某礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析及礦坑涌水量預(yù)測(cè)

宋武元

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局327地質(zhì)隊(duì)，安徽 合肥 230011)

0 引言

一般而言，通過(guò)礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析，可以為后期礦山安全建設(shè)提供技術(shù)支撐，同時(shí)進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測(cè)，對(duì)于礦產(chǎn)開(kāi)采預(yù)防突水及供水水源選擇具有重要意義[1-4]。某礦區(qū)位于秦嶺東西構(gòu)造帶東段北亞支南側(cè)，新華夏系第二沉降帶西緣，主體構(gòu)造線走向北北西，主要由兩個(gè)寬緩向斜(白沙向斜，景家洼向斜)間一窄狹不完整背斜(許禹背斜)和走向北東、北西西、傾向北西及北北東規(guī)模校大的兩組階梯狀正斷層組成，通過(guò)水文地質(zhì)條件分析及礦坑涌水量預(yù)測(cè)，為后期礦山建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)

礦區(qū)位于秦嶺東西構(gòu)造帶東段北亞支南側(cè)，新華夏系第二沉降帶西緣，主體構(gòu)造線走向北北西，主要由兩個(gè)寬緩向斜(白沙向斜，景家洼向斜)間一窄狹不完整背斜(許禹背斜)和走向北東、北西西、傾向北西及北北東規(guī)模校大的兩組階梯狀正斷層組成，構(gòu)造位置屬于景家洼向斜北東翼南東段。地層走向北東，傾向南區(qū)，整體為一單斜構(gòu)造形態(tài)。地表出露基巖為二疊系上統(tǒng)石千峰組(P2sh)和三疊系劉家溝組(T1l)。

1.1 地形和地表水

本區(qū)屬丘陵地區(qū)，區(qū)內(nèi)地勢(shì)總體北高、南低，地面標(biāo)高在+124 m～+214 m之間，相對(duì)高差約90 m，地勢(shì)坡度5°～30°，一般8°～20°。溝谷較發(fā)育，泄洪條件好，有北汝河和穎河從勘查區(qū)附近通過(guò)，其支流泥河從勘查區(qū)中部穿過(guò)，為雨源型間歇性河流，水位和流量均受季節(jié)影響。

1.2 水文地質(zhì)條件

1.2.1 礦區(qū)含、隔水層(段)

依據(jù)巖性組合特征、可采煤層層位、巖層裂隙發(fā)育程度等，將礦區(qū)含、隔水層(段)劃分如下：

(1)松散巖類(lèi)含、隔水層(組) 區(qū)域內(nèi)新生界松散層的厚度變化較大，一般在0～150 m間，河湖沖洪積為主，巖性為粉土、粘土、粉質(zhì)粘土為主。第四系上部砂層中含孔隙潛水，富水性中等，中下更新統(tǒng)中含孔隙承壓水，弱富水性。淺層含水層與中深層含水層之間分布有約30 m厚的粘性土，二者垂向水力聯(lián)系不密切。松散層孔隙水主要接受大氣降水垂向補(bǔ)給，其次為水平逕流補(bǔ)給，排泄主要通過(guò)垂直蒸發(fā)、人工抽取和河流排泄。

(2)二疊系上統(tǒng)石千峰組～下三疊系劉家溝組砂巖裂隙含水層 主要為粉砂巖、細(xì)粒砂巖、中砂巖、粗砂巖，局部夾泥巖，含砂巖17～29層，單層厚1.10～89.00 m，累計(jì)層厚605 m，局部裂隙發(fā)育，鉆孔揭露時(shí)，局部沖洗液有明顯消耗，總體上該層為弱富水性。

(3)七2～八煤二疊系上統(tǒng)上石盒子組隔水層 主要為泥巖、粉砂泥巖及粉(細(xì))砂巖互層，裂隙不甚發(fā)育，巖性致密，一般情況下具有良好隔水性能。

