代池壩煤礦深部水文地質條件研究及涌水量預測

胡文惠，曾貞

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代池壩煤礦深部水文地質條件研究及涌水量預測

胡文惠1，曾貞2

（1.四川省煤田地質工程勘察設計研究院，成都 610072；2.四川省地質礦產勘查開發局成都水文地質工程地質中心，成都 610072）

代池壩煤礦進入深部開采，通過對礦區深部水文地質條件研究與礦井充水因素分析，認為礦床充水含水層為富水性弱～中等的砂巖裂隙含水層，各含水層間水力聯系差，深部開采面臨含水層地下水水壓變大，具有一定的危險性。礦井主要充水水源為大氣降水、含水層砂巖裂隙水、地表水和采空區積水。礦區主要充水通道是煤層開采后形成的導水裂縫帶和礦區范圍內11個報廢鉆孔。采用了比擬法的計算：深部標高+320～+50m范圍內正常涌水量為234m3/h,最大涌水量為509m3/h。

水文地質條件；充水因素；涌水量；代池壩煤礦

代池壩煤礦位于四川廣元市旺蒼縣普濟鎮境內，礦區地勢北高南低，標高511.6～1 243.5m，為淺至中切割的中低山丘陵。

礦區主要含煤地層為三疊系須家河組第五段第三亞段(T35-3)，屬河床沼澤相沉積，巖性主要由鈣質細砂巖、鈣質粉砂巖、粉砂質泥巖、砂質泥巖、泥巖及煤層組成，含可采煤層9層，平均總厚度131.20m，煤層總厚平均值為3.8 m。

代池壩煤礦1979年投產，開采近40年，生產規模為30萬噸/年，開采采標高+820～+235m，標高+535m以上已回采完畢，+320m水平大部分已開采，進入礦區深部開采，因此，深部礦井的水文地質條件研究成為規劃和建井的當務之急。

1 礦區水文地質條件

礦區位于大兩會背斜南翼，大兩會背斜為一完整水文地質單元，背斜一線將整個區域分為南、北兩個次級水文地質單元，礦區位于大兩會背斜南翼之東河和魯巴河之間的河間地塊次級水文地質單元，該水文地質單元地勢總體上北高南低，西高東低，區域地表排泄基準面由嘉陵江的次一級支流東河控制，礦區位于區域水文地質單元的補給—徑流帶上。

1.1 礦區含水層特征

三疊系須家河組第四段（T34）碎屑巖類裂隙含水巖組：該段巖性由淺灰色巨厚層狀細—中粒巖屑長石石英砂巖夾細粒石英砂巖組成，礦區內未見出露。厚度40～147m。該含水層受大氣降水補給條件差，裂隙不甚發育，富水性較弱。

三疊系須家河組第五段第二亞段（T35-2）碎屑巖類裂隙含水巖組：該段巖性由灰色中—巨厚層狀中—粗粒巖屑長石石英砂巖組成，主要出露于礦區北部邊界外。該段地層地表多突出形成較高的山頂，巖層的露頭裸露良好，節理、裂隙發育，有利于地下水的補給和滲透運動，但受山地地形影響，接受大氣降水補給條件差。本段巖層裂隙不發育，鉆孔回次水位、沖洗液消耗量無明顯異常。礦區現主要運輸大巷即布置在該含水巖組中，另有多處石門揭露該含水巖組，各出水點水量變化大，富水性不均一，在進入深部開采后，該含水巖組水壓變大，具有一定的危險性。該段屬于富水性中等的砂巖裂隙含水層。

三疊系須家河組第五段第三亞段（T35-3）碎屑巖類裂隙含水巖組∶出露于礦區北部邊界外，內僅零星出露，鉆孔揭露厚度98.13～176.43m，平均134.10m，鉆孔回次水位和沖洗液消耗量均未見異常，此段含水巖組中由上至下又可細分為三層∶

