淮北煤田徐廣樓井田水文地質(zhì)特征與礦井涌水量預(yù)計

汪國順，周士榮,邵軍戰(zhàn),謝治剛

(安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院， 安徽合肥 230088)

0 引言

徐廣樓井田位于淮北煤田西部的渦陽礦區(qū)內(nèi)，西距渦陽縣城3km，含煤面積51.28km2,設(shè)計井型為1.2Mt/a，服務(wù)年限58a，為在建礦井,北面、東面分別與渦北井田和張樓(單集)井田相鄰。礦井地下水對礦井建設(shè)和開采存在威脅。如何詳細(xì)查明井田水文地質(zhì)特征及評價礦井充水因素，正確預(yù)測礦井涌水量，為礦井建設(shè)和生產(chǎn)提供可靠的水文地質(zhì)依據(jù)，具有重要意義。

1 井田地質(zhì)概況

井田東起太原組第一層灰?guī)r潛伏露頭地面投影線[1]，西至3-1煤層-1200m水平地面投影線，北起F9和F31斷層，南至F46和中心集斷層（見圖1）。煤系地層隱伏在新生界松散層下，可采煤層位于二疊系上石盒子組、下石盒子組和山西組?？刹擅簩泳幪枮?-1、3-2、7、

8和10-2煤層，可采總厚為8.19m。其中3-2、7、8煤層為較穩(wěn)定煤層，厚度6.51m，占可采煤層總厚的79.5%，3-1、10-2為不穩(wěn)定煤層。井田斷裂構(gòu)造較發(fā)育，總體形態(tài)為斷塊構(gòu)造。斷塊內(nèi)地層呈單斜，走向南北,傾向西。斷層主要走向為NE和 NW向，其次為近SN和EW向，次級斷裂構(gòu)造較發(fā)育。

2 井田水文地質(zhì)特征

2.1 含水層（組）水文地質(zhì)特征

2.1.1 新生界松散層砂層孔隙含水層（組）

井田新生界松散層厚252.60～394.00m，平均厚325.50m，其厚度變化受古地形控制，由東向西逐漸增厚，自上而下劃分四個含水層（組）和三個隔水層（組）。含水層（組）特征見表1。

2.1.2 古近系礫巖孔隙、裂隙含水層（段）

古近系紅層主要分布在高爐斷層以南，揭露厚度為78.17～481.75m,可分上、下兩段。下段厚0～93m，巖性以棕紅色粉砂巖和砂礫巖相間，夾薄層細(xì)砂巖，礫石成分主要為灰?guī)r、填隙物為粉砂與泥質(zhì)、次為砂巖，膠結(jié)方式為接觸式或基底式，半固結(jié)成巖。鉆探揭露時井田內(nèi)未發(fā)生漏水鉆孔，而外圍362、435兩孔漏水，漏水量達6.40～17.90m3/h,據(jù)區(qū)域資料富水性弱—中等。

2.1.3 二疊系煤系砂巖裂隙含水層(段)

煤系砂巖含水層（段）主要巖性為中砂巖、細(xì)砂巖和粉砂巖，與煤層、泥巖交替出現(xiàn)。巖性、厚度變化較大，裂隙不發(fā)育或發(fā)育不均，依據(jù)砂巖發(fā)育情況及其與主采煤層關(guān)系，可分上、中、下三個含水層（段），其水文地質(zhì)特征見表2。

2.1.4 太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層（段）

據(jù)張樓井田資料，揭露厚度106.82～136.50m，平均121.66m，含灰?guī)r7～9層，灰?guī)r層總厚度46.89m，其中3、4、5、7層厚度大，發(fā)育穩(wěn)定，富水性具有不均一性，其規(guī)律由淺部露頭帶到深度巖溶裂隙發(fā)育由強到弱，富水性隨之由強到弱。鉆探揭露時在261孔和渦水37孔，發(fā)生12m3/h的漏水。據(jù)渦北井田8-92和本井田304、渦水37三孔抽水試驗資料：水位標(biāo)高27.17～34.599m,單位涌水量0.0199～0.287 L/

上段為隔水層段，厚度0～145m，以棕紅泥巖為主，夾薄層細(xì)礫巖，半固結(jié)成巖，部分層段較疏散，鉆孔鉆進時無漏水現(xiàn)象，隔水性能較好。

2.2.3 二疊系煤系泥巖類隔水層（段）

煤系地層中的泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等具有良好的隔水性能。依據(jù)巖性特征和隔水性能，在垂向上可劃分四個隔水層（段），其水文地質(zhì)特征見表4。

2.2.4 本溪組鋁質(zhì)巖隔水層

井田內(nèi)無鉆孔揭露資料，據(jù)鄰區(qū)渦北井田61孔資料，該組厚43.73m，隔水層厚度30m，巖性以鋁質(zhì)泥(s.m)，滲透系數(shù)0.155～1.857m/d，結(jié)合區(qū)域資料，富水性弱—中等。

