袁店煤礦水文地質(zhì)條件分析及涌水量估算

摘 要：在對(duì)袁店一礦水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用地下水動(dòng)力學(xué)法和水文地質(zhì)比擬法對(duì)其進(jìn)行礦井涌水量估算。兩種方法估算的礦井涌水量結(jié)果相差不大。基本符合該礦水文地質(zhì)條件反映的規(guī)律。估算結(jié)果可以為該礦井生產(chǎn)提供參考資料。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì)條件 涌水量估算 地下水動(dòng)力學(xué)法 水文地質(zhì)比擬法

中圖分類號(hào)：TD742.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）07（b）-0077-03

1 井田概況

袁店一井位于淮北平原中部，區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦。本井含煤地層為石炭～二疊系。二疊系含煤地層分下統(tǒng)山西組、下石盒子組和上統(tǒng)上石盒子組，32、51、63、72、81、82、10等7層為可采煤層，本礦井總體上為一走向北北西，傾向北東的單斜斷塊，次級(jí)褶曲較發(fā)育，走向上地層線表現(xiàn)為波浪狀。

2 井田水文地質(zhì)條件

袁店一井為第三、四系松散層復(fù)蓋下的全隱蔽礦床。地下水含水層可根據(jù)其賦存介質(zhì)特征進(jìn)一步劃分第三、四系松散層孔隙含水層、二疊系煤系砂巖裂隙含水層（段）和煤系下伏石灰?guī)r巖溶裂隙含水層（段）。

2.1 新生界松散層含、隔水層（組）

袁店一井新生界松散層按其巖性組合特征及其與區(qū)域水文地質(zhì)剖面對(duì)比，自上而下可劃分為四個(gè)含水層（組）和三個(gè)隔水層（組）。

（1）第一含水層。分布穩(wěn)定，水質(zhì)較好，富水性較強(qiáng)，開采條件簡(jiǎn)單。

（2）第一隔水層。分布較穩(wěn)定，一般隔水性能較好，但在局部地帶隔水層較薄，使其具有弱透水性。

（3）第二含水層。分布不穩(wěn)定，厚度變化大且薄。局部地段僅有相應(yīng)的層位，無(wú)明顯的含水砂層存在。

（4）第二隔水層。分布較穩(wěn)定，隔水性能一般較好，但局部隔水層薄弱地帶隔水性能較弱。

（5）第三含水層。本層中部有一厚層粘土將其分為上、下段；上段局部有溶蝕現(xiàn)象；砂層單層厚度大，富水性較強(qiáng)。下段富水性較弱。

（6）第三隔水層。粘土類可塑性好，膨脹性強(qiáng)，厚度大，分布穩(wěn)定，隔水性良好，是區(qū)域及本礦重要的隔水層。

（7）第四含水層。從總體上看四含巖性泥質(zhì)含量高，滲透性差，補(bǔ)給條件較差，一般富水性弱。

2.2 二疊系煤系含、隔水層（段）

二疊系巖性由砂巖、泥巖、粉砂巖、煤層等組成，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料及主采煤層賦存的位置關(guān)系、裂隙發(fā)育程度劃分為三個(gè)含水層（段）和四個(gè)隔水層（段）。

（1）3煤上隔水層（段）。本層段上部為風(fēng)氧化帶，泥巖強(qiáng)烈風(fēng)化后呈高嶺土狀，增加其隔水能力，砂巖風(fēng)化后裂隙發(fā)育，減弱其隔水能力。

（2）3～4煤間砂巖（K3）裂隙含水層（段）。該含水層除在局部地段富水性較強(qiáng)外，總體上富水性弱至中等。

（3）4～6煤間隔水層（段）。巖性致密完整，裂隙不發(fā)育，隔水性能較好。

（4）7～8煤上、下砂巖裂隙含水層（段）。該含層（段）處于封閉～半封閉環(huán)境，以儲(chǔ)存量為主，是開采7～8煤層的礦井直接充水含水層。

（5）8煤下隔水層（段）。巖性致密，隔水性能較好。

（6）10煤頂、底板砂巖裂隙含水層（段）。該層不與其它含水豐富的含水層發(fā)生水力聯(lián)系時(shí)，水量小且易于疏干。但若遇斷層使其與下部的太灰、奧灰?guī)r溶水溝通時(shí)，則突水量相對(duì)較大。

（7）10煤下至太原組一灰頂隔水層（段）。在一般情況下開采10煤時(shí)此層（段）能起到隔水作用，但局部地段由于受斷層影響，隔水層厚度變薄甚至消失，巖芯破碎，隔水能力降低。

2.3 太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層（段）

太原組巖性由石灰?guī)r、泥巖、粉砂巖及薄煤層組成，以石灰?guī)r為主。地太灰?guī)r溶裂隙發(fā)育不均一，富水性差異較大，但總的來(lái)看太灰是區(qū)內(nèi)含水比較豐富的含水層（段），是威脅10煤開采安全的主要水源。

