豫西郭村井田深部水文地质特征及涌水量预算

张盼 任金武 高家平

摘要：郭村煤矿现阶段为浅部开采，随着开采水平向深部延伸，矿井水文地质条件趋于复杂，准确预测矿井涌水量对深部开采意义重大，本文首先分析了郭村煤矿水文地质特征，针对影响开采的主要含水层，确定了二叠系山西组顶板砂岩裂隙水和石炭系上统太原组上段煤层底板岩溶裂隙水为主要充水水源，构造裂隙及采动裂隙为主要充水通道，另外受矿井浅部地表水体影响较大。充分考虑矿井多种充水因素，提高矿井涌水量的预测精度，采用比拟法和大井法对深部开采时矿井的涌水量进行预算，为矿井深部水害防治和安全生产提供了科学依据。

关键词：水文地质条件；涌水量预测；预测精度；比拟法；大井法

根据矿井水文地质资料，总结其水文地质特征。矿井涌水量是矿山设计部门确定排水设备和制定防治水措施的主要依据，对矿井的经济技术评价有很大的影响。矿井涌水量的预测精度，不仅关系到矿区的安全和效益，也直接决定矿区的用水、供排水设计，然而矿井涌水量预测精度，不仅取决于对水文地质条件的勘探精度、矿井充水条件和含水层参数的合理选用，也取决于选用的预测方法和矿山开采方案。充分考虑多种因素，多种方法进行涌水量预测，并对预测结果进行比较，使预测精度进一步提高，从而为矿井开采设计提供更加合理、可靠地依据，保证矿区的可持续安全开采，是矿井水文地质工作所要解决的首要问题之一。

1.井田概况

郭村煤矿位于河南省偃师市偃师一龙门煤田中部，原为焦村矿焦村井与刘庄井，嵩山背斜北翼，总体倾向北，为一单斜构造，地层倾角15°～26°，倾角平均18°，构造复杂程度为中等，矿区位于嵩山山脉北麓的山前平原区，全区多被第四系覆盖，有零星基岩出露，主要有寒武系上统凤山组、奥陶系中统马家沟组、二叠系下统山西组。矿区面积16.7km²，区内主要的含煤地层为二叠系下统山西组二₁煤层，查明资源储量6676万吨。其中保有资源储量5532万吨，矿床水文地质类型为第三类第二亚类第二型。

2.矿井水文地质特征

2.1主要含水层

（1）第三、四系砂砾石含水层。该层地下水类型为孔隙潜水，主要由砂、砾石组成，第四系砂砾石含水性强，单位涌水量0.217l/sm～4.245l/sm，渗透系数0.185l/sm～62.1m/d，水位深度9.95m～32.8m，厚度9.3m～346.8m，平均87.9m，是民井取水的主要水源。第三系底部的砾石，含水性较弱。

（2）二₁煤顶板砂岩含水层。该层砂岩均为裂隙承压水含水层，由山西组的大占砂岩和下石盒子组的砂锅窑砂岩组成，大占砂岩厚10m～20m，砂锅窑砂岩厚10m～30m，水位深度为390.12m、389.73m以上，含水性弱，是二₁煤頂板直接充水含水层。

（3）太原组上段灰岩含水层。该层为岩溶裂隙承压水含水层，由L₆～L₈灰岩组成，其中L₇灰岩发育完整，层位稳定，一般厚5m～12m，平均7m左右，水位深度69.6m～85.2m。含水性极不均一。单位涌水量0.004l/s·m～0.964l/s·m，距二₁煤层底板20m左右，是二₁煤层底板直接充水含水层。

（4）太原组下段灰岩含水层。该层为岩溶裂隙承压水含水层，由L₁～L₄灰岩组成，厚度10m～18m，一般12m，水位深度36.4m左右。全区46个钻孔揭露，有9个孔漏水，占19.7%。本井田范围4902孔于孔深405m～406m穿见溶洞，其岩溶发育不均，含水性较上段灰岩强。

（5）凤山组及马家沟组石灰岩含水层。该层为岩溶裂隙承压水含水层，凤山组中岩性为中厚层状—巨厚层状白云质灰岩，平均厚27.61m，水位深度56.7m～125.8m。马家沟组中岩性为厚层状泥晶灰岩，夹薄层状泥岩、泥灰岩，该含水层厚度60m左右，岩溶裂隙发育，为主要承压含水层。

