山东省金阳煤矿矿井水文地质特征分析及涌水量预测

赵蕻，谢兴友

(1.山东省煤田地质局第一勘探队,山东 滕州　277500；2.山东泰山地质勘查公司,山东 泰安　271000)



山东省金阳煤矿矿井水文地质特征分析及涌水量预测

赵蕻1，2，谢兴友1，2

(1.山东省煤田地质局第一勘探队,山东 滕州277500；2.山东泰山地质勘查公司,山东 泰安271000)

该文分析了金阳煤矿矿井水文地质特征及充水因素，认为该矿井开采2，3煤层的直接充水水源为山西组3煤层顶板砂岩孔隙裂隙含水层。通过分析研究井下多年水文观测数据和水文地质钻孔分层抽水试验获取的基础数据，采用“比拟法”对矿井涌水量进行了预算，确定出矿井的正常涌水量和最大涌水量，为矿井今后生产提供了科学依据，也为同类研究提供了实例。

水文地质条件；矿井涌水量预算；比拟法；金阳煤矿；山东宁阳

引文格式：赵蕻，谢兴友.山东省金阳煤矿矿井水文地质特征分析及涌水量预测[J].山东国土资源，2015,31(8)：37-41.ZHAO Hong, XIE Xingyou. Hydrogeological Characteristics Analysis and Water Inflow Prediction of Jinyang Coal Mine in Shandong Province[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(8):37-41.

金阳煤矿位于宁汶煤田最东端的中深部地段，距宁阳县城东北约6km，行政区划隶属宁阳县葛石镇。其范围北起F9号断层，南到F2-1号断层，西以第9条勘探线与保安煤矿、亨达煤业、石桥煤矿为界，东至F16号断层。东西走向长约3km、南北宽约2km，面积约6.1196km2。总体形态为一走向近EW的单斜构造，地层走向主要为近EW向，局部有偏转，向S倾斜，倾角一般在3°～25°。为全隐蔽的华北型石炭、二叠系煤田，主要含煤地层为月门沟群的山西组和太原组，平均总厚度约为216.62m，共含煤20层，煤层平均总厚度13.33m，煤系和煤层沉积稳定。目前矿井主采3煤层，层厚0.79～12.65m，平均5.17m①。

1　矿井水文地质特征

宁阳煤田为一海拔+60～+90m的准平原，地表略有起伏，总的趋势是东北高、西南低。地表水系简单，除西部光河外，其他都是季节性小河，皆发源于东北部山区。雨季，这些河流对第四系潜水有补给作用。煤田东北、北、西北地带广泛出露太古宙片麻岩，寒武纪地层多呈零星孤山出露，奥陶纪地层仅在煤田东南部少有出露。奥灰在第四纪直接覆盖下的部分和接近煤系地层露头的部分，基本位于保安、伏山井田以北600～700m左右处，奥灰水接受第四纪砂层孔隙水的补给。

1.1含水层

区域内对金阳煤矿生产有影响的主要含水层有：第四纪砂层孔隙潜水，二叠纪山西组3煤层顶板底板砂岩孔隙裂隙含水层，石炭纪太原组三、十下灰含水层及奥灰含水层等。

1.1.1第四纪松散层孔隙潜水含水层

大部分被第四系表土覆盖，厚度为0.50～35.05m，含砂1～4层，主要接受大气降水补给。据民井简易抽水试验资料，单位涌水量1.06～8.08L/s·m，水位埋深1.00～5.00m。含水层富水性较强，但对煤层开采无影响。

1.1.2新近纪砾石层含水层

岩性以砾石、砾岩为主，含少量砂质粘土等，厚度120.25～454.65m，砾岩成分由石灰岩、石英砂岩、岩浆岩组成，基底式胶结。根据野外钻孔和巷道揭露情况，此含水层补给条件不良，含水微弱，对煤层开采无影响。

1.1.3侏罗纪砂、砾岩层含水层

属陆相沉积，主要由巨厚层状紫红色砂岩、含砾砂岩、砾岩组成，钻孔揭露残厚为45.24～538.90m。砾石多以石灰岩为主，铁质、泥质、钙质胶结。上部遇水易垮塌和破碎，钻进中漏水严重，底部相对坚硬完整。含水层本身不含水，补给条件不良，富水性较弱。上部裂隙带中存储有极少量裂隙水。

