基于GMS软件的矿井水文地质的研究

温小伟

（大同煤矿集团挖金湾煤业公司地测科，山西 大同037003）

0 引言

在我国现有煤田中，尤其在华北煤田中，石炭系、二叠系的煤储量丰富。但在此类煤矿开采的过程中，随着开采深度的加深，奥灰水含水层对煤层底板的压力越来越大，从而引发了突水事故，严重威胁着煤矿的正常开采[1]。辛安煤矿于上世纪70年代投产，年产量达百万吨，不受突水影响的主要开采层2#煤层已近枯竭。因此，为了其余受青灰岩和奥陶系灰岩岩溶水的威胁的煤层的安全生产，以煤层的水文地质为研究对象，分析煤层的突水具有重要的意义。

1 辛安煤矿水文地质状况

1.1 辛安煤矿自然地理环境

辛安煤矿位于河北省太行山东麓峰峰矿的南部，最高海拔+234.7m，东西宽2.8km，南北长约8km，距离邯郸市50 km，且周边有煤运专线和直达公路，交通便利。矿区气候是半干旱暖温带大陆性季风型，四季分明，夏炎雨冬冷燥，据气象部分的统计资料，近年来的降雨量如图1所示。矿区内地形为剥蚀型低丘陵地区，冲沟较多且多起伏，被一条EW走向的分水岭分成南、北两种水系，北边为滏阳湖水系，平时水流量小于120m3/h，暴雨期水流量30～50m3/s，南边为漳河水系。

图1 辛安煤矿近年降雨量

1.2 辛安煤矿地质概况

1）地层，辛安煤矿为半掩盖区，地层平均倾角20°，矿区大体走向为NE，但倾向于SEE，属于单斜构造。根据勘探资料显示，已揭露的地层从上到下有新生界和古生界，新生界主要为第四系Q和第三系R，古生界主要为二叠系P、石炭系C、奥陶系O。

2）构造，辛安煤矿位于鼓山地堑构造块段，内部断裂情况复杂，潜伏性的断层较多，主要大体走向为NNE，次要走向为NE，倾向不一致，存在北黄沙向斜、南黄沙背斜、马家荒小向斜等主要皱褶。

3）断层，根据井下巷道和工作面勘探资料显示，矿区断层发育落差大于10m的数量为50条，如表1所示，落差小于10m的多达200条，其中大多数断层是65°～80°高角度正断层。

4）含水层，矿区内，根据含水层水质情况，自上而下，将含水层一次分为第四系-砂砾石孔隙含水层、第三系-孔隙裂隙含水层、二叠系-砂岩裂隙含水层、石炭系-薄层灰岩岩溶裂隙含水层、奥陶系-灰岩岩溶含水层等。

表1 中、大型断层分类表

5）涌水量，地下含水层水、老空水、奥灰水以及薄层灰岩水等为矿井主要涌水量，同时，因辛安煤矿断层较多，诱发裂隙发育，且断层导水能力较差，使得断层成为涌水量的一个重要部分，近年来煤矿最大涌水量为2346m3/h，平均涌水量1980m3/h，详细情况如图2所示。

图2 矿井近年涌水量变化图

6）充水，因辛安煤矿独特的地理位置及环境，其水文地质单元相对封闭，主要充水源有地表水、老空水、含水层水和奥灰水等。在辛安煤矿深层煤矿的开采过程中，主要需要防止奥灰水的突水，其充水通道主要有断层、导水陷落柱、封闭不良钻孔、裂隙、隐伏井筒等。

2 辛安煤矿突水系数的分析

2.1 突水影响因素

1）水压，承压含水层位于煤层底板的下部，其大小决定着底板是否会发生突水，故煤层离含水层越近，则受到的压力越大，据地质勘探资料可知，奥陶灰岩含水层的水位在+120m-+155m左右，如图3所示。

2）隔水底板岩层厚度，隔水底板通过重力作用和阻抗水压能力来阻压承压水。底板若要发生突水，则必须突破隔水层或克服压盖阻力，故隔水层越厚，阻力越大，发生底板突水的可能性就越小。

