巴愣矿井水文地质特征及矿井涌水量预测

郭武松，杨 帆

（1．安徽煤田地质局第三勘探队，安徽 宿州 234000；2．中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116）

·技术经验·

巴愣矿井水文地质特征及矿井涌水量预测

郭武松1，杨 帆2

（1．安徽煤田地质局第三勘探队，安徽 宿州 234000；2．中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116）

以巴愣矿井为例，分析了矿井水文地质特征，矿区内共有5个含水层和3个隔水层，水文地质边界有两类：一是断层（北、东、南），二是西边界煤层露头；白垩系下统志丹群含水层，侏罗系中统直罗组含水层，侏罗系中统延安组含水层为直接充水水源；矿井充水通道，主要为煤层采空导致顶板岩层冒落形成的导水裂隙带。采用大井法计算了矿井涌水量，延安组砂岩含水层涌水量438 m3/h，志丹群含水层涌水量142 m3/h，合计580 m3/h。其中，延安组含水层涌水量438 m3/h，可作为矿井正常涌水量，两个含水层的合计涌水量580 m3/h，可作为矿井最大涌水量。

水文地质条件；充水因素；充水通道；矿井涌水量

在煤矿开采过程中，必然破坏矿体围岩或顶底板含水岩层，揭露一些地下导水通道，从而使地下水及与之联系的其他补给水源（如地表水、大气降水）流入井巷，这种现象称为矿井涌水［1］，单位时间涌入矿井的水量，称为矿井涌水量［2］；精确掌握矿井水文地质资料和准确预测矿井涌水量对于防止矿井突水、淹井等矿山恶性事故、保障矿山安全生产具有重要意义［3］。

1 矿井水文地质特征

1．1 含水层（组）的水文地质特征

1．1．1 第四系及新近系松散层孔隙潜水含水层组

第四系及新近系松散地层全区均有分布，地层厚度186．25～295．32 m，平均厚度238．42 m。层组上部以风积沙及沙土层为主，中、下部以紫红色、灰绿色砂质黏土为主，含砂砾石或底部有半胶结的砂岩。总体来看松散层含水层组，富水性弱～中等。

1．1．2 风化岩裂隙含水层组

全区均有分布，白垩系下统志丹群基岩上部，遭受风化，多见灰黄、浅灰、灰白色泥岩，粉砂岩及砂岩，风化带发育厚度35～80 m，一般50 m左右，一般基岩面愈高处，风化带厚度愈大，风化带岩石疏松，破碎、裂隙较发育，含水率增高，是地下水的导水、储水空间。有的风化岩段漏水较大，已有资料显示属弱～中等。

1．1．3 白垩系下统志丹群含水层组

全区均有分布，岩性以各粒级砂岩，粉砂岩、砂质泥岩互层为主，中、下部为灰白色、紫杂色厚层砾岩。地层厚度208．75～542．15 m，平均厚度310．55 m。志丹群砂岩、砾岩为本区主要含水层，属孔隙裂隙承压含水层组。10-1孔在459．86～590．74 m巨砾岩段漏水，水量12 m3/h。

详查阶段对该含水层组进行了3个降深抽水试验，含水层厚度77．36 m，最大降深19．04 m时，涌水量Q=0．794 L/s，单位涌水量q=0．041 7 L/s·m，渗透系数K=0．048 941 m/d，影响半径R=42．11 m，属弱富水性；8-2孔抽水资料，该含水层静止水位25．48 m，水位标高1 310．30 m，最大降深31．23 m时，单位涌水量0．025 5 L/s·m，渗透系数为

0．035 47 m/d，影响半径R=58．82 m，富水性弱；另据补充勘探201、601孔风化带下至8煤上（主要为白垩系下统志丹群）抽水试验，q=0．042 07～0．129 9 L/s·m，渗透系数K=0．028 73～0．054 101 m/d，富水性弱～中等。总体看白垩系下统志丹群含水层组，富水性弱～中等。

1．1．4 侏罗系中统直罗组孔隙裂隙承压含水层组

分布于矿井东部，岩性由各粒级砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩组成，中上部以粉砂岩、砂质泥岩夹砂岩互层为主，岩性较细，下部则以砂岩为主。钻孔揭露地层厚度0～307．64 m，平均厚度101．00 m，为本区主要含水层之一，结构较疏松，斜层理较发育，局部裂隙发育，属孔隙裂隙承压含水层组。据区域资料，富水性弱～中等。

