巴愣礦井水文地質(zhì)特征及礦井涌水量預(yù)測(cè)

郭武松，楊 帆

（1．安徽煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，安徽 宿州 234000；2．中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

巴愣礦井水文地質(zhì)特征及礦井涌水量預(yù)測(cè)

郭武松1，楊 帆2

（1．安徽煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，安徽 宿州 234000；2．中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

以巴愣礦井為例，分析了礦井水文地質(zhì)特征，礦區(qū)內(nèi)共有5個(gè)含水層和3個(gè)隔水層，水文地質(zhì)邊界有兩類：一是斷層（北、東、南），二是西邊界煤層露頭；白堊系下統(tǒng)志丹群含水層，侏羅系中統(tǒng)直羅組含水層，侏羅系中統(tǒng)延安組含水層為直接充水水源；礦井充水通道，主要為煤層采空導(dǎo)致頂板巖層冒落形成的導(dǎo)水裂隙帶。采用大井法計(jì)算了礦井涌水量，延安組砂巖含水層涌水量438 m3/h，志丹群含水層涌水量142 m3/h，合計(jì)580 m3/h。其中，延安組含水層涌水量438 m3/h，可作為礦井正常涌水量，兩個(gè)含水層的合計(jì)涌水量580 m3/h，可作為礦井最大涌水量。

水文地質(zhì)條件；充水因素；充水通道；礦井涌水量

在煤礦開采過程中，必然破壞礦體圍巖或頂?shù)装搴畮r層，揭露一些地下導(dǎo)水通道，從而使地下水及與之聯(lián)系的其他補(bǔ)給水源（如地表水、大氣降水）流入井巷，這種現(xiàn)象稱為礦井涌水［1］，單位時(shí)間涌入礦井的水量，稱為礦井涌水量［2］；精確掌握礦井水文地質(zhì)資料和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦井涌水量對(duì)于防止礦井突水、淹井等礦山惡性事故、保障礦山安全生產(chǎn)具有重要意義［3］。

1 礦井水文地質(zhì)特征

1．1 含水層（組）的水文地質(zhì)特征

1．1．1 第四系及新近系松散層孔隙潛水含水層組

第四系及新近系松散地層全區(qū)均有分布，地層厚度186．25～295．32 m，平均厚度238．42 m。層組上部以風(fēng)積沙及沙土層為主，中、下部以紫紅色、灰綠色砂質(zhì)黏土為主，含砂礫石或底部有半膠結(jié)的砂巖。總體來看松散層含水層組，富水性弱～中等。

1．1．2 風(fēng)化巖裂隙含水層組

全區(qū)均有分布，白堊系下統(tǒng)志丹群基巖上部，遭受風(fēng)化，多見灰黃、淺灰、灰白色泥巖，粉砂巖及砂巖，風(fēng)化帶發(fā)育厚度35～80 m，一般50 m左右，一般基巖面愈高處，風(fēng)化帶厚度愈大，風(fēng)化帶巖石疏松，破碎、裂隙較發(fā)育，含水率增高，是地下水的導(dǎo)水、儲(chǔ)水空間。有的風(fēng)化巖段漏水較大，已有資料顯示屬弱～中等。

1．1．3 白堊系下統(tǒng)志丹群含水層組

全區(qū)均有分布，巖性以各粒級(jí)砂巖，粉砂巖、砂質(zhì)泥巖互層為主，中、下部為灰白色、紫雜色厚層礫巖。地層厚度208．75～542．15 m，平均厚度310．55 m。志丹群砂巖、礫巖為本區(qū)主要含水層，屬孔隙裂隙承壓含水層組。10-1孔在459．86～590．74 m巨礫巖段漏水，水量12 m3/h。

詳查階段對(duì)該含水層組進(jìn)行了3個(gè)降深抽水試驗(yàn)，含水層厚度77．36 m，最大降深19．04 m時(shí)，涌水量Q=0．794 L/s，單位涌水量q=0．041 7 L/s·m，滲透系數(shù)K=0．048 941 m/d，影響半徑R=42．11 m，屬弱富水性；8-2孔抽水資料，該含水層靜止水位25．48 m，水位標(biāo)高1 310．30 m，最大降深31．23 m時(shí)，單位涌水量0．025 5 L/s·m，滲透系數(shù)為

