礦井水文地質(zhì)類(lèi)型劃分及涌水量預(yù)測(cè)

鐵衛(wèi)民

神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司

一、礦井概況

A礦井的井田面積4.5km2，生產(chǎn)能力礦井生產(chǎn)能力600kt/a。礦井批準(zhǔn)開(kāi)采3#、15#煤層，井田內(nèi)無(wú)地質(zhì)構(gòu)造。礦井由兩個(gè)聯(lián)辦煤礦兼并重組而成，井田范圍內(nèi)存在大面積采空區(qū)，主要分布在3號(hào)煤層，聚有一定的積水。

二、礦井水文地質(zhì)評(píng)價(jià)

(一)井田水文地質(zhì)條件

由于本文主要分析的礦井水文地質(zhì)條件主要涉及含水地層、隔水層，因此本文依據(jù)井田內(nèi)分布含水層的時(shí)代、巖性、地下水類(lèi)型等，歸納總結(jié)了礦井區(qū)域內(nèi)水文地層特征。含水地層主要是松散含水層，屬第四系，主要有土黃色黏土、亞黏土及砂和礫石，井田區(qū)域內(nèi)廣泛分布，滲透系數(shù)為218.4m/d。風(fēng)化裂隙含水層于上石盒子組，屬二疊系，平均巖石厚度235m，主要由灰白色砂巖、紫紅色泥質(zhì)巖組成，單位涌水量為0.115L/s?m。滲透系數(shù)為0.52m/d，地下水類(lèi)型屬于潛水。碳酸鹽巖溶裂隙含水巖位于下方，屬石炭系，平均巖石厚度78m，主要由粉砂巖、砂質(zhì)泥巖組成，裂隙發(fā)育，單位涌水量為0.02L/s?m，滲透系數(shù)為0.152m/d。地下水類(lèi)型為承壓水。碳酸鹽巖巖溶含水層，地層屬奧陶系，由角礫狀泥灰?guī)r、石灰?guī)r組成，單位涌水量0.103L/s?m，滲透系數(shù)0.144m/d，地下水類(lèi)型為承壓水。隔水地層主要是太原組底部泥質(zhì)砂巖，平均厚度20.29m左右，裂隙發(fā)育和石炭系、二疊系之間灰?guī)r巖石厚度在50m～79m之間，巖性致密，不透水。

(二)地下水的補(bǔ)給與排泄條件

松散含水層主要接受大氣降水補(bǔ)給。風(fēng)化裂隙含水層與碳酸鹽巖溶裂隙含水層，由于隔水層阻斷作用，大氣降水和地表水對(duì)地下水影響不大，地下水流方向由北西至南東。碳酸鹽巖巖溶含水層屬奧陶系，主要受地表水滲透補(bǔ)給作用，地下水向東南方向延河排泄。

(三)礦井充水因素分析

依據(jù)井田水文地質(zhì)及開(kāi)采范圍，礦井充水主要受大氣降水、地表水、地下水采空區(qū)及地質(zhì)構(gòu)造5個(gè)方面影響。

1、大氣降水對(duì)礦坑充水的影響

該礦區(qū)屬于大陸季風(fēng)氣候，每年7、8、9三個(gè)月雨水量較大，屬豐水期，期間礦井最大涌水量為160.8m3/d，枯水期為每年的10月至來(lái)年4月，最小涌水量50m3/d。每年的5、6月為平水期，涌水量為79.2m3/d。上述統(tǒng)計(jì)資料表明：礦井涌水量變化與降雨量變化一致，礦井涌水量主要影響因素為大氣降水。

2、地表水體對(duì)礦坑充水的影響

井田內(nèi)風(fēng)化裂隙含水層與碳酸鹽巖溶裂隙含水巖層，巖石裂隙發(fā)育，局部有小型斷層，同時(shí)3號(hào)煤層工作面回采，導(dǎo)致煤層頂板受到應(yīng)力擾動(dòng)破壞，進(jìn)一步加劇巖石破壞，形成了地表水導(dǎo)水通道。

3、地下水對(duì)礦坑充水的影響

3號(hào)煤層充水水源：3號(hào)煤層上方風(fēng)化裂隙含水層和碳酸鹽巖溶裂隙含水層，主要巖性為砂巖，裂隙發(fā)育。同時(shí)由于工作面回采，上覆巖層在開(kāi)采應(yīng)力擾動(dòng)下形成了裂隙帶，從而將地下水導(dǎo)入工作面，導(dǎo)致工作面涌水量迅速增大。15號(hào)煤層充水水源：主要受奧陶系巖溶含水層突水影響和碳酸鹽巖溶裂隙含水層。但隔水層地質(zhì)巖性較好，灰?guī)r巖石厚度在50m～79m之間，巖性致密，不透水，具有良好隔水作用，因此碳酸鹽巖溶裂隙含水層對(duì)15號(hào)煤涌水影響不大。

