山東省金陽煤礦礦井水文地質特征分析及涌水量預測

趙蕻，謝興友

(1.山東省煤田地質局第一勘探隊,山東 滕州　277500；2.山東泰山地質勘查公司,山東 泰安　271000)

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山東省金陽煤礦礦井水文地質特征分析及涌水量預測

趙蕻1，2，謝興友1，2

(1.山東省煤田地質局第一勘探隊,山東 滕州277500；2.山東泰山地質勘查公司,山東 泰安271000)

該文分析了金陽煤礦礦井水文地質特征及充水因素，認為該礦井開采2，3煤層的直接充水水源為山西組3煤層頂板砂巖孔隙裂隙含水層。通過分析研究井下多年水文觀測數據和水文地質鉆孔分層抽水試驗獲取的基礎數據，采用“比擬法”對礦井涌水量進行了預算，確定出礦井的正常涌水量和最大涌水量，為礦井今后生產提供了科學依據，也為同類研究提供了實例。

水文地質條件；礦井涌水量預算；比擬法；金陽煤礦；山東寧陽

引文格式：趙蕻，謝興友.山東省金陽煤礦礦井水文地質特征分析及涌水量預測[J].山東國土資源，2015,31(8)：37-41.ZHAO Hong, XIE Xingyou. Hydrogeological Characteristics Analysis and Water Inflow Prediction of Jinyang Coal Mine in Shandong Province[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(8):37-41.

金陽煤礦位于寧汶煤田最東端的中深部地段，距寧陽縣城東北約6km，行政區劃隸屬寧陽縣葛石鎮。其范圍北起F9號斷層，南到F2-1號斷層，西以第9條勘探線與保安煤礦、亨達煤業、石橋煤礦為界，東至F16號斷層。東西走向長約3km、南北寬約2km，面積約6.1196km2。總體形態為一走向近EW的單斜構造，地層走向主要為近EW向，局部有偏轉，向S傾斜，傾角一般在3°～25°。為全隱蔽的華北型石炭、二疊系煤田，主要含煤地層為月門溝群的山西組和太原組，平均總厚度約為216.62m，共含煤20層，煤層平均總厚度13.33m，煤系和煤層沉積穩定。目前礦井主采3煤層，層厚0.79～12.65m，平均5.17m①。

1　礦井水文地質特征

寧陽煤田為一海拔+60～+90m的準平原，地表略有起伏，總的趨勢是東北高、西南低。地表水系簡單，除西部光河外，其他都是季節性小河，皆發源于東北部山區。雨季，這些河流對第四系潛水有補給作用。煤田東北、北、西北地帶廣泛出露太古宙片麻巖，寒武紀地層多呈零星孤山出露，奧陶紀地層僅在煤田東南部少有出露。奧灰在第四紀直接覆蓋下的部分和接近煤系地層露頭的部分，基本位于保安、伏山井田以北600～700m左右處，奧灰水接受第四紀砂層孔隙水的補給。

1.1含水層

區域內對金陽煤礦生產有影響的主要含水層有：第四紀砂層孔隙潛水，二疊紀山西組3煤層頂板底板砂巖孔隙裂隙含水層，石炭紀太原組三、十下灰含水層及奧灰含水層等。

1.1.1第四紀松散層孔隙潛水含水層

大部分被第四系表土覆蓋，厚度為0.50～35.05m，含砂1～4層，主要接受大氣降水補給。據民井簡易抽水試驗資料，單位涌水量1.06～8.08L/s·m，水位埋深1.00～5.00m。含水層富水性較強，但對煤層開采無影響。

1.1.2新近紀礫石層含水層

巖性以礫石、礫巖為主，含少量砂質粘土等，厚度120.25～454.65m，礫巖成分由石灰巖、石英砂巖、巖漿巖組成，基底式膠結。根據野外鉆孔和巷道揭露情況，此含水層補給條件不良，含水微弱，對煤層開采無影響。

1.1.3侏羅紀砂、礫巖層含水層

屬陸相沉積，主要由巨厚層狀紫紅色砂巖、含礫砂巖、礫巖組成，鉆孔揭露殘厚為45.24～538.90m。礫石多以石灰巖為主，鐵質、泥質、鈣質膠結。上部遇水易垮塌和破碎，鉆進中漏水嚴重，底部相對堅硬完整。含水層本身不含水，補給條件不良，富水性較弱。上部裂隙帶中存儲有極少量裂隙水。

