某矿区水文地质条件分析及矿坑涌水量预测

宋武元

(安徽省地质矿产勘查局327地质队，安徽 合肥 230011)

0 引言

一般而言，通过矿区水文地质条件分析，可以为后期矿山安全建设提供技术支撑，同时进行矿坑涌水量预测，对于矿产开采预防突水及供水水源选择具有重要意义[1-4]。某矿区位于秦岭东西构造带东段北亚支南侧，新华夏系第二沉降带西缘，主体构造线走向北北西，主要由两个宽缓向斜(白沙向斜，景家洼向斜)间一窄狭不完整背斜(许禹背斜)和走向北东、北西西、倾向北西及北北东规模校大的两组阶梯状正断层组成，通过水文地质条件分析及矿坑涌水量预测，为后期矿山建设提供技术支撑。

1 矿区水文地质

矿区位于秦岭东西构造带东段北亚支南侧，新华夏系第二沉降带西缘，主体构造线走向北北西，主要由两个宽缓向斜(白沙向斜，景家洼向斜)间一窄狭不完整背斜(许禹背斜)和走向北东、北西西、倾向北西及北北东规模校大的两组阶梯状正断层组成，构造位置属于景家洼向斜北东翼南东段。地层走向北东，倾向南区，整体为一单斜构造形态。地表出露基岩为二叠系上统石千峰组(P2sh)和三叠系刘家沟组(T1l)。

1.1 地形和地表水

本区属丘陵地区，区内地势总体北高、南低，地面标高在+124 m～+214 m之间，相对高差约90 m，地势坡度5°～30°，一般8°～20°。沟谷较发育，泄洪条件好，有北汝河和颖河从勘查区附近通过，其支流泥河从勘查区中部穿过，为雨源型间歇性河流，水位和流量均受季节影响。

1.2 水文地质条件

1.2.1 矿区含、隔水层(段)

依据岩性组合特征、可采煤层层位、岩层裂隙发育程度等，将矿区含、隔水层(段)划分如下：

(1)松散岩类含、隔水层(组) 区域内新生界松散层的厚度变化较大，一般在0～150 m间，河湖冲洪积为主，岩性为粉土、粘土、粉质粘土为主。第四系上部砂层中含孔隙潜水，富水性中等，中下更新统中含孔隙承压水，弱富水性。浅层含水层与中深层含水层之间分布有约30 m厚的粘性土，二者垂向水力联系不密切。松散层孔隙水主要接受大气降水垂向补给，其次为水平迳流补给，排泄主要通过垂直蒸发、人工抽取和河流排泄。

(2)二叠系上统石千峰组～下三叠系刘家沟组砂岩裂隙含水层 主要为粉砂岩、细粒砂岩、中砂岩、粗砂岩，局部夹泥岩，含砂岩17～29层，单层厚1.10～89.00 m，累计层厚605 m，局部裂隙发育，钻孔揭露时，局部冲洗液有明显消耗，总体上该层为弱富水性。

(3)七2～八煤二叠系上统上石盒子组隔水层 主要为泥岩、粉砂泥岩及粉(细)砂岩互层，裂隙不甚发育，岩性致密，一般情况下具有良好隔水性能。

(4)七2煤顶板砂岩裂隙含水层 主要为粉砂岩、细粒砂岩、泥岩，含砂岩4～10层，砂岩所占比率平均为55%，局部裂隙发育，根据钻孔抽水资料，单位涌水量(q)为0.001 1 L/s·m，渗透系数(K)为 0.054 19 m/d，富水性弱。

