鄒莊煤礦水文地質(zhì)特征研究和礦井涌水量預(yù)測(cè)

1、鄒莊煤礦水文地質(zhì)特征研究和礦井涌水量預(yù)測(cè)摘要：文章利用鄒莊礦井水文地質(zhì)資料，對(duì)礦井 水文地質(zhì)條件進(jìn)行了分析研究，采用解析法，預(yù)測(cè)主采煤層 (3、7、8煤)開(kāi)采過(guò)程中的礦井涌水量，同時(shí)采用水文地 質(zhì)比擬法，利用水文地質(zhì)條件與該礦相似的桃園煤礦的資 料，預(yù)測(cè)了該礦井開(kāi)采過(guò)程中的涌水量，最后分析了兩種計(jì) 算方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇比擬法作為開(kāi)采防水設(shè)計(jì)的參考。關(guān)鍵詞：鄒莊煤礦；水文地質(zhì)；礦井涌水量；預(yù)測(cè)解析 法；比擬法中圖分類(lèi)號(hào):p641文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào):1009-2374 (2013) 34-0104-03涌水量預(yù)測(cè)是對(duì)礦井充水條件的定量評(píng)價(jià)，也是對(duì)礦井 需要排出水量的估計(jì)。礦井涌水量的大小是反映

2、一定條件 下，礦井充水程度的定量指標(biāo)，是井田開(kāi)采設(shè)計(jì)中制定防治 水方案的依據(jù)。本文以鄒莊煤礦為例，分別采用解析法和比擬法兩種方 法對(duì)該煤礦礦井涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)兩種預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜 合分析，從而尋找較符合本礦井實(shí)際情況的礦井涌水量，為 今后防治水措施的制定提供依據(jù)。1井田概況鄒莊井田位于淮北市灘溪縣南坪鎮(zhèn)、雙堆集鎮(zhèn)，北距灘 溪縣50km,東北距宿州市25km。井田內(nèi)地勢(shì)平坦，地形簡(jiǎn)單，地貌類(lèi)型單一，主要為河 間平地。區(qū)域地層從老到新發(fā)育有太古界-元古界，古生界 寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界三疊系，新生界 第三、四系。2井田水文地質(zhì)條件2. 1井田水文地質(zhì)概況根據(jù)地層巖石的含水條件、含

3、水賦存空間分布，井田內(nèi) 可劃分為新生界松散層孔隙含水層（組）、二疊系主采煤層 砂巖裂隙含水層（段）、太原組及奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含 水層（段）三類(lèi)。新生界松散孔隙含水層可細(xì)分為新生界第一、二、三、 四共四個(gè)含水層組，除第四含水層組直接覆蓋在煤系之上 外。第一、二、三含水層（組）之間分別對(duì)應(yīng)有第一、二、 三隔水層（組）分布。它們主要由粘土、砂質(zhì)粘土及鈣質(zhì)粘 土組成，分布穩(wěn)定，隔水性能較好。尤其是第三隔水層（組）, 以灰綠色粘土為主，單層厚度大，隔水性能良好，是區(qū)域內(nèi) 重要的隔水層。二疊系砂巖裂隙含水層主要由泥巖、粉砂巖及砂巖組 成，根據(jù)地層巖性組合特征及可采煤層賦存位置，該含水層 可細(xì)分為：32

4、煤頂?shù)咨皫r裂隙含水層，7、8煤頂?shù)装迳皫r 裂隙含水層，10煤頂?shù)装迳皫r裂隙含水層三個(gè)含水層，對(duì)應(yīng) 各主采煤層砂巖裂隙含水層劃分為四個(gè)隔水層：12煤隔水 層段、46煤隔水層段、8煤下鋁質(zhì)泥巖隔水層段和10煤 下海相泥巖隔水層段，它們隔水性能良好。井田范圍內(nèi)，新生界第一含水層（潛水）以大氣降水補(bǔ) 給為主，水平徑流補(bǔ)給次之，排泄方式為垂直蒸發(fā)、人工開(kāi) 采和河流排泄。第二、三含水層以層間徑流為主，局部地方 為越流補(bǔ)給。第四含水層及二疊系砂巖裂隙含水層、太原組 及奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層均以層間徑流補(bǔ)給為主。根 據(jù)井田所在水文地質(zhì)單元來(lái)看，井田潛水及深層地下水流向 為西北-東南方向。2.2斷層富水性井