1.1.4山西組3煤層頂底板砂巖孔隙裂隙含水層

根據已施工的48個鉆孔資料統計，3煤層頂板以粉砂巖為主，其次為細砂巖和中砂巖、粉細砂巖互層、泥巖、砂質泥巖。底板則以細砂巖、粉砂巖和粉細砂巖互層為主，其次為中砂巖和泥巖等。2013年，ZK1-1鉆孔對該含水層單孔抽水試驗一次[1]，含水層靜止水位深度67.55m，靜止水位標高+17.36m，單位涌水量為q=0.0003L/s·m，富水性弱。

該礦自1995年開采至今，最大涌水量不大于30m3/h，在巷道掘進中只出現少量的淋水、滴水，隨掘進的推進，淋水、滴水越來越小或自行消失，因此，3煤頂底板砂巖含水層為補給條件不良、富水性較弱的孔隙裂隙含水層。

1.1.5太原組三灰巖溶裂隙含水層

巖層厚度為1.95～4.55m，淺灰或灰白色，致密、堅硬。淺部溶穴裂隙發育，富水性相對較好。深部裂隙被方解石充填或半充填，富水性差，屬巖溶裂隙型承壓含水層。

礦區內沒有抽水試驗資料，根據鄰區資料，單位涌水量為0.001～0.551L/s·m，富水性弱至中等。從目前井下揭露三灰的情況看，裂隙被方解石充填或半充填，無溶洞，干燥無水，補給條件不良，富水性較差。

1.1.6太原組十下灰巖溶裂隙含水層

巖層平均4.34m左右，為16煤層的直接頂板，灰--深灰色，質純、致密、堅硬，厚度穩定。淺部和構造帶附近裂隙較發育，富水性較好，深部裂隙多被方解石充填，礦井內沒有抽水試驗資料，根據鄰區資料，單位涌水量為0.037～1.061L/s·m，富水性中等。根據礦區內鉆孔揭露資料，該含水層富水性不均勻，由東向西富水性逐漸增強。目前下組煤16，17煤層還未開采，沒有揭露十下灰，掌握的水文資料較少，但在大斷層附近，奧灰水有通過斷層帶對十下灰補給的可能性(圖1)。對下組煤開采有較大影響。

圖1　補1勘探線奧灰與煤層對接示意圖

1.1.7奧陶紀石灰巖含水層

礦區內奧灰最大揭露厚度為54.50m，灰白--淺灰--青灰色，質純、致密、堅硬，淺部巖溶裂隙較發育，屬溶洞裂隙型承壓含水層。對ZK1-1鉆孔進行奧灰單孔抽水試驗一次[1]，奧灰頂面深度820.51m，由于埋深較大，巖溶裂隙不發育，抽水時單位涌水量0.020L/s·m，靜止水位深度32.91m，靜止水位標高+52.00m，水位恢復較慢，含水層富水性較差。

但該礦西北方向相鄰菏澤茅莊煤礦，1978年在-100～-110m水平巷道通過斷層與奧灰導通發生3次突水，最大涌水量400m3/h，以后礦井涌水量呈逐年遞減趨勢，基本穩定在80m3/h左右。該次補充勘探施工7個鉆孔，有3個孔正常情況下揭露17煤和奧灰，17煤層下距奧灰頂板12.01～49.50m。該礦正斷層較發育，由于斷層的錯動，造成十下灰、16煤和17煤與奧灰的間距減小或直接對口接觸(圖1)，而淺部奧灰含水層富水性較強，因此，下組煤開采時有較大的突水可能，應注意防范。

1.2隔水層

礦井內隔水層主要有二疊紀石盒子群雜色泥巖、粉砂巖隔水層和17煤與奧灰頂界面之間巖層組成的隔水層組。

1.2.1二疊紀石盒子群泥巖、粉砂巖隔水層

巖性主要以雜色泥巖、灰--灰綠色粉砂巖為主，局部含薄層粘土質泥巖和細砂巖及中砂巖，巖層厚度占地層總厚度的53.82%。由于這些厚度較大的巖層形成較強隔水能力，使得大氣降水、第四紀砂層及上部基巖含水層水與石盒子群含水層水力聯系較弱，因此，多年井下開采礦井涌水量較小。

