五溝煤礦西三采區(qū)及1031工作面涌水量預(yù)測(cè)

趙祥龍+許光泉+常靖靖

作者簡(jiǎn)介：趙祥龍（1990—），男，安徽淮北人,安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院碩士研究生。中圖分類號(hào)：TD725文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944(2014)05016903

1引言

五溝煤礦位于宿南臨海童中部,童亭背斜西翼中段,以向斜為主的復(fù)式褶皺構(gòu)造,向斜軸呈反S形,向斜西翼地層走向西北,近南北,東翼地層走向東北,地層傾角為10~20°。礦井范圍內(nèi)落差大于等于10m的斷層29條,均為正斷層。其中落差大于100m的斷層7條,落差介于50~100m間的斷層有2條,落差介于30~50m間斷層4條,落差小于30m的斷層16條;小于10m的斷層199條,斷層的走向多為東北向,僅為礦井的北部邊界近東西向的五溝斷層。西三采區(qū)位于井田北部F3斷層和五溝斷層之間。采區(qū)范圍內(nèi)處存在露頭區(qū)外,其四周及內(nèi)部斷層較為發(fā)育,主要斷層為F13、F3、F16、F2和五溝邊界斷層等,具體如表1,斷層走向多為北東向,只有邊界五溝斷層和F16斷層為近東西向［1］。

表1西三采區(qū)內(nèi)主要斷層一覽表

名稱性質(zhì)走向傾向傾角/°落差/m區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度/km五溝斷層正EWS70>4005.0F13正NENW7040-1205.0F2正NESE700-602.0F3正NENW7020-1004.0F16正EWS7080-1002.5

2水文地質(zhì)特征

2.1主要含水層

第三、四系新生界松散層孔隙含水層、二疊系煤系砂巖裂隙含水層和石炭系和奧陶系巖溶裂隙含水層。

2.1.1第三隔水層(組)

該層厚度大,分布穩(wěn)定,隔水性良好,是區(qū)域及煤礦內(nèi)重要的隔水層(組),阻隔了上覆各松散含水層地下水及地表水、大氣降水與下部煤系地層之間的水力聯(lián)系。

2.1.2第四含水層(組)

該層厚度18.00m,受古地形控制,由北向南、由東西兩側(cè)向中部逐漸增厚。目前,童亭背斜范圍內(nèi)的四含水位標(biāo)高達(dá)-195.00m。因此,它是礦井主要充水水源之一。

2.1.3二疊系煤系含、隔水層

該層劃分為三個(gè)含水層(段),即3煤層上、下砂巖(K3)裂隙含水層(段);7~8煤層上、下砂巖裂隙含水層(段);10煤層上、下砂巖裂隙含水層(段)。以4個(gè)隔水層(段),即3煤層上隔水層(段)、4煤層上、下隔水層(段)、8煤層下隔水層(段)以及10煤層下至太原組一灰間隔水層(段)。

2.4太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層

井田內(nèi)共有105個(gè)鉆孔揭露太原組地層,最大揭露厚度為132.40m(30-11孔),多數(shù)鉆孔僅揭露1~2層灰?guī)r,少數(shù)鉆孔揭露下部灰?guī)r。地層巖性為石灰?guī)r、泥巖、粉砂巖及薄煤層等。以石灰?guī)r為主,石灰?guī)r多達(dá)11~12層,單層灰?guī)r厚約為0.25~25.69m,總厚58m左右。

2.2充水水源

(1)在淺部煤層開(kāi)采時(shí),新生界松散層底部的“四含”水。它可通過(guò)淺部露頭風(fēng)化裂隙、冒落帶或裂縫帶進(jìn)入工作面,或間接補(bǔ)給煤層頂板砂巖裂隙含水層,然后進(jìn)入礦井。“四含”水是淺部煤層開(kāi)采時(shí)礦井充水水源之一。

(2)各主采煤層頂、底板砂巖裂隙水。它是礦井充水的直接水源。由于砂巖裂隙發(fā)育具有不均一性,一般富水性較弱。地下水處于封閉~半封閉環(huán)境,補(bǔ)給條件差,以儲(chǔ)存量為主。淮北煤礦生產(chǎn)實(shí)踐表明,此含水層在不與其他含水豐富的含水層(組)發(fā)生水力聯(lián)系時(shí),一般水量不大,易于疏干,對(duì)礦井生產(chǎn)不會(huì)構(gòu)成大的水患威脅。

