某煤矿区水文地质特征分析及矿井涌水量预测

黄 继，曾玉林，陈 欧

(四川省煤田地质工程勘察设计研究院，四川 成都610072)

涌水量预测是对矿井充水条件的定量评价，也是对矿井需要排出水量的估计。矿井涌水量的大小是反映一定条件下，矿井充水程度的定量指标，是井田开采设计中制定防治水方案的依据。本文以刘家坪子煤矿为例，分别用地下水动力学及水文地质比拟法对矿区北部先期开采地段进行涌水量预算，并对两种预测结果进行综合分析，从而寻找较符合本矿井实际情况的矿井涌水量，为今后防治水措施的制定提供依据[1－2]。

1 矿区概况

刘家坪子煤矿区位于云南省昭通市彝良县城190°方向，直距20 km处，地处彝良县洛泽河镇境内，矿区面积23.55 km2。矿区地貌类型属构造侵蚀与溶蚀相间高中山峡谷地貌。山高谷深，地形险峻。最高点位于该区西部气象台梁子，海拔高程2 103 m，最低侵蚀基准面位于该区北部的洛泽河河谷，海拔高程为940 m，相对最大高差约1 163 m，区内一般标高在1 800m左右。区内出露地层由老至新有:泥盆系上统(D3)，石炭系下统岩关组(C1y)、万寿山组(C1w)旧司组(C1js)、上司组(C1sh)、摆佐组(C1b)、中统威宁组(C2w);二叠系下统梁山组(P1l)、中统栖霞组(P2q)及新生界第四系(Q)。

区内主要含煤地层为下石炭统万寿山组(C1w)，厚105.56 ～130.23 m，平均 117.90 m。岩性主要为砂岩、粉砂岩、菱铁质粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩及煤。含煤5～7 层，经对比确定的编号煤层自上而下为 C5、C4、C3、C2、C1等5层。赋煤段位于含煤地层的中下部，其中C5为全区可采煤层，C3煤层为零星可采煤层，其余煤层皆不可采。

图1 矿区地下水流向平、剖面示意图

2 矿区水文地质条件

区内含、隔水层相间产出，从二叠系中统栖霞组至石炭系岩关组地层均有出露。矿区出露的含水层，除二叠系栖霞组(P2q)外，大多位于洛泽河谷两侧的陡坡及悬崖上呈带状分布，露头面积窄，地表迳流快，不利于含水层接受大气降水的补给。所构成残留高原溶蚀面，基岩裸露，岩溶发育，以垂隙型形态为主，岩溶率为16.7%。地下水位垂深一般大于300 m。由于河谷深切，各含水层露头接受大气降水后，沿溶隙垂直向深部运动，遇到相对隔水层后，沿地层走向由南西向北东向洛泽河方向水平迳流，遇有河流、溪沟或断层后以泉水排泄，其迳流方向与地表水大致同向，总体上由 SW向NE方向径流(如图1)。综观全区自然地理及地形等条件，在侵蚀基准面以上，不利于地下水的赋存，而有利于地下水的迳流和排泄[5－7]。

煤系地层地下水主要接受露头地带大气降水和地表水的补给，赋存于岩层节理裂隙中，普遍具承压性质，局部断流构造带富水性较强，显示富水的不均匀性，地下水迳流方向主要受地形的控制，无定向迳流。

3 充水因素分析

3.1 充水途径及水源

煤层采动产生的导水裂隙带与构造裂隙沟通成为顶板突水突泥通道。煤层开采之后，上覆岩体由于失支撑而发生地面开裂、沉降;井下产生冒落塌陷和导水裂隙带，一般情况下，随着回采工作面的推进，岩体裂隙自下而上逐步发展，对应于不同的工作面推进距离形成不同的裂隙网络分布。主采煤层C5上距威宁组(C2w)～旧司组(C1js)复合含水层27.49 ～52.14 m，平均 37.41 m。

煤层开采以全部陷落方法管理顶板，煤层倾角 ＜30°，按下式计算煤层开采后冒落带(Hc)和导水裂隙影响带(Hf):

式中:Hc为煤层开采后的冒落带高度(m);M为可采煤层厚度(m)最大2.17 m;Hf为导水裂隙影响带高度(m);n为煤分层层数。C5煤层做一层次开采，即n=1。

经计算，冒落带高度近9 m，导水裂隙带的高度为35.66 m。理论计算结果显示导水裂隙带高度已非常接近威宁组(C2w)～旧司组(C1js)复合含水层。

在部分矿区，地面沉降影响实际高度为煤层采高的30～50倍，实际导水裂隙带高度达100 m或更高。由于本区相邻生产煤矿缺少系统的冒落裂隙带观测资料，其实际发育高度不详。未来在矿井生产、开拓过程中，必须加强冒落裂隙带的监测，以防止煤层采动的导水裂隙沟通含水层，成为顶板突水突泥的主要通道，形成矿井水害。

3.2 顶板水害威胁程度评价

许家院煤矿井口标高954.83，最低开采标高 866.61 m，小发路煤矿井口标高936.43 m，最大开采垂深已近200 m，则最低开采标高736.43 m，已达矿区北部先期开采地段 +700 m标高，而小发路与许家院煤矿巷道排水量总体来说较小，且旱、雨季排水量变化不大，显示出矿坑水不受大气降雨和其他因素变化的特征。

