丰祥煤矿水文地质条件及二_1煤层充水因素分析.doc

丰祥煤矿水文地质条件及二1煤层充水因素分析 赵目军1 ,王春帅2 ,徐玲俊 1 1.河南省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质队,河南郑州450053; 2.河南省地质矿产勘查开发局第一 地质调查队,河南洛阳471023 [摘 要] 分析了矿井的水文地质条件,对主要充水含水层进行了分析、划分和对比;对断层构造的导水性、富 水性进行了分析。论述了水文地质边界条件。采用大井法和比拟法预测了矿井涌水量,对计算结果进行了评价。对 二1煤层充水因素进行了分析,指出奥陶系白云质灰岩岩溶裂隙水为本区二1煤层充水的重要因素之一,并对断裂构造、地表水体、封闭钻孔对二1煤层开采的影响进行了分析。 [关键词] 煤;水文地质;充水因素 [中图分类号] P 641.461 [文献标识码] B [文章编号] 1004-1184201006-0125-04 [收稿日期] 2010-08-02 [作者简介] 赵目军1975-,男,山东郓城人,工程师,主要从事水文地质、工程地质及环境地质工作。 Ana lyz i ng hydro geo logica l conditions and Coa l filli ng factors of Feng X i ang M i ne ZHAO m u -jun 1 ,W ANG chun -shua i 2 ,XU L i n g -jun 1 1.T he S econd H ydrogeo logy and Eng i neer i ng G eo logy T ea m o fH enan P rov i nce G eo l ogy andM inera lEx ploration and D e ve lop m ent Bureau Zhengzhou ,450053;2.The F irst G eo l og ica l T ea m of H enan P rov i nce G eo logy and M i nera l Exp l o ration and D ev elop m en t Bureau L uoyang,471023 A b stract The m i ne hydro geo logy cond iti ons i s ana l y zed .M a i n l y wa ter -filled aqu ife r beds a re ana l y zed ,d i v i ded and contrasted .W ate r flo w ing and w ate r abundance a re analyzed .T he hydro geo log ical boundary cond iti ons a re d i scussed .W ith b i g w e llm e thod and ana logy m ethod t o pred i c tW ate r Inflo w Q uantity ,the ca l cu lati on resu lt is eva l ua ted .A na l y zi ng of 二1coa l bed m inefield w ate r filling fa cto rs ,po inti ng ou t that O rdov i c ian d iplo m atic li m estone karsts c rev ice -w a ter is one o f t he m o st i m por tan t facto rs . B esi des ,infl uence of r ift struc t u re ,sur face w a ter and clos i ng bo re t o 二1coa l bed coa l sea m m i n i ng are ana lyzed . K ey w ord s co a,l hydrog eo l ogy,w a ter filling fac tors 1 地质概况 1.1 地层 区内的地层主要有奥陶系中统马家沟组,石炭系中统本溪组和上统太原组,二叠系下统山西组、下石盒子组及上统上石盒子组、石千峰组,新近系等。