湖南恩口煤礦礦床水文地質(zhì)條件及礦坑涌水量預(yù)測

1、 湖南恩口煤礦礦床水文地質(zhì)條件分析 及礦坑涌水量初步預(yù)測報(bào)告 云南國土資源職業(yè)學(xué)院 二0一三年六月 審查：孫由政教授校核：余先穎編寫：余先穎 目錄一、自然地理概況.二、礦區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件.（一）地層及其水文地質(zhì)特征. 1.石炭系中上統(tǒng)(c2+c3). 2.二疊系下統(tǒng)棲霞組（p1q）. 3.二疊系下統(tǒng)茅口組（p1m）. 4.二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（p2l）. 5.二疊系上統(tǒng)長興組（p2d）. 6.三疊系下統(tǒng)大冶組（T1s）. 7.三疊系中統(tǒng)麒麟山組（T2）. 8.第四系沖積層（Q4）.（二）.構(gòu)造及其水文地質(zhì)特征. 1.恩口向斜. 2.斷層.三.礦床水文地質(zhì)條件. （一）含隔水層的劃分. 1.含水

2、層. （1）茅口組灰?guī)r巖溶含水層（p1m）. （2）大冶灰?guī)r（T1s）巖溶含水層. 2.隔水層. （1）p1q1-3（棲霞組）. （2）p2d（長興組）. （二）.礦床充水條件. 1.充水水源. 2.充水途徑. （1） 斷層. （2）裂隙溶洞. （3）巖溶塌陷. 四、礦坑（井）涌水量的預(yù)測. （一）水文地質(zhì)條件的概化. 1.充水層的概化. 2.邊界條件概化. （1) 頂板邊界條件. (2)側(cè)向邊界條件. （二）計(jì)算方法選擇. (三）計(jì)算參數(shù)的確定. （四）計(jì)算結(jié)果評述.五、結(jié)論與建議.六、附圖一、自然地理概況恩口煤礦位于湖南省婁底市北，屬于漣邵煤田的東北部。礦區(qū)為四周高中間低的向斜匯水盆地，其

3、邊緣為由茅口組和棲霞組灰?guī)r組成的低山，標(biāo)高一般為250350m。盆地內(nèi)由二疊系、三疊系、第三系等地層組成的丘陵，標(biāo)高一般為120170m。礦區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，壺天河和小碧河均自北西向南東流經(jīng)礦區(qū)。壺天河流量為0.00851.57m3/s(1964年4月對壺天河三個(gè)閱流點(diǎn)進(jìn)行閱流：北部塌陷區(qū)閱流流量為25.6 m3/s；中部側(cè)面虎井東的河谷流量51.0 m3/s；南部壺天河的天字西側(cè)河谷閱流流量為41.0 m3/s)。小碧河流量為064.77 m3/s。河流切割主要含水層，天然狀況下排泄地下水。本區(qū)礦床北溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，旱雨季分明。區(qū)內(nèi)降水充沛，多年年平均降水量為1384.3mm,并多集中在雨季（4

4、-7）月。自然地理?xiàng)l件均有利于地下水補(bǔ)給。2、 礦區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件（一）、地層及其水文地質(zhì)特征 礦區(qū)主要出露古生界石炭系、二疊系，中生界三疊系及新生界第三系和茅田系地層。礦區(qū)地層分布如附圖1.地層柱狀圖及水文地質(zhì)特征如附圖2。 現(xiàn)將礦區(qū)地層的巖性特征及水文地質(zhì)特征轉(zhuǎn)述如下：1.石炭系中上統(tǒng)(c2+c3) 厚層及巨厚層狀灰?guī)r，含燧石結(jié)核，厚200m,巖溶裂隙發(fā)育、賦含巖溶水，富水性強(qiáng)。2.二疊系下統(tǒng)棲霞組（p1q） 上部灰色、深灰色厚層灰?guī)r，含燧石結(jié)核及條帶，厚130m,溶蝕裂隙發(fā)育，下部為厚層泥質(zhì)灰?guī)r夾黑色頁巖，底部為砂質(zhì)頁巖，厚500m，富水性較強(qiáng)。3.二疊系下統(tǒng)茅口組（p1m） 灰色、