(5)六2～七2煤二叠系下统下石盒子组顶段～上石盒子组底段隔水层 主要为泥岩(局部夹粉砂岩)，砂岩中微发育有裂隙，岩性致密，一般情况下具有良好的隔水性能。

(6)六2煤顶板砂岩裂隙含水层 主要为粉砂岩、细粒砂岩、泥岩，含砂岩3～13层，砂岩所占比率平均为37.7%。局部裂隙发育，富水性弱。

(7)五2～六2煤二叠系下统下石盒子组中段隔水层 主要为泥岩(局部夹粉砂岩)，砂岩中发育有裂隙，但不明显，岩性致密，一般情况下具有良好的隔水性能。

(8)五2煤顶板砂岩裂隙含水层 主要为粉砂岩、细粒砂岩、泥岩，含砂岩2～13层，砂岩所占比率平均为51.4%，局部裂隙发育，单位涌水量(q)为0.003 67～0.001 16 L/s·m，水质类型HCO3-Na型水，富水性弱。

(9)四2～五1煤二叠系下统下石盒子组下段隔水层 主要为泥岩(局部夹粉砂岩)，砂岩中发育有裂隙，但不明显，岩性致密，一般情况下具有良好的隔水性能。

(10)四2煤顶底、板含水层 主要为粉砂岩、细粒砂岩、泥岩，含砂岩2～12层，局部裂隙发育，总体上该层为弱富水性。

(11)二1～四2煤二叠系下统下石盒子组底段～山西组顶段隔水层 主要为泥岩(局部夹粉砂岩)，砂岩中发育有裂隙，但不明显，岩性致密，一般情况下具有良好的隔水性能。

(12)二1煤层顶板直接充水含水层 岩性为细、中、粗粒砂岩组成，含4～9层，砂岩所占比率平均为80.0%，局部裂隙发育，单位涌水量(q)为0.014 1 L/s·m，渗透系数(K)为0.089 5 m/d，富水性弱。

(13)二1煤层底板间接充水含水层(太灰) 主要岩性为中厚层状白云质灰岩夹薄层细粒砂岩、粉砂岩和泥岩，为岩溶裂隙承压含水层，灰岩段充填裂隙较发育，局部具溶蚀现象单位涌水量(q)为0.007 3 L/s·m,渗透系数(K)为0.099 5 m/d，富水性弱。

(14)寒武系岩溶水 寒武系上统长山组岩性为浅灰色厚层白云质灰岩、白云岩，夹泥质条带，顶部为灰黄色薄层泥质灰岩、泥质白云质灰岩，厚度大，裂隙发育，单位涌水量0. 016 6～1.86 L/s·m，富水性中等～强。

1.2.2 断层导水性

勘查区共发育10条断层，均为正断层，其中主要是DF2正断层、DF5正断层、DF7正断层、DF8正断层、DF9正断层、张得正断层(FDZ)，多数钻孔在断层带位置见不同厚度的角砾岩，角砾成份混杂，以泥质胶结为主。断层带及其附近，闭合状裂隙较发育，岩芯较破碎，且局部泥化强烈，其导水能力较差。

1.2.3 地下水的补给、迳流、排泄条件

浅层地下水主要补给来源于大气降水的入渗，第四系中上部含水岩组主要以接受大气降水入渗补给和地下水侧向迳流补给为主，排泄方式有地表蒸发、农业及生活用水及微弱的越流下渗，地下水的交替较快。浅层地下水的径流与排泄主要受地形地貌的控制。浅层含水层与中深层含水层之间分布有约30 m厚的粘性土，二者垂向上水力联系不密切。

碎屑岩类含水层相互间在垂向受厚层泥岩及粉砂岩的影响水力联系不密切，有较弱的越流下渗。在没有大的构造影响条件下，自然条件下地下水循环条件一般。

1.2.4 邻近生产井水文地质特征

与矿区相邻的生产矿井主要分布在矿区北侧和东侧，邻近或相邻矿井分别开采二、四、五、六煤层，各生产矿井水文地质简单，矿坑水均以煤层概况渗透水涌水为主，除开采二煤层的矿坑涌水量较大外(70～140 m3/h)，开采四、五、六煤层的矿坑涌水量较小，一般为5～15 m3/h。个别开采二煤层的煤矿因遇断层发生过漏水，如梁北煤矿在开采二煤层时，就发生寒灰水突水事故。但寒灰出露不够广泛，外来补给不够充裕，所以平顶山矿区几个矿在开采二煤层时出现突水事故后，很快就完成排干恢复生产。邻近的罗家沟煤矿开采二1、六2、七2煤层，正常涌水量为60 m3/h，最大涌水量为120 m3/h，平均涌水量为80 m3/h。