其中石炭系上统太原组和二叠系下统山西组为主要含煤地层。1.2 构造 矿区位于五指岭 白寨背斜东端之南翼,密县 新郑复向斜之北翼,岗亚腰断层F 10和魏寨断层F 5之间,其基本构造形态为一倾向南南东的单斜,地层倾角8 16 。区内共发育3条规模较大的近东西向断裂构造。 2 区域水文地质概况 本区属秦岭纬向构造带的东端,东西向构造表现明显,对区内地下水的赋存,补给与排泄起着控制作用,区域背斜构造的轴部多为地下水的分水岭,在背斜构造的倾没端或与北北东向断层交汇处,地下水多以泉群形式溢出地表。 东西向断裂多为正断层,不仅使地下水东西向联系密切,同时也切断了含水层的完整性,使断层上盘的煤层与下盘岩溶裂隙水含水层直接接触,水文地质条件复杂。 2.1 地下水的补给2.1.1 大气降水补给 在本区西北部大面积出露的寒武系、奥陶系灰岩形成低山丘陵,地表岩溶裂隙、漏斗、溶洞等溶蚀现象到处可见,直接接受大气降水的补给,除部分在沿途以泉的形式排泄消耗外,大部分沿溶洞、裂隙等通道补给地下水。2.1.2 地表水对地下水的补给 在双洎河上游,沿河谷岩溶发育,在下庄河一带地表水渗入地下,河谷干涸形成潜流,在超化一带,地下水溢出地表补给河流,说明在此地段地表水补给地下水。除此之外,农田灌溉入渗补给也是地下水不可忽视的补给源。2.2 地下水迳流 受地形及纬向构造的控制,地下水自西向东迳流,在裴沟煤矿以西因人工排泄的影响,水力坡度较大约为12,以东地区水力坡度相对较小。2.3 地下水的排泄 1向河流排泄超化以东双洎河长年流水,河水迳流量峰值滞后降水14日不等,说明地下水补给河流。 2据∀曲梁煤矿区详查地质报告钻孔水文长观资料,区内地下水向东迳流。 3人工排泄区内煤矿、小窑、铝土矿井广布,大量排泄 125 2010年11月 第32卷 第6期 地下水 G round wa ter N ov ,2010 V o l 32 NO 6 石炭系、奥陶系灰岩岩溶裂隙水和二叠系砂岩裂隙水。 新近系松散岩类孔隙水、新近系孔隙水及岩溶裂隙水分布零星,埋藏浅,水量较小,直接接受大气降水补给,经流途迳短,对开采二 1 煤充水影响不大。二叠系基岩裂隙水含水 层富水性弱,对开采二 1 煤充水亦影响不大。 在地下水的循环系统中,本区位于地下水的经流与排泄区的接触带上,地下水经流迟缓。 3 井田水文地质条件 在水文地质单元上,本区位于丘陵沟谷基岩裂隙水区,地形标高155284m。新近系松散岩类孔隙水含水层广泛分布,但厚度较薄,新近系砂岩孔隙水含水层呈零星分布,富水性弱,直接接受大气降水补给。二叠系砂岩裂隙含水组上 覆于二 1 煤层之上,水位埋深48.00m左右。奥陶系、石炭系 灰岩岩溶裂隙水含水层下伏于二 1 煤层之下,富水性中等,其补给源为西北部、西部地下水的侧向经流补给,水位标高110 120m左右。 区内二 1 煤层顶板含水层主要为二叠系砂岩裂隙含水层。底板含水层主要有石炭系、奥陶系灰岩、白云质灰岩岩溶裂隙含水层,新近系松散层孔隙水含水层在井田内分布不均,富水性较弱。 3.1 含水层组特征 3.1.1 新近系Q孔隙水含水层 主要由上更新统下段风积黄土和中更新统坡、冲积黄土组成,岩性为粘质砂土和砂质粘土,厚度031.75m,平均厚度14.64m。富水性弱,水位标高150m。 3.1.2 新近系N砂岩孔隙水含水层 地表有零星出露,厚084.60m,平均厚61.74m,岩性为泥岩、泥质砂岩,底部为含砾砂岩,砂岩固结疏松,孔隙多被泥质充填,富水性弱。 