豫西郭村井田深部水文地質(zhì)特征及涌水量預(yù)算

張盼　任金武　高家平

摘要：郭村煤礦現(xiàn)階段為淺部開采，隨著開采水平向深部延伸，礦井水文地質(zhì)條件趨于復(fù)雜，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦井涌水量對(duì)深部開采意義重大，本文首先分析了郭村煤礦水文地質(zhì)特征，針對(duì)影響開采的主要含水層，確定了二疊系山西組頂板砂巖裂隙水和石炭系上統(tǒng)太原組上段煤層底板巖溶裂隙水為主要充水水源，構(gòu)造裂隙及采動(dòng)裂隙為主要充水通道，另外受礦井淺部地表水體影響較大。充分考慮礦井多種充水因素，提高礦井涌水量的預(yù)測(cè)精度，采用比擬法和大井法對(duì)深部開采時(shí)礦井的涌水量進(jìn)行預(yù)算，為礦井深部水害防治和安全生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì)條件；涌水量預(yù)測(cè)；預(yù)測(cè)精度；比擬法；大井法

根據(jù)礦井水文地質(zhì)資料，總結(jié)其水文地質(zhì)特征。礦井涌水量是礦山設(shè)計(jì)部門確定排水設(shè)備和制定防治水措施的主要依據(jù)，對(duì)礦井的經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)有很大的影響。礦井涌水量的預(yù)測(cè)精度，不僅關(guān)系到礦區(qū)的安全和效益，也直接決定礦區(qū)的用水、供排水設(shè)計(jì)，然而礦井涌水量預(yù)測(cè)精度，不僅取決于對(duì)水文地質(zhì)條件的勘探精度、礦井充水條件和含水層參數(shù)的合理選用，也取決于選用的預(yù)測(cè)方法和礦山開采方案。充分考慮多種因素，多種方法進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)，并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，使預(yù)測(cè)精度進(jìn)一步提高，從而為礦井開采設(shè)計(jì)提供更加合理、可靠地依據(jù)，保證礦區(qū)的可持續(xù)安全開采，是礦井水文地質(zhì)工作所要解決的首要問題之一。

1.井田概況

郭村煤礦位于河南省偃師市偃師一龍門煤田中部，原為焦村礦焦村井與劉莊井，嵩山背斜北翼，總體傾向北，為一單斜構(gòu)造，地層傾角15°～26°，傾角平均18°，構(gòu)造復(fù)雜程度為中等，礦區(qū)位于嵩山山脈北麓的山前平原區(qū)，全區(qū)多被第四系覆蓋，有零星基巖出露，主要有寒武系上統(tǒng)鳳山組、奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、二疊系下統(tǒng)山西組。礦區(qū)面積16.7km²，區(qū)內(nèi)主要的含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組二₁煤層，查明資源儲(chǔ)量6676萬噸。其中保有資源儲(chǔ)量5532萬噸，礦床水文地質(zhì)類型為第三類第二亞類第二型。

2.礦井水文地質(zhì)特征

2.1主要含水層

（1）第三、四系砂礫石含水層。該層地下水類型為孔隙潛水，主要由砂、礫石組成，第四系砂礫石含水性強(qiáng)，單位涌水量0.2171/sm～4.2451/sm，滲透系數(shù)O.1851/sm～62.1m/d，水位深度9.95m～32.8m，厚度9.3m～346.8m，平均87.9m，是民井取水的主要水源。第三系底部的礫石，含水性較弱。

（2）二₁煤頂板砂巖含水層。該層砂巖均為裂隙承壓水含水層，由山西組的大占砂巖和下石盒子組的砂鍋窯砂巖組成，大占砂巖厚10m～20m，砂鍋窯砂巖厚10m～30m，水位深度為390.12m、389.73m以上，含水性弱，是二，煤頂板直接充水含水層。

（3）太原組上段灰?guī)r含水層。該層為巖溶裂隙承壓水含水層，由L₆～L₈灰?guī)r組成，其中L₇灰?guī)r發(fā)育完整，層位穩(wěn)定，一般厚5m～12m，平均7m左右，水位深度69.6m～85.2m。含水性極不均一。單位涌水量O.0041/s·m～0.9641/s·m，距二₁煤層底板20m左右，是二₁煤層底板直接充水含水層。

