富源縣阿令德煤礦開采對地下水環境的影響分析

江建明

摘要：本文對富源縣阿令德煤礦的地質構造進行了分析，明確認識了礦區的水文地質特征。依據礦床充水因素，包括含水層及斷層的分析，利用水文地質比擬法及大井法分別預測了礦坑涌水量并進行了比較。結果表明，兩種方法均可以較好地預測礦坑涌水量，大井法可計算地下水水位影響范圍，體現了其在地下水環境影響評價過程中的重要性和優越性。可為礦山設計部門制定一系列排水措施提供可靠依據。

Abstract： This paper analyzes the geological structure of the Arende Coal Mine in Fuyuan County and clearly understands the hydrogeological characteristics of the mining area. According to the water-filling factors of the deposit， including the analysis of aquifers and faults， the hydrogeological comparison method and the large well method were used to predict the water inflow of the pits and compare them. The results show that both methods can better predict the amount of water influx in the mine. The large well method can calculate the influence range of groundwater level， which reflects its importance and superiority in the process of groundwater environmental impact assessment. It can provide a reliable basis for the mine design department to develop a series of drainage measures.

關鍵詞：地質構造;比擬法;大井法;礦坑涌水量;影響分析

Key words： geological structure;comparison method;large well method;mine water inflow;impact analysis

中圖分類號：TD82;X824.03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）01-0079-04

0 ?引言

礦坑涌水量是指在礦山開拓與開采過程中，單位時間內涌入礦坑（包括井、巷和開采系統）的水量[1]。礦坑涌水量預測是一項重要而復雜的工作，是礦床水文地質勘探的重要組成部分。其主要任務是：預測礦井水疏降至一定標高后，在正常補給條件下的相對穩定的礦坑正常涌水量，預測不利條件下，如受降雨影響的礦區，在豐水年雨季時或者甚至遭受特大暴雨補給時，礦坑的涌水量，即最大礦坑涌水量，為礦山設計、開采部門提供礦山排水設計依據;預測枯水年代時的最小可能涌水量（簡稱最小涌水量），為利用礦坑水提供水量下限;預測正常補給條件下在給定疏干時間內將礦坑水疏降到一定標高時的疏干涌水量，為礦山基建、生產部門提供參考依據[2]。目前，國內外礦井涌水量的具體預測方法大致可分為兩大類[3]：第一類為確定性分析方法;第二類為不確定性分析方法，也稱為統計分析方法。確定性分析方法中包括解析法[4-5]、水均衡法和數值法[6-7]。非確定性分析方法主要包括水文地質比擬法[6]、回歸分析法、人工神經網絡法[8]、時間序列法[9]等。

本文以富源縣阿令德煤礦為例，在研究區水文地質條件的基礎上，根據水文地質比擬法、解析法中最為常見的大井法進行礦坑涌水量預測，并分析礦區開采對周圍環境的影響。

1 ?研究區概況

富源縣阿令德煤礦二號井位于曲靖市富源縣墨紅鎮境內。地理坐標東經104°12′52″～104°13′35″，北緯25°26′35″～25°27′37″。礦區面積：1.248km2，開采標高：1820m～1360m，生產規模15萬t/a。

2 ?區域水文地質條件

2.1 地層巖性及富水性

根據巖性、巖相的組合特征及富水性，將礦區內各含、隔水層自上而下分述如下：

2.1.1 第四系（Q）孔隙弱含水層

零星分布于礦區西北部。主要由黃褐色、紫紅色松散的亞粘土、砂石、碎塊等殘坡積物為主，次為洪沖積物，地滑堆積物及人工堆積物。結構松散，厚度0～9m。富水性受季節變化影響較大，且因區內地形陡峻，溝谷沖刷作用強烈，地下水補給條件較差，含水層富水性弱，對礦床充水無直接影響。

2.1.2 三疊系下統飛仙關組第二、三段（T1f2-3）碎屑巖裂隙含水層

為紫紅色、紫灰色、紫色粉砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖組成，總厚290m，表層風化破碎強烈，風化裂隙發育，含風化裂隙水，礦區內無泉點出露。本段主要含淺部風化裂隙水，富水性弱，為裂隙弱含水層。距含煤地層較遠，且有T1f1、T1k等數個相對含、隔水層相隔，對礦床充水無直接影響。

2.1.3 三疊系下統飛仙關組第一段（T1f1）相對隔水層

為粉砂巖、泥巖夾細砂巖組成，厚度130m，地表裂隙不發育，為卡以頭組以上的隔水層，對礦床開采有一定的隔水作用。地面少見泉點出露，只在該組砂巖的底部層面，有個別季節性的散狀滲出水，流量甚微，為相對隔水層。

