大屯姚桥矿矿井水文地质条件分类与评价

  矿井水文地质条件分类评价是矿井水害防治的重要工作，是矿井建设、生产不可缺少的基础工作，直接关系到矿产资源开发的经济合理性、矿井安全生产、区域生态环境安全等可持续发展。由于矿井水文地质条件不清、未进行评价等原因导致了矿井水害持续发生，给国家和人民生命财产带来严重损失。

 

  因此，矿井水文地质条件分类与评价研究对矿井水害防治和矿井安全生产具有重要的意义。

 

  1 水文地质条件分类

 

  1.1 分类研究现状

 

  1.1.1 国外研究现状

 

  国外研究矿井水文地质条件分类主要是原苏联，其他国家没有独立的学科[2-5]。1940 年，原苏联谢戈列夫把矿井水文地质条件分类为裂隙性坚硬岩层、疏松的砂质粘土岩层、岩溶的和易溶解岩层3 种类型；1944 年聂留波夫和谢戈列夫又根据地质及水文地质条件把金属矿井分为4 个基本类型和8 个组；1947年特罗扬斯基、普罗霍洛夫在1945 年、1951 年和1955年及卡丘金在1955 年都曾对矿井水文地质条件的类型进行过分类，把矿井分为简单、复杂及极复杂3种；克利门托夫在1953 年又按不同标准将矿井水文地质条件分类为8 类[2-3]。此后的矿井水害水文地质条件分类趋于以多因素与多元信息组合为基础。以原苏联为主的矿井水文地质条件分类，最初偏重于矿井地质岩性、矿井的产状等，其后主要考虑矿井充水条件和矿井开采条件等。苏联解体后，俄罗斯的矿井水文地质条件的分类理论和方法与世界格局一样，基本处于滞后状态，已不能满足矿井安全生产和矿井防治水害的要求。

 

  1.1.2 国内研究现状

 

  国内研究矿井水文地质条件分类是从新中国建国后开始的。初期由原苏联专家克兰尼涅夫1955 年把煤矿井的水文地质条件分类为3 种类型；阿加比也夫1957 年分类为简单、复杂、极复杂3 类。1958年我国水文地质工作者沈尔炎将矿井水文地质条件分类为简单、复杂、极复杂3 类；1959 年王锐等人分类为简单、中等、复杂，极复杂4 种类型。1962年、1974 年、1981 年、1982 年原国家相关部委对煤矿井、金属矿井等矿井水文地质条件分类进行完善与补充，提出了以含水岩层的空隙特征为依据的孔隙充水岩层为主矿井、裂隙充水岩层为主矿井、溶洞充水岩层为主矿井3 类分法，并按水文地质工程地质条件的复杂程度进一步分类为简单、中等、复杂3 种。

 

  目前水文地质条件分类研究工作多是以经验与实践、试验数据为基础的定性分类法。随着计算机及智能化软件的发展，水文地质条件分类逐渐向定性、定量相结合的方向发展，如水文地质条件文本分类法、Fuzzy 模糊数学分类法在水文地质条件分类中的应用等。

 

  1.2 分类依据

 

  矿井水文地质条件分类依据是矿井客观存在的自然水文地质特征及开采后产生的新水文地质问题，分类突出水害防治基础和水文地质工作方法、水害防治的方法和措施、水害诱发的生态环境保护的方法措施等，重点突出矿井突水、涌水等水量预计、水害预测预报、水害环境效应及采后产生、引发的水文地质工程地质问题等。

 

  1.3 分类方案

 

  a. 第一种分类方案

 

  以气候因素、主要充水岩层岩性及空隙性质、矿床与含水层接触组合关系及人类的影响破坏活动因素，对矿井水文地质条件进行区、类、亚类、型等4个级别的分类，将矿井水文地质条件分为两区、三类、五亚类、四型。

 

  b. 第二种分类方案

 

  按开采矿层及相关含水层埋藏深度进行分类，按开采期间主要充水水源进行分型，按矿井富水系数(矿井总涌水量同产矿量之比)大小分类其亚型，按潜在水害因素进行辅助类型分类等，将水文地质条件分为四类、五型、四亚型、四辅助型。

