基于GMS軟件的礦井水文地質的研究

溫小偉

（大同煤礦集團挖金灣煤業公司地測科，山西 大同037003）

0 引言

在我國現有煤田中，尤其在華北煤田中，石炭系、二疊系的煤儲量豐富。但在此類煤礦開采的過程中，隨著開采深度的加深，奧灰水含水層對煤層底板的壓力越來越大，從而引發了突水事故，嚴重威脅著煤礦的正常開采[1]。辛安煤礦于上世紀70年代投產，年產量達百萬噸，不受突水影響的主要開采層2#煤層已近枯竭。因此，為了其余受青灰巖和奧陶系灰巖巖溶水的威脅的煤層的安全生產，以煤層的水文地質為研究對象，分析煤層的突水具有重要的意義。

1 辛安煤礦水文地質狀況

1.1 辛安煤礦自然地理環境

辛安煤礦位于河北省太行山東麓峰峰礦的南部，最高海拔+234.7m，東西寬2.8km，南北長約8km，距離邯鄲市50 km，且周邊有煤運專線和直達公路，交通便利。礦區氣候是半干旱暖溫帶大陸性季風型，四季分明，夏炎雨冬冷燥，據氣象部分的統計資料，近年來的降雨量如圖1所示。礦區內地形為剝蝕型低丘陵地區，沖溝較多且多起伏，被一條EW走向的分水嶺分成南、北兩種水系，北邊為滏陽湖水系，平時水流量小于120m3/h，暴雨期水流量30～50m3/s，南邊為漳河水系。

圖1 辛安煤礦近年降雨量

1.2 辛安煤礦地質概況

1）地層，辛安煤礦為半掩蓋區，地層平均傾角20°，礦區大體走向為NE，但傾向于SEE，屬于單斜構造。根據勘探資料顯示，已揭露的地層從上到下有新生界和古生界，新生界主要為第四系Q和第三系R，古生界主要為二疊系P、石炭系C、奧陶系O。

2）構造，辛安煤礦位于鼓山地塹構造塊段，內部斷裂情況復雜，潛伏性的斷層較多，主要大體走向為NNE，次要走向為NE，傾向不一致，存在北黃沙向斜、南黃沙背斜、馬家荒小向斜等主要皺褶。

3）斷層，根據井下巷道和工作面勘探資料顯示，礦區斷層發育落差大于10m的數量為50條，如表1所示，落差小于10m的多達200條，其中大多數斷層是65°～80°高角度正斷層。

4）含水層，礦區內，根據含水層水質情況，自上而下，將含水層一次分為第四系-砂礫石孔隙含水層、第三系-孔隙裂隙含水層、二疊系-砂巖裂隙含水層、石炭系-薄層灰巖巖溶裂隙含水層、奧陶系-灰巖巖溶含水層等。

表1 中、大型斷層分類表

5）涌水量，地下含水層水、老空水、奧灰水以及薄層灰巖水等為礦井主要涌水量，同時，因辛安煤礦斷層較多，誘發裂隙發育，且斷層導水能力較差，使得斷層成為涌水量的一個重要部分，近年來煤礦最大涌水量為2346m3/h，平均涌水量1980m3/h，詳細情況如圖2所示。

圖2 礦井近年涌水量變化圖

6）充水，因辛安煤礦獨特的地理位置及環境，其水文地質單元相對封閉，主要充水源有地表水、老空水、含水層水和奧灰水等。在辛安煤礦深層煤礦的開采過程中，主要需要防止奧灰水的突水，其充水通道主要有斷層、導水陷落柱、封閉不良鉆孔、裂隙、隱伏井筒等。

2 辛安煤礦突水系數的分析

2.1 突水影響因素

1）水壓，承壓含水層位于煤層底板的下部，其大小決定著底板是否會發生突水，故煤層離含水層越近，則受到的壓力越大，據地質勘探資料可知，奧陶灰巖含水層的水位在+120m-+155m左右，如圖3所示。

2）隔水底板巖層厚度，隔水底板通過重力作用和阻抗水壓能力來阻壓承壓水。底板若要發生突水，則必須突破隔水層或克服壓蓋阻力，故隔水層越厚，阻力越大，發生底板突水的可能性就越小。

