代池坝煤矿深部水文地质条件研究及涌水量预测

胡文惠，曾贞



代池坝煤矿深部水文地质条件研究及涌水量预测

胡文惠1，曾贞2

（1.四川省煤田地质工程勘察设计研究院，成都 610072；2.四川省地质矿产勘查开发局成都水文地质工程地质中心，成都 610072）

代池坝煤矿进入深部开采，通过对矿区深部水文地质条件研究与矿井充水因素分析，认为矿床充水含水层为富水性弱～中等的砂岩裂隙含水层，各含水层间水力联系差，深部开采面临含水层地下水水压变大，具有一定的危险性。矿井主要充水水源为大气降水、含水层砂岩裂隙水、地表水和采空区积水。矿区主要充水通道是煤层开采后形成的导水裂缝带和矿区范围内11个报废钻孔。采用了比拟法的计算：深部标高+320～+50m范围内正常涌水量为234m3/h,最大涌水量为509m3/h。

水文地质条件；充水因素；涌水量；代池坝煤矿

代池坝煤矿位于四川广元市旺苍县普济镇境内，矿区地势北高南低，标高511.6～1 243.5m，为浅至中切割的中低山丘陵。

矿区主要含煤地层为三叠系须家河组第五段第三亚段(T35-3)，属河床沼泽相沉积，岩性主要由钙质细砂岩、钙质粉砂岩、粉砂质泥岩、砂质泥岩、泥岩及煤层组成，含可采煤层9层，平均总厚度131.20m，煤层总厚平均值为3.8 m。

代池坝煤矿1979年投产，开采近40年，生产规模为30万吨/年，开采采标高+820～+235m，标高+535m以上已回采完毕，+320m水平大部分已开采，进入矿区深部开采，因此，深部矿井的水文地质条件研究成为规划和建井的当务之急。

1 矿区水文地质条件

矿区位于大两会背斜南翼，大两会背斜为一完整水文地质单元，背斜一线将整个区域分为南、北两个次级水文地质单元，矿区位于大两会背斜南翼之东河和鲁巴河之间的河间地块次级水文地质单元，该水文地质单元地势总体上北高南低，西高东低，区域地表排泄基准面由嘉陵江的次一级支流东河控制，矿区位于区域水文地质单元的补给—径流带上。

1.1 矿区含水层特征

三叠系须家河组第四段（T34）碎屑岩类裂隙含水岩组：该段岩性由浅灰色巨厚层状细—中粒岩屑长石石英砂岩夹细粒石英砂岩组成，矿区内未见出露。厚度40～147m。该含水层受大气降水补给条件差，裂隙不甚发育，富水性较弱。

三叠系须家河组第五段第二亚段（T35-2）碎屑岩类裂隙含水岩组：该段岩性由灰色中—巨厚层状中—粗粒岩屑长石石英砂岩组成，主要出露于矿区北部边界外。该段地层地表多突出形成较高的山顶，岩层的露头裸露良好，节理、裂隙发育，有利于地下水的补给和渗透运动，但受山地地形影响，接受大气降水补给条件差。本段岩层裂隙不发育，钻孔回次水位、冲洗液消耗量无明显异常。矿区现主要运输大巷即布置在该含水岩组中，另有多处石门揭露该含水岩组，各出水点水量变化大，富水性不均一，在进入深部开采后，该含水岩组水压变大，具有一定的危险性。该段属于富水性中等的砂岩裂隙含水层。

三叠系须家河组第五段第三亚段（T35-3）碎屑岩类裂隙含水岩组∶出露于矿区北部边界外，内仅零星出露，钻孔揭露厚度98.13～176.43m，平均134.10m，钻孔回次水位和冲洗液消耗量均未见异常，此段含水岩组中由上至下又可细分为三层∶

