矿井水文地质类型划分及涌水量预测

铁卫民

神华宁夏煤业集团有限责任公司

一、矿井概况

A矿井的井田面积4.5km2，生产能力矿井生产能力600kt/a。矿井批准开采3#、15#煤层，井田内无地质构造。矿井由两个联办煤矿兼并重组而成，井田范围内存在大面积采空区，主要分布在3号煤层，聚有一定的积水。

二、矿井水文地质评价

(一)井田水文地质条件

由于本文主要分析的矿井水文地质条件主要涉及含水地层、隔水层，因此本文依据井田内分布含水层的时代、岩性、地下水类型等，归纳总结了矿井区域内水文地层特征。含水地层主要是松散含水层，属第四系，主要有土黄色黏土、亚黏土及砂和砾石，井田区域内广泛分布，渗透系数为218.4m/d。风化裂隙含水层于上石盒子组，属二叠系，平均岩石厚度235m，主要由灰白色砂岩、紫红色泥质岩组成，单位涌水量为0.115L/s•m。渗透系数为0.52m/d，地下水类型属于潜水。碳酸盐岩溶裂隙含水岩位于下方，属石炭系，平均岩石厚度78m，主要由粉砂岩、砂质泥岩组成，裂隙发育，单位涌水量为0.02L/s•m，渗透系数为0.152m/d。地下水类型为承压水。碳酸盐岩岩溶含水层，地层属奥陶系，由角砾状泥灰岩、石灰岩组成，单位涌水量0.103L/s•m，渗透系数0.144m/d，地下水类型为承压水。隔水地层主要是太原组底部泥质砂岩，平均厚度20.29m左右，裂隙发育和石炭系、二叠系之间灰岩岩石厚度在50m～79m之间，岩性致密，不透水。

(二)地下水的补给与排泄条件

松散含水层主要接受大气降水补给。风化裂隙含水层与碳酸盐岩溶裂隙含水层，由于隔水层阻断作用，大气降水和地表水对地下水影响不大，地下水流方向由北西至南东。碳酸盐岩岩溶含水层属奥陶系，主要受地表水渗透补给作用，地下水向东南方向延河排泄。

(三)矿井充水因素分析

依据井田水文地质及开采范围，矿井充水主要受大气降水、地表水、地下水采空区及地质构造5个方面影响。

1、大气降水对矿坑充水的影响

该矿区属于大陆季风气候，每年7、8、9三个月雨水量较大，属丰水期，期间矿井最大涌水量为160.8m3/d，枯水期为每年的10月至来年4月，最小涌水量50m3/d。每年的5、6月为平水期，涌水量为79.2m3/d。上述统计资料表明：矿井涌水量变化与降雨量变化一致，矿井涌水量主要影响因素为大气降水。

2、地表水体对矿坑充水的影响

井田内风化裂隙含水层与碳酸盐岩溶裂隙含水岩层，岩石裂隙发育，局部有小型断层，同时3号煤层工作面回采，导致煤层顶板受到应力扰动破坏，进一步加剧岩石破坏，形成了地表水导水通道。

3、地下水对矿坑充水的影响

3号煤层充水水源：3号煤层上方风化裂隙含水层和碳酸盐岩溶裂隙含水层，主要岩性为砂岩，裂隙发育。同时由于工作面回采，上覆岩层在开采应力扰动下形成了裂隙带，从而将地下水导入工作面，导致工作面涌水量迅速增大。15号煤层充水水源：主要受奥陶系岩溶含水层突水影响和碳酸盐岩溶裂隙含水层。但隔水层地质岩性较好，灰岩岩石厚度在50m～79m之间，岩性致密，不透水，具有良好隔水作用，因此碳酸盐岩溶裂隙含水层对15号煤涌水影响不大。

4、采空区积水对矿井充水的影响

矿井由两个联办煤矿兼并重组而成，井田范围内存在大面积采空区，主要分布在3号煤层，其中3号煤层采空区，有3处采空区积水，小窑破坏区位于井田北部浅埋区，有1处采空区积水，积水面积2554m2。积水量1.68万m3。井田中部和南部各有1处采空区积水，属于兼并重组前矿井开采形成的古采空区，积水面积分别是2554m2、3242m3，总积水量1.68万m3。另一方面，矿井四邻都出现不同程度、不同面积的采空区，采空区内积水量不清楚，对矿井生产造成了严重威胁。

