突水點長觀資料在煤礦水文補勘中的應用

賈鵬宙

(汾西礦業集團有限責任公司地測處，山西 介休 032000)

雙柳煤礦地處河東煤田中部，井田面積31.03 km2，在水文地質單元中屬柳林泉域系統。該礦主要可采煤層為二疊系山西組3#、4#(上組煤)煤層和石炭系上統太原組8#、9#煤層(下組煤)，現年產原煤200萬t，目前開采二疊系山西組3#、4#煤層。在下組煤改擴建的水文地質補充勘探中，利用已有井巷工程的長期水文地質觀測資料，對礦井充水途徑、水文地質參數及礦井涌水量進行了細致的研究，取得了較好的成果。

1 井田水文地質概況

雙柳煤礦為帶壓開采礦井，目前，該礦擬開發下組煤，為查清下組煤的水文地質條件，針對可能影響下組煤開采的太原組灰巖和奧陶系灰巖開展了水文地質補充勘探工作，在補勘工程量布置時充分考慮和利用了郭家山風井長期涌水觀測資料。水文地質補勘共施工水文孔8個，其中太灰觀測孔5個(MS2、MS3、MS5、MS7、MS8)，作為郭家山風井和奧灰抽水孔的觀測孔，奧灰抽水孔3個(MS1、MS4、MS6)，進行峰峰組和上馬家溝組單孔(或多孔)抽水試驗。

勘探資料顯示:井田主要含水層為煤系地層砂巖裂隙承壓含水層、石炭系上統太原組灰巖巖溶裂隙承壓含水層和奧陶系中統灰巖巖溶裂隙承壓含水層。中奧陶統上馬家溝組含水層水位標高為+799.29～+798.30 m，富水性較強;中奧陶統峰峰組含水層厚113.35～116.25 m，平均厚度 114.32 m，水位標高+789.85～ +796.629 m，單位涌水量 0.000 28 ～0.001 163 L/s·m，富水性弱，可視為相對隔水層。太原組灰巖含水層由L1～L5薄層石灰巖組成，灰巖的單層厚度2.50 ～12.75 m，累計厚度27.83 ～34.26 m，平均厚度29.96 m，滲透系數0.012 20 ～0.037 96 m/d，導水系數 0.408 8 ～1.232 2 m2/d，水質類型多為HCO3·Cl－Na型，各孔水位差異較大，但基本上呈現以風井為中心的漏斗狀。太灰水位等值線見圖1.煤系地層砂巖裂隙承壓含水層由山西組和下、上石盒子組砂巖裂隙含水層組成，為開采上組煤層的直接充水含水層，該含水巖組部分鉆孔鉆井液消耗較顯著，個別鉆孔或層段甚至全漏。

上組煤開采礦井正常涌水量為60～80 m3/h，充水水源以頂板砂巖裂隙水為主，底板少見涌水，開采條件較好，安全性較高。

郭家山風井位于井田中部，已揭露太灰落底于下組煤底板，該風井太灰巖段常年涌水，經長期觀測，穩定涌水量30 m/h，形成井田太灰的常年排泄點，涌水經4#煤巷道自上組煤排水系統排出。

圖1 太灰水位等值線圖

2 下組煤開采礦井充水條件分析

雙柳井田受郭家山風井揭露太灰含水層后長期疏排影響，太灰含水層水位已形成一個以風井為中心的降落漏斗，反映出太原組灰巖補給條件差，在整個井田以靜儲量為主，峰峰組含水層與太原組灰巖含水層無水力聯系的特點。據風井延伸前地質補充勘探資料，太灰含水層水位標高+710 m.

井田內下組煤層底板至奧灰巖層頂面距離為58～77 m，平均厚度65 m，礦井大部分地段突水系數位于0.06～0.1 MPa/m，但根據補勘成果，奧灰峰峰組在井田大部分范圍內富水性微弱，按其富水程度可劃分為相對隔水層。經全面分析，在已獲得的地質、水文地質資料以及開采條件的基礎上，認為開采下組煤在正常地質條件下，礦井涌水量主要來源于頂板太灰含水層，上組煤采空區積水亦可沿裂隙帶涌入工作面，而下伏奧灰含水層將不構成礦井充水水源。因此，下組煤開采礦井充水水源主要為太原組灰巖含水層。

3 利用長觀資料求取水文地質參數

3.1 通過注水試驗求取水文地質參數

水文地質補充勘探施工5個太灰孔，由于不具備抽水試驗條件，采用注水試驗來求水文地質參數。各孔注水試驗成果見表1.

滲透系數平均值(加權平均)K的計算公式:

式中:

A—注水管內徑截面積，cm2;

Fc—試驗段與注水管的形狀系數，cm;

T—滯后時間，min.

表1 注水試驗成果表

3.2 通過風井井筒涌水資料求取水文地質參數

雙柳煤礦郭家山風井揭露太原組灰巖含水層后，成為礦區太灰含水層一個最大的排泄點，初始涌水量55 m3/h，后逐步衰減并穩定至30 m3/h.由于風井長期疏排太灰水，導致井田整個太灰含水層流場發生變動，形成了局部以風井為中心的降落漏斗。本計算以風井資料為基礎，模型選用承壓完整井，選用計算公式:

式中:

Q—風井涌水量，m3/h，取穩定值30;

K2—滲透系數，m/h;

m—承壓含水層厚度，m，取30;

S—水位降深，m，取270;

Rc—邊界水流阻力;

R—影響半徑，m，取2 000;

rw—風井半徑，m，取2;

計算得:K=4.07 ×10－3m/h.

太灰水位－風井距離關系圖見圖2.

圖2 太灰水位－風井距離關系圖

3.3 水文地質參數確定及評價

以上兩種方法計算所得滲透系數值差別不是很大。注水試驗所得結果經以往實踐驗證偏小;用風井資料計算的滲透系數，主要影響因素有影響半徑R和降深S，而本次計算采用影響半徑R和降深S均為實測數據，取值較為可靠。太灰含水層的滲透系數取風井計算結果和注水試驗結果的平均值作為太原組灰巖的滲透系數。

3.4 下組煤開采頂板太灰涌水量預計

計算模型:承壓完整井，礦坑為長方形，長a=2 000 m，寬b=180 m，計算公式:

式中:

Q—礦坑涌水量，m3/h;

K—滲透系數，m/h，取2.518 ×10－3;

M—承壓含水層厚度，m，取30;

S—水位降深，m，為初始水位(+710 m)－疏干標高;

r0—礦坑引用半徑，m，計算得572;

R0—引用影響半徑，R0=R+r0，m，取 2 000.

計算得，在不同的疏干標高時礦坑涌水量見表2，太灰涌水量預測變化趨勢見圖3.

表2 不同疏干標高太灰涌水量表

圖3 太龍涌水量趨勢預測圖

4 結語

對于改擴建或水平延深礦井水文地質勘探，充分利用礦井已有的長觀資料，可大大節省勘探工程量;老礦井已有的突水點一般疏排時間長，能更好地改變含水層的地下水流程，對含水層水文地質條件揭露充分，是一般地面水文勘探孔抽水試驗無法比擬的。因此，在老礦井擴建水文地質勘探中，搜集或充分利用系統的水文地質觀測資料尤為重要。

［1］中煤科工集團西安研究院.雙柳煤礦下組煤水文地質勘探報告［R］.西安:西安研究院，2008:23－26.

［2］中煤科工集團西安研究院.雙柳煤礦下組煤帶壓開采水文地質條件評價［R］.西安:西安研究院，2006:56－78.