邹庄煤矿水文地质特征矿井涌水量预测

摘 要：文章利用邹庄矿井水文地质资料,对矿井水文地质条件进行了分析研究,采用解析法,预测主采煤层（3、7、8煤）开采过程中的矿井涌水量,同时采用水文地质比拟法,利用水文地质条件与该矿相似的桃园煤矿的资料,预测了该矿井开采过程中的涌水量,最后分析了两种计算方法的优缺点,选择比拟法作为开采防水设计的参考.

关 键 词：邹庄煤矿；水文地质；矿井涌水量；预测解析法；比拟法

中图分类号：P641文献标识码：A文章编号：1009-2374（2013）34-0104-03

涌水量预测是对矿井充水条件的定量评价,也是对矿井需要排出水量的估计.矿井涌水量的大小是反映一定条件下,矿井充水程度的定量指标,是井田开采设计中制定防治水方案的依据.

本文以邹庄煤矿为例,分别采用解析法和比拟法两种方法对该煤矿矿井涌水量进行预测,并对两种预测结果进行综合分析,从而寻找较符合本矿井实际情况的矿井涌水量,为今后防治水措施的制定提供依据.

1井田概况

邹庄井田位于淮北市濉溪县南坪镇、双堆集镇,北距濉溪县50km,东北距宿州市25km.

井田内地势平坦,地形简单,地貌类型单一,主要为河间平地.区域地层从老到新发育有太古界-元古界,古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系,中生界三叠系,新生界第三、四系.

2井田水文地质条件

2.1井田水文地质概况

根据地层岩石的含水条件、含水赋存空间分布,井田内可划分为新生界松散层孔隙含水层（组）、二叠系主采煤层砂岩裂隙含水层（段）、太原组及奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层（段）三类.

新生界松散孔隙含水层可细分为新生界第一、二、三、四共四个含水层组,除第四含水层组直接覆盖在煤系之上外.第一、二、三含水层（组）之间分别对应有第一、二、三隔水层（组）分布.它们主要由粘土、砂质粘土及钙质粘土组成,分布稳定,隔水性能较好.尤其是第三隔水层（组）,以灰绿色粘土为主,单层厚度大,隔水性能良好,是区域内重要的隔水层.

二叠系砂岩裂隙含水层主要由泥岩、粉砂岩及砂岩组成,根据地层岩性组合特征及可采煤层赋存位置,该含水层可细分为：32煤顶底砂岩裂隙含水层,7、8煤顶底板砂岩裂隙含水层,10煤顶底板砂岩裂隙含水层三个含水层,对应各主采煤层砂岩裂隙含水层划分为四个隔水层：1～2煤隔水层段、4～6煤隔水层段、8煤下铝质泥岩隔水层段和10煤下海相泥岩隔水层段,它们隔水性能良好.

井田范围内,新生界第一含水层（潜水）以大气降水补给为主,水平径流补给次之,排泄方式为垂直蒸发、人工开采和河流排泄.第二、三含水层以层间径流为主,局部地方为越流补给.第四含水层及二叠系砂岩裂隙含水层、太原组及奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层均以层间径流补给为主.根据井田所在水文地质单元来看,井田潜水及深层地下水流向为西北-东南方向.

2.2断层富水性

井田内共查明断层30条,其中正断层16条,逆断层14条.断层破碎带岩性以煤系泥岩及粉砂岩块为主,夹少量砂岩碎屑,所有钻孔穿过断层带时,均未发生漏水现象.从区域和邻近生产矿井来看,断层一般是富水性弱,导水性差.

3充水因素分析

3.1大气降水

大气降水为新生界松散孔隙含水层主要补给源.而邹庄井田范围内煤系地层含水层被巨厚新生界地层所覆盖,大气降水难以下渗至煤系含水层.另外,井田新生界松散含水层系统中下部广泛分布着一厚度大、隔水性能良好的第三隔水层,在该隔水层作用下,大气降水对煤系含水层无直接水力联系.

