鄒莊煤礦水文地質特征研究和礦井涌水量預測

1、鄒莊煤礦水文地質特征研究和礦井涌水量預測摘要：文章利用鄒莊礦井水文地質資料，對礦井 水文地質條件進行了分析研究，采用解析法，預測主采煤層 (3、7、8煤)開采過程中的礦井涌水量，同時采用水文地 質比擬法，利用水文地質條件與該礦相似的桃園煤礦的資 料，預測了該礦井開采過程中的涌水量，最后分析了兩種計 算方法的優(yōu)缺點，選擇比擬法作為開采防水設計的參考。關鍵詞：鄒莊煤礦；水文地質；礦井涌水量；預測解析 法；比擬法中圖分類號:p641文獻標識碼：a文章編號:1009-2374 (2013) 34-0104-03涌水量預測是對礦井充水條件的定量評價，也是對礦井 需要排出水量的估計。礦井涌水量的大小是反映

2、一定條件 下，礦井充水程度的定量指標，是井田開采設計中制定防治 水方案的依據(jù)。本文以鄒莊煤礦為例，分別采用解析法和比擬法兩種方 法對該煤礦礦井涌水量進行預測，并對兩種預測結果進行綜 合分析，從而尋找較符合本礦井實際情況的礦井涌水量，為 今后防治水措施的制定提供依據(jù)。1井田概況鄒莊井田位于淮北市灘溪縣南坪鎮(zhèn)、雙堆集鎮(zhèn)，北距灘 溪縣50km,東北距宿州市25km。井田內地勢平坦，地形簡單，地貌類型單一，主要為河 間平地。區(qū)域地層從老到新發(fā)育有太古界-元古界，古生界 寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界三疊系，新生界 第三、四系。2井田水文地質條件2. 1井田水文地質概況根據(jù)地層巖石的含水條件、含

3、水賦存空間分布，井田內 可劃分為新生界松散層孔隙含水層（組）、二疊系主采煤層 砂巖裂隙含水層（段）、太原組及奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含 水層（段）三類。新生界松散孔隙含水層可細分為新生界第一、二、三、 四共四個含水層組，除第四含水層組直接覆蓋在煤系之上 外。第一、二、三含水層（組）之間分別對應有第一、二、 三隔水層（組）分布。它們主要由粘土、砂質粘土及鈣質粘 土組成，分布穩(wěn)定，隔水性能較好。尤其是第三隔水層（組）, 以灰綠色粘土為主，單層厚度大，隔水性能良好，是區(qū)域內 重要的隔水層。二疊系砂巖裂隙含水層主要由泥巖、粉砂巖及砂巖組 成，根據(jù)地層巖性組合特征及可采煤層賦存位置，該含水層 可細分為：32

4、煤頂?shù)咨皫r裂隙含水層，7、8煤頂?shù)装迳皫r 裂隙含水層，10煤頂?shù)装迳皫r裂隙含水層三個含水層，對應 各主采煤層砂巖裂隙含水層劃分為四個隔水層：12煤隔水 層段、46煤隔水層段、8煤下鋁質泥巖隔水層段和10煤 下海相泥巖隔水層段，它們隔水性能良好。井田范圍內，新生界第一含水層（潛水）以大氣降水補 給為主，水平徑流補給次之，排泄方式為垂直蒸發(fā)、人工開 采和河流排泄。第二、三含水層以層間徑流為主，局部地方 為越流補給。第四含水層及二疊系砂巖裂隙含水層、太原組 及奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層均以層間徑流補給為主。根 據(jù)井田所在水文地質單元來看，井田潛水及深層地下水流向 為西北-東南方向。2.2斷層富水性井

5、田內共查明斷層30條，其中正斷層16條，逆斷層14 條。斷層破碎帶巖性以煤系泥巖及粉砂巖塊為主，夾少量砂 巖碎屑，所有鉆孔穿過斷層帶時，均未發(fā)生漏水現(xiàn)象。從區(qū) 域和鄰近生產(chǎn)礦井來看，斷層一般是富水性弱，導水性差。3充水因素分析3. 1大氣降水大氣降水為新生界松散孔隙含水層主要補給源。而鄒莊 井田范圍內煤系地層含水層被巨厚新生界地層所覆蓋，大氣 降水難以下滲至煤系含水層。另外，井田新生界松散含水層 系統(tǒng)中下部廣泛分布著一厚度大、隔水性能良好的第三隔水 層，在該隔水層作用下，大氣降水對煤系含水層無直接水力 聯(lián)系。3.2新生界松散孔隙水新生界松散含水層系統(tǒng)下部第四含水層覆蓋于煤系地 層上部，特別是淺