2.1.5 奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層（段）

井田內(nèi)無鉆孔揭露，據(jù)區(qū)域資料，灰?guī)r厚度大于200m, 巖性主要為白云質(zhì)灰?guī)r，裂隙較發(fā)育，充填方解石脈。鉆孔鉆進時常發(fā)生漏水。據(jù)張樓井田渦水22鉆孔資料，水位標(biāo)高28.25m，單位涌水量0.011L/(s.m)，滲透系數(shù)0.013m/d。其含水層巖溶裂隙發(fā)育不均一，在構(gòu)造破碎帶附近和淺部風(fēng)化帶，富水性較強，而在遠離構(gòu)造破碎帶地段或深部，富水性弱。

2.2 隔水層（組）水文地質(zhì)特征

2.2.1 新生界松散層隔水層（組）

新生界松散層有三個隔水層(組)，其特征見表3。

2.2.2 古近系半固結(jié)泥巖類隔水層（段）巖、泥巖為主，夾薄層灰，具一定隔水性。

表3 松散層隔水層（組）特征Table 2 Characteristics of aquiclude(s) in unconsolidated formation

2.3 含水層（組、段）間的水力聯(lián)系

新生界松散層含水層之間均有較穩(wěn)定的隔水層，各含水層之間一般無水力聯(lián)系，但在局部隔水層變薄地段，具有越流補給關(guān)系。由于三隔厚度較大，分布較穩(wěn)定，使上部含水層與下部四含之間無水力聯(lián)系。四含直接覆蓋在基巖各含水層之上，對基巖含水層進行入滲補給。

表4 二疊系隔水層特征Table 4 Characteristics of the Permian aquiclude

古近系礫巖含水層（段）與上部四含無水力聯(lián)系，與下部基巖各含水層之間均有水力聯(lián)系。由于古近系分布在高爐斷層以南和井田西部，不與先期開采地段接觸，它們無直接水力聯(lián)系。

二疊系主要可采煤層砂巖裂隙含水層（段），裂隙一般不發(fā)育，富水性弱，一般情況下，各含水層（段）之間無水力聯(lián)系。與太原組及奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層（段）之間，一般也無水力聯(lián)系。

由于斷層錯動可能使不同含水層“對口”接觸或斷層破碎帶裂隙導(dǎo)通各含水層發(fā)生水力聯(lián)系（圖1）。

2.4 礦井充水因素分析

圖1 井田構(gòu)造綱要圖Fig.1 Schematic diagram of well field structure

2.4.1 礦井充水水源

充水水源為第四系、新近系松散層砂層孔隙水、古近系礫巖孔隙裂隙水、煤系砂巖裂隙水和灰?guī)r巖溶裂隙水。

2.4.1.1 新生界松散層四含砂層孔隙水和古近系礫巖孔隙裂隙水

三隔具有良好的隔水性能，大氣降水、地表水和新生界一、二、三含地下水對礦井充水無影響。新生界四含和古近系礫巖孔隙裂隙含水層直接覆蓋于基巖風(fēng)氧化帶上，沿淺部風(fēng)化裂隙和采空區(qū)頂板裂隙、或沿煤層進入礦井，是煤層開采的主要補給水源。

2.4.1.2 煤系砂巖裂隙水

煤系砂巖裂隙水是礦井直接充水水源，是礦井涌水量的主要組成部分。主要煤層之間的砂巖分布于泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖之間，裂隙不發(fā)育或發(fā)育不均。據(jù)抽水試驗和開采揭露出水點水量顯示，砂巖裂隙含水層具有含水性弱、以存儲量為主、補給量不足等特點。但在局部裂隙發(fā)育地段，采掘時砂巖存儲水可能瞬時突水，造成危害。

2.4.1.3 灰?guī)r巖溶裂隙水

在正常情況下，灰?guī)r巖溶裂隙水對開采上下石盒子組煤層沒有充水影響，但遇斷層或陷落柱時，使煤層與灰?guī)r接觸或間距變小時，可能對礦井充水或使巷道發(fā)生“底鼓”；由于山西組煤層距離太原組灰?guī)r較近，開采時太原組灰?guī)r水是底板直接充水水源。

2.4.2 礦井充水通道

礦井主要充水通道為裂隙和斷層。據(jù)張樓井田對高爐斷層、豐渦斷層等抽水試驗成果[2]，水位標(biāo)高6.94～19.89m，q=0.00488～0.00983L/(s.m)，K=0.00759～0.249m/d。富水性弱，導(dǎo)水性差，但在礦井生產(chǎn)過程中，會破壞地下水的天然平衡狀態(tài)，使斷層的導(dǎo)水性有所改變，若斷層溝通了富水性強的含水層時，有發(fā)生突水的可能。