从相邻矿井水文地质特征可以看出，顶板水主要从塌陷冒落裂隙带涌入巷道，因此，顶板水对两对矿有一定威胁。

综上所述，顶板水对矿井威胁程度较大。

4 矿坑涌水量预算

4.1 预算原则

本次预算用地下水动力学及水文地质比拟法对矿区北部区先期开采地段进行涌水量预算[3－10]。

预算标高:+700 m标高以上地段;

预算范围:北以+700 m等高线为界，东至洛泽河保安煤柱;南、南西至 F11、F12断层;西至 +1200 m与 F11和煤层露头线的交界;北侧不过洛泽河。

静止水位标高采用许家院煤矿最低开采标高 +866.61 m。

4.2 公式选择及参数的确定

4.2.1 地下水动力学

根据浅部、深部钻孔的注水试验成果，计算公式采用“大井法”稳定流完整井，潜水公式。

式中:Q为未来矿井涌水量(m3/d);K为渗透系数，引用102号钻孔抽水试验成果确定(m/d)，K=0.00745 m/d;H为含水层水头高度，采用计算块段的地下水水头平均高度与预算开采水平的差值。(m);S为水位抬升、降低高度，S=H。(m);R为含水层影响半径，R =2Sr0为“大井”引用半径(m)r0=式中 F为预算的块段面积;R0为“大井”引用影响半径(m)R0=R+r0。

表1 涌水量预算结果表

4.2.2 水文地质比拟法

根据矿井水文地质特征及矿坑充水因素分析，与矿区相邻的小发路煤矿的相关水文地质特征极为相似，能够反映未来矿井的水文地质特征及各充水因素。因此以小发路煤矿作为比拟法的模式，采用下列公式计算:

式中:Q为未来矿井先期开采地段的预算涌水量(m3/d);Q0为小发路煤矿目前矿井涌水量(m3/d)，采用雨、旱季平均排水量;F0为小发路煤矿矿井回采面积(m2)，据回采区在计算图上用求积仪求得。F为预算块段的面积(m2)，根据块段边界，用求积仪在计算图上求得。

4.3 涌水量预算结果

根据所定计算公式及各参数，涌水量的预算结果及选用参数值见表1。

4.4 结果分析

地下水动力学法计算参数值来自在钻孔进行的含水层水文试验结果，它们基本上反映了含水层的富水性及导水性。采用公式也反映了未来矿井的涌水疏干模式及边界条件。计算结果反映了理论上矿床充水含水层的正常涌水量。

水文地质比拟法:建立在生产矿井调查，分析其矿井的水文地质特征及充水因素基本与本区相一致的基础上。所采用的比拟公式，是充分考虑矿坑涌水量与开采面积相关的因素，能比较准确地反映矿井的实际情况，其参数来自矿井雨、旱季的排水实际资料，包含了各种充水因素，结果与未来矿井开采中、后期涌水量较接近，因此，矿井建设初期涌水量比计算值要小。而中、后期仍可采用比拟法所预算结果。本次涌水量预算范围为整个先期开采地段范围，导致本次涌水量预算结果偏大。随着回采面积增加，降落漏斗扩大，矿井涌水量将呈更加接近预算结果。

因此，本文建议采用比拟法预算结果作为矿山初步设计的依据。

5 结语

地下水动力学法预算矿井正常涌水量为2 591 m3/d;水文地质比拟法预算矿井旱季涌水量为3 355 m3/d，最大涌水量为4 477 m3/d。矿井涌水量计算公式和参数选择合理，两种方法预算正常涌水量结果近似，符合本矿井水文地质条件和实际水文地质资料反映的规律，但是由于比拟法计算结果更接近矿井实际情况，建议采用比拟法计算结果作为本矿井初步设计依据。

[1]郑世书，陈江中，刘汉湖.专门水文地质学[M].徐州:中国矿业大学出版社.1999.

[2]曾玉林，黄继，等.云南省彝良县刘家坪子煤矿区勘探报告[R].四川省煤田地质工程勘察设计研究院.2012.

[3]彭辉才，徐卫东，付青，等.贵州绿塘煤矿涌水量预测研究[J].南水北调与水利科技.2013(2):58－61.

[4]张东营，时志伟，周伟.关石焦煤矿水文地质特征及矿井涌水量预测[J].中州煤炭.2010(2):39－41.

[5]杜敏铭，邓英尔，许模.矿井涌水量预测方法综述[J].四川地质学报.2009，29(1)70 －73.

[6]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.2009，40(11):39 －42.

[7]王龙江，李长虹.三号井充水因素分析及涌水量预测[J].地下水.2014(4):28－29.

[8]朱海滨.邹庄煤矿水文地质特征分析及矿井涌水量预测[J].中国高新技术企业.2013(34):34－37.

[9]牛俊伟，申江.灰岩岩溶裂隙水赋存特征及其对矿井充水影响[J].中州煤炭.2013，10(3):144 －148.

[10]蔡保新，李文昌.富煤三矿四矿区水文地质条件分析[J].科技创新导报.2013(18):94－97.