七元煤矿水文地质条件分析及涌水量估算

穆金霞

（中国煤炭地质总局 第一水文地质队，河北 邯郸 056004）

0 引言

随着矿山开采深度逐渐加大，深煤层开采势在必行，同时面临矿坑涌水量增大的问题[1-2]。我国华北型煤田开采普遍受底板岩溶水害威胁，不同矿区水文工程地质条件存在差异性[3]，因此，需要更加全面、科学地调查研究矿井水文地质条件，合理预算矿井涌水量，确保矿井安全生产[4]。

1 矿井地质

七元煤矿位于山西省晋中市寿阳县城东部，井田面积207.434 3 km2，生产能力500 万t/a，批准开采3、6、81、82、15、15 下号煤层。地层由老至新发育有奥陶系上马家沟组（O2s）、峰峰组（O2f），石炭系中统本溪组（C2b）、上统太原组（C3t），二叠系下统山西组（P1s）、下石盒子组（P1x）、上统上石盒子组（P2s）、石千峰组（P2sh），三叠系（T），第四系（Q）。主要含煤地层有石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，主采81、15号煤层。

该区构造形态呈现走向近东西倾向南的单斜构造，倾角2°～12°，再此基础上发育了次一级的波状起伏和少量断裂。井田内在各阶段的勘查过程中，共发现断层4 条，未发现岩浆岩侵入，构造属简单类型。

2 矿井水文地质条件

2.1 含水层

井田内自上而下发育的主要含水层有第四系及风化带砂砾石含水层、石盒子组砂岩裂隙含水层、山西组砂岩裂隙含水层、太原组灰岩岩溶裂隙含水层、奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层。第四系及风化带砂砾石含水层主要为砂砾层，厚5.90～25.40 m，寿阳县城最厚。据抽水试验资料，单位涌水量0.005 7～1.490 L/s·m，富水性弱—强。水质类型HCO3-Ca 或HCO3-Ca·Na，为当地工农业用水及生活饮用水的主要来源。

石盒子组砂岩裂隙含水层由中细粒砂岩—含砾粗砂岩组成，厚度5.25～48.15 m，平均17.87 m，由西北向东南逐渐增厚。井田内16 个钻孔出现冲洗液漏失，受地形及构造影响，9-8 孔出现涌水，水位标高1 150.80 m，单位涌水量0.217 L/s·m，水质类型HCO3-Ca·Mg。P44 孔放水试验资料，单位涌水量0.234 l/s·m，富水性中等。

山西组砂岩裂隙含水层岩性为细—粗粒砂岩。砂岩粒度由东西向中部变细，裂隙不发育且多被泥质充填，冲洗液消耗量甚微。井田有6 个钻孔对山西组砂岩裂隙含水层进行抽水试验，大部分被抽干，含水层富水性弱，水质类型SO4·HCO3-Na·Ca或HCO3·SO4-Na。

太原组灰岩岩溶裂隙含水层有3 层石灰岩，分别为K2、K3、K4石灰岩，井田内均发育稳定，是良好的标志层，为15 号煤层顶板直接充水含水层。井田内有6 个钻孔对太原组灰岩进行了混合抽水试验，其中一半在抽水20～39 h 时被抽干。单位涌水量均较小或极小，富水性弱，水质类型HCO3·SO4-Ca 或SO4·HCO3-Ca。

奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层分峰峰组及上马家沟组。据井田内43 个钻孔统计，奥灰顶板埋深604.60～998.70 m，从奥陶系顶板灰岩埋深等值线图上可看出（表1、图1），西部浅东部深，北部浅南部深。峰峰组厚度141.38～228.70 m，岩性为白云质灰岩、角砾状灰岩，裂隙、溶洞不发育。井田内8 个钻孔揭穿峰峰组，冲洗液无一漏失。据SG-I 号孔抽水试验资料，单位涌水量0.008 5 L/s.m，水质类型HCO3-Na 型，矿化度1 545.35 mg/L，水质较差；上马家沟组岩性为厚层状石灰岩夹薄层泥灰岩和石膏，岩溶裂隙发育，多为溶孔，连通性好。据井田内4 个钻孔上马家沟组抽（注）水资料，单位涌水量0.005～3.388 L/s·m，矿化度0.872～2.460 g/L，富水性弱—强，水质类型SO4·HCO3-Ca·Mg。

图1 奥陶系顶板灰岩埋深等值线图Fig.1 Ordovician roof limestone buried depth contour

表1 奥陶系顶板灰岩埋深统计表Table 1 Ordovician roof limestone buried depth statistics

2.2 隔水层

区内隔水层较多，各基岩含水层之间都有厚度稳定的泥岩、砂质泥岩，可起到隔水作用，主要隔水层（组）如下。

15 煤层至奥灰间隔水层组：厚67.12～99.57 m，平均83.64 m。主要为泥岩、砂质泥岩，夹2～3 层薄层石灰岩，底部有一层稳定、分布全区的铝土质泥岩，正常情况下可起到隔水作用。