3.2新生界松散孔隙水

新生界松散含水层系统下部第四含水层覆盖于煤系地层上部,特别是浅部地区,第四含水层通过基岩风化裂隙带将对煤系含水层产生一定补给量,另一方面,受煤矿开采影响,采空区塌陷裂隙带可能进入第四含水层中,从而加强第四含水层与煤系含水层之间的水力联系.因此,新生界松散含水层第四含水层与煤系含水层之间存在一定水力联系,该含水层为井田间接充水含水层.

3.3煤层顶底板砂岩裂隙水

32煤层为邹庄井田主采煤层,在煤层开采过程中,受“上三带”与“下三带”作用32煤顶底板砂岩裂隙含水层将被导通,其中地下水将全部进入矿坑中,成为矿井直接充水水源.

同理,开采7、8煤过程中,7、8煤顶底板砂岩裂隙含水层中地下水将进入矿坑中,成为7、8煤层直接充水

水源.

3.4石灰岩岩溶裂隙水

太原组和奥陶系石灰岩岩溶裂隙水在正常情况下,对开采10煤层无直接充水影响,但当遇到断层或陷落柱时,使煤层与灰岩“对口”接触或间距缩短时,可能对矿坑产生直接充水或使巷道产生“底鼓”,成为井田间接充水含水层.

3.5断裂构造对矿产充水影响

井田内多数断层在天然状态下富水性弱、导水性差,当井巷工程施工穿过断层时,断层裂隙带地下水将进入矿井,水量不大.但由于破坏了天然平衡状态,使断层的导水性增大,若使主采煤层与富水层“对口”或“沟通”时,则有可能产生突水.

4矿井涌水量计算

解析法是目前广为采用的矿井涌水量预测方法之一,其中以大井法应用最为广泛,该法是把矿区水平坑道系统所占的面积等价于一个理想的“大井”面积,整个坑道系统的涌水量就相当于“大井”的涌水量.

比拟法是根据已知水文地质参数的矿井涌水量,通过相似比拟关系,近似地推算相似水文地质参数矿井的涌水量,是矿井涌水量预测的一种近似方法.

4.1解析法

4.1.1公式选择：根据充水因素分析,井巷开拓时,主采煤层顶底板砂岩裂隙水将直接进入矿坑,煤层顶底板砂岩裂隙水是矿井的直接充水水源,当水位降至一水平-700m时,煤层顶底板砂岩裂隙水不具有承压性,此时地下水处于承压转无压水流状态,故采用以下公式进行矿井涌水量预测：（1）

（2）

（3）

（4）

式中：

Q—矿井涌水量（m3/h）

S—水位降深值

K—渗透系数（m/d）

M—含水层厚度（m）

h0—含水层底板以上动水位高度,煤系砂岩水降至各煤层底板时,h0等于0（m）

R—影响半径（m）

r0—“大井”引用半径（m）

R0—“大井”引用影响半径（m）

F—主采煤层面积（m2）

4.1.2参数选取.根据《安徽省濉溪县邹庄井田煤炭勘探报告》,主采煤层渗透系数取K等于0.0611m/d.

4.1.3降深.水位降低值采用32煤和7、8煤顶、底板砂岩裂隙含水层静止水位标高与一水平开采标高（-700m）之差.根据勘探报告,32煤和7、8煤顶、底板砂岩裂隙含水层平均水位为15.27m.

邹庄井田水位降深值为：S等于715.27m.

4.1.4含水层厚度.根据勘探报告,主采煤层含水层厚度为31.86m.

4.1.5其他参数：

（1）开采面积：本井田主采煤层82煤露头至32煤层-700第一水平面积为10.4km2.

（2）大井半径（r0）及影响半径（R）.

根据式（2）和式（3）,得本项目大井半径r0等于1820m,影响半径R等于1768m,引用影响半径R0等于3588m.

4.1.6矿井涌水量估算.根据公式（1）计算得,本项目正常矿井涌水量为526m3/h.

