豫西郭村井田深部水文地質特征及涌水量預算

張盼　任金武　高家平

摘要：郭村煤礦現階段為淺部開采，隨著開采水平向深部延伸，礦井水文地質條件趨于復雜，準確預測礦井涌水量對深部開采意義重大，本文首先分析了郭村煤礦水文地質特征，針對影響開采的主要含水層，確定了二疊系山西組頂板砂巖裂隙水和石炭系上統太原組上段煤層底板巖溶裂隙水為主要充水水源，構造裂隙及采動裂隙為主要充水通道，另外受礦井淺部地表水體影響較大。充分考慮礦井多種充水因素，提高礦井涌水量的預測精度，采用比擬法和大井法對深部開采時礦井的涌水量進行預算，為礦井深部水害防治和安全生產提供了科學依據。

關鍵詞：水文地質條件；涌水量預測；預測精度；比擬法；大井法

根據礦井水文地質資料，總結其水文地質特征。礦井涌水量是礦山設計部門確定排水設備和制定防治水措施的主要依據，對礦井的經濟技術評價有很大的影響。礦井涌水量的預測精度，不僅關系到礦區的安全和效益，也直接決定礦區的用水、供排水設計，然而礦井涌水量預測精度，不僅取決于對水文地質條件的勘探精度、礦井充水條件和含水層參數的合理選用，也取決于選用的預測方法和礦山開采方案。充分考慮多種因素，多種方法進行涌水量預測，并對預測結果進行比較，使預測精度進一步提高，從而為礦井開采設計提供更加合理、可靠地依據，保證礦區的可持續安全開采，是礦井水文地質工作所要解決的首要問題之一。

1.井田概況

郭村煤礦位于河南省偃師市偃師一龍門煤田中部，原為焦村礦焦村井與劉莊井，嵩山背斜北翼，總體傾向北，為一單斜構造，地層傾角15°～26°，傾角平均18°，構造復雜程度為中等，礦區位于嵩山山脈北麓的山前平原區，全區多被第四系覆蓋，有零星基巖出露，主要有寒武系上統鳳山組、奧陶系中統馬家溝組、二疊系下統山西組。礦區面積16.7km²，區內主要的含煤地層為二疊系下統山西組二₁煤層，查明資源儲量6676萬噸。其中保有資源儲量5532萬噸，礦床水文地質類型為第三類第二亞類第二型。

2.礦井水文地質特征

2.1主要含水層

（1）第三、四系砂礫石含水層。該層地下水類型為孔隙潛水，主要由砂、礫石組成，第四系砂礫石含水性強，單位涌水量0.2171/sm～4.2451/sm，滲透系數O.1851/sm～62.1m/d，水位深度9.95m～32.8m，厚度9.3m～346.8m，平均87.9m，是民井取水的主要水源。第三系底部的礫石，含水性較弱。

（2）二₁煤頂板砂巖含水層。該層砂巖均為裂隙承壓水含水層，由山西組的大占砂巖和下石盒子組的砂鍋窯砂巖組成，大占砂巖厚10m～20m，砂鍋窯砂巖厚10m～30m，水位深度為390.12m、389.73m以上，含水性弱，是二，煤頂板直接充水含水層。

（3）太原組上段灰巖含水層。該層為巖溶裂隙承壓水含水層，由L₆～L₈灰巖組成，其中L₇灰巖發育完整，層位穩定，一般厚5m～12m，平均7m左右，水位深度69.6m～85.2m。含水性極不均一。單位涌水量O.0041/s·m～0.9641/s·m，距二₁煤層底板20m左右，是二₁煤層底板直接充水含水層。

（4）太原組下段灰巖含水層。該層為巖溶裂隙承壓水含水層，由L₁～L₄灰巖組成，厚度10m～18m，一般12m，水位深度36.4m左右。全區46個鉆孔揭露，有9個孔漏水，占19.7%。本井田范圍4902孔于孔深405m～406m穿見溶洞，其巖溶發育不均，含水性較上段灰巖強。

（5）鳳山組及馬家溝組石灰巖含水層。該層為巖溶裂隙承壓水含水層，鳳山組中巖性為中厚層狀一巨厚層狀白云質灰巖，平均厚27.61m，水位深度56.7m～125.8m。馬家溝組中巖性為厚層狀泥晶灰巖，夾薄層狀泥巖、泥灰巖，該含水層厚度60m左右，巖溶裂隙發育，為主要承壓含水層。