4、采空區(qū)積水對(duì)礦井充水的影響

礦井由兩個(gè)聯(lián)辦煤礦兼并重組而成，井田范圍內(nèi)存在大面積采空區(qū)，主要分布在3號(hào)煤層，其中3號(hào)煤層采空區(qū)，有3處采空區(qū)積水，小窯破壞區(qū)位于井田北部淺埋區(qū)，有1處采空區(qū)積水，積水面積2554m2。積水量1.68萬(wàn)m3。井田中部和南部各有1處采空區(qū)積水，屬于兼并重組前礦井開(kāi)采形成的古采空區(qū)，積水面積分別是2554m2、3242m3，總積水量1.68萬(wàn)m3。另一方面，礦井四鄰都出現(xiàn)不同程度、不同面積的采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)積水量不清楚，對(duì)礦井生產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅。

三、地質(zhì)構(gòu)造對(duì)礦井充水的影響

(一)礦井水文地質(zhì)類(lèi)型

礦井水文地質(zhì)類(lèi)型劃分主要依據(jù)：井田區(qū)域水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造、地下水補(bǔ)給和井田地質(zhì)構(gòu)造。井田3號(hào)煤層充水為裂隙含水層，處于工作面上方裂隙帶內(nèi)，受工作面采掘影響較大。隔水層裂隙發(fā)育，同時(shí)井田內(nèi)斷層較多，井田范圍內(nèi)采空區(qū)面積較大，存在古采空區(qū)。因此3號(hào)煤水文地質(zhì)類(lèi)型為中等。井田15號(hào)煤層充水為裂隙含水層和奧灰水巖溶含水層。其中裂隙含水層之間隔水層，巖性細(xì)密，不透水，但井田絕大部分區(qū)域內(nèi)，奧灰?guī)r溶含水層水位標(biāo)高高于15號(hào)煤底板，具有突水危險(xiǎn)。15號(hào)煤層由于尚未采掘，不存在采空區(qū)積水，地質(zhì)構(gòu)造情況不明。因此該礦井15號(hào)煤水文地質(zhì)類(lèi)型為復(fù)雜。

四、礦井涌水量預(yù)測(cè)技術(shù)的工程需求與發(fā)展趨勢(shì)

礦井涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算完全是為礦井安全生產(chǎn)過(guò)程服務(wù)的，評(píng)價(jià)一個(gè)礦井涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)就是看其對(duì)礦井建設(shè)與生產(chǎn)的實(shí)際指導(dǎo)作用和意義，礦井涌水量預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)也完全順應(yīng)礦井生產(chǎn)對(duì)其提出的新要求。這一要求和發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在下列方面：

(一)礦井涌水量預(yù)測(cè)與礦井采掘工程時(shí)空變化相結(jié)合

過(guò)去對(duì)礦井涌水量預(yù)測(cè)工作多基于勘探階段的水文地質(zhì)資料，勘探階段已完成，而這一時(shí)期礦井的詳細(xì)采掘設(shè)計(jì)一般都沒(méi)有完成，因此，涌水量預(yù)測(cè)時(shí)基本無(wú)法考慮礦井采掘方式以及采掘接續(xù)進(jìn)程的變化情況，其預(yù)測(cè)結(jié)果無(wú)法體現(xiàn)在礦井生產(chǎn)的什么時(shí)期、什么位置發(fā)生，因此，對(duì)礦井生產(chǎn)指導(dǎo)作用的針對(duì)性不強(qiáng)，甚至根本沒(méi)有實(shí)際指導(dǎo)意義。隨著礦井生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)安全高效要求的提升，強(qiáng)烈要求礦井涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果不僅給出一個(gè)總水量，而是給出總用水量的組成和在礦井采掘過(guò)程時(shí)間空間上的分配情況。為此，礦井涌水量預(yù)測(cè)必須建立在礦井采掘規(guī)劃與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦井采掘規(guī)劃和設(shè)計(jì)的時(shí)空進(jìn)程分階段、分區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，每一個(gè)區(qū)域和時(shí)段的預(yù)測(cè)結(jié)果應(yīng)該是下一個(gè)區(qū)域和時(shí)段預(yù)測(cè)計(jì)算的邊界和初始條件，強(qiáng)調(diào)不同區(qū)域及時(shí)段完成的采掘工程和揭露的涌水量之間的相互干擾作用，要求涌水量預(yù)測(cè)工作應(yīng)該建立在礦井采掘工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，先有采掘規(guī)劃和設(shè)計(jì)，再有礦井涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算，礦井涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算和礦井采掘工程的時(shí)空進(jìn)程應(yīng)該緊密結(jié)合。