 

  2 水文地质条件评价

 

  2.1 评价指标

 

  评价指标是指矿井水文地质条件的主要影响因素，也是评价内容的方向，包括：矿层与侵蚀基准面、地下水位的关系；地表水体的影响因素；含水层富水性及补给条件；断裂构造的发育程度；地质灾害的影响程度等。

 

  2.2 评价内容

 

  评价内容包括：

 

  a. 矿床(体)与当地侵蚀基准面及地下水位的关系。

 

  b. 地表水体的影响。地表水体对矿井充水的影响程度取决于地表水与矿层的距离、导水通道的性质、地表水体的规模、性质等因素。

 

  c. 含水层的富水程度及补给条件。含水层接受补给和储存地下水的能力是控制矿床充水条件的一个重要因素。对暗河管道亚类矿井涌水量起控制作用的是其入口的汇水面积。

 

  d. 断裂构造的发育程度。构造断裂带是岩溶发育带、富水带，构造断裂的发育程度在一定程度上反映岩层的富水性[16]。

 

  e. 地质灾害。水文地质条件评价的地质灾害是评价地下水引起的或有关的地质灾害；流砂冲溃主要是孔隙水矿井的水文地质条件问题。

 

  2.3 评价手段方法

 

  评价手段方法主要有：

 

  a. 水文地质测绘法。测绘方法包括地质点的观察和描述、水点的观察与描述。

 

  b. 钻孔简易水文地质观测法。观测内容包括详细记录钻进过程中发生涌水等出现的深度及层位、岩心水文地质编录、测定终孔稳定水位等。

 

  c. 地球物理及地球化学方法。常用方法是物探方法、示踪试验、遥感技术等，其他评价的地球物理及地球化学方法有水化学勘测、环境同位素方法的应用等。

 

  d. 矿井抽水试验法。抽水试验常用方法有稳定流、非稳定流的抽水试验，单孔抽水、多孔抽水及群孔抽水，分层抽水、混合抽水，地表抽水试验、井下放水试验等。

 

  e. 地下水动态研究法。地下水动态研究主要是含水层在时间及空间上的变化特征、地下水流场的现状及演变的过程与历史、控制含水层动态变化的因素；含水层之间及含水层与地表水体之间的相互联系、制约的关系；含水层受区域补给的条件；褶皱、断裂构造导水与阻水性能；矿井开采时疏干排水的效果；漏斗扩展情况等。

 

  f. 矿井涌水量预测法。矿井涌水量预测常用方法是解析法、数值法、电网络模拟法等。常用方法是水均衡法、回归分析法、系统理论法(T 箱)、灰色系统方法。

 

  3 矿井水文地质条件分类评价案例大屯姚桥煤矿位于江苏省徐州市西北大约 82 km处，大屯姚桥井田地貌属黄淮冲积平原，为第四系地层覆盖地区，地势平坦，东部有常年积水的湖区。姚桥煤矿于1976 年投产，设计年生产能力为120 万t，现生产规模可达300 万t/a。姚桥井田为全掩盖式煤田，由于受区域构造的影响，断裂构造较发育，湖区次一级褶曲较发育。

 

  3.1 边界水文地质条件

 

  姚桥井田南、北、西三面被大断层所切割，为一倾向NNW的单斜构造，是补给不畅的相对隔水边界，但在袁堂断层局部及井田东南、西南煤层露头区存在水源补给，为一相对独立的封闭—半封闭的水文地质单元。

 

  3.2 含水层水文地质条件

 