（4）太原組下段灰?guī)r含水層。該層為巖溶裂隙承壓水含水層，由L₁～L₄灰?guī)r組成，厚度10m～18m，一般12m，水位深度36.4m左右。全區(qū)46個(gè)鉆孔揭露，有9個(gè)孔漏水，占19.7%。本井田范圍4902孔于孔深405m～406m穿見溶洞，其巖溶發(fā)育不均，含水性較上段灰?guī)r強(qiáng)。

（5）鳳山組及馬家溝組石灰?guī)r含水層。該層為巖溶裂隙承壓水含水層，鳳山組中巖性為中厚層狀一巨厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r，平均厚27.61m，水位深度56.7m～125.8m。馬家溝組中巖性為厚層狀泥晶灰?guī)r，夾薄層狀泥巖、泥灰?guī)r，該含水層厚度60m左右，巖溶裂隙發(fā)育，為主要承壓含水層。

2.2主要隔水層

（1）二₁煤層底板隔水層

介于二₁煤層與太原組上段灰?guī)r之間，巖性由泥巖、砂質(zhì)泥巖組成，厚5m～20m，一般8.43m，其層位穩(wěn)定，有一定隔水能力。

（2）本溪組鋁土質(zhì)泥巖隔水層

由鋁土巖和鋁土質(zhì)泥巖組成，厚度4m-10.8m，其層位穩(wěn)定，巖性致密，節(jié)理裂隙不發(fā)育，隔水能力強(qiáng)，正常情況下，可阻隔太原組灰?guī)r和中奧陶系灰?guī)r之間的水力聯(lián)系。

礦井水文地質(zhì)類型中等，礦井涌水量主要來自頂、底板。二。煤層頂板直接充水含水層為山西組砂巖含水層，二₁煤層底板直接充水含水層為太原組上段石灰?guī)r含水層，頂?shù)装逯苯映渌畬痈凰匀?，?duì)礦井開采影響較小。主要巖石巷道布置在L₇灰?guī)r中，正常情況對(duì)礦井回采不構(gòu)成威脅。

2.3充水因素

礦井充水因素概括為充水水源和充水通道兩個(gè)因素。

（1）充水水源

①大氣降水。大氣降水通過礦區(qū)南部基巖出露區(qū)及上覆新生界薄弱或松散地段直接下滲補(bǔ)給地下水，成為地下水的主要補(bǔ)給水源。一般每年7月份～9月份降水比較集中，本區(qū)雨季時(shí)，淺部的礦井涌水量受降水影響明顯。雨季最大礦井涌水量比正常涌水量大0.5倍左右，為礦井主要充水因素。

②地表水。本區(qū)小型水庫3個(gè)，下滲條件不佳，對(duì)礦井無充水作用。區(qū)內(nèi)鐵窯河為季節(jié)性流水，正常情況下對(duì)礦井直接充水影響較小，對(duì)礦井影響最大的是礦區(qū)二₁煤層露頭附近的陸渾東一干渠，該渠興建于第四系和新近系的粘土、亞粘土層中，從礦區(qū)二₁煤層露頭附近經(jīng)過，放水時(shí)受其影響，礦井涌水量均有明顯增大現(xiàn)象，增加量達(dá)200m3/h。