6、部地區(qū)，第四含水層通過基巖風化裂隙帶 將對煤系含水層產(chǎn)生一定補給量，另一方面，受煤礦開采影 響，采空區(qū)塌陷裂隙帶可能進入第四含水層中，從而加強第 四含水層與煤系含水層之間的水力聯(lián)系。因此，新生界松散 含水層第四含水層與煤系含水層之間存在一定水力聯(lián)系，該 含水層為井田間接充水含水層。3.3煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水32煤層為鄒莊井田主采煤層，在煤層開采過程中，受 “上三帶”與“下三帶”作用32煤頂?shù)装迳皫r裂隙含水層 將被導通，其中地下水將全部進入礦坑中，成為礦井直接充 水水源。同理，開采7、8煤過程中，7、8煤頂?shù)装迳皫r裂隙含 水層中地下水將進入礦坑中，成為7、8煤層直接充水水源。3.4石灰?guī)r巖溶裂隙

7、水太原組和奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙水在正常情況下，對開 采10煤層無直接充水影響，但當遇到斷層或陷落柱時，使 煤層與灰?guī)r“對口”接觸或間距縮短時，可能對礦坑產(chǎn)生直 接充水或使巷道產(chǎn)生"底鼓”，成為井田間接充水含水層。3. 5斷裂構造對礦產(chǎn)充水影響井田內多數(shù)斷層在天然狀態(tài)下富水性弱、導水性差，當 井巷工程施工穿過斷層時，斷層裂隙帶地下水將進入礦井， 水量不大。但由于破壞了天然平衡狀態(tài)，使斷層的導水性增 大，若使主采煤層與富水層“對口”或“溝通”時，則有可 能產(chǎn)生突水。4礦井涌水量計算解析法是目前廣為采用的礦井涌水量預測方法之一，其 中以大井法應用最為廣泛，該法是把礦區(qū)水平坑道系統(tǒng)所占 的面

8、積等價于一個理想的“大井”面積，整個坑道系統(tǒng)的涌 水量就相當于“大井”的涌水量。比擬法是根據(jù)已知水文地質參數(shù)的礦井涌水量，通過相 似比擬關系，近似地推算相似水文地質參數(shù)礦井的涌水量， 是礦井涌水量預測的一種近似方法。4. 1解析法4. 1. 1公式選擇：根據(jù)充水因素分析，井巷開拓時，主 采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水將直接進入礦坑，煤層頂?shù)装迳皫r 裂隙水是礦井的直接充水水源，當水位降至一水平-700m時, 煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水不具有承壓性，此時地下水處于承壓 轉無壓水流狀態(tài)，故采用以下公式進行礦井涌水量預測：（2）（3）（4）式中：q礦井涌水量（m3/h）s水位降深值k滲透系數(shù)（m/d）m含水層厚度（

9、m）ho一含水層底板以上動水位高度，煤系砂巖水降至各煤 層底板時，h0=0 （m）r影響半徑（m）ro-"大井”引用半徑（m）r0 “大井”引用影響半徑（m）f主采煤層面積（m2）4.1.2參數(shù)選取。根據(jù)安徽省灘溪縣鄒莊井田煤炭勘 探報告，主采煤層滲透系數(shù)取k=0. 0611m/do4.1.3降深。水位降低值采用32煤和7、8煤頂、底板 砂巖裂隙含水層靜止水位標高與一水平開采標高（-700m） 之差。根據(jù)勘探報告，32煤和7、8煤頂、底板砂巖裂隙含 水層平均水位為15.27m。鄒莊井田水位降深值為：s=715. 27m。4.1.4含水層厚度。根據(jù)勘探報告，主采煤層含水層厚度為 31.