0．035 47 m/d，影響半徑R=58．82 m，富水性弱；另據(jù)補(bǔ)充勘探201、601孔風(fēng)化帶下至8煤上（主要為白堊系下統(tǒng)志丹群）抽水試驗(yàn)，q=0．042 07～0．129 9 L/s·m，滲透系數(shù)K=0．028 73～0．054 101 m/d，富水性弱～中等。總體看白堊系下統(tǒng)志丹群含水層組，富水性弱～中等。

1．1．4 侏羅系中統(tǒng)直羅組孔隙裂隙承壓含水層組

分布于礦井東部，巖性由各粒級(jí)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖組成，中上部以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖夾砂巖互層為主，巖性較細(xì)，下部則以砂巖為主。鉆孔揭露地層厚度0～307．64 m，平均厚度101．00 m，為本區(qū)主要含水層之一，結(jié)構(gòu)較疏松，斜層理較發(fā)育，局部裂隙發(fā)育，屬孔隙裂隙承壓含水層組。據(jù)區(qū)域資料，富水性弱～中等。

1．1．5 侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖含水層組

延安組地層區(qū)內(nèi)廣泛分布。延安組地層最薄129．07 m（501孔），最厚375．49 m（9-4孔），一般厚度235 m。巖性由各粒級(jí)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖夾煤層組成，主要煤層頂板一般都有砂巖含水層，屬層間孔隙裂隙承壓含水層。巖性為含礫粗砂巖、粗～細(xì)粒砂巖，為煤層頂板直接充水含水層。

勘探階段進(jìn)行抽水試驗(yàn)，含水層厚度21．64 m，水位埋深45．16 m，承壓水柱高度542．12 m，最大降深50．25 m時(shí)，單位涌水量0．002 27 L/s·m，富水性弱，滲透系數(shù)0．009 55 m/d，屬微咸水。補(bǔ)充勘探抽水試驗(yàn)q值多大于0．1 L/s·m，各含水層富水性均以中等為主。而補(bǔ)勘以前抽水資料q值多小于0．1 L/s·m，各含水層富水性均以弱為主。這說明各含水層發(fā)育均具有不均一性，總體看各含水層富水性弱～中等。

1．2 隔水層層（組）水文地質(zhì)特征

1．2．1 第四系及新近系隔水層組

全區(qū)分布，第四系中部有亞黏土（黃土）層，新近系中上部有黏土（紅土）層，下部分布有鈣質(zhì)結(jié)核層，它們巖性細(xì)，透水性差，厚度大，分布穩(wěn)定，為區(qū)內(nèi)主要相對(duì)隔水層組。

1．2．2 直羅組上部泥巖隔水巖組

隔水層巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，巖性致密。它們透水性差，是一套較好的相對(duì)隔水層組。因處于煤層導(dǎo)水裂隙帶之上，故對(duì)阻隔松散層潛水及白堊系承壓水意義較大。但在礦井西部缺失該段地層，對(duì)西部煤層的開采沒有意義。

1．2．3 侏羅系中統(tǒng)延安組泥巖隔水層組

延安組煤系地層中，泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖較發(fā)育，但一般厚度不大，連續(xù)穩(wěn)定性差，屬局部相對(duì)隔水層。本區(qū)屬多煤層開采區(qū)，礦山開采中易被冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶互相勾通，故作為隔水層已無多大實(shí)際意義。

2 礦井充水因素分析

依據(jù)礦井水文地質(zhì)條件及煤層覆巖結(jié)構(gòu)類型，礦井充水方式分為直接充水和間接充水兩種。它們分別受大氣降水和地下水等因素的制約，又具有一定的水力聯(lián)系，對(duì)未來礦井開采有不同程度的影響。煤礦床上覆基巖厚度，采煤冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，開采方式則是礦床充水的途徑條件。