3 礦井涌水量預(yù)測(cè)

3.1 涌水量估算范圍、方法及公式選擇

涌水量估算范圍主要是一水平（基巖風(fēng)氧化帶下限～-748m）范圍。根據(jù)袁店一井水文地質(zhì)條件和礦井充水因素分析，礦井充水水源主要是主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水，四含水作為主要補(bǔ)給水源、太灰可能會(huì)產(chǎn)生突水。因此對(duì)這三部分水量分別予以估算，估算方法采用地下水動(dòng)力學(xué)公式法及水文地質(zhì)比擬法。

3.1.1 地下水動(dòng)力學(xué)估算公式

承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓雙側(cè)進(jìn)水水平完整巷道裘布依公式：

Q= （1）

承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓完整井裘布依公式：

Q= （2）

井底進(jìn)水的非完整井裘布依公式：

Q= （3）

吉哈爾經(jīng)驗(yàn)公式：

R= （4）

“大井”影響半徑估算公式：

r0= （5）

“大井”引用影響半徑估算公式：

R0=R+r0 （6）

3.1.2 水文地質(zhì)比擬法公式

單位涌水量比擬公式：

Q=Q0lnS/lnS0 （7）

公式中各字母的含義及單位：

Q為預(yù)計(jì)礦井涌水量（m3/h）；

H為承壓含水層隔水層底板至承壓水位的距離，在數(shù)值上H=S（m）；

S為水位降低值（m）；

K為滲透參數(shù)（m/d）；

M為含水層厚度（m）；

B為進(jìn)水廊道長(zhǎng)度（m）；

h0為含水層底板以上動(dòng)水位高度，四含水降至其底板或煤系砂巖水降至各煤層底板時(shí)，h0=0（m）；

R為影響半徑（m）；

r0為“大井”引用半徑（m）；

R0為“大井”引用影響半徑（m）；

F為主采煤層面積（m2）；

F0為生產(chǎn)礦井采空區(qū)面積（m2）；

Q0為生產(chǎn)礦井實(shí)測(cè)礦井涌水量（m3/h）。

3.2 礦井涌水量估算

3.2.1 新生界松散層第四含水層（組）孔隙水涌水量估算

當(dāng)四含地下水位降至其底板時(shí)，地下水處于承壓～無(wú)壓水流狀態(tài)，故估算涌水量時(shí)采用承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓雙側(cè)進(jìn)水水平完整巷道公式。

四含滲透系數(shù)采用04-98孔及相鄰五溝礦308孔抽水試驗(yàn)取得的滲透系數(shù)的加權(quán)平均值，即

KCP==0.3766（m/d）

四含水頭高度H值采用四含底板埋深256.30 m與四含水位埋深12.40 m的差值，即H=243.90 m。

袁店一井32煤層露頭帶長(zhǎng)度最大，走向露頭帶長(zhǎng)度約3100 m，四含平均厚度6.0 m。

選用上述參數(shù)利用公式（1）、（4），估算四含水沿主采煤層露頭采空冒裂帶裂隙進(jìn)入礦井的涌水量，結(jié)果見表1。

3.2.2 主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水進(jìn)入礦井的涌水量

由袁店一井水文地質(zhì)條件分析，主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層是礦井的直接充水水源。當(dāng)承壓水頭H值降至含水層底板時(shí)，h0=0，地下水處于承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓水流狀態(tài)，故估算涌水量時(shí)采用承壓～無(wú)壓完整井公式。

導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式：

計(jì)算袁店一井主采煤層開采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度為21.00～41.0 m。根據(jù)淮北各礦實(shí)際開采資料，煤層底板開采破壞深度在12 m左右。故采集含水層厚度數(shù)據(jù)時(shí)一般考慮到煤層頂板40 m左右。

淮北各礦生產(chǎn)實(shí)際資料，礦井涌水量多數(shù)穩(wěn)定在一水平開拓面積1/3～1/5范圍內(nèi)，故礦井涌水量的估算面積采用一水平資源量估算面積的1/4。

（1）利用地下水動(dòng)力學(xué)公式法估算礦井涌水量。

①3～4煤間砂巖裂隙含水層（段）涌水量估算。

32煤一水平（風(fēng)氧化帶下限～-748 m）儲(chǔ)量估算面積為13094820 m2

故F=13094820/4=3273705 m2

靜止水位標(biāo)高采用檢1、檢2孔抽水試驗(yàn)取得靜止水位標(biāo)高的平均值-8.241 m，一水平標(biāo)高-250～-748 m，平均-499 m左右，水頭高度H值采用一水平平均標(biāo)高-499 m與靜止水位標(biāo)高-8.241m的差值即H=490.759 m。

