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煤炭与化工 Co a l a n d Ch emica l In d ust r y 第43卷第6期 2020年6月 Vo l .43 No .6 Jun . 2020 地测与水害防治 侏罗系含水层地下水动态特征及其涌水量预测 疏义国1,李亚昊2,王宏伟1,孔皖军彳 1.淮南西部煤矿投资管理有限公司，内蒙古鄂尔多斯017000 ； 2.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001； 3.鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯017000 摘要我国西部地区侏罗系煤炭开采受顶板砂岩水害威胁，分析采掘过程中地下水动态变 化，预测其涌水量是防治顶板砂岩水害的重要前提。以泊江海子矿为例，通过对比工作面开 采前后不同含水层地下水位、流场分析发现，回采前疏放对白垩系含水层不产生影响，回采 后产生一定的影响，反映了采动破坏了二含水层之间隔水层。而依据矿井充水条件及渗透性 分析结果，采用修改大井方法对该矿F工作面涌水量进行预测，结果与实际回采较接近，为 西部侏罗系砂岩水害类似矿区提供一定参考。 关键词侏罗系含水层；地下水动态；修改大井法；涌水量预计 中图分类号TD74 文献标识码A 文章编号2095-5979 2020 06-0050-08 Characteristics of groundwater dynamics in Jurassic aquifers and surges prediction Sh u Yig uo1, Li Ya h a o2, Wa n g Ho n g wei1, Ko n g Wa n jun3 1. Huainan West ern Mine Invest ment Management Corporat ion Lt d., Erdos Inner Mongol ia 017000, China; 2. Col l ege q f Eart h and Erwironment , Anhui Universit y of Scierice and Technol ogy, Huainan 232001, China; 3. Erdos HuaxingEnergy Corporat ion Lt d., Erdos 017000, China Abst r a ct Jur a ssic co a l min in g in west er n Ch in a is t h r ea t en ed by wa t er d a ma g e in t h e r o o f sa n d st o n e, t h e d yn a mic ch a n g es o f g r o un d wa t er d ur in g t h e min in g pr o cess wa s a n a l yzed , a n d t h e sur g e o f wa t er is a n impo r t a n t pr er equisit e fo r pr even t in g wa t er d a ma g e t o t h e r o o f sa n d st o n e. Bo jia n g Ha izi Min e wa s t a k en a s a n exa mpl e, by co mpa r in g t h e wo r k in g fa ce befo r e a n d a ft er t h e min in g o f d ifier en t a quifer s g r o un d wa t er , fl o w fiel d a n a l ysis, fo un d t h a t t h e d r a in a g e befo r e min in g h a d n o effect o n t h e Cr et a ceo us a quifer , a n d a ft er r eco ver y h a d so me impa ct , r efl ect in g t h e min in g o per a t io n d est r o yed t h e wa t er sepa r a t o r bet ween t h e t wo a quifer s. An d ba sed o n t h e min e wa t er -fil l mg co n d it io n s a n d per mea bil it y a n a l ysis r esul t s, a mo d ified l a r g e sh a ft met h o d wa s a d o pt ed t o pr ed ict t h e min es F wo r k in g sur fa ce wa t er sur g es, t h e r esul t s wa s cl o ser t o t h e a ct ua l r eco ver y, a n d pr o vid ed so me r efer en ce fo r min es wit h simil a r wa t er h a za r d s in t h e west er n Jur a ssic sa n d st o n e. Key wo r d s Jur a ssic a quifer ; g r o un d wa t er d yn a mics; mo d ified l a r g e sh a ft met h o d ; sur g e vo l ume est ima t io n 0引 言 煤炭资源一直是我国能源结构中重要的组成部 分。