湖南恩口煤矿矿床水文地质条件及矿坑涌水量预测

湖南恩口煤矿矿床水文地质条件分析湖南恩口煤矿矿床水文地质条件分析 及矿坑涌水量及矿坑涌水量 初初 步步 预预 测测 报报 告告 云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 二 0 一三年六月 审查审查：孙由政孙由政教授教授 校核校核：余先颖余先颖 编写编写：余先颖余先颖 目录目录 一、自然地理概况. 二、矿区地质、水文地质条件. （一）地层及其水文地质特征. 1.石炭系中上统(c2+c3). 2.二叠系下统栖霞组（p1q） 3.二叠系下统茅口组（p1m） 4.二叠系上统龙潭组（p2l） 5.二叠系上统长兴组（p2d）. 6.三叠系下统大冶组（T1s）. 7.三叠系中统麒麟山组（T2）. 8.第四系冲积层（Q4） （二）.构造及其水文地质特征. 1.恩口向斜. 2.断层. 三.矿床水文地质条件. （一）含隔水层的划分. 1.含水层. （1）茅口组灰岩岩溶含水层（p1m）. （2）大冶灰岩（T1s）岩溶含水层 2.隔水层 （1）p1q1-3（栖霞组） （2）p2d（长兴组）. （二）.矿床充水条件. 1.充水水源. 2.充水途径. （1） 断层. （2）裂隙溶洞 （3）岩溶塌陷 四、矿坑（井）涌水量的预测. （一）水文地质条件的概化. 1.充水层的概化. 2.边界条件概化. （1) 顶板边界条件 (2)侧向边界条件 （二）计算方法选择 (三）计算参数的确定 （四）计算结果评述. 五、结论与建议. 六、附图 一、自然地理概况一、自然地理概况 恩口煤矿位于湖南省娄底市北，属于涟邵煤田的东北部。矿区为四周高中 间低的向斜汇水盆地，其边缘为由茅口组和栖霞组灰岩组成的低山，标高一般 为 250350m。盆地内由二叠系、三叠系、第三系等地层组成的丘陵，标高一般 为 120170m。矿区内水系发育，壶天河和小碧河均自北西向南东流经矿区。壶 天河流量为 0.00851.57m3/s(1964 年 4 月对壶天河三个阅流点进行阅流：北 部塌陷区阅流流量为 25.6 m3/s；中部侧面虎井东的河谷流量 51.0 m3/s；南部 壶天河的天字西侧河谷阅流流量为 41.0 m3/s)。小碧河流量为 064.77 m3/s。 河流切割主要含水层，天然状况下排泄地下水。本区矿床北温带季风气候区， 旱雨季分明。区内降水充沛，多年年平均降水量为 1384.3mm,并多集中在雨季 （4-7）月。自然地理条件均有利于地下水补给。 2 2、矿区地质、水文地质条件矿区地质、水文地质条件 （一） 、地层及其水文地质特征 矿区主要出露古生界石炭系、二叠系，中生界三叠系及新生界第三系和茅田系 地层。矿区地层分布如附图 1.地层柱状图及水文地质特征如附图 2。 现将矿区地层的岩性特征及水文地质特征转述如下： 1.石炭系中上统(c2+c3) 厚层及巨厚层状灰岩，含燧石结核，厚200m,岩溶裂隙发育、赋含岩溶水，富 水性强。 2.二叠系下统栖霞组（p1q） 上部灰色、深灰色厚层灰岩，含燧石结核及条带，厚 130m,溶蚀裂隙发育，下 部为厚层泥质灰岩夹黑色页岩，底部为砂质页岩，厚 500m，富水性较强。 3.二叠系下统茅口组（p1m） 灰色、灰白色厚层、巨厚层致密灰岩，含燧石条带及结核、厚 60m 左右，溶洞 及溶蚀裂隙发育，赋存溶洞岩溶水，最大泉水流量为 15L/s,k=1m/d,富水性强。 4.二叠系上统龙潭组（p2l） 上部为黑色钙质页岩，石英长石砂岩及粉砂岩互层，下部为煤层，最底部为灰 白色粉土岩。粉土岩厚度变化很大，一般 2-70m,局部起隔水作用。厚 60m,富水性 弱。 5.二叠系上统长兴组（p2d） 上部为灰黄色泥灰岩，风化后黄绿色，下部为薄层硅质泥灰岩夹页岩，厚 162m，富水性弱，区域上起隔水作用。 6.三叠系下统大冶组（T1s） 上部厚约 150m 为灰白色巨厚层致密块状灰岩，岩溶发育，赋存岩溶水，富水性 强，最大泉流量 10L/s；下部 450m,主要为黑色泥灰岩，含水微弱，渗透系数 K=0.0002m/d,为隔水层。 7.三叠系中统麒麟山组（T2） 上部为灰白色石英砂岩、砂页岩；下部为灰、灰黄色砾石，含微弱裂隙水。 8.第四系冲积层（Q4） 冲积砂、砾石类粘土，含丰富孔隙水，渗透系数 K=10-20m/d。 （二）.