2．1 水文地質(zhì)邊界條件

水文地質(zhì)邊界有兩類：一是斷層（北、東、南），二是西邊界煤層露頭。礦井北部邊界有吉爾根陶樂蓋斷層，礦井南部邊界有沙爾陶勒斷層，東部邊界有蘇爾圖斷層。據(jù)區(qū)域資料，斷層的富水性弱，導(dǎo)水性差，具有一定的隔水能力。在留有斷層煤柱情況下，邊界斷層可視為隔水邊界。西邊界煤層露頭，在留有防水煤柱情況下，也可視為隔水邊界。可以初步認(rèn)為本礦井的邊界是比較理想的阻水邊界，礦井應(yīng)為一相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。

2．2 充水水源

本區(qū)無地表水體，充水水源主要是大氣降水和地下水兩種。

2．2．1 大氣降水

區(qū)內(nèi)年降水量甚小，一般不足260 mm，且降水多集中在7—9月。本井田屬全隱伏型，最上煤層上覆巖體厚度達(dá)400 m以上，降水必須通過透水巖體才能轉(zhuǎn)化為礦井水，所以為間接充水水源，對(duì)礦井影響將明顯滯后。

2．2．2 地下水

地下水含水層包括：白堊系下統(tǒng)志丹群含水層，侏羅系中統(tǒng)直羅組含水層，侏羅系中統(tǒng)延安組含水層。其中，白堊系下統(tǒng)志丹群為主要含水層，富水性弱～中等，在礦井西部是礦床直接充水的一個(gè)較強(qiáng)的充水水源。在礦井東部為間接充水水源；侏羅系中統(tǒng)

直羅組含水層，砂巖承壓含水層富水性弱～中等，以弱為主，主要分布于10-1、9-4、802、602、204、103、303、502、11-2孔連線以東，為直接充水水源；侏羅系中統(tǒng)延安組含水層，一般都分布在各開采煤層上部，為礦床主要的直接充水水源，含水層富水性弱～中等。

2．3 充水通道分析

礦井充水的通道主要有：冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶、斷層及構(gòu)造裂隙、封閉不良的鉆孔等。它們將溝通不同基巖含水層的地下水，使其進(jìn)入礦坑，成為礦坑的充水水源。勘探成果表明，區(qū)內(nèi)主要可采煤層有：8、13、15、17四層。礦井充水通道，主要為煤層采空導(dǎo)致頂板巖層冒落形成的導(dǎo)水裂隙帶。通過計(jì)算，本區(qū)8號(hào)煤層導(dǎo)水裂隙帶高度38．48～60．73 m，一般＞51 m。先期地段部分區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度貫通到白堊系下統(tǒng)志丹群下部或緊鄰底部，有的僅涉及到延安組頂部，先期地段外圍區(qū)最上可采煤層導(dǎo)水裂隙帶有的連通到直羅組含水層，有的波及到志丹群含水層組。本礦井構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷層較少，因沒有進(jìn)行過三維地震勘探工作，也沒有實(shí)際揭露資料，沒有發(fā)現(xiàn)落差大于30 m的斷層，但并不排除存在較大斷層的可能性，所以在今后的勘探、開采過程中應(yīng)加強(qiáng)斷層的導(dǎo)水性和富水性的研究。

2．4 充水強(qiáng)度分析

可采煤層主要的直接充水含水層為白堊系下統(tǒng)志丹群礫巖含水層組，侏羅系中統(tǒng)直羅組下部砂巖含水層組、延安組煤層間砂巖含水層組。礦井充水強(qiáng)度淺部煤層大于深部煤層，志丹群礫巖含水層組和延安組煤層間砂巖含水層組大于直羅組砂巖含水層組，多煤層復(fù)合冒裂區(qū)充水強(qiáng)度較大。隨著采空區(qū)面積擴(kuò)大，礦井充水強(qiáng)度相應(yīng)也增大，當(dāng)遇較大導(dǎo)水構(gòu)造裂隙時(shí)可能突發(fā)高強(qiáng)度充水，特別是頂部煤層，冒落帶可能直接導(dǎo)通志丹群含水層，礦井開采應(yīng)引起高度重視。

