貴州盤縣盆地火燒鋪煤礦礦井涌水量預(yù)測

王海軍

(中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

勘探階段礦井涌水量的大小決定水文地質(zhì)勘探類型、礦井設(shè)計排水系統(tǒng)和排水設(shè)備能力的配備；生產(chǎn)階段直接決定礦井水文地質(zhì)類型，礦井防治水措施以及采區(qū)、工作面人員的生命安全。因此，涌水量預(yù)測是地質(zhì)勘查、礦井防治水工作的重要組成部分，同時也是水文地質(zhì)預(yù)測預(yù)報的難點之一。雖然礦井涌水量預(yù)測的方法眾多，如解析法中的大井法、積水廊道法[1-2]，比擬法[3-4]、回歸分析法[5-6]、數(shù)值模擬法[7]和基于不同模型的預(yù)測方法[8-15]，但是，在勘探階段由于對井田內(nèi)水文地質(zhì)特征的認(rèn)識有限多采用解析法和比擬法。

火燒鋪煤礦作為盤縣煤田內(nèi)開發(fā)最早的大型國有礦井，礦井勘探歷史最早可追溯到1956年之前，最近為2018年12月，先后經(jīng)歷了10多次的地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探。針對煤層直接、間接充水含水層已經(jīng)完成了19個地面水文鉆孔，32層次抽水試驗；此外，礦井從1978年投產(chǎn)至今經(jīng)過40多年的淺部煤炭資源的開發(fā)，已經(jīng)建立了完整的地面、井下水文地質(zhì)觀測臺帳。隨著近年來地面—井下水文動態(tài)觀測自動化監(jiān)測系統(tǒng)的建立，更加豐富了井田內(nèi)的水文地質(zhì)資料。但是，勘探階段和礦井生產(chǎn)階段預(yù)測的礦井涌水量值與實踐生產(chǎn)相差較大，主要表現(xiàn)為：其一，地面及井下水文地質(zhì)鉆孔對煤系及其頂板直接充水含水層、斷層帶抽水試驗所獲取的水文地質(zhì)參數(shù)，綜合反應(yīng)為井田內(nèi)礦井涌水量較小，而實際礦井涌水量較大；其二，礦井在向深部延伸時礦井涌水量并未減小且有逐漸增大的趨勢。因此，選擇一種與井田水文地質(zhì)特征相吻合，使得預(yù)測的結(jié)果更準(zhǔn)確的涌水量預(yù)測方法是目前礦井向深部延伸急需解決的問題，尤其是在龍?zhí)督M中上段主要可采煤層開采殆盡，煤炭資源開采向深部、下組煤層拓展時，上部采空區(qū)面積增大，采空區(qū)積水量增大，以往確定的水文地質(zhì)類型是否已經(jīng)發(fā)生了變化等問題是目前急需解決的問題。

為了解決這些問題，本人從井田水文地質(zhì)單元入手，應(yīng)用相關(guān)因素分析法，解析法、比擬法等多種方法預(yù)測不同開采水平、不同塊段內(nèi)的礦井涌水量，經(jīng)過對比分析，確定預(yù)測模型，進而為井田內(nèi)其它礦井涌水量預(yù)測提供計算方法和比擬對象。

1 地質(zhì)特征

盤縣盆地是黔西滇東地區(qū)的一個主要的聚煤盆地，包含了4個向斜：照子河向斜、舊普安向斜、盤關(guān)向斜和土城向斜，并處于2個構(gòu)造帶和黔西南旋扭構(gòu)造帶之中。盤關(guān)向斜是其中的北東向構(gòu)造之一，是盆地內(nèi)面積最大的構(gòu)造單元，向斜軸通過亦資、紅果等地，軸線長約45km，向斜寬5～20km?；馃伱旱V處于盤關(guān)向斜西翼南段，由火燒鋪、濫泥箐、羊場坡三個井田組成。