1.1.4山西组3煤层顶底板砂岩孔隙裂隙含水层

根据已施工的48个钻孔资料统计，3煤层顶板以粉砂岩为主，其次为细砂岩和中砂岩、粉细砂岩互层、泥岩、砂质泥岩。底板则以细砂岩、粉砂岩和粉细砂岩互层为主，其次为中砂岩和泥岩等。2013年，ZK1-1钻孔对该含水层单孔抽水试验一次[1]，含水层静止水位深度67.55m，静止水位标高+17.36m，单位涌水量为q=0.0003L/s·m，富水性弱。

该矿自1995年开采至今，最大涌水量不大于30m3/h，在巷道掘进中只出现少量的淋水、滴水，随掘进的推进，淋水、滴水越来越小或自行消失，因此，3煤顶底板砂岩含水层为补给条件不良、富水性较弱的孔隙裂隙含水层。

1.1.5太原组三灰岩溶裂隙含水层

岩层厚度为1.95～4.55m，浅灰或灰白色，致密、坚硬。浅部溶穴裂隙发育，富水性相对较好。深部裂隙被方解石充填或半充填，富水性差，属岩溶裂隙型承压含水层。

矿区内没有抽水试验资料，根据邻区资料，单位涌水量为0.001～0.551L/s·m，富水性弱至中等。从目前井下揭露三灰的情况看，裂隙被方解石充填或半充填，无溶洞，干燥无水，补给条件不良，富水性较差。

1.1.6太原组十下灰岩溶裂隙含水层

岩层平均4.34m左右，为16煤层的直接顶板，灰--深灰色，质纯、致密、坚硬，厚度稳定。浅部和构造带附近裂隙较发育，富水性较好，深部裂隙多被方解石充填，矿井内没有抽水试验资料，根据邻区资料，单位涌水量为0.037～1.061L/s·m，富水性中等。根据矿区内钻孔揭露资料，该含水层富水性不均匀，由东向西富水性逐渐增强。目前下组煤16，17煤层还未开采，没有揭露十下灰，掌握的水文资料较少，但在大断层附近，奥灰水有通过断层带对十下灰补给的可能性(图1)。对下组煤开采有较大影响。

图1　补1勘探线奥灰与煤层对接示意图

1.1.7奥陶纪石灰岩含水层

矿区内奥灰最大揭露厚度为54.50m，灰白--浅灰--青灰色，质纯、致密、坚硬，浅部岩溶裂隙较发育，属溶洞裂隙型承压含水层。对ZK1-1钻孔进行奥灰单孔抽水试验一次[1]，奥灰顶面深度820.51m，由于埋深较大，岩溶裂隙不发育，抽水时单位涌水量0.020L/s·m，静止水位深度32.91m，静止水位标高+52.00m，水位恢复较慢，含水层富水性较差。

但该矿西北方向相邻菏泽茅庄煤矿，1978年在-100～-110m水平巷道通过断层与奥灰导通发生3次突水，最大涌水量400m3/h，以后矿井涌水量呈逐年递减趋势，基本稳定在80m3/h左右。该次补充勘探施工7个钻孔，有3个孔正常情况下揭露17煤和奥灰，17煤层下距奥灰顶板12.01～49.50m。该矿正断层较发育，由于断层的错动，造成十下灰、16煤和17煤与奥灰的间距减小或直接对口接触(图1)，而浅部奥灰含水层富水性较强，因此，下组煤开采时有较大的突水可能，应注意防范。

1.2隔水层

矿井内隔水层主要有二叠纪石盒子群杂色泥岩、粉砂岩隔水层和17煤与奥灰顶界面之间岩层组成的隔水层组。

1.2.1二叠纪石盒子群泥岩、粉砂岩隔水层

岩性主要以杂色泥岩、灰--灰绿色粉砂岩为主，局部含薄层粘土质泥岩和细砂岩及中砂岩，岩层厚度占地层总厚度的53.82%。由于这些厚度较大的岩层形成较强隔水能力，使得大气降水、第四纪砂层及上部基岩含水层水与石盒子群含水层水力联系较弱，因此，多年井下开采矿井涌水量较小。

1.2.2山西组泥岩、粉砂岩隔水层

岩性主要以泥岩、粉砂岩为主，局部含薄层粘土质泥岩。隔水的泥岩和粉砂岩及煤层占山西组地层总厚度的86.5%，隔水作用较强，使得山西组砂岩含水层与其他基岩含水层基本无水力联系，加上补给条件不良，因此，多年井下开采矿井涌水量一直较小。