(二)不同原理的礦井涌水量預(yù)測(cè)方法的結(jié)合

現(xiàn)有的礦井涌水量預(yù)測(cè)方法分別基于水動(dòng)力學(xué)原理、水均衡原理、工程相似原理和功能相似原理等，不同的方法都有其自身特定的優(yōu)缺點(diǎn)，但存在一個(gè)普遍的問(wèn)題就是對(duì)所預(yù)測(cè)的水量結(jié)果的物理含意和工程含義體現(xiàn)不明晰，對(duì)涌水量的來(lái)源、組成及其不同組成之間的關(guān)系等不夠明確，如涌水量中有多少來(lái)自含水層自身儲(chǔ)存水量的釋放，有多少來(lái)自含水層接受外部的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給，儲(chǔ)存水量釋放的方式及時(shí)空條件如何，補(bǔ)給水量來(lái)源及其與儲(chǔ)存水量的轉(zhuǎn)化關(guān)系等。對(duì)涌水發(fā)生與采掘工程之間的因果關(guān)系及誘發(fā)條件不明晰，導(dǎo)致涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果只有水量，沒(méi)有涌水位置、沒(méi)有涌水原因、更沒(méi)有涌水通道的結(jié)構(gòu)特征分析。正是由于現(xiàn)行涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算存在的這些問(wèn)題，導(dǎo)致涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果無(wú)法對(duì)礦井水害防治技術(shù)路線(xiàn)選擇及技術(shù)工程設(shè)計(jì)提供支撐。因此，新的礦井涌水量技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)要求預(yù)測(cè)的礦井涌水量必須有明確的物理含義，明確水量的來(lái)源、組成、屬性、位置、發(fā)生條件等。

(三)強(qiáng)調(diào)礦井涌水量隨采掘工程進(jìn)程的時(shí)間過(guò)程性和動(dòng)態(tài)變化性

礦井涌水是因礦井采掘工程的擾動(dòng)而誘發(fā)的，由于礦井采掘活動(dòng)是隨著時(shí)間的進(jìn)程而逐漸展開(kāi)的，其對(duì)充水含水層的擾動(dòng)也是隨著采掘工程而逐漸增強(qiáng)和擴(kuò)展的。因此，礦井涌水量及其特征一定是隨著礦井生產(chǎn)過(guò)程的進(jìn)行而不斷變化的量，礦井水害防治技術(shù)與工程的應(yīng)用也是隨著礦井生產(chǎn)過(guò)程的進(jìn)程而逐步實(shí)施的。而目前常見(jiàn)的礦井涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果往往只用一個(gè)最大涌水量和最小用水量來(lái)表示，且對(duì)這個(gè)水量發(fā)生的時(shí)間也不明確，有些涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果反映了礦井生產(chǎn)壽命到期時(shí)的水量，這對(duì)礦井生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有實(shí)際指導(dǎo)意義。因此，礦井涌水量預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)越來(lái)越強(qiáng)調(diào)礦井涌水量隨采掘工程進(jìn)程的時(shí)間過(guò)程性和動(dòng)態(tài)變化性，而不是用唯一的確定量去刻畫(huà)本來(lái)就是不斷變化的動(dòng)態(tài)量，盡量將時(shí)間過(guò)程、礦井生產(chǎn)進(jìn)程和涌水量動(dòng)態(tài)有機(jī)對(duì)應(yīng)起來(lái)，不僅明確了涌水量的變化過(guò)程，更明確了涌水量發(fā)生變化的原因及其與采掘工程階段的關(guān)系。

結(jié)語(yǔ)

總而言之，在礦井水文地質(zhì)類(lèi)型劃分中需要根據(jù)具體的水文地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行分析，對(duì)不同地域的水文條件、充水、地下水等因素進(jìn)行實(shí)地勘察，然后對(duì)這些因素進(jìn)行詳細(xì)的分析，最終再進(jìn)行類(lèi)型劃分，根據(jù)劃分的類(lèi)型進(jìn)行相關(guān)的作業(yè)，在預(yù)測(cè)涌水量上需要與礦井的采掘時(shí)間、時(shí)空等相結(jié)合，并結(jié)合不同原理的涌水量預(yù)測(cè)方法，進(jìn)而切實(shí)保證預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)性，從而為更好的開(kāi)展礦井作業(yè)提供一定的幫助。

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