上層為5號煤層至白田壩組底界，厚46.20～73.88m，巖性以薄至中層鈣質粉砂巖夾細粒砂巖為主，節理裂隙發育較差。屬富水性弱的砂巖裂隙含水層。

中層為7號煤層頂板至5號煤底板，厚6.34～23.98m，巖性以鈣質細至中粒砂巖為主，裂隙發育，裂隙率為1.32%～2.285%，泉水流量為0.0075～0.601l/s,鉆孔抽水試驗的q=0.545l/(s.m)、K=3.35m/d，屬富水性中等的砂巖裂隙含水層。

下層為7號煤層到煤系底板，厚69.8~84.15m，含7號至13號煤層，共七個煤層，巖性以鈣質砂巖、鈣質粉砂巖夾細粒長石石英砂巖為主，偶夾泥巖，節理裂隙發育程度差，裂隙率為0.82%～0.96%，泉水流量為0.000 7～0.657L/s。鉆孔抽水試驗的q=0.038 1L/(s.m)、K=0.214m/d，在煤礦生產過程中，水量不大，最大涌水量20.4m3/h，屬富水性弱的砂巖裂隙含水層。

侏羅系下統白田壩組（J1）碎屑巖類裂隙含水巖組：該含水巖組按其含水性可以分為三層，分別是白田壩組第三段（J1b3）、第二段（J1b2）和第一段（J1b1）上部以及第一段（J1b1）下部，第二段（J1b2）和第一段（J1b1）上部為隔水層。鉆孔揭露該巖組后有發生涌水現象，涌水量0.014～3.22L/S，鉆孔對白田壩組（J1）碎進行了抽水試驗，單位涌水量為0.0 002～0.008L/(s.m)。

白田壩組第三段（J1b3）：該層厚厚85.22～133.94m，平均105.26m。巖性以細粒長石石英砂巖、粉砂巖為主，泥巖、泥質粉砂巖和砂質泥巖次之。該含水巖組屬富水性弱的含水層，距煤層較遠，對煤層開采影響不大。

白田壩組第一段（J1b1）下部：厚29.74～46.28m，呈條帶狀出露于礦區北部煤礦區邊界處，地形上多形成陡坎，為灰色石英質礫巖，礫石一般占60%～70%，膠結物為灰色中粒、粗粒石英組成的砂巖，接觸式膠結。代池壩煤礦+320水平石門揭露該含水巖組時最大涌水量達529.8m3/h，將付斜井及管子道淹沒，屬富水性中等含水層。

1.2 礦井充水因素分析

1.2.1充水水源

礦井主要充水水源為大氣降水、地表水、含水層砂巖裂隙水和采空區積水。

1）大氣降水，礦區北部各煤層露頭和含水巖組廣泛出露于地表，直接接受大氣降水補給，礦井涌水動態也與大氣降水變化過程一致，具有明顯的季節性和多年周期性變化規律，大氣降水主要通過補給各含水巖組地下水以及采空區積水對礦井形成充水影響，因此，大氣降水是礦井的主要充水水源。

2）地表水，礦區有常年溪溝清江河，長約3 000m，由北向南彎曲貫穿礦區，匯水面積910m2。清江最大流量427m3/s，最小0.13m3/s，一般0.9m3/s。礦區內，該河上游標高+555m，下游+545m。根據礦山資料，清江+535m工業廣場地段的最高洪水位為+529m，流經張家灣煤層露頭線地段的最高洪水位為+549.0m，切穿各個含水巖組和煤層露頭。煤層開采前，清江是礦區最低侵蝕基準面，地下水補給清江，隨著煤層開采標高低于清江面標高，煤礦開采疏干地下水，影響了地下水流場，現在是清江補給地下水。煤系地層最上部可采5號煤層距離清江垂高最小處為50m，若在河面下開采煤層，清江水將通過開采引起的導水裂隙帶涌入礦井。鑒于這個原因，原地質報告圈定留設了清江保安煤柱。在保安煤柱完好的情況下，清江對礦井的充水影響較小。1971年代池壩煤礦在井下開拓+535m大巷時曾發生過因小煤窯盜采河床保護煤柱導致河水進入礦井的水害事故，涌水量達540.3m3/h。所以清江是礦井水補給的一個來源，對本礦構成嚴重的水患危害。其余數條季節性沖溝規模小且雨季作為地表水的快速排泄通道，只有少量水滲入地下。