2 充水因素分析

井田部分北新生界松散层覆盖，新生界底部有一层粘土，能有效隔绝上部水与基岩水的水力联系，且矿体埋藏较深，受孔隙水影响不大，二叠系本身富水较弱，裂隙发育的砂岩中赋存大量的地下水，相对隔水层则由与之互层的粉砂岩、泥岩构成，垂向上表现为多层复合结构的层间承压裂隙含水层相，岩体裂隙发育程度、贯通程度和补给条件直接影响其富水程度，而裂隙发育程度又与岩性和构造关系密切。矿体开采时，矿体顶底板砂岩水成为直接充水水源，二1煤层在开采时，顶板砂岩水为直接充水水源，由于二1煤层距太原组灰岩仅5～13 m，灰岩水具有不均一性，在岩溶发育的地段，灰岩水将会成为矿体开采的间接充水水源。本区奥陶系地层缺失，寒武系地层没有发现硬石膏，因此发生陷落柱可能性较小。但寒灰水会通过断层导水等使矿井产生底突事故。

3 矿坑涌水量预测

3.1 水量计算的范围、方法及公式选择

本次涌水量计算仅计算第一水平，本次储量计算第一水平为-800 m以浅的四2、六2、七2煤层，采用地下水动力学公式计算(无限边界)和比拟法预算矿井涌水量[5-6]。煤层顶底板砂岩裂隙水是矿井涌水量直接充水水源。

3.1.1 地下水动力学法(“大井”法)计算公式(稳定流理论)[7-8]

井壁进水的承压转为无压完整井公式：

(1)

井底进水的非完整井公式(8r0>M≥2r0)：

(2)

“大井”法引用影响半径计算公式：R0=R+r0。

3.1.2 比拟法计算公式[7-8]

(3)

式中：Q为预计矿井涌水量(m3/h)；S为水位降低值(m)；K为渗透系数(m/d)；M为含水层厚度(m)；h0为含水层底板以上动水位高度(m)；R为影响半径(m)；r0为“大井”引用半径(m)；R0为“大井”影响引用半径(m)；F为主采煤层面积(m2)；F0为生产矿井井下巷道围圈面积(m2)；Q0为生产矿井实测矿井涌水量(m3/h)；S0为生产矿井水位降低值。

当煤层顶底板砂岩裂隙水降至各煤层底板时，h0=0(m)。

3.2 矿井涌水量预算

3.2.1 可采煤层顶底板砂岩裂隙水进入矿井的涌水量

当井巷进行开拓时，赋存与七2煤层顶底板砂岩中的裂隙水将会直接进入矿坑，矿井的直接充水水源主要为煤层顶底板砂岩裂隙水，当水位降至-800 m(含水层底板)时h0=0，地下水处于承压转为无压水流状态，以此来计算涌水量。

一般而言，可采煤层顶板冒落带高度为35 m左右，煤层底板开采破坏深度为10～12 m，在统计含水层厚度时一般将粗、中、细粒砂岩厚度累加，取煤层顶板上约30 m；特别指出的是，如果该水平上隔水层较薄(小于 5m)或仍是砂岩时，就推算向上大于5 m的隔水层为止。底板含水层厚度则统计到底板下20 m左右(粗、中、细粒砂岩厚度累加)，特殊情况则按顶板处理方法推算。

开拓面积1/3～1/2为矿井涌水量稳定水平，其后采区接替或开拓范围的增大，涌水量也基本稳定。采用主采煤层一水平储量估算面积的1/2作为矿井涌水量的预算面积。

1)用地下水动力学公式法计算矿井涌水量(“大井”法)

七2煤层储量估算面积为7.67 km2，取其面积的1/2，即F=3.84 km2。四2煤层储量估算面积为2.16 km2，取其面积的1/2，即F=1.08 km2。六2煤层储量估算面积为24.8 km2，取其面积的1/2，即F=2.4 km2

