煤矿培训教材.doc

红岩煤矿防治水科培训教材
红岩煤业矿井水文地质

主讲人：和战国
2014年4月20日第一节 区域水文地质
一、地表径流
区域地貌形态为中低山区，地表切割强烈，沟谷纵横，地形复杂。区域地表水属黄河流域的汾河水系。汾河发源于宁武县管涔山麓，穿越太原盆地，自北向南流经本区，从本县北部两渡镇桑平峪入境，流经两渡、翠峰、厦门、南关四镇，由南关镇石桥村流向霍州市，在河津市西南汇入黄河，全长694km，流域面积23945km2。汾河本县长约38km，占总长5.5％。根据汾河义棠站1962～1993年观测资料，汾河多年平均流量2.79m3/s，年均最大流量6.29m3/s(1990年)，最小流量0.06m3/s(1987年)。本区主要汾河支流有段纯河、小河。
段纯河：上游称双池河。发源于孝义县西泉寨界牌岭，向东南于段纯镇下峪村进入本县，到段纯汇深井沟水，于三湾口汇入汾河，全长71.3km，县境内长度20km，总流域面积105.4km2，河床平均纵坡降13.4‰。由于河谷下游为奥陶系灰岩裸露区，平时无清水流量，只有汛期有洪水，为季节性河流。省水文站于1959年～1961年在官桑园设立汛期水文站，测得最大洪峰流量为1270m3/s。
小河：古名石门峪河，亦称西河、交口河。发源于中阳县棋盘山，流经交口、孝义县尖山一带，自木瓜曲进入本县境内，向东南到交口村汇孙义河，峪口汇卧牛神河，平遥庄汇十里沟水，穿越十余里深谷，至厦门镇注入汾河。全长57.5km，流经本县31km；总流域面积301km2，境内面积167 km2，河床平均纵坡降20‰。平时水量不大，旱季干枯断流，1995年5月实测流量为0.152m3/s。
三、区域内主要含水岩组
区域含水层按介质可分为碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组、碎屑岩夹碳酸盐岩类灰岩及砂岩岩溶裂隙含水岩组、碎屑岩类砂岩裂隙含水岩组、松散岩类孔隙含水岩组四类，自下而上分述如下：
1、碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组
本区属郭庄泉域。按照水文地质单元，本井田位于郭庄泉域中北部，为径流区。
郭庄泉域西以紫荆山大断层和吕梁山前寒武系地表分水岭为界，东以汾介大断层和霍山大断层为界，北以汾西向斜翘起端，吕梁南馒头山、将军山前寒武系古老变质岩和地表分水岭为界，南以下团柏断层和万安断层为界。泉域面积5600km2，其中碳酸盐岩裸露面积1400km2，碎屑岩面积2030km2，松散岩面积2170km2。
该泉域内主要含水地层为张夏组岩溶裂隙含水岩层（∈2z）、亮甲山组裂隙岩溶含水层（O1l）、下马家沟组岩溶裂隙含水岩组（O2x）、上马家沟组岩溶裂隙含水岩组（O2s）、峰峰组裂隙岩溶含水层（O2f）等。吕梁山、霍山在矿区东西两侧沿NNE向展布，吕梁山、霍山出露有太古界、元古界和下古生界的寒武系和奥陶系。寒武-奥陶系石灰岩大面积裸露，形成了广泛的奥陶系石灰岩岩溶水补给区，两山之间的汾河两岸及河谷地带则成为其径流、排泄区。其中对矿井开采和供水有意义的为中奥陶统灰岩岩溶裂隙含水岩组。钻孔中水位标高516-698m，单位涌水量q=0.000436-0.14L/s.m，渗透系数k=0.0021-0.3306m/d。水质为HCO3-·SO42-—Ca2+·Mg2+型，微硬，PH值为7.9。