2.2主要隔水层

（1）二₁煤层底板隔水层

介于二₁煤层与太原组上段灰岩之间，岩性由泥岩、砂质泥岩组成，厚5m～20m，一般8.43m，其层位稳定，有一定隔水能力。

（2）本溪组铝土质泥岩隔水层

由铝土岩和铝土质泥岩组成，厚度4m～10.8m，其层位稳定，岩性致密，节理裂隙不发育，隔水能力强，正常情况下，可阻隔太原组灰岩和中奥陶系灰岩之间的水力联系。

矿井水文地质类型中等，矿井涌水量主要来自顶、底板。二。煤层顶板直接充水含水层为山西组砂岩含水层，二₁煤层底板直接充水含水层为太原组上段石灰岩含水层，顶底板直接充水含水层富水性弱，对矿井开采影响较小。主要岩石巷道布置在L₇灰岩中，正常情况对矿井回采不构成威胁。

2.3充水因素

矿井充水因素概括为充水水源和充水通道两个因素。

（1）充水水源

①大气降水。大气降水通过矿区南部基岩出露区及上覆新生界薄弱或松散地段直接下渗补给地下水，成为地下水的主要补给水源。一般每年7月份～9月份降水比较集中，本区雨季时，浅部的矿井涌水量受降水影响明显。雨季最大矿井涌水量比正常涌水量大0.5倍左右，为矿井主要充水因素。

②地表水。本区小型水库3个，下渗条件不佳，对矿井无充水作用。区内铁窑河为季节性流水，正常情况下对矿井直接充水影响较小，对矿井影响最大的是矿区二。煤层露头附近的陆浑东一干渠，该渠兴建于第四系和新近系的粘土、亚粘土层中，从矿区二。煤层露头附近经过，放水时受其影响，矿井涌水量均有明显增大现象，增加量达200m³/h。

③地下水。a、二₁煤层顶板砂岩裂隙水：据勘查资料，二。煤层顶板砂岩含水层单层厚度较小，富水性弱，在矿井生产中，当回采落顶后，顶板砂岩裂隙承压水将通过导水裂隙带充人矿井，构成矿井顶板直接充水水源。由于其富水性弱，对矿井开采危害不大。b、太原组上、下段灰岩岩溶水：根据钻孔抽水试验资料，太原组上段石灰岩含水层的单位涌水量均小于0.1L/s·m；太原组下段石灰岩含水层的单位涌水量0.1L/s·m～0.748L/s·m；该含水层岩溶裂隙发育程度弱，富、导水性不均一，含水层厚度不大，水量有限，含岩溶承压水，涌水时，水量较大，排水后容易疏干，一般不对矿井的安全造成大的威胁。其中太原组上段石灰岩含水层为二₁煤层底板直接充水含水层，随着开采深度的不断加深，底板也可能因矿山压力及水压的共同影响，引起底鼓突水，形成水患灾害。c、寒武系及奥陶系灰岩岩溶水：寒武系及奥陶系岩溶含水层，厚度大，岩溶发育，含水性极不均一，富水性强，补给条件好，是威胁矿井安全生产的主要充水水源。如遇构造破坏对矿井开采影响更大。

（2）矿井充水通道

①渗入性通道。岩石中的风化裂隙及区内各断层影响带中的细小裂隙为渗入性通道。该通道具渗入性特点，对二₁煤层充水影响较小。

②溃入性通道。本区分布各类正断层11条，落差在15m～45m，长度最大2.5km，长度450m～800m之间，这些断层均穿了二₁煤层，缩短了二₁煤层与含水层的距离，容易引起对矿床溃人性的充水作用。

③地下水的补给、迳流与排泄。补给水源主要为大气降水和地表水体。根据调查，新近系、第四系砂砾石孔隙含水层主要以大气降水为主，以小型水库和铁窑河河水补给为辅。基岩地下水受大气降水有一定影响，但明显程度不大。二₁煤层露头附近的陆浑东一干渠放水期间，对地下水的补给较为明显。可使矿井增涌水量200m³/h。