(4)七2煤頂板砂巖裂隙含水層 主要為粉砂巖、細(xì)粒砂巖、泥巖，含砂巖4～10層，砂巖所占比率平均為55%，局部裂隙發(fā)育，根據(jù)鉆孔抽水資料，單位涌水量(q)為0.001 1 L/s·m，滲透系數(shù)(K)為 0.054 19 m/d，富水性弱。

(5)六2～七2煤二疊系下統(tǒng)下石盒子組頂段～上石盒子組底段隔水層 主要為泥巖(局部夾粉砂巖)，砂巖中微發(fā)育有裂隙，巖性致密，一般情況下具有良好的隔水性能。

(6)六2煤頂板砂巖裂隙含水層 主要為粉砂巖、細(xì)粒砂巖、泥巖，含砂巖3～13層，砂巖所占比率平均為37.7%。局部裂隙發(fā)育，富水性弱。

(7)五2～六2煤二疊系下統(tǒng)下石盒子組中段隔水層 主要為泥巖(局部夾粉砂巖)，砂巖中發(fā)育有裂隙，但不明顯，巖性致密，一般情況下具有良好的隔水性能。

(8)五2煤頂板砂巖裂隙含水層 主要為粉砂巖、細(xì)粒砂巖、泥巖，含砂巖2～13層，砂巖所占比率平均為51.4%，局部裂隙發(fā)育，單位涌水量(q)為0.003 67～0.001 16 L/s·m，水質(zhì)類(lèi)型HCO3-Na型水，富水性弱。

(9)四2～五1煤二疊系下統(tǒng)下石盒子組下段隔水層 主要為泥巖(局部夾粉砂巖)，砂巖中發(fā)育有裂隙，但不明顯，巖性致密，一般情況下具有良好的隔水性能。

(10)四2煤頂?shù)?、板含水?主要為粉砂巖、細(xì)粒砂巖、泥巖，含砂巖2～12層，局部裂隙發(fā)育，總體上該層為弱富水性。

(11)二1～四2煤二疊系下統(tǒng)下石盒子組底段～山西組頂段隔水層 主要為泥巖(局部夾粉砂巖)，砂巖中發(fā)育有裂隙，但不明顯，巖性致密，一般情況下具有良好的隔水性能。

(12)二1煤層頂板直接充水含水層 巖性為細(xì)、中、粗粒砂巖組成，含4～9層，砂巖所占比率平均為80.0%，局部裂隙發(fā)育，單位涌水量(q)為0.014 1 L/s·m，滲透系數(shù)(K)為0.089 5 m/d，富水性弱。

(13)二1煤層底板間接充水含水層(太灰) 主要巖性為中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r夾薄層細(xì)粒砂巖、粉砂巖和泥巖，為巖溶裂隙承壓含水層，灰?guī)r段充填裂隙較發(fā)育，局部具溶蝕現(xiàn)象單位涌水量(q)為0.007 3 L/s·m,滲透系數(shù)(K)為0.099 5 m/d，富水性弱。

(14)寒武系巖溶水 寒武系上統(tǒng)長(zhǎng)山組巖性為淺灰色厚層白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，夾泥質(zhì)條帶，頂部為灰黃色薄層泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云質(zhì)灰?guī)r，厚度大，裂隙發(fā)育，單位涌水量0. 016 6～1.86 L/s·m，富水性中等～強(qiáng)。

1.2.2 斷層導(dǎo)水性

勘查區(qū)共發(fā)育10條斷層，均為正斷層，其中主要是DF2正斷層、DF5正斷層、DF7正斷層、DF8正斷層、DF9正斷層、張得正斷層(FDZ)，多數(shù)鉆孔在斷層帶位置見(jiàn)不同厚度的角礫巖，角礫成份混雜，以泥質(zhì)膠結(jié)為主。斷層帶及其附近，閉合狀裂隙較發(fā)育，巖芯較破碎，且局部泥化強(qiáng)烈，其導(dǎo)水能力較差。