5、田內(nèi)共查明斷層30條，其中正斷層16條，逆斷層14 條。斷層破碎帶巖性以煤系泥巖及粉砂巖塊為主，夾少量砂 巖碎屑，所有鉆孔穿過(guò)斷層帶時(shí)，均未發(fā)生漏水現(xiàn)象。從區(qū) 域和鄰近生產(chǎn)礦井來(lái)看，斷層一般是富水性弱，導(dǎo)水性差。3充水因素分析3. 1大氣降水大氣降水為新生界松散孔隙含水層主要補(bǔ)給源。而鄒莊 井田范圍內(nèi)煤系地層含水層被巨厚新生界地層所覆蓋，大氣 降水難以下滲至煤系含水層。另外，井田新生界松散含水層 系統(tǒng)中下部廣泛分布著一厚度大、隔水性能良好的第三隔水 層，在該隔水層作用下，大氣降水對(duì)煤系含水層無(wú)直接水力 聯(lián)系。3.2新生界松散孔隙水新生界松散含水層系統(tǒng)下部第四含水層覆蓋于煤系地 層上部，特別是淺

6、部地區(qū)，第四含水層通過(guò)基巖風(fēng)化裂隙帶 將對(duì)煤系含水層產(chǎn)生一定補(bǔ)給量，另一方面，受煤礦開(kāi)采影 響，采空區(qū)塌陷裂隙帶可能進(jìn)入第四含水層中，從而加強(qiáng)第 四含水層與煤系含水層之間的水力聯(lián)系。因此，新生界松散 含水層第四含水層與煤系含水層之間存在一定水力聯(lián)系，該 含水層為井田間接充水含水層。3.3煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水32煤層為鄒莊井田主采煤層，在煤層開(kāi)采過(guò)程中，受 “上三帶”與“下三帶”作用32煤頂?shù)装迳皫r裂隙含水層 將被導(dǎo)通，其中地下水將全部進(jìn)入礦坑中，成為礦井直接充 水水源。同理，開(kāi)采7、8煤過(guò)程中，7、8煤頂?shù)装迳皫r裂隙含 水層中地下水將進(jìn)入礦坑中，成為7、8煤層直接充水水源。3.4石灰?guī)r巖溶裂隙

7、水太原組和奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙水在正常情況下，對(duì)開(kāi) 采10煤層無(wú)直接充水影響，但當(dāng)遇到斷層或陷落柱時(shí)，使 煤層與灰?guī)r“對(duì)口”接觸或間距縮短時(shí)，可能對(duì)礦坑產(chǎn)生直 接充水或使巷道產(chǎn)生"底鼓”，成為井田間接充水含水層。3. 5斷裂構(gòu)造對(duì)礦產(chǎn)充水影響井田內(nèi)多數(shù)斷層在天然狀態(tài)下富水性弱、導(dǎo)水性差，當(dāng) 井巷工程施工穿過(guò)斷層時(shí)，斷層裂隙帶地下水將進(jìn)入礦井， 水量不大。但由于破壞了天然平衡狀態(tài)，使斷層的導(dǎo)水性增 大，若使主采煤層與富水層“對(duì)口”或“溝通”時(shí)，則有可 能產(chǎn)生突水。4礦井涌水量計(jì)算解析法是目前廣為采用的礦井涌水量預(yù)測(cè)方法之一，其 中以大井法應(yīng)用最為廣泛，該法是把礦區(qū)水平坑道系統(tǒng)所占 的面