2.1.4 三疊系下統卡以頭組（T1k）碎屑巖裂隙弱含水層

為黃綠色泥質粉砂巖夾粉砂質泥巖、粉砂巖等，厚度100m，裂隙發育，接受降雨補給，常見裂隙水下降泉出露。滲透系數0.001267～0.00245m/d，平均0.002044 m/d。水化學類型屬HCO3-～（K++Na+）·Ca2+型水。在該組底部常有5～10m灰綠色粉砂質泥巖、泥巖組成相對隔水層，自然條件下與煤系無水力聯系，但下部為含煤地層，當大面積回采后，形成冒落裂隙帶時，將溝通該含水層對礦坑充水，故屬頂板間接充水含水層，對礦井充水有間接影響。

2.1.5 二疊系上統長興、龍潭組碎屑巖裂隙弱含水層

長興組（P3c）：為黃灰、灰色粉砂質泥巖，泥巖夾菱鐵質粉砂巖及煤層煤線，厚86m，裂隙發育，含裂隙水，礦區內無泉點出露。是礦床開采的主要充水含水層，以裂隙水為主，對礦床開采充水有直接和間接的影響。

龍潭組（P3l），為灰、淺灰色泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖夾粉砂巖、細砂巖、菱鐵礦和煤層等，地層厚166m，裂隙發育，受煤層頂板裂隙水影響，含裂隙水，富水性弱，是礦床充水的主要含水層，以裂隙水充水為主。含水層靜止水位標高1956.10～2173.21m，平均標高2052.98 m。單位涌水量0.001516～0.00213L/s·m。滲透系數0.001076～0.001309m/d，平均0.001009m/d。富水性弱，屬含隔水相間的弱裂隙含水層。水化學類型屬HCO3-—（K++Na+）型水。該層為礦坑直接充水的弱裂隙含水層，對礦井充水有直接影響。

2.2 斷層水文地質特征

礦區位于恩洪礦區中段西側的富源—彌勒斷裂帶東緣，區內構造線形態總體呈北北東—南南西向展布。本礦區總體為一單斜構造，地層走向近南北向，傾向東，傾角19～40°，一般傾角25°左右，區內發現3條斷距較大的斷層，各斷層的水文地質特征及其對礦床開采的影響如下：

①F4正斷層：位于礦區西部邊緣地帶，走向北西，傾向西，傾角68～75°，斷距均在10m～20m間，為張扭性正斷層，斷層破碎帶寬約2.0m，充填物主要為泥巖、粉砂巖碎塊及煤屑，膠結較致密，破碎帶附近5m范圍內巖層裂隙稍發育。據主井、副井、風井巷道揭露，斷層影響帶有淋水、滴水現象，初始涌水量約0.6～1.3L/s，之后又趨于平穩，雨季時有加強，現正常涌水量為0.5～0.9L/s。斷層影響帶節理裂隙發育，富水性中等，雨季富水性及導水性較旱季強，該斷層北端與補木河相交，對礦床充水有較大影響，要嚴防補木河水通過斷層破碎帶滲入生產巷道。巷道揭露斷層附近時應做好探放水工作，或留設防隔水保安煤（巖）柱，以預防透水事故的發生。

②F6逆斷層：位于礦區西部邊緣地帶，走向北東，傾向北西，傾角68～75°，斷距10m～20m間，為張扭性逆斷層，深部被F4正斷層切割，斷層破碎帶寬約2.0m，充填物主要為泥巖、粉砂巖碎塊及煤屑，膠結較致密，破碎帶附近5m范圍內巖層裂隙稍發育。據主井、副井、風井巷道揭露，斷層影響帶略有滴水現象，未出現礦井水量增加的現象，兩盤地層均為裂隙弱含水層，斷層帶富水性、導水性弱，但該斷層南端與補木河相交，對礦床充水有一定影響，要嚴防補木河水通過斷層破碎帶滲入生產巷道。

③F11逆斷層：位于礦區東部，走向近南北，傾向東，傾角約70°，斷層地表出露長大于1.5km，斷距30m～50m。斷層破碎帶寬約2.5m，充填物主要為泥巖、粉砂巖碎塊及煤屑，具有明顯壓扭性，膠結較致密，破碎帶附近5m范圍內巖層裂隙較發育。據主井巷道揭露，斷層影響帶略有滴水現象，在開采F11斷層附近煤層時，未出現礦井水量增加的現象，故斷該斷層導水性及富水性均較差。但該斷層與礦區內溪溝相交，對礦床充水有一定影響，要嚴防溪溝水通過斷層破碎帶滲入生產巷道。