1.2.3 地下水的補(bǔ)給、逕流、排泄條件

淺層地下水主要補(bǔ)給來(lái)源于大氣降水的入滲，第四系中上部含水巖組主要以接受大氣降水入滲補(bǔ)給和地下水側(cè)向逕流補(bǔ)給為主，排泄方式有地表蒸發(fā)、農(nóng)業(yè)及生活用水及微弱的越流下滲，地下水的交替較快。淺層地下水的徑流與排泄主要受地形地貌的控制。淺層含水層與中深層含水層之間分布有約30 m厚的粘性土，二者垂向上水力聯(lián)系不密切。

碎屑巖類(lèi)含水層相互間在垂向受厚層泥巖及粉砂巖的影響水力聯(lián)系不密切，有較弱的越流下滲。在沒(méi)有大的構(gòu)造影響條件下，自然條件下地下水循環(huán)條件一般。

1.2.4 鄰近生產(chǎn)井水文地質(zhì)特征

與礦區(qū)相鄰的生產(chǎn)礦井主要分布在礦區(qū)北側(cè)和東側(cè)，鄰近或相鄰礦井分別開(kāi)采二、四、五、六煤層，各生產(chǎn)礦井水文地質(zhì)簡(jiǎn)單，礦坑水均以煤層概況滲透水涌水為主，除開(kāi)采二煤層的礦坑涌水量較大外(70～140 m3/h)，開(kāi)采四、五、六煤層的礦坑涌水量較小，一般為5～15 m3/h。個(gè)別開(kāi)采二煤層的煤礦因遇斷層發(fā)生過(guò)漏水，如梁北煤礦在開(kāi)采二煤層時(shí)，就發(fā)生寒灰水突水事故。但寒灰出露不夠廣泛，外來(lái)補(bǔ)給不夠充裕，所以平頂山礦區(qū)幾個(gè)礦在開(kāi)采二煤層時(shí)出現(xiàn)突水事故后，很快就完成排干恢復(fù)生產(chǎn)。鄰近的羅家溝煤礦開(kāi)采二1、六2、七2煤層，正常涌水量為60 m3/h，最大涌水量為120 m3/h，平均涌水量為80 m3/h。

2 充水因素分析

井田部分北新生界松散層覆蓋，新生界底部有一層粘土，能有效隔絕上部水與基巖水的水力聯(lián)系，且礦體埋藏較深，受孔隙水影響不大，二疊系本身富水較弱，裂隙發(fā)育的砂巖中賦存大量的地下水，相對(duì)隔水層則由與之互層的粉砂巖、泥巖構(gòu)成，垂向上表現(xiàn)為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的層間承壓裂隙含水層相，巖體裂隙發(fā)育程度、貫通程度和補(bǔ)給條件直接影響其富水程度，而裂隙發(fā)育程度又與巖性和構(gòu)造關(guān)系密切。礦體開(kāi)采時(shí)，礦體頂?shù)装迳皫r水成為直接充水水源，二1煤層在開(kāi)采時(shí)，頂板砂巖水為直接充水水源，由于二1煤層距太原組灰?guī)r僅5～13 m，灰?guī)r水具有不均一性，在巖溶發(fā)育的地段，灰?guī)r水將會(huì)成為礦體開(kāi)采的間接充水水源。本區(qū)奧陶系地層缺失，寒武系地層沒(méi)有發(fā)現(xiàn)硬石膏，因此發(fā)生陷落柱可能性較小。但寒灰水會(huì)通過(guò)斷層導(dǎo)水等使礦井產(chǎn)生底突事故。

3 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

3.1 水量計(jì)算的范圍、方法及公式選擇

本次涌水量計(jì)算僅計(jì)算第一水平，本次儲(chǔ)量計(jì)算第一水平為-800 m以淺的四2、六2、七2煤層，采用地下水動(dòng)力學(xué)公式計(jì)算(無(wú)限邊界)和比擬法預(yù)算礦井涌水量[5-6]。煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水是礦井涌水量直接充水水源。

3.1.1 地下水動(dòng)力學(xué)法(“大井”法)計(jì)算公式(穩(wěn)定流理論)[7-8]