3.1.3 上二叠统P 2 砂岩裂隙水含水层组 1石千峰组P 2 sh砂岩裂隙水含水组 其岩性组成中上部主要为中粒砂岩,局部夹泥岩粉细砂岩等,底部为厚约50m左右的灰白色中粒长石石英砂岩平顶山砂岩。水位标高170.01206.20m,水化学类型为 HCO 3 C a型,矿化度390430m g/L,富水性弱。 2上石盒子组P2s砂岩裂隙水含水组 含水层由1617层细、中、粗粒砂岩组成,厚5090m,平均厚59.91m。本组地层总厚240.69305.24m,平均275.41m,砂岩与泥岩互层多构成无明显水力联系的含水层组。 3.1.4 下二叠统P 1 砂岩裂隙水含水层组 包括下石盒子组P 1x 和山西组P 1s 。总厚400m左 右。含水层由823层细、中、粗粒砂岩组成,累计厚度67.74114.35m,平均94.97m。为二 1 煤层顶板直接充水含水层。由于其地表无出露,埋藏深,裂隙不发育,因此其富水性弱。 根据钻孔抽水试验资料,单位涌水量0.00390.0404 L/s m,渗透系数0.02770.1648m/d,水位标高185.10 226.89m。据矿井资料,芦沟煤矿矿层顶板突水极少见到,单点涌水量为316m3/h,占矿井总涌水量不足1。 3.1.5 上石炭统C 3 灰岩岩溶裂隙水含水层组大部分埋深大于700m。可分为上部灰岩岩溶隙水含水层和下部灰岩岩溶裂隙水含水层。其富水极不均匀。 1上部灰岩岩溶隙水含水层 为二 1 煤层底板直接充水含水层。灰岩一般24层,揭 露厚度912m。由于其埋藏较深,岩溶不发育。水位标高80.18116.90m。 2下部灰岩岩溶隙水含水层 为二 1 煤层底板间接充水含水层。灰岩一般25层,揭露厚度17.8026.60m,岩溶裂隙不发育。区内钻孔揭露到该段时均未发生漏水,说明该段灰岩富水性弱。 据邻近矿区钻孔抽水试验资料,随着抽水时间的延长,涌水量有阶梯状下降之势,抽水停止后,水位恢复迟缓,显示地下水以静储量为主之特征,此特征在西部邻区矿井中表现更为明显。井下突水点水量随时间延长迅速减小,芦沟矿突水点的稳定水量占初突水量的1/22/3。结合芦沟矿井突水及本区抽水试验和钻孔漏水情况分析,本组灰岩富水性弱且极不均匀。 本组水力性质为高水头承压水。地下水补给来源为西北部低山区大气降水补给,侧向渗入勘查区。迳流方向为北西 南东向,迳流迟缓,水力坡度小。据曲梁煤矿区石炭系灰岩岩溶裂隙水动态观测资料,本组地下水不直接接受降水 影响。该组水化学类型为HCO 3 N a型及H CO 3 N a M g型,矿化度510710m g/L。 3.1.6 奥陶系中统O 2 灰岩岩溶裂隙水含水层 埋藏深度大于750m,最大揭露厚度86.02m。因其埋藏较深,又处在地下水的迳流与排泄区的交汇处,地下水交替迟缓,岩溶不发育,揭露到该层时,均无发生漏水。据曲梁煤矿区钻孔抽水试验资料,钻孔单位涌水量为0.0193L/s m, 渗透系数0.0722m/d,水质类型为H CO 3 M gC a型和 HCO 3 C a M g型,矿化度460600m g/L。钻孔单位涌水量 0.00798L/s m,渗透系数0.0094m/d,水位标高101.54m。南邻李岗井田ZK1414补孔抽水试验钻孔单位涌水量0.003 95L/s m,涌透系数0.0077m/d,水位标高105.98m。从单位涌水量及渗透系数看,该层富水性极不均一。 本含水层水力性质为高水头承压水。据曲梁煤矿区长观资料,该含水层不直接接受大气降水补给,地下水峰值的出现滞后降水23个月,在雨季来临时出现最低值。 因其与石炭系灰岩含水层多发生水力联系,或因石炭系 断失,使其成为二 1 煤层充水的主要含水层,故本含水层为 二 1 煤层底板充水的主要因素之一。 3.2 隔水层 3.2.1 上二叠统泥岩隔水层 主要由上石盒子组泥岩、砂质泥岩组成,单层最大厚度大于50m,岩石完整,隔水性好。 3.2.2 下二叠统山西组下部泥岩隔水层 由二 1 煤层、底板泥岩、砂质泥岩组成,底板厚度最薄 1.03m,最厚13.86m,平均厚9.40m,为二 1 煤层底板主要隔水层。 