常村煤矿N2-7陷落柱及其水源分析

摘　要: 常村煤矿N2 - 7 皮顺巷掘进过程中发生涌水,经探测证实是陷落柱涌水。通过对陷落柱涌水的涌水量类比,利用水质及同位素判别,结合矿区地质、水文地质等多种因素综合分析,判定了常村煤矿N2 - 7 陷落柱的涌水水源不是奥灰层含水,而是上部砂岩水,从而为矿井的防水、堵水设计与施工打下了基础。
关键词: 陷落柱; 涌水; 水源

  华北型煤田中发育的由断层和密集裂隙及陷落柱构成的垂直越导通道是煤矿生产过程中发生特大水害事故的重要因素[1 ] 。特别是陷落柱常导通多层含水层,使之水力联系增强,有时将深部高压的奥灰含水层水导入矿井,造成重大灾难。1984 年6 月2 日开滦范各庄矿发生震惊中外的特大突水灾害就是因为陷落柱导通了奥灰水而引起的。因此,陷落柱导水是矿井最为重要、最为敏感的防治水问题。常村煤矿是潞安矿业(集团) 公司主力生产矿井之一,位于山西省屯留县境内,矿井设计生产能力4. 0 ×102万t/ a. 属典型的华北型煤田,主采3 # 煤。下部赋存极厚的奥陶纪灰岩含水层,奥灰至3 # 煤底板平均厚度为110m ,且水压较高,属于带压开采。
1 　N2 - 7 陷落柱涌水情况
在常村矿生产过程中,发现了多个陷落柱,由于这些陷落柱均不导水,未能引起重视。2002 年8 月15 日N2 - 7皮顺巷掘进时,工作面顶煤破碎,并发生冒落,工作面左上角开始向外出水,最初涌水量为10 m3/ h ;8 月24日工作面又发生第二次冒落,并伴随大量水涌出,冲出大量的岩石碎块,且岩性杂乱不均一,出水量约100 m3/ h ;27 日涌水量达到120 m3/ h 。

2 　涌水水源分析
陷落柱涌水是一个复杂的涌水方式,它是由于陷落柱构成的垂向越导通道沟通了垂向上发育的多个含水层,在上下含水层水压差的驱动下而发生含水层水直接向矿坑涌水的现象[2 ] 。由于一般沟通多层含水层,因此,其水源分析十分复杂。通过探查工程,从陷落柱涌水的水量、水质以及同位素等方面结合地质、水文地质条件对涌水水源进行了综合分析。
2. 1 　涌水量
目前陷落柱总涌水量约2 ×105 m3 ,如果全部水量来自陷落柱中的储存水,将含水层的空隙率按0. 1 %考虑,则疏干体积应为2 ×108 m3 。经探测,陷落柱的直径为50 m 左右,陷落柱的截面为1 962 m2 ,陷落柱的高度应为101 936 m ,这不可能。因此可以认定突水有水源补给。补给的途径有3 种可能:下部太原群多个薄层灰岩组成的复合含水层、深部巨厚的奥陶灰岩含水层或上部砂岩。