上层为5号煤层至白田坝组底界，厚46.20～73.88m，岩性以薄至中层钙质粉砂岩夹细粒砂岩为主，节理裂隙发育较差。属富水性弱的砂岩裂隙含水层。

中层为7号煤层顶板至5号煤底板，厚6.34～23.98m，岩性以钙质细至中粒砂岩为主，裂隙发育，裂隙率为1.32%～2.285%，泉水流量为0.0075～0.601l/s,钻孔抽水试验的q=0.545l/(s.m)、K=3.35m/d，属富水性中等的砂岩裂隙含水层。

下层为7号煤层到煤系底板，厚69.8~84.15m，含7号至13号煤层，共七个煤层，岩性以钙质砂岩、钙质粉砂岩夹细粒长石石英砂岩为主，偶夹泥岩，节理裂隙发育程度差，裂隙率为0.82%～0.96%，泉水流量为0.000 7～0.657L/s。钻孔抽水试验的q=0.038 1L/(s.m)、K=0.214m/d，在煤矿生产过程中，水量不大，最大涌水量20.4m3/h，属富水性弱的砂岩裂隙含水层。

侏罗系下统白田坝组（J1）碎屑岩类裂隙含水岩组：该含水岩组按其含水性可以分为三层，分别是白田坝组第三段（J1b3）、第二段（J1b2）和第一段（J1b1）上部以及第一段（J1b1）下部，第二段（J1b2）和第一段（J1b1）上部为隔水层。钻孔揭露该岩组后有发生涌水现象，涌水量0.014～3.22L/S，钻孔对白田坝组（J1）碎进行了抽水试验，单位涌水量为0.0 002～0.008L/(s.m)。

白田坝组第三段（J1b3）：该层厚厚85.22～133.94m，平均105.26m。岩性以细粒长石石英砂岩、粉砂岩为主，泥岩、泥质粉砂岩和砂质泥岩次之。该含水岩组属富水性弱的含水层，距煤层较远，对煤层开采影响不大。

白田坝组第一段（J1b1）下部：厚29.74～46.28m，呈条带状出露于矿区北部煤矿区边界处，地形上多形成陡坎，为灰色石英质砾岩，砾石一般占60%～70%，胶结物为灰色中粒、粗粒石英组成的砂岩，接触式胶结。代池坝煤矿+320水平石门揭露该含水岩组时最大涌水量达529.8m3/h，将付斜井及管子道淹没，属富水性中等含水层。

1.2 矿井充水因素分析

1.2.1充水水源

矿井主要充水水源为大气降水、地表水、含水层砂岩裂隙水和采空区积水。

1）大气降水，矿区北部各煤层露头和含水岩组广泛出露于地表，直接接受大气降水补给，矿井涌水动态也与大气降水变化过程一致，具有明显的季节性和多年周期性变化规律，大气降水主要通过补给各含水岩组地下水以及采空区积水对矿井形成充水影响，因此，大气降水是矿井的主要充水水源。

2）地表水，矿区有常年溪沟清江河，长约3 000m，由北向南弯曲贯穿矿区，汇水面积910m2。清江最大流量427m3/s，最小0.13m3/s，一般0.9m3/s。矿区内，该河上游标高+555m，下游+545m。根据矿山资料，清江+535m工业广场地段的最高洪水位为+529m，流经张家湾煤层露头线地段的最高洪水位为+549.0m，切穿各个含水岩组和煤层露头。煤层开采前，清江是矿区最低侵蚀基准面，地下水补给清江，随着煤层开采标高低于清江面标高，煤矿开采疏干地下水，影响了地下水流场，现在是清江补给地下水。煤系地层最上部可采5号煤层距离清江垂高最小处为50m，若在河面下开采煤层，清江水将通过开采引起的导水裂隙带涌入矿井。鉴于这个原因，原地质报告圈定留设了清江保安煤柱。在保安煤柱完好的情况下，清江对矿井的充水影响较小。1971年代池坝煤矿在井下开拓+535m大巷时曾发生过因小煤窑盗采河床保护煤柱导致河水进入矿井的水害事故，涌水量达540.3m3/h。所以清江是矿井水补给的一个来源，对本矿构成严重的水患危害。其余数条季节性冲沟规模小且雨季作为地表水的快速排泄通道，只有少量水渗入地下。