3 礦井涌水量估算

3．1 計(jì)算公式

涌水量估算范圍主要是先期地段一水平（+600 m）范圍。估算選用“大井”法。估算公式采用地下水動(dòng)力學(xué)公式，具體公式如下：

1）承壓轉(zhuǎn)無壓完整井裘布依公式：

式中：

Q—估算礦井涌水量，m3/h；

H—承壓含水層隔水層底板至承壓水位的距離，m，在數(shù)值上H=S，S為水位降低值；

K—滲透參數(shù)，m/d；

M—含水層厚度，m；

h0—剩余水柱高度，m，取0；

r0—“大井”引用半徑，m；

R0—“大井”引用影響半徑，m。

2）吉哈爾經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：

R—影響半徑，m；

S—水位降低值。m。

3）“大井”影響半徑估算公式：

式中：

F—影響范圍面積，m2。

4）“大井”引用影響半徑估算公式：

3．2 涌水量估算

3．2．1 延安組砂巖含水層涌水量估算

據(jù)生產(chǎn)實(shí)際資料，礦井涌水量多數(shù)穩(wěn)定在一水平開拓面積1/3～1/5范圍內(nèi)，其后采區(qū)接替或開拓范圍的增大，而相應(yīng)的涌水量無明顯的增加，故礦井涌水量的估算面積采用各主采煤層一水平資源量估算面積的1/3。F值采用8煤層先期開采地段一水平儲(chǔ)量估算面積的約1/3，取F=4 564 000 m2。

延安組砂巖含水層全區(qū)分布，厚度基本穩(wěn)定，較均質(zhì)，視含水層為均質(zhì)各向同性無限邊界承壓含水層。水頭高度H值采用一水平最底標(biāo)高+600 m，與1-2孔白堊底至8號(hào)煤、203孔延安組、203孔8號(hào)煤底至17煤底、304孔延安組和304孔直羅組至8號(hào)煤底5次抽水試驗(yàn)靜止水位標(biāo)高的平均值1 276．72 m的差值，即H=1 276．72-600=676．72 m。

8號(hào)主采煤上部該含水層厚度由水文地質(zhì)剖面上量取，平均為21 m，先期地段導(dǎo)水裂隙帶全部貫通，為完整型充水層。含水層厚度M=21 m。

滲透系數(shù)采用1-2孔白堊底至8號(hào)煤、203孔延安組、203孔8號(hào)煤底至17煤底、304孔延安組和304孔直羅組至8號(hào)煤底5次抽水試驗(yàn)取得滲透系數(shù)的平均值，即：

采用上述參數(shù)及公式（1）、（2）、（3）、（4）估算延安組砂巖含水層涌水量為438 m3/h。

3．2．2 志丹群含水層涌水量估算

先期開采地段可能導(dǎo)通的志丹群含水層大都分布在8煤層和5煤層露頭之間，F(xiàn)值采用一水平8煤層和5煤層露頭之間8煤層儲(chǔ)量估算面積的約1/3，取F=2 358 000 m2。

先期地段志丹群地層厚度大，全區(qū)分布，含水層段巖性均質(zhì)各向同性，屬無限邊界承壓含水層。水頭高度H值采用8煤層和5煤層露頭之間志丹群底最底標(biāo)高約+750 m，與3-2孔白堊、8-2孔白堊、201風(fēng)下至8煤和601風(fēng)下至8煤4次抽水試驗(yàn)靜止水位標(biāo)高的平均值1 292．92 m的差值，即H= 1 292．92-750=542．92 m。

先期地段導(dǎo)水裂隙帶可能溝通含水層下部，含水層厚度M=20 m。

滲透系數(shù)采用3-2孔白堊、8-2孔白堊、201風(fēng)下至8煤和601風(fēng)下至8煤4次抽水試驗(yàn)取得滲透系數(shù)的平均值，即：

