袁店煤矿水文地质条件分析及涌水量估算

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摘 要：在对袁店一矿水文地质条件进行分析的基础上，采用地下水动力学法和水文地质比拟法对其进行矿井涌水量估算。两种方法估算的矿井涌水量结果相差不大。基本符合该矿水文地质条件反映的规律。估算结果可以为该矿井生产提供参考资料。

关键词：水文地质条件 涌水量估算 地下水动力学法 水文地质比拟法

中图分类号：TD742.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（b）-0077-03

1 井田概况

袁店一井位于淮北平原中部，区内地势平坦。本井含煤地层为石炭～二叠系。二叠系含煤地层分下统山西组、下石盒子组和上统上石盒子组，32、51、63、72、81、82、10等7层为可采煤层，本矿井总体上为一走向北北西，倾向北东的单斜断块，次级褶曲较发育，走向上地层线表现为波浪状。

2 井田水文地质条件

袁店一井为第三、四系松散层复盖下的全隐蔽矿床。地下水含水层可根据其赋存介质特征进一步划分第三、四系松散层孔隙含水层、二叠系煤系砂岩裂隙含水层（段）和煤系下伏石灰岩岩溶裂隙含水层（段）。

2.1 新生界松散层含、隔水层（组）

袁店一井新生界松散层按其岩性组合特征及其与区域水文地质剖面对比，自上而下可划分为四个含水层（组）和三个隔水层（组）。

（1）第一含水层。分布稳定，水质较好，富水性较强，开采条件简单。

（2）第一隔水层。分布较稳定，一般隔水性能较好，但在局部地带隔水层较薄，使其具有弱透水性。

（3）第二含水层。分布不稳定，厚度变化大且薄。局部地段仅有相应的层位，无明显的含水砂层存在。

（4）第二隔水层。分布较稳定，隔水性能一般较好，但局部隔水层薄弱地带隔水性能较弱。

（5）第三含水层。本层中部有一厚层粘土将其分为上、下段；上段局部有溶蚀现象；砂层单层厚度大，富水性较强。下段富水性较弱。

（6）第三隔水层。粘土类可塑性好，膨胀性强，厚度大，分布稳定，隔水性良好，是区域及本矿重要的隔水层。

（7）第四含水层。从总体上看四含岩性泥质含量高，渗透性差，补给条件较差，一般富水性弱。

2.2 二叠系煤系含、隔水层（段）

二叠系岩性由砂岩、泥岩、粉砂岩、煤层等组成，根据区域水文地质资料及主采煤层赋存的位置关系、裂隙发育程度划分为三个含水层（段）和四个隔水层（段）。

（1）3煤上隔水层（段）。本层段上部为风氧化带，泥岩强烈风化后呈高岭土状，增加其隔水能力，砂岩风化后裂隙发育，减弱其隔水能力。

（2）3～4煤间砂岩（K3）裂隙含水层（段）。该含水层除在局部地段富水性较强外，总体上富水性弱至中等。

（3）4～6煤间隔水层（段）。岩性致密完整，裂隙不发育，隔水性能较好。

（4）7～8煤上、下砂岩裂隙含水层（段）。该含层（段）处于封闭～半封闭环境，以储存量为主，是开采7～8煤层的矿井直接充水含水层。

（5）8煤下隔水层（段）。岩性致密，隔水性能较好。

（6）10煤顶、底板砂岩裂隙含水层（段）。该层不与其它含水丰富的含水层发生水力联系时，水量小且易于疏干。但若遇断层使其与下部的太灰、奥灰岩溶水沟通时，则突水量相对较大。

（7）10煤下至太原组一灰顶隔水层（段）。在一般情况下开采10煤时此层（段）能起到隔水作用，但局部地段由于受断层影响，隔水层厚度变薄甚至消失，岩芯破碎，隔水能力降低。

2.3 太原组石灰岩岩溶裂隙含水层（段）

太原组岩性由石灰岩、泥岩、粉砂岩及薄煤层组成，以石灰岩为主。地太灰岩溶裂隙发育不均一，富水性差异较大，但总的来看太灰是区内含水比较丰富的含水层（段），是威胁10煤开采安全的主要水源。

