贵州盘县盆地火烧铺煤矿矿井涌水量预测

2019-09-16王海军

中国煤炭地质 2019年7期

王海军

(中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

勘探阶段矿井涌水量的大小决定水文地质勘探类型、矿井设计排水系统和排水设备能力的配备；生产阶段直接决定矿井水文地质类型，矿井防治水措施以及采区、工作面人员的生命安全。因此，涌水量预测是地质勘查、矿井防治水工作的重要组成部分，同时也是水文地质预测预报的难点之一。虽然矿井涌水量预测的方法众多，如解析法中的大井法、积水廊道法[1-2]，比拟法[3-4]、回归分析法[5-6]、数值模拟法[7]和基于不同模型的预测方法[8-15]，但是，在勘探阶段由于对井田内水文地质特征的认识有限多采用解析法和比拟法。

火烧铺煤矿作为盘县煤田内开发最早的大型国有矿井，矿井勘探历史最早可追溯到1956年之前，最近为2018年12月，先后经历了10多次的地质、水文地质勘探。针对煤层直接、间接充水含水层已经完成了19个地面水文钻孔，32层次抽水试验；此外，矿井从1978年投产至今经过40多年的浅部煤炭资源的开发，已经建立了完整的地面、井下水文地质观测台帐。随着近年来地面—井下水文动态观测自动化监测系统的建立，更加丰富了井田内的水文地质资料。但是，勘探阶段和矿井生产阶段预测的矿井涌水量值与实践生产相差较大，主要表现为：其一，地面及井下水文地质钻孔对煤系及其顶板直接充水含水层、断层带抽水试验所获取的水文地质参数，综合反应为井田内矿井涌水量较小，而实际矿井涌水量较大；其二，矿井在向深部延伸时矿井涌水量并未减小且有逐渐增大的趋势。因此，选择一种与井田水文地质特征相吻合，使得预测的结果更准确的涌水量预测方法是目前矿井向深部延伸急需解决的问题，尤其是在龙潭组中上段主要可采煤层开采殆尽，煤炭资源开采向深部、下组煤层拓展时，上部采空区面积增大，采空区积水量增大，以往确定的水文地质类型是否已经发生了变化等问题是目前急需解决的问题。

为了解决这些问题，本人从井田水文地质单元入手，应用相关因素分析法，解析法、比拟法等多种方法预测不同开采水平、不同块段内的矿井涌水量，经过对比分析，确定预测模型，进而为井田内其它矿井涌水量预测提供计算方法和比拟对象。

1 地质特征

盘县盆地是黔西滇东地区的一个主要的聚煤盆地，包含了4个向斜：照子河向斜、旧普安向斜、盘关向斜和土城向斜，并处于2个构造带和黔西南旋扭构造带之中。盘关向斜是其中的北东向构造之一，是盆地内面积最大的构造单元，向斜轴通过亦资、红果等地，轴线长约45km，向斜宽5～20km。火烧铺煤矿处于盘关向斜西翼南段，由火烧铺、滥泥箐、羊场坡三个井田组成。

火烧铺煤矿总体上为向东倾斜的单斜构造形态，地层倾角18°～40°，在单斜的背景上断裂构造发育，多以正断层为主，逆断层、走滑断层局部发育。二叠系上统龙潭组为矿区含煤地层，进一步划分为龙潭组一段、二段、三段，三段均含煤，钻孔揭露煤层22～68层，平均32层，其中可采的编号煤层14层[16-17]。

2 水文地质特征

火烧铺煤矿主要含煤地层为二叠系龙潭组，峨眉山玄武岩为含煤地层的基底。水文地质特征为地表水径流条件好，地下水相对较差。地下水以碎屑岩裂隙水为主，局部为第四系松散岩类孔隙—裂隙水和石灰岩岩溶水，其赋存规律总体上受盘关向斜宏观构造的控制和影响[18-19]，各含水层的赋存规律、埋藏条件、分布范围、循环特征等不尽相同，各自构成一个相对独立的含水层统一体。因此，按照含水岩层的性质，将盘关向斜含水岩系划分为三大含水层系统，即松散层孔隙—裂隙水、基岩裂隙水和灰岩岩溶水，相应的将含水层单元划分为松散层孔隙—裂隙潜水弱富水区，基岩裂隙水弱富水区、灰岩岩溶强—极强富水区(图1)。区内地下水、地表水总体上为由西向东，即由向斜的翼部向核部，由南向北流动，最终地表水在亦资孔、沙陀村、董家桥等地区流出井田，汇入拖长江，地下水在拖长江+1680m侵蚀沟谷排泄于拖长江。盘关向斜四周出露及煤系底部的峨眉山玄武岩组以及向斜翼端和北部的大型断裂构造共同组成盘关向斜的隔水边界，使盘关向斜构成一个完整、封闭的蓄势构造单元。