1.2.317煤层下伏隔水层组

由17煤层与奥灰顶界面之间的泥岩、粉砂岩、铝土岩组成。17煤至奥灰间距为12.01～49.50m，由于17煤层与奥灰含水层之间存在富水能力较强的十三灰，使得隔水层实际隔水厚度减小，隔水层隔水能力也大大减弱。另外，矿井内断层发育，断层错动会造成奥灰含水层与十下灰含水层间距变小或对接，开采下组煤时，局部薄弱地带不足以抵抗奥灰产生底鼓水的静水压力，可能产生底鼓水突水。

2　矿井充水因素分析

2.1充水水源

2.1.1直接充水水源

开采2，3煤层的直接充水水源为山西组煤层顶板砂岩孔隙裂隙含水层，但由于山西组砂岩不发育，补给条件差，山西组水量较小。

开采16煤层的直接充水水源为十下灰含水层。十下灰含水层本身富水性中等，但矿井西北部奥灰富水性较强，可通过断裂构造成为下组煤的间接充水水源，使下组煤开采时矿井涌水量增大。

2.1.2间接充水水源

大气降水对山西组砂岩有间接充水因素，但充水量极小。同时，大气降水可通过一定的通道对深部含煤地层进行间接补给，成为下组煤的间接充水水源。

矿区内存在大面积采空区，经统计1995年矿井开采至2013年底，3煤层共产生采空区面积为45.89万m2。但由于开采过程逐年均在每个采面回采结束后设有密闭墙，留有泄水孔，经井下实际探测，采空区积水量较小，大多数采空区基本上干燥无水[2]。

2.2充水途径

2.2.1裂隙

矿区内的奥灰在地表出露，浅部岩石风化节理、裂隙发育，它们是地下水活动的良好通道，并沟通上覆含水层与含煤地层发生水力联系。

2.2.2人为采矿冒落裂隙

煤层开采产生的大量采矿冒裂带，会沟通上覆含水层与含煤地层的水力联系，成为地下水活动的良好通道。根据该矿井资料计算，开采3煤层冒落带最大高度为20m，导水裂隙带最大高度为69m。由于山西组地层厚度不大，个别地方导水裂隙带波及石盒子群底部，但石盒子群以隔水的泥岩、粉砂岩为主，充水途径不畅通。

2.2.3断层破碎带

断层破坏了地层的完整性、连续性，降低了岩石的力学强度，可能连通含煤地层中的强含水层并与之发生水力联系。如SBF8断层，造成了奥灰与十下灰对接，成为了下组煤开采的导水通道和补给水源。

2.3充水方式

由于矿井直接充水含水层露头较少，接受大气降水补给能力弱，含水性以弱含水层为主，充水通道主要以岩石原生和采矿节理、裂隙为主，规模一般不大，少量为断层、老窑巷道、岩溶管道导水。因此，未来矿井充水方式主要以渗水、滴水、淋水为主，开采下组煤时在构造断裂作用下局部可能发生突水。

3　矿井涌水量预测

3.1矿井涌水量构成

金阳煤矿目前开采上组煤山西组3煤层，矿井涌水量的构成主要有以下2个方面：井底车场东绕道出水点涌水量保持在23m3/h，井下防尘残留水3m3/h，其他约3m3/h，矿井正常涌水量29m3/h。通过对该矿井1995年建井--2013年12月间矿井涌水量的观测及研究发现，金阳煤矿上组煤埋藏较深，含水层补给条件不良，以静储量为主，矿井涌水量与大气降水、巷道开采长度、生产产量关系都不大。开采多年，井下涌水量较小，水位也基本无变化，矿井涌水量仅随着开采面积增大而有较少量增加(图2)。

3.2矿井涌水量预测

该矿区构造复杂，断层较多，煤层被断层分割成了许多小的区块，每个小块都是断层边界，各块之间不是均质的含水层。

图2　矿井涌水量关系曲线图

3.2.1计算范围

该次矿井涌水量计算范围是根据金阳煤矿提供的2014年拟采采掘工程平面图来确定。2014年拟采3301,3321,3109 3个工作面；合计拟采面积25832m2，该矿井共形成采空区总面积为458928.48m2。