三、地质构造对矿井充水的影响

(一)矿井水文地质类型

矿井水文地质类型划分主要依据：井田区域水文地质条件、地质构造、地下水补给和井田地质构造。井田3号煤层充水为裂隙含水层，处于工作面上方裂隙带内，受工作面采掘影响较大。隔水层裂隙发育，同时井田内断层较多，井田范围内采空区面积较大，存在古采空区。因此3号煤水文地质类型为中等。井田15号煤层充水为裂隙含水层和奥灰水岩溶含水层。其中裂隙含水层之间隔水层，岩性细密，不透水，但井田绝大部分区域内，奥灰岩溶含水层水位标高高于15号煤底板，具有突水危险。15号煤层由于尚未采掘，不存在采空区积水，地质构造情况不明。因此该矿井15号煤水文地质类型为复杂。

四、矿井涌水量预测技术的工程需求与发展趋势

矿井涌水量预测计算完全是为矿井安全生产过程服务的，评价一个矿井涌水量预测结果优劣的标准就是看其对矿井建设与生产的实际指导作用和意义，矿井涌水量预测技术的发展趋势也完全顺应矿井生产对其提出的新要求。这一要求和发展趋势主要体现在下列方面：

(一)矿井涌水量预测与矿井采掘工程时空变化相结合

过去对矿井涌水量预测工作多基于勘探阶段的水文地质资料，勘探阶段已完成，而这一时期矿井的详细采掘设计一般都没有完成，因此，涌水量预测时基本无法考虑矿井采掘方式以及采掘接续进程的变化情况，其预测结果无法体现在矿井生产的什么时期、什么位置发生，因此，对矿井生产指导作用的针对性不强，甚至根本没有实际指导意义。随着矿井生产活动对安全高效要求的提升，强烈要求矿井涌水量预测结果不仅给出一个总水量，而是给出总用水量的组成和在矿井采掘过程时间空间上的分配情况。为此，矿井涌水量预测必须建立在矿井采掘规划与设计的基础上，根据矿井采掘规划和设计的时空进程分阶段、分区域进行预测计算，每一个区域和时段的预测结果应该是下一个区域和时段预测计算的边界和初始条件，强调不同区域及时段完成的采掘工程和揭露的涌水量之间的相互干扰作用，要求涌水量预测工作应该建立在矿井采掘工程设计的基础上，先有采掘规划和设计，再有矿井涌水量预测计算，矿井涌水量预测计算和矿井采掘工程的时空进程应该紧密结合。

(二)不同原理的矿井涌水量预测方法的结合

现有的矿井涌水量预测方法分别基于水动力学原理、水均衡原理、工程相似原理和功能相似原理等，不同的方法都有其自身特定的优缺点，但存在一个普遍的问题就是对所预测的水量结果的物理含意和工程含义体现不明晰，对涌水量的来源、组成及其不同组成之间的关系等不够明确，如涌水量中有多少来自含水层自身储存水量的释放，有多少来自含水层接受外部的动态补给，储存水量释放的方式及时空条件如何，补给水量来源及其与储存水量的转化关系等。对涌水发生与采掘工程之间的因果关系及诱发条件不明晰，导致涌水量预测结果只有水量，没有涌水位置、没有涌水原因、更没有涌水通道的结构特征分析。正是由于现行涌水量预测计算存在的这些问题，导致涌水量预测结果无法对矿井水害防治技术路线选择及技术工程设计提供支撑。因此，新的矿井涌水量技术发展趋势要求预测的矿井涌水量必须有明确的物理含义，明确水量的来源、组成、属性、位置、发生条件等。

(三)强调矿井涌水量随采掘工程进程的时间过程性和动态变化性

矿井涌水是因矿井采掘工程的扰动而诱发的，由于矿井采掘活动是随着时间的进程而逐渐展开的，其对充水含水层的扰动也是随着采掘工程而逐渐增强和扩展的。因此，矿井涌水量及其特征一定是随着矿井生产过程的进行而不断变化的量，矿井水害防治技术与工程的应用也是随着矿井生产过程的进程而逐步实施的。而目前常见的矿井涌水量预测结果往往只用一个最大涌水量和最小用水量来表示，且对这个水量发生的时间也不明确，有些涌水量预测结果反映了矿井生产寿命到期时的水量，这对矿井生产过程没有实际指导意义。因此，矿井涌水量预测技术的发展趋势越来越强调矿井涌水量随采掘工程进程的时间过程性和动态变化性，而不是用唯一的确定量去刻画本来就是不断变化的动态量，尽量将时间过程、矿井生产进程和涌水量动态有机对应起来，不仅明确了涌水量的变化过程，更明确了涌水量发生变化的原因及其与采掘工程阶段的关系。

结语

总而言之，在矿井水文地质类型划分中需要根据具体的水文地质环境进行分析，对不同地域的水文条件、充水、地下水等因素进行实地勘察，然后对这些因素进行详细的分析，最终再进行类型划分，根据划分的类型进行相关的作业，在预测涌水量上需要与矿井的采掘时间、时空等相结合，并结合不同原理的涌水量预测方法，进而切实保证预测的精准性，从而为更好的开展矿井作业提供一定的帮助。

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