淮北煤田徐广楼井田水文地质特征与矿井涌水量预计

汪国顺，周士荣,邵军战,谢治刚

(安徽省煤田地质局勘查研究院， 安徽合肥 230088)

0 引言

徐广楼井田位于淮北煤田西部的涡阳矿区内，西距涡阳县城3km，含煤面积51.28km2,设计井型为1.2Mt/a，服务年限58a，为在建矿井,北面、东面分别与涡北井田和张楼(单集)井田相邻。矿井地下水对矿井建设和开采存在威胁。如何详细查明井田水文地质特征及评价矿井充水因素，正确预测矿井涌水量，为矿井建设和生产提供可靠的水文地质依据，具有重要意义。

1 井田地质概况

井田东起太原组第一层灰岩潜伏露头地面投影线[1]，西至3-1煤层-1200m水平地面投影线，北起F9和F31断层，南至F46和中心集断层（见图1）。煤系地层隐伏在新生界松散层下，可采煤层位于二叠系上石盒子组、下石盒子组和山西组。可采煤层编号为3-1、3-2、7、

8和10-2煤层，可采总厚为8.19m。其中3-2、7、8煤层为较稳定煤层，厚度6.51m，占可采煤层总厚的79.5%，3-1、10-2为不稳定煤层。井田断裂构造较发育，总体形态为断块构造。断块内地层呈单斜，走向南北,倾向西。断层主要走向为NE和 NW向，其次为近SN和EW向，次级断裂构造较发育。

2 井田水文地质特征

2.1 含水层（组）水文地质特征

2.1.1 新生界松散层砂层孔隙含水层（组）

井田新生界松散层厚252.60～394.00m，平均厚325.50m，其厚度变化受古地形控制，由东向西逐渐增厚，自上而下划分四个含水层（组）和三个隔水层（组）。含水层（组）特征见表1。

2.1.2 古近系砾岩孔隙、裂隙含水层（段）

古近系红层主要分布在高炉断层以南，揭露厚度为78.17～481.75m,可分上、下两段。下段厚0～93m，岩性以棕红色粉砂岩和砂砾岩相间，夹薄层细砂岩，砾石成分主要为灰岩、填隙物为粉砂与泥质、次为砂岩，胶结方式为接触式或基底式，半固结成岩。钻探揭露时井田内未发生漏水钻孔，而外围362、435两孔漏水，漏水量达6.40～17.90m3/h,据区域资料富水性弱—中等。

2.1.3 二叠系煤系砂岩裂隙含水层(段)

煤系砂岩含水层（段）主要岩性为中砂岩、细砂岩和粉砂岩，与煤层、泥岩交替出现。岩性、厚度变化较大，裂隙不发育或发育不均，依据砂岩发育情况及其与主采煤层关系，可分上、中、下三个含水层（段），其水文地质特征见表2。

2.1.4 太原组灰岩岩溶裂隙含水层（段）

据张楼井田资料，揭露厚度106.82～136.50m，平均121.66m，含灰岩7～9层，灰岩层总厚度46.89m，其中3、4、5、7层厚度大，发育稳定，富水性具有不均一性，其规律由浅部露头带到深度岩溶裂隙发育由强到弱，富水性随之由强到弱。钻探揭露时在261孔和涡水37孔，发生12m3/h的漏水。据涡北井田8-92和本井田304、涡水37三孔抽水试验资料：水位标高27.17～34.599m,单位涌水量0.0199～0.287 L/

上段为隔水层段，厚度0～145m，以棕红泥岩为主，夹薄层细砾岩，半固结成岩，部分层段较疏散，钻孔钻进时无漏水现象，隔水性能较好。

2.2.3 二叠系煤系泥岩类隔水层（段）

煤系地层中的泥岩、砂质泥岩、粉砂岩等具有良好的隔水性能。依据岩性特征和隔水性能，在垂向上可划分四个隔水层（段），其水文地质特征见表4。

2.2.4 本溪组铝质岩隔水层

井田内无钻孔揭露资料，据邻区涡北井田61孔资料，该组厚43.73m，隔水层厚度30m，岩性以铝质泥(s.m)，渗透系数0.155～1.857m/d，结合区域资料，富水性弱—中等。