3 矿井涌水量预测

3.1 涌水量估算范围、方法及公式选择

涌水量估算范围主要是一水平（基岩风氧化带下限～-748m）范围。根据袁店一井水文地质条件和矿井充水因素分析，矿井充水水源主要是主采煤层顶底板砂岩裂隙水，四含水作为主要补给水源、太灰可能会产生突水。因此对这三部分水量分别予以估算，估算方法采用地下水动力学公式法及水文地质比拟法。

3.1.1 地下水动力学估算公式

承压转无压双侧进水水平完整巷道裘布依公式：

Q= （1）

承压转无压完整井裘布依公式：

Q= （2）

井底进水的非完整井裘布依公式：

Q= （3）

吉哈尔经验公式：

R= （4）

“大井”影响半径估算公式：

r0= （5）

“大井”引用影响半径估算公式：

R0=R+r0 （6）

3.1.2 水文地质比拟法公式

单位涌水量比拟公式：

Q=Q0lnS/lnS0 （7）

公式中各字母的含义及单位：

Q为预计矿井涌水量（m3/h）；

H为承压含水层隔水层底板至承压水位的距离，在数值上H=S（m）；

S为水位降低值（m）；

K为渗透参数（m/d）；

M为含水层厚度（m）；

B为进水廊道长度（m）；

h0为含水层底板以上动水位高度，四含水降至其底板或煤系砂岩水降至各煤层底板时，h0=0（m）；

R为影响半径（m）；

r0为“大井”引用半径（m）；

R0为“大井”引用影响半径（m）；

F为主采煤层面积（m2）；

F0为生产矿井采空区面积（m2）；

Q0为生产矿井实测矿井涌水量（m3/h）。

3.2 矿井涌水量估算

3.2.1 新生界松散层第四含水层（组）孔隙水涌水量估算

当四含地下水位降至其底板时，地下水处于承压～无压水流状态，故估算涌水量时采用承压转无压双侧进水水平完整巷道公式。

四含渗透系数采用04-98孔及相邻五沟矿308孔抽水试验取得的渗透系数的加权平均值，即

KCP==0.3766（m/d）

四含水头高度H值采用四含底板埋深256.30 m与四含水位埋深12.40 m的差值，即H=243.90 m。

袁店一井32煤层露头带长度最大，走向露头带长度约3100 m，四含平均厚度6.0 m。

选用上述参数利用公式（1）、（4），估算四含水沿主采煤层露头采空冒裂带裂隙进入矿井的涌水量，结果见表1。

3.2.2 主采煤层顶底板砂岩裂隙水进入矿井的涌水量

由袁店一井水文地质条件分析，主采煤层顶底板砂岩裂隙含水层是矿井的直接充水水源。当承压水头H值降至含水层底板时，h0=0，地下水处于承压转无压水流状态，故估算涌水量时采用承压～无压完整井公式。

导水裂隙带高度计算公式：

计算袁店一井主采煤层开采时导水裂隙带高度为21.00～41.0 m。根据淮北各矿实际开采资料，煤层底板开采破坏深度在12 m左右。故采集含水层厚度数据时一般考虑到煤层顶板40 m左右。

淮北各矿生产实际资料，矿井涌水量多数稳定在一水平开拓面积1/3～1/5范围内，故矿井涌水量的估算面积采用一水平资源量估算面积的1/4。

（1）利用地下水动力学公式法估算矿井涌水量。

①3～4煤间砂岩裂隙含水层（段）涌水量估算。

32煤一水平（风氧化带下限～-748 m）储量估算面积为13094820 m2

故F=13094820/4=3273705 m2

静止水位标高采用检1、检2孔抽水试验取得静止水位标高的平均值-8.241 m，一水平标高-250～-748 m，平均-499 m左右，水头高度H值采用一水平平均标高-499 m与静止水位标高-8.241m的差值即H=490.759 m。

