黄淮地区巨厚松散层岩性结构特征以及采矿对其水动态的影响.pdf

第 6 卷第 3 期工程地质学报Vol.6No.31998 年9 月Journal of Engineering GeologySep.,1998黄淮地区巨厚松散层岩性结构特征以及采矿对其水动态的影响?许延春耿德庸文学宽(煤炭科学研究总院北京开采研究所北京100013)摘要本文选择地处黄淮地区的淮南、淮北、大屯、兖州和邢台等矿区中典型矿井的巨厚松散层,分析了该地区巨厚松散层的岩性结构特征,从水体、地层和采矿波及类型等方面论述了采矿对松散层地下水动态的影响特征,解释和解决了某些实际工程问题。关键词松散层地下水动态采矿黄淮地区地处黄河、淮河平原,普遍存在着巨厚的新生界松散地层。近年来,巨厚松散层的变形、下沉以及所引起的工程问题已受到人们的重视,也逐步认识到了它是自 1987年以来黄淮地区发生 40 余个井筒破坏事故的主要因素。本文选择地处黄淮地区的淮南、淮北、大屯、兖州和邢台矿区中典型矿井的巨厚松散层,分析了该地区巨厚松散层岩性结构和沉积特征,归纳了水体和地层的水文地质类型,总结了采矿对松散层地下水均衡场的扰动特征,解释了一些工程实际问题。1黄淮地区巨厚松散层的岩性结构特征1.1岩性的垂向多层复合结构特征黄淮地区的平原地带除了个别地区受古地形的控制新生界地层比较薄外,绝大部分地区存在厚度大于 100 m 的新生界松散地层。本文从南至北,选择较有代表性的典型矿井的巨厚松散层,分析其垂向结构特征(表 1)。由表 1可见:各矿区松散层从宏观上均存在含、隔水层(组)相间的多层结构。隔水层(组)主要由粘土、粉质粘土层组成,一般有一层厚度大并且分布稳定的隔水层。该隔水层的存在可基本阻隔其上部各含水体与下部含水体之间的水力联系,受采矿影响的松散层含水层主要是下部含水层。例如,朱仙庄矿的“三隔”和兴隆庄矿的“二隔”阻隔?收稿日期:1997-10-13;收到修改稿日期:1997-11-16。国家自然科学基金项目(编号:59674006)支持第一作者简介:许延春,男,1963 年生,高级工程师,主要从事水体下采煤和岩土工程研究与施工。了底含与上部各含水层的水力联系;含水层(组)主要由细、中、粗砂和砂砾层组成,富水性弱至中等,一般不会对矿井安全产生严重威胁。表 1黄淮地区部分矿井新生界松散层结构Table1Structure of Cenozoic unconsolidated layers in some mines in Huanghuai Area岩层安徽淮南潘集矿安徽淮北朱仙庄矿山东兖州兴隆庄矿河北邢台煤矿厚度/m参数岩性厚度/m参数岩性厚度/m岩性及参数厚度/m岩性及参数一含91q=1.573.67k=0.3911.437中细粉砂为主30q=0.9331.719k=2.166.98粉质粘土粉砂40.8细砂为主57.18砾石层一隔 18.3IP=1722粘土为主14IP=19620.4粘土24粘土10.58粉质粘土二含167q=0.3981.02k=1.1094.704中细粉砂为主34q=1.4172.594k=4.7710.95细粉砂中砂27结构复杂中粗砂15.44粗砂二隔 20.3IP=1829粘土为主17IP=2127粘土75粘土22.8砂质粘土三含 096q=0.831.83k=1.932.828砂砾砂砾45q=0.1631.1k=1.523.90细中砂27中粗砂砂砾15.35粗砂砂砾三隔/80IP=2137粘土/q=0.6521.7953.59粘土为主四含/25q=0.00180.2k=0.0242.024砂砾砂砾混粘土/k=8.895.212.23粉砂层四隔/62.03粘土五含/8.69砂砾层q=0.0082,k=0.0947注:q 为单位涌水量(Ls-1m-1),k 为渗透系数(md-1),IP为塑限。除了松散层具有多层结构外,各含、隔水层(组)内一般也具有颗粒粗细渐变的多层结构(表 2)。这一特征可以造成在一定区域同一含水层(组)内水位不同,例如朱仙庄矿西风井处“四含”内 237 m 处的中细砂层水位(83-02 孔)与 247 m 处的砂砾层水位(83-06孔)有明显水位差,可达 5 m。表 2朱仙庄矿“四含”、兴隆庄矿“三含”多层结构T able 2Multi-layers structure of Aquifer No.4 in Zhuxianzhuang M ineand Aquifer No.3in Xinglongzhuang Mine朱仙庄矿“四含”结构兴隆庄矿“三含”结构埋深/m层厚/m岩性埋深/m层厚/m岩性234.772.50含粘砂砾159.5010.30砂砾层237.275.31中、细砂169.903.60粉质粘土242.581.60含粘砂砾173.504.90中砂层244.181.10粉质粘土178.405.50砂砾层245.282.16粘土183.902.10粉质粘土247.447.43砂砾层186.003.50中砂层254.87189.50212工程地质学报第 6 卷1.2岩性的平面分布特征巨厚松散层岩性的平面分布特征主要表现为区域内的类似性和局部地段内的差异性。