 灰岩含水層地下水因屬弱含水層徑流遲緩,在長期滯留過程中水岩作用使水質演化程度劇烈,該層地下水由補給區的弱礦化淡水轉型為高礦化度的hco3 - na 型水。而奧灰地下水在灰岩地層徑流過程中溶入石膏等礦物形成so4·hco3- ca·mg 型水質。
3) 同位素測定顯示,陷落柱出水和砂岩水同屬一種水源,說明陷落柱出水與砂岩水有較密切的關係,而與奧灰及k2 灰岩未有直接的聯絡。這一結果證實了水化學分析的結論。該水具有偏正的同位素值,可分析為當地降雨下滲形成。
一般來講平原地區降雨因高度效應影響會使同位素值偏正,且受到乾旱地區蒸發效應的影響,降雨中同位素值會向正值偏移,造成兩者(山區補給與當地降雨補給) 間同位素值的顯著差異。針對目前n2 - 7 陷落柱湧水情況,通過水質、同位素、水量等資料,結合地質、水文地質條件綜合分析判定,陷落柱湧水水源不是奧灰水及地表水,而是頂部砂岩含水層水。
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