巖溶山區(qū)傾斜煤層開采條件含水層再造方法研究
陳正華1,2，姚光華2,3，唐清敏1,2
（1．重慶地質礦產研究院外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點實驗室，重慶400042：2．煤炭資源與安全開采國家重點實驗室重慶研究中心，重慶400042：3．成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059）
摘 要：本文針對礦區(qū)主要含水層特征分析，確定重點保護T1j含水層，其次為P3c含水層，提出了采用封閉不良鉆孔重新啟封段注漿和離層裂隙帶壓力注漿兩種含水層再造方法修復含水層，著重分析了最優(yōu)壓力注漿的層位在位于拉伸區(qū)T1f7隔水層，其次是P3 I/P3c淺層離層裂縫帶，最后劃分了含水層再造的有利區(qū)位，為巖溶山區(qū)煤礦水害防治和地下水資源優(yōu)化利用提供理論依據。
關鍵詞：巖溶山區(qū)；傾斜煤層；含水層再造方法；再造有利區(qū)域
中圖分類號：P6 41.4文章編號：1004-4051(2016)04-0098-05
礦產資源開采會使地下水補徑排關系、地下水動態(tài)、地下水流態(tài)以及水-巖化學相平衡發(fā)生變化，這些變化會引起地下水位的下降和水資源枯竭，為此國內外學者對采煤引起的地下水變化情況進行了廣泛的研究。張發(fā)旺、侯新偉等針對北方干旱地區(qū)煤礦開采引起地下水資源嚴重破壞這一現實，提出了“含水層再造”和“再造的含水層”概念，分析研究了采動條件下煤層頂板裂隙的生成、含隔水性能的變化以及煤層頂板在采動應力狀態(tài)下含水層再造的過程和分布，闡明了利用“含水層再造”進行“采煤保水”的機理，探討了煤層頂板含水層再造變化規(guī)律及對地下水滲透性變化效應。范立民、蔣澤泉通過對陜北十多年來的采煤實例研究表明，采煤造成地下水滲漏嚴重，同時對生態(tài)環(huán)境也產生了較大影響，在研究“保水采煤”的基礎上，從陜北地區(qū)廣泛分布的燒變巖和它特殊的水文地質條件得到啟發(fā)，認為對部分小流域進行高強度的煤炭開采，使采空區(qū)頂板巖層破裂后，形成類似于燒變巖的地下水儲存空間，經過一定時期的含水層再造，形成新的含水盆地，從而實現采煤與保水、保護生態(tài)環(huán)境并舉，促進區(qū)域煤炭資源合理開發(fā)利用。
此外，采用注漿加固和改造含水層的方法在我國各大礦業(yè)集團開始逐步采用，并積累了一定的經驗。如永城煤電集團根據礦區(qū)的特點，采用了注漿方法加固頂底板灰?guī)r，進行含水層改造，進而達到防治礦井水害的目的，同時在底板單一厚層灰?guī)r含水層注漿技術的成功經驗基礎上，結合物探技術和計算機輔助，進行了多層含水層裂隙出水底板注漿改造的嘗試。張光輝、陳岳飛基于地質勘探過程中部分鉆孔封孔質量不達標，從而成為地下各含水層的導水通道的實際情況，進行了井下突水鉆孔擴孔注漿技術封堵勘探鉆孔的嘗試，在龐莊煤礦經過多次實踐，取得了較好的經濟效益，同時為封堵不規(guī)則突水鉆孔積累了經驗。
這些針對含水層再造及再造方法技術研究多集中在北方地區(qū)，對于南方巖溶山區(qū)這種以基巖裸露為主的煤炭開發(fā)區(qū)域含水層再造及技術方法研究幾乎沒有涉及。
南桐煤礦是西南巖溶山區(qū)最早開發(fā)的老礦之一，于1938年投產，至今有70余年的開采歷史，長期的煤礦開發(fā)形成了大面積的采沉區(qū)，引發(fā)的水資源和水環(huán)境問題十分突出，具有典型性。筆者以重慶南桐煤礦為主要研究對象，進行了地表水入滲特征研究、含水層破壞模式研究以及采沉區(qū)尋找地下水資源研究，基于以上研究背景，本文通過特征分析法確定重點修復的含水層，研究含水層再造方法，在分析各個隔水層的巖體力學性質的基礎上，選擇最優(yōu)壓力注漿的層位在位于拉伸區(qū)T1f7隔水層，其次是P3 I/P3c淺部離層裂縫帶，最后劃分了含水層再造的有利區(qū)位，為巖溶山區(qū)煤礦水害防治和地下水資源優(yōu)化利用提供理論依據。