1．1．5 侏罗系中统延安组砂岩含水层组

延安组地层区内广泛分布。延安组地层最薄129．07 m（501孔），最厚375．49 m（9-4孔），一般厚度235 m。岩性由各粒级砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩夹煤层组成，主要煤层顶板一般都有砂岩含水层，属层间孔隙裂隙承压含水层。岩性为含砾粗砂岩、粗～细粒砂岩，为煤层顶板直接充水含水层。

勘探阶段进行抽水试验，含水层厚度21．64 m，水位埋深45．16 m，承压水柱高度542．12 m，最大降深50．25 m时，单位涌水量0．002 27 L/s·m，富水性弱，渗透系数0．009 55 m/d，属微咸水。补充勘探抽水试验q值多大于0．1 L/s·m，各含水层富水性均以中等为主。而补勘以前抽水资料q值多小于0．1 L/s·m，各含水层富水性均以弱为主。这说明各含水层发育均具有不均一性，总体看各含水层富水性弱～中等。

1．2 隔水层层（组）水文地质特征

1．2．1 第四系及新近系隔水层组

全区分布，第四系中部有亚黏土（黄土）层，新近系中上部有黏土（红土）层，下部分布有钙质结核层，它们岩性细，透水性差，厚度大，分布稳定，为区内主要相对隔水层组。

1．2．2 直罗组上部泥岩隔水岩组

隔水层岩性以泥岩、砂质泥岩为主，岩性致密。它们透水性差，是一套较好的相对隔水层组。因处于煤层导水裂隙带之上，故对阻隔松散层潜水及白垩系承压水意义较大。但在矿井西部缺失该段地层，对西部煤层的开采没有意义。

1．2．3 侏罗系中统延安组泥岩隔水层组

延安组煤系地层中，泥岩、砂质泥岩、粉砂岩较发育，但一般厚度不大，连续稳定性差，属局部相对隔水层。本区属多煤层开采区，矿山开采中易被冒落带及导水裂隙带互相勾通，故作为隔水层已无多大实际意义。

2 矿井充水因素分析

依据矿井水文地质条件及煤层覆岩结构类型，矿井充水方式分为直接充水和间接充水两种。它们分别受大气降水和地下水等因素的制约，又具有一定的水力联系，对未来矿井开采有不同程度的影响。煤矿床上覆基岩厚度，采煤冒落带、导水裂隙带发育高度，开采方式则是矿床充水的途径条件。

2．1 水文地质边界条件

水文地质边界有两类：一是断层（北、东、南），二是西边界煤层露头。矿井北部边界有吉尔根陶乐盖断层，矿井南部边界有沙尔陶勒断层，东部边界有苏尔图断层。据区域资料，断层的富水性弱，导水性差，具有一定的隔水能力。在留有断层煤柱情况下，边界断层可视为隔水边界。西边界煤层露头，在留有防水煤柱情况下，也可视为隔水边界。可以初步认为本矿井的边界是比较理想的阻水边界，矿井应为一相对独立的水文地质单元。

2．2 充水水源

本区无地表水体，充水水源主要是大气降水和地下水两种。

2．2．1 大气降水

区内年降水量甚小，一般不足260 mm，且降水多集中在7—9月。本井田属全隐伏型，最上煤层上覆岩体厚度达400 m以上，降水必须通过透水岩体才能转化为矿井水，所以为间接充水水源，对矿井影响将明显滞后。

2．2．2 地下水

地下水含水层包括：白垩系下统志丹群含水层，侏罗系中统直罗组含水层，侏罗系中统延安组含水层。其中，白垩系下统志丹群为主要含水层，富水性弱～中等，在矿井西部是矿床直接充水的一个较强的充水水源。在矿井东部为间接充水水源；侏罗系中统

直罗组含水层，砂岩承压含水层富水性弱～中等，以弱为主，主要分布于10-1、9-4、802、602、204、103、303、502、11-2孔连线以东，为直接充水水源；侏罗系中统延安组含水层，一般都分布在各开采煤层上部，为矿床主要的直接充水水源，含水层富水性弱～中等。

