湖南恩口煤矿矿床水文地质条件矿坑涌水量预测

1、膅羁芇羈羄肁 湖南恩口煤矿矿床水文地质条件分析蚈蒆 及矿坑涌水量螃初膁步聿预膈测蒂报芁告蒀薅薅芁薇莇 云南国土资源职业学院芃 二0一三年六月莁 肇螅 肂蒁审查：孙由政教授蒈校核：余先颖蒇编写：余先颖肅薁衿羅袄蚀芀蚇蚃螀莇膅莂荿芇莆羄葿蚈 目录螃螃一、自然地理概况.葿二、矿区地质、水文地质条件.聿（一）地层及其水文地质特征.薅 1.石炭系中上统(c2+c3).蒁 2.二叠系下统栖霞组（p1q）.蕿 3.二叠系下统茅口组（p1m）.葿 4.二叠系上统龙潭组（p2l）.羃 5.二叠系上统长兴组（p2d）.薄 6.三叠系下统大冶组（t1s）.虿 7.三叠系中统麒麟山组（t2）.蚆 8.第四系冲积层（q

2、4）.蚅（二）.构造及其水文地质特征.芃 1.恩口向斜.蝿 2.断层.肇三.矿床水文地质条件.蒇 （一）含隔水层的划分.肂 1.含水层.袈 （1）茅口组灰岩岩溶含水层（p1m）.蒈 （2）大冶灰岩（t1s）岩溶含水层.袅 2.隔水层.袁 （1）p1q1-3（栖霞组）.羈 （2）p2d（长兴组）.衿 （二）.矿床充水条件.薇 1.充水水源.袄 2.充水途径.肈 （1） 断层.羆 （2）裂隙溶洞.肅 （3）岩溶塌陷.蚃肈莇螇 四、矿坑（井）涌水量的预测.莂 （一）水文地质条件的概化.蒂 1.充水层的概化.螈 2.边界条件概化.膄 （1) 顶板边界条件.蒅 (2)侧向边界条件.薂 （二）计算方法选择

3、.膈 (三）计算参数的确定.羆 （四）计算结果评述.膃五、结论与建议.蚂六、附图蕿莄羂螂蚆肆螁螁肇薄螄袁蒈芆薃羁膄罿薇芆芁蚁莆一、自然地理概况莆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

4、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。蚂膈荿蒆肂袀膇薆蒃莈袆蚆袄肀罿螅肁螂螈袅蒂膀2、3、 蒇矿区地质、水文地质条件袅（一）、地层及其水文地质特征袃 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。羂 现将矿区地层的岩性特征及水文地质特征转述如下：芆1.石炭系中上统(c2+c3)羅

5、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。芄2.二叠系下统栖霞组（p1q）莀 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。艿3.二叠系下统茅口组（p1m）肅 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。莁4.二叠系上统龙潭组（p2l）肁 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

6、起隔水作用。厚60m,富水性弱。肇5.二叠系上统长兴组（p2d）膅 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。螁6.三叠系下统大冶组（t1s）蕿 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。袆7.三叠系中统麒麟山组（t2）芅 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。膂8.第四系冲积层（q4）薆 冲积砂、砾石类粘土，含丰富孔隙水，渗透系数k=10-20m/d。肄麦档网薀袈羄袃

7、虿（二）.构造及其水文地质特征艿 区内主要有恩口向斜及周家岭、横路冲、观音桥断层。1.2. 蚆恩口向斜蚂向斜轴走向北东，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。3.4. 蝿断层莆区内断层不发育，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

8、断层。膄蒁衿螇袆蒄罿膈芃芃罿蕿肅羁聿罿蒃肄腿膆膅螃三.矿床水文地质条件芈 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。薇 （一）.含隔水层的划分羇 1.含水层薂 （1）茅口组灰岩岩溶含水层（p1m）莈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

9、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。蚆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。肃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）。聿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。 膆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

10、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。肇由于向斜构造中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。螅肂（2）.大冶灰岩（t1s）岩溶含水层芆 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。膄 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

11、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。节2，3， 袁隔水层（1）（2） 芆p1q1-3（栖霞组）薄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。（3）（4） 羄p2d（长兴组）蕿上部为泥灰岩，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

12、性好，有利于采矿的安全。蚀综上所述，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。羅蒂（二）.矿床充水条件蚂1.充水水源螀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）。5.6. 蚁充水途径荿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）（2） 蚆断层肄断层主要有周家岭、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

13、水补给矿井的主要通道。（3）（4） 肂裂隙溶洞袇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。（5）（6） 蒅岩溶塌陷膄矿区岩溶塌陷很多，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。腿岩溶塌陷的形成使p1m岩溶水的承压水头降低

14、，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。蕿除此之外，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。膄芄薀羇芇莄羁蝿羆蒄

15、莂膆螄薄蒈蒇肂膃蒈袅肅膃4、5、 衿矿坑（井）涌水量的预测（1）（2） 薇水文地质条件的概化袄1.充水层的概化芃茅口组（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。芀茅口组（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。肅大冶组（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。蚃莂2.边界条件概化蚁鉴于资料的评

16、实情况，选择i井田为代表进行矿坑涌水量预测。a.b. 螇顶板边界条件蚆 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。蒂对于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。c.d. 螈侧向边界条件葿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。蒅 薂（二）.计算方法选择腿 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

17、预测。羇 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。葿用裘布衣井流公式计算：袇袅(承压水)袃芇羇（潜水）芅莁芀（三）（四） 肇.计算参数的确定1.2. 莂渗透系数k=1.0m/d。3.4. 肃含水层厚度，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）5.6. 聿平均水位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

18、为180m，h=180-（-66）=246m。7.8. 膇动水位h的确定。潜水部分h1=180-120=60m;承压水部分h2=120-(-66)=186m9.10. 螃间距见图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。11.12. 薁大井半径rw的确定螈由大井概念，降落漏斗由图上查明面积f=3300400=1320000m2，rw=0.565,f=721芆膄芃袁芆薅羆袅蚁膁蚈蚄螁最大涌水量莈肆在已形成降落漏斗的基础上，涌水量为21007.74m3/d莃螁蝿（五）（六） 袇计算结果评述蒆1.历年放水资料，可及到涌水量为：72年q=32476.64 m3/d；袁73年q=19128.77 m3/d； 74年q=30356.16 m3/d； 75年q=31125.83 m3/d ；76年q=17