耒阳市江头矿井矿山水文地质特征及矿坑涌水量预测研究

李常辉

（湖南省煤田地质局第六勘探队，湘潭，411100）

1 引言

2019年4月，湖南省煤田地质局第六勘探队组织技术人员对江头某矿进行野外调查、研究，编制了《湖南省天宏矿业股份有限公司江头矿井矿山地质环境综合防治方案》，本文作者作为此项目负责人，对江头某矿矿山水文地质特征进行了深入研究，取得了一定成果，希望能对该矿的矿坑水防治工作有所帮助。

2 概况

2.1 矿山基本情况

江头某矿位于白沙矿区江头井田，北接磨田井田，南至横冲井田，隶属耒阳市龙塘镇。矿山1992年12月建成，1993年简易投产；设计生产能力15万t/a，目前技改期间实际生产能力约3万t/a；主采龙潭组上段（P2l2）6矿层及5矿层局部；水文地质条件中等，正常矿坑涌水量65m3/h，最大107m3/h。

2.2 自然地理

2.2.1 地形地貌

矿区属侵蚀剥蚀丘陵地貌，标高一般在110-150m之间，最高高程+186.5m，地势南东高、北西低。矿区冲沟呈树枝状展布，地形有利于地表水的径流、排泄。

2.2.2 气象

本区属亚热带季风湿润气候区，四季分明、雨量充沛。据耒阳市气象统计资料（1951年～2018年），气象参数如下[1]：

年平均气温16.9℃～18.8℃；

年平均降水量1373.2mm；

日最大降水量327.2mm（1999年8月12日）；

年平均降雨日166天，3～6 月为雨季。

2.2.3 地层岩性

区域地层由新至老分别为：第四系（Q）、三叠系下统大冶组（T1d）、二叠系上统大隆组（P2d）、龙潭组（P2l）及二叠系下统当冲组（P1d）。

2.2.4 地质构造

区内发育的构造体系主要有南内向构造、新华夏系构造，其次为东西向、华夏系及旋钮构造。矿井整体为单斜构造，倾角35～80°，构造复杂。

3 矿区水文地质特征

3.1 地表水体

大气降水一部分沿地表向西南流失，一部分渗入地下，地表水径流条件好。残坡积层厚0～7.92m，基岩表层裂隙较发育，大气降水易沿山坡流出矿井范围，通过残坡积层孔隙及基岩裂隙渗入矿坑的水量较少。

矿井内有两条季节性排水溪流，一是江头溪，由南往北流经矿山，在北西角流出矿山范围；二是乌冲溪，位于矿山北部，由东往西流经矿山。上述两溪流，在矿井外莲花洞合流为一，至九良洲附近与浔江河汇合流入耒河。

矿井外东西两侧有较大的水库，分别为龙下冲水库、观冲水库，库水来源为上游侵蚀切割沟谷及其两侧大气降水的汇集。此外，零星分布数口小山塘。

3.2 含、隔水层特征

3.2.1 含水层特征

（1）第四系残坡积土孔隙水含水层（Ⅰ）

主要分布于沟谷中，厚0-7.92 m，一般5m，以残、坡积碎屑物为主，即砂质粘土、粘土，夹基岩碎块（见图1）。沟谷中部，常见冲积层砂砾石层，厚一般1-2m，含孔隙水，受大气降雨补给，为良好的透水层，其下部粘土层常起到隔水作用。该含水层雨季水量大，水位较高、常以下降泉的形式向冲沟排泄，泉水单位涌水量0.03～0.08l/s·m，旱季无水或很小。

图1 江头某矿水文地质剖面示意图

（2）大隆组硅质岩风化裂隙水含水层（Ⅱ）

位于大隆组中部，岩性为硅质岩，间夹硅质泥岩，节理裂隙较发育，浅部含风化裂隙水，局部地段含弱承压水。水量受大气降水补给，以下降泉的形式排泄于冲沟中，泉水流量随季节变化，最大达0.1 L/s，最小0.03 L/s，含水层厚度10-15m。

（3）龙潭组砂岩弱裂隙孔隙水含水层（Ⅲ）

龙潭组为赋矿地层，分上下两段，由砂岩、粉砂岩、泥岩及矿层组成。其中砂岩中含微弱裂隙、孔隙水，具承压性。上段中有两组较稳定的砂岩层：一组在1～2矿层间，为灰色薄层状细砂岩，节理裂隙发育，总厚32.30m；另一组在5-6矿层间，即灰白色薄至中厚层状中粒砂岩，俗称疏松砂岩，一般厚32m。据邻区磨田井田钻孔抽水试验，疏松砂岩层单位涌水量为0.0001～0.0015 l/s·m，渗透系数0.0008～0.0012m/d，属弱孔隙裂隙含水层。其中1～2矿层间砂岩含水层为Ⅲ1含水层；5～6矿层之间砂岩含水层为Ⅲ2含水层。

