伊南煤田脫維勒克井田礦井涌水量預測分析

朱國慶，劉洪勝，戚樹林

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東濟南250014)

井田位于伊犁盆地南緣，地勢南高北低，南部為丘陵區(qū)，海拔標高一般為970～1 300 m;區(qū)內(nèi)多被第四系覆蓋，南部35～100m，北部110～200 m。

井田內(nèi)為大陸性北溫帶干旱-半干旱氣候，年平均氣溫7.2℃，年降水量 440.60 mm;年蒸發(fā)量 1685 mm。

區(qū)內(nèi)較大的地表水系由東向西依次為瓊博拉薩依溝、索墩布拉克薩依溝、克其克博洛薩依溝、呼吉爾臺溝、紅海溝等5條河流。均源于天山南支山脈，由南向北徑流，只有少部分流入伊犁河，大部分滲入地下變?yōu)榈谒南禎撍?/p>

伊犁盆地為中生代山間凹陷盆地。沉積基底為上地層為古生界泥盆系、石炭系、二疊系;區(qū)內(nèi)地表廣泛分布著第三系及第四系;三疊系和侏羅系出露于盆地南緣的低山—丘陵地帶。伊犁盆地南緣斜坡地帶發(fā)育的地層由老至新有:古生界石炭系、二疊系;中生界三疊系、侏羅系、白堊系;新生界古近系、新近系、第四系。中、新生界總體呈向北緩傾的單斜構(gòu)造，地層走向近東西向，地層發(fā)育齊全，沉積厚度適中，侏羅系地層為盆地內(nèi)最主要的產(chǎn)煤構(gòu)造單元。

圖1 西山窯組煤層分布示意圖

井田內(nèi)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)西山窯組(J2x)，分布廣泛，是一套在潮濕氣候條件下形成的含煤碎屑沉積。巖性為灰黃色、灰綠色、灰色砂礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖和煤層。煤系平均總厚約298.85 m，共含煤 12層，煤層總厚 46.99 m，含煤系數(shù)為15.72%。自上而下編號為1號煤層、2號煤層、3號煤層、4-1號煤層、4-2號煤層、5號煤層、6號煤層、8號煤層、9-1號煤層、9號煤層、10號煤層、12號煤層。主要可采煤層為3號煤層、5號煤層，全區(qū)穩(wěn)定分布。侏羅系西山窯組底部發(fā)育一層礫巖，是與三疊系平行不整合分界面的區(qū)域性標志層(見圖1)。

區(qū)域內(nèi)巖漿活動較為頻繁，主要為海西晚期花崗巖、細晶花崗巖、粗粒黑云母花崗巖、輝長巖、輝長—閃長巖，侵入于下石炭統(tǒng)地層中，出露于區(qū)內(nèi)南部，對煤層、煤質(zhì)無破壞影響。

1 井田水文地質(zhì)特征

1.1 含水巖組

區(qū)內(nèi)含水層依據(jù)地質(zhì)時代成因、巖性特點、水力性質(zhì)及埋藏條件分可為兩大類:(1)新生代沖洪積孔隙潛水含水層(Ⅰ);(2)侏羅系層間裂隙孔隙承壓含水層(Ⅱ);各含水層劃分詳見圖2。

圖2 井田含水層與隔水層劃分示意圖

1.1.1 新生代沖洪積孔隙潛水含水層(Ⅰ)

1)第四系孔隙含水層(Ⅰ1)

廣布全區(qū)，巖性為卵礫石層，砂泥質(zhì)充填，透水性較差，含水性弱;河谷處汛期含水性相對較好，單井涌水量小于100m3/d，滲透系數(shù)0.098m/d，地下水受降水和地表水補給，是礦坑的間接充水水源。

2)新近系孔隙含水層(Ⅰ2)

隱伏于第四系之下，含水層巖性為含礫粗砂巖，厚11.70～146.50 m，因其上部常有20 m左右厚的褐紅色泥巖阻隔，補給條件較差，單位涌水量約0.003 5 l/s·m，滲透系數(shù)小于0.01 m/d，富水性弱，主要受第四系孔隙水補給。

1.1.2 侏羅系層間裂隙孔隙承壓含水層(Ⅱ)

1)Ⅱ1含水層

該含水層巖性以含粗砂巖、礫粗砂巖為主，膠結(jié)疏松，透水性較好，富水性較弱。含水層埋深96 m～599.71 m，地下水主要受隱伏露頭區(qū)潛水直接補給及季節(jié)性河水的間接補給，單位涌水量0.012 L/s·m，滲透系數(shù)0.081 m/d，本含水層位于1號煤層以上，為開采3號煤層和5號煤層頂板間接充水水源。