10、86mo4. 1.5其他參數(shù)：(1) 開采面積：本井田主采煤層82煤露頭至32煤層-700第一水平面積為10. 4km2o(2) 大井半徑(r0)及影響半徑(r)o根據(jù)式(2)和式(3),得本項目大井半徑r0= 1820m, 影響半徑r= 1768m,引用影響半徑r0二3588m。4.1.6礦井涌水量估算。根據(jù)公式(1)計算得，本項 目正常礦井涌水量為526m3/ho4.2比擬法4. 2. 1比擬條件：應用比擬法的前提條件是待測礦井與被比擬礦井的水文地質條件相似，且水文地質參數(shù)中存在著 可用相同數(shù)學表達式描述的物理量。鄒莊井田與桃園煤礦相鄰同屬宿縣礦區(qū)，兩礦地質構造、煤層、礦床水文地質條件基本

11、相似。因此,可利用桃煤礦相關資料預測本井田礦井涌水量。4. 2.2公式選擇：根據(jù)周邊礦井生產(chǎn)實踐，本區(qū)礦井涌水量與開采區(qū)面積及水位降深關系密切，因此可利用桃園煤 礦開采面積、水位降深資料，采用以下公式進行涌水量預測:式中：q0生產(chǎn)礦井實測礦井涌水量(m3/h)so生產(chǎn)礦井水位降低值4. 2.3桃園煤礦礦井涌水量：本文擬用桃園煤礦井19992005年礦井實際涌水量進行本井田涌水量預算計算。桃園煤礦的實測礦井涌水量情況見表lo根據(jù)表1,桃煤礦1999. 1-2005. 7年正常涌水量為320. 5m3/h,最大涌水量為503m3/ho4.2.4參數(shù)選?。禾覉@煤礦井巷圍圈面積為 f0=6. 34km

12、2o 一水平開采水位降深為s0二540m。鄒莊井田水位降深為715.27m,開采面積為10. 4km2o4. 2. 5比擬法計算結果：根據(jù)比擬法公式，計算本礦井正常涌水量為472m3/h,最大涌水量為741m3/ho5結果分析根據(jù)煤炭勘探報告及水文地質補充勘查報告，鄒莊井田 屬ii類二型礦床。井田范圍二疊系裂隙含水層裂隙不發(fā)育、 富水性弱，補給條件差，處于封閉或半封閉的水文地質環(huán)境, 地下水徑流緩慢。根據(jù)淮北礦區(qū)開采經(jīng)驗來看，該含水層一 般情況下對礦井安全生產(chǎn)不構成威脅。解析法是基于穩(wěn)定流理推導的地下水動力學計算公式， 它要求含水層分布無限，且含水層地下水有比較充分的補給 條件，最終可以達到補

13、排平衡狀態(tài)。而煤礦開采過程中礦井 涌水量補給源為煤系含水層，該含水層補給能力有限，隨著 開采持續(xù)開采引起降落漏斗范圍將不斷擴大，解析法與實際 情況存在一定偏差，因此解析法計算礦井涌水量與礦井實際 礦井涌水量存在差值。本文鄒莊礦井滲透系數(shù)及含水層厚度均根據(jù)水文地質 鉆孔資料獲得的是準確的數(shù)據(jù)，實際上受地層非均質各向異 性影響，含水層滲透系數(shù)及含水層厚度并非固定不變的，特 別是滲透系數(shù)隨鉆孔位置不同其數(shù)值也各不相同，而解析法 計算中沒有考慮這種情況，由此導致解析法計算礦井涌水量 與實際礦井涌水量存在一定偏差。桃園煤礦與鄒莊井田距離較近，且二者處于同一個大的 水文地質單元內，二者礦井涌水量具有一定的

14、相似性，采用 比擬法計算所得鄒莊礦井涌水量更符合鄒莊井田實際水文 地質條件。此外，與解析法相比，采用比擬法計算可避免水 文地質參數(shù)取值帶來的偏差，進而減少了計算誤差。結合周邊其他礦井生產(chǎn)實際，一般而言，解析法（大井 法）計算影響半徑偏小，計算的礦井涌水量普遍偏大，而比 擬法計算礦井涌水量與礦井實際涌水量相差較小，因此本文 推薦采用比擬法計算的礦井涌水量作為鄒莊礦井排水能力 設計依據(jù)。6結語解析法（大井法）預算礦井正常涌水量為526m3/h；比 擬法預算礦井正常涌水量為472m3/h,最大涌水量為741m3/ho礦井涌水量計算公式和參數(shù)選擇合理，兩種 方法預算正常涌水量結果近似，符合本井田水文地質條件和 實際水文地質資料反映的規(guī)律，但是由于比擬法計算結果更 接近礦井實際情況，建議采用比擬法計算結果作為本礦井排 水設計依據(jù)。參考文獻1 王秀蘭，等礦山水文地質學m.北京：煤炭工業(yè) 出版社，2007： 128-153.2 劉娟，楊國勇，等新驛煤