七元煤礦水文地質(zhì)條件分析及涌水量估算

穆金霞

（中國煤炭地質(zhì)總局 第一水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邯鄲 056004）

0 引言

隨著礦山開采深度逐漸加大，深煤層開采勢在必行，同時(shí)面臨礦坑涌水量增大的問題[1-2]。我國華北型煤田開采普遍受底板巖溶水害威脅，不同礦區(qū)水文工程地質(zhì)條件存在差異性[3]，因此，需要更加全面、科學(xué)地調(diào)查研究礦井水文地質(zhì)條件，合理預(yù)算礦井涌水量，確保礦井安全生產(chǎn)[4]。

1 礦井地質(zhì)

七元煤礦位于山西省晉中市壽陽縣城東部，井田面積207.434 3 km2，生產(chǎn)能力500 萬t/a，批準(zhǔn)開采3、6、81、82、15、15 下號煤層。地層由老至新發(fā)育有奧陶系上馬家溝組（O2s）、峰峰組（O2f），石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、上統(tǒng)太原組（C3t），二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、下石盒子組（P1x）、上統(tǒng)上石盒子組（P2s）、石千峰組（P2sh），三疊系（T），第四系（Q）。主要含煤地層有石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，主采81、15號煤層。

該區(qū)構(gòu)造形態(tài)呈現(xiàn)走向近東西傾向南的單斜構(gòu)造，傾角2°～12°，再此基礎(chǔ)上發(fā)育了次一級的波狀起伏和少量斷裂。井田內(nèi)在各階段的勘查過程中，共發(fā)現(xiàn)斷層4 條，未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入，構(gòu)造屬簡單類型。

2 礦井水文地質(zhì)條件

2.1 含水層

井田內(nèi)自上而下發(fā)育的主要含水層有第四系及風(fēng)化帶砂礫石含水層、石盒子組砂巖裂隙含水層、山西組砂巖裂隙含水層、太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。第四系及風(fēng)化帶砂礫石含水層主要為砂礫層，厚5.90～25.40 m，壽陽縣城最厚。據(jù)抽水試驗(yàn)資料，單位涌水量0.005 7～1.490 L/s·m，富水性弱—強(qiáng)。水質(zhì)類型HCO3-Ca 或HCO3-Ca·Na，為當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)用水及生活飲用水的主要來源。

石盒子組砂巖裂隙含水層由中細(xì)粒砂巖—含礫粗砂巖組成，厚度5.25～48.15 m，平均17.87 m，由西北向東南逐漸增厚。井田內(nèi)16 個(gè)鉆孔出現(xiàn)沖洗液漏失，受地形及構(gòu)造影響，9-8 孔出現(xiàn)涌水，水位標(biāo)高1 150.80 m，單位涌水量0.217 L/s·m，水質(zhì)類型HCO3-Ca·Mg。P44 孔放水試驗(yàn)資料，單位涌水量0.234 l/s·m，富水性中等。

山西組砂巖裂隙含水層巖性為細(xì)—粗粒砂巖。砂巖粒度由東西向中部變細(xì)，裂隙不發(fā)育且多被泥質(zhì)充填，沖洗液消耗量甚微。井田有6 個(gè)鉆孔對山西組砂巖裂隙含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)，大部分被抽干，含水層富水性弱，水質(zhì)類型SO4·HCO3-Na·Ca或HCO3·SO4-Na。

太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層有3 層石灰?guī)r，分別為K2、K3、K4石灰?guī)r，井田內(nèi)均發(fā)育穩(wěn)定，是良好的標(biāo)志層，為15 號煤層頂板直接充水含水層。井田內(nèi)有6 個(gè)鉆孔對太原組灰?guī)r進(jìn)行了混合抽水試驗(yàn)，其中一半在抽水20～39 h 時(shí)被抽干。單位涌水量均較小或極小，富水性弱，水質(zhì)類型HCO3·SO4-Ca 或SO4·HCO3-Ca。

奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層分峰峰組及上馬家溝組。據(jù)井田內(nèi)43 個(gè)鉆孔統(tǒng)計(jì)，奧灰頂板埋深604.60～998.70 m，從奧陶系頂板灰?guī)r埋深等值線圖上可看出（表1、圖1），西部淺東部深，北部淺南部深。峰峰組厚度141.38～228.70 m，巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r，裂隙、溶洞不發(fā)育。井田內(nèi)8 個(gè)鉆孔揭穿峰峰組，沖洗液無一漏失。據(jù)SG-I 號孔抽水試驗(yàn)資料，單位涌水量0.008 5 L/s.m，水質(zhì)類型HCO3-Na 型，礦化度1 545.35 mg/L，水質(zhì)較差；上馬家溝組巖性為厚層狀石灰?guī)r夾薄層泥灰?guī)r和石膏，巖溶裂隙發(fā)育，多為溶孔，連通性好。據(jù)井田內(nèi)4 個(gè)鉆孔上馬家溝組抽（注）水資料，單位涌水量0.005～3.388 L/s·m，礦化度0.872～2.460 g/L，富水性弱—強(qiáng)，水質(zhì)類型SO4·HCO3-Ca·Mg。

圖1 奧陶系頂板灰?guī)r埋深等值線圖Fig.1 Ordovician roof limestone buried depth contour

表1 奧陶系頂板灰?guī)r埋深統(tǒng)計(jì)表Table 1 Ordovician roof limestone buried depth statistics

2.2 隔水層

區(qū)內(nèi)隔水層較多，各基巖含水層之間都有厚度穩(wěn)定的泥巖、砂質(zhì)泥巖，可起到隔水作用，主要隔水層（組）如下。

15 煤層至奧灰間隔水層組：厚67.12～99.57 m，平均83.64 m。主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖，夾2～3 層薄層石灰?guī)r，底部有一層穩(wěn)定、分布全區(qū)的鋁土質(zhì)泥巖，正常情況下可起到隔水作用。

K8～K12 隔水層組：厚300.80～355.56 m，巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖等，并夾有粒度不同的各類砂巖，其巖層呈互層結(jié)構(gòu)且沉積穩(wěn)定。據(jù)井田內(nèi)30 個(gè)鉆孔統(tǒng)計(jì)，81號煤層底板隔水層厚度為151.82～199.79 m，平均厚度170.29 m。井田中、北、南部81號煤層底板隔水層厚度小于170 m，向東、西部逐漸增大（圖2）；15 號煤層底板隔水層厚度一般為71.57～99.56 m，平均厚度85.14 m。井田內(nèi)15 號煤層底板隔水層厚度值由北部向東、西、南部逐漸增大（圖3）。

圖2 81 號煤層底板奧灰隔水層厚度等值線圖Fig.2 No.81 coal seam floor Ordovician limestone aquifuge thickness contour

圖3 15 號煤層底板奧灰隔水層厚度等值線圖Fig.3 No.15 coal seam floor Ordovician limestone aquifuge thickness contour

2.3 各含水層間水力聯(lián)系

煤系地層各含水層下有15 煤至奧灰間隔水層組，上有K8～K12 砂巖隔水層組存在，且煤系地層各含水層間均有不同厚度的隔水層存在，加之區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，巖層完整性好，正常情況下各含水層無水力聯(lián)系。

2.4 地下水補(bǔ)徑排條件

七元煤礦基本上為一走向近東西，向南傾斜的單斜構(gòu)造，地表分水嶺以西為覆蓋區(qū)，以東為半裸露區(qū)，勘探區(qū)以北各基巖含水層均有出露，成為地下水的補(bǔ)給區(qū)，大氣降水為主要補(bǔ)給來源。但由于地處地表分水嶺，而且溝谷發(fā)育，地表高差大，植被覆蓋稀少，地表徑流條件好，不利于大氣降水的入滲補(bǔ)給，故而補(bǔ)給條件差。

井田位于沁水盆地北部翹起端，從盆地翼部到軸部，含水層埋藏深度由淺入深，徑流由積極變滯緩，水質(zhì)逐漸變差。本區(qū)處于娘子關(guān)泉水文地質(zhì)單元的北部中等徑流區(qū)（圖4），徑流條件較強(qiáng)，富水程度極不均一，地下水流向由西北向東南與區(qū)域東部徑流匯合（圖5），而后在娘子關(guān)泉群分散排泄。