  矿井主要含水层为：第四系松散含水层组，由北东向南西逐渐增厚，含水砂层厚度变化较大，井田东南、西南煤层露头区；上侏罗统底部砾岩含水层溶洞裂隙发育，钻孔揭露时普遍漏水；下石盒子组底部分界砂岩含水层，一般情况下对煤层开采无影响，当综采放顶煤厚度较大，“两带”发育高度增大时，导水裂隙带波及到该含水层，通过采后老空区补给矿井；太原组灰岩含水层，总厚一般为160 m，共含灰岩14层，与煤层开采有关的是L4 灰、L8—L9 灰和L12灰4 层灰岩，L8—L9 灰为17 煤顶板上覆充水含水层，属弱含水层，L12 灰是21 煤开采直接充水含水层，该灰岩富水性弱；奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层分为中、下奥陶统6 个地层组，为区域性强含水层，正常开采山西组煤层时，由于与奥灰相距较远，一般威胁不大，受袁堂断层等大断层的影响，由于断层上盘开采煤层与奥灰含水层对接，在其附近开采煤层时，或当开采太原组17、21 煤层时，由于与奥灰相距较近，奥灰水压较大、断裂发育时，存在水害威胁。

 

  3.3 矿井水源的水文地质条件分类

 

  a. 第四系松散层中间隔水层厚度较大，有效阻隔了大气降水、地表水、第四系浅部松散层水与第四系底部砂砾层水、基岩含水层水之间的水力联系，浅部松散层水、大气降水、地表水一般不会对矿井充水。

 

  b. 第四系底部砂砾层水(底含水) 可通过煤层顶板砂岩露头或其风氧化带、构造裂隙带或采动后的导水裂隙带补给矿井，而第四系底部砂砾层水又可接受奥陶系灰岩水等其它含水层的补给，从而造成奥灰等强含水层间接补给矿井。

 

  c. 太原组L4 灰岩水 在露头区通过第四系底部砂砾层接受底含水、奥灰含水层的补给；在袁堂断层局部区段接受奥灰水的侧向补给；通过钻孔放水、巷道揭露L4 灰含水层突水、受断层裂隙或工作面底板突水、断层对工作面煤系砂岩含水层的侧向补给而突水等方式补给矿井。

 

  d. 断层水巷道揭露不导水的断层受采动影响，在工作面采后可以转化为导水断层；当断层一侧(或两侧)为含水层时，造成局部含水或导水。

 

  3.4 矿井含水层的水力类型评价

 

  a. 第四系粘土层的3 隔水层、4 隔水层岩性主要为粘土，厚度分别为33.56 m、13.79 m，塑性指数14~32，分布稳定，隔水性强，有效地阻隔了大气降水、地表水、第四系中上部砂层水与第四系底部含水层水、基岩地下水的水力联系。

 

  b. 在井田东南、西南煤层露头区，第四系冲积层底部含水层直接覆盖在露头区各基岩含水层上，使底含水与煤层顶板砂岩、L4 灰岩、奥灰等基岩含水层水直接产生水力联系，当井巷揭露底含及下伏风化砂岩、工作面回采导水裂隙带波及底含和地层倾角及断层影响，第四系冲积层底部含水层就成为矿井充水主要补给水源。

 

  c. 煤层顶板露头风化带与第四系冲积层底部含水层直接接触时，顶板砂岩水与底含水产生水力联系，接受底含水的补给，可形成局部煤层顶板风化裂隙带、第四系底含复合含水体，对矿井充水。

 

  d. 井田内 7、8 煤层距L4 灰距离较大，中间地层有良好的隔水层，当断层落差接近于煤层与太原组L4 地层的层间距时，煤层顶板砂岩裂隙水与L4 含水层产生水力联系，工作面将接受L4 水的侧向补给，对矿井充水影响较大。

 

  e. 袁堂断层下盘奥灰强含水地层与上盘煤系地层对接，奥灰含水层在袁堂断层局部区段与煤层顶板砂岩裂隙含水层及L4 灰含水层产生水力联系，对矿井充水。

 

  3.5 矿井水文地质条件评价

 

  矿井水文地质条件评价见图4。通过分析井田内各主要含水层的分布规律及其对煤炭开采的影响、矿井的充水因素及突水规律，得出矿井主要水害类型有第四系底含水、分界砂岩水、7 号煤层顶底板砂岩水、太原组L4 灰岩含水层水、奥陶系灰岩水、断层水以及老塘老硐水，特别是7 号煤层的顶板砂岩水是矿井突水的主要含水层，通过评价得出煤矿水文地质条件为中等类型。