霍州市南约7km处的郭庄至东湾村一带的泉群，为其排泄区。泉群分布面积，南北长1.2km，东西宽约400—500m，面积约0.56km2。计有大小泉点60多个，以散泉的形式分布于汾河谷及冲积层岩边。泉水出露标高为518.20—521.88m，水温16℃，总硬度367.53—434.83mg/l，属重碳酸盐硫酸盐钙镁型水（HCO3-·SO42-—Ca2+·Mg2+）。1956—1975年平均流量为8.36m3/s，最大约为10m3/s（1964年），最小约为6.8m3/s（1975年），1978—1987年10年最大流量7.65m3/s，最小流量6.92m3/s，多年平均流量7.19m3/s。1972年霍州电厂建成投产后，在泉口开发利用岩溶水和泉域内开采井增多，人为活动及降水量减少等原因，1985—1995年泉水平均流量约6.3m3/s，1999年泉水流量降至2.83m3/s，2001-2003年泉水流量仅2.12m3/s。
2、碎屑岩夹碳酸盐岩类灰岩、砂岩岩溶裂隙含水岩组
本类型含水岩组由上石炭统太原组砂岩、泥岩、煤层及几层石灰岩组成，为一套海陆交互相沉积。含层间岩溶裂隙水，富水性的强弱取决于岩溶与裂隙的发育程度。一般在接近地表露头处岩溶裂隙发育，以岩溶含水为主，含水性较好。随石灰岩埋深的增加，岩溶裂隙发育程度减弱，逐渐以裂隙含水为主，含水性减弱。
K2、K3为煤层的直接顶板，K4与下部煤层也很近，是各层煤的主要充水含水层，对矿井充水有重要意义。K2灰岩结构致密坚硬，裂隙及喀斯特现象在个别地段发育，单位涌水量q=0.0074L/s.m，渗透系数k=0.1455m/d，水质为HCO3-·Cl--Na+· Ca2+型淡水，弱硬，PH值为7.8。K3灰岩q=0.000412-0.0788L/s.m，K=0.00417-1.70m/d，K4灰岩顶底部质不纯，常为泥灰岩，裂隙不发育，q=0.00037-0.000412L/s.m，K=0.00417-2.0046m/d，与K2、K3灰岩混合试验，q=0.0657-1.734L/s.m，K=0.1447-6.92m/d。
3、碎屑岩类砂岩裂隙含水岩组
本组主要包括二叠系山西组及石盒子组的一套以陆相沉积为主的碎屑岩类，本类含水层以风化裂隙水为主，裂隙发育程度受岩性、深度和构造影响，裂隙水除少部分沿构造破碎带向深部运动外，其余排泄于地表沟谷之中，涌水量0.22-2.38L/s。据试验，山西组砂岩单位涌水量为0.018L/s.m，渗透系数为0.069m/d；石盒子组砂岩单位涌水量为0.022-0.0675L/s.m，渗透系数为0.0606-0.212m/d，二者混合试验单位涌水量为0.022-0.779L/s.m，渗透系数为0.0052-1.138m/d，山西组中主要为K7砂岩和2号煤顶部的中粒砂岩，含水量均不大，砂岩横向变化较大。而上部石盒子组的厚层稳定砂岩有5层之多，总厚达38m左右，其中K8为主要含水层，单位涌水量为0.0272L/s.m，渗透系数为0.0465m/d，石盒子组砂岩混合抽水试验单位涌水量为0.249L/s.m，并常有涌水现象。山西组与石盒子组砂岩水质皆属HCO3-·Cl-—Ca2+·Mg2+型淡水，弱硬，PH值为7.6-7.9。虽然石盒子组砂岩多且厚，含水较丰富，但大部距煤层较远，一般对矿井充水影响不大。同时由于相对呈层状，不同层位的含水层各具补给区，构造若干小的含水系统，其间水力连系较弱。
4、松散岩类孔隙含水岩组
主要为第四系松散沉积物。为区域主要含水层之一。其中较有意义的含水层为Q4，呈带状分布于汾河及其支流，含水层为透水性强的砾石层或砂层，其上下覆以粘土层，出露泉水较多，富水性因地而异，为农田灌概及生活用水的主要来源。第四系含水层据抽水试验q=0.091-2.94 L/s.m，K=0.398-29.1m/d。冲积层水质大部属HCO3-·SO42-—Ca2+·Mg2+型淡水，硬或微硬，PH值为7.5-7.7。主要接受大气降水补给，向地表水系排泄，有时也向基岩含水层排泄。
二、区域主要隔水层