4.2比拟法

4.2.1比拟条件：应用比拟法的前提条件是待测矿井与被比拟矿井的水文地质条件相似,且水文地质参数中存在着可用相同数学表达式描述的物理量.

邹庄井田与桃园煤矿相邻同属宿县矿区,两矿地质构造、煤层、矿床水文地质条件基本相似.因此,可利用桃园煤矿相关资料预测本井田矿井涌水量.

4.2.2公式选择：根据周边矿井生产实践,本区矿井涌水量与开采区面积及水位降深关系密切,因此可利用桃园煤矿开采面积、水位降深资料,采用以下公式进行涌水量预测：

（5）

式中：

Q0—生产矿井实测矿井涌水量（m3/h）

S0—生产矿井水位降低值

4.2.3桃园煤矿矿井涌水量：本文拟用桃园煤矿井1999～2005年矿井实际涌水量进行本井田涌水量预算计算.桃园煤矿的实测矿井涌水量情况见表1.

根据表1,桃园煤矿1999.1～2005.7年正常涌水量为320.5m3/h,最大涌水量为503m3/h.

4.2.4参数选取：桃园煤矿井巷围圈面积为F0等于6.34km2.一水平开采水位降深为S0等于540m.

邹庄井田水位降深为715.27m,开采面积为10.4km2.

4.2.5比拟法计算结果：根据比拟法公式,计算本矿井正常涌水量为472m3/h,最大涌水量为741m3/h.

5结果分析

根据煤炭勘探报告及水文地质补充勘查报告,邹庄井田属Ⅱ类二型矿床.井田范围二叠系裂隙含水层裂隙不发育、富水性弱,补给条件差,处于封闭或半封闭的水文地质环境,地下水径流缓慢.根据淮北矿区开采经验来看,该含水层一般情况下对矿井安全生产不构成威胁.

解析法是基于稳定流理推导的地下水动力学计算公式,它要求含水层分布无限,且含水层地下水有比较充分的补给条件,最终可以达到补排平衡状态.而煤矿开采过程中矿井涌水量补给源为煤系含水层,该含水层补给能力有限,随着开采持续开采引起降落漏斗范围将不断扩大,解析法与实际情况存在一定偏差,因此解析法计算矿井涌水量与矿井实际矿井涌水量存在差值.

本文邹庄矿井渗透系数及含水层厚度均根据水文地质钻孔资料获得的是准确的数据,实际上受地层非均质各向异性影响,含水层渗透系数及含水层厚度并非固定不变的,特别是渗透系数随钻孔位置不同其数值也各不相同,而解析法计算中没有考虑这种情况,由此导致解析法计算矿井涌水量与实际矿井涌水量存在一定偏差.

桃园煤矿与邹庄井田距离较近,且二者处于同一个大的水文地质单元内,二者矿井涌水量具有一定的相似性,采用比拟法计算所得邹庄矿井涌水量更符合邹庄井田实际水文地质条件.此外,与解析法相比,采用比拟法计算可避免水文地质参数取值带来的偏差,进而减少了计算

误差.

结合周边其他矿井生产实际,一般而言,解析法（大井法）计算影响半径偏小,计算的矿井涌水量普遍偏大,而比拟法计算矿井涌水量与矿井实际涌水量相差较小,因此本文推荐采用比拟法计算的矿井涌水量作为邹庄矿井排水能力设计依据.

6结语

解析法（大井法）预算矿井正常涌水量为526m3/h；比拟法预算矿井正常涌水量为472m3/h,最大涌水量为

741m3/h.矿井涌水量计算公式和参数选择合理,两种方法预算正常涌水量结果近似,符合本井田水文地质条件和实际水文地质资料反映的规律,但是由于比拟法计算结果更接近矿井实际情况,建议采用比拟法计算结果作为本矿井排水设计依据.

[2]刘娟,杨国勇,等.新驿煤矿矿井涌水量预测[J].山

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作者简介：朱海滨（1964—）,男,安徽神源煤化工有限公司经济副总师,经济师,研究方向：矿井水文地质.