萬(wàn)福礦井充水水源分析及礦井涌水量預(yù)計(jì)

別立珍

(1.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 泰安 271000；2.山東泰山地質(zhì)勘查公司，山東 泰安 271000)

水文地質(zhì)

萬(wàn)福礦井充水水源分析及礦井涌水量預(yù)計(jì)

別立珍1,2

(1.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 泰安 271000；2.山東泰山地質(zhì)勘查公司，山東 泰安 271000)

通過(guò)對(duì)井田水文地質(zhì)特征及礦井充水因素的分析，認(rèn)為礦井的主要充水水源為3煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層及三灰?guī)r溶裂隙含水層。采用“大井法”對(duì)礦井涌水量進(jìn)行了預(yù)算，確定礦井的正常涌水量為279m3/h，預(yù)算結(jié)果為礦井的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

萬(wàn)福井田；水文地質(zhì)條件；礦井涌水量預(yù)算；大井法;山東菏澤

1 井田概況

萬(wàn)福井田位于山東省菏澤市巨野、成武兩縣境內(nèi)，其中心距山東省菏澤市約45km，距離菏澤市巨野縣近32km。其范圍北起邢莊斷層，南、西至奧陶系頂界露頭，東至田橋斷層，南北長(zhǎng)約18km，東西寬約0.5～10km，面積129.86km2。井田為全隱蔽的華北型石炭、二疊系煤田。新生代地層厚度大，鉆探揭露厚度631.70～780.00m，平均714.73m，呈東北部厚度小、向西南部厚度漸大。煤系以中、下奧陶統(tǒng)為基底，沉積了石炭紀(jì)本溪組、太原組，二疊紀(jì)山西組、石盒子組，其上被新近系和第四系所覆蓋。主要含煤地層為二疊紀(jì)山西組和石炭紀(jì)太原組。井田首采煤層為3煤層，煤層平均厚5.27m，其埋藏深度較大，一般在655～1055m。井田基本為E傾的單斜構(gòu)造，走向總體呈NNE-NE向，地層傾角20°左右，變化較大。井田內(nèi)共解釋斷點(diǎn)472個(gè)，組合斷層52條，其中落差50m以上的10條，落差20～50m的22條，落差10～20m的12條。其總體構(gòu)造程度中等。因此，正確的分析礦井充水水源及涌水量的預(yù)計(jì)對(duì)礦井的安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義[1-3]。

2 井田水文地質(zhì)特征

井田為巨厚新生界松散層覆蓋的全隱蔽煤田，其北以人為邊界與龍固井田為界，東界為田橋斷層，井田內(nèi)的煤系含水層與對(duì)盤(pán)的二疊紀(jì)地層對(duì)口，對(duì)盤(pán)無(wú)強(qiáng)含水層，因此可能是阻水的，南、西至奧陶系頂界露頭，各基巖含水層深埋于巨厚松散層之下，僅接受新生界底部砂礫層水的補(bǔ)給，與大氣降水無(wú)關(guān)。

2.1 含水層

區(qū)內(nèi)含水層自上而下主要有第四紀(jì)砂礫層、新近系砂層、山西組3煤層頂?shù)装迳皫r、太原組三灰、十灰、奧陶紀(jì)灰?guī)r等含水層。

2.1.1 第四紀(jì)砂礫層孔隙含水層

第四紀(jì)地層為河湖相沉積廣布全區(qū)，由粘土、砂質(zhì)粘土和粉、粗砂組成，厚119.45～163.70m。含水的砂、礫層與隔水的粘土、砂質(zhì)粘土層相間沉積，地下水呈多層賦存狀態(tài)， 含水砂層以中、細(xì)砂為主，局部有粉砂和粗砂。含砂層3～25層，砂層累厚19～108m，據(jù)梁寶寺井田L(fēng)6-1號(hào)孔抽水試驗(yàn)資料,抽水段砂層累計(jì)厚度13.60m，單位涌水量0.6396L/s·m，屬中等富水松散孔隙含水層，淺部直接接受大氣降水的補(bǔ)給。