5、灰白色厚層、巨厚層致密灰?guī)r，含燧石條帶及結(jié)核、厚60m左右，溶洞及溶蝕裂隙發(fā)育，賦存溶洞巖溶水，最大泉水流量為15L/s,k=1m/d,富水性強(qiáng)。4.二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（p2l） 上部為黑色鈣質(zhì)頁巖，石英長石砂巖及粉砂巖互層，下部為煤層，最底部為灰白色粉土巖。粉土巖厚度變化很大，一般2-70m,局部起隔水作用。厚60m,富水性弱。5.二疊系上統(tǒng)長興組（p2d） 上部為灰黃色泥灰?guī)r，風(fēng)化后黃綠色，下部為薄層硅質(zhì)泥灰?guī)r夾頁巖，厚162m，富水性弱，區(qū)域上起隔水作用。6.三疊系下統(tǒng)大冶組（T1s） 上部厚約150m為灰白色巨厚層致密塊狀灰?guī)r，巖溶發(fā)育，賦存巖溶水，富水性強(qiáng)，最大泉流量10L/s；下部4

6、50m,主要為黑色泥灰?guī)r，含水微弱，滲透系數(shù)K=0.0002m/d,為隔水層。7.三疊系中統(tǒng)麒麟山組（T2） 上部為灰白色石英砂巖、砂頁巖；下部為灰、灰黃色礫石，含微弱裂隙水。8.第四系沖積層（Q4） 沖積砂、礫石類粘土，含豐富孔隙水，滲透系數(shù)K=10-20m/d。（二）.構(gòu)造及其水文地質(zhì)特征 區(qū)內(nèi)主要有恩口向斜及周家?guī)X、橫路沖、觀音橋斷層。1. 恩口向斜向斜軸走向北東，向斜向北東翹起，核部為三疊系，兩翼為二疊系地層。向斜的北西翼陡傾、南東翼側(cè)。它控制了含隔水層的分布和埋藏條件，各部位的構(gòu)造裂隙的發(fā)育特征又控制了地下水的富集特征。向斜構(gòu)造與地形的配合又控制了地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件。2.

7、斷層區(qū)內(nèi)斷層不發(fā)育，主要有北部的周家?guī)X正斷層，中部的橫路沖平移斷層和南部的觀音橋平移斷層。經(jīng)長期觀測及試驗(yàn)資料表明，周家?guī)X和橫路沖斷層的導(dǎo)水性強(qiáng)。特別是周家?guī)X的斷層的下盤，地下徑流暢通，是礦區(qū)的圍巖溶水補(bǔ)給礦井的主要通道之一。觀音橋斷層是一條隔水?dāng)鄬?。?礦床水文地質(zhì)條件 二疊系上統(tǒng)樂平組（p2L）煤系地層沿恩口向斜兩翼及揚(yáng)起端出露，煤層產(chǎn)于下部，層位不穩(wěn)定，其底部為白色粘土巖，厚2.0-70m,局部起隔水作用，部分地段粘土巖僅厚2cm。 （一）.含隔水層的劃分 1.含水層 （1）茅口組灰?guī)r巖溶含水層（p1m）本巖溶含水層包括茅口組（p1m）灰?guī)r及棲霞組上部(p1q4)的灰?guī)r，總厚（p1m+

8、p1q4)即600+130=730。出露于礦區(qū)西北、東南及南部邊緣，構(gòu)成向斜兩翼及轉(zhuǎn)折端。出露面積約17.6km2,其中東側(cè)出露寬度達(dá)1.5 km2，面積為12 km2，。巖性為灰色、灰白色厚層狀、巨厚層狀致密灰?guī)r，含燧石條帶及結(jié)核。與下伏棲霞組（p1q）為整合接觸，與上覆的龍?zhí)督M（p2L）為平行不整合接觸。p1m灰?guī)r在北西邊以較大傾角向南東傾斜、南邊傾向北，而南東側(cè)產(chǎn)狀平緩成側(cè)轉(zhuǎn)，地層向南東斜傾斜。本組灰?guī)r巖溶十分發(fā)育，地表巖溶主要有洼地、漏斗、巖溶塌陷等。地下主要為溶蝕裂隙及溶洞。地下巖溶發(fā)育程度有隨埋深逐漸減弱的趨勢（附圖4、5、6）。p1m巖溶含水層中最大泉流量15L/s,滲透系數(shù)K=