(3)底板灰?guī)r水。10煤層開(kāi)采后,底板太原組灰?guī)r含水層、奧陶系灰?guī)r含水層通過(guò)不同導(dǎo)水通道,進(jìn)入礦井,也是目前礦井最主要的充水水源。

(4)采空區(qū)水。南區(qū)工作面開(kāi)采后,從采空頂板的砂巖水和底板的灰?guī)r水,形成了采空區(qū)水,目前涌水量為80~100m3/h。

2.3充水通道

(1)自然的斷層、裂隙通道。井田內(nèi)發(fā)育大小不同尺度的斷層有200余條,切割和錯(cuò)斷不同的含水層,使得含水層中的水通過(guò)構(gòu)造裂隙進(jìn)入礦井,主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面:①斷層及其兩側(cè)裂隙,不僅為地下水創(chuàng)造了良好的儲(chǔ)水空間;同時(shí)也是礦井地下水充水通道。生產(chǎn)實(shí)踐表明,一些較大的斷層帶本身雖然富水性弱,導(dǎo)水性差,巷道通過(guò)時(shí)多數(shù)沒(méi)有發(fā)生突水現(xiàn)象,但是在其兩側(cè)派生的一些低次序的小斷層或裂隙帶,往往含水豐富,導(dǎo)水性強(qiáng)。②斷層受采動(dòng)影響,局部可能“活化”,通過(guò)裂隙擴(kuò)展和延伸進(jìn)一步擴(kuò)大了地下水的賦存空間。③構(gòu)造裂隙發(fā)育具有分帶性和各向異性,使地下水變化呈現(xiàn)一定規(guī)律性。④斷層的錯(cuò)動(dòng),導(dǎo)致灰?guī)r含水層與煤系地層“對(duì)接”,斷層的深度延伸,導(dǎo)致灰?guī)r巖溶裂隙水對(duì)礦井直接充水,另外,灰?guī)r水壓大,水量豐富,易于造成突水災(zāi)害。

(2)受開(kāi)采影響的人工通道。受人工開(kāi)采影響,煤層頂板發(fā)育了冒落帶和裂縫帶人工裂隙通道,它往往導(dǎo)致煤層上方含水介質(zhì)中的水進(jìn)入工作面。

(3)舊鉆孔。井田內(nèi)封堵不良的舊鉆孔,也是很重要的通道之一。

3涌水量預(yù)測(cè)

通過(guò)分析五溝礦西三采區(qū)水文地質(zhì)條件及充水因素,其涌水量除頂、底板砂巖水外,主要充水水源為底板灰?guī)r水。

3.1涌水量計(jì)算方法

根據(jù)鉆孔探放水試驗(yàn)資料,含水層厚度及滲透系數(shù)運(yùn)用大井法來(lái)涌水量預(yù)測(cè),采用裘布依承壓-無(wú)壓水公式,按計(jì)算公式(1)~(4)進(jìn)行計(jì)算。

Q=2.73KMSlgR0r0(1)

R=10SK(2)

r0=ηa+b4(3)

R0=r0+R(4)

式中,K為太原組灰?guī)r滲透系數(shù),m/d,參考本次放水試驗(yàn)?zāi)M計(jì)算成果;M為太原組灰?guī)r厚度(m),利用地面鉆孔和井下放水孔資料,取平均值;S為水位降深,m,采區(qū)或工作面的最大降深;a為采區(qū)或工作面的走向長(zhǎng)度,m;b為采區(qū)或工作面的走向?qū)挾?m;η為系數(shù):根據(jù)b/a值,查表2。r0為大井半徑,m;R為影響半徑,m;R0為太原組大井引用半徑。

表2b/a與η關(guān)系

b/a00.200.400.600.801.00η1.001.121.141.161.181.18

3.2參數(shù)選取

3.2.1滲透系數(shù)的選擇

分析鉆孔探放水資料測(cè)得的滲透系數(shù)為000384~00663m/d,最大值為00663m/d,最小值為000384m/d,平均值為00312m/d;結(jié)合水1、水6鉆孔抽水試驗(yàn)資料求得的滲透系數(shù)00311m/d、00189m/d,平均值為0025 m/d,如表3。

