某煤礦區(qū)水文地質(zhì)特征分析及礦井涌水量預(yù)測

黃 繼，曾玉林，陳 歐

(四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都610072)

涌水量預(yù)測是對(duì)礦井充水條件的定量評(píng)價(jià)，也是對(duì)礦井需要排出水量的估計(jì)。礦井涌水量的大小是反映一定條件下，礦井充水程度的定量指標(biāo)，是井田開采設(shè)計(jì)中制定防治水方案的依據(jù)。本文以劉家坪子煤礦為例，分別用地下水動(dòng)力學(xué)及水文地質(zhì)比擬法對(duì)礦區(qū)北部先期開采地段進(jìn)行涌水量預(yù)算，并對(duì)兩種預(yù)測結(jié)果進(jìn)行綜合分析，從而尋找較符合本礦井實(shí)際情況的礦井涌水量，為今后防治水措施的制定提供依據(jù)[1－2]。

1 礦區(qū)概況

劉家坪子煤礦區(qū)位于云南省昭通市彝良縣城190°方向，直距20 km處，地處彝良縣洛澤河鎮(zhèn)境內(nèi)，礦區(qū)面積23.55 km2。礦區(qū)地貌類型屬構(gòu)造侵蝕與溶蝕相間高中山峽谷地貌。山高谷深，地形險(xiǎn)峻。最高點(diǎn)位于該區(qū)西部氣象臺(tái)梁子，海拔高程2 103 m，最低侵蝕基準(zhǔn)面位于該區(qū)北部的洛澤河河谷，海拔高程為940 m，相對(duì)最大高差約1 163 m，區(qū)內(nèi)一般標(biāo)高在1 800m左右。區(qū)內(nèi)出露地層由老至新有:泥盆系上統(tǒng)(D3)，石炭系下統(tǒng)巖關(guān)組(C1y)、萬壽山組(C1w)舊司組(C1js)、上司組(C1sh)、擺佐組(C1b)、中統(tǒng)威寧組(C2w);二疊系下統(tǒng)梁山組(P1l)、中統(tǒng)棲霞組(P2q)及新生界第四系(Q)。

區(qū)內(nèi)主要含煤地層為下石炭統(tǒng)萬壽山組(C1w)，厚105.56 ～130.23 m，平均 117.90 m。巖性主要為砂巖、粉砂巖、菱鐵質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤。含煤5～7 層，經(jīng)對(duì)比確定的編號(hào)煤層自上而下為 C5、C4、C3、C2、C1等5層。賦煤段位于含煤地層的中下部，其中C5為全區(qū)可采煤層，C3煤層為零星可采煤層，其余煤層皆不可采。

圖1 礦區(qū)地下水流向平、剖面示意圖

2 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)含、隔水層相間產(chǎn)出，從二疊系中統(tǒng)棲霞組至石炭系巖關(guān)組地層均有出露。礦區(qū)出露的含水層，除二疊系棲霞組(P2q)外，大多位于洛澤河谷兩側(cè)的陡坡及懸崖上呈帶狀分布，露頭面積窄，地表逕流快，不利于含水層接受大氣降水的補(bǔ)給。所構(gòu)成殘留高原溶蝕面，基巖裸露，巖溶發(fā)育，以垂隙型形態(tài)為主，巖溶率為16.7%。地下水位垂深一般大于300 m。由于河谷深切，各含水層露頭接受大氣降水后，沿溶隙垂直向深部運(yùn)動(dòng)，遇到相對(duì)隔水層后，沿地層走向由南西向北東向洛澤河方向水平逕流，遇有河流、溪溝或斷層后以泉水排泄，其逕流方向與地表水大致同向，總體上由 SW向NE方向徑流(如圖1)。綜觀全區(qū)自然地理及地形等條件，在侵蝕基準(zhǔn)面以上，不利于地下水的賦存，而有利于地下水的逕流和排泄[5－7]。