3.2.2 隔水层特征

除上述含水层外，区内出露的下第三系大冶组、二叠系下统大隆组、龙潭组地层中其余各地层均属隔水层或相对隔水层。

大冶组泥灰岩、泥质灰岩因岩石中泥质含量高，岩溶不发育，岩石致密，基本不透水，属相对隔水层（其地表浅部虽遭风化，但裂隙闭合，均被泥质充填，故所含风化裂隙水极弱，以相对隔水层对待）。

大隆组除中部硅质泥岩含风化裂隙水外，其余上下部之硅质岩均不含水，属隔水层。

龙潭组上段除1～2矿层和5～6矿层之间的两层稳定的砂岩含极弱的裂隙、孔隙水外，其余各层岩石泥质含量高，属隔水层。

大隆组下段以泥岩为主，为隔水层。

3.2.3 矿山开采对含水层、隔水层的影响

（1）矿层顶板垮落带和导水裂缝带计算

根据“开发利用方案”[2]，未来设计开采标高5矿层为10～-400m，6矿层为-146～-500m。根据矿层赋存标高，5矿层距地面最小垂高为108m，矿层厚0.6～2.38m，平均厚1.0m，矿层倾角平均为47°；6矿层层距地面最小垂高为254m，矿层厚0.6～10.23m，平均1.5m，矿层倾角平均为57°；5、6矿层赋存于软硬相间岩层中，属倾斜～急倾斜薄及中厚矿层。5矿层与6矿层相距38m。根据规范：属倾斜矿层，选用全部陷落法管理顶板时，垮落带高度按下式计算[3]：

式中：Hk—最大跨落高度m；

∑M—矿层厚度（m）；

导水裂隙带（包括垮落带）高度按下列两公式计算，取较大值：

式中：∑M—矿层厚度（m）；

采用导水裂隙带最大高度：

Hli=40.85m＞73.97-38=35.97m

导水裂隙带高度取40.85m。

保护层厚度公式：

式中：n—分层层数

∑M—矿层累计开采厚度（m），取5、6矿层最大厚度，∑M＝2.38+10.23＝12.61m；

将参数代入公式（4），得保护层厚度为31.53m。

通过计算可知，矿层开采后，将引起的最大冒落高度为5矿层以上10.08m，导水裂隙带高度最大40.85m。因此，本矿采矿导水裂缝带最大高度为5矿层顶部往上40.85m，主要发育于龙潭组上段，不会进入大隆组。

（2）龙潭组上段不含矿段含水层

5-6矿层间灰白色薄至中厚层状中粒砂岩（Ⅲ2含水层），直接位于6矿层冒落带及导水裂隙带内，而1-2矿层间的灰色薄层状细砂岩（Ⅲ1含水层）距5矿层78.8m，远大于导水裂隙带的最大高度（40.85m）。因此，未来矿山开采将影响Ⅲ2含水层向矿坑充水，同时，位于Ⅲ1、Ⅲ2含水层之间的隔水层厚度在80.8m左右，导水裂隙带破坏该隔水层的厚度在40.85m左右，尚有40m左右隔水层保持完整并对Ⅲ1含水层起保护作用，因而不会影响Ⅲ1含水层向矿坑充水。区内Ⅲ2含水层单位涌水量为0.0001～0.0015 l/s·m，渗透系数0.0008～0.0012m/d，属弱孔隙裂隙含水层。根据以下公式估算矿山开采对含水层的影响范围：

表1 计算结果

式中：F—为矿井预测最终采空区水平投影面积873323㎡；

S—为-500m水平地下水位降深（m），龙潭组上段砂岩裂隙含水层

平均水位为-340m，取值为160m；

K—为区域砂岩渗透系数（0.0012m/d）。

r0—为矿井最终采空区范围引用半径（m），经计算为528m；

综上，未来矿山开采将影响Ⅲ2含水层向矿坑充水，影响半径R在583m以内，并影响Ⅲ1、Ⅲ2含水层之间的隔水层的中下部，对该隔水层的中上部及区内其他隔水层没有影响，也不会影响Ⅱ、Ⅲ1含水层向矿坑充水。

3.3 断层带含、导水性特征

矿井内断裂构造发育，但以压性或压扭性断裂为主，据以往资料，仅1个孔施工时有微量涌水现象，其余揭穿断层各钻孔均未见涌、漏水现象。矿山巷道通过断层，未发生突水现象，说明井田内各断层富水性弱、导水性差。

3.4 老窑水特征

据“详查报告”资料，井田内老窑较多，多数开采深度在当地侵蚀沟谷以上，即地下水位之上。据井田勘查时资料，对1/3的老窑点进行长期观测，雨季时以泉水形式出露地表，旱季绝大部分断流，实测流量0.006～3.40L/s。说明老窑水的大小与降水关系密切，降雨量越大，流量也越大，反之则小。