随着东部煤炭资源枯竭和西部地区煤炭产量的 提高，西部地区将成为我国主要煤炭基地。鄂尔多 斯盆地北部，浅部煤炭资源较为丰富，煤质好、储 量大，具有较大的开采潜力，但煤层顶板砂岩水害 问题比较严重。国内外学者多从水文地质、工程地 质以及生态环境等进行研究，而对于矿井生产所引 起的地下水动态变化及其成因方面研究较少，对于 涌水量预测前人多结合岩土力学性质、水文地质条 件、地下水补径排条件等方面，采用解析方法进行 求解，而结合研究区地下水流场分析较少。为此, 本文以深埋大于550 m条件下泊江海子矿为例，对 井巷施工以来地下水位动态变化数据进行分析，获 得区内疏放和开采条件下地下水流场变化特征，并 采用块断修订大井方法预测了该矿F工作面正常涌 水量，为后期其他工作面安全回采提供了重要依 责任编辑张彤 DOI 10.19286/ k i.cci.2020.06.014 作者简介疏义国1966,男，安徽安庆人，高级工程师。 引用格式疏义国，李亚昊，王宏伟，等.侏罗系含水层地下水动态特征及其涌水量预测[J].煤炭与化工，2020 , 43 6 50-57. 50 疏义国等侏罗系含水层地下水动态特征及其涌水量预测2020年第6期 据，也为与西部侏罗系砂岩水害相类似的矿区提供 了一定的参考。 1水文地质条件 1.1含隔水层结构 泊江海子矿位于鄂尔多斯盆地北部，开采煤层 为埋藏深度在500 m以下中生代侏罗系延安组3」 煤层。矿区地层由新至老为第四系层、白垩系下统 志丹群（zh）、侏罗系中统⑴、侏罗系中下统 延安组（Ji-J、三叠系上统延长组（T3y）。矿井位 于东胜煤田的西北部边缘，其构造形态为单斜构 造，走向东西且向北北西倾斜，地层倾角在1 3 ,产状沿走向及倾向会产生一定的起伏变化, 形成微宽缓向斜和背斜构造。 矿区含水层自上而下为第四系（Q）松散层潜 水含水层、白垩系下统志丹群（K1Zh）孔隙裂隙潜 水-承压水含水层、侏罗系中统CO承压水含水 层、侏罗系中、下统延安组（J）承压水含水层、 三叠系上统延长组（Tsy）承压水含水层，结构如 图］所示。 SW1。 UN22 UN29 志丹群1 NE3。 40m 20 0 100 200m c 图例 口粗砂岩匸；中砂岩 细砂岩I」粉砂岩 二对含水层■煤 〜泥岩d砾岩 m砂质泥岩L」含砾粗粒砂也相对隔水层 1 1 曹 i i 尊務曹 - 图1研究区含隔水层结构剖面图 Fig . 1 St r uct ur e pr o fil e o f wa t er -pr o o f l a yer in t h e st ud y a r ea 矿区范围内，在3“煤层顶部发育的隔水层有 侏罗系中下统延安组顶部砾石隔水层以及侏罗系中 统顶部的隔水层。各含水层整体以水平径流为主， 但由于受构造运动以及开采干扰，破坏了侏罗系与 白垩系含水层之间的隔水层，经“冒落带”、“导 水裂缝带”导水通道，地下水从水平方向转为垂向 方向，发生改变，形成了以开采区为漏斗的地下水 补径排系统，如图2所示。 1.2地下水补径排 开采前，浅部含水层受大气降水、蒸发影响较 大，深部受井下巷道疏放水影响。位于第四系下部 的白垩系志丹群水含水层与第四系含水层及大气降 水之间存在密切联系。自然条件下，侏罗系中统承 压含水层径流方向为自东南至西北，白垩系与侏罗 系中统含水层之间存在一定厚度隔水层，水力联系 较弱，侏罗系中统含水层主要以水平径流为主，其 与侏罗系中、下统延安组之间发育有砾石隔水层， 水力联系差，垂向水力联系弱。后期井下疏放水工 程，在平面上形成“无限含水层系统抽水”的降落 漏斗，煤层开采使得煤层上覆含水层通过垂向裂隙 通道发生一定的水力联系，侏罗系中统及中下统砂 岩水为主要的充水水源，补给量较大，白垩系砂 岩水为间接补给水源，呈现出降落漏斗（图2）。 J2降落漏斗 K降落漏斗 蒸发 3-1煤 EI /裂隙带补给 M卄排泄 冒落倣水） Vrdls...... ........ 图2开采条件下各含水层之间水力联系示意图 Fig . 2 Hyd r a ul ic co n n ect io n s bet ween a quifer s un d er min in g co n d it io n s 51 2020年第6期 煤炭与化工 第43卷 2地下水观测系统 2.1地面水文观测孔布置 侏罗系中统含水层为3_煤层回采过程中直接 充水含水层，为观测工作面巷道掘进、含水层局部 疏水及将来工作面回采过程地下水动态变化，矿区 分期施工了 11个地下水位观测孔。其中，白垩系 含水层有4个观测孔，分别为白垩系的水文2号、 水K5、水K7孔、K10；侏罗系含水层有6个，分 别为侏罗系中统的水文1号、水文3号、水J6、 水J8孔、水J9孔、水J11孔；混合孔水文孔1 个。如图3所示。 2.2井下水压观测孔布置 井下测压孔主要有7个，其中F工作面6个（ 胶运和辅运顺槽各3个），系统大巷中1个，其位 置如图3所示。 e h h O H 1 F H l la F H l la O H i K H 1 A H I B I n H i 水J11 水K10水J9 水J6 水K7 2EKJ观测孔 观测孔 曙观测孔 例二下测压* SE作面 0 400 800m 图3井上、下地下水观测系统平面布置 Fig . 