2.1.2 新近紀(jì)砂礫層孔隙含水層

井田內(nèi)新近系厚483.00～650.75m，由東北向西南逐漸增厚。可分上、下兩段，其中上段(N上)平均厚265.13m。由中、細(xì)砂層與雜色粘土、砂質(zhì)粘土相間沉積而成。含砂層13～43層，砂層累厚58～190m，上部砂層連續(xù)性較差，下部砂層變多，且連續(xù)性增強(qiáng)，砂層較松散，富水性較強(qiáng)，含松散孔隙承壓水。下段(N下) 平均厚310.33m。砂層中、細(xì)砂為主，砂質(zhì)不純，多含泥質(zhì)成分，含砂層7～51層，砂層累厚13～290m。精查階段在W-6，W-17號(hào)孔下段(N下)底部砂層進(jìn)行抽水試驗(yàn)，抽水段砂層累厚36.25～46.88m，水位標(biāo)高33.48～35.67m，單位涌水量0.10968～0.63202L/s·m，富水性中等。

2.1.3 二疊紀(jì)石盒子群砂巖含水層

該群保留不全，主要分布于井田東部，含水層為中、細(xì)砂巖，砂巖單層厚度2.70～17.50m。據(jù)L7-3號(hào)孔抽水試驗(yàn)資料，單位涌水量0.0141L/s·m，富水性弱。

2.1.4 3煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層

主要由深灰、綠灰、灰白色細(xì)、中粒砂巖和粗粒砂巖組成，砂巖累厚8.70～40.11m，局部裂隙發(fā)育，被方解石充填。賦水空間不發(fā)育，水位標(biāo)高為36.668m，鉆孔單位涌水量為0.000285～0.000485L/s·m，富水性極弱，滲透系數(shù)為0.000668～0.001695m/d。

2.1.5 太原組三灰及十灰?guī)r溶裂隙含水層

巖層厚2.90～9.60m，灰、灰褐色，巖心致密完整，局部具少量裂隙及溶隙，但多被方解石充填。淺部三灰富水性較強(qiáng)，水位標(biāo)高為+35.409m，單位涌水量為0.001167L/s·m，富水性極弱，三灰富水性差異較大，淺部或斷層附近裂隙發(fā)育，富水性中等，深部裂隙不發(fā)育，富水性弱。十灰含水層井田內(nèi)揭露厚度6.05～7.66m，淺部裂隙發(fā)育，局部有溶蝕現(xiàn)象，充填方解石與泥質(zhì)。據(jù)井田北部龍固井田抽水試驗(yàn)資料，單位涌水量0.2617L/s·m，富水性中等，滲透系數(shù)7.442m/d。

2.1.6 奧陶紀(jì)灰?guī)r巖溶裂隙含水層

井田內(nèi)揭露厚度3.69～52.54m。巖性為淺灰至棕灰色，厚層狀石灰?guī)r，見(jiàn)有裂隙及小溶洞，有的被方解石充填或半充填。據(jù)井田北部龍固井田L(fēng)-14號(hào)孔抽水試驗(yàn)資料,單位涌水量0.0038L/s·m，富水性弱，滲透系數(shù)0.00722m/d，水位標(biāo)高36.05m。