1.2.2山西組泥巖、粉砂巖隔水層

巖性主要以泥巖、粉砂巖為主，局部含薄層粘土質泥巖。隔水的泥巖和粉砂巖及煤層占山西組地層總厚度的86.5%，隔水作用較強，使得山西組砂巖含水層與其他基巖含水層基本無水力聯系，加上補給條件不良，因此，多年井下開采礦井涌水量一直較小。

1.2.317煤層下伏隔水層組

由17煤層與奧灰頂界面之間的泥巖、粉砂巖、鋁土巖組成。17煤至奧灰間距為12.01～49.50m，由于17煤層與奧灰含水層之間存在富水能力較強的十三灰，使得隔水層實際隔水厚度減小，隔水層隔水能力也大大減弱。另外，礦井內斷層發育，斷層錯動會造成奧灰含水層與十下灰含水層間距變小或對接，開采下組煤時，局部薄弱地帶不足以抵抗奧灰產生底鼓水的靜水壓力，可能產生底鼓水突水。

2　礦井充水因素分析

2.1充水水源

2.1.1直接充水水源

開采2，3煤層的直接充水水源為山西組煤層頂板砂巖孔隙裂隙含水層，但由于山西組砂巖不發育，補給條件差，山西組水量較小。

開采16煤層的直接充水水源為十下灰含水層。十下灰含水層本身富水性中等，但礦井西北部奧灰富水性較強，可通過斷裂構造成為下組煤的間接充水水源，使下組煤開采時礦井涌水量增大。

2.1.2間接充水水源

大氣降水對山西組砂巖有間接充水因素，但充水量極小。同時，大氣降水可通過一定的通道對深部含煤地層進行間接補給，成為下組煤的間接充水水源。

礦區內存在大面積采空區，經統計1995年礦井開采至2013年底，3煤層共產生采空區面積為45.89萬m2。但由于開采過程逐年均在每個采面回采結束后設有密閉墻，留有泄水孔，經井下實際探測，采空區積水量較小，大多數采空區基本上干燥無水[2]。

2.2充水途徑

2.2.1裂隙

礦區內的奧灰在地表出露，淺部巖石風化節理、裂隙發育，它們是地下水活動的良好通道，并溝通上覆含水層與含煤地層發生水力聯系。

2.2.2人為采礦冒落裂隙

煤層開采產生的大量采礦冒裂帶，會溝通上覆含水層與含煤地層的水力聯系，成為地下水活動的良好通道。根據該礦井資料計算，開采3煤層冒落帶最大高度為20m，導水裂隙帶最大高度為69m。由于山西組地層厚度不大，個別地方導水裂隙帶波及石盒子群底部，但石盒子群以隔水的泥巖、粉砂巖為主，充水途徑不暢通。

2.2.3斷層破碎帶

斷層破壞了地層的完整性、連續性，降低了巖石的力學強度，可能連通含煤地層中的強含水層并與之發生水力聯系。如SBF8斷層，造成了奧灰與十下灰對接，成為了下組煤開采的導水通道和補給水源。

2.3充水方式

由于礦井直接充水含水層露頭較少，接受大氣降水補給能力弱，含水性以弱含水層為主，充水通道主要以巖石原生和采礦節理、裂隙為主，規模一般不大，少量為斷層、老窯巷道、巖溶管道導水。因此，未來礦井充水方式主要以滲水、滴水、淋水為主，開采下組煤時在構造斷裂作用下局部可能發生突水。

3　礦井涌水量預測

3.1礦井涌水量構成

金陽煤礦目前開采上組煤山西組3煤層，礦井涌水量的構成主要有以下2個方面：井底車場東繞道出水點涌水量保持在23m3/h，井下防塵殘留水3m3/h，其他約3m3/h，礦井正常涌水量29m3/h。通過對該礦井1995年建井--2013年12月間礦井涌水量的觀測及研究發現，金陽煤礦上組煤埋藏較深，含水層補給條件不良，以靜儲量為主，礦井涌水量與大氣降水、巷道開采長度、生產產量關系都不大。開采多年，井下涌水量較小，水位也基本無變化，礦井涌水量僅隨著開采面積增大而有較少量增加(圖2)。

3.2礦井涌水量預測

該礦區構造復雜，斷層較多，煤層被斷層分割成了許多小的區塊，每個小塊都是斷層邊界，各塊之間不是均質的含水層。

圖2　礦井涌水量關系曲線圖

3.2.1計算范圍

該次礦井涌水量計算范圍是根據金陽煤礦提供的2014年擬采采掘工程平面圖來確定。2014年擬采3301,3321,3109 3個工作面；合計擬采面積25832m2，該礦井共形成采空區總面積為458928.48m2。