K8～K12 隔水层组：厚300.80～355.56 m，岩性为泥岩、砂质泥岩、铝土质泥岩等，并夹有粒度不同的各类砂岩，其岩层呈互层结构且沉积稳定。据井田内30 个钻孔统计，81号煤层底板隔水层厚度为151.82～199.79 m，平均厚度170.29 m。井田中、北、南部81号煤层底板隔水层厚度小于170 m，向东、西部逐渐增大（图2）；15 号煤层底板隔水层厚度一般为71.57～99.56 m，平均厚度85.14 m。井田内15 号煤层底板隔水层厚度值由北部向东、西、南部逐渐增大（图3）。

图2 81 号煤层底板奥灰隔水层厚度等值线图Fig.2 No.81 coal seam floor Ordovician limestone aquifuge thickness contour

图3 15 号煤层底板奥灰隔水层厚度等值线图Fig.3 No.15 coal seam floor Ordovician limestone aquifuge thickness contour

2.3 各含水层间水力联系

煤系地层各含水层下有15 煤至奥灰间隔水层组，上有K8～K12 砂岩隔水层组存在，且煤系地层各含水层间均有不同厚度的隔水层存在，加之区内断裂构造不发育，岩层完整性好，正常情况下各含水层无水力联系。

2.4 地下水补径排条件

七元煤矿基本上为一走向近东西，向南倾斜的单斜构造，地表分水岭以西为覆盖区，以东为半裸露区，勘探区以北各基岩含水层均有出露，成为地下水的补给区，大气降水为主要补给来源。但由于地处地表分水岭，而且沟谷发育，地表高差大，植被覆盖稀少，地表径流条件好，不利于大气降水的入渗补给，故而补给条件差。

井田位于沁水盆地北部翘起端，从盆地翼部到轴部，含水层埋藏深度由浅入深，径流由积极变滞缓，水质逐渐变差。本区处于娘子关泉水文地质单元的北部中等径流区（图4），径流条件较强，富水程度极不均一，地下水流向由西北向东南与区域东部径流汇合（图5），而后在娘子关泉群分散排泄。

图4 娘子关泉域奥灰水等水位线及泉域分区图Fig.4 Ordovician limestone water contour and spring area zoning diagram in Niangziguan Spring Area

图5 奥陶系中统含水层地下水流场图Fig.5 Underground water flow field diagram in Middle Ordovician aquifer

2.5 矿井充水因素分析

山西组砂岩含水层、太原组灰岩含水层、浅部采空区积水，断层、陷落柱导水将是七元井田开采上组煤时未来矿井充水的主要因素。开采下组煤时主要充水水源是太原组灰岩含水层及奥灰含水层水。井田奥灰岩溶水水位标高+460—+610 m，井田中、南部大部区域6、81、82、15 号煤层底板标高低于井田奥灰岩溶水水位标高，存在部分带压开采，15 下号煤层基本全部带压，在构造地段应加强防范底板奥灰突水。

3 矿井涌水量估算

3.1 解析法

此次解析法采用“大井法”进行计算，选用《煤矿防治水手册》中承压转无压完整井矿井涌水量计算公式[5-6]。

此次预算山西组、太原组矿井涌水量时，所用的水文地质参数采用Q1603、QY-3、QY-5 号3 个水文地质孔的抽水试验资料（表2），解析法预测矿井正常涌水量199 m3/h，最大涌水量475 m3/h（表3）。

表2 钻孔抽水试验成果表Table 2 Drilling hole pumping test results

表3 矿井涌水量计算表Table 3 Mine water inflow calculation

3.2 比拟法

利用邻矿新景煤矿实际涌水量资料，采用水文地质比拟法对该矿井开采81、15 号煤层矿井涌水量进行预测。单位涌水量比拟法公式为：

式中：Q为预算矿井涌水量，m3/d；Kp 为含水系数，m3/t·d；P为矿井设计日产量，t/d。

新景煤矿正常涌水量时含水系数（Kp）为0.177 4 m3/t，最大矿井涌水量时含水系数（Kp）为0.356 2 m3/t。按照该矿井设计年产量500 万t/a 计算，矿井正常涌水量123 m3/h，最大涌水量247 m3/h。

3.3 预测结果评述

水文地质比拟法预测结果基本反映了矿井真实的水文地质特征，但由于含水层的不均一性以及影响到富水性在井田内的差异变化，可能在一定程度上影响预测结果的精度[7]。

解析法是《煤矿防治水手册》推荐使用的涌水量预测方法，考虑参数较多。求取的水文地质参数真实可靠，具有普遍性及可靠性，因此预测结果基本可靠。

综合考虑，建议采用“解析法”作为矿井涌水量计算结果。预测矿井正常涌水量199 m3/h，最大涌水量475 m3/h。

4 结论

（1）第四系及风化带砂砾石含水层富水性弱—强，石盒子组砂岩裂隙含水层富水性中等，山西组砂岩裂隙含水层富水性弱，太原组灰岩岩溶裂隙含水层富水性弱，奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层富水性弱—强，富水性不均一。

（2）分别采用解析法和比拟法预测矿井涌水量。解析法预测矿井正常涌水量199 m3/h，最大涌水量475 m3/h；比拟法预测矿井正常涌水量123 m3/h，最大涌水量247 m3/h。