工作面降深:最低標(biāo)高為-610m,擬計(jì)算灰?guī)r水位降至工作面底板時(shí)為工作面安全開(kāi)采水位,故工作面最大降深為-8047-(-610)=52953m。

3.2.2引用半徑

引用半徑r0的計(jì)算公式為:

r0=η+a+b4。(5)

表3西三采區(qū)實(shí)見(jiàn)鉆孔及降深值m

孔號(hào)XY地面標(biāo)高10煤底板

標(biāo)高降深含水層

厚度平均

厚度水639463291.633713067.7827.38-254.13173.6648.6040.5328-1339463729.383713506.2527.35-325.32244.8536.00補(bǔ)1039465552.313714134.1227.20-663.80583.3336.99

對(duì)于該采區(qū),a=218042m,b=50025m,b/a=023,η=113,即r0=75729m;對(duì)于1031工作面,a=183039m,b=18406m,b/a=01,η=110,即r0=55397m。

3.2.3引用影響半徑

引用影響半徑R0的計(jì)算公式為:

R0=r0+R(6)

R=10SK(7)

采區(qū)內(nèi)灰?guī)r水位降至10煤底板標(biāo)高,最大降深為58333m;工作面最大降深為52953m。灰?guī)r含水層滲透系數(shù)分別取最大、最小和平均值進(jìn)行計(jì)算得到采區(qū)、工作面的R、R0值,如表4。

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表4采區(qū)涌水量計(jì)算參數(shù)

范圍降深S

/m含水層厚

度M/m滲透系數(shù)

K/(m/d)影響半徑

R/m引用半徑

R0/m西三采區(qū)583.3340.53最大值0.0661502.002259.29最小值0.004361.481118.77平均值0.0311031.031788.321031工作面553.9740.53最大值0.0661363.481917.45最小值0.004328.14882.11平均值0.031935.941489.91

3.3計(jì)算結(jié)果

西三采區(qū)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜,尤其是采區(qū)內(nèi)斷層分布較多且某些斷層落差較大,引起灰?guī)r含水層與煤層對(duì)接,對(duì)開(kāi)采產(chǎn)生水害威脅。

結(jié)合本礦井和西三采區(qū)工作面水文地質(zhì)條件,結(jié)合采區(qū)內(nèi)主要充水因素分析,利用公式(1)、(2)、(3)、(4)分別計(jì)算了西三采區(qū)及1031工作面的涌水量,如表5所示。

表5采區(qū)及工作面涌水量計(jì)算結(jié)果

范圍滲透系數(shù)

K(m/d)影響半徑

R/m引用半徑

R0/m涌水量

Q/(m3/h)西三采區(qū)最大值0.0661502.002259.29375.60最小值0.004361.481118.7760.93平均值0.0311031.031788.32225.131031工作面最大值0.0661363.481917.45300.16最小值0.004328.14882.1146.40平均值0.031935.941489.91177.50

由表5看出,采區(qū)內(nèi)最大涌水量為37560m3/h,最小值為6093m3/h,平均值為22513m3/h;1031工作面最大涌水量為30016m3/h,最小值為4640m3/h,平均值為17750m3/h。

4結(jié)語(yǔ)

在詳細(xì)調(diào)查該礦井水文地質(zhì)條件特征的基礎(chǔ)上,采2014年5月Journal of Green Science and Technology第5期阮淑嫻,等：徐兗、兩淮地區(qū)采煤塌陷水域環(huán)境現(xiàn)狀和綜合利用調(diào)查環(huán)境與安全

徐兗、兩淮地區(qū)采煤塌陷水域環(huán)境現(xiàn)狀和綜合

利用調(diào)查

阮淑嫻,范廷玉

（安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院,淮南 232001）

摘要：分析了我國(guó)主要采煤塌陷區(qū)徐兗、兩淮地區(qū)塌陷水域的環(huán)境現(xiàn)狀以及塌陷水域水資源的利用情況,并提出了優(yōu)化水資源綜合利用的措施。