2.2 隔水層

2.2.1 第四紀(jì)、新近紀(jì)粘土隔水層組

粘土、砂質(zhì)粘土層與含水的砂、砂礫層相間沉積，分布廣，隔水性能好，阻隔了大氣降水，地表水向深部含水層的滲透補(bǔ)給。

2.2.2 二疊紀(jì)石盒子群泥巖隔水層

該組厚0～498.60m，平均230.25m，以泥巖、粉砂巖為主，其隔水性能較好，進(jìn)一步阻隔了上部含水層與煤系直接含水層的水力聯(lián)系。

2.2.3 17煤到奧陶系頂界壓蓋隔水層組

17煤與奧灰間的泥巖、鋁土巖及粉砂巖具一定的隔水性能，厚24.00～55.07m,平均34.34m。

2.3 含水層間的水力聯(lián)系

第四系含水層因該地區(qū)地勢(shì)平緩，以垂直交替為主，通過(guò)越流補(bǔ)給下層含水層。新近系含水層地下水為承壓孔隙淡水，天然條件下深層地下水與其上的微咸水層之間，一般都有多層粘土阻隔，與區(qū)內(nèi)的大氣降水無(wú)直接水力聯(lián)系，因地層坡降很緩，向上的越流補(bǔ)給微弱，與直接覆蓋在基巖上的各含水層之間均有水力聯(lián)系。由于井田為全隱蔽深埋型，全井田基本為一E傾的單斜構(gòu)造，各基巖含水層在西、南部隱伏于新生界之下，接受新生界底部含水層的補(bǔ)給，各含水層之間垂向上除微弱的越流補(bǔ)給外，無(wú)直接水力聯(lián)系。井田東部邊界斷層——田橋斷層西升東降，使井田內(nèi)的煤系含水層與對(duì)盤(pán)的二疊紀(jì)地層對(duì)口，形成阻水邊界，與煤層開(kāi)采關(guān)系密切的含水層補(bǔ)給條件較差。

3 礦井充水因素分析

根據(jù)已有生產(chǎn)礦井的開(kāi)采實(shí)踐，3煤開(kāi)采的主要充水途徑為直接揭露含水層的井巷工程、受采動(dòng)影響而造成的頂板冒裂導(dǎo)水帶、底板破壞裂隙帶，以及導(dǎo)水的斷裂構(gòu)造。其主要充水方式為采動(dòng)裂隙導(dǎo)水帶范圍內(nèi)煤層頂?shù)装迳皫r水涌入礦井，因此要評(píng)價(jià)煤層開(kāi)采的充水因素首先必須分析煤層開(kāi)采的導(dǎo)水裂隙帶的影響范圍。

井田內(nèi)首采煤層為3煤層，按照國(guó)標(biāo)GB12719-91《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》推薦公式，H=100M/(3.3n+3.8)+5.1,計(jì)算首采煤層的導(dǎo)水裂隙帶高度。式中：H—導(dǎo)水裂隙帶高度(m)；M—累計(jì)采厚(m)；n—煤層分層厚度(m)。

3煤層累計(jì)可采厚度最厚為10.46m，冒裂高度84.61m，其中有5個(gè)鉆孔冒裂帶影響至新近系下段(N下)，其冒裂高度可進(jìn)入新近系16.75～66.33m，且均分布于露頭附近。因此，在3煤層冒裂高度影響范圍之內(nèi)，新近系底部砂層將成為開(kāi)采3煤層的直接充水含水層。考慮在井田露頭煤柱將在礦井生產(chǎn)期間科研、實(shí)測(cè)之后才能開(kāi)采，故從全井田考慮不將新近系底部砂層評(píng)價(jià)為3煤層直接充水含水層。

三灰上距3煤層33.55～88.73m，按GB12719-91推薦公式Ts=P/(M-Cp)，式中：Ts—突水系數(shù)(MPa/m)；p—隔水層承受的水壓(MPa)；M—底板隔水層厚度(m)；Cp—采礦對(duì)底板隔水層的擾動(dòng)破壞厚度(m)。即使三灰與3煤層間距取最大值88.73m，計(jì)算得突水系數(shù)0.1154MPa/m(采煤對(duì)底板隔水層的擾動(dòng)破壞厚度取8m、水壓為9.31MPa)，也大于臨界突水系數(shù)0.1MPa/m。因此，三灰為3煤層開(kāi)采時(shí)底板進(jìn)水的直接充水含水層。

綜上所述，開(kāi)采上組煤的直接充水含水層為3煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層及三灰?guī)r溶裂隙含水層。