构造及其水文地质特征 区内主要有恩口向斜及周家岭、横路冲、观音桥断层。 1.恩口向斜 向斜轴走向北东，向斜向北东翘起，核部为三叠系，两翼为二叠系地层。向斜 的北西翼陡倾、南东翼侧。它控制了含隔水层的分布和埋藏条件，各部位的构造 裂隙的发育特征又控制了地下水的富集特征。向斜构造与地形的配合又控制了地 下水的补给、径流和排泄条件。 2.断层 区内断层不发育，主要有北部的周家岭正断层，中部的横路冲平移断层和南部的 观音桥平移断层。经长期观测及试验资料表明，周家岭和横路冲断层的导水性强。 特别是周家岭的断层的下盘，地下径流畅通，是矿区的围岩溶水补给矿井的主要 通道之一。观音桥断层是一条隔水断层。 三三. .矿床水文地质条件矿床水文地质条件 二叠系上统乐平组（p2L）煤系地层沿恩口向斜两翼及扬起端出露，煤层产于下 部，层位不稳定，其底部为白色粘土岩，厚 2.0-70m,局部起隔水作用，部分地段 粘土岩仅厚 2cm。 （一）.含隔水层的划分 1.含水层 （1）茅口组灰岩岩溶含水层（p1m） 本岩溶含水层包括茅口组（p1m）灰岩及栖霞组上部(p1q4)的灰岩，总厚 （p1m+ p1q4)即 600+130=730。出露于矿区西北、东南及南部边缘，构成向斜 两翼及转折端。出露面积约 17.6km2,其中东侧出露宽度达 1.5 km2，面积为 12 km2，。岩性为灰色、灰白色厚层状、巨厚层状致密灰岩，含燧石条带及结 核。与下伏栖霞组（p1q）为整合接触，与上覆的龙潭组（p2L）为平行不整 合接触。 p1m 灰岩在北西边以较大倾角向南东倾斜、南边倾向北，而南东侧产状平 缓成侧转，地层向南东斜倾斜。 本组灰岩岩溶十分发育，地表岩溶主要有洼地、漏斗、岩溶塌陷等。地下 主要为溶蚀裂隙及溶洞。地下岩溶发育程度有随埋深逐渐减弱的趋势（附图 4、5、6） 。 p1m 岩溶含水层中最大泉流量 15L/s,渗透系数 K=1m/d、富水性强。 本层岩溶水主要是大气降水流及地表水渗漏补给。补给区主要位于地势较 高的北部出露区，向 SSW 方向径流，南侧成为岩溶水的集中排泄区。尤其温 塘一带泉点多、流量大，如 10 号泉月均流量 10.6418.08m3/h。此外，壶天 河（天然状态下）也起到排泄地下水的作用。 由于向斜构造中 p1m 厚度大，分布面积广，岩溶十分发育、降水丰富，所 以无论是补给量还是储存量都很大，而且水头压力很高。因此，本含水层是 矿坑（井）涌水或突水的主要充水层。 （2）.大冶灰岩（T1s）岩溶含水层 上部约 150m 为灰白色巨厚层致密块状灰岩，岩溶发育，主要为溶蚀裂隙， 泉流量 10L/s,含丰富的岩溶水，下伏长兴组构成巨厚的隔水层，下部 450m 为 黑色泥灰岩。渗透系数为 K=0.0002m/d。 该岩溶含水层分布于向斜核部，面积约 27 km2，小碧河垂直于地层走向流 过，长约 5 km。本层岩溶水主要接受大气降水渗入补给，由地形高处向地势低 处径流，以泉水形式或向小碧河排泄。也可通过断层或岩溶塌陷补给其它含水 层（如 p1m） 。绝大多数矿井都布置在该层的边缘，所以在开拓阶段本层岩溶水 是矿井的充水层。 2， 隔水层 （1） p1q1-3（栖霞组） p1q1-3为厚层泥质灰岩、黑色页岩，底部砂质页岩，厚 500m,隔水性能好，是 以隔挡石炭系岩溶水，致使石英系岩溶水不能影响 p1m 越流。 （2） p2d（长兴组） 上部为泥灰岩，下部为薄层硅质泥灰岩及页岩，厚 162m,加上 T1s 底部厚 450m 的 黑色泥灰岩，总厚 611m 的隔水层，足以阻挡 T1s 岩溶水直接进入矿坑，同时，由 于隔水顶板厚度大，稳定性好，有利于采矿的安全。 综上所述，恩口煤矿床底板直接进水或底板突水，水文地质条件复杂的以溶洞为 主的岩溶充水矿床。 （二）.矿床充水条件 1.充水水源 恩口煤矿在天然状态下，矿床充水水源主要为茅口灰岩的岩溶水，但由于采矿等 人为活动造成地面开裂、岩溶塌陷等现象致使大气降水和地表（河水）水也成为 矿坑（井）的充水水源。 （附图 9） 。 3.充水途径 恩口煤矿充水通道主要有断层、裂隙溶洞、岩溶塌陷、填窗等。 （1） 断层 断层主要有周家岭、横路冲及观音桥三条断层。其中周家岭正断层、横路冲平移 断层为导水断层。特别是周家岭正断层的下盘为 p1m、p2L 地层，沿断层带地下水 径流畅通，成为矿区外围岩溶水补给矿井的主要通道。 （2） 裂隙溶洞 矿区充水层溶蚀裂隙及溶洞发育。