1 研究區(qū)背景
區(qū)內可溶性石灰?guī)r大面積出露，特別是二疊系中統(tǒng)棲霞組( P2q)、茅口組(P2m)、上統(tǒng)長興組(P3c)，和三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)石灰?guī)r，它們厚度大、質純，加之區(qū)內降水充沛，溫度適宜，給巖溶地貌的生成創(chuàng)造了良好條件。在P2q、P2m、P3c、T1j巖層中，溶洞、落水洞發(fā)育，溶蝕洼地、地下暗河亦較發(fā)育，各含水層的富水性見表1。
在采煤沉陷區(qū)內，采煤活動對上覆巖體不同區(qū)域產生了不同的破壞作用，對于含水層，這種破壞加大了儲水空間，有利于地下水的匯集及有效利用；而對于隔水層，破壞后的隔水能力下降，會漏失上部含水層中的地下水。所以，含水層再造的核心是隔水層修復，即通過各種方法手段，使特定部位被破壞的隔水層修復為有隔水能力的地層，從而使上部含水層可以更方便的匯集地下水而不漏失，達到含水層再造的目的。
3含水層重點保護段分析
研究區(qū)主要含水層為T1j含水層和P3c含水層，次要含水層為T1 f1-5弱含水層。3.1 T1j含水層
T1j含水層即為“統(tǒng)一含水體”（含水區(qū)域I），主要為灰色厚層狀石灰?guī)r，受侵蝕、溶蝕后，地形成槽谷、洼地、殘丘地貌，溶洞、落水洞隨處可見，地下暗河亦較發(fā)育，泉水多，流量較大，富水中等。由于其出水量大且穩(wěn)定，接近地表，是考慮的重點保護含水層。
3.2 P3C含水層
P3c含水層即為“離層裂縫帶”（含水區(qū)域Ⅱ），該含水層為強含水層，但含水性不均一，巖溶發(fā)育的相對深度在地表以下120m以內，以下為含水微弱。因此，P3c石灰?guī)r含水層實際指的是淺部巖溶、裂隙發(fā)育段。這些淺部發(fā)育的風化裂隙、溶蝕（孔洞）與煤層大面積開采后形成的地表張裂隙、采動離層導水裂隙相互溝通。在淺部開采時直接向工作面涌水；在上水平開采結束、覆巖相對穩(wěn)定后形成一個由采動裂隙導通的、統(tǒng)一的承壓水體——“地下水庫”，考慮該含水層同樣具有較大的水量，是可以考慮的次重點保護層位。
3.3 T1f1-5弱含水層
T1 f1-5弱含水層為泥質灰?guī)r和石灰?guī)r互層，裂隙發(fā)育，有泉水出露，但流量小，鉆孔抽水單位涌水量q=0. 02761／s. m，富水性弱。由于出水量小，深度大，實施保護的成本高，是一般的保護層位。
綜上所述，通過特征分析，選取T1j含水層為重點保護的含水層，P3c含水層為次重點保護的含水層層位。
4含水層再造方法
通過隔水層修復來再造含水層，其再造方法主要分為封閉不良鉆孔的再處理、離層裂隙帶壓力注漿。方法實施位置見圖1。
4.1 封閉不良鉆孔啟封隔水層段及弱含水層段注漿封閉
20世紀50～60年代的煤田地質勘查鉆孔在T1f層位并沒有密封，而P3 c及P3I地層僅用黏土和碎石封堵；70年代以來施工的勘查孔，對P3c、P3I及P2m用水泥砂漿封堵，T1f及以上地層用鉆井泥漿封堵，孔口段用水泥砂漿封堵。前期鉆孔在T1f層位都沒有密封，對隔水層造成了破壞，封閉不良鉆孔是上部“統(tǒng)一含水層”與下部“離層儲水帶”直接聯(lián)系的通道，為了達到含水層再造的目的，需要對隔水層封閉不良鉆井井段進行技術處理，有效阻隔這條導水通道。
主要采取的措施是啟封原有煤田地質勘查鉆孔，于T1 f1-7層位注漿封閉，針對T1f地層進行修復。
4.2離層裂隙帶壓力注漿