9、1m/d、富水性強(qiáng)。 本層巖溶水主要是大氣降水流及地表水滲漏補(bǔ)給。補(bǔ)給區(qū)主要位于地勢較高的北部出露區(qū)，向SSW方向徑流，南側(cè)成為巖溶水的集中排泄區(qū)。尤其溫塘一帶泉點(diǎn)多、流量大，如10號泉月均流量10.6418.08m3/h。此外，壺天河（天然狀態(tài)下）也起到排泄地下水的作用。由于向斜構(gòu)造中p1m厚度大，分布面積廣，巖溶十分發(fā)育、降水豐富，所以無論是補(bǔ)給量還是儲存量都很大，而且水頭壓力很高。因此，本含水層是礦坑（井）涌水或突水的主要充水層。（2）.大冶灰?guī)r（T1s）巖溶含水層 上部約150m為灰白色巨厚層致密塊狀灰?guī)r，巖溶發(fā)育，主要為溶蝕裂隙，泉流量10L/s,含豐富的巖溶水，下伏長興組構(gòu)成巨厚的

10、隔水層，下部450m為黑色泥灰?guī)r。滲透系數(shù)為K=0.0002m/d。 該巖溶含水層分布于向斜核部，面積約27 km2，小碧河垂直于地層走向流過，長約5 km。本層巖溶水主要接受大氣降水滲入補(bǔ)給，由地形高處向地勢低處徑流，以泉水形式或向小碧河排泄。也可通過斷層或巖溶塌陷補(bǔ)給其它含水層（如p1m）。絕大多數(shù)礦井都布置在該層的邊緣，所以在開拓階段本層巖溶水是礦井的充水層。2， 隔水層（1） p1q1-3（棲霞組）p1q1-3為厚層泥質(zhì)灰?guī)r、黑色頁巖，底部砂質(zhì)頁巖，厚500m,隔水性能好，是以隔擋石炭系巖溶水，致使石英系巖溶水不能影響p1m越流。（2） p2d（長興組）上部為泥灰?guī)r，下部為薄層硅質(zhì)泥灰

11、巖及頁巖，厚162m,加上T1s底部厚450m的黑色泥灰?guī)r，總厚611m的隔水層，足以阻擋T1s巖溶水直接進(jìn)入礦坑，同時(shí)，由于隔水頂板厚度大，穩(wěn)定性好，有利于采礦的安全。綜上所述，恩口煤礦床底板直接進(jìn)水或底板突水，水文地質(zhì)條件復(fù)雜的以溶洞為主的巖溶充水礦床。（二）.礦床充水條件1.充水水源恩口煤礦在天然狀態(tài)下，礦床充水水源主要為茅口灰?guī)r的巖溶水，但由于采礦等人為活動造成地面開裂、巖溶塌陷等現(xiàn)象致使大氣降水和地表（河水）水也成為礦坑（井）的充水水源。（附圖9）。3. 充水途徑恩口煤礦充水通道主要有斷層、裂隙溶洞、巖溶塌陷、填窗等。（1） 斷層斷層主要有周家?guī)X、橫路沖及觀音橋三條斷層。其中周家?guī)X正

12、斷層、橫路沖平移斷層為導(dǎo)水?dāng)鄬?。特別是周家?guī)X正斷層的下盤為p1m、p2L地層，沿?cái)鄬訋У叵滤畯搅鲿惩?，成為礦區(qū)外圍巖溶水補(bǔ)給礦井的主要通道。（2） 裂隙溶洞礦區(qū)充水層溶蝕裂隙及溶洞發(fā)育。恩口井主要發(fā)育65°方向裂隙。壺天礦井主要為315°和20°方向兩組裂隙（附圖3），而且溶蝕裂隙發(fā)育程度均有隨地表向深部逐漸減弱的趨勢（附圖4，5）。裂隙的發(fā)育不但是地下水徑流的直接通道，而且是溶洞形成的必要條件之一。各礦井的巖溶發(fā)育特征如附圖4，5。（3） 巖溶塌陷礦區(qū)巖溶塌陷很多，規(guī)模較大的有壺天河上、中游塌陷，峽山口塌陷、溫塘塌陷及小碧河上游塌陷。尤其是壺天河中游周家?guī)X塌陷長

13、2Km、寬400600m，巖溶塌陷使大氣降水及地表水直接進(jìn)入礦坑（井），成為礦井涌水水源。巖溶塌陷的形成使p1m巖溶水的承壓水頭降低，形成的塌陷為中心的降落漏斗。如井排水前茅口巖溶水等水壓線圖（附圖7）中，峽山口及壺天河中游塌陷形成160m、170m等水壓線降落漏斗，較周圍水壓低4050m。天然狀態(tài)下基本起到穩(wěn)定水壓的作用。當(dāng)雨季入滲量增多時(shí)候，塌陷處可排除部分地下水以減壓。旱季入滲量減小時(shí)候，塌陷處又可以灌入地表水。據(jù)多年觀測表明，天然狀態(tài)下，塌陷處的河流以排泄地下水為主。除此之外，地下采礦中，采空區(qū)的冒落塌陷，煤層底板（白色粘土層）突破或者是底板出現(xiàn)“天窗”等都可能成為通道。此外礦坑充水的