④其余均屬隱伏斷層，井下有巷道控制，斷距均小于10m，斷層帶主要為粉砂質泥巖、泥巖、泥質粉砂巖，兩盤地層均為裂隙弱含水層，斷層帶富水性、導水性弱，對礦床充水基本無影響。

2.3 地下水的補給、徑流、排泄特征

礦區地處云貴高原山區，地勢總體呈東高西低、南高北低，地形起伏變化大，沖溝發育，有利于地表水、地下水的排泄給。地表水體主要為補木河，雨季最大流量1.65m3/s，旱季最小流量0.48 m3/s。礦區內的大部分補給源主要為大氣降水的補給，礦井主要充水含水層在原始狀態下屬承壓水系統，經巷道揭露后，地下水轉為潛水。本區地下水以大氣降雨補給為主，地表河流補給為輔，以紊流方式總體向西徑流，以下降泉的形式于就近溝谷地帶排泄出地表。

3 ?礦區涌水量預測

3.1 比擬法

根據水文地質勘察報告，礦山目前的開采M9煤層基本采空，巷道及采空區控制范圍面積973712m2，礦井巷道開采控制最低標高為1448.77m，生產礦井初見水位標高平均值1782.5m。現狀礦井旱季涌水量為576m3/d，雨季涌水量為777m3/d。礦井涌水量計算采用現有生產礦井巷道控制范圍礦井排水資料，采用比擬法計算礦區1360m水平礦井涌水量，計算公式如下：

式中符號代表意義及參數確定：

Q旱、Q雨：預測水平1360m生產礦井旱季、雨季礦井涌水量（m3/d）。

Q0旱：已知煤礦坑道實際旱季涌水量，Q0旱=576m3/d、Q0雨=777m3/d。

F：礦井涌水量預測面積（m2），F=1248338m2。

S：礦井涌水量預測水位降低值（m），采用生產礦井初見水位標高平均值與計算水平標高之差，礦井平均水位標高1782.5m。即S=1782.5-1360=442.5m。

F0：已知生產礦井坑道系統控制范圍面積（m2），F0=973712m2。

S0：已知生產礦井坑道控制范圍內水位降低值（m），采用生產井平均初見水位標高與巷道控制最低平均標高之差，即S0=1782.5-1444.19=338.31m。

將以上各項參數代入計算公式，計算結果見表1。

3.2 大井法

礦區采用大井法進行礦坑用水量預測，其坑底開采半徑為 630m，即 r0 =630m，又因為開采區為承壓轉無壓型，故采用以下承壓轉無壓公式進行礦坑涌水量計算：

式中：Q 為礦坑涌水量（m3/d）; K為滲透系數（m/d）;H為水頭高度，礦井涌水量預測水位降低值（m）;M 為有效含水層厚度（m）。

R0=R+r0，其中 R 為影響半徑。

參數的獲取：根據水文地質勘察報告K=0.001009m/d;H=1782.5m（平均水位）-1360（開采中段）=422.5m;M≤ H=422.5m;（承壓轉無壓）=551.72m;R0=R+r0=1181.72m。

代入公式計算得：Q=743.76（m3 /d）。

4 ?煤炭開采對地下水環境的影響分析

由表2可知，礦井煤層開采將引起自采止線外一定范圍的巖層地下水發生漏失，對含水層的影響半徑為該地層內所在采區邊界外延552m。

根據現場踏勘，礦區周邊范圍內有泉點3處及1處生產用水井。其分布見表3。

根據表3可知，煤礦生產用水井水主要由周邊補木河補給，設計對補木河留設保護煤柱，漏失的可能性小。煤礦采動時主要導致龍潭組含水層中地下水漏失，泉Qs3、Qs5位于飛仙關組，現狀未漏失，與龍潭組地層之間有卡以頭組（T1k）碎屑巖裂隙弱含水層相隔，卡以頭組為黃綠色泥質粉砂巖夾粉砂質泥巖、粉砂巖等，厚度100m，有隔水層作用，故Qs3、Qs5漏失可能性小。Qs3受采煤沉陷影響，泉點出露位置可能發生變化。

泉Qs4位于西部井田內的卡以頭組，該泉水主要為斷層導水形成，設計對斷層留設保護煤柱，現狀調查Qs4未受開采影響，預計煤礦開采對其影響小。建議建設單位在開采的過程中加強對泉Qs4的觀測，發現水量減少，需及時為箐地村解決飲水問題。

5 ?總結

①從已有水文地質資料及對水文地質條件的認識上看，大井法計算結果比水文比擬法計算的結果偏小。但兩結果計算的值比較接近，均可以較好地預測礦坑涌水量。

②通過礦區含水層的分布情況及礦區開采對含水層的影響半徑分析，可以預測周邊泉點的漏失情況，為保護居民的飲用水源提前好預防措施。

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