受自然地理、地质条件的限制，本区没有天然排泄点。地下水的排泄主要为矿井生产期间的长期疏排、当地农民打机井抽排和植物蒸腾作用引起的抽排。

3.矿井涌水量预算

矿井涌水量预算是一个建立在定性分析基础上的定量评价过程，其结果的准确性在很大的程度上取决于定性分析的各种因素，需要建立涌水量预算的水文地质模型及相应的数学模型并代入相应参数解算该模型。所谓建立水文地质模型，就是概化自然条件下的矿井水文地质条件，如矿区内含水层及隔水层的基本结构特征，以及地下水的补给、径流、排泄条件等；根据煤矿开采方案（如开采深度、范围、方式等），确定煤矿的内边界条件；分析未来充水因素，预测不同时期开采时的外边界条件。数学模型建立后需对其进行解算，就是将相应参数带人数学模型中进行求解，将得出的结果进行分析评价，对其合理性进行评估，若采用的不同预算方法结果相差较远或与矿井涌水量变化规律不符时应对解算过程进行检查，完善后进行重新解算，直至结果合理为止。根据郭村煤矿的实际情况，本文将分别采用确定性模型中的解析法及非确定性模型中的比拟法进行涌水量的预算。

郭村煤矿现大巷开拓水平-235.8m，已开采面积2496000m²，矿井充水水源平时以底板水为主，矿井正常涌水量250m³/h，其中顶底板直接含水层正常涌水量合计约190m³/h、马家沟组岩溶水约60m³/h；下步首采区开采标高-400m，开采面积8728100m²；大巷位于-400m水平的太原组上段石灰岩之中。二₁煤层顶板砂岩含水层静止水位标高+257.8m。二₁煤层底板灰岩含水层静止水位平均标高+156.7m。

山西组砂岩含水层和太原组上段石灰岩含水层为二₁煤层顶底板直接充水含水层，是矿井疏排的直接对象。二者中地下水涌水量的总和，即接近于矿井的总涌水量。所以本次对二₁煤层顶、底板直接充水含水层的涌水量加以预算。

3.1采用比拟法预算矿井涌水量

比拟法是采用地质、水文地质条件相似，同一开采方法的生产矿井的水文地质资料，用来预测新水平的涌水量。计算公式如下：

未来生产矿井的最大涌水量按现有正常涌水量加上陆浑灌渠季节性放水后纯增涌水量200m³/h计算，并考虑增加雨季最大涌水量按增大0.5倍计算值。

3.2采用大井法预算矿井涌水量

一般矿井的构造条件都比较复杂，矿区边界条件形态不规则，为了在计算中获得较为理想的解析解，需要对矿井边界进行概化，即简化为一个圆形的大井，然后应用地下水向井运动的公式预测矿井的涌水量。大井法矿井涌水量预算公式如下：

（1）二₁煤层顶板砂岩裂隙含水层

预算范围内，该含水层需全部疏干，所以应选择承压转无压水公式，具体采用公式为：

（2）太原组上段石灰岩岩溶含水层

在预算范围内，應采用承压水公式。具体选择公式如下：

（3）大井法预算参数的选择

未来生产矿井的最大涌水量按现有正常涌水量加上陆浑灌渠季节性放水后纯增涌水量200m³/h计算，并考虑增加雨季最大涌水量按纯增大0.5倍计算值。

4.矿井涌水量预算结果的评价

矿井涌水量预算，分别采用“比拟法”和“大井法”两种方法进行预算，由于大井法对水文地质条件严格理想化，采用大井法计算矿井涌水量结果必然会存在一定的误差，而比拟法采用的数据来自矿井多年涌水量观测资料，且比拟法预算涌水量值大于大井法预算值，从严谨性及矿井生产安全多方面考虑，最终采用比拟法预算的涌水量，即开采至-400m时，二₁煤层矿井正常涌水量304m³/h和最大涌水量656m³/h。通过分析矿井水文地质特征，综合考虑涌水量预计受多种因素控制和影响，更加准确的进行矿井深部涌水量预计，为矿井深部水害防治和安全生产提供了科学依据。