3.2.3 上石炭统中段泥岩、砂岩隔水层 岩石完整,裂隙不发育,可视为相对隔水层。 3.2.4 中石炭统本溪组含铝岩系隔水层 由铝土岩、粘土岩等组成,一般厚度1520m,平均厚18.17m,但在该层相对薄弱段或构造破碎段隔水性能变差,石炭系岩溶裂隙水含水层易与下部的奥陶系岩溶裂隙含水 层发生水力联系,对开采二 1 煤层构成威胁。 3.3 断层带特征及其富水性 区内共有4条主要断层,呈北西西和近东西向展布,F5和F10为矿区南北边界,F8从矿区中部穿过,F9是F8的分 126 支,F 8、F 9将矿区分为三个矿段,4条断层均属正断层见图1 。 图1 构造纲要图 3.3.1 F5断层 该断层为矿区的南部边界断层,走向近东西,北倾,倾角60 80 ,属张扭性正断层,构造岩铅直厚度最大27.89m,最小1.07m,一般1520m,落差150300m,钻孔穿见时在断层带附近很少有漏水现象。在浅部该断层是阻水的,在深部断层上盘的二1煤层与下盘的奥陶系灰岩岩溶含水层相对接,成为二1煤层底板含水层的导水边界,对二1煤层开采构成威胁。 3.3.2 F10断层 为矿区的北部边界断层,总体走向90 ,倾向180 ,倾角60 80 ,落差230240m,构造岩垂厚一般210m 最厚243.94m 断层带内泥质较多,富水性弱。断层影响带内的砂岩中虽有漏水现象,但漏失量不大,其富水性不强。但断层上盘二1煤层直接与奥陶系灰岩岩溶裂隙水含水层相对接,成为二1煤层充水含水层的导水边界,对二1层开采造成威胁。 3.3.3 F8断层 走向100 ,倾向10 ,倾角50 70 。构造带垂厚一般310m 左右,最大厚度22.2m,构造岩为碎裂泥岩,穿见的钻孔中有漏水现象,漏水量5m 3/h 。漏水层位分别为石千峰组和上石盒子组,距二1分别为649.29m 和471.79m,上盘二1煤层与下盘的奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层相对接,成为二1煤层底板含水层的导水边界。而下盘的二1煤层与下石盒子组相对接,成为隔水边界。3.3.4 F9断层 倾向30 ,落差120130m,断层带厚16.90m 。构造带岩性主要为破碎泥岩,有少量的破碎砂岩,钻孔中该段未发生漏水说明其富水性弱。 3.4 水文地质边界条件及补给、迳流和排泄条件3. 4.1 边界条件分析 南北边界有两条断层,北部边界F 10向南倾,南部边界F5向北倾,形成了类似地堑式的构造形态,在深部,二1煤层的南北两侧均与奥陶系白云质灰岩岩溶裂隙水含水层相对接,使深部下伏岩溶水可直接涌入二1煤层。两断层应为导水边界;而在二1煤顶板以上,钻孔揭露到两断层时,发生漏水的很少,从F 5断层露头来看,其有23m 的断层泥,无角砾成分,断层应表现为张扭性,在断层北侧沟谷有断层泉出露,是由断层阻水,抬高地下水位形成泉水,因此,浅部边界应视为阻水边界。3.4.2 地下水的补给 新近系孔隙含水层主要接受大气降水补给,区内二1煤层之上的石盒子组地层中泥岩占70以上,且单层厚度大,发育稳定,隔水性良好,砂岩仅占各组厚的26左右,形成相对独立的含水层和水位。因此,地下水的补给主要为侧向迳流补给。 3.4.3 地下水迳流 地下水迳流基本和区域地下水迳流一致,沿东西向构造向东迳流,顺层向东南迳流,总体由西北向东南迳流,不论是下部石炭系、奥陶系灰岩岩溶水,还是上部砂岩裂隙水迳流都很迟缓,渗透系数均在0.00120.0077m /d 之间。3.4.4 地下水的排泄 1向东南迳流排泄是井田地下水的主要排泄方式。2向地表水排泄,在区内的水竹园有一坑塘,常年有水,其水源主要来源其周围的泉水。在北部边界F5附近有泉水出露。总的来说,区内的泉流量不大,仅仅是地下水的一种排泄方式。 3人工排泄区内居民的人畜饮水均取自地下水,因此人工排泄也是井田地下水不可忽略的排泄方式。 4 矿坑涌水量计算 4.1 大井法 区内构造较复杂,且下部石炭系灰岩坚硬易破碎,本区构造为导水构造。