煤系地層地下水主要接受露頭地帶大氣降水和地表水的補(bǔ)給，賦存于巖層節(jié)理裂隙中，普遍具承壓性質(zhì)，局部斷流構(gòu)造帶富水性較強(qiáng)，顯示富水的不均勻性，地下水逕流方向主要受地形的控制，無定向逕流。

3 充水因素分析

3.1 充水途徑及水源

煤層采動(dòng)產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶與構(gòu)造裂隙溝通成為頂板突水突泥通道。煤層開采之后，上覆巖體由于失支撐而發(fā)生地面開裂、沉降;井下產(chǎn)生冒落塌陷和導(dǎo)水裂隙帶，一般情況下，隨著回采工作面的推進(jìn)，巖體裂隙自下而上逐步發(fā)展，對(duì)應(yīng)于不同的工作面推進(jìn)距離形成不同的裂隙網(wǎng)絡(luò)分布。主采煤層C5上距威寧組(C2w)～舊司組(C1js)復(fù)合含水層27.49 ～52.14 m，平均 37.41 m。

煤層開采以全部陷落方法管理頂板，煤層傾角 ＜30°，按下式計(jì)算煤層開采后冒落帶(Hc)和導(dǎo)水裂隙影響帶(Hf):

式中:Hc為煤層開采后的冒落帶高度(m);M為可采煤層厚度(m)最大2.17 m;Hf為導(dǎo)水裂隙影響帶高度(m);n為煤分層層數(shù)。C5煤層做一層次開采，即n=1。

經(jīng)計(jì)算，冒落帶高度近9 m，導(dǎo)水裂隙帶的高度為35.66 m。理論計(jì)算結(jié)果顯示導(dǎo)水裂隙帶高度已非常接近威寧組(C2w)～舊司組(C1js)復(fù)合含水層。

在部分礦區(qū)，地面沉降影響實(shí)際高度為煤層采高的30～50倍，實(shí)際導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)100 m或更高。由于本區(qū)相鄰生產(chǎn)煤礦缺少系統(tǒng)的冒落裂隙帶觀測資料，其實(shí)際發(fā)育高度不詳。未來在礦井生產(chǎn)、開拓過程中，必須加強(qiáng)冒落裂隙帶的監(jiān)測，以防止煤層采動(dòng)的導(dǎo)水裂隙溝通含水層，成為頂板突水突泥的主要通道，形成礦井水害。

3.2 頂板水害威脅程度評(píng)價(jià)

許家院煤礦井口標(biāo)高954.83，最低開采標(biāo)高 866.61 m，小發(fā)路煤礦井口標(biāo)高936.43 m，最大開采垂深已近200 m，則最低開采標(biāo)高736.43 m，已達(dá)礦區(qū)北部先期開采地段 +700 m標(biāo)高，而小發(fā)路與許家院煤礦巷道排水量總體來說較小，且旱、雨季排水量變化不大，顯示出礦坑水不受大氣降雨和其他因素變化的特征。

從相鄰礦井水文地質(zhì)特征可以看出，頂板水主要從塌陷冒落裂隙帶涌入巷道，因此，頂板水對(duì)兩對(duì)礦有一定威脅。

綜上所述，頂板水對(duì)礦井威脅程度較大。

4 礦坑涌水量預(yù)算

4.1 預(yù)算原則

本次預(yù)算用地下水動(dòng)力學(xué)及水文地質(zhì)比擬法對(duì)礦區(qū)北部區(qū)先期開采地段進(jìn)行涌水量預(yù)算[3－10]。

預(yù)算標(biāo)高:+700 m標(biāo)高以上地段;

預(yù)算范圍:北以+700 m等高線為界，東至洛澤河保安煤柱;南、南西至 F11、F12斷層;西至 +1200 m與 F11和煤層露頭線的交界;北側(cè)不過洛澤河。

靜止水位標(biāo)高采用許家院煤礦最低開采標(biāo)高 +866.61 m。

4.2 公式選擇及參數(shù)的確定

4.2.1 地下水動(dòng)力學(xué)