3 Pl a n e l a yo ut o f un d er g r o un d wa t er o bser va t io n syst em a bo ve a n d bel o w sh a ft 3地下水动态特征 3.1涌水量变化特征 目前井下侏罗系中统含水层疏放量为300 m3/h , F工作面涌水量180m3/h ,占整个矿井涌水 量的60;西翼2号回风巷涌水量90 m3/h,西翼 胶带运输大巷涌水量10 m3/h ,其它涌水量约10 m3/ho各块断涌水量变化如图4所示。 450.00 400.00 350.00 300.00 250.00 200.00 150.00 100.00 00 00 5 5 0-0- 0 * 9 5 e 2017年4月中下旬环保局 检查，关闭钻孔，水量减少 2017 年 12 月 7 日老塘开始排水 isis ozglozozgloz 塔 0 W 8 S 2 0 Q U 8 S 2 oe 二 u u o e 0Q6口 期 ozQzaoe 日 oz 二AI0Z 0Z 二 U9I0Z 0 z0 z、、66、、9 I0 z9 I0 z A工作面 B工作面 F工作面 ‘系统大巷 -采掘工作面、巷道 滴淋水及施工用水 西翼二号回风巷 顶板钻孔疏败 *总放水量 图4 一采区不同块断涌水量历时变化曲线 Fig . 4 Time-va r yin g cur ve o f wa t er in fl o w in d iffer en t bl o ck s in No .l min in g a r ea 52 疏义国等侏罗系含水层地下水动态特征及其涌水量预测2020年第6期 其中，F工作面涌水量累计疏放量随时间变化 校为明显，主要为煤层顶板砂岩含水层疏放水，由 原先的255 m3/h ,降至其最小值88.65 m3/h ,而后 上升并保持在180 mVh左右。F工作面共施工150 个疏放水钻孔，单孔初始最大涌水量115m3/h ,单 孔最小出水量0.5 m3/h ,单孔出水量衰减速度大、 幅度大。 3.2不同阶段地下水位动态 根据白垩系4个水文观测孔近2 a水位动态变 化（图5）,随着井下工作面在增加，总涌水量持 续增大，白垩系各观测孔水位均发生一定的下降, 其中2017年水位下降最为明显。4个水文观测孔 水位呈现不同幅度的下降，变化幅度0.66 16.98 mo在自然状态下，白垩系含水层水位变化是与大 气降水和蒸发作用有关，而受井下疏放水影响较 小。但在开采期间和开采后，白垩系含水层对侏罗 系中统含水层发生过补给现象，在后期的开采过程 中仍需加强般层位地面观测孔水位的观测。 T -p 、 | 驛社 600 00 00 00 00 00 600 00 00 00 00 00 1 1 1 1 1 1 0 Q S 0 Q S 同 W R W R 涌 矿 Q W U R 期 K5K5 2/ZMAOZ 日竝 O S 5 O S 5 水 0 S 5 8 ■ 0 S 5 8 ■ 2/n/noz2/n/noz 2 2 畳気 s s s s o i o i s d U Z J R s d U Z J R 氢UL目 2 E r 2 E r 2 2 食 wz O S 5 O S 5 Q S 5 Q S 5 o i o i 2/n/s2/n/s 0 *水文2矿井浦水* a）水文2号水位与涌水量关系 137L7 1371.6 1371.6 1371.5 1371.4 1371.3 1371.2 137L1 1371.9 1371.8 G M P G M P 、 *I* *I* 瞬 4k fe 4k fe o o o o o o o o o o o o o o o o o o 6 5 4 3 2 1 0 6 5 4 3 2 1 0 1372 0 Q S 0 Q S a s c i a s c i 2/9E0Z2/9E0Z 2 2 过匸03 o s s o s s o c s o c s 1371 s i a s o s s s o s s s 2 2 黒 Q W U Q TQ W U Q T m过 uae o s s s o s s s o s s o s s 2 2 皙 2 1 o 9c g 7 6 54 30 2 1 o 9c g 7 6 54 30 7 7 7 6 6 6 6 7 7 7 6 6 6 6 第II段正常涌水量为 146.22 m3/h ,最大涌水量为179.30 m3/h ,最小涌 水量为123.47 m3/h ;第III段正常涌水量为 195.87 m3/h ,最大涌水量为237.79 m3/h ,最小涌 水量为174.15 m3/h；第IV段正常涌水量为243.78 mVh ,最大涌水量为298.73 m7h ,最小涌水量为 190.13 m3/ho 通过该工作面回采实践，表明实际涌水量与 预测平均值较为接近。 5结论 对泊江海子矿的水文地质条件进行系统分析, 并布置了 11个地下水位观测孔和7个井下测压 孔。通过地下水动态特征分析，并用修正大井法 进行涌水量预测，得到以下认识。 1 无论是井下疏放还是开采，侏罗系含水 层水位响应较快，而白垩系含水层仅在回采时地 下水位发生变化，因此，采动致使裂缝带高度发 育至白垩系含水层，形成更大范围的地下水补给 区域。 2 煤层开采使得煤层上覆含水层通过垂向 裂隙通道发生一定的水力联系，侏罗系中统及中 下统砂岩水为F工作面主要充水水源，白垩系水 为间接水源。 3 侏罗系中统含水层渗透性在空间上变化 大，具有非均质性，因此对不同工作面回采时涌 水量影响大，同一工作面具有类似情形。 4 通过修正大井法对F工作面进行涌水量 预测，将该工作面分为4个块段，后经验证，实 际涌水量在预测范围之内，预测结果可靠。 参考文献 [1] 朱吉茂，李瑞峰，王 雷.我国西北煤炭发展空间和布局研 究[J].中国矿业，2019, 28 1 41-46. 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