2.2主要隔水層

（1）二₁煤層底板隔水層

介于二₁煤層與太原組上段灰巖之間，巖性由泥巖、砂質泥巖組成，厚5m～20m，一般8.43m，其層位穩定，有一定隔水能力。

（2）本溪組鋁土質泥巖隔水層

由鋁土巖和鋁土質泥巖組成，厚度4m-10.8m，其層位穩定，巖性致密，節理裂隙不發育，隔水能力強，正常情況下，可阻隔太原組灰巖和中奧陶系灰巖之間的水力聯系。

礦井水文地質類型中等，礦井涌水量主要來自頂、底板。二。煤層頂板直接充水含水層為山西組砂巖含水層，二₁煤層底板直接充水含水層為太原組上段石灰巖含水層，頂底板直接充水含水層富水性弱，對礦井開采影響較小。主要巖石巷道布置在L₇灰巖中，正常情況對礦井回采不構成威脅。

2.3充水因素

礦井充水因素概括為充水水源和充水通道兩個因素。

（1）充水水源

①大氣降水。大氣降水通過礦區南部基巖出露區及上覆新生界薄弱或松散地段直接下滲補給地下水，成為地下水的主要補給水源。一般每年7月份～9月份降水比較集中，本區雨季時，淺部的礦井涌水量受降水影響明顯。雨季最大礦井涌水量比正常涌水量大0.5倍左右，為礦井主要充水因素。

②地表水。本區小型水庫3個，下滲條件不佳，對礦井無充水作用。區內鐵窯河為季節性流水，正常情況下對礦井直接充水影響較小，對礦井影響最大的是礦區二₁煤層露頭附近的陸渾東一干渠，該渠興建于第四系和新近系的粘土、亞粘土層中，從礦區二₁煤層露頭附近經過，放水時受其影響，礦井涌水量均有明顯增大現象，增加量達200m3/h。

③地下水。a、二₁煤層頂板砂巖裂隙水：據勘查資料，二₁煤層頂板砂巖含水層單層厚度較小，富水性弱，在礦井生產中，當回采落頂后，頂板砂巖裂隙承壓水將通過導水裂隙帶充入礦井，構成礦井頂板直接充水水源。由于其富水性弱，對礦井開采危害不大。b、太原組上、下段灰巖巖溶水：根據鉆孔抽水試驗資料，太原組上段石灰巖含水層的單位涌水量均小于0.1L/s·m；太原組下段石灰巖含水層的單位涌水量0.1L/s·m-0.748L/s·m；該含水層巖溶裂隙發育程度弱，富、導水性不均一，含水層厚度不大，水量有限，含巖溶承壓水，涌水時，水量較大，排水后容易疏干，一般不對礦井的安全造成大的威脅。其中太原組上段石灰巖含水層為二₁煤層底板直接充水含水層，隨著開采深度的不斷加深，底板也可能因礦山壓力及水壓的共同影響，引起底鼓突水，形成水患災害。c、寒武系及奧陶系灰巖巖溶水：寒武系及奧陶系巖溶含水層，厚度大，巖溶發育，含水性極不均一，富水性強，補給條件好，是威脅礦井安全生產的主要充水水源。如遇構造破壞對礦井開采影響更大。

（2）礦井充水通道

①滲人性通道。巖石中的風化裂隙及區內各斷層影響帶中的細小裂隙為滲人性通道。該通道具滲人性特點，對二₁煤層充水影響較小。

②潰人性通道。本區分布各類正斷層11條，落差在15m～45m，長度最大2.5km，長度450m～800m之間，這些斷層均穿了二₁煤層，縮短了二₁煤層與含水層的距離，容易引起對礦床潰人性的充水作用。

③地下水的補給、逕流與排泄。補給水源主要為大氣降水和地表水體。根據調查，新近系、第四系砂礫石孔隙含水層主要以大氣降水為主，以小型水庫和鐵窯河河水補給為輔。基巖地下水受大氣降水有一定影響，但明顯程度不大。二。煤層露頭附近的陸渾東一干渠放水期間，對地下水的補給較為明顯。可使礦井增涌水量200m³/h。