2.1 含(隔)水层特征

井田揭露地层有二叠系茅口组、峨眉山玄武岩组、龙潭组，三叠系飞仙关组，永宁镇组等地层，其中飞仙关组下段、煤系是矿井直接充水含水层，飞仙关组上段、峨眉山玄武岩组是井田内分布稳定的隔水层，有效的隔离顶、底部强富水性岩溶含水层与煤系之间的水力联系。通过对贵州省煤田地质局159队历次勘探施工的地面17个钻孔28层次抽水试验和2018年深部补充勘探[16-18]施工的2个水文地质钻孔4层次抽水试验及地面水文地质调查300眼泉以及45个水化学分析结果统计发现：

①井田内煤层开采直接充水含水层飞仙关组，含水层单位涌水量0.001 4～0.085 0L/(m·s)，平均0.040 6 L/(m·s)，属于弱富水性含水层；二叠系上统龙潭组，含水层厚度0～162.96m，平均96.07m，单位涌水量0.000 6～0.123 4L/(m·s)，平均0.030 64 L/(m·s)，属于弱中等富水性含水层，总体上属于富水性弱。

②直接充水含水层水化学类型以HCO3-Na为主，矿化度198.14～110 90.00 mg/L，平均366.85 mg/L；矿化度从上向下，随着深度增加逐渐增大，由向斜翼部向轴部逐渐增加。

③含水层的富水性与埋深之间的关系呈负相关性，在300m以浅的露头区地下水以潜水为主，受大气降水、风化裂隙水的影响，埋藏越浅富水性越强，弱—中等富水；在300m以深覆盖区地下水以承压水为主，随着埋深的增加受大气降水、风化裂隙的影响逐渐减少，富水性变差，总体上属于弱富水性(图2)。

2.2 地下水补给、径流、排泄

通过对井田内地面水文地质调查、永宁镇组岩溶水地下水示踪试验[19-20]、永宁镇组地面岩溶落水洞503与火4、火5、火9、火11、火13以及沙陀8号泉眼的连通性，在503落水洞口截流堵水，引入河水等连通试验同时观测火13钻孔抽水试验流量、其它各水文孔的水位和泉眼流量的变化。此外，在地面深部补充勘探过程中钻孔在施工过程中在永宁镇组、飞仙关组发生的地下水源污染事件导致位于工区北部的沙陀村、东部的亦资孔街道办等居民水源井、泉一段时间为灰白色、灰黄色污染物、一段时间为红色污染物的现象，致使5个施工钻孔无法施工，为了查明水源污染钻孔位置，通过分析施工钻孔钻进层位、水位及泥浆消耗量变化以及钻孔揭露岩心完整性、裂隙等发育情况，对5个钻孔逐项排除试验，确定了永宁镇组、飞仙关组水源污染钻孔位置，永宁镇组灰岩岩溶地下水在溶洞发育区直接接受大气降水补给，通过岩溶漏斗向落水洞汇集，在落水洞通过岩溶裂隙、地下暗河向东部的亦资孔、北部的沙陀方向径流；而飞仙关组主要在露头区接受降水的补给后地下水顺地层或沿断层破碎带径流，在东部、北部低洼处排泄。当钻孔钻遇径流通道时就会导致岩粉、钻井液与地下水沟通污染地下水，因此，出现上述污染现象。最后，根据实际采取了下套管、黄泥球等堵漏措施保证了污染事件的迅速处理和工程的顺利施工。综合分析，井田内地下水的补给、径流、排泄关系如下图3所示，受区域构造控制与区域水文地质特征相吻合，在此不再赘述。

图1 区域水文地质Figure 1 Regional hydrogeological map

图2 含水层埋深与单位涌水量相关性分析Figure 2 Correlativity analysis between aquifer burieddepth and specific capacity

3 充水因素分析

3.1充水水源

3.1.1 大气降水

从图4可以看出，矿井总涌水量与大气降水密切相关，矿井涌水量的峰值出现在每年的8～9月的降雨峰值期间，在降雨高峰值出现后1～5d井下涌水量出现高峰值，随着开采深度的增加出现峰值的时间逐渐增长；矿井涌水量的低谷值出现在枯水期的2～3月份，矿井涌水量与降雨量呈正相关性，大气降水沿各种裂缝渗入井下，是造成矿井涌水的主要充水因素之一。

图3 地下水补给径流和排泄关系Figure 3 Relationship between groundwater recharge runoff and discharge