3）煤层顶底板含水层水，区内各煤层顶板砂岩裂隙水为煤层开采时主要充水水源。5号煤层上距白田坝组砂砾岩含水层58.3～92.7m。

煤层顶板充水：矿区5号煤厚0.16～1.4m， 5号煤与7、8号煤间距较小，属近距离煤层，按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》规定，其导水裂缝带高度需按多煤层开采时综合计算。5号煤距7号煤层顶板9.69～23.26m，因7、8号煤层间距较近，实际开采时，7号煤和8号煤为同时开采,故计算时采用其和，其最大厚度为2.9m.通过计算，开采7、8号煤层时，其垮落带已接触到5号煤层范围内。5号煤：

综合取值，5、7、8号三煤层的最大导水裂缝带高度为37.56m。而白田坝组第一段（J1b1）下部含水层距5煤为58.3m～92.7m，故白田坝组及其上的各含水岩组水不会涌入矿坑。因此，煤层赋存的须家河组第五段第三亚段砂岩裂隙含水层是各煤层开采的直接顶板充水含水层。

煤层底板充水：各煤层底板均含有一定的砂岩裂隙层间水，但其水量一般较小，富水性不均一，对煤层开采构成的影响较小。

须家河组第五段第二亚段含水层水，该煤矿主要巷道皆布置在该含水层中，在开拓大巷时，对巷道产生充水作用，同时随着主要巷道的开拓，对该层含水层也起到了泄水的作用。因此，该含水层主要是通过巷道的开拓对矿井产生充水作用，一般不会随煤层开采进入矿井，据矿井实际开采情况，煤层开采时少有底板涌水，煤矿工作面很少有涌水，主要涌水是因为大巷及石门揭露含水岩组T3xj5－2引起。因此该含水层地下水也是矿井充水水源之一。

4）采空区积水，区内构造为一单斜构造，平硐以上采空区水以自流方式排出矿井，下一水平采空区水亦自流至水仓后经斜井排至地面，区内无积水区，但在浅部，沿煤层露头线附近分布着小煤窑及小煤窑采空区，现有资料表明，由于小煤窑的越界开采，代池坝煤矿503采区保护煤柱已被破坏，其采空区与浅部的老窑之间已形成通道。该区域采空区水成为矿井的一个主要充水隐患。+320m水平采空区由于各采面均是垮落法充填，积水甚少，积水通过采动裂隙进入+320m大巷，沿+320m大巷流入+320m水仓，经过水泵排出地面。+320m水仓由重庆煤炭工业设计院设计，其水仓容量及中央泵房排水能力均达到煤矿设计要求。该煤矿其相邻煤矿有赵家坝煤矿、磨岩煤矿、核桃树煤矿、侯家寨煤矿和小溪沟煤矿，老窑主要有东升公司、化龙乡煤矿和四沟煤矿(已关闭)，侯家寨煤矿、化龙乡煤矿和四沟煤矿于2010年重新整合为同心煤矿。经调查，小溪沟煤矿的老空积水对代池坝煤矿有一定的影响。

1.2.2充水通道

矿区未发现大的断层及裂隙带，地表第四系厚度较薄，工作面开采时也少有涌（出）水，煤层顶、底板砂岩裂隙水主要是通过开采后形成的导水裂缝带及大巷和石门揭露后进入矿井形成充水。因此，本区主要充水通道是煤层开采后形成的导水裂缝带。另外，矿区范围内共有11个报废钻孔，均揭穿了煤系顶部的含水层。多数钻孔封孔质量较差，可能成为矿井充水的通道之一。