北部的F8断层,北盘下降,南盘上升,使得首采区和先期开采地段的二1煤层底板含水层与下石盒子组相对接,从而构成隔水边界,而在首采区和先期开采地段南部的F5断层,南盘上升,北盘下降,使得此段二1煤层底板含水层与奥陶系灰岩岩溶含水层相对接,从而构成导水边界,因而,可采用一边为供水边界,另一边为隔水边界计算公式进行计算。 首采区面积177.25万m 2,可概化为半径751.33m 的大井;先期开采地段面积285.39万m 2,可概化为半径953.35m 的大井。 选用公式Q 4 KM S R C R C 2l n 1.27L c t g d 1 2L r w 式中Q 为预测涌水量m 3/h;K 为渗透系数m /d,取0.2172m /d ;M 为含水层厚度m ,取10m;S 为水位降深m ,首采区水位降深S 首696.90m;先期开采地段水位降深S 先796.90m;R C 为水流阻力系数;L 为隔水边界至导水边界的距离m ,1075m;d 1为抽水孔至隔水边界的距离 m ,取1 2L;r w 为抽水孔半径m ;r w 首751.33m;r w 先953.35m 经计算得 首采区涌水量Q 首830.83m 3/h 先期开采地段涌水量Q 先1261.59m 3/h 4.2 比拟法 矿区西部3km 的芦沟煤矿开采二1煤,与本区水文地质条件、构造条件基本相似,设计年开采能力60万t ,现开采能 力为45万t /a ,采空区面积3k m 2 。2005年年平均排水量 825m 3 /h ,石炭系水位平均值为133.64m,开采标高为-15m,以此进行水文地质比拟计算。将其采空区面积概化为直径977.45m 的圆进行比拟,其水位降深148.64m 。 127 选取公式QQ 1 rs r 1 s 1 式中Q 1825m3/h;r 1 977.45m;S 1 148.64m;r 首0 751.35m;S 首696.90m;r 先0 953.35m;S 先 796.90m 经计算得 Q 首1566.17m3/h;Q 先 1886.54m3/h 4.3 计算结果评述 1利用大井公式法计算首采区的涌水量为830.83m3/ h,先期开采地段的涌水量为1261.59m3/h,与芦沟矿区相比,其与本区相邻,水文地质条件相近,本区开采深度约是芦沟井田的3.5倍,涌水量却与芦沟煤矿排水量相当,预测结果偏小,究其原因,这可能是由于开采条件下水文地质条件与抽水试验条件下取得的参数有出入所致,建议此结果作为参考。 2采用比拟公式推求本首采区的涌水量为1566.17 m3/h,先期开采地段的涌水量为1886.54m3/h,大于芦沟矿区采空区面积3km2时涌水量825m3/h,因本首采区和先期开采地段的开采深度、水位降深均大于芦沟矿区,计算结果和附近矿区相比裴沟煤矿2005年11月份排水量为1832 m3/h,比较接近,符合本井田水文地质条件。 裴沟煤矿正常涌水量约1100m3/h左右,2005年11月份涌水量最大达1822m3/h,最大涌水量比正常涌水量高出约66,是正常涌水量的1.66倍,因此,本首采区的最大涌水量为1566.17∃1.662599.84m3/h,先期开采地段的最大涌水量为1886.54∃1.663098.46m3/h。 因此,建议采用1566.17m3/h作为首采区的正常矿坑涌水量,采用1886.54m3/h作为先期开采地段的正常矿坑涌水量。采用2599.94m3/h作为首采区的最大涌水量,采用3098.46m3/h作为先期开采地段的最大涌水量。 5 二1煤层充水因素分析 5.1 二 1 煤层顶板充水因素分析 二 1 煤层顶板含水层主要由新近系孔隙水含水层、二叠系砂岩裂隙含水层组成。矿区东北2km曲梁煤矿开采七4煤,开采面积1.5k m2时的矿井总涌水量48.7751.82m3/ h,北侧许多开采七4煤的小窑几乎无水,说明七4煤上部含 水层富水性弱。