圖4 娘子關(guān)泉域奧灰水等水位線及泉域分區(qū)圖Fig.4 Ordovician limestone water contour and spring area zoning diagram in Niangziguan Spring Area

圖5 奧陶系中統(tǒng)含水層地下水流場圖Fig.5 Underground water flow field diagram in Middle Ordovician aquifer

2.5 礦井充水因素分析

山西組砂巖含水層、太原組灰?guī)r含水層、淺部采空區(qū)積水，斷層、陷落柱導(dǎo)水將是七元井田開采上組煤時(shí)未來礦井充水的主要因素。開采下組煤時(shí)主要充水水源是太原組灰?guī)r含水層及奧灰含水層水。井田奧灰?guī)r溶水水位標(biāo)高+460—+610 m，井田中、南部大部區(qū)域6、81、82、15 號煤層底板標(biāo)高低于井田奧灰?guī)r溶水水位標(biāo)高，存在部分帶壓開采，15 下號煤層基本全部帶壓，在構(gòu)造地段應(yīng)加強(qiáng)防范底板奧灰突水。

3 礦井涌水量估算

3.1 解析法

此次解析法采用“大井法”進(jìn)行計(jì)算，選用《煤礦防治水手冊》中承壓轉(zhuǎn)無壓完整井礦井涌水量計(jì)算公式[5-6]。

此次預(yù)算山西組、太原組礦井涌水量時(shí)，所用的水文地質(zhì)參數(shù)采用Q1603、QY-3、QY-5 號3 個(gè)水文地質(zhì)孔的抽水試驗(yàn)資料（表2），解析法預(yù)測礦井正常涌水量199 m3/h，最大涌水量475 m3/h（表3）。

表2 鉆孔抽水試驗(yàn)成果表Table 2 Drilling hole pumping test results

表3 礦井涌水量計(jì)算表Table 3 Mine water inflow calculation

3.2 比擬法

利用鄰礦新景煤礦實(shí)際涌水量資料，采用水文地質(zhì)比擬法對該礦井開采81、15 號煤層礦井涌水量進(jìn)行預(yù)測。單位涌水量比擬法公式為：

式中：Q為預(yù)算礦井涌水量，m3/d；Kp 為含水系數(shù)，m3/t·d；P為礦井設(shè)計(jì)日產(chǎn)量，t/d。

新景煤礦正常涌水量時(shí)含水系數(shù)（Kp）為0.177 4 m3/t，最大礦井涌水量時(shí)含水系數(shù)（Kp）為0.356 2 m3/t。按照該礦井設(shè)計(jì)年產(chǎn)量500 萬t/a 計(jì)算，礦井正常涌水量123 m3/h，最大涌水量247 m3/h。

3.3 預(yù)測結(jié)果評述

水文地質(zhì)比擬法預(yù)測結(jié)果基本反映了礦井真實(shí)的水文地質(zhì)特征，但由于含水層的不均一性以及影響到富水性在井田內(nèi)的差異變化，可能在一定程度上影響預(yù)測結(jié)果的精度[7]。

解析法是《煤礦防治水手冊》推薦使用的涌水量預(yù)測方法，考慮參數(shù)較多。求取的水文地質(zhì)參數(shù)真實(shí)可靠，具有普遍性及可靠性，因此預(yù)測結(jié)果基本可靠。

綜合考慮，建議采用“解析法”作為礦井涌水量計(jì)算結(jié)果。預(yù)測礦井正常涌水量199 m3/h，最大涌水量475 m3/h。

4 結(jié)論

（1）第四系及風(fēng)化帶砂礫石含水層富水性弱—強(qiáng)，石盒子組砂巖裂隙含水層富水性中等，山西組砂巖裂隙含水層富水性弱，太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層富水性弱，奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層富水性弱—強(qiáng)，富水性不均一。

（2）分別采用解析法和比擬法預(yù)測礦井涌水量。解析法預(yù)測礦井正常涌水量199 m3/h，最大涌水量475 m3/h；比擬法預(yù)測礦井正常涌水量123 m3/h，最大涌水量247 m3/h。