含水层厚度M=21.90 m。

渗透系数采用检1、检2孔抽水试验取得渗透系数的加权平均值即

KCP==0.01581（m/d）。

利用上述参数及公式（2）、（4）、（5）、（6）估算3～4煤间砂岩裂隙水进入矿井的涌水量，估算结果见表2。

②7-8煤上、下砂岩裂隙含水层（段）涌水量估算。

72、81、82煤层一水平（风氧化带下限～-748 m）储量面积相比较，82煤储量估算面积较大。故F值采用82煤层储量估算面积12459912 m2的1/4，即F=3114978 m2；

水头高度H值采用一水平平均标高-499 m与04-70、04-51、南风检孔对7-8煤砂岩裂隙含水层抽水试验段取得平均静止水位标高+14.145 m的差值，即H=14.145+499=513.145 m。

含水层厚度M=15.40 m。

渗透系数采用04-70、04-51、南风检孔抽水试验取得渗透系数的加权平均值，即

KCP=（m/d）

采用上述参数及公式（2）、（4）、（5）、（6）7-8煤上、下砂岩裂隙水进入矿井的涌水量，估算结果见表3。

③10煤顶底板砂岩裂隙含水层（段）涌水量估算。

F值采用10煤一水平（风化带下限～-748 m）储量估算面积14367918 m2的1/4，即F=3591980 m2。

04-67、检3孔抽水试验取得的平均静止水位标高为4.613 m，水头高度H值采用一水平平均标高-499 m与静止水位标高4.613 m的差值。H=503.613 m。

含水层厚度M=21.30 m。

渗透系数采用04-67、检3孔及相邻袁店二井04-17对10煤层砂岩裂隙含水层段抽水试验取得渗透系数的加权平均值，即：

KCP=（m/d）。

采用上述参数及公式（2）、 （4）、（5）、（6）估算10煤层顶、底板砂岩裂隙水进入矿井的涌水量，结果见表4。

矿井总涌水量为3～4煤间、7-8煤上下、10煤顶底板砂岩裂隙含水层涌水量之和：即ΣQⅡ=92+136+131=359 m3/h。

（2）水文地质比拟法估算矿井涌水量。

①比拟条件。

临近的童亭矿水文地质条件与本井水文地质条件基本相似，故矿井涌水量可以用童亭矿矿实测涌水量进行比拟。

②比拟参数的选择。

童亭矿的实测矿井平均正常涌水量为374.60 m3/h，最大涌水量为558.10 m3/h，目前童亭矿为一、二水平联合开采，开采水平标高为-400～-620 m，主采煤层顶底板砂岩裂隙含水层（段）静止水位标高平均-57.67 m，水位降低S=452.33 m，采空区面积3.4 km2。

袁店一井检1、检2、检3、南风检、04-51、04-67、04-70孔抽水试验平均静止水位标高5.018 m，S值为一水平平均标高-499 m与静止水位标高5.018 m的差值，S=504.018 m。

32、72、81、82、10煤层一水平储量估算面积中10煤层储量估算面积最大，故比拟法估算涌水量时面积F值采用10煤层一水平储量估算面积的1/4，即F=3.59198 km2。

利用上述参数及公式（7）估算矿井正常涌水量和最大涌水量，估算结果见表5。

4 结论

（1）估算新生界松散层第四含水层（组）涌水量为94 m3/h，在留设一定防水煤柱的情况下，只要采空冒裂带不波及四含，其地下水不会直接进入矿井，故此涌水量不计入矿井正常涌水量内，供留设防水煤柱的参考。

（2）采用地下水动力学法估算矿井一水平正常涌水量为359 m3/h；采用水文地质比拟法估算矿井一水平正常涌水量为392 m3/h，最大涌水量为584 m3/h。两种方法估算的矿井涌水量结果相差不大。矿井涌水量估算公式和参数选择合理，基本符合该矿水文地质条件反映的规律。

参考文献

[1] 淮北矿业集团勘探工程公司.袁店一矿井田地质补勘报告[R].2013.

[2] 赵东云，尹尚先，马玉娇.刘店煤矿水文地质条件分析及涌水量预测[C].2009年全国煤矿水害防治工作座谈暨技术研讨会论文集，2009：269-273.

[3] 刘殿春，项宇.哈日高毕矿井涌水量的估算[J].露天采矿技术，2008（5）：31-33.