首采區(qū)域內(nèi)上覆含水層的富水特征及采區(qū)涌水量計算

卓聰志

（西山煤電（集團）有限責任公司，山西 太原 030053）

引言

我國煤田礦床水文地質(zhì)復雜，礦井水害就是一大安全隱患，礦井重大水災事故時有發(fā)生，此類事故具有破壞性大、突發(fā)性強、搶救難度大、經(jīng)濟損失大等特點，常造成重大財產(chǎn)損失和人員傷亡[1-4]。近年來，隨著科技的進步，煤礦基本實現(xiàn)自動化，向著智能化邁進。機械化開采導致開采強度加大、擾動更加劇烈，對煤層上覆巖層中含水層以及隔水層造成很大擾動，會形成導水裂隙帶[5-6]通到生產(chǎn)工作面，對煤礦開采構成威脅[7]。因此，需要在煤田開采前期進行打鉆勘探煤田和開采區(qū)域內(nèi)的覆巖層內(nèi)富水特征以及礦井涌水量預測。

1 試驗區(qū)情況

礦區(qū)屬陜北黃土高原與隴東黃土高原結合部的塬梁溝壑區(qū)，地勢西南高東北低，涇河自西北向東南貫穿中部，將全區(qū)分割成東北、西南兩塬加川道的地貌格局。全區(qū)最高處位于井田東北角78 號孔附近的茉莉凹塔梁塬上，高程為+1 217 m；最低處位于本區(qū)東南角W1 鉆孔的紅崖河河谷中，標高為+870 m。本區(qū)相對高差347 m。本區(qū)地處中緯帶高原區(qū)，屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)，年平均降雨量為561.4 mm，年平均蒸發(fā)量為1 547 mm。

2 首采區(qū)域內(nèi)抽水試驗

2.1 地層情況

根據(jù)礦區(qū)井田勘探地質(zhì)報告及本次鉆孔揭露，地層依次有：三疊系上統(tǒng)胡家村組（T3h），侏羅系下統(tǒng)富縣組（J1f）、中統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a），白堊系下統(tǒng)宜君組（K1y）、洛河組（K1l）、第四系（Q4）。研究區(qū)內(nèi)含煤地層延安組直接或間接的沉積基底為三疊系上統(tǒng)胡家村組，其頂面起伏形態(tài)與上覆地層起伏大體一致，并受其控制。區(qū)內(nèi)構造總體走向NNE，向斜兩翼寬緩，傾角1°～6°。無明顯斷裂構造。

2.2 抽水試驗

本次施工WS3、WS4 號水文孔2 個，進行單孔穩(wěn)定流抽水試驗共5 層次，WS3 鉆孔抽水試驗3 層次，WS4 鉆孔抽水試驗2 層次，（見表1）。抽水試驗采用潛水泵，三角堰箱觀測流量，觀測水位計觀測水位，溫度計測量水溫。長觀管采用Φ89 mm 鋼管（其中：WS3 鉆孔在257 m～522 m 段為花、實管，WS4 鉆孔在260 m～530 m段為花、實管），管壁環(huán)狀間填入碎石。

表1 鉆孔抽水試驗一覽表

2.3 首采區(qū)域內(nèi)上覆含水層的抽水試驗分析

本次勘探施工的WS3、WS4 兩個水文鉆孔，共進行抽水試驗5 層次，其中，WS3 抽水試驗3 層次、WS4抽水試驗2 層次。鉆進至抽水層位后，對上部地層進行止水，利用水位內(nèi)外差法進行效果檢查；止水完成待水位穩(wěn)定后下入出水管、測管進行試抽水；試抽結束待水位穩(wěn)定后按照《煤炭資源地質(zhì)勘探抽水試驗規(guī)程》用穩(wěn)定流法進行正式抽水試驗，水位降深、延續(xù)時間、堰口觀測誤差，流量計算誤差均達《規(guī)程》要求，并進行水文測井工作。

洛河組上段（K1l2）砂巖孔隙～裂隙含水層：單位涌水量0.002 639 L/（s·m），滲透系數(shù)0.005 145 m/d，靜止水位標高885.65 m，富水性屬弱含水層。洛河組下段（K1l1）砂巖孔隙～裂隙含水層：單位涌水量0.003 88 L/（s·m），滲透系數(shù)0.006 958 m/d，靜止水位標高863.50 m，富水性屬弱含水層。宜君組（K1y）礫巖裂隙含水層：單位涌水量0.002 7 L/（s·m），滲透系數(shù)0.005 262 m/d，靜止水位標高856.70 m，富水性不均一的弱含水層。安定（J2a）、直羅組（J2z）砂巖裂隙含水層：單位涌水量0.000 2 L/（s·m），滲透系數(shù)0.000 001 5 m/d，靜止水位標高917.23 m，富水性屬弱含水層。延安組（J2y）煤及頂板砂巖裂隙含水層：單位涌水量0.000 59 L/（s·m），滲透系數(shù)0.000 507 m/d，靜止水位標高924.33 m。富水性屬弱含水層情況見表2。