火燒鋪煤礦總體上為向東傾斜的單斜構(gòu)造形態(tài)，地層傾角18°～40°，在單斜的背景上斷裂構(gòu)造發(fā)育，多以正斷層為主，逆斷層、走滑斷層局部發(fā)育。二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M為礦區(qū)含煤地層，進一步劃分為龍?zhí)督M一段、二段、三段，三段均含煤，鉆孔揭露煤層22～68層，平均32層，其中可采的編號煤層14層[16-17]。

2 水文地質(zhì)特征

火燒鋪煤礦主要含煤地層為二疊系龍?zhí)督M，峨眉山玄武巖為含煤地層的基底。水文地質(zhì)特征為地表水徑流條件好，地下水相對較差。地下水以碎屑巖裂隙水為主，局部為第四系松散巖類孔隙—裂隙水和石灰?guī)r巖溶水，其賦存規(guī)律總體上受盤關(guān)向斜宏觀構(gòu)造的控制和影響[18-19]，各含水層的賦存規(guī)律、埋藏條件、分布范圍、循環(huán)特征等不盡相同，各自構(gòu)成一個相對獨立的含水層統(tǒng)一體。因此，按照含水巖層的性質(zhì)，將盤關(guān)向斜含水巖系劃分為三大含水層系統(tǒng)，即松散層孔隙—裂隙水、基巖裂隙水和灰?guī)r巖溶水，相應(yīng)的將含水層單元劃分為松散層孔隙—裂隙潛水弱富水區(qū)，基巖裂隙水弱富水區(qū)、灰?guī)r巖溶強—極強富水區(qū)(圖1)。區(qū)內(nèi)地下水、地表水總體上為由西向東，即由向斜的翼部向核部，由南向北流動，最終地表水在亦資孔、沙陀村、董家橋等地區(qū)流出井田，匯入拖長江，地下水在拖長江+1680m侵蝕溝谷排泄于拖長江。盤關(guān)向斜四周出露及煤系底部的峨眉山玄武巖組以及向斜翼端和北部的大型斷裂構(gòu)造共同組成盤關(guān)向斜的隔水邊界，使盤關(guān)向斜構(gòu)成一個完整、封閉的蓄勢構(gòu)造單元。

2.1 含(隔)水層特征

井田揭露地層有二疊系茅口組、峨眉山玄武巖組、龍?zhí)督M，三疊系飛仙關(guān)組，永寧鎮(zhèn)組等地層，其中飛仙關(guān)組下段、煤系是礦井直接充水含水層，飛仙關(guān)組上段、峨眉山玄武巖組是井田內(nèi)分布穩(wěn)定的隔水層，有效的隔離頂、底部強富水性巖溶含水層與煤系之間的水力聯(lián)系。通過對貴州省煤田地質(zhì)局159隊歷次勘探施工的地面17個鉆孔28層次抽水試驗和2018年深部補充勘探[16-18]施工的2個水文地質(zhì)鉆孔4層次抽水試驗及地面水文地質(zhì)調(diào)查300眼泉以及45個水化學(xué)分析結(jié)果統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：

①井田內(nèi)煤層開采直接充水含水層飛仙關(guān)組，含水層單位涌水量0.001 4～0.085 0L/(m·s)，平均0.040 6 L/(m·s)，屬于弱富水性含水層；二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，含水層厚度0～162.96m，平均96.07m，單位涌水量0.000 6～0.123 4L/(m·s)，平均0.030 64 L/(m·s)，屬于弱中等富水性含水層，總體上屬于富水性弱。

②直接充水含水層水化學(xué)類型以HCO3-Na為主，礦化度198.14～110 90.00 mg/L，平均366.85 mg/L；礦化度從上向下，隨著深度增加逐漸增大，由向斜翼部向軸部逐漸增加。

③含水層的富水性與埋深之間的關(guān)系呈負(fù)相關(guān)性，在300m以淺的露頭區(qū)地下水以潛水為主，受大氣降水、風(fēng)化裂隙水的影響，埋藏越淺富水性越強，弱—中等富水；在300m以深覆蓋區(qū)地下水以承壓水為主，隨著埋深的增加受大氣降水、風(fēng)化裂隙的影響逐漸減少，富水性變差，總體上屬于弱富水性(圖2)。