根據(jù)淺部、深部鉆孔的注水試驗(yàn)成果，計(jì)算公式采用“大井法”穩(wěn)定流完整井，潛水公式。

式中:Q為未來礦井涌水量(m3/d);K為滲透系數(shù)，引用102號(hào)鉆孔抽水試驗(yàn)成果確定(m/d)，K=0.00745 m/d;H為含水層水頭高度，采用計(jì)算塊段的地下水水頭平均高度與預(yù)算開采水平的差值。(m);S為水位抬升、降低高度，S=H。(m);R為含水層影響半徑，R =2Sr0為“大井”引用半徑(m)r0=式中 F為預(yù)算的塊段面積;R0為“大井”引用影響半徑(m)R0=R+r0。

表1 涌水量預(yù)算結(jié)果表

4.2.2 水文地質(zhì)比擬法

根據(jù)礦井水文地質(zhì)特征及礦坑充水因素分析，與礦區(qū)相鄰的小發(fā)路煤礦的相關(guān)水文地質(zhì)特征極為相似，能夠反映未來礦井的水文地質(zhì)特征及各充水因素。因此以小發(fā)路煤礦作為比擬法的模式，采用下列公式計(jì)算:

式中:Q為未來礦井先期開采地段的預(yù)算涌水量(m3/d);Q0為小發(fā)路煤礦目前礦井涌水量(m3/d)，采用雨、旱季平均排水量;F0為小發(fā)路煤礦礦井回采面積(m2)，據(jù)回采區(qū)在計(jì)算圖上用求積儀求得。F為預(yù)算塊段的面積(m2)，根據(jù)塊段邊界，用求積儀在計(jì)算圖上求得。

4.3 涌水量預(yù)算結(jié)果

根據(jù)所定計(jì)算公式及各參數(shù)，涌水量的預(yù)算結(jié)果及選用參數(shù)值見表1。

4.4 結(jié)果分析

地下水動(dòng)力學(xué)法計(jì)算參數(shù)值來自在鉆孔進(jìn)行的含水層水文試驗(yàn)結(jié)果，它們基本上反映了含水層的富水性及導(dǎo)水性。采用公式也反映了未來礦井的涌水疏干模式及邊界條件。計(jì)算結(jié)果反映了理論上礦床充水含水層的正常涌水量。

水文地質(zhì)比擬法:建立在生產(chǎn)礦井調(diào)查，分析其礦井的水文地質(zhì)特征及充水因素基本與本區(qū)相一致的基礎(chǔ)上。所采用的比擬公式，是充分考慮礦坑涌水量與開采面積相關(guān)的因素，能比較準(zhǔn)確地反映礦井的實(shí)際情況，其參數(shù)來自礦井雨、旱季的排水實(shí)際資料，包含了各種充水因素，結(jié)果與未來礦井開采中、后期涌水量較接近，因此，礦井建設(shè)初期涌水量比計(jì)算值要小。而中、后期仍可采用比擬法所預(yù)算結(jié)果。本次涌水量預(yù)算范圍為整個(gè)先期開采地段范圍，導(dǎo)致本次涌水量預(yù)算結(jié)果偏大。隨著回采面積增加，降落漏斗擴(kuò)大，礦井涌水量將呈更加接近預(yù)算結(jié)果。

因此，本文建議采用比擬法預(yù)算結(jié)果作為礦山初步設(shè)計(jì)的依據(jù)。

5 結(jié)語

地下水動(dòng)力學(xué)法預(yù)算礦井正常涌水量為2 591 m3/d;水文地質(zhì)比擬法預(yù)算礦井旱季涌水量為3 355 m3/d，最大涌水量為4 477 m3/d。礦井涌水量計(jì)算公式和參數(shù)選擇合理，兩種方法預(yù)算正常涌水量結(jié)果近似，符合本礦井水文地質(zhì)條件和實(shí)際水文地質(zhì)資料反映的規(guī)律，但是由于比擬法計(jì)算結(jié)果更接近礦井實(shí)際情況，建議采用比擬法計(jì)算結(jié)果作為本礦井初步設(shè)計(jì)依據(jù)。

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