2.1.5 奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层（段）

井田内无钻孔揭露，据区域资料，灰岩厚度大于200m, 岩性主要为白云质灰岩，裂隙较发育，充填方解石脉。钻孔钻进时常发生漏水。据张楼井田涡水22钻孔资料，水位标高28.25m，单位涌水量0.011L/(s.m)，渗透系数0.013m/d。其含水层岩溶裂隙发育不均一，在构造破碎带附近和浅部风化带，富水性较强，而在远离构造破碎带地段或深部，富水性弱。

2.2 隔水层（组）水文地质特征

2.2.1 新生界松散层隔水层（组）

新生界松散层有三个隔水层(组)，其特征见表3。

2.2.2 古近系半固结泥岩类隔水层（段）岩、泥岩为主，夹薄层灰，具一定隔水性。

表3 松散层隔水层（组）特征Table 2 Characteristics of aquiclude(s) in unconsolidated formation

2.3 含水层（组、段）间的水力联系

新生界松散层含水层之间均有较稳定的隔水层，各含水层之间一般无水力联系，但在局部隔水层变薄地段，具有越流补给关系。由于三隔厚度较大，分布较稳定，使上部含水层与下部四含之间无水力联系。四含直接覆盖在基岩各含水层之上，对基岩含水层进行入渗补给。

表4 二叠系隔水层特征Table 4 Characteristics of the Permian aquiclude

古近系砾岩含水层（段）与上部四含无水力联系，与下部基岩各含水层之间均有水力联系。由于古近系分布在高炉断层以南和井田西部，不与先期开采地段接触，它们无直接水力联系。

二叠系主要可采煤层砂岩裂隙含水层（段），裂隙一般不发育，富水性弱，一般情况下，各含水层（段）之间无水力联系。与太原组及奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层（段）之间，一般也无水力联系。

由于断层错动可能使不同含水层“对口”接触或断层破碎带裂隙导通各含水层发生水力联系（图1）。

2.4 矿井充水因素分析

图1 井田构造纲要图Fig.1 Schematic diagram of well field structure

2.4.1 矿井充水水源

充水水源为第四系、新近系松散层砂层孔隙水、古近系砾岩孔隙裂隙水、煤系砂岩裂隙水和灰岩岩溶裂隙水。

2.4.1.1 新生界松散层四含砂层孔隙水和古近系砾岩孔隙裂隙水

三隔具有良好的隔水性能，大气降水、地表水和新生界一、二、三含地下水对矿井充水无影响。新生界四含和古近系砾岩孔隙裂隙含水层直接覆盖于基岩风氧化带上，沿浅部风化裂隙和采空区顶板裂隙、或沿煤层进入矿井，是煤层开采的主要补给水源。

2.4.1.2 煤系砂岩裂隙水

煤系砂岩裂隙水是矿井直接充水水源，是矿井涌水量的主要组成部分。主要煤层之间的砂岩分布于泥岩、砂质泥岩和粉砂岩之间，裂隙不发育或发育不均。据抽水试验和开采揭露出水点水量显示，砂岩裂隙含水层具有含水性弱、以存储量为主、补给量不足等特点。但在局部裂隙发育地段，采掘时砂岩存储水可能瞬时突水，造成危害。

2.4.1.3 灰岩岩溶裂隙水

在正常情况下，灰岩岩溶裂隙水对开采上下石盒子组煤层没有充水影响，但遇断层或陷落柱时，使煤层与灰岩接触或间距变小时，可能对矿井充水或使巷道发生“底鼓”；由于山西组煤层距离太原组灰岩较近，开采时太原组灰岩水是底板直接充水水源。

2.4.2 矿井充水通道

矿井主要充水通道为裂隙和断层。据张楼井田对高炉断层、丰涡断层等抽水试验成果[2]，水位标高6.94～19.89m，q=0.00488～0.00983L/(s.m)，K=0.00759～0.249m/d。富水性弱，导水性差，但在矿井生产过程中，会破坏地下水的天然平衡状态，使断层的导水性有所改变，若断层沟通了富水性强的含水层时，有发生突水的可能。