2.2 地下水補給、徑流、排泄

通過對井田內(nèi)地面水文地質(zhì)調(diào)查、永寧鎮(zhèn)組巖溶水地下水示蹤試驗[19-20]、永寧鎮(zhèn)組地面巖溶落水洞503與火4、火5、火9、火11、火13以及沙陀8號泉眼的連通性，在503落水洞口截流堵水，引入河水等連通試驗同時觀測火13鉆孔抽水試驗流量、其它各水文孔的水位和泉眼流量的變化。此外，在地面深部補充勘探過程中鉆孔在施工過程中在永寧鎮(zhèn)組、飛仙關(guān)組發(fā)生的地下水源污染事件導(dǎo)致位于工區(qū)北部的沙陀村、 東部的亦資孔街道辦等居民水源井、泉一段時間為灰白色、 灰黃色污染物、一段時間為紅色污染物的現(xiàn)象，致使5個施工鉆孔無法施工，為了查明水源污染鉆孔位置，通過分析施工鉆孔鉆進層位、水位及泥漿消耗量變化以及鉆孔揭露巖心完整性、裂隙等發(fā)育情況，對5個鉆孔逐項排除試驗，確定了永寧鎮(zhèn)組、飛仙關(guān)組水源污染鉆孔位置，永寧鎮(zhèn)組灰?guī)r巖溶地下水在溶洞發(fā)育區(qū)直接接受大氣降水補給，通過巖溶漏斗向落水洞匯集，在落水洞通過巖溶裂隙、地下暗河向東部的亦資孔、北部的沙陀方向徑流；而飛仙關(guān)組主要在露頭區(qū)接受降水的補給后地下水順地層或沿斷層破碎帶徑流，在東部、北部低洼處排泄。當(dāng)鉆孔鉆遇徑流通道時就會導(dǎo)致巖粉、鉆井液與地下水溝通污染地下水，因此，出現(xiàn)上述污染現(xiàn)象。最后，根據(jù)實際采取了下套管、黃泥球等堵漏措施保證了污染事件的迅速處理和工程的順利施工。綜合分析，井田內(nèi)地下水的補給、徑流、排泄關(guān)系如下圖3所示，受區(qū)域構(gòu)造控制與區(qū)域水文地質(zhì)特征相吻合，在此不再贅述。

圖1 區(qū)域水文地質(zhì)Figure 1 Regional hydrogeological map

圖2 含水層埋深與單位涌水量相關(guān)性分析Figure 2 Correlativity analysis between aquifer burieddepth and specific capacity

3 充水因素分析

3.1充水水源

3.1.1 大氣降水

從圖4可以看出， 礦井總涌水量與大氣降水密切相關(guān)， 礦井涌水量的峰值出現(xiàn)在每年的8～9月的降雨峰值期間，在降雨高峰值出現(xiàn)后1～5d井下涌水量出現(xiàn)高峰值，隨著開采深度的增加出現(xiàn)峰值的時間逐漸增長；礦井涌水量的低谷值出現(xiàn)在枯水期的2～3月份，礦井涌水量與降雨量呈正相關(guān)性，大氣降水沿各種裂縫滲入井下，是造成礦井涌水的主要充水因素之一。

圖3 地下水補給徑流和排泄關(guān)系Figure 3 Relationship between groundwater recharge runoff and discharge

圖4 礦井涌水量-降雨量相關(guān)關(guān)系曲線Figure 4 Correlativity curve between mine water inflow and rainfall

3.1.2 地表水

區(qū)內(nèi)主要的地表水主要有羊場坡小河、火鋪小河與清水河。貴州省煤田地質(zhì)局159隊對4個河流沿岸和1個斷層帶鉆孔抽水試驗及抽水后72h的水位觀測試驗表明：地表小河與地下水無明顯水力聯(lián)系，在無采空區(qū)裂縫及構(gòu)造影響時，地表徑流對礦井充水影響不大，地表水對礦井涌水量無明顯影響(表1)。