图4 矿井涌水量-降雨量相关关系曲线Figure 4 Correlativity curve between mine water inflow and rainfall

3.1.2 地表水

区内主要的地表水主要有羊场坡小河、火铺小河与清水河。贵州省煤田地质局159队对4个河流沿岸和1个断层带钻孔抽水试验及抽水后72h的水位观测试验表明：地表小河与地下水无明显水力联系，在无采空区裂缝及构造影响时，地表径流对矿井充水影响不大，地表水对矿井涌水量无明显影响(表1)。

表1 地表河流与地下水水力关系

3.1.3 地下水

煤层的直接、间接充水含水层主要为煤层顶板龙潭组砂岩裂隙含水层和飞仙关组下段砂岩裂隙含水层，抽水试验结果表明：直接充水含水层富水性弱，多以淋水、滴水方式出现。由于垂向上分布多层隔水层，各含水层之间的层间越流补给微弱，地下水运动以顺层径流为主。在煤层覆盖区，煤层开采形成的导水裂隙带与永宁镇组灰岩强富水性含水层之间存在稳定的隔水层。由此矿井充水水源主要为煤层顶板砂岩含水层。

此外，二叠系下统茅口组灰岩岩溶含水层与煤层之间存在有厚度大且分布稳定的峨眉山玄武岩组及煤系内的泥岩组隔水层，可有效阻隔茅口组灰岩强富水性含水层水与煤层之间的水力联系。

3.1.4 老窑、采空区及废弃井巷积水

井田内西部煤系露头区老窑遍布，因开采无图纸资料，又不能实测，故老窑井口位置、开采深度及开采范围等资料多不准确。生产实践表明，下山开采老窑多有积水，积水位置和水量无法查清。部分老窑与矿井同时交插生产，且多分布于矿井采掘工作面的上方，故其积水对矿井威胁颇大。

3.2 充水通道

3.2.1 断层

井田内断层较为发育，断层多以正断层为主，断层面陡立，断层破碎带的宽度不一。根据断层带上水文钻孔抽水试验以及生产矿井揭露断层带的涌水量观测统计分析断层带的富水性弱、封闭性良好、导水性差(表2)。矿井1660北大巷，自上盘的24号煤层穿越火6断层至下盘的峨眉山玄武岩组第三段时，在钻孔中发现承压水，出水点至地表垂深180 m，流量30 m3/h，48 h后疏干，疏水总量约1 200m3。同时矿井在揭露在火5断层上盘为峨眉山玄武岩第三段时只表现为淋水稍许加大；而采、掘工作面遇小断层时，雨季有淋水，旱季无水。

表2 主要断层导水性

3.2.2 煤层开采形成的导水裂隙带

经计算，各煤层开采形成导水裂隙带的最大高度为46.25～169.03m，平均74.33m；飞仙关组下段的绿色砂岩层作为1煤层直接顶板，在采煤初期以起到隔离大气降水的作用，但随着矿井采空区面积的扩大，产生冒落塌陷，将减弱或者失去隔水作用，反而成为透水地层。

3.2.3 构造裂隙

井田在经历了多个期次的构造构造应力的改造和叠加，在井田内各地层中不同程度的发育有构造裂隙，同时钻孔岩心揭露各地层不同程度的发育一定密度的构造裂隙，煤系等碎屑岩组的裂隙水，是直接充水因素。一般情况下充水微弱，多以淋水、滴水方式出现，在裂隙发育地段水量有所增加，尤其是在断层带附近。

3.2.4 封闭不良钻孔

井田西部+1400m以浅区域内施工的钻孔大部分已经揭露，未见封闭不良钻孔对矿井造成突水事件。以往勘探钻孔中的118、401、116、317钻孔由于涌水未进行封闭，101、103、109、110、111钻孔无封孔记录，340、346、319三个钻孔封孔材料不足，360钻孔对煤系未进行全段封闭，78-4、78-7、78-10钻孔孔口部分未用水泥封闭；以上钻孔应针对不同情况，统一按照封闭不良钻孔进行管理，在井巷及工作面推进到其附近时做好预防和应对措施。

3.3 充水方式与充水强度

据矿井生产揭露，目前生产矿井煤层开采主要的充水方式有2种：一是大气降水沿风化裂隙、构造裂隙、采空区塌陷裂隙渗入矿井；二是老窑积水或地表径流经老窑溃入矿井。第一种充水方式，虽对矿井产生有影响，但不会造成灾害事故。第二种充水方式，对矿井危害较大，原因是部分老窑已处在当地侵蚀基准面以下，常年有积水，且不掌握老窑的开采范围、与矿井的关系、积水量等资料。