水位降低S值取-800 m(统一水平)与静止水位(顶底板砂岩裂隙水含水层)标高平均值104.50 m来计算，即S=800 m+104.5 m=904.50 m。

七2煤、四2煤、六2煤顶底板砂岩裂隙水含水平均层厚度(M)分别为10.21 m、16.27 m、19.13 m。

通过矿区的煤顶底板砂岩裂隙水含水层抽水试验，获得渗透系数K值为0.054 19 m/d。

预算四2煤层涌水量为184 m3/h，六2煤层为259.7 m3/h，七2煤层顶底板砂岩裂隙水进入矿井的涌水量为151 m3/h，即本次储量计算第一水平煤层顶底板砂岩裂隙水进入矿井的正常涌水量为Q=595 m3/h。

2)比拟法计算公式

矿区与邻近的吕沟煤矿具有类似的水文地质条件，故矿区矿井涌水量与吕沟煤矿实测涌水量进行比拟。吕沟煤矿位于本矿区南部，开采六2(原五2)、七4(原六4)煤层。目前，七4、六2煤均已开采至-200 m水平，最大开采标高为-400 m，目前矿井正常涌水量Q0=129.5 m3/h，最大涌水量Q0最大=168.4 m3/h。开采水位降低值S0=550 m。井巷围圈面积为4.24 km2， F0=4.24 km2；本矿区第一储量计算水平面积 F=14.63 km2。水位降低S值取-800 m(统一水平)与静止水位(七2煤顶底板砂岩裂隙水含水层)标高平均值104.50 m来计算，即S=800 m+104.5 m=904.50 m。经计算，矿井正常涌水量为308 m3/h，最大涌水量为400 m3/h(表1)。

表1 比拟法矿井涌水量预算表

3.2.2 涌水量预算结果

地下水动力学法预算矿井正常涌水量为595 m3/h，主要包括四2煤、六2煤与七2层顶底板砂岩裂隙水矿井涌水量；而通过比拟法进行预算，矿井正常涌水量为308 m3/h，最大涌水量为400 m3/h。由此可见，两种方法预算的正常涌水量结果较接近，说明矿井涌水量预算公式和参数选择合理，符合矿区水文地质条件与实际水文地质资料反映的规律。但由于比拟法精度较高，故建议采用比拟法计算涌水量正常308 m3/h，最大400 m3/h。

4 矿区水文地质类型

本矿区煤层顶底板砂岩裂隙含水层是矿井直接充水含水层，二叠系碎屑岩类裂隙水富水性较弱，主要由松散层孔隙水和太原组岩溶裂隙水通过垂直渗透以层间径流的方式补给，补给条件差，水平径流微弱

矿床的水文地质类型属水文地质条件中等的砂岩裂隙和岩溶裂隙充水矿床，可供选择的供水水源主要有三层：(1)第四系砂砾石孔隙潜水，水位埋深一般为2.04～5.49 m，水量较丰富，埋藏浅，是本地居民主要用水层位，但水质易污染，需加强防护；(2)平顶山组件～粗粒砂岩含水层，裂隙承压水，厚度大，层位稳定，中等富水，水质良好，但随着煤层的开采，水量可能会减少，水头较低，影响用水；(3)寒武系岩溶裂隙承压水含水层，厚度大，裂隙发育，单位涌水量0.016 6～1.86 L/m·s，水质较好，但该层位埋藏太深。可供选择的供水水源足以解决矿山供水问题。

5 结语

(1)矿床的水文地质类型属水文地质条件中等的砂岩裂隙和岩溶裂隙充水矿床，供水水源主要有第四系砂砾石孔隙潜水、平顶山组件～粗粒砂岩含水层和寒武系岩溶裂隙承压水含水层。可供选择的供水水源足以解决矿山供水问题。

(2)采用地下水动力学公式计算(“大井”法)和比拟法预算矿井涌水量，由于比拟法精度较高，故采用比拟法计算涌水量正常308 m3/h，最大400 m3/h。