　假设Q补全部来自上部砂岩水,据《建井地质报告》记述,主、付、风井井筒开凿经过石盒子组—山西组各砂岩含水层段时,均发生井筒涌水,初见涌水量和井筒剩余漏水量与本次出水量大致相当。
砂岩裂隙水害一般不同于岩溶水的突发性和溃入性,而往往呈现出小→大→小的突水变化过程,也就是说突水前期一般有先兆,突水后期水量会逐渐衰减(图2) 。本次陷落柱涌水量变化过程与砂岩裂隙水量变化过程相似。因此,以陷落柱导通多个顶部砂岩含水层是可能的。若涌水水源为太原群多个薄层灰岩组成的复合含水层组,这几层灰岩含水层虽然较弱,但在清理撒煤斜巷施工过程中,先后揭露太原群K5 ,K4 ,K3 ,K2 4 层灰岩含水层。揭露K5 灰岩时,涌水量为5 m3/ h ;揭露K4 , K3 灰岩时,涌水量分别为23 ,30. 66 m3/ h ,注浆后两层灰岩残余涌水量为5. 01 m3/ h ;揭露K2 灰岩时发生突水,最大突水量约120 m3/ h ,水位稳定后,正常涌水量为55 m3/ h ,经多次注浆堵水, K2 灰岩残余涌水量为5. 0 m3/ h 。从涌水量来看,太原群多个薄层灰岩组作为涌水水源是可能的。若涌水水源为深部奥灰水,由于水压约为1. 2 MPa ,矿井所揭露的裂隙出水点的涌水量大且稳定,涌水量将远大于100 m3/ h 。
2. 2 　水质
对第四系水、上部砂岩水、陷落柱上部涌水、陷落柱下部涌水、K2 灰岩水及奥灰水等6 种水样进行了测试及分析。陷落柱出水为HCO3 - Na 型水质。可以看出水质同于本区砂岩地下水类型,但其显著特征是2 000 mg/ L 左右的高矿化度、过高的Na + 含量、高的Cl - 及HCO-3 含量是构成高矿化度的主要组成,与各含水层位地下水相比,以上水质特征充分反映陷落柱上部水储存于更封闭的环境中,居于其中的地下水长期与围岩相互作用,其结果使溶解、溶滤的Cl - 含量增加;强烈的离子交换作用导致Na + 离子浓度普遍达到600 mg/ L 左右(最高含量662. 78 mg/ L) ;而SO2 -4 还原作用产生高含量的HCO-3 ,而SO2 -4 本身含量降低。
2. 3 　环境同位素D ,18O 分析
在天然水(地下水) 的研究中,环境同位素D(2H) ,18O 是属于水的分子组成,在地下水中作为水体自身参与循环,由于这些环境同位素具有质量守恒特征,使其成为天然水循环过程最理
想的示踪原子,不受围岩化学成分的干扰。通过对地下水中环境同位素丰度(比值或强度) 的测定,可以提供地下水成因、补给高程、环境温度、不同水源的混合等信息[3 ] 。本
次研究对上部砂岩水、陷落柱上部涌水、陷落柱下部涌水、K2 灰岩水及奥灰水等5 种水样进行了测试及分析。

    将所取各含水层水样的δ18O ,δD 测定值进行对比,并绘出δ18O -δD 关系图。从δ18O - δD 关系图可以看出以下3 点。
1) 各含水层水样δ18O - δD 值分布在大气降水线附近,没有明显的偏离和漂移,说明各层地下水均为现代大气降雨下渗形成,不存在其他成因形成的地下水。
2) 煤系砂岩水样、陷落柱出水及陷落柱下部探孔水样为一组,而K2 ,O2 灰岩水样为另一组,两组δ18O 有3. 45 ‰,δD 有24. 9 ‰的差异。在同位素高度效应的作用下, K2 ,O2 灰岩水同位素值偏负,分析为由较高海拔高程山区的降雨补给,经奥灰、K2 灰岩露头区广泛下渗,径
流并运移至取样点所处层位。期间K2 灰岩含水层地下水因属弱含水层径流迟缓,在长期滞留过程中水岩作用使水质演化程度剧烈,该层地下水由补给区的弱矿化淡水转型为高矿化度的HCO3 - Na 型水。而奥灰地下水在灰岩地层径流过程中溶入石膏等矿物形成SO4·HCO3- Ca·Mg 型水质。
3) 同位素测定显示,陷落柱出水和砂岩水同属一种水源,说明陷落柱出水与砂岩水有较密切的关系,而与奥灰及K2 灰岩未有直接的联系。这一结果证实了水化学分析的结论。该水具有偏正的同位素值,可分析为当地降雨下渗形成。一般来讲平原地区降雨因高度效应影响会使同位素值偏正,且受到干旱地区蒸发效应的影响,降雨中同位素值会向正值偏移,造成两者(山区补给与当地降雨补给) 间同位素值的显著差异。针对目前N2 - 7 陷落柱涌水情况,通过水质、同位素、水量等资料,结合地质、水文地质条件综合分析判定,陷落柱涌水水源不是奥灰水及地表水,而是顶部砂岩含水层水。