3.2.2公式選擇

金陽煤礦第一水平僅在3煤層中開采，未開采下組煤，其正常涌水量為26m3/h，最大涌水量36m3/h。該次上組煤礦井涌水量計算采用《水文地質手冊》中的比擬法：

式中：Q為預計礦井未來正常涌水量(m3/h)；Q1為礦井現今正常涌水量(m3/h)；F為未來礦井最大采空區面積(m2)；F1為礦井現有采空區面積(m2)。

3.2.3參數選擇

Q1=29.15m3/h(2013年平均礦井涌水量)；F1=458928.48m2(1995--2013年底采空區總面積)；F=484760.48m2(2014年預計最大采空區總面積)。

3.2.4礦井涌水量預算及結果分析

7將參數代入公式，得：Q=30.07≈30.00m3/h。

把Q=30.00m3/h作為該礦井開采上組煤的正常涌水量。考慮到礦井局部構造復雜，在接近奧灰地段有可能局部富水性強，綜合各種影響因素，理論上計算的礦井正常涌水量與實際上的最大水量會有一定的偏差，實際生產中涌水量有時可能會偏大。根據臨近礦井正常涌水量與最大涌水量的關系檢驗，結合該礦實際情況，建議上組煤開采時取礦井最大涌水量為正常涌水量的3倍，故最大涌水量為Q最大=90.00m3/h[3-5]。

4　結語

采用井下多年實際觀測數據，用比擬法預算出礦井正常涌水量Q正常=30.00m3/h，綜合各種因素影響并參考臨近礦井經驗值，得出該礦井最大涌水量Q最大=90.00m3/h，計算結果可靠性較大，可以用于礦井生產。

但金陽煤礦構造較為復雜，前期所取得的各種水文地質參數相對偏少，不能完全反映礦井各含水層的水文地質特征，且該礦井斷層較多，不同地段富水性有一定差異，實際礦井涌水量也會受雨季、采空區積水、斷層等因素影響，與預算的礦井涌水量結果必然會有一定偏差。因此，在礦井建設和生產過程中要進一步加強礦井水文觀測工作，尤其是以后在開采下組煤時要及時測定十下灰、奧灰安全水頭壓力值，依據更加豐富系統的實測資料及時修正礦井涌水量，確保礦井安全生產。

[1]薛禹群,朱學愚.地下水動力學[M].北京:地質出版社,1978.

[2]沈繼方,于青春,胡章喜,等.礦床水文地質學[M].武漢:中國地質大學出版社,1992.

[3]孫茂田,張忠濤.蒼山縣大青山鐵礦礦床水文地質特征與用水量預測[J].山東國土資源,2015,31(2):19-23.

[4]別立珍.萬福礦井充水水源分析及礦井涌水量預計[J].山東國土資源,2014,30(3):75-78.

[5]朱昶,劉懷思.山東省郗山稀土礦區西部水文地質條件分析[J].山東國土資源,2013,29(5):26-31.

Hydrogeological Characteristics Analysis and Water Inflow Prediction of Jinyang Coal Mine in Shandong Province

ZHAO Hong1, 2, XIE Xingyou1, 2

(1. No.1 Exploration Brigade of Shandong Coalfield Geology Bureau，Shandong Tengzhou 277500, China；2. Shandong Taishan Geological Surveying Company，Shandong Tai'an 271000, China)

In this paper, hydrogeological characteristics and water filling factors of Jinyang coal mine have been analyzed. It is thought that direct water filling source of No.2 and No.3 coal layers are sandstone pore fissure aquifer in the roof of No.3 coal layer in Shanxi group. Through analysis and research on hydrological observation data and hydrological geology drilling hierarchical datas in many years, by using the "analogy method", water inflow amount has been predicated, normal water inflow amount and the maxmium water inflow amount have been determined. It will provide scientific basis and examples for similar research in mines.

Hydrogeology conditions; mine water inflow predication; analogy method; Jinyang coal mine; Ningyang in Shandong province

2015-06-04；

2015-06-18；編輯：王敏

趙蕻(1982--)，女，湖南湘潭人，工程師，主要從事煤田地質、水文地質勘探工作；E-mail：zhaohong2113@126.com

TD742

B

①山東泰山地質勘查公司,山東省寧陽煤田石集(金陽)煤礦資源儲量核實報告(核實基準日：2014年12月31日),2015年。