3）煤層頂底板含水層水，區內各煤層頂板砂巖裂隙水為煤層開采時主要充水水源。5號煤層上距白田壩組砂礫巖含水層58.3～92.7m。

煤層頂板充水：礦區5號煤厚0.16～1.4m， 5號煤與7、8號煤間距較小，屬近距離煤層，按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》規定，其導水裂縫帶高度需按多煤層開采時綜合計算。5號煤距7號煤層頂板9.69～23.26m，因7、8號煤層間距較近，實際開采時，7號煤和8號煤為同時開采,故計算時采用其和，其最大厚度為2.9m.通過計算，開采7、8號煤層時，其垮落帶已接觸到5號煤層范圍內。5號煤：

綜合取值，5、7、8號三煤層的最大導水裂縫帶高度為37.56m。而白田壩組第一段（J1b1）下部含水層距5煤為58.3m～92.7m，故白田壩組及其上的各含水巖組水不會涌入礦坑。因此，煤層賦存的須家河組第五段第三亞段砂巖裂隙含水層是各煤層開采的直接頂板充水含水層。

煤層底板充水：各煤層底板均含有一定的砂巖裂隙層間水，但其水量一般較小，富水性不均一，對煤層開采構成的影響較小。

須家河組第五段第二亞段含水層水，該煤礦主要巷道皆布置在該含水層中，在開拓大巷時，對巷道產生充水作用，同時隨著主要巷道的開拓，對該層含水層也起到了泄水的作用。因此，該含水層主要是通過巷道的開拓對礦井產生充水作用，一般不會隨煤層開采進入礦井，據礦井實際開采情況，煤層開采時少有底板涌水，煤礦工作面很少有涌水，主要涌水是因為大巷及石門揭露含水巖組T3xj5－2引起。因此該含水層地下水也是礦井充水水源之一。

4）采空區積水，區內構造為一單斜構造，平硐以上采空區水以自流方式排出礦井，下一水平采空區水亦自流至水倉后經斜井排至地面，區內無積水區，但在淺部，沿煤層露頭線附近分布著小煤窯及小煤窯采空區，現有資料表明，由于小煤窯的越界開采，代池壩煤礦503采區保護煤柱已被破壞，其采空區與淺部的老窯之間已形成通道。該區域采空區水成為礦井的一個主要充水隱患。+320m水平采空區由于各采面均是垮落法充填，積水甚少，積水通過采動裂隙進入+320m大巷，沿+320m大巷流入+320m水倉，經過水泵排出地面。+320m水倉由重慶煤炭工業設計院設計，其水倉容量及中央泵房排水能力均達到煤礦設計要求。該煤礦其相鄰煤礦有趙家壩煤礦、磨巖煤礦、核桃樹煤礦、侯家寨煤礦和小溪溝煤礦，老窯主要有東升公司、化龍鄉煤礦和四溝煤礦(已關閉)，侯家寨煤礦、化龍鄉煤礦和四溝煤礦于2010年重新整合為同心煤礦。經調查，小溪溝煤礦的老空積水對代池壩煤礦有一定的影響。

1.2.2充水通道

礦區未發現大的斷層及裂隙帶，地表第四系厚度較薄，工作面開采時也少有涌（出）水，煤層頂、底板砂巖裂隙水主要是通過開采后形成的導水裂縫帶及大巷和石門揭露后進入礦井形成充水。因此，本區主要充水通道是煤層開采后形成的導水裂縫帶。另外，礦區范圍內共有11個報廢鉆孔，均揭穿了煤系頂部的含水層。多數鉆孔封孔質量較差，可能成為礦井充水的通道之一。