14、強(qiáng)度還與主要充水層茅口組（P1m）的出露面積大小與充水水源的接觸情況，邊界條件，地質(zhì)構(gòu)造及其地震情況等有關(guān)系。4、 礦坑（井）涌水量的預(yù)測（1） 水文地質(zhì)條件的概化1.充水層的概化茅口組（P1m）灰?guī)r巖溶充水層的巖溶發(fā)育極不均勻，并且有由地表向深部逐漸減弱的趨勢。但考慮到含水層厚度大，又為承壓水。故將不均勻含水層概化為均質(zhì)含水層。茅口組（P1m）灰?guī)r巖溶水補(bǔ)給量大于排泄量，概化為穩(wěn)定流。井田位于側(cè)向斜的承壓區(qū)，充水層茅口灰?guī)r，產(chǎn)狀平緩。故可以概化為水平地層。大冶組（T1s）灰?guī)r巖溶水，由于與煤層向有長興組（p2d）、龍?zhí)督M（p2L）及大冶組（T1s）底部隔水層，厚度高達(dá)數(shù)百米，因而，大冶組灰?guī)r

15、巖溶水對礦坑（井）充水無影響。2.邊界條件概化鑒于資料的評實(shí)情況，選擇I井田為代表進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測。a. 頂板邊界條件 對于充水層P1m來說，其頂板隔水層為p2d，厚度與強(qiáng)度均大，完全可以阻擋上部地下水的補(bǔ)給。底板棲霞組（p1q1-4）為砂質(zhì)頁巖、厚度大，可阻擋下部強(qiáng)巖溶水(c2+c3)的越流補(bǔ)給。對于P1m本身而言，在I井田-150m水平的下部分，巖溶已不發(fā)育，可視為隔水層。b. 側(cè)向邊界條件I井田北側(cè)為壺天河斷層及周家?guī)X正斷層，為導(dǎo)水?dāng)鄬?，為供水邊界。南?cè)的觀音橋平移斷層為隔水邊界。因此，可概化平行供隔水邊界。如附圖10。 （二）.計(jì)算方法選擇 礦坑涌水量預(yù)測方法很多，根據(jù)礦坑資料及水文

16、地質(zhì)條件的概化，這里選擇解析法進(jìn)行預(yù)測。 由附圖11可知，在抽水情況下，當(dāng)水壓線為120m時(shí)，P1m裸露部分在該水平上石承壓，之下轉(zhuǎn)為承壓狀態(tài)。因此，計(jì)算時(shí)以p2L為界，分上下兩級。對峽山口區(qū)段（20m）水平以上按潛水井流公式計(jì)算，納入疏干增量法。用裘布衣井流公式計(jì)算：(承壓水)（潛水）（三） .計(jì)算參數(shù)的確定1. 滲透系數(shù)K=1.0m/d。2. 含水層厚度，據(jù)前述，P1m在I井田區(qū)段，-150m水平以下巖溶已不發(fā)育，且歷年放水影響深度遠(yuǎn)未達(dá)此水平，故計(jì)算時(shí)含水層厚度M=（-150）-（-66）=84（m）3. 平均水位H的確定。潛水部分視隔水底板為-66m水平，天然狀態(tài)下平均水位為180m，

17、H=180-（-66）=246m。4. 動水位h的確定。潛水部分h1=180-120=60m;承壓水部分h2=120-(-66)=186m5. 間距見圖13。邊界間距離B；井到隔水邊界的距離b1;井到供水邊界的距離b2。6. 大井半徑rw的確定由大井概念，降落漏斗由圖上查明面積F=3300×400=1320000m2，rw=0.565,F=721最大涌水量在已形成降落漏斗的基礎(chǔ)上，涌水量為21007.74m3/d（四） 計(jì)算結(jié)果評述1.歷年放水資料，可及到涌水量為：72年Q=32476.64 m3/d；73年Q=19128.77 m3/d； 74年Q=30356.16 m3/d； 75年Q=31125.83 m3/d ；76年Q=17000