表1 地表河流與地下水水力關(guān)系

3.1.3 地下水

煤層的直接、間接充水含水層主要為煤層頂板龍?zhí)督M砂巖裂隙含水層和飛仙關(guān)組下段砂巖裂隙含水層，抽水試驗結(jié)果表明：直接充水含水層富水性弱，多以淋水、滴水方式出現(xiàn)。由于垂向上分布多層隔水層，各含水層之間的層間越流補給微弱，地下水運動以順層徑流為主。在煤層覆蓋區(qū)，煤層開采形成的導(dǎo)水裂隙帶與永寧鎮(zhèn)組灰?guī)r強富水性含水層之間存在穩(wěn)定的隔水層。由此礦井充水水源主要為煤層頂板砂巖含水層。

此外，二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r巖溶含水層與煤層之間存在有厚度大且分布穩(wěn)定的峨眉山玄武巖組及煤系內(nèi)的泥巖組隔水層，可有效阻隔茅口組灰?guī)r強富水性含水層水與煤層之間的水力聯(lián)系。

3.1.4 老窯、采空區(qū)及廢棄井巷積水

井田內(nèi)西部煤系露頭區(qū)老窯遍布，因開采無圖紙資料，又不能實測，故老窯井口位置、開采深度及開采范圍等資料多不準(zhǔn)確。生產(chǎn)實踐表明，下山開采老窯多有積水，積水位置和水量無法查清。部分老窯與礦井同時交插生產(chǎn)，且多分布于礦井采掘工作面的上方，故其積水對礦井威脅頗大。

3.2 充水通道

3.2.1 斷層

井田內(nèi)斷層較為發(fā)育，斷層多以正斷層為主，斷層面陡立，斷層破碎帶的寬度不一。根據(jù)斷層帶上水文鉆孔抽水試驗以及生產(chǎn)礦井揭露斷層帶的涌水量觀測統(tǒng)計分析斷層帶的富水性弱、封閉性良好、導(dǎo)水性差(表2)。礦井1660北大巷，自上盤的24號煤層穿越火6斷層至下盤的峨眉山玄武巖組第三段時，在鉆孔中發(fā)現(xiàn)承壓水，出水點至地表垂深180 m，流量30 m3/h，48 h后疏干，疏水總量約1 200m3。同時礦井在揭露在火5斷層上盤為峨眉山玄武巖第三段時只表現(xiàn)為淋水稍許加大；而采、掘工作面遇小斷層時，雨季有淋水，旱季無水。

表2 主要斷層導(dǎo)水性

3.2.2 煤層開采形成的導(dǎo)水裂隙帶

經(jīng)計算，各煤層開采形成導(dǎo)水裂隙帶的最大高度為46.25～169.03m，平均74.33m；飛仙關(guān)組下段的綠色砂巖層作為1煤層直接頂板，在采煤初期以起到隔離大氣降水的作用，但隨著礦井采空區(qū)面積的擴大，產(chǎn)生冒落塌陷，將減弱或者失去隔水作用，反而成為透水地層。

3.2.3 構(gòu)造裂隙

井田在經(jīng)歷了多個期次的構(gòu)造構(gòu)造應(yīng)力的改造和疊加，在井田內(nèi)各地層中不同程度的發(fā)育有構(gòu)造裂隙，同時鉆孔巖心揭露各地層不同程度的發(fā)育一定密度的構(gòu)造裂隙，煤系等碎屑巖組的裂隙水，是直接充水因素。一般情況下充水微弱，多以淋水、滴水方式出現(xiàn)，在裂隙發(fā)育地段水量有所增加，尤其是在斷層帶附近。

3.2.4 封閉不良鉆孔

井田西部+1400m以淺區(qū)域內(nèi)施工的鉆孔大部分已經(jīng)揭露，未見封閉不良鉆孔對礦井造成突水事件。以往勘探鉆孔中的118、401、116、317鉆孔由于涌水未進行封閉，101、103、109、110、111鉆孔無封孔記錄，340、346、319三個鉆孔封孔材料不足，360鉆孔對煤系未進行全段封閉，78-4、78-7、78-10鉆孔孔口部分未用水泥封閉；以上鉆孔應(yīng)針對不同情況，統(tǒng)一按照封閉不良鉆孔進行管理，在井巷及工作面推進到其附近時做好預(yù)防和應(yīng)對措施。