在西北3k m的芦沟煤矿,二 1 煤层顶板砂岩裂隙水井下少见,单点涌水量316m3/h,仅占矿井总涌水 量的1。在西侧的刘寨煤矿、西南侧的任岗煤矿均开采二 1煤层,其顶板几乎无水,这说明区内二 1 煤层顶板含水层富水 性弱,对开采二 1 煤层影响较小。 5.2 二 1 煤层底板充水因素分析 含水层主要由石炭系灰岩组成,据西邻芦沟煤矿矿井排 水资料,二 1 煤层底板石炭系灰岩岩溶裂隙水涌水量650 850m3/h,占总涌水量的8085;西南侧的任岗煤矿开采面积0.256km2时的涌水量为115m3/h,主要来自下部石 炭系灰岩岩溶裂隙水。由此说明,二 1 煤层的主要充水来源 为石炭系灰岩岩溶裂隙水。由于受断层影响,使得二 1 煤层与奥陶系岩溶裂隙含水层直接接触,因此奥陶系白云质灰岩 岩溶裂隙水为本区二 1 煤层充水的重要因素之一。 5.3 断裂构造对开采二 1 煤层的影响 矿区内的4条主要断层,总的来看其本身富水性不强,漏水多发生在其影响带内,漏水量一般小于5m3/h,最大10m3/h,漏水位置距主采二 1 煤较远,因此,对开采二 1 煤一般 影响不大。但由于断层带富水性不均和断层产状组合的不 同,且均属导水正断层,断层对区内局部二 1 煤的开采会有影 响,在F5、F8、F9断层的北侧,F10断层的南侧,二 1 煤层与下伏奥陶系白云质灰岩岩溶裂隙含水层直接相连,使得奥陶系 岩溶水可直接涌入二 1 煤层,对煤层开采构成威胁。 5.4 地表水体对开采二 1 煤层的影响 张湾水库是区内唯一一座水库。F9断层从水库上游穿过,但其导水性较差;F8断层从水库中穿过,穿见该断层的钻孔漏水量为5m3/h,说明该断层的导水性差。在水库附 近,二 1 煤层埋深752.88877.82m,采用经验比值换算法估算导水裂隙带最大高度,采用煤层最大厚度15.62m,导水裂隙带最大高度与总采厚比值采用最大值28,则最大裂隙带高度为15.62∃28437.36m。距地面最近距离为752.88 -437.36315.52m,该段为整体移动带,裂隙不发育,不会 沟通地表水体与二 1 煤层之间的水力联系,因此,井田内地表 水体对开采二 1 煤层开采影响不大。 5.5 封闭钻孔对二 1 煤层开采的影响 根据当时封孔要求钻孔封闭孔段为孔口以下5m,基岩界面上下各5m,煤层顶、底界面上下各10m,其余为稠泥浆封闭。按现行规范要求其封孔段较少,且质量不高,这些钻 孔可能影响二 1 煤层开采。 综上所述,区内二 1 煤层的主要充水来源为煤层底板的石炭系灰岩岩溶裂隙水和奥陶系白云质灰岩岩溶裂隙水。 另外,由于断裂构造的切割,使得区内多处二 1 煤层与奥陶系岩溶裂隙含水层直接接触,使得充水因素进一步复杂化。因 此,断层带对二 1 煤层的开采会产生较大影响。封闭效果不 良的钻孔对二 1 煤层的开采有一定的影响。 6 结论 1区内二 1 煤层顶板含水层主要为二叠系砂岩裂隙含水层。底板含水层主要有石炭系、奥陶系灰岩、白云质灰岩岩溶裂隙含水层,新近系松散层孔隙水含水层在井田内分布不均,富水性较弱。 2F5、F10断层二 1 煤层与深部断层的奥含水层相对 接,成为二 1 煤层底板含水层的导水边界,对二 1 煤层开采构 成威胁。F8断层为隔水边界。F9断层富水性弱。 3利用大井公式法计算首采区的涌水量预测结果偏 小,采用比拟公式推求本首采区的涌水量比较接近。 4区内二 1 煤层的主要充水来源为煤层底板的石炭系灰岩岩溶裂隙水和奥陶系白云质灰岩岩溶裂隙水;由于断裂 构造使多处二 1 煤层与奥陶系岩溶裂隙含水层直接接触,使得充水因素进一步复杂化;封闭效果不良的钻孔可能会造成 二 1 煤层充水。 参考文献 [1]袁东峰,等.河南省新密煤田窦沟勘查区勘探报告[R].许昌 河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院,2005. 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