含水層厚度M=21.90 m。

滲透系數(shù)采用檢1、檢2孔抽水試驗(yàn)取得滲透系數(shù)的加權(quán)平均值即

KCP==0.01581（m/d）。

利用上述參數(shù)及公式（2）、（4）、（5）、（6）估算3～4煤間砂巖裂隙水進(jìn)入礦井的涌水量，估算結(jié)果見表2。

②7-8煤上、下砂巖裂隙含水層（段）涌水量估算。

72、81、82煤層一水平（風(fēng)氧化帶下限～-748 m）儲(chǔ)量面積相比較，82煤儲(chǔ)量估算面積較大。故F值采用82煤層儲(chǔ)量估算面積12459912 m2的1/4，即F=3114978 m2；

水頭高度H值采用一水平平均標(biāo)高-499 m與04-70、04-51、南風(fēng)檢孔對(duì)7-8煤砂巖裂隙含水層抽水試驗(yàn)段取得平均靜止水位標(biāo)高+14.145 m的差值，即H=14.145+499=513.145 m。

含水層厚度M=15.40 m。

滲透系數(shù)采用04-70、04-51、南風(fēng)檢孔抽水試驗(yàn)取得滲透系數(shù)的加權(quán)平均值，即

KCP=（m/d）

采用上述參數(shù)及公式（2）、（4）、（5）、（6）7-8煤上、下砂巖裂隙水進(jìn)入礦井的涌水量，估算結(jié)果見表3。

③10煤頂?shù)装迳皫r裂隙含水層（段）涌水量估算。

F值采用10煤一水平（風(fēng)化帶下限～-748 m）儲(chǔ)量估算面積14367918 m2的1/4，即F=3591980 m2。

04-67、檢3孔抽水試驗(yàn)取得的平均靜止水位標(biāo)高為4.613 m，水頭高度H值采用一水平平均標(biāo)高-499 m與靜止水位標(biāo)高4.613 m的差值。H=503.613 m。

含水層厚度M=21.30 m。

滲透系數(shù)采用04-67、檢3孔及相鄰袁店二井04-17對(duì)10煤層砂巖裂隙含水層段抽水試驗(yàn)取得滲透系數(shù)的加權(quán)平均值，即：

KCP=（m/d）。

采用上述參數(shù)及公式（2）、 （4）、（5）、（6）估算10煤層頂、底板砂巖裂隙水進(jìn)入礦井的涌水量，結(jié)果見表4。

礦井總涌水量為3～4煤間、7-8煤上下、10煤頂?shù)装迳皫r裂隙含水層涌水量之和：即ΣQⅡ=92+136+131=359 m3/h。

（2）水文地質(zhì)比擬法估算礦井涌水量。

①比擬條件。

臨近的童亭礦水文地質(zhì)條件與本井水文地質(zhì)條件基本相似，故礦井涌水量可以用童亭礦礦實(shí)測(cè)涌水量進(jìn)行比擬。

②比擬參數(shù)的選擇。

童亭礦的實(shí)測(cè)礦井平均正常涌水量為374.60 m3/h，最大涌水量為558.10 m3/h，目前童亭礦為一、二水平聯(lián)合開采，開采水平標(biāo)高為-400～-620 m，主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層（段）靜止水位標(biāo)高平均-57.67 m，水位降低S=452.33 m，采空區(qū)面積3.4 km2。

袁店一井檢1、檢2、檢3、南風(fēng)檢、04-51、04-67、04-70孔抽水試驗(yàn)平均靜止水位標(biāo)高5.018 m，S值為一水平平均標(biāo)高-499 m與靜止水位標(biāo)高5.018 m的差值，S=504.018 m。

32、72、81、82、10煤層一水平儲(chǔ)量估算面積中10煤層儲(chǔ)量估算面積最大，故比擬法估算涌水量時(shí)面積F值采用10煤層一水平儲(chǔ)量估算面積的1/4，即F=3.59198 km2。

利用上述參數(shù)及公式（7）估算礦井正常涌水量和最大涌水量，估算結(jié)果見表5。

4 結(jié)論

（1）估算新生界松散層第四含水層（組）涌水量為94 m3/h，在留設(shè)一定防水煤柱的情況下，只要采空冒裂帶不波及四含，其地下水不會(huì)直接進(jìn)入礦井，故此涌水量不計(jì)入礦井正常涌水量?jī)?nèi)，供留設(shè)防水煤柱的參考。

（2）采用地下水動(dòng)力學(xué)法估算礦井一水平正常涌水量為359 m3/h；采用水文地質(zhì)比擬法估算礦井一水平正常涌水量為392 m3/h，最大涌水量為584 m3/h。兩種方法估算的礦井涌水量結(jié)果相差不大。礦井涌水量估算公式和參數(shù)選擇合理，基本符合該礦水文地質(zhì)條件反映的規(guī)律。

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