8、積等價(jià)于一個(gè)理想的“大井”面積，整個(gè)坑道系統(tǒng)的涌 水量就相當(dāng)于“大井”的涌水量。比擬法是根據(jù)已知水文地質(zhì)參數(shù)的礦井涌水量，通過(guò)相 似比擬關(guān)系，近似地推算相似水文地質(zhì)參數(shù)礦井的涌水量， 是礦井涌水量預(yù)測(cè)的一種近似方法。4. 1解析法4. 1. 1公式選擇：根據(jù)充水因素分析，井巷開(kāi)拓時(shí)，主 采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水將直接進(jìn)入礦坑，煤層頂?shù)装迳皫r 裂隙水是礦井的直接充水水源，當(dāng)水位降至一水平-700m時(shí), 煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水不具有承壓性，此時(shí)地下水處于承壓 轉(zhuǎn)無(wú)壓水流狀態(tài)，故采用以下公式進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測(cè)：（2）（3）（4）式中：q礦井涌水量（m3/h）s水位降深值k滲透系數(shù)（m/d）m含水層厚度（

9、m）ho一含水層底板以上動(dòng)水位高度，煤系砂巖水降至各煤 層底板時(shí)，h0=0 （m）r影響半徑（m）ro-"大井”引用半徑（m）r0 “大井”引用影響半徑（m）f主采煤層面積（m2）4.1.2參數(shù)選取。根據(jù)安徽省灘溪縣鄒莊井田煤炭勘 探報(bào)告，主采煤層滲透系數(shù)取k=0. 0611m/do4.1.3降深。水位降低值采用32煤和7、8煤頂、底板 砂巖裂隙含水層靜止水位標(biāo)高與一水平開(kāi)采標(biāo)高（-700m） 之差。根據(jù)勘探報(bào)告，32煤和7、8煤頂、底板砂巖裂隙含 水層平均水位為15.27m。鄒莊井田水位降深值為：s=715. 27m。4.1.4含水層厚度。根據(jù)勘探報(bào)告，主采煤層含水層厚度為 31.

10、86mo4. 1.5其他參數(shù)：(1) 開(kāi)采面積：本井田主采煤層82煤露頭至32煤層-700第一水平面積為10. 4km2o(2) 大井半徑(r0)及影響半徑(r)o根據(jù)式(2)和式(3),得本項(xiàng)目大井半徑r0= 1820m, 影響半徑r= 1768m,引用影響半徑r0二3588m。4.1.6礦井涌水量估算。根據(jù)公式(1)計(jì)算得，本項(xiàng) 目正常礦井涌水量為526m3/ho4.2比擬法4. 2. 1比擬條件：應(yīng)用比擬法的前提條件是待測(cè)礦井與被比擬礦井的水文地質(zhì)條件相似，且水文地質(zhì)參數(shù)中存在著 可用相同數(shù)學(xué)表達(dá)式描述的物理量。鄒莊井田與桃園煤礦相鄰?fù)瑢偎蘅h礦區(qū)，兩礦地質(zhì)構(gòu)造、煤層、礦床水文地質(zhì)條件基本

11、相似。因此,可利用桃煤礦相關(guān)資料預(yù)測(cè)本井田礦井涌水量。4. 2.2公式選擇：根據(jù)周邊礦井生產(chǎn)實(shí)踐，本區(qū)礦井涌水量與開(kāi)采區(qū)面積及水位降深關(guān)系密切，因此可利用桃園煤 礦開(kāi)采面積、水位降深資料，采用以下公式進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè):式中：q0生產(chǎn)礦井實(shí)測(cè)礦井涌水量(m3/h)so生產(chǎn)礦井水位降低值4. 2.3桃園煤礦礦井涌水量：本文擬用桃園煤礦井19992005年礦井實(shí)際涌水量進(jìn)行本井田涌水量預(yù)算計(jì)算。桃園煤礦的實(shí)測(cè)礦井涌水量情況見(jiàn)表lo根據(jù)表1,桃煤礦1999. 1-2005. 7年正常涌水量為320. 5m3/h,最大涌水量為503m3/ho4.2.4參數(shù)選?。禾覉@煤礦井巷圍圈面積為 f0=6. 34km