4 矿井涌水量计算

4.1 矿井涌水量构成

火烧铺矿矿井涌水量主要由平硐、斜井和井下水源井构成，其中平硐由平一、平二，斜井由+1 400m(南一、南二)、+1 500m(26采区)、+1 600m(21采区、23采区、24采区)三个水平和+1 650 m井下水源水构成，经统计1978年1月～2018年4月40年间火烧铺矿的矿井涌水量变化如图5所示。

从图5可以看出：随着开采深度的增加、采空区面积的增大矿井涌水量有逐年变大的趋势；矿井涌水量以斜井为涌水量主。

4.2 计算范围

按照矿井目前的生产状况、矿井的延伸水平和改造布局，矿井涌水量范围分为6个水平9个块段进行计算(表3)。

图5 1978年1月-2018年4月矿井涌水量构成及其变化曲线Figure 5 Mine water inflow constitutions and their variation curves during January 1978 to April 2018

序号块段标高/m面积/ km2范围开采水平1第一块段+1 820以浅2.43火烧铺井田减掉划给地方开采的部分平硐2第二块段+1 600～+1 8202.26羊场坡井田平硐延伸3第三块段+1 660以浅6.004第四Ⅰ+1 400～+1 6604.225块段Ⅱ+1 400以浅11.506第五Ⅰ+1 200～+1 4003.477块段Ⅱ+1 200以浅14.998第六Ⅰ+800～+1 2006.029块段Ⅱ+800以浅20.99火烧铺、滥泥箐井田对应标高范围内面积斜井改扩建区深部扩大区

4.3 相关关系分析法

通过统计1978—2018年间矿井涌水量的逐月变化及其与大气降水、开采深度、开采面积、煤炭累计采出量等相关因素的数据，详细分析了2008—2018年间各相关因素与矿井涌水量的关系。

①矿井涌水量与大气降水密切相关，矿井涌水量的峰值出现在每年预计的8—9月的降雨峰值期间，降雨高峰值出现后3d井下涌水量出现高峰值(图5)；矿井涌水量的低谷值出现在枯水期的2—3月份。

②总的矿井涌水量总体趋势具有逐渐增大的特征(图6)，矿井涌水量与开采面积、降雨量、开采深度、煤炭采出量等相关因素的相关性较好(图6)；

③通过对涌水量与降雨量、开采面积、开采深度、煤炭采出量的相关因素多元回归分析，涌水量与相关因素的相关性显著，尤其是降雨量、开采面积。

通过对2008—2017年火烧铺煤矿10年生产矿井涌水量与开采深度、开采面积、开采深度、降雨量和煤炭采出量的相关性分析，采用多元线性回归分析的方法建立矿井涌水量与上述四个因素之间的相关关系方程，进而利用建立的方程进行矿井涌水量计算，多元拟合公式如下：

Q=49.96+0.50S+0.11H+0.54P+0.05F

(1)

式中：Q—预测块段矿井涌水量，m3/a；

S—开采深度，以1 820m作为起算点；

H—年降雨量，取2008—2017年的年平均值，1 204.74mm；

P—矿井设计产量，万t/a；

F—预测块段的开采面积，/km2；

最大矿井涌水量值取最大矿井涌水量变幅平均值，2.17。

上述回归分析方程经过了相关性F和K检验，各因素相关性显著，应用该模型计算得正常矿井涌水量和最大矿井涌水量(表4)。

图6 2008年1月-2018年4月矿井涌水量及其相关因素Figure 6 Mine water inflows and their correlative factors during January 2008 to April 2018

表4 相关性分析法矿井涌水量预测结果

5 对比分析

为检验预算参数的选取的合理性和计算的可靠性，采用解析法中的大井法、水平积水廊道法、比拟法中的吨煤富水系数比拟法和矿井单位涌水量比拟法进行了预测。计算结果显示(表5)：解析法计算的矿井涌水量偏小，而两种比拟法计算的结果也相差较大；分析原因，解析法计算的结果与抽水试验揭示的水文地质参数及其特征是相符合的，反应了煤系直接充水含水层富水性弱的实际地质特征；而未考虑由于大气降水和采空区对矿井涌水量的影响。矿井单位涌水量比拟法计算的结果明显偏大，说明采空区的面积、开采标高这2个因素并不是主要的矿井涌水量控制因素；吨煤系数计算的结果最小，说明产量并不是唯一的影响因素。再次印证了矿井涌水量的相关因素应为开采标高、开采面积、煤炭资源采出量、大气降雨量，因此，在井田内涌水量的预测应主要考虑上述四个因素，采用相关因素分析法计算的矿井涌水量是合理的。