采用上述參數(shù)及公式（1）、（2）、（3）、（4）估算志丹群含水層涌水量為142 m3/h，估算結(jié)果見表1。

表1 礦井涌水量估算結(jié)果表

3．3 估算結(jié)果評(píng)述

通過以上估算，延安組砂巖含水層涌水量438 m3/h，志丹群含水層涌水量142 m3/h，合計(jì)580 m3/h。根據(jù)本區(qū)的水文地質(zhì)條件和礦井充水途徑，選擇的計(jì)算方法合理，公式采用正確。因?yàn)殂@孔取得的參數(shù)為單孔小口徑試驗(yàn)結(jié)果，一般數(shù)值偏小，所以得出的結(jié)果有所偏小，綜合條件而言其結(jié)果是基本可靠的。本次報(bào)告參照GB15218《地下水資源分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》大井法計(jì)算的結(jié)果，精度相當(dāng)于D級(jí)，誤差大體在70%以內(nèi)。延安組含水層涌水量438m3/h可作為礦井正常涌水量，兩個(gè)含水層的合計(jì)涌水量580 m3/h可作為礦井最大涌水量。

4 結(jié) 論

1）地下水含水層可根據(jù)其賦存介質(zhì)特征（地層時(shí)代、巖性、富水性等），劃分為第四系及新近系松散層孔隙潛水含水層組、風(fēng)化巖裂隙含水層組、白堊系下統(tǒng)志丹群含水層組、侏羅系中統(tǒng)直羅組孔隙裂隙承壓含水層組和侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖含水層組，相應(yīng)劃分為第四系及新近系隔水層組、直羅組上部泥巖隔水巖組和侏羅系中統(tǒng)延安組泥巖隔水層組。

2）白堊系下統(tǒng)志丹群含水層，侏羅系中統(tǒng)直羅組含水層，侏羅系中統(tǒng)延安組含水層為直接充水水源；礦井充水通道，主要為煤層采空導(dǎo)致頂板巖層冒落形成的導(dǎo)水裂隙帶。

3）采用大井法計(jì)算了礦井涌水量，延安組砂巖含水層涌水量438 m3/h，志丹群含水層涌水量142 m3/h，合計(jì)580 m3/h。其中，延安組含水層涌水量438 m3/h可作為礦井正常涌水量，兩個(gè)含水層的合計(jì)涌水量580 m3/h，可作為礦井最大涌水量。

［1］能源部安全環(huán)保司．礦井水防治［M］．太原：山西科學(xué)技術(shù)出版社，1993：4-10．

［2］史麗萍．礦井涌水量監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)［M］．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003：1-6．

［3］陳江峰，許亞坤．蘆溝煤礦水文地質(zhì)特征及礦井涌水量計(jì)算［J］．煤礦安全，2009：39-42．Hydrogeological Characteristic and Forecast of Water Inflow in Baleng Coal Mine

Guo Wu-song，Yang Fan

Takes Baleng coal mine as an example，through the analysis of the hydrogeological characteristics of the mine，a total of 5 aquifers and 3 aquifuge in the mining area，hydrogeologic boundary has two kinds，the first is the fault（north，east，south），the second is west boundary coal seam outcrop．Lower cretaceous Zhidan group aquifer，mid jurassic Zhiluo formation aquifer and mid jurassic Yanan formation aquifers are direct filling water source．Mine water filling channel mainly is the water flowing fractured zone of forming which coal goaf caused roof rock stratum falling．The water yield of the mine is calculated by the big well method，the water inflow of Yanan group sandstone aquifer is 438 m3/h，the water inflow of Zhidan group aquifer is 142 m3/h，total 580 m3/h．Among them，the water inflow 438m3/h of Yanan group aquifer can be used as a normal water inflow in the mine，the total water inflow 580 m3/h of two aquifers can be used as maximum gushing water in the mine．

Hydrogeology；Water filling factor；Water channels；Mine water inflow

TD742+．1

B

1672-0652（2013）07-0017-04

2013-04-06

郭武松（1988—），男，安徽宿州人，2010年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤田地質(zhì)勘探工作（E-mail）yangfqd＠163．com