恩口井主要发育 65方向裂隙。壶天矿井 主要为 315和 20方向两组裂隙（附图 3） ，而且溶蚀裂隙发育程度均有随地表 向深部逐渐减弱的趋势（附图 4，5） 。裂隙的发育不但是地下水径流的直接通道， 而且是溶洞形成的必要条件之一。各矿井的岩溶发育特征如附图 4，5。 （3） 岩溶塌陷 矿区岩溶塌陷很多，规模较大的有壶天河上、中游塌陷，峡山口塌陷、温塘塌 陷及小碧河上游塌陷。尤其是壶天河中游周家岭塌陷长 2Km、宽 400600m，岩溶 塌陷使大气降水及地表水直接进入矿坑（井） ，成为矿井涌水水源。 岩溶塌陷的形成使 p1m 岩溶水的承压水头降低，形成的塌陷为中心的降落漏斗。 如井排水前茅口岩溶水等水压线图（附图 7）中，峡山口及壶天河中游塌陷形成 160m、170m 等水压线降落漏斗，较周围水压低 4050m。天然状态下基本起到稳 定水压的作用。当雨季入渗量增多时候，塌陷处可排除部分地下水以减压。旱季 入渗量减小时候，塌陷处又可以灌入地表水。据多年观测表明，天然状态下，塌 陷处的河流以排泄地下水为主。 除此之外，地下采矿中，采空区的冒落塌陷，煤层底板（白色粘土层）突破或 者是底板出现“天窗”等都可能成为通道。此外矿坑充水的强度还与主要充水层 茅口组（P1m）的出露面积大小与充水水源的接触情况，边界条件，地质构造及其 地震情况等有关系。 4 4、矿坑（井）涌水量的预测矿坑（井）涌水量的预测 （1）水文地质条件的概化 1.充水层的概化 茅口组（P1m）灰岩岩溶充水层的岩溶发育极不均匀，并且有由地表向深部逐渐 减弱的趋势。但考虑到含水层厚度大，又为承压水。故将不均匀含水层概化为 均质含水层。 茅口组（P1m）灰岩岩溶水补给量大于排泄量，概化为稳定流。井田位于侧向 斜的承压区，充水层茅口灰岩，产状平缓。故可以概化为水平地层。 大冶组（T1s）灰岩岩溶水，由于与煤层向有长兴组（p2d） 、龙潭组（p2L）及大 冶组（T1s）底部隔水层，厚度高达数百米，因而，大冶组灰岩岩溶水对矿坑 （井）充水无影响。 2.边界条件概化 鉴于资料的评实情况，选择 I 井田为代表进行矿坑涌水量预测。 a.顶板边界条件 对于充水层 P1m 来说，其顶板隔水层为 p2d，厚度与强度均大，完全可以阻挡上 部地下水的补给。底板栖霞组（p1q1-4）为砂质页岩、厚度大，可阻挡下部强岩溶 水(c2+c3)的越流补给。 对于 P1m 本身而言，在 I 井田-150m 水平的下部分，岩溶已不发育，可视为隔水 层。 b.侧向边界条件 I 井田北侧为壶天河断层及周家岭正断层，为导水断层，为供水边界。南侧的观 音桥平移断层为隔水边界。因此，可概化平行供隔水边界。如附图 10。 （二）.计算方法选择 矿坑涌水量预测方法很多，根据矿坑资料及水文地质条件的概化，这里选择解析 法进行预测。 由附图 11 可知，在抽水情况下，当水压线为 120m 时，P1m 裸露部分在该水平上 石承压，之下转为承压状态。因此，计算时以 p2L 为界，分上下两级。对峡山口 区段（20m）水平以上按潜水井流公式计算，纳入疏干增量法。 用裘布衣井流公式计算： ( (承压水承压水) ) （潜水）（潜水） （三）.计算参数的确定 1.渗透系数 K=1.0m/d。 2.含水层厚度，据前述，P1m 在 I 井田区段，-150m 水平以下岩溶已不发育，且 历年放水影响深度远未达此水平，故计算时含水层厚度 M=（-150）-（-66） =84（m） 3.平均水位 H 的确定。潜水部分视隔水底板为-66m 水平，天然状态下平均水位 为 180m，H=180-（-66）=246m。 4.动水位 h 的确定。潜水部分 h1=180-120=60m;承压水部分 h2=120-(-66)=186m 5.间距见图 13。边界间距离 B；井到隔水边界的距离 b1;井到供水边界的距离 b2。 6.大井半径 rw的确定 由大井概念，降落漏斗由图上查明面积 F=3300400=1320000m2，rw=0.565,F=721 w r b b B KMh Q 2 1 log27.1 ln2 4 w r b b B HHK Q 2 1 12 log27.1 ln2 )(2 w r b b B HHK Q 2 1 12 log27.1 ln )(2 721 66672 44414.3 log666727.1 ln2 )60246(114.32 22