12、2o 一水平開(kāi)采水位降深為s0二540m。鄒莊井田水位降深為715.27m,開(kāi)采面積為10. 4km2o4. 2. 5比擬法計(jì)算結(jié)果：根據(jù)比擬法公式，計(jì)算本礦井正常涌水量為472m3/h,最大涌水量為741m3/ho5結(jié)果分析根據(jù)煤炭勘探報(bào)告及水文地質(zhì)補(bǔ)充勘查報(bào)告，鄒莊井田 屬ii類(lèi)二型礦床。井田范圍二疊系裂隙含水層裂隙不發(fā)育、 富水性弱，補(bǔ)給條件差，處于封閉或半封閉的水文地質(zhì)環(huán)境, 地下水徑流緩慢。根據(jù)淮北礦區(qū)開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，該含水層一 般情況下對(duì)礦井安全生產(chǎn)不構(gòu)成威脅。解析法是基于穩(wěn)定流理推導(dǎo)的地下水動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式， 它要求含水層分布無(wú)限，且含水層地下水有比較充分的補(bǔ)給 條件，最終可以達(dá)到補(bǔ)

13、排平衡狀態(tài)。而煤礦開(kāi)采過(guò)程中礦井 涌水量補(bǔ)給源為煤系含水層，該含水層補(bǔ)給能力有限，隨著 開(kāi)采持續(xù)開(kāi)采引起降落漏斗范圍將不斷擴(kuò)大，解析法與實(shí)際 情況存在一定偏差，因此解析法計(jì)算礦井涌水量與礦井實(shí)際 礦井涌水量存在差值。本文鄒莊礦井滲透系數(shù)及含水層厚度均根據(jù)水文地質(zhì) 鉆孔資料獲得的是準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，實(shí)際上受地層非均質(zhì)各向異 性影響，含水層滲透系數(shù)及含水層厚度并非固定不變的，特 別是滲透系數(shù)隨鉆孔位置不同其數(shù)值也各不相同，而解析法 計(jì)算中沒(méi)有考慮這種情況，由此導(dǎo)致解析法計(jì)算礦井涌水量 與實(shí)際礦井涌水量存在一定偏差。桃園煤礦與鄒莊井田距離較近，且二者處于同一個(gè)大的 水文地質(zhì)單元內(nèi)，二者礦井涌水量具有一定的

14、相似性，采用 比擬法計(jì)算所得鄒莊礦井涌水量更符合鄒莊井田實(shí)際水文 地質(zhì)條件。此外，與解析法相比，采用比擬法計(jì)算可避免水 文地質(zhì)參數(shù)取值帶來(lái)的偏差，進(jìn)而減少了計(jì)算誤差。結(jié)合周邊其他礦井生產(chǎn)實(shí)際，一般而言，解析法（大井 法）計(jì)算影響半徑偏小，計(jì)算的礦井涌水量普遍偏大，而比 擬法計(jì)算礦井涌水量與礦井實(shí)際涌水量相差較小，因此本文 推薦采用比擬法計(jì)算的礦井涌水量作為鄒莊礦井排水能力 設(shè)計(jì)依據(jù)。6結(jié)語(yǔ)解析法（大井法）預(yù)算礦井正常涌水量為526m3/h；比 擬法預(yù)算礦井正常涌水量為472m3/h,最大涌水量為741m3/ho礦井涌水量計(jì)算公式和參數(shù)選擇合理，兩種 方法預(yù)算正常涌水量結(jié)果近似，符合本井田水文地質(zhì)條件和 實(shí)際水文地質(zhì)資料反映的規(guī)律，但是由于比擬法計(jì)算結(jié)果更 接近礦井實(shí)際情況，建議采用比擬法計(jì)算結(jié)果作為本礦井排 水設(shè)計(jì)依據(jù)。參考文獻(xiàn)1 王秀蘭，等礦山水文地質(zhì)學(xué)m.北京：煤炭工業(yè) 出版社，2007： 128-153.2 劉娟，楊國(guó)勇，等新驛煤