井壁進(jìn)水的承壓轉(zhuǎn)為無(wú)壓完整井公式：

(1)

井底進(jìn)水的非完整井公式(8r0>M≥2r0)：

(2)

“大井”法引用影響半徑計(jì)算公式：R0=R+r0。

3.1.2 比擬法計(jì)算公式[7-8]

(3)

式中：Q為預(yù)計(jì)礦井涌水量(m3/h)；S為水位降低值(m)；K為滲透系數(shù)(m/d)；M為含水層厚度(m)；h0為含水層底板以上動(dòng)水位高度(m)；R為影響半徑(m)；r0為“大井”引用半徑(m)；R0為“大井”影響引用半徑(m)；F為主采煤層面積(m2)；F0為生產(chǎn)礦井井下巷道圍圈面積(m2)；Q0為生產(chǎn)礦井實(shí)測(cè)礦井涌水量(m3/h)；S0為生產(chǎn)礦井水位降低值。

當(dāng)煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水降至各煤層底板時(shí)，h0=0(m)。

3.2 礦井涌水量預(yù)算

3.2.1 可采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水進(jìn)入礦井的涌水量

當(dāng)井巷進(jìn)行開(kāi)拓時(shí)，賦存與七2煤層頂?shù)装迳皫r中的裂隙水將會(huì)直接進(jìn)入礦坑，礦井的直接充水水源主要為煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水，當(dāng)水位降至-800 m(含水層底板)時(shí)h0=0，地下水處于承壓轉(zhuǎn)為無(wú)壓水流狀態(tài)，以此來(lái)計(jì)算涌水量。

一般而言，可采煤層頂板冒落帶高度為35 m左右，煤層底板開(kāi)采破壞深度為10～12 m，在統(tǒng)計(jì)含水層厚度時(shí)一般將粗、中、細(xì)粒砂巖厚度累加，取煤層頂板上約30 m；特別指出的是，如果該水平上隔水層較薄(小于 5m)或仍是砂巖時(shí)，就推算向上大于5 m的隔水層為止。底板含水層厚度則統(tǒng)計(jì)到底板下20 m左右(粗、中、細(xì)粒砂巖厚度累加)，特殊情況則按頂板處理方法推算。

開(kāi)拓面積1/3～1/2為礦井涌水量穩(wěn)定水平，其后采區(qū)接替或開(kāi)拓范圍的增大，涌水量也基本穩(wěn)定。采用主采煤層一水平儲(chǔ)量估算面積的1/2作為礦井涌水量的預(yù)算面積。

1)用地下水動(dòng)力學(xué)公式法計(jì)算礦井涌水量(“大井”法)

七2煤層儲(chǔ)量估算面積為7.67 km2，取其面積的1/2，即F=3.84 km2。四2煤層儲(chǔ)量估算面積為2.16 km2，取其面積的1/2，即F=1.08 km2。六2煤層儲(chǔ)量估算面積為24.8 km2，取其面積的1/2，即F=2.4 km2

水位降低S值取-800 m(統(tǒng)一水平)與靜止水位(頂?shù)装迳皫r裂隙水含水層)標(biāo)高平均值104.50 m來(lái)計(jì)算，即S=800 m+104.5 m=904.50 m。

七2煤、四2煤、六2煤頂?shù)装迳皫r裂隙水含水平均層厚度(M)分別為10.21 m、16.27 m、19.13 m。

通過(guò)礦區(qū)的煤頂?shù)装迳皫r裂隙水含水層抽水試驗(yàn)，獲得滲透系數(shù)K值為0.054 19 m/d。

預(yù)算四2煤層涌水量為184 m3/h，六2煤層為259.7 m3/h，七2煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水進(jìn)入礦井的涌水量為151 m3/h，即本次儲(chǔ)量計(jì)算第一水平煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水進(jìn)入礦井的正常涌水量為Q=595 m3/h。