3.2.2公式选择

金阳煤矿第一水平仅在3煤层中开采，未开采下组煤，其正常涌水量为26m3/h，最大涌水量36m3/h。该次上组煤矿井涌水量计算采用《水文地质手册》中的比拟法：

式中：Q为预计矿井未来正常涌水量(m3/h)；Q1为矿井现今正常涌水量(m3/h)；F为未来矿井最大采空区面积(m2)；F1为矿井现有采空区面积(m2)。

3.2.3参数选择

Q1=29.15m3/h(2013年平均矿井涌水量)；F1=458928.48m2(1995--2013年底采空区总面积)；F=484760.48m2(2014年预计最大采空区总面积)。

3.2.4矿井涌水量预算及结果分析

7将参数代入公式，得：Q=30.07≈30.00m3/h。

把Q=30.00m3/h作为该矿井开采上组煤的正常涌水量。考虑到矿井局部构造复杂，在接近奥灰地段有可能局部富水性强，综合各种影响因素，理论上计算的矿井正常涌水量与实际上的最大水量会有一定的偏差，实际生产中涌水量有时可能会偏大。根据临近矿井正常涌水量与最大涌水量的关系检验，结合该矿实际情况，建议上组煤开采时取矿井最大涌水量为正常涌水量的3倍，故最大涌水量为Q最大=90.00m3/h[3-5]。

4　结语

采用井下多年实际观测数据，用比拟法预算出矿井正常涌水量Q正常=30.00m3/h，综合各种因素影响并参考临近矿井经验值，得出该矿井最大涌水量Q最大=90.00m3/h，计算结果可靠性较大，可以用于矿井生产。

但金阳煤矿构造较为复杂，前期所取得的各种水文地质参数相对偏少，不能完全反映矿井各含水层的水文地质特征，且该矿井断层较多，不同地段富水性有一定差异，实际矿井涌水量也会受雨季、采空区积水、断层等因素影响，与预算的矿井涌水量结果必然会有一定偏差。因此，在矿井建设和生产过程中要进一步加强矿井水文观测工作，尤其是以后在开采下组煤时要及时测定十下灰、奥灰安全水头压力值，依据更加丰富系统的实测资料及时修正矿井涌水量，确保矿井安全生产。

[1]薛禹群,朱学愚.地下水动力学[M].北京:地质出版社,1978.

[2]沈继方,于青春,胡章喜,等.矿床水文地质学[M].武汉:中国地质大学出版社,1992.

[3]孙茂田,张忠涛.苍山县大青山铁矿矿床水文地质特征与用水量预测[J].山东国土资源,2015,31(2):19-23.

[4]别立珍.万福矿井充水水源分析及矿井涌水量预计[J].山东国土资源,2014,30(3):75-78.

[5]朱昶,刘怀思.山东省郗山稀土矿区西部水文地质条件分析[J].山东国土资源,2013,29(5):26-31.

Hydrogeological Characteristics Analysis and Water Inflow Prediction of Jinyang Coal Mine in Shandong Province

ZHAO Hong1, 2, XIE Xingyou1, 2

(1. No.1 Exploration Brigade of Shandong Coalfield Geology Bureau，Shandong Tengzhou 277500, China；2. Shandong Taishan Geological Surveying Company，Shandong Tai'an 271000, China)

In this paper, hydrogeological characteristics and water filling factors of Jinyang coal mine have been analyzed. It is thought that direct water filling source of No.2 and No.3 coal layers are sandstone pore fissure aquifer in the roof of No.3 coal layer in Shanxi group. Through analysis and research on hydrological observation data and hydrological geology drilling hierarchical datas in many years, by using the "analogy method", water inflow amount has been predicated, normal water inflow amount and the maxmium water inflow amount have been determined. It will provide scientific basis and examples for similar research in mines.

Hydrogeology conditions; mine water inflow predication; analogy method; Jinyang coal mine; Ningyang in Shandong province

2015-06-04；

2015-06-18；编辑：王敏

赵蕻(1982--)，女，湖南湘潭人，工程师，主要从事煤田地质、水文地质勘探工作；E-mail：zhaohong2113@126.com

TD742

B

①山东泰山地质勘查公司,山东省宁阳煤田石集(金阳)煤矿资源储量核实报告(核实基准日：2014年12月31日),2015年。