③地下水。a、二₁煤層頂板砂巖裂隙水：據(jù)勘查資料，二₁煤層頂板砂巖含水層單層厚度較小，富水性弱，在礦井生產(chǎn)中，當(dāng)回采落頂后，頂板砂巖裂隙承壓水將通過導(dǎo)水裂隙帶充入礦井，構(gòu)成礦井頂板直接充水水源。由于其富水性弱，對(duì)礦井開采危害不大。b、太原組上、下段灰?guī)r巖溶水：根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)資料，太原組上段石灰?guī)r含水層的單位涌水量均小于0.1L/s·m；太原組下段石灰?guī)r含水層的單位涌水量0.1L/s·m-0.748L/s·m；該含水層巖溶裂隙發(fā)育程度弱，富、導(dǎo)水性不均一，含水層厚度不大，水量有限，含巖溶承壓水，涌水時(shí)，水量較大，排水后容易疏干，一般不對(duì)礦井的安全造成大的威脅。其中太原組上段石灰?guī)r含水層為二₁煤層底板直接充水含水層，隨著開采深度的不斷加深，底板也可能因礦山壓力及水壓的共同影響，引起底鼓突水，形成水患災(zāi)害。c、寒武系及奧陶系灰?guī)r巖溶水：寒武系及奧陶系巖溶含水層，厚度大，巖溶發(fā)育，含水性極不均一，富水性強(qiáng)，補(bǔ)給條件好，是威脅礦井安全生產(chǎn)的主要充水水源。如遇構(gòu)造破壞對(duì)礦井開采影響更大。

（2）礦井充水通道

①滲人性通道。巖石中的風(fēng)化裂隙及區(qū)內(nèi)各斷層影響帶中的細(xì)小裂隙為滲人性通道。該通道具滲人性特點(diǎn)，對(duì)二₁煤層充水影響較小。

②潰人性通道。本區(qū)分布各類正斷層11條，落差在15m～45m，長(zhǎng)度最大2.5km，長(zhǎng)度450m～800m之間，這些斷層均穿了二₁煤層，縮短了二₁煤層與含水層的距離，容易引起對(duì)礦床潰人性的充水作用。

③地下水的補(bǔ)給、逕流與排泄。補(bǔ)給水源主要為大氣降水和地表水體。根據(jù)調(diào)查，新近系、第四系砂礫石孔隙含水層主要以大氣降水為主，以小型水庫和鐵窯河河水補(bǔ)給為輔?；鶐r地下水受大氣降水有一定影響，但明顯程度不大。二。煤層露頭附近的陸渾東一干渠放水期間，對(duì)地下水的補(bǔ)給較為明顯?？墒沟V井增涌水量200m³/h。

受自然地理、地質(zhì)條件的限制，本區(qū)沒有天然排泄點(diǎn)。地下水的排泄主要為礦井生產(chǎn)期間的長(zhǎng)期疏排、當(dāng)?shù)剞r(nóng)民打機(jī)井抽排和植物蒸騰作用引起的抽排。

3.礦井涌水量預(yù)算

礦井涌水量預(yù)算是一個(gè)建立在定性分析基礎(chǔ)上的定量評(píng)價(jià)過程，其結(jié)果的準(zhǔn)確性在很大的程度上取決于定性分析的各種因素，需要建立涌水量預(yù)算的水文地質(zhì)模型及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并代入相應(yīng)參數(shù)解算該模型。所謂建立水文地質(zhì)模型，就是概化自然條件下的礦井水文地質(zhì)條件，如礦區(qū)內(nèi)含水層及隔水層的基本結(jié)構(gòu)特征，以及地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件等；根據(jù)煤礦開采方案（如開采深度、范圍、方式等），確定煤礦的內(nèi)邊界條件；分析未來充水因素，預(yù)測(cè)不同時(shí)期開采時(shí)的外邊界條件。數(shù)學(xué)模型建立后需對(duì)其進(jìn)行解算，就是將相應(yīng)參數(shù)帶人數(shù)學(xué)模型中進(jìn)行求解，將得出的結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，對(duì)其合理性進(jìn)行評(píng)估，若采用的不同預(yù)算方法結(jié)果相差較遠(yuǎn)或與礦井涌水量變化規(guī)律不符時(shí)應(yīng)對(duì)解算過程進(jìn)行檢查，完善后進(jìn)行重新解算，直至結(jié)果合理為止。根據(jù)郭村煤礦的實(shí)際情況，本文將分別采用確定性模型中的解析法及非確定性模型中的比擬法進(jìn)行涌水量的預(yù)算。