所谓区域内的类似性是指:在矿区大面积范围内巨厚松散层岩性具有类似稳定的结构,各含、隔水层有类似的结构,并且岩层由类似的矿物成份构成,因此,具有较好的类比性。例如,淮北临涣矿区(包括临涣、海孜和童亭矿)在几十平方公里井田范围内具有相同的“四含三隔”结构,其中,分布稳定的“二隔”其粘土层以蒙脱石、伊利石矿物成分为主;同样在兖州矿区大范围内(兴隆庄、鲍店、杨村矿)也具有类似的“三含二隔”结构性质。所谓局部地段内的差异性是指:在具体矿井或采区范围内与开采有关的含、隔水层岩性变化快,性质差异明显。例如,兖州兴隆庄矿主、副井间距小于30 m,其“三含”底部砂砾层主井处为 17.4 m,而副井处仅为 7.4 m;朱仙庄矿“四含”富水性则具有平面分带性(表3)。表 3朱仙庄矿“四含”平面分带T able3Horizortal zoning of Aquifer No.4in Zhuxianzhuang M ine分带号分带特征含水层厚/m富水性评述四含下部为砂层3.817.30q=0.00180.0563,k=0.0241四含下部为泥砾砂砾交错带5.416.29q=0.00170.0639,k=0.01302四含下部为砂砾8.4134.39q=0.00830.20,k=0.142.0243四含下部为泥砾砂砾交错带4.8421.82q=0.0272,k=0.13四含下部有粘土018.25q=0.00288,k=0.0017分析认为黄淮地区松散层具有以上结构特征主要是由于该地区地层主要由河流相和湖泊相地层交错组成。区域内类似的沉积环境和岩相变化使地层具大面积的类似性,而河流相和湖泊相本身的沉积特征又具有多变性,沉积物的性质、结构、厚度在水平和垂直方向有明显的差异性。2采动对松散层地下水动态的影响2.1水体类型及其水动态煤矿水体的结构类型包括:地表水体、松散含水层水体、基岩含水体以及由它们所组合而成的多种不同水体类型。对于具有巨厚松散层的矿井,由于松散层内的隔水层阻隔了地表水与下部含水层的水力联系,因此,巨厚松散层矿井的水体类型绝大多数为“松散含水层和基岩含水层二者构成的水体”。“松散含水层和基岩含水层二者构成的水体”。指基岩含水层与松散含水层有密切水力联系的水体类型。由于具有一定的补给源,因此受采矿影响松散层的水位变化幅度和疏降漏斗的范围主要取决于矿井排泄量与补给量的关系。例如朱仙庄矿与采矿相关的水体包括:松散层底部含水层、侏罗纪裂隙岩溶含水层、煤层顶板砂岩含水层以及底板太灰含2133 期许延春等:黄淮地区巨厚松散层岩性结构特征以及采矿对其水动态的影响水层。矿井在二、四采区开采期间,当四含水排泄量增大时,四含水位下降,排泄水量减少时,水位又恢复,水位呈平缓波动(图 1);当矿井排水量大于补给量时,水位出现大幅度持续下降。例如,临涣矿区就属这种类型,易引发井筒破坏(图 2)。图 1朱仙庄矿各孔四含水位及矿井涌水量曲线图Fig.1Curve of water table of Aquifer No.4and water discharge in Zhuxianzhuang Mine1.矿井涌水量;2.8306 孔;3.8414 孔;4.8302 孔图 2临涣矿四含水位及矿井涌水量曲线图Fig.2Curve of water table of Aquifer No.4 and water discharge in Linhuan M ine1.矿井涌水量;2.88-1 孔;3.88-3 孔;4.85-2 孔;5.补 85-8孔“单纯的松散含水层水体”是指矿井排水绝大部分为松散层中的砂层、砂砾层及砾石层水,这类水体属孔隙水。总的看,该类型水体的特点是流量较小、流速小、补给少,水位也是持续下降类型的。2.2地层的水文地质结构类型矿井地层的水文地质结构,有单一结构、复合结构、封闭半封闭结构和覆盖结构 4 种。巨厚松散层大多数可以形成煤田的“封闭半封闭结构”和井田的“复合结构”。封闭半封闭结构,多表现在煤田范围内,其特征是隔水性的岩层或岩体,在一定范围内能够形成一个封闭的或半封闭的储水条件,地下水以静储量为主,在垂直方向和水平方向的补给是缓慢的,受矿井疏排水影响松散层含水层易形成大范围水位降。例如,淮北临涣矿区的临涣、海孜、童亭三矿,底含(“四含”)水间接排泄到矿井,造成该含水层水位在煤田范围大幅度一致下降,19891991 年期间四含水位以每年 10 m 左右的速度被疏降,造214工程地质学报第 6 卷成地表下沉面积达 79 km2,与此同时 3 个矿均出现井筒破坏事故;兖州煤田的鲍店、兴隆庄、杨村、横河等矿三含水位同样大面积持续下降,例如,兴隆庄矿在 19831996 年的 13年中,三含观 6 孔水位下降 28.3 m,上述 4 矿也出现了多个井筒破坏事故。