3 礦井涌水量預(yù)計

預(yù)測范圍為先期開采地段，采用地下水動力學(xué)法和比擬法預(yù)測松散層四含孔隙水和主要可采煤層砂巖裂隙水及太原組1～4層灰?guī)r巖溶裂隙水的涌水量。

3.1 新生界松散層四含孔隙水涌水量預(yù)計

在先期開采地段，松散層四含直接覆蓋在煤系地層之上，四含水沿風(fēng)氧化帶裂隙或采動裂隙進入礦井，當(dāng)水位下降到煤層頂板以下時，地下水處于承壓—無壓水流狀態(tài)，預(yù)測涌水量時采用承壓轉(zhuǎn)無壓雙側(cè)進水溝渠公式（1）、（2）。

其中：Q：預(yù)計礦井涌水量，m3/h；S：水位降深，m；K：滲透系數(shù)，m/d；M：含水層厚度，m；B：進水廊道長度，m；h0：含水層底板以上動水位高度，m；R： 影響半徑，m。

滲透系數(shù)采用323孔和107孔（渦北）抽水試驗成果的平均值，即：滲透系數(shù)0.187m/d。水位埋深采用323孔靜止水位5.91m，水位降深S值采用四含頂板埋深平均值323.20m與水位埋深差值，即：水位降深S＝323.20-5.91=317.29 m；主采煤層露頭帶長度B＝4500m，四含厚度采用平均值6.20m，選用上述參數(shù)利用公式（1）、（2）計算，四含孔隙水的礦井涌水量為100m3/h。

3.2 主采煤層砂巖裂隙水涌水量預(yù)計

3.2.1 地下水動力學(xué)法

礦井開采3-1～8煤層時，直接充水水源是煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水，采用承壓轉(zhuǎn)無壓完整井公式(3)，在水位降至-800m時，即h0=0，地下水處于承壓轉(zhuǎn)無壓水流狀態(tài)條件下，預(yù)測可采煤層頂、底板砂巖裂隙水進入礦井正常涌水量。

其中：r0：“大井”引用半徑，m；R0：“大井”引用影響半徑，m；F：主采煤層面積，km2,其它符號同上。

預(yù)測時開采面積F采用-800m水平至露頭帶面積的1/2，即F =3.7 km2；水位降低S值采用7～8煤頂、底板砂巖裂隙含水層抽水試驗靜止水位標(biāo)高平均值22.27m降至-800m水平的降深來計算，即：S=800+22.27=822.27m。含水層厚利用3-1～8煤層頂?shù)咨皫r的平均厚度,即:M=32m。K值選用7～8煤抽水試驗資料的穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流的K值算術(shù)平均值：0.0531 m/d。經(jīng)預(yù)計砂巖裂隙水進入礦井的正常涌水量為355m3/h。

3.2.2 生產(chǎn)礦井比擬法

本井田與附近臨渙煤礦水文地質(zhì)條件相似，因此可以利用臨渙煤礦生產(chǎn)初期實測涌水量，采用比擬法公式(6)預(yù)計本井田礦井涌水量。

其中：F0：生產(chǎn)礦井井下巷道開拓面積，m2；Q0：生產(chǎn)礦井實測礦井涌水量，m3/h；S0：生產(chǎn)礦井水位降低值，m。其它符號同上。

臨渙煤礦1985～1991年實測正常涌水量434m3/h，最大涌水量590m3/h。井巷開拓面積為9km2。一水平水位降低值474m。本礦井F =3.7 km2，S =822.27m。運用公式(6)得：礦井正常涌水量368m3/h，最大涌水量498m3/h。

3.3 10-2煤底板太原組灰?guī)r含水層涌水量預(yù)計

10-2煤與太原組灰?guī)r間距19.2～46.2m，因斷層影響使灰?guī)r與煤層接觸或間距變小，可能會發(fā)生底板突水。采用底板進水非完整井公式(7)計算。

公式中符號同上。

根據(jù)淮北煤田各生產(chǎn)礦井情況，工作面突水面積一般采用工作面長30m，寬15m，

滲透系數(shù)采用304與渦水37兩孔對1～4灰抽水試驗滲透系數(shù)平均值，即K =1.037m/d。太原組灰?guī)r厚度采用1～4灰厚度算術(shù)平均值：17.88m。水位標(biāo)高采用304與渦水37孔水位標(biāo)高的平均值27.68m。水位降低S值采用水位標(biāo)高平均值27.68m降至-800m水平的降深來計算，即：S =800+27.68=827.68m。采用上述各參數(shù)預(yù)測太原組灰?guī)r涌水量為692m3/h。

4 結(jié)語

通過對徐廣樓井田水文地質(zhì)特征和礦井充水條件的分析，采用地下水動力學(xué)法和生產(chǎn)礦井比擬法預(yù)計礦井正常涌水量，分別為355m3/h和368m3/h。預(yù)計結(jié)果相近，建議采用生產(chǎn)比擬法預(yù)計的成果作為礦井設(shè)計、排水設(shè)備選型的依據(jù)。