2)比擬法計(jì)算公式

礦區(qū)與鄰近的呂溝煤礦具有類(lèi)似的水文地質(zhì)條件，故礦區(qū)礦井涌水量與呂溝煤礦實(shí)測(cè)涌水量進(jìn)行比擬。呂溝煤礦位于本礦區(qū)南部，開(kāi)采六2(原五2)、七4(原六4)煤層。目前，七4、六2煤均已開(kāi)采至-200 m水平，最大開(kāi)采標(biāo)高為-400 m，目前礦井正常涌水量Q0=129.5 m3/h，最大涌水量Q0最大=168.4 m3/h。開(kāi)采水位降低值S0=550 m。井巷圍圈面積為4.24 km2， F0=4.24 km2；本礦區(qū)第一儲(chǔ)量計(jì)算水平面積 F=14.63 km2。水位降低S值取-800 m(統(tǒng)一水平)與靜止水位(七2煤頂?shù)装迳皫r裂隙水含水層)標(biāo)高平均值104.50 m來(lái)計(jì)算，即S=800 m+104.5 m=904.50 m。經(jīng)計(jì)算，礦井正常涌水量為308 m3/h，最大涌水量為400 m3/h(表1)。

表1 比擬法礦井涌水量預(yù)算表

3.2.2 涌水量預(yù)算結(jié)果

地下水動(dòng)力學(xué)法預(yù)算礦井正常涌水量為595 m3/h，主要包括四2煤、六2煤與七2層頂?shù)装迳皫r裂隙水礦井涌水量；而通過(guò)比擬法進(jìn)行預(yù)算，礦井正常涌水量為308 m3/h，最大涌水量為400 m3/h。由此可見(jiàn)，兩種方法預(yù)算的正常涌水量結(jié)果較接近，說(shuō)明礦井涌水量預(yù)算公式和參數(shù)選擇合理，符合礦區(qū)水文地質(zhì)條件與實(shí)際水文地質(zhì)資料反映的規(guī)律。但由于比擬法精度較高，故建議采用比擬法計(jì)算涌水量正常308 m3/h，最大400 m3/h。

4 礦區(qū)水文地質(zhì)類(lèi)型

本礦區(qū)煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層是礦井直接充水含水層，二疊系碎屑巖類(lèi)裂隙水富水性較弱，主要由松散層孔隙水和太原組巖溶裂隙水通過(guò)垂直滲透以層間徑流的方式補(bǔ)給，補(bǔ)給條件差，水平徑流微弱

礦床的水文地質(zhì)類(lèi)型屬水文地質(zhì)條件中等的砂巖裂隙和巖溶裂隙充水礦床，可供選擇的供水水源主要有三層：(1)第四系砂礫石孔隙潛水，水位埋深一般為2.04～5.49 m，水量較豐富，埋藏淺，是本地居民主要用水層位，但水質(zhì)易污染，需加強(qiáng)防護(hù)；(2)平頂山組件～粗粒砂巖含水層，裂隙承壓水，厚度大，層位穩(wěn)定，中等富水，水質(zhì)良好，但隨著煤層的開(kāi)采，水量可能會(huì)減少，水頭較低，影響用水；(3)寒武系巖溶裂隙承壓水含水層，厚度大，裂隙發(fā)育，單位涌水量0.016 6～1.86 L/m·s，水質(zhì)較好，但該層位埋藏太深?？晒┻x擇的供水水源足以解決礦山供水問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)礦床的水文地質(zhì)類(lèi)型屬水文地質(zhì)條件中等的砂巖裂隙和巖溶裂隙充水礦床，供水水源主要有第四系砂礫石孔隙潛水、平頂山組件～粗粒砂巖含水層和寒武系巖溶裂隙承壓水含水層。可供選擇的供水水源足以解決礦山供水問(wèn)題。

(2)采用地下水動(dòng)力學(xué)公式計(jì)算(“大井”法)和比擬法預(yù)算礦井涌水量，由于比擬法精度較高，故采用比擬法計(jì)算涌水量正常308 m3/h，最大400 m3/h。