本次野外调查，老窑口大部分填实，地表很难见到，虽见有两处老窑，未见老窑充水。矿山目前开采北部已经达到-200m以下，南部最深已至-350m，遇老窑的机会较少。

3.5 地下水补给、径流、排泄条件

所有地下水均直接间接受大气降雨补给，由于矿区Ⅰ、Ⅱ含水层位于地表浅部，其受大气降水补给更明显，Ⅰ、Ⅱ含水层即松散物孔隙水与基岩风化裂隙水二者之间有一定的水力联系，一般第Ⅰ含水层补给Ⅱ含水层，Ⅰ、Ⅱ含水层大部分排泄于江头溪、乌冲溪；部分沿裂隙渗入老窑或浅部井巷，Ⅲ1、Ⅲ2含水层因距地表较远，接受大气降水的补给少，大部分由大气降水沿裂隙渗透补给，故Ⅲ1、Ⅲ2含水层水量小（补给量小）、径流慢（裂隙、孔隙有限、连通性差），排泄条件差。所有地下水均沿断裂、裂隙、孔隙径流，由高势能向低势能运移，近地表地下水排泄于江头溪、乌冲溪等溪沟，深部地下水排泄于采空区，地下水的运动方向总体上为由南东向北西。

3.6 生产矿坑水文地质情况

据本次调查，上部巷道局部可见冒水、淋水现象，但总的情况，巷道较干燥；±0m标高以下，巷道干燥，顶板及两壁很少见淋水、冒水现象，偶见湿润现象；-250m水平巷道干燥无积水；-350m采场矿尘飞扬，巷道干燥，未见滴水、淋水。矿井一般涌水量为65m3/h，最大为107m3/h。

3.7 矿坑充水因素及涌水量预测

3.7.1 矿坑充水因素

区内与矿山开采关系密切的主要为Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2含水层，主要分布于地表浅部岩石风化裂隙及1-2矿层间、5-6矿层间之细砂岩、粉砂岩岩层中，未来矿山开采导水裂隙带可能会波及Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2含水层，导致Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2含水层地下水进入地下坑道。因此，未来矿坑充水主要来源为Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2含水层地下水，局部Ⅰ含水层之水及大气降水进入老窑后沿近地表裂隙渗于浅部巷道再流入矿坑，也成为采坑涌水来源。

3.7.2 矿坑涌水量预测

矿山现开采至-350m标高，矿坑涌水量正常65m3/h，最大107m3/h。未来矿井开采至-500m标高，矿井的水文地质条件与现状近似，充水来源相似。因此，利用其实际排水资料，采用水文地质比拟法计算未来涌水量，如下：

参数取值：

Q1—-350m水平矿井涌水量（m3/h），涌水量正常65m3/h，最大107m3/h；

Q2—-500m水平矿井预测涌水量（m3/h）；

F1—已采空区水平投影总面积（㎡），约789185㎡；

F2—未来采空区水平投影总面积（㎡），约873323㎡；

S1—矿井-350m水平水位降深（m），取值10m；

S2—矿井可采矿层最低赋存水平-500m水位降深（m），取值为160m。

经计算，预测矿井开采至-500m标高时，矿坑涌水量正常273m3/h，最大449m3/h（计算结果不包括矿井突水、透水等瞬时溃入量，且相邻矿山生产、排水条件相似，以下同；供矿山生产建设时参考）。

4 结语

江头某矿当前最低开采水平为-350m，矿坑涌水量正常65m3/h，最大107m3/h，未来矿井开采至-500m标高时预测矿坑涌水量正常273m3/h，最大449m3/h。区内地表水体发育中等，除小山塘各地均有见及外，并有冲沟溪水，与第Ⅰ、Ⅱ含水层有一定的水力联系。本区降雨量较大，降雨强度亦大，但区内冲沟发育，利于地表水排泄。各地层中无强富水层，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2含水层水量不大，其中Ⅰ、Ⅱ含水层受大气降水补给，含水层厚度小，径流条件好，易于排泄；Ⅲ1、Ⅲ2含水层不仅水量小，而且径流慢、补给、排泄条件均差。区内虽老窑多，但积水不大，仅对浅部开采有一定影响，未来巷道接近老窑警戒线时，应采取探水前进的安全措施，摸清水性做好防水工程，防治突水。区内断裂构造虽发育，但以压性压扭性断裂为主，加之所切割地层均属弱含水层，故富水、导水性弱。矿坑充水来源主要为Ⅲ2含水层，其次为大气降水和Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ1含水层、老窑水沿裂隙渗入矿坑。根据矿山地质环境评估技术要求，矿区水文地质条件属中等类型。