3.3 充水方式與充水強度

據(jù)礦井生產(chǎn)揭露，目前生產(chǎn)礦井煤層開采主要的充水方式有2種：一是大氣降水沿風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙、采空區(qū)塌陷裂隙滲入礦井；二是老窯積水或地表徑流經(jīng)老窯潰入礦井。第一種充水方式，雖對礦井產(chǎn)生有影響，但不會造成災(zāi)害事故。第二種充水方式，對礦井危害較大，原因是部分老窯已處在當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，常年有積水，且不掌握老窯的開采范圍、與礦井的關(guān)系、積水量等資料。

4 礦井涌水量計算

4.1 礦井涌水量構(gòu)成

火燒鋪礦礦井涌水量主要由平硐、斜井和井下水源井構(gòu)成，其中平硐由平一、平二，斜井由+1 400m(南一、南二)、+1 500m(26采區(qū))、+1 600m(21采區(qū)、23采區(qū)、24采區(qū))三個水平和+1 650 m井下水源水構(gòu)成，經(jīng)統(tǒng)計1978年1月～2018年4月40年間火燒鋪礦的礦井涌水量變化如圖5所示。

從圖5可以看出：隨著開采深度的增加、采空區(qū)面積的增大礦井涌水量有逐年變大的趨勢；礦井涌水量以斜井為涌水量主。

4.2 計算范圍

按照礦井目前的生產(chǎn)狀況、礦井的延伸水平和改造布局，礦井涌水量范圍分為6個水平9個塊段進行計算(表3)。

圖5 1978年1月-2018年4月礦井涌水量構(gòu)成及其變化曲線Figure 5 Mine water inflow constitutions and their variation curves during January 1978 to April 2018

序號塊段標(biāo)高/m面積/ km2范圍開采水平1第一塊段+1 820以淺2.43火燒鋪井田減掉劃給地方開采的部分平硐2第二塊段+1 600～+1 8202.26羊場坡井田平硐延伸3第三塊段+1 660以淺6.004第四Ⅰ+1 400～+1 6604.225塊段Ⅱ+1 400以淺11.506第五Ⅰ+1 200～+1 4003.477塊段Ⅱ+1 200以淺14.998第六Ⅰ+800～+1 2006.029塊段Ⅱ+800以淺20.99火燒鋪、濫泥箐井田對應(yīng)標(biāo)高范圍內(nèi)面積斜井改擴建區(qū)深部擴大區(qū)

4.3 相關(guān)關(guān)系分析法

通過統(tǒng)計1978—2018年間礦井涌水量的逐月變化及其與大氣降水、開采深度、開采面積、煤炭累計采出量等相關(guān)因素的數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了2008—2018年間各相關(guān)因素與礦井涌水量的關(guān)系。

①礦井涌水量與大氣降水密切相關(guān)，礦井涌水量的峰值出現(xiàn)在每年預(yù)計的8—9月的降雨峰值期間，降雨高峰值出現(xiàn)后3d井下涌水量出現(xiàn)高峰值(圖5)；礦井涌水量的低谷值出現(xiàn)在枯水期的2—3月份。

②總的礦井涌水量總體趨勢具有逐漸增大的特征(圖6)，礦井涌水量與開采面積、降雨量、開采深度、煤炭采出量等相關(guān)因素的相關(guān)性較好(圖6)；

③通過對涌水量與降雨量、開采面積、開采深度、煤炭采出量的相關(guān)因素多元回歸分析，涌水量與相關(guān)因素的相關(guān)性顯著，尤其是降雨量、開采面積。

通過對2008—2017年火燒鋪煤礦10年生產(chǎn)礦井涌水量與開采深度、開采面積、開采深度、降雨量和煤炭采出量的相關(guān)性分析，采用多元線性回歸分析的方法建立礦井涌水量與上述四個因素之間的相關(guān)關(guān)系方程，進而利用建立的方程進行礦井涌水量計算，多元擬合公式如下：

Q=49.96+0.50S+0.11H+0.54P+0.05F

(1)