研究區(qū)地層軟硬巖相間，在下部軟巖上部硬巖的接觸部位，容易形成離層裂隙匯集少量地下水，雖然彎曲帶或整體移動帶內的巖層裂縫間的連通性不好，導水能力很微弱，但是離層現象的出現對隔水層的完整性和隔水性能還是造成了一定的影響，所以在某些特定層位有必要做離層裂隙帶壓力注漿，提升隔水層的隔水能力。針對保護T1j含水層，離層裂隙帶壓力注漿可以用于減小下伏地層的透水性，從而減少T1j含水層中的地下水向下越流。
針對P3 c含水層離層帶儲水隨著采掘工程的延深而逐漸向下水平移動，一直處于動態(tài)變化中的特征，如果對下水平離層帶儲水空間注漿再造后又會受到重復破壞，離層裂隙帶壓力注漿意義不大。因此選擇在上部離層儲水裂隙帶利用生產井淺部老巷或老窯進行帷幕注漿可以起到截流地下水的作用，匯聚地下水。
主要采取的離層裂隙帶壓力注漿措施有兩種：一是選擇含水層下伏軟巖層位，進行壓力注漿，形成帷幕，有效托起上部含水層地下水，達到含水層再造的目的；二是在離層裂隙帶地下水徑流的通道中進行壓力注漿阻斷地下水的徑流，引導地下水匯集形成新的儲水空間，達到再造含水層的目的。
5研究區(qū)壓力注漿層位選擇
針對研究區(qū)內各個隔水層受采煤破壞形式，分析選擇最優(yōu)再造層位。
5.1 隔水層P3I
二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M( P3I)厚約92m，為泥巖、頁巖、砂質泥巖，生物碎屑灰?guī)r、硅質灰?guī)r、砂巖、鈣質泥巖、黏土巖及煤層，底部為鋁質泥巖、雜色角礫巖。
在未開采條件下屬于隔水層，由于煤層位于此層內，開采后形成裂縫帶或導水裂縫帶，破壞了原巖的完整性，導致整個P3I地層裂隙發(fā)育，喪失隔水能力。P3I上覆地層為含水層P3 c，隨著采掘工程的延深，P3I不斷遭到破壞，由于導水裂隙帶延伸到了含水層P3 c內，P3 I/P3 c地層導水性大大增強，儲水空間變大，可以考慮在生產礦井淺部利用老窯或老巷帷幕注漿截流過水通道，形成新的儲水空間，故認為P3I地層淺部屬于可以選擇的較有利再造層位。
5.2隔水層T1 T6-7
三疊系下統(tǒng)飛仙關組( T1 f6-7)厚約15 7m。
七段(T1f7)厚32.86m左右，為灰黃、綠灰色鈣質泥巖夾薄層狀石灰?guī)r，底部含生物化石碎屑灰?guī)r，為軟硬巖相間，據SK15提水試驗及壓水試驗成果顯示，T1f7地層雖然屬于隔水層，但是在采煤影響下，SK15鉆孔所在部位T1f7地層隔水性能受到破壞，產生倒八字形裂隙，已不具備隔水能力，具有深度不大，容易修復的特點，適宜選作再造的有利層位。
六段(T1f6)厚124. 51m左右，暗紫色鈣質泥巖，間夾鈣質結核，質地致密，性脆，節(jié)理發(fā)育，暴露地表易風化崩解成顆粒狀，屬于厚層軟巖，據SK15鉆孔現場鉆探情況看此地層完整性好，是研究區(qū)重要隔水層，T1j1含水層中的地下水主要靠這層隔水層隔水，在已有封閉不良鉆孔內，選作一般再造層位。
上部T1j1地層是研究區(qū)重要的含水層，在未開采條件下，T1 f6-7地層屬于隔水層，能夠很好的起到保護T1j1地下水的作用，但是在采動影響下，位于拉伸區(qū)的T1f7巖層出現裂縫，不具備隔水能力，拉伸區(qū)滲透性能增大，在平面成條帶狀，范圍有限，下部T1 f6地層能夠有效隔水和阻止注漿液向深部流動的作用，從而可以對拉伸區(qū)的T1f7地層進行處理，有效阻隔T1j1地下水的向深部滲透，故認為T1f7地層是含水層再造的有利層位。
5.3 隔水層T1 j2-3
三疊系下統(tǒng)嘉陵江組( T1j2-3)厚約69m。三段(T1j3)為紫紅、灰綠色等雜色頁巖，間夾1～2m薄層石灰?guī)r，厚約38. 89m;二段(T1j2)下部為灰色、黃色鈣質頁巖，間夾黃色泥灰?guī)r，上部灰色薄層狀石灰?guī)r，含泥質厚約30. 48m。