郭村煤礦現(xiàn)大巷開拓水平-235.8m，已開采面積2496000mz，礦井充水水源平時(shí)以底板水為主，礦井正常涌水量250m³/h，其中頂?shù)装逯苯雍畬诱Ｓ克亢嫌?jì)約190m³/h、馬家溝組巖溶水約60m³/h；下步首采區(qū)開采標(biāo)高-400m，開采面積8728100m²；大巷位于-400m水平的太原組上段石灰?guī)r之中。二。煤層頂板砂巖含水層靜止水位標(biāo)高+257.8m。二，煤層底板灰?guī)r含水層靜止水位平均標(biāo)高+156.7m。

山西組砂巖含水層和太原組上段石灰?guī)r含水層為二，煤層頂?shù)装逯苯映渌畬?，是礦井疏排的直接對(duì)象。二者中地下水涌水量的總和，即接近于礦井的總涌水量。所以本次對(duì)二₁煤層頂、底板直接充水含水層的涌水量加以預(yù)算。

3.1采用比擬法預(yù)算礦井涌水量

比擬法是采用地質(zhì)、水文地質(zhì)條件相似，同一開采方法的生產(chǎn)礦井的水文地質(zhì)資料，用來預(yù)測(cè)新水平的涌水量。計(jì)算公式如下：

式中：Q、F、S分別為預(yù)算礦井涌水量（m³/h）、開采面積（km²）和水位降深（m）；Q₁、F₁、S₁分別為原有礦井涌水量（m³/h）、開采面積（km²）和水位降深（m）；根指數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值m=4，n=2。比擬法預(yù)算結(jié)果見表1。

未來生產(chǎn)礦井的最大涌水量按現(xiàn)有正常涌水量加上陸渾灌渠季節(jié)性放水后純?cè)鲇克?00m³/h計(jì)算，并考慮增加雨季最大涌水量按增大0.5倍計(jì)算值。

3.2采用大井法預(yù)算礦井涌水量

一般礦井的構(gòu)造條件都比較復(fù)雜，礦區(qū)邊界條件形態(tài)不規(guī)則，為了在計(jì)算中獲得較為理想的解析解，需要對(duì)礦井邊界進(jìn)行概化，即簡(jiǎn)化為一個(gè)圓形的大井，然后應(yīng)用地下水向井運(yùn)動(dòng)的公式預(yù)測(cè)礦井的涌水量。大井法礦井涌水量預(yù)算公式如下：

（1）二₁煤層頂板砂巖裂隙含水層

預(yù)算范圍內(nèi)，該含水層需全部疏干，所以應(yīng)選擇承壓轉(zhuǎn)無壓水公式，具體采用公式為：

（2）太原組上段石灰?guī)r巖溶含水層

在預(yù)算范圍內(nèi)，應(yīng)采用承壓水公式。具體選擇公式如下：

（3）大井法預(yù)算參數(shù)的選擇

未來生產(chǎn)礦井的最大涌水量按現(xiàn)有正常涌水量加上陸渾灌渠季節(jié)性放水后純?cè)鲇克?00m³/h計(jì)算，并考慮增加雨季最大涌水量按純?cè)龃?.5倍計(jì)算值。

4.礦井涌水量預(yù)算結(jié)果的評(píng)價(jià)

礦井涌水量預(yù)算，分別采用“比擬法”和“大井法”兩種方法進(jìn)行預(yù)算，由于大井法對(duì)水文地質(zhì)條件嚴(yán)格理想化，采用大井法計(jì)算礦井涌水量結(jié)果必然會(huì)存在一定的誤差，而比擬法采用的數(shù)據(jù)來自礦井多年涌水量觀測(cè)資料，且比擬法預(yù)算涌水量值大于大井法預(yù)算值，從嚴(yán)謹(jǐn)性及礦井生產(chǎn)安全多方面考慮，最終采用比擬法預(yù)算的涌水量，即開采至400m時(shí)，二。煤層礦井正常涌水量304m³/h和最大涌水量656m³/h。通過分析礦井水文地質(zhì)特征，綜合考慮涌水量預(yù)計(jì)受多種因素控制和影響，更加準(zhǔn)確的進(jìn)行礦井深部涌水量預(yù)計(jì)，為礦井深部水害防治和安全生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。