3）采動與礦壓，隨著煤礦工作面的開采，會引起工作面塑性變形和礦山壓力的變化，使得原有斷層裂隙不斷擴展，形成增滲效應，進而引發承壓水的滲流或突噴。隨著煤礦開采深度的加深，工作面的礦壓不斷增大，對突水系數的影響就越大。

圖3 大青、奧陶系灰巖的位置

2.2 奧灰水對2#煤層的突水性分析

1）臨界突水系數TS，其定義為單位底板隔水層厚度上所承受的突水壓力，定量衡量了煤層底板突水的危險程度[2-3]，計算公式如下：

式中：P為突水壓力，MPa；M為隔水層的厚度，m；

查閱《煤礦防治水規定》可知，底板臨界突水系數TS一般小于0.06MPa/m，當實際突水系數T大于臨界突水系數TS時，礦井就容易發生突水事故，本文取突水系數最大值0.06MPa/m。

2）隔水層厚度，依據58#鉆孔的勘探資料，經過統計差值計算，得出奧灰含水層到2#煤底板隔水層厚度為79.7～165.64m，如表2所示。

表2 煤層底板隔水層厚度

3）實際突水系數，根據礦區58處不同鉆水孔的勘探資料，計算出58處鉆水孔的突水系數，使用GMS軟件生成如圖4所示的突水系數等值線圖[4-6]。由圖知，僅有3處紅線區域實際突水系數達到臨界突水系數0.06MPa/m，其余為安全區域，且礦井南邊突水系數整體偏大，高于北邊。

圖4 奧灰水突水系數等值線

3 辛安煤礦的三維地質建模分析

3.1 辛安煤礦的地層建模

為了更直觀的分析井田的地層特征，本文使用GMS軟件，依據實際礦區地質特點，將模型分為山西組P1s、煤層、太原組C3t、本溪組C2b、峰峰組O2f等5層，導入58處鉆水孔的實際勘探數據進行模擬定位，使用GMS軟件中的Create Arc tool命令繪制礦區邊界，然后生成TINs，再應用Borehole模塊中的Horizons->Solid命令，選用對應的插值法，生成三維地質模型，如圖5所示。

圖5 辛安煤礦GMS三維地質模型

3.2 三維地質模型的分析

1）東西方向剖面，為了了解東西向地層在垂直方向的分布情況，將模型沿著東西向緯度21500的位置做剖面，如圖6所示。由圖可知，在礦區東西向，各地層空間分布比較均勻，大體呈東低西高的趨勢。2#煤層主要在山西組P1s地層中，7#煤層主要在太原組C3t地層中，煤層平均均厚度約為90m。

圖6 東西向地質剖視圖

2）南北方向剖面，為了了解南北向地層在垂直方向的分布情況，將模型沿著東西向經度12500的位置做剖面，如圖7所示。由圖可知，在礦區南北方向上，各地層分布均勻，大體呈北低南高的趨，因此北邊埋深較大，但未發現地層缺失的現象。

3）組合剖面，為了了解礦區地層整體在垂直方向的分布情況，將不同緯度東西向、不同經度南北向的地質剖視圖進行模擬組合，得到了礦區立體組合剖視圖，如圖8所示。由圖可知，在東西方向埋層逐漸變深，在南北方向埋層逐漸變淺，礦區中部的地層起伏較大。

圖7 南北向地質剖視圖

圖8 組合地質剖視圖

4 結 論

本文通過對辛安煤礦水文地質的分析和研究，建立了GMS三維地質模型，針對奧灰水的底板突水問題，提出以下幾點防護措施：

1）辛安煤礦2#煤層受斷層的影響，奧灰水直接煤礦的安全開采，且地層皺褶破碎，地層內殘余地應力和礦山壓力都較大，應通過鉆孔對煤層底板注漿加固后再進行開采。

2）依據現有58處鉆孔勘探資料，應用定向鉆孔技術，對地層進行全面勘探，繪制突水系數等值線線圖，預防突水事故的發生。

3）針對臨界突水系數區域預設定向分支鉆孔，封堵和加固導水斷層和主要破碎帶。