T1j2-3地層主要為軟巖夾薄層硬巖，在未開采條件下屬于隔水層，由于這層隔水層總厚度不大，采動裂縫的存在，將T1j1、T1j4連成一個整體，有利于儲水空間的擴大而增加地下水儲藏量，不考慮對其再造。
5.4弱含水層T1 f1-5
三疊系下統(tǒng)飛仙關組( T1 f1-5)厚約145m。為泥質灰?guī)r和石灰?guī)r互層。
五段(T1 f5)：灰色石灰?guī)r，頂部為鮞狀灰?guī)r，中下部有黑色泥質縫合線，間夾薄層紫色泥質灰?guī)r，平均42. 82m。
四段( T1 f4)：紫色泥質灰?guī)r，夾薄層狀灰?guī)r，平均23. 94m。
三段(T1 f3)：灰～淺灰色不純石灰?guī)r夾鈣質泥巖，有泥質縫合線，平均21. 38m。
二段( T1 f2)：紫色薄片狀泥質石灰?guī)r，層理發(fā)育，平均21. 40m。
一段( T1f1)：下部灰綠色頁巖（風化后呈土黃色），致密；上部為薄層狀灰色石灰?guī)r，夾泥質甚重，性脆，平均37. 77m。
T1f1-5地層為軟硬巖互層，在未開采條件下富水性弱，深部為隔水層。在開采條件下，T1f1-5地層軟硬巖接觸部位存在離層現象，含有少量地下水。對照上面巖性分析，T1f5和T1 f3為灰?guī)r含水層，但是由于層厚不大，埋藏深度大，水量小，再造的經濟效益不好，故T1 f1、T1 f2、T1 f3軟巖不宜作為重點再造層位，在已有封閉不良鉆孔內，選作一般再造層位。
5.5離層裂隙帶壓力注漿再造有利層位
綜上述所，所有隔水層中，位于拉伸區(qū)T1f7隔水層具有最好的再造條件，其次是P3 I/P3c離層裂隙帶再造條件一般。故可以選擇受采煤破壞的T1f7地層進行壓力灌漿，形成帷幕（圖1），阻止T1j含水層下滲，達到含水層再造的目的；還可以在P3 I/P3c離層裂隙帶淺部利用老窯或生產礦井對P3I地層帷幕注漿（圖1），形成帷幕截流地下水到新的儲水空間，達到再造含水層的目的。
6 離層裂隙帶壓力注漿有利區(qū)域劃分
6.1含水層再造不利區(qū)
綜合前文，離層裂縫帶壓力注漿含水層再造的不利區(qū)域主要有以下三處。
第一：屬于多次采動影響地段，這種區(qū)域覆巖遭受多次拉伸擠壓作用，巖體破碎，形成塊狀，不利于再造。
第二：封閉不良鉆孔多、導水斷層密布地區(qū)，再造工作量太大，投人大，經濟效益差，不易于再造。
第三：層位的選擇上，根據壓力注漿層位選擇分析，T1j2-3、T1f1、T1f2、T1f3和深部P3I再造條件差。
以上述條件，劃分離層壓力注漿含水層再造的平面不利區(qū)域（圖2）。
6.2含水層再造較有利區(qū)
含水層再造較有利區(qū)（圖1、圖2），指歷史上受采煤破壞，目前不受采煤直接破壞的相對穩(wěn)定區(qū)域，位于淺部的P3 I/P3c離層裂隙帶。
6.3含水層再造有利區(qū)
離層裂隙帶壓力注漿含水層再造的有利區(qū)域（圖1、圖2）位于采動最邊緣的拉伸區(qū)，此區(qū)域只有拉伸變形，呈條帶狀分布，對隔水層修復有利，壓力注漿層位為T1f7隔水層。
7結 論
1)針對礦區(qū)主要含水層特征分析，T1j含水層出水量大且穩(wěn)定，接近地表，是重點保護的含水層；P3c含水層同樣具有較大的水量，是可以考慮的次重點保護層位。
2)含水層再造核心是隔水層修復。T1j含水層再造采用修復下伏T1f地層隔水性的方法；P3c含水層再造采取淺部修復下伏P3l隔水層截流地下水到新的儲水空間的方法。
3)研究提出可采用封閉不良鉆孔啟封隔水層段及弱含水層段注漿封閉和離層裂隙帶壓力注漿兩種含水層再造方法，達到再造含水層的目的。
4)對于T1j含水層，位于拉伸區(qū)的T1f7地層為再造有利層位；對于P3c含水層，P3I/P3c離層裂縫帶淺部具有再造條件。
5)提出的有利區(qū)域劃分為巖溶山區(qū)傾斜煤層開采條件下地表水優(yōu)化利用及煤礦防治水指明了方向。