受自然地理、地質條件的限制，本區沒有天然排泄點。地下水的排泄主要為礦井生產期間的長期疏排、當地農民打機井抽排和植物蒸騰作用引起的抽排。

3.礦井涌水量預算

礦井涌水量預算是一個建立在定性分析基礎上的定量評價過程，其結果的準確性在很大的程度上取決于定性分析的各種因素，需要建立涌水量預算的水文地質模型及相應的數學模型并代入相應參數解算該模型。所謂建立水文地質模型，就是概化自然條件下的礦井水文地質條件，如礦區內含水層及隔水層的基本結構特征，以及地下水的補給、徑流、排泄條件等；根據煤礦開采方案（如開采深度、范圍、方式等），確定煤礦的內邊界條件；分析未來充水因素，預測不同時期開采時的外邊界條件。數學模型建立后需對其進行解算，就是將相應參數帶人數學模型中進行求解，將得出的結果進行分析評價，對其合理性進行評估，若采用的不同預算方法結果相差較遠或與礦井涌水量變化規律不符時應對解算過程進行檢查，完善后進行重新解算，直至結果合理為止。根據郭村煤礦的實際情況，本文將分別采用確定性模型中的解析法及非確定性模型中的比擬法進行涌水量的預算。

郭村煤礦現大巷開拓水平-235.8m，已開采面積2496000mz，礦井充水水源平時以底板水為主，礦井正常涌水量250m³/h，其中頂底板直接含水層正常涌水量合計約190m³/h、馬家溝組巖溶水約60m³/h；下步首采區開采標高-400m，開采面積8728100m²；大巷位于-400m水平的太原組上段石灰巖之中。二。煤層頂板砂巖含水層靜止水位標高+257.8m。二，煤層底板灰巖含水層靜止水位平均標高+156.7m。

山西組砂巖含水層和太原組上段石灰巖含水層為二，煤層頂底板直接充水含水層，是礦井疏排的直接對象。二者中地下水涌水量的總和，即接近于礦井的總涌水量。所以本次對二₁煤層頂、底板直接充水含水層的涌水量加以預算。

3.1采用比擬法預算礦井涌水量

比擬法是采用地質、水文地質條件相似，同一開采方法的生產礦井的水文地質資料，用來預測新水平的涌水量。計算公式如下：

式中：Q、F、S分別為預算礦井涌水量（m³/h）、開采面積（km²）和水位降深（m）；Q₁、F₁、S₁分別為原有礦井涌水量（m³/h）、開采面積（km²）和水位降深（m）；根指數取經驗值m=4，n=2。比擬法預算結果見表1。

未來生產礦井的最大涌水量按現有正常涌水量加上陸渾灌渠季節性放水后純增涌水量200m³/h計算，并考慮增加雨季最大涌水量按增大0.5倍計算值。

3.2采用大井法預算礦井涌水量

一般礦井的構造條件都比較復雜，礦區邊界條件形態不規則，為了在計算中獲得較為理想的解析解，需要對礦井邊界進行概化，即簡化為一個圓形的大井，然后應用地下水向井運動的公式預測礦井的涌水量。大井法礦井涌水量預算公式如下：

（1）二₁煤層頂板砂巖裂隙含水層

預算范圍內，該含水層需全部疏干，所以應選擇承壓轉無壓水公式，具體采用公式為：

（2）太原組上段石灰巖巖溶含水層

在預算范圍內，應采用承壓水公式。具體選擇公式如下：

（3）大井法預算參數的選擇

未來生產礦井的最大涌水量按現有正常涌水量加上陸渾灌渠季節性放水后純增涌水量200m³/h計算，并考慮增加雨季最大涌水量按純增大0.5倍計算值。

4.礦井涌水量預算結果的評價

礦井涌水量預算，分別采用“比擬法”和“大井法”兩種方法進行預算，由于大井法對水文地質條件嚴格理想化，采用大井法計算礦井涌水量結果必然會存在一定的誤差，而比擬法采用的數據來自礦井多年涌水量觀測資料，且比擬法預算涌水量值大于大井法預算值，從嚴謹性及礦井生產安全多方面考慮，最終采用比擬法預算的涌水量，即開采至400m時，二。煤層礦井正常涌水量304m³/h和最大涌水量656m³/h。通過分析礦井水文地質特征，綜合考慮涌水量預計受多種因素控制和影響，更加準確的進行礦井深部涌水量預計，為礦井深部水害防治和安全生產提供了科學依據。