2)Ⅱ2含水層

該含水層位于1號煤層和3號煤層之間，層巖性以含礫粗砂巖、粗砂巖為主，單位涌水量0.020 L/s·m，滲透系數(shù)0.071 m/d，透水性、富水性弱，本含水層是開采3號煤層和5號煤層頂板直接或間接充水水源。

3)Ⅱ3含水層

該含水層位于3號煤層和5號煤層之間，含水層巖性以含礫粗砂巖為主，在井田中部多相變?yōu)榧毶皫r或粉砂巖，膠結(jié)疏松，透水性較好。單位涌水量0.033 L/s·m，滲透系數(shù)0.173 m/d。是開采3號煤層底板充水因素和開采5號煤層頂板充水因素。

4)Ⅱ4含水層

該含水層位于5號煤層與8號煤層之間，含水層巖性以含礫粗砂巖為主，其次夾有細砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)疏松，透水性和富水性較好。該含水層在隱伏露頭區(qū)接受地表水及潛水的補給，具有較高的承壓水頭，打穿該層的鉆孔一般有自流現(xiàn)象。具中等—弱富水性，單位涌水量0.013～0.127 L/s·m，滲透系數(shù)0.119～0.520 m/d;與5號煤層之間僅有1～7 m(一般為5～15 m)的隔水層，在較高水頭壓力之下，可通過底板滲水，是開采5號煤層主要底板充水因素。

5)Ⅱ5～Ⅱ6含水層

該含水層位于8號煤層和10號煤層之間，含水層巖性以含礫粗砂巖、粗砂巖為主，其次為少量細砂巖和礫巖，泥質(zhì)膠結(jié)疏松，透水性較好。主要受地表水、潛水、山區(qū)基巖裂隙水的側(cè)滲補給及其下部承壓水的越流補給，與Ⅱ4之間有平均厚50.15 m的泥巖、粉砂巖及8號煤層組成的穩(wěn)定隔水層，一般與上部含水層無水力聯(lián)系。承壓水頭高出地表4.70～54.03 m，單位涌水量0.005 ～0.035 L/s·m，滲透系數(shù)0.026 ～0.126 m/d。

6)Ⅱ7含水層

該含水層位于侏羅系的底部10號煤層以下，埋深201～800 m，含水層巖性為砂礫巖及礫巖(達拉地礫巖)為主，靜水位高出地表 8.90 ～ 62.26 m，單位涌水量:0.030 ～0.046 L/s·m，滲透系數(shù)0.036～0.098 m/d，具弱富水性。接受地表水、潛水及基巖裂隙水的補給，含透水性南部高于北部;地下水流向與地層傾向一致

1.2 隔水巖組

隔水層主要由侏羅系粉砂巖、泥巖及煤組成，與含水層呈厚度不等的互層出現(xiàn)，自上而下共分為九層隔水層(G1～G9)，其中G1、G4、G5和G9隔水層分布穩(wěn)定，厚度大，隔水強;僅G8隔水層分布于井田西北局部地帶。各隔水層整體表現(xiàn)為隔水性弱～差。

2 礦井涌水量預測

2.1 礦井充水因素分析

井田礦井充水水源主要有:地下水、地表水及大氣降水。

1)大氣降水

根據(jù)井田南側(cè)加格斯臺水文站氣象資料:年均降水量440.60 mm，年均雪日數(shù)大于90天;區(qū)域降水垂直分帶十分明顯，降水量山區(qū)明顯大于平原區(qū)。因此積雪融水和降雨的滲透補給是間接充水水源。

2)地表河水

井田內(nèi)除瓊博洛薩依溝、紅海溝為常年性河流外，其它三條河為季節(jié)性河流，汛期洪峰流量可達6m3/s。河水一般流淌井田3—5km即滲入地下，除少部分蒸發(fā)外，大部分以潛流形式流走。開采狀態(tài)下若溝谷及邊緣產(chǎn)生塌陷，地表河水將成為直接充水水源，是礦井充水的較大威脅，因此未來開采時必須防治溝谷及邊緣產(chǎn)生塌陷。

3)地下水

(1)第四系孔隙水

井田內(nèi)第四系含水性較弱，在溝谷地段與地表水聯(lián)系密切，相對富水;煤層淺埋區(qū)，煤層開采易產(chǎn)生冒裂帶，會溝通第四系水及地表水成為直接充水水源，進而對礦床開采造成較大威脅。

(2)新近系孔隙水

該含水層分布于井田北部，含水性較弱，該含水層底部隱伏有厚度大、分布穩(wěn)定的白堊系和頭屯河組上部泥質(zhì)巖類隔水層阻隔，且距主采煤層間距大，該含水層一般不成為礦井充水水源。

(3)侏羅系層間承壓水

區(qū)內(nèi)主要有Ⅱ1—Ⅱ7七個大的含水層:

通過冒裂帶、封閉不良的鉆孔或斷層導水，成為礦井重要的間接充水水源。

(4)山區(qū)基巖裂隙水

在井田南部邊緣以側(cè)滲形式補給侏羅系層間裂隙孔隙承壓含水層，為間接的充水水源。

綜上所述，本井田未發(fā)現(xiàn)有大的斷裂構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡單。三條季節(jié)性河流從井田內(nèi)流過，汛期洪峰流量可達6 m3/s。井田內(nèi)主要充水含水層為:第四系孔隙含水層、Ⅱ1～Ⅱ4承壓含水層，屬透水性富水性弱—中等。井田水文地質(zhì)條件中等，水文地質(zhì)類型屬二類二型，即為裂隙孔隙含水層，頂?shù)装彘g接充水為主。

2.2 充水通道分析

1)斷裂構(gòu)造

區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有大的斷裂構(gòu)造，根據(jù)地震解譯成果，首采區(qū)內(nèi)在28線的ZK2802和ZK2803鉆孔間有F1和F22條東西向正斷層，傾向北，傾角70°，長120～170 m，斷距7～16 m，切穿侏羅系，可使各承壓含水層產(chǎn)生水力聯(lián)系，具一定的導儲水性。

2)冒落帶和導水裂隙帶

井田內(nèi)首采3號煤層，其平均厚度為15 m，煤層頂板砂、泥巖強度低，平均飽和抗壓強度為3 MPa;Ⅱ2含水層在部分地段直接壓覆3號煤層，3號煤層距Ⅱ1含水層平均間距43.59 m，南部淺埋區(qū)3號煤層距第四系孔隙含水層一般只有15 m左右，邊緣地段第四系直接壓煤。因此要注意控制冒落及裂隙帶的發(fā)展高度，特別不能讓其達到地表河谷地段的第四系中，否則易造成礦坑水量增大甚至淹井事故。

3)地震裂隙通道

井田位于地震活動區(qū)，由于地震作用，可形成新的裂隙，破壞各含水層之間的隔水性，形成新的導水通道。

2.3 礦井涌水量預測范圍及邊界條件

礦井涌水量預測范圍為井田首采區(qū)，井田位于山前傾斜平原的斜坡地帶，為單斜儲水構(gòu)造，地層由南向北緩傾，含水層在南部隱伏露頭區(qū)接受地表水及地下水的補給，是地下水的主要來水方向，可將其露頭線概化為直線供水邊界;含水層由南向北埋深逐漸增大，含水層由于相變而變薄或尖滅，特別是在ZK3006與ZK36-5鉆孔之間，伴隨新近系的出現(xiàn)，頭屯河組泥巖隔水層厚度的增大，頂?shù)装迥噘|(zhì)巖類的大量出現(xiàn)及地層產(chǎn)狀的變陡，其含水層滲透性變的更差，故北部視為弱透水邊界，因此過ZK3006與ZK3605鉆孔的中點作東西向直線，可概化為北部的隔水邊界線;沿其走向在其東西方向上，含水層厚度雖有一定變 化，但分布連續(xù)，巖性變化不大，可視為無限邊界;計算主采3號煤層涌水量時，將Ⅱ3含水層底板泥巖或煤視為底板直線隔水邊界，計算采5號煤層涌水量時，需對Ⅱ4含水層排水降壓，可將5號煤層底板視為直線隔水邊界。由此基本確定水文地質(zhì)計算模型，即概化為平行隔水供水邊界類型，從而選擇計算公式及參數(shù)進行計算，見礦井涌水量預測邊界剖面示意圖3。

圖3 礦井涌水量預測邊界剖面示意圖

2.4 礦井涌水量預測計算

據(jù)井田水文地質(zhì)資料及概化的邊界條件，采用比擬法和穩(wěn)定流解析法兩種方法選擇公式，對礦井涌水量進行計算。

2.4.1 水文地質(zhì)比擬法

1)比擬公式的選擇

井田東部奶牛場煤礦(烏庫爾其老井)與本區(qū)位于同一水文地質(zhì)單元內(nèi)，兩者在滲流場，地下水流場外界條件、地貌單元、氣候條件、含水層特征等方面均具有相似性，但是在開采方法和井巷規(guī)模及內(nèi)邊界條件方面無相似性，考慮到地質(zhì)條件的復雜性，故對正常比擬的數(shù)學模型進行修改，即由于開采面積和深度不同，以反映出礦井引用半徑和開采深度的變化對涌水量的影響。其比擬公式為:

式中:Q、r、S為分別為擬建礦井涌水量，礦井引用半徑和水位降深(m);Q1、r1、S1為分別為生產(chǎn)礦井的涌水量，引用井半徑和降深(m)。

2)比擬公式參數(shù)的選擇

a.擬建礦井引用半徑r:同前r0為3 821.65 m;b.擬建礦井水位降深s:即水頭高度為356.35 m;c.生產(chǎn)礦井引用半徑r1:根據(jù)生產(chǎn)礦坑形態(tài)及采空面積F1:283 500 m2，按計算為300.5 m;d.生產(chǎn)礦井排水量Q1:根據(jù)奶牛場煤礦調(diào)查為:1 000～1 200 m3/d;e.生產(chǎn)礦井水位降深s0:由調(diào)查知平均水位標高為+1 183 m，平均開采標高為1 160 m，故s0為23 m。

通過比擬法預測其礦井正常涌水量為507.81 m3/h，584.88 m3/h。

2.4.2 穩(wěn)定流解析法

1)承壓水的計算公式

因侏羅系層間承壓含水層，在疏干過程中將轉(zhuǎn)化為無壓狀態(tài)，故選用平行隔水供水邊界的承壓—無壓完整井公式進行預測:

式中:Q承為大井涌水量(m3/d);K為滲透系數(shù)(m/d);H為承壓水頭高度(m);M為含水層厚度(m);h0為含水層底板至井中動水位的高度(m)因疏干(h0=0);γ0為大井引用半徑(m);b為大井至供水邊界距離(m);B為隔水至供水邊界距離(m)。

2)潛水的計算

利用潛水完整井公式計算:即

式中:Q為首采區(qū)第四系孔隙水總涌水量(m3/d);K為滲透系數(shù)(m/d);H為潛水面至含水層底板距離(m);R0為大井引用影響半徑(m);r0為大井引用半徑(m)。

礦井總涌水量:Q總=Q承+Q潛

3)承壓水計算參數(shù)的選擇

(1)平均滲透系數(shù)k:計算3號煤層時利用Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3混合抽水最大降深時K值的算術(shù)平均值為0.139 m/d;計算5號煤層時承壓含水層采用Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4含水層其混合抽水時最大降深K值的算術(shù)平均值為0.182 m/d。

(2)水頭高度H:計算3號煤層時為267.75 m;計算5號煤層時取孔Ⅱ4含水層的平均水位標高1 210.12 m與5號煤層最低底板標高852.80 m的差值為357.32 m

(3)平均含水層厚度:計算采3號煤層時，?、?、Ⅱ2、Ⅱ3含水層厚度的算術(shù)平均值為34.77 m;計算采5號煤層時?、?-Ⅱ4含水層平均厚度之和為46.57 m。

(4)大井引用半徑γ0:根據(jù)首采區(qū)幾何形態(tài)按(p=2 400 m)計算為3 821.65 m。

(5)供水邊界至隔水邊界的距離B:據(jù)概化的邊界，從平面圖上量得7 400 m。

(6)大井到供水邊界的距離b:據(jù)大井所在中心位置;到南部“達拉地”礫巖出露的距離為3 100 m。

(7)含水層底板到動水位高度h0:因疏干則h0=0。

4)潛水計算參數(shù)的選擇

a.滲透系數(shù)K:取第四系孔隙含水層K值的平均值為0.201 m/d。b.大井引用半徑r0:同前為3 821.65 m。c.大井引用影響半徑R0，R0=R+r0計算為4 048.49 m。d.平均潛水含水層厚度H:有效含水層厚度按35 m計算。對3、5號煤層首采區(qū)通過穩(wěn)定流解析法預測其礦井最大涌水量為625.61m3/h、712.74 m3/h。

3 礦坑涌水量預測成果評價

通過對井田水文地質(zhì)條件分析，認為邊界條件的確定，計算公式及參數(shù)的選擇是合理的。根據(jù)現(xiàn)有資料，本次只對主采5號煤層最低采準+852.80 m水平的礦坑涌水量和3號煤層 +905.60 m水平的礦井涌水量進行了初步預測。運用穩(wěn)定流解析法和比擬法兩種方法計算結(jié)果接近，計算結(jié)果比較可靠。筆者認為“解析法”法計算結(jié)果更接近實際。本次計算的礦井涌水量采用穩(wěn)定流解析法預測的3、5號煤層首采區(qū)礦井最大涌水量為625.61m3/h、712.74 m3/h。

［1］李俊停，王俞吉.水文地質(zhì)手冊［Z］.北京:地質(zhì)出版社.1988.

［2］房佩賢，衛(wèi)中鼎，廖資生，等.專門水文地質(zhì)學［M］.北京:地質(zhì)出版社.1987.

［3］水文地質(zhì)干部進修班編著.礦坑涌水量預測方法［Z］.1990.

［4］礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范［S］.國家技術(shù)監(jiān)督局.1991.