3）采动与矿压，随着煤矿工作面的开采，会引起工作面塑性变形和矿山压力的变化，使得原有断层裂隙不断扩展，形成增渗效应，进而引发承压水的渗流或突喷。随着煤矿开采深度的加深，工作面的矿压不断增大，对突水系数的影响就越大。

图3 大青、奥陶系灰岩的位置

2.2 奥灰水对2#煤层的突水性分析

1）临界突水系数TS，其定义为单位底板隔水层厚度上所承受的突水压力，定量衡量了煤层底板突水的危险程度[2-3]，计算公式如下：

式中：P为突水压力，MPa；M为隔水层的厚度，m；

查阅《煤矿防治水规定》可知，底板临界突水系数TS一般小于0.06MPa/m，当实际突水系数T大于临界突水系数TS时，矿井就容易发生突水事故，本文取突水系数最大值0.06MPa/m。

2）隔水层厚度，依据58#钻孔的勘探资料，经过统计差值计算，得出奥灰含水层到2#煤底板隔水层厚度为79.7～165.64m，如表2所示。

表2 煤层底板隔水层厚度

3）实际突水系数，根据矿区58处不同钻水孔的勘探资料，计算出58处钻水孔的突水系数，使用GMS软件生成如图4所示的突水系数等值线图[4-6]。由图知，仅有3处红线区域实际突水系数达到临界突水系数0.06MPa/m，其余为安全区域，且矿井南边突水系数整体偏大，高于北边。

图4 奥灰水突水系数等值线

3 辛安煤矿的三维地质建模分析

3.1 辛安煤矿的地层建模

为了更直观的分析井田的地层特征，本文使用GMS软件，依据实际矿区地质特点，将模型分为山西组P1s、煤层、太原组C3t、本溪组C2b、峰峰组O2f等5层，导入58处钻水孔的实际勘探数据进行模拟定位，使用GMS软件中的Create Arc tool命令绘制矿区边界，然后生成TINs，再应用Borehole模块中的Horizons->Solid命令，选用对应的插值法，生成三维地质模型，如图5所示。

图5 辛安煤矿GMS三维地质模型

3.2 三维地质模型的分析

1）东西方向剖面，为了了解东西向地层在垂直方向的分布情况，将模型沿着东西向纬度21500的位置做剖面，如图6所示。由图可知，在矿区东西向，各地层空间分布比较均匀，大体呈东低西高的趋势。2#煤层主要在山西组P1s地层中，7#煤层主要在太原组C3t地层中，煤层平均均厚度约为90m。

图6 东西向地质剖视图

2）南北方向剖面，为了了解南北向地层在垂直方向的分布情况，将模型沿着东西向经度12500的位置做剖面，如图7所示。由图可知，在矿区南北方向上，各地层分布均匀，大体呈北低南高的趋，因此北边埋深较大，但未发现地层缺失的现象。

3）组合剖面，为了了解矿区地层整体在垂直方向的分布情况，将不同纬度东西向、不同经度南北向的地质剖视图进行模拟组合，得到了矿区立体组合剖视图，如图8所示。由图可知，在东西方向埋层逐渐变深，在南北方向埋层逐渐变浅，矿区中部的地层起伏较大。

图7 南北向地质剖视图

图8 组合地质剖视图

4 结 论

本文通过对辛安煤矿水文地质的分析和研究，建立了GMS三维地质模型，针对奥灰水的底板突水问题，提出以下几点防护措施：

1）辛安煤矿2#煤层受断层的影响，奥灰水直接煤矿的安全开采，且地层皱褶破碎，地层内残余地应力和矿山压力都较大，应通过钻孔对煤层底板注浆加固后再进行开采。

2）依据现有58处钻孔勘探资料，应用定向钻孔技术，对地层进行全面勘探，绘制突水系数等值线线图，预防突水事故的发生。

3）针对临界突水系数区域预设定向分支钻孔，封堵和加固导水断层和主要破碎带。