3 矿井涌水量预计

预测范围为先期开采地段，采用地下水动力学法和比拟法预测松散层四含孔隙水和主要可采煤层砂岩裂隙水及太原组1～4层灰岩岩溶裂隙水的涌水量。

3.1 新生界松散层四含孔隙水涌水量预计

在先期开采地段，松散层四含直接覆盖在煤系地层之上，四含水沿风氧化带裂隙或采动裂隙进入矿井，当水位下降到煤层顶板以下时，地下水处于承压—无压水流状态，预测涌水量时采用承压转无压双侧进水沟渠公式（1）、（2）。

其中：Q：预计矿井涌水量，m3/h；S：水位降深，m；K：渗透系数，m/d；M：含水层厚度，m；B：进水廊道长度，m；h0：含水层底板以上动水位高度，m；R： 影响半径，m。

渗透系数采用323孔和107孔（涡北）抽水试验成果的平均值，即：渗透系数0.187m/d。水位埋深采用323孔静止水位5.91m，水位降深S值采用四含顶板埋深平均值323.20m与水位埋深差值，即：水位降深S＝323.20-5.91=317.29 m；主采煤层露头带长度B＝4500m，四含厚度采用平均值6.20m，选用上述参数利用公式（1）、（2）计算，四含孔隙水的矿井涌水量为100m3/h。

3.2 主采煤层砂岩裂隙水涌水量预计

3.2.1 地下水动力学法

矿井开采3-1～8煤层时，直接充水水源是煤层顶底板砂岩裂隙水，采用承压转无压完整井公式(3)，在水位降至-800m时，即h0=0，地下水处于承压转无压水流状态条件下，预测可采煤层顶、底板砂岩裂隙水进入矿井正常涌水量。

其中：r0：“大井”引用半径，m；R0：“大井”引用影响半径，m；F：主采煤层面积，km2,其它符号同上。

预测时开采面积F采用-800m水平至露头带面积的1/2，即F =3.7 km2；水位降低S值采用7～8煤顶、底板砂岩裂隙含水层抽水试验静止水位标高平均值22.27m降至-800m水平的降深来计算，即：S=800+22.27=822.27m。含水层厚利用3-1～8煤层顶底砂岩的平均厚度,即:M=32m。K值选用7～8煤抽水试验资料的稳定流和非稳定流的K值算术平均值：0.0531 m/d。经预计砂岩裂隙水进入矿井的正常涌水量为355m3/h。

3.2.2 生产矿井比拟法

本井田与附近临涣煤矿水文地质条件相似，因此可以利用临涣煤矿生产初期实测涌水量，采用比拟法公式(6)预计本井田矿井涌水量。

其中：F0：生产矿井井下巷道开拓面积，m2；Q0：生产矿井实测矿井涌水量，m3/h；S0：生产矿井水位降低值，m。其它符号同上。

临涣煤矿1985～1991年实测正常涌水量434m3/h，最大涌水量590m3/h。井巷开拓面积为9km2。一水平水位降低值474m。本矿井F =3.7 km2，S =822.27m。运用公式(6)得：矿井正常涌水量368m3/h，最大涌水量498m3/h。

3.3 10-2煤底板太原组灰岩含水层涌水量预计

10-2煤与太原组灰岩间距19.2～46.2m，因断层影响使灰岩与煤层接触或间距变小，可能会发生底板突水。采用底板进水非完整井公式(7)计算。

公式中符号同上。

根据淮北煤田各生产矿井情况，工作面突水面积一般采用工作面长30m，宽15m，

渗透系数采用304与涡水37两孔对1～4灰抽水试验渗透系数平均值，即K =1.037m/d。太原组灰岩厚度采用1～4灰厚度算术平均值：17.88m。水位标高采用304与涡水37孔水位标高的平均值27.68m。水位降低S值采用水位标高平均值27.68m降至-800m水平的降深来计算，即：S =800+27.68=827.68m。采用上述各参数预测太原组灰岩涌水量为692m3/h。

4 结语

通过对徐广楼井田水文地质特征和矿井充水条件的分析，采用地下水动力学法和生产矿井比拟法预计矿井正常涌水量，分别为355m3/h和368m3/h。预计结果相近，建议采用生产比拟法预计的成果作为矿井设计、排水设备选型的依据。