2 涌水量预测

2.1 矿井涌水构成分析

技术人员对矿井涌水量进行观测、统计和分析，基本查明了矿井涌水量动态特征。代池坝煤矿近十年(2005年至2016年)矿井涌水量及其变化见表1及图1和图2。

表1 代池坝煤矿2003～2014年涌水量表（m3/h）

表1 代池坝煤矿2003～2014年涌水量表（m3/h） 年度200520062007200820092010201120122013201420152016 最小总涌水量121.698.8108.498.9108.2100.3117.5147.9160.1141.3127.4104.1 最大总涌水量217.0220.4208.4173.7215.5281.5439.8379.6504.3295.5335.1348.3 正常总涌水量158.3138.7155.8129.7146.3188.1219.3234.6283.2190.9185.7199.6 320水平正常涌水量129.3108.0115.2107.0113.8158.4171.3195.4214.0147.9138.9149.3 535水平正常涌水量29.030.740.622.732.629.748.039.269.243.046.850.3

2.2 矿井涌水特征

1）涌水量变化特征，从表1和图1、2可以看出，矿井涌水量总体呈上升趋势；上水平(+535m水平)因开采已经结束，涌水量主要来源是大气降水通过采动裂隙进入的裂隙水，随大气降水变化而变化，涌水量较小且相对比较稳定，未来矿井涌水量主要来自下水平。自2008年后，受汶川大地震影响，矿井涌水量逐年上升，2011年开始有所下降。

图1 代池坝矿井总涌水量曲线图

图2 代池坝矿井分水平涌水量曲线图

2）涌水量构成分析，矿井涌水量构成分析：①按水源分析，矿井涌水水源为煤层顶底板砂岩水和采空区积水，由于矿井运输大巷布置在须家河组第五段第二亚段（T3xj5-2）含水岩组中，并且有多处石门穿过该含水岩组，因此该含水岩组地下水成为矿井涌水量的主要构成部分。②按开拓区域分析，上水平以上涌水量约占总涌水量的20％，下水平约占总涌水量的80％。目前矿井涌水形式主要是顶、底板砂岩裂隙水以及工作面回采后的采空区积水。

据旺苍县气象局旺苍县气象站降雨量资料统计，本区月降雨量集中在每年雨季的5、6、7、8、9五个月，详见表2。从图3可以看出：涌水量与降雨量密切相关，每年5至9月的雨季涌水量也较大,因此，矿井涌水动态与降水变化过程相一致，具有明显的季节性和多年周期性的变化规律，涌水量最大值出现在丰水年的雨季。雨季涌水量一般为旱季的2倍，在丰水年的雨季可达4倍以上。

表2 2012～2016年降雨量统计表

表2 2012～2016年降雨量统计表 年度月平均降雨量（mm）年度总降雨量(mm) 123456789101112 20121.45.82868.878.8133.8609.9230.9154.648.220.410.71391.3 201330.917.110.719.2200.8217.9452.3268.7162.635.214.52.41603.5 20140.00.019.931.8204.479.6471.9262.4177.441.25.82.01296.4 201521.82.160.1178.8216.7698.7139.7100.222.825.414.71463.0 20162.32.79.543.267.368.4155.2136.8395.0143.66.30.71031.0

矿井涌水有如下特点:

1）矿井涌水量与大气降水密切相关，有明显的季节性和多年周期性变化，代池坝煤矿+320m水平涌水量与大气降水的关系相比+535 m水平更加明显。

2）矿井涌水量在一时段内随巷道长度、开采面积的增大而呈缓慢上升趋势。

3）矿井涌水水源主要为煤层顶底板含水层水和采空区积水。工作面回采过程中涌水量较小（小于50m3/h）。

4）由于对主要河流下均留设安全防水煤柱，地表水与矿井涌水关系不密切。

5）受汶川大地震影响，加大了岩体裂隙的发育，涌水量相比大地震前有了明显的增大。

图3 代池坝煤矿涌水量与降雨量关系曲线图

2.3 矿井涌水量预算

从矿井涌水量规律来看，矿井涌水量主要与大气降雨有关，并随着开拓面积的扩大呈缓慢增大。随着矿井向深部延伸，矿井充水条件与目前相比变化不大，直接充水含水层仍为煤系地层砂岩含水层，采用水文地质比拟法预测未采水平矿井涌水量。对深部接替水平（标高+320～+50m）矿井涌水量进行预测，平面预算范围为采矿权范围和深部探矿权范围。