2．3 充水通道分析

矿井充水的通道主要有：冒落带、导水裂隙带、断层及构造裂隙、封闭不良的钻孔等。它们将沟通不同基岩含水层的地下水，使其进入矿坑，成为矿坑的充水水源。勘探成果表明，区内主要可采煤层有：8、13、15、17四层。矿井充水通道，主要为煤层采空导致顶板岩层冒落形成的导水裂隙带。通过计算，本区8号煤层导水裂隙带高度38．48～60．73 m，一般＞51 m。先期地段部分区导水裂隙带发育高度贯通到白垩系下统志丹群下部或紧邻底部，有的仅涉及到延安组顶部，先期地段外围区最上可采煤层导水裂隙带有的连通到直罗组含水层，有的波及到志丹群含水层组。本矿井构造简单，断层较少，因没有进行过三维地震勘探工作，也没有实际揭露资料，没有发现落差大于30 m的断层，但并不排除存在较大断层的可能性，所以在今后的勘探、开采过程中应加强断层的导水性和富水性的研究。

2．4 充水强度分析

可采煤层主要的直接充水含水层为白垩系下统志丹群砾岩含水层组，侏罗系中统直罗组下部砂岩含水层组、延安组煤层间砂岩含水层组。矿井充水强度浅部煤层大于深部煤层，志丹群砾岩含水层组和延安组煤层间砂岩含水层组大于直罗组砂岩含水层组，多煤层复合冒裂区充水强度较大。随着采空区面积扩大，矿井充水强度相应也增大，当遇较大导水构造裂隙时可能突发高强度充水，特别是顶部煤层，冒落带可能直接导通志丹群含水层，矿井开采应引起高度重视。

3 矿井涌水量估算

3．1 计算公式

涌水量估算范围主要是先期地段一水平（+600 m）范围。估算选用“大井”法。估算公式采用地下水动力学公式，具体公式如下：

1）承压转无压完整井裘布依公式：

式中：

Q—估算矿井涌水量，m3/h；

H—承压含水层隔水层底板至承压水位的距离，m，在数值上H=S，S为水位降低值；

K—渗透参数，m/d；

M—含水层厚度，m；

h0—剩余水柱高度，m，取0；

r0—“大井”引用半径，m；

R0—“大井”引用影响半径，m。

2）吉哈尔经验公式：

式中：

R—影响半径，m；

S—水位降低值。m。

3）“大井”影响半径估算公式：

式中：

F—影响范围面积，m2。

4）“大井”引用影响半径估算公式：

3．2 涌水量估算

3．2．1 延安组砂岩含水层涌水量估算

据生产实际资料，矿井涌水量多数稳定在一水平开拓面积1/3～1/5范围内，其后采区接替或开拓范围的增大，而相应的涌水量无明显的增加，故矿井涌水量的估算面积采用各主采煤层一水平资源量估算面积的1/3。F值采用8煤层先期开采地段一水平储量估算面积的约1/3，取F=4 564 000 m2。

延安组砂岩含水层全区分布，厚度基本稳定，较均质，视含水层为均质各向同性无限边界承压含水层。水头高度H值采用一水平最底标高+600 m，与1-2孔白垩底至8号煤、203孔延安组、203孔8号煤底至17煤底、304孔延安组和304孔直罗组至8号煤底5次抽水试验静止水位标高的平均值1 276．72 m的差值，即H=1 276．72-600=676．72 m。

8号主采煤上部该含水层厚度由水文地质剖面上量取，平均为21 m，先期地段导水裂隙带全部贯通，为完整型充水层。含水层厚度M=21 m。

渗透系数采用1-2孔白垩底至8号煤、203孔延安组、203孔8号煤底至17煤底、304孔延安组和304孔直罗组至8号煤底5次抽水试验取得渗透系数的平均值，即：

采用上述参数及公式（1）、（2）、（3）、（4）估算延安组砂岩含水层涌水量为438 m3/h。

3．2．2 志丹群含水层涌水量估算

先期开采地段可能导通的志丹群含水层大都分布在8煤层和5煤层露头之间，F值采用一水平8煤层和5煤层露头之间8煤层储量估算面积的约1/3，取F=2 358 000 m2。