表2 陜西某礦區(qū)41 盤區(qū)覆含水層的富水情況表

2.4 首采區(qū)域內(nèi)上覆含水層的富水特征

2.4.1 含水層劃分

第四系（Q）黃土孔隙～裂隙潛水含水層:本次鉆孔揭露厚度262.28 m～251.15 m，由砂及含泥砂的砂礫卵石松散層以及以淺棕色、棕紅色古土壤組成；白堊系下統(tǒng)洛河組（K1l）砂巖孔隙～裂隙含水層：鉆孔揭露厚度264.52 m～279.85 m，巖性以紫紅色～暗紫色中、粗粒砂巖為主，礫巖、砂礫巖次之。含水層主要由中、粗粒砂巖組成，泥巖、砂質(zhì)泥巖具隔水性，砂礫巖、礫巖依分選性、膠結程度及裂隙發(fā)育程度不同，呈現(xiàn)相對隔水或局部含水。白堊系下統(tǒng)宜君組（K1y）礫巖裂隙含水層：鉆孔揭露厚度33.88 m～34.82 m，巖性為紫灰色、淺紫紅色巨厚層狀中～粗礫巖夾含礫粗砂巖透鏡體。礫石成分主要為花崗巖巖屑，砂泥質(zhì)充填，鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結。厚度較為穩(wěn)定，由于其充填及膠結較致密，含水性極弱。侏羅系中統(tǒng)安定（J2a）、直羅組（J2z）砂巖裂隙含水層：安定組（J2a）：鉆孔揭露厚度46.92 m～52.56 m，巖性以紫紅色、灰褐色泥巖，砂質(zhì)泥巖夾淺藍灰色砂巖為主，一般認為隔水層，但是WS4 鉆孔鹽化測井時發(fā)現(xiàn)在中下部有兩層中、細砂巖為出水層；直羅組（J2z）：本次鉆孔揭露厚度31.05 m～31.92 m，巖性以中粗粒砂巖、粉細粒砂巖及泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）煤層及其頂板砂巖裂隙含水層：鉆孔揭露厚度88.20 m～93.90 m，含水層主要由4 號煤層及其老頂中粗粒砂巖、砂礫巖組成。

2.4.2 隔水層劃分

侏羅系中統(tǒng)安定組（J2a）隔水層：本次鉆孔揭露厚度46.92 m～52.56 m，巖性以紫紅色、灰褐色泥巖，砂質(zhì)泥巖夾淺藍灰色砂巖為主，中下部有中砂巖、細砂巖，該層泥巖、砂質(zhì)泥巖視為隔水層。侏羅系下統(tǒng)富縣組（J1f）隔水層：巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖等隔水性巖石為主，裂隙不發(fā)育，視為隔水層，本次鉆孔揭露厚度7.75 m～20.16 m。三疊系上統(tǒng)胡家村組（T3h）隔水層組：為區(qū)內(nèi)煤系地層之基座，鉆探見此層終孔，揭露較少。WS3、WS4 鉆孔未揭露，為隔水性較強的巖層。

3 采區(qū)涌水量計算

3.1 涌水量估算

本次采用大井法[式（1）、式（2）]進行涌水量估算。其中洛河組上段（K1l2）含水層涌水量計算選用公式（2），其他地層選用公式（1）。

式中：S 為水位降深，m；Q 為估算礦井涌水量，m3/d；K為滲透系數(shù)，m/d；H 為水柱高度，m；m 為含水層厚度，m；R0為“大井”影響半徑；r0為“大井”引用半徑；F 為采用面積：41 盤區(qū)面積為14 959 269 m2。

各含水層涌水量估算結果：礦井直接充水含水層安定組到延安組煤層及其砂巖含水層涌水量為118.4 m3/h；間接充水含水層洛河組砂巖上段（K1l2）、下段（K1l1）及宜君組（K1y）礫巖含水層涌水量之合為498 m3/h（見表3）。

表3 大井法礦井涌水量估算結果表

3.2 涌水量評價

本盤區(qū)涌水量上采用“大井法”進行了涌水量估算。

從本次估算結果看：安定直羅組及延安組砂巖孔隙～裂隙涌水量雖然不大，但是對礦井開采構成直接威脅；而宜君礫巖及洛河組砂巖含水層雖然為礦井間接充水含水層，但是以后隨著礦井開拓、冒裂帶的形成與發(fā)展，該含水層尤其分布廣、厚度大、富水性較強的洛河組下段（K1l1）砂巖水可能通過裂隙進入坑道系統(tǒng)，對礦井開采構成一定威脅。

建議充分利用本次所建立的水文動態(tài)觀測網(wǎng)對4 煤頂板冒裂導水裂隙帶高度作進一步研究，分析其對礦井開采及坑道系統(tǒng)涌水量的影響。

4 結論

1）抽水試驗分析可知：本區(qū)域存在4 個含水層中有12 個出水層，其中，洛河組（K1l）砂巖有5 個，其出水層厚度27.00、10.55、5.15、5.10、75.6 m；安定、直羅組（J2a、J2z）砂巖有4 個，其出水層厚度分別為:1.40、0.80、4.35、3.10 m；延安組（J2y）砂巖及煤層有3 個，出水層厚度分別為1.50、4.40、3.15、3.10 m。

2）安定、直羅組及延安組砂巖孔隙～裂隙涌水量相對較大，對礦井開采構成直接威脅；而宜君礫巖及洛河組砂巖含水層雖然為礦井間接充水含水層，但是該含水層(特別是洛河組)分布范圍廣、含水量大，隨著礦井開拓、冒裂帶的形成與發(fā)展，該含水層尤其洛河組（K1l）砂巖水可能通過裂隙進入坑道系統(tǒng)，對礦井開采構成一定威脅。