4 礦井涌水量預(yù)算

根據(jù)煤礦設(shè)計(jì)部門(mén)初步設(shè)計(jì)方案，該井田首采煤層為3煤層，該文僅對(duì)開(kāi)采首采煤層時(shí)的礦井涌水量進(jìn)行預(yù)算。根據(jù)充水因素分析，3煤層直接充水含水層為3煤層頂?shù)装迳皫r(簡(jiǎn)稱3砂)、三灰。

4.1 頂?shù)装迳皫r涌水量預(yù)算

4.1.1 公式的選擇

圖1 3砂邊界條件概化示意圖

(1)

式中：Q—預(yù)計(jì)礦井涌水量，m3/h；S—水位降低值，m；K—滲透系數(shù)，m/d；M—含水層厚度，m；h0—含水層底板以上動(dòng)水位，取0；b—大井至供水邊界距離，m；r—大井半徑，m。

4.1.2 參數(shù)選擇及計(jì)算結(jié)果

4.2 三灰涌水量預(yù)算

4.2.1 公式的選擇

圖2 三灰邊界條件概化示意圖

(2)

式中：Q—預(yù)計(jì)礦井涌水量，m3/h；S—水位降低值，m；K—滲透系數(shù)，m/d；M—含水層厚度，m；b—大井至供水邊界距離，m；r—大井半徑，m。

4.2.2 參數(shù)選擇及計(jì)算結(jié)果

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)上述計(jì)算，井田開(kāi)采3煤層的直接充水含水層為3煤層頂?shù)装迳皫r含水層和三灰含水層，礦井正常涌水量為二者之和，故該井田礦井正常涌水量為217+62=279m3/h。根據(jù)區(qū)域同類型礦井觀測(cè)資料[6,7]，以及鄰近礦井涌水量多年觀測(cè)資料，礦井正常涌水量與最大涌水量的比值為1.2～2.8倍。該井田3砂含水層上覆巨厚的第四系與新近系，與大氣降水沒(méi)有直接聯(lián)系，結(jié)合實(shí)際揭露資料綜合分析，確定最大涌水量與正常涌水量之比取1.5，預(yù)算礦井最大涌水量為419m3/h。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)井田內(nèi)水文地質(zhì)條件及充水因素的分析，認(rèn)為3砂含水層和三灰含水層是礦井的直接充水水源，也是礦井涌水量的主要組成部分。利用大井法預(yù)測(cè)礦井正常涌水量279m3/h，利用比擬法確定最大礦井涌水量為419m3/h，可以作為礦井設(shè)計(jì)依據(jù)。根據(jù)煤田勘探及鄰近礦井開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，3砂和三灰含水層的富水性極不均一，一般淺部或斷層附近，富水性較強(qiáng)，礦井涌水量偏大。另外初揭含水層時(shí)，礦井涌水量較大，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的疏排后，涌水量逐漸變小，并趨于正常涌水量。因此，在斷層附近或初揭含水層時(shí)，應(yīng)充分做好防排水及含水層動(dòng)態(tài)觀測(cè)工作，以防發(fā)生突水災(zāi)害。

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AnalysisonWaterFillingSourcesandMiningWaterInflowPredicationofWanfuMineField

BIE Lizhen1，2

(1.Shandong Planning and Exploration Institute of Coal Geology, Shandong Tai'an 271000, China; 2. Taishan Geological Exploration Company , Shandong Tai'an 271000, China)

Through analysis on hydrogeological characters and mine water infilling factors of coal mine, it is considered that main water filling sources are sandstone fissure aquifer of roof and floor in No.3 coal stratum and the third section of limestone karst fractured aquifer. By using "big well method", water inflow amounts of coal wells have been estimated, and normal mine inflow is determined as 279m3/h. It will provide believable basis for mine design.

Wanfu mine field; hydrogeological condition; mine inflow estimation; groundwater dynamic method; Heze in Shandong province

TD742

：B

2013-04-10；

：2013-05-06；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

別立珍(1963—)，女，山東膠南人，高級(jí)工程師，主要從事煤田地質(zhì)與勘探、水工環(huán)等工作；E-mail:blz169@126.com。