先期地段志丹群地层厚度大，全区分布，含水层段岩性均质各向同性，属无限边界承压含水层。水头高度H值采用8煤层和5煤层露头之间志丹群底最底标高约+750 m，与3-2孔白垩、8-2孔白垩、201风下至8煤和601风下至8煤4次抽水试验静止水位标高的平均值1 292．92 m的差值，即H= 1 292．92-750=542．92 m。

先期地段导水裂隙带可能沟通含水层下部，含水层厚度M=20 m。

渗透系数采用3-2孔白垩、8-2孔白垩、201风下至8煤和601风下至8煤4次抽水试验取得渗透系数的平均值，即：

采用上述参数及公式（1）、（2）、（3）、（4）估算志丹群含水层涌水量为142 m3/h，估算结果见表1。

表1 矿井涌水量估算结果表

3．3 估算结果评述

通过以上估算，延安组砂岩含水层涌水量438 m3/h，志丹群含水层涌水量142 m3/h，合计580 m3/h。根据本区的水文地质条件和矿井充水途径，选择的计算方法合理，公式采用正确。因为钻孔取得的参数为单孔小口径试验结果，一般数值偏小，所以得出的结果有所偏小，综合条件而言其结果是基本可靠的。本次报告参照GB15218《地下水资源分类分级标准》大井法计算的结果，精度相当于D级，误差大体在70%以内。延安组含水层涌水量438m3/h可作为矿井正常涌水量，两个含水层的合计涌水量580 m3/h可作为矿井最大涌水量。

4 结 论

1）地下水含水层可根据其赋存介质特征（地层时代、岩性、富水性等），划分为第四系及新近系松散层孔隙潜水含水层组、风化岩裂隙含水层组、白垩系下统志丹群含水层组、侏罗系中统直罗组孔隙裂隙承压含水层组和侏罗系中统延安组砂岩含水层组，相应划分为第四系及新近系隔水层组、直罗组上部泥岩隔水岩组和侏罗系中统延安组泥岩隔水层组。

2）白垩系下统志丹群含水层，侏罗系中统直罗组含水层，侏罗系中统延安组含水层为直接充水水源；矿井充水通道，主要为煤层采空导致顶板岩层冒落形成的导水裂隙带。

3）采用大井法计算了矿井涌水量，延安组砂岩含水层涌水量438 m3/h，志丹群含水层涌水量142 m3/h，合计580 m3/h。其中，延安组含水层涌水量438 m3/h可作为矿井正常涌水量，两个含水层的合计涌水量580 m3/h，可作为矿井最大涌水量。

［1］能源部安全环保司．矿井水防治［M］．太原：山西科学技术出版社，1993：4-10．

［2］史丽萍．矿井涌水量监测与预报［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2003：1-6．

［3］陈江峰，许亚坤．芦沟煤矿水文地质特征及矿井涌水量计算［J］．煤矿安全，2009：39-42．Hydrogeological Characteristic and Forecast of Water Inflow in Baleng Coal Mine

Guo Wu-song，Yang Fan

Takes Baleng coal mine as an example，through the analysis of the hydrogeological characteristics of the mine，a total of 5 aquifers and 3 aquifuge in the mining area，hydrogeologic boundary has two kinds，the first is the fault（north，east，south），the second is west boundary coal seam outcrop．Lower cretaceous Zhidan group aquifer，mid jurassic Zhiluo formation aquifer and mid jurassic Yanan formation aquifers are direct filling water source．Mine water filling channel mainly is the water flowing fractured zone of forming which coal goaf caused roof rock stratum falling．The water yield of the mine is calculated by the big well method，the water inflow of Yanan group sandstone aquifer is 438 m3/h，the water inflow of Zhidan group aquifer is 142 m3/h，total 580 m3/h．Among them，the water inflow 438m3/h of Yanan group aquifer can be used as a normal water inflow in the mine，the total water inflow 580 m3/h of two aquifers can be used as maximum gushing water in the mine．

Hydrogeology；Water filling factor；Water channels；Mine water inflow

TD742+．1

B

1672-0652（2013）07-0017-04

2013-04-06

郭武松（1988—），男，安徽宿州人，2010年毕业于安徽理工大学，助理工程师，主要从事煤田地质勘探工作（E-mail）yangfqd＠163．com