2 涌水量預測

2.1 礦井涌水構成分析

技術人員對礦井涌水量進行觀測、統計和分析，基本查明了礦井涌水量動態特征。代池壩煤礦近十年(2005年至2016年)礦井涌水量及其變化見表1及圖1和圖2。

表1 代池壩煤礦2003～2014年涌水量表（m3/h）

表1 代池壩煤礦2003～2014年涌水量表（m3/h） 年度200520062007200820092010201120122013201420152016 最小總涌水量121.698.8108.498.9108.2100.3117.5147.9160.1141.3127.4104.1 最大總涌水量217.0220.4208.4173.7215.5281.5439.8379.6504.3295.5335.1348.3 正常總涌水量158.3138.7155.8129.7146.3188.1219.3234.6283.2190.9185.7199.6 320水平正常涌水量129.3108.0115.2107.0113.8158.4171.3195.4214.0147.9138.9149.3 535水平正常涌水量29.030.740.622.732.629.748.039.269.243.046.850.3

2.2 礦井涌水特征

1）涌水量變化特征，從表1和圖1、2可以看出，礦井涌水量總體呈上升趨勢；上水平(+535m水平)因開采已經結束，涌水量主要來源是大氣降水通過采動裂隙進入的裂隙水，隨大氣降水變化而變化，涌水量較小且相對比較穩定，未來礦井涌水量主要來自下水平。自2008年后，受汶川大地震影響，礦井涌水量逐年上升，2011年開始有所下降。

圖1 代池壩礦井總涌水量曲線圖

圖2 代池壩礦井分水平涌水量曲線圖

2）涌水量構成分析，礦井涌水量構成分析：①按水源分析，礦井涌水水源為煤層頂底板砂巖水和采空區積水，由于礦井運輸大巷布置在須家河組第五段第二亞段（T3xj5-2）含水巖組中，并且有多處石門穿過該含水巖組，因此該含水巖組地下水成為礦井涌水量的主要構成部分。②按開拓區域分析，上水平以上涌水量約占總涌水量的20％，下水平約占總涌水量的80％。目前礦井涌水形式主要是頂、底板砂巖裂隙水以及工作面回采后的采空區積水。

據旺蒼縣氣象局旺蒼縣氣象站降雨量資料統計，本區月降雨量集中在每年雨季的5、6、7、8、9五個月，詳見表2。從圖3可以看出：涌水量與降雨量密切相關，每年5至9月的雨季涌水量也較大,因此，礦井涌水動態與降水變化過程相一致，具有明顯的季節性和多年周期性的變化規律，涌水量最大值出現在豐水年的雨季。雨季涌水量一般為旱季的2倍，在豐水年的雨季可達4倍以上。

表2 2012～2016年降雨量統計表

表2 2012～2016年降雨量統計表 年度月平均降雨量（mm）年度總降雨量(mm) 123456789101112 20121.45.82868.878.8133.8609.9230.9154.648.220.410.71391.3 201330.917.110.719.2200.8217.9452.3268.7162.635.214.52.41603.5 20140.00.019.931.8204.479.6471.9262.4177.441.25.82.01296.4 201521.82.160.1178.8216.7698.7139.7100.222.825.414.71463.0 20162.32.79.543.267.368.4155.2136.8395.0143.66.30.71031.0

礦井涌水有如下特點:

1）礦井涌水量與大氣降水密切相關，有明顯的季節性和多年周期性變化，代池壩煤礦+320m水平涌水量與大氣降水的關系相比+535 m水平更加明顯。

2）礦井涌水量在一時段內隨巷道長度、開采面積的增大而呈緩慢上升趨勢。

3）礦井涌水水源主要為煤層頂底板含水層水和采空區積水。工作面回采過程中涌水量較小（小于50m3/h）。

4）由于對主要河流下均留設安全防水煤柱，地表水與礦井涌水關系不密切。

5）受汶川大地震影響，加大了巖體裂隙的發育，涌水量相比大地震前有了明顯的增大。

圖3 代池壩煤礦涌水量與降雨量關系曲線圖

2.3 礦井涌水量預算

從礦井涌水量規律來看，礦井涌水量主要與大氣降雨有關，并隨著開拓面積的擴大呈緩慢增大。隨著礦井向深部延伸，礦井充水條件與目前相比變化不大，直接充水含水層仍為煤系地層砂巖含水層，采用水文地質比擬法預測未采水平礦井涌水量。對深部接替水平（標高+320～+50m）礦井涌水量進行預測，平面預算范圍為采礦權范圍和深部探礦權范圍。