表3 涌水量预算成果表

1）+320m水平涌水量预算：目前320水平正常涌水量Q0为145.4m3/h(2014～2016年正常涌水量平均值)。

：开采面积，主采9煤层+320m水平开采斜面积，已开采面积约为1.0km2，未开采面积约为0.4 km2，总开采面积为1.4 km2；：涌水量。根据历年矿井涌水量变化系数2，最大涌水量为408m3/h。

2）+50m水平涌水量预算：

Q:目前涌水量，矿井+320m水平以上涌水量由+535m水平和+320m水平构成，+535m水平总体涌水量较稳定，采用其近三年实测涌水量，2014～2016年正常涌水量为46.7 m3/h，最大涌水量为138.2 m3/h ，+320m水平预计正常涌水量为204m3/h, 最大涌水量为408m3/h，则+320m水平以上预计正常总涌水量为251m3/h。最大涌水量为546m3/h。：预测涌水量。S：开采水平水位降深,采用降深为从水位标高+618.75m降至+320m，则水位降深为298.75m。:预算水平水位降深，+50m水平水位降深为568.75m。F：+320m以上水平开采面积，本文采用该矿主采煤层9煤开采面积(斜面积)，+320m水平以上预计开采面积为2.5km2；：预算水平+50m以上总开采面积，+320m水平至+50m水平间预计开采面积约为2.4km2，预计+50m以上总开采面积为4.9 km2；

3）预测结果，通过计算求得+50m以上矿井正常总涌水量为485 m3/h，矿井最大总涌水量为1 055 m3/h，则标高+320～+50m范围内正常涌水量为234m3/h,最大涌水量为509m3/h。

3 涌水量预算成果及评价

代池坝煤矿矿坑涌水量预测采用水文地质比拟法，以上一开采水平实际揭露涌水情况预计未采水平涌水量，选择的计算方法及水文地质参数基本合理，可作为矿山开采设计的矿坑涌水量的参考值（表3）。

[1] 胡文惠,胡祖国,等.四川广旺能源发展（集团）有限责任公司代池坝煤矿+50m水平延深地质报告[R].2016.

[2] 刘大野,陈立云,徐会.矿井单位涌水量比拟法在矿井涌水量预测中的应用[J] 中国煤炭地质,2010,(10):41～44.

[3] 杜敏铭,邓英尔，许模.矿井涌水量方法综述[J] 四川地质学报,2009,(01):70～73.

[4] 曹剑峰,迟宝明,王文科,等.专门水文地质学[M].北京：科学出版社，2006.

[5] 陈兆炎.煤田水文地质学[M].北京：煤炭工业出版社，1989.

Study of Hydrogeological Condition and Water Yield Predictionin the Depth of the Daichiba Coal Mine

HU Wen-hui1ZENG Zhen2

(1-Sichuan Research Institute of Exploration and Designing of Coal Geological Engineering, Chengdu 610072; 2- Chengdu Center of Hydrogeology and Engineering Geology, SBGEEMR, Chengdu, Sichuan 610081)

Study of hydrogeology and the mine water filling factors in the depth of the Daichiba coal mine indicates that the water filling aquifers are weak to moderate rich water-based sandstone fracture aquifers. Hydraulic connection between each aquifer is bad, groundwater pressure will increase at the time of mining in the depth. The mine main water filling sources are meteoric water, sandstone fissure water, surface water and goaf water. Main water filling channels are water flowing fractured zone and 11discarded drill holes. The calculation indicates that normal water inflow is 234m3/h and the largest water inflow is 509m3/h in the depth of elevation of +320-+50 m.

hydrogeological condition; water filling factor; water inflow; Daichiba coal mine

2017-09-04

胡文惠（1983-），女，四川内江人，工程师，主要从事水文地质、工程地质、环境地质相关工作

P641.4

A

1006-0995（2018）02-0287-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.02.023