關(guān)鍵詞：采煤塌陷水域;水資源現(xiàn)狀;綜合利用

中圖分類號(hào)：X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944(2014)05017104

1引言

我國(guó)的采煤沉陷土地主要分布在黃淮海平原的開(kāi)灤、淮南、淮北、徐州、平頂山、兗州等礦區(qū)。目前我國(guó)每年因地下采煤造成的地表塌陷面積約1.30萬(wàn)hm2,其中一半以上集中在平原地區(qū),尤其是徐兗、兩淮地區(qū)。采煤塌陷地的形成是因?yàn)殡S著采煤量的增加,煤層上覆巖層的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞,依次發(fā)生冒落、斷裂、彎曲等移動(dòng)變形,最終涉及地表形成一個(gè)比采空區(qū)面積大得多的近似橢圓形的下沉盆地。而在徐兗、兩淮等地勢(shì)平坦、排水不暢的平原地區(qū)煤層傾角小,松散沉積層厚度大,潛水位較高,又由于局部地塊的塌陷,使地面較周?chē)乇淼?地表水位低于地下前水位,最終形成深淺不等,大小不一的各自封閉的塌陷積水區(qū)。在河流改道、降水等因素的綜合影響下,徐兗、兩淮礦區(qū)采煤塌陷地在物理性狀上呈現(xiàn)為長(zhǎng)期積水地和沼澤地。隨降水、地形、煤層賦存條件等的遞變,塌陷積水面積與積水深度逐漸增大,塌陷干旱地和季節(jié)性積水塌陷地面積逐漸減少,塌陷沼澤地勢(shì)平坦地和常年淺積水與深積水塌陷地面積逐漸增大。

2徐兗、兩淮地區(qū)采煤塌陷水域的現(xiàn)狀

2.1徐兗、兩淮地區(qū)采煤塌陷區(qū)基本概況

2.1.1淮北采煤塌陷區(qū)

淮北煤礦區(qū)位于安徽省北部的淮北市?；幢钡V區(qū)［2］煤炭資源儲(chǔ)量豐富,煤田分布廣,縱橫綿延100km,礦區(qū)面積9600km2,累計(jì)探明儲(chǔ)量80.47億t,平均可采煤層3~7層,可采總厚度5.5~13m。自1958年開(kāi)采以來(lái),淮北煤礦已生產(chǎn)原煤3.4×108t,年產(chǎn)原煤1.8×107t,是華北地區(qū)的重要能源城市、國(guó)家五大煤炭基地之一。截至2006年,淮北市因采煤而造成的地標(biāo)沉陷影響面積為17233hm2,地表呈現(xiàn)積水面積為5620hm2。由于淮北煤田內(nèi)可采煤層多而厚,而且大多采用走向長(zhǎng)壁冒落法采煤,致使地表大規(guī)模移動(dòng)變形,每萬(wàn)噸煤的塌陷地系數(shù)［3］在45~55之間,形成38處大小不等、深淺不一的封閉式湖泊,積水深度從3.85m至9.10m不等,豐水期積水面積1.2×104hm2,枯水期積水面積087×104hm2。據(jù)淮北市國(guó)土資源局調(diào)查,隨著煤田的繼續(xù)開(kāi)采,全市采煤塌陷土地面積每年仍以近以每年670hm2的塌陷速度遞增。故計(jì)到2010年,面積將達(dá)到2萬(wàn)hm2以上,地表沉陷面積不斷延展,沉陷深度不斷增加,降雨及埋藏較淺的地下水出露使沉陷區(qū)部分形成常年積水水域?；幢笔校?］采煤沉陷區(qū)在平面分布形成了5大湖片區(qū),涉及14個(gè)礦區(qū)。根據(jù)2006年調(diào)查和測(cè)量成果,淮北市境內(nèi)常年水面面積在1hm2以上的采煤沉陷區(qū)多達(dá)212處,分布于14個(gè)礦區(qū),水面面積約31km2,相應(yīng)可蓄水容積約7320萬(wàn)m3。

2.1.2淮南采煤塌陷區(qū)

淮南市位于安徽省的中北部,是一座以煤炭資源為主的能源城市。

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