表3 涌水量預算成果表

1）+320m水平涌水量預算：目前320水平正常涌水量Q0為145.4m3/h(2014～2016年正常涌水量平均值)。

：開采面積，主采9煤層+320m水平開采斜面積，已開采面積約為1.0km2，未開采面積約為0.4 km2，總開采面積為1.4 km2；：涌水量。根據歷年礦井涌水量變化系數2，最大涌水量為408m3/h。

2）+50m水平涌水量預算：

Q:目前涌水量，礦井+320m水平以上涌水量由+535m水平和+320m水平構成，+535m水平總體涌水量較穩定，采用其近三年實測涌水量，2014～2016年正常涌水量為46.7 m3/h，最大涌水量為138.2 m3/h ，+320m水平預計正常涌水量為204m3/h, 最大涌水量為408m3/h，則+320m水平以上預計正常總涌水量為251m3/h。最大涌水量為546m3/h。：預測涌水量。S：開采水平水位降深,采用降深為從水位標高+618.75m降至+320m，則水位降深為298.75m。:預算水平水位降深，+50m水平水位降深為568.75m。F：+320m以上水平開采面積，本文采用該礦主采煤層9煤開采面積(斜面積)，+320m水平以上預計開采面積為2.5km2；：預算水平+50m以上總開采面積，+320m水平至+50m水平間預計開采面積約為2.4km2，預計+50m以上總開采面積為4.9 km2；

3）預測結果，通過計算求得+50m以上礦井正常總涌水量為485 m3/h，礦井最大總涌水量為1 055 m3/h，則標高+320～+50m范圍內正常涌水量為234m3/h,最大涌水量為509m3/h。

3 涌水量預算成果及評價

代池壩煤礦礦坑涌水量預測采用水文地質比擬法，以上一開采水平實際揭露涌水情況預計未采水平涌水量，選擇的計算方法及水文地質參數基本合理，可作為礦山開采設計的礦坑涌水量的參考值（表3）。

[1] 胡文惠,胡祖國,等.四川廣旺能源發展（集團）有限責任公司代池壩煤礦+50m水平延深地質報告[R].2016.

[2] 劉大野,陳立云,徐會.礦井單位涌水量比擬法在礦井涌水量預測中的應用[J] 中國煤炭地質,2010,(10):41～44.

[3] 杜敏銘,鄧英爾，許模.礦井涌水量方法綜述[J] 四川地質學報,2009,(01):70～73.

[4] 曹劍峰,遲寶明,王文科,等.專門水文地質學[M].北京：科學出版社，2006.

[5] 陳兆炎.煤田水文地質學[M].北京：煤炭工業出版社，1989.

Study of Hydrogeological Condition and Water Yield Predictionin the Depth of the Daichiba Coal Mine

HU Wen-hui1ZENG Zhen2

(1-Sichuan Research Institute of Exploration and Designing of Coal Geological Engineering, Chengdu 610072; 2- Chengdu Center of Hydrogeology and Engineering Geology, SBGEEMR, Chengdu, Sichuan 610081)

Study of hydrogeology and the mine water filling factors in the depth of the Daichiba coal mine indicates that the water filling aquifers are weak to moderate rich water-based sandstone fracture aquifers. Hydraulic connection between each aquifer is bad, groundwater pressure will increase at the time of mining in the depth. The mine main water filling sources are meteoric water, sandstone fissure water, surface water and goaf water. Main water filling channels are water flowing fractured zone and 11discarded drill holes. The calculation indicates that normal water inflow is 234m3/h and the largest water inflow is 509m3/h in the depth of elevation of +320-+50 m.

hydrogeological condition; water filling factor; water inflow; Daichiba coal mine

2017-09-04

胡文惠（1983-），女，四川內江人，工程師，主要從事水文地質、工程地質、環境地質相關工作

P641.4

A

1006-0995（2018）02-0287-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.02.023