复合结构,多表现在井田范围内,其特征为含水层和隔水层处于分散状态,分散的含水层之间的垂向水力联系因被其间的隔水层所阻隔而不畅通地下水以水平运动为主,一般形成“上强下弱”的富水规律。表 1 中的矿井,以及华东许多井田的河流、湖泊相的多层砂松散层都属于这一类型。2.3采矿对松散层水体的波及形式采矿对松散层水体的波及形式可分为直接波及和间接波及二种。直接波及形式:采矿引起的导水裂隙带直接波及到松散含水层,造成松散层水直接泄入矿井。例如,朱仙庄矿、邢台矿等含水层富水性弱,留设防砂煤柱开采的矿井属这类情况,松散层水位疏降漏斗的中心通常与采场中心相吻合一致。间接波及形式:采矿引起的导水裂隙带没有直接波及到松散含水层,松散层水通过补给其它受采动疏排的基岩含水层和导水断层、封堵不好的钻孔等间接泄入矿井。基岩柱厚度大时或松散含水层富水性中等以上时,留设防水煤柱开采属这种波及类型。松散层的疏降漏斗中心与采场中心往往不相一致,或松散层不能形成明显的疏降漏斗,例如兴隆庄矿“三含”多个水文孔水位一致下降没有形成明显疏降漏斗(图 3)。图 3兴隆庄矿三含水位及矿井涌水量曲线图Fig.1Curve of water table of Aquifer No.4and water discharge in Xinglongzhuang Mine1.矿井涌水量;25.三含水位长观孔3对某些工程现象的解释对井筒破坏地域的普遍性、集中性和个别不破坏现象的解释:华东地区普遍存在具有复合结构的巨厚松散地层,多个矿区具有疏排松散层底含水的情况,致使地层产生固结压缩变形,因此在淮北、大屯、兖州等多个矿区普遍产生了井筒破坏现象;由于底含分布广2153 期许延春等:黄淮地区巨厚松散层岩性结构特征以及采矿对其水动态的影响泛,因此,井筒破坏具有多矿井集中破坏的现象,例如,临涣矿区和兖州矿区的多井筒集中破坏;然而,在井筒破坏集中的矿区的确有些矿井筒未发生破坏,究其主要原因是松散层岩性分布变化造成井筒处“底含”缺失,不产生固结压缩沉降或底部含水层得到较好补给造成水位不大幅下降(例如淮北朱仙庄矿)。所以,认识到这点对有些矿的井筒就可不必实施井筒防治工程。松散层底部为主压缩层的解释:由于巨厚松散层多为复合结构,除底含水被矿井疏排外,其上部的隔水层阻隔了以上各含水层与之的水力联系。因此只在底含内部及其周围出现固结压缩,形成主压缩变形层。因此当注浆加固地层时应集中加固主压缩变形层。4结论巨厚松散层岩性具有垂向的多层复合结构、平面分布上结构的类似性、岩性的差异性等基本特征;由于矿井水体类型不同水位变化可形成平缓波动和持续下降类型,其中后一种易引发井筒破坏;矿井地层多为复合结构,煤田范围多为封闭或半封闭结构,易形成矿区大范围松散层水位降和井筒破坏;对井筒破坏的普遍性、集中性和个别不发生破坏等一些工程现象进行了解释。LITHOLOGICAL CHARACTERISTICS OFLARGE-THICK UNCONSOLIDATED LAYERSAND THE INFLUENCE OF MINING ACTIVITIESON THEIR WATER REGIME IN HUANGHUAI AREAXu YanchunGeng DeyongWen Xuekuan(China Central Coal Research Institute,Beij ing100013)AbstractIn this paper,the lithological characteristics of large-thick unconsolidated layers invertical and lateral directions,in selected typical coal mines of Huainan,Huaibei,Datun,Yanzhou and Xingtai coalfields in Huanghuai area are analysed.Meanwhile,theinfluence of mining activities on ground water regime is also discussed from the aspectsof water bodies,rock layers,and mining activities,etc.T he study is of benefit to solu-tion of some practical engineering problems.Key wordsUnconsolidated layers,Ground water regime,Mining activities.216工程地质学报第 6 卷