式中：Q—預(yù)測塊段礦井涌水量，m3/a；

S—開采深度，以1 820m作為起算點；

H—年降雨量，取2008—2017年的年平均值，1 204.74mm；

P—礦井設(shè)計產(chǎn)量，萬t/a；

F—預(yù)測塊段的開采面積，/km2；

最大礦井涌水量值取最大礦井涌水量變幅平均值，2.17。

上述回歸分析方程經(jīng)過了相關(guān)性F和K檢驗，各因素相關(guān)性顯著，應(yīng)用該模型計算得正常礦井涌水量和最大礦井涌水量(表4)。

圖6 2008年1月-2018年4月礦井涌水量及其相關(guān)因素Figure 6 Mine water inflows and their correlative factors during January 2008 to April 2018

表4 相關(guān)性分析法礦井涌水量預(yù)測結(jié)果

5 對比分析

為檢驗預(yù)算參數(shù)的選取的合理性和計算的可靠性，采用解析法中的大井法、水平積水廊道法、比擬法中的噸煤富水系數(shù)比擬法和礦井單位涌水量比擬法進行了預(yù)測。計算結(jié)果顯示(表5)：解析法計算的礦井涌水量偏小，而兩種比擬法計算的結(jié)果也相差較大；分析原因，解析法計算的結(jié)果與抽水試驗揭示的水文地質(zhì)參數(shù)及其特征是相符合的，反應(yīng)了煤系直接充水含水層富水性弱的實際地質(zhì)特征；而未考慮由于大氣降水和采空區(qū)對礦井涌水量的影響。礦井單位涌水量比擬法計算的結(jié)果明顯偏大，說明采空區(qū)的面積、開采標(biāo)高這2個因素并不是主要的礦井涌水量控制因素；噸煤系數(shù)計算的結(jié)果最小，說明產(chǎn)量并不是唯一的影響因素。再次印證了礦井涌水量的相關(guān)因素應(yīng)為開采標(biāo)高、開采面積、煤炭資源采出量、大氣降雨量，因此，在井田內(nèi)涌水量的預(yù)測應(yīng)主要考慮上述四個因素，采用相關(guān)因素分析法計算的礦井涌水量是合理的。

表5 其它方法礦井涌水量預(yù)測結(jié)果

6 結(jié)論

①盤縣煤田水文地質(zhì)特征受地質(zhì)構(gòu)造控制，主要為一系列的向斜、背斜構(gòu)成一個個相對獨立的水文地質(zhì)單元，盤關(guān)向斜地下水在向斜的東西兩翼露頭區(qū)接受大氣降水的補給，由向斜的兩翼向軸部沿地層順層徑流，最終在軸部的溝谷地帶以泉眼、暗河等方式排泄；

②火燒鋪煤礦在貴州盤縣煤田內(nèi)具有典型性，淺部礦井生產(chǎn)表明礦井涌水量與大氣降水量、采空區(qū)面積、開采標(biāo)高以及煤炭資源的采出量四個因素呈正相關(guān)性，經(jīng)相關(guān)性檢驗相關(guān)性顯著。

③淺部礦井涌水量與大氣降水密切相關(guān)，向深部同樣繼承了這一特征，這是由于煤層在按照平硐到斜井不同標(biāo)高逐步進行開采，而深部開采時淺部采空區(qū)與深部開采區(qū)域無法隔離，大氣降水仍然可以通過冒裂帶、采空區(qū)涌水礦井，隨著開采深度的增加出現(xiàn)峰值的時間向后推移。

④火燒鋪煤礦作為貴州盤縣煤田內(nèi)的開發(fā)較早的國有現(xiàn)代化礦井，礦井經(jīng)過40多年的勘探、開發(fā)和礦井生產(chǎn)，積累了豐富的鉆孔水文地質(zhì)及礦井水文地質(zhì)資料，煤田內(nèi)其他生產(chǎn)礦井涌水量的預(yù)測可以參考使用火燒鋪煤礦多元回歸分析所建立的模型直接進行礦井涌水量預(yù)測，亦可以將火燒鋪煤礦作為比擬對象進行比擬計算。