1、中石炭统泥岩、铝土质泥岩隔水层：主要指本溪组的一套泥岩、铝土岩，分布于碳酸盐岩类含水岩与碎屑岩类含水岩之间，为其天然隔水层。
2、碎屑岩类层隔水层：以泥岩类塑性岩石组成，分布于各类含水层砂岩、灰岩之间，在垂向上使含、隔水层组合成平行复合结构，含、隔水层处于分散间隔状态，含水层间的水力联系被其间的隔水层所隔，形成独立的含水体系，地表沟谷切割处常沿隔水层顶板出露泉水。
第二节 矿井水文地质
一、地表径流
井田地势总体为中部高而西周低，最高点位于井田北中部山梁上，海拔1065.1m，最低点位于井田西南部，海拔806m，最大相对高差为259.1m。
井田内无常年性河流，仅有季节性河谷，雨季在沟谷中有短暂山洪流过，分别向北东汇入小河，南西汇入段纯河。
二、含水层
井田含水层自下而上有奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层、石炭系上统太原组碎屑岩类夹石灰岩岩溶裂隙含水层、二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层、下石盒子组砂岩裂隙含水层组及风化裂隙含水层、第四系孔隙含水层。
1、奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层
主要为奥陶系上马家沟组、峰峰组灰岩，是含煤地层之基底，埋于井田深部，岩性为海相厚层状石灰岩，主要成分为碳酸钙，因其易被水所侵蚀溶解而形成溶洞。上马家沟组中、上部岩溶发育，可见岩溶灰岩。本次补充勘探施工了ZK7号水文孔，孔口标高为1063.46m，终孔层位为O2s。据ZK7孔测量结果，奥灰水水位埋深521.56m，静止水位标高为541.90m。据此按2‰水力坡度推算，井田内奥灰水水位标高在539-544m之间，奥灰水自西北流向东南。
2、石炭系上统太原组碎屑岩类夹石灰岩岩溶裂隙含水层
为岩溶裂隙含水层，该组地层井田内厚度约93.29m，除砂岩、砂质泥岩、泥岩外，有3层发育良好且易被水溶解的海相石灰岩（K2、K3、K4）,总厚度约15.78m，为本组的主要含水层，据本次勘探施工的ZK7号水文孔抽水试验，单位涌水量为0.000189L/s.m，渗透系数0.00028m/d，属弱富水含水层。静止水位标高874.86m，水质类型为HCO3-·SO42-—Ca2+型。
3、二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层
为碎屑岩裂隙含水层组，含水层主要由中、细粒砂岩组成，含水空间以构造裂隙为主，厚度变化较大，钻进过程中钻孔未发现有明显的漏失现象。区内二叠系下统山西组地层赋存不全，大多位于侵蚀基准面以上。由于部分山西组出露在山梁、山坡及沟谷两侧，成为相互独立的含水体。据ZK7水文孔抽水试验，单位涌水量为0.000507L/s.m，渗透系数0.0052m/d，属弱富水含水层，静止水位标高873.06m，水质类型为HCO3-·SO42-—Ca2+型。
4、下石盒子组砂岩裂隙含水层组及风化裂隙含水层
在井田内埋藏浅，以中粗粒砂岩为主，风化裂隙较发育，含水空间以砂岩裂隙为主，其次地表基岩风化裂隙含水，容易接受大气降水的补给，局形成强富水区，但受季节控制，雨季补给充分时，富水性强，旱季补给受限时富水性弱。
5、第四系松散岩类孔隙含水层
井田内广泛分布，是本区浅层水的主要水源地，水面埋藏深度为0.5-3.0m，补给来源主要为大气降水及支流的地表水，受季节影响较大，属弱富水含水层。为当地村民重要的生活和农用水源。
三、隔水层
井田内的隔水层主要为本溪组粘土岩隔水层及各含水层间的泥岩、砂质泥岩隔水层。
井田内各含水层之间的泥岩、砂质泥岩、粘土岩等成为各含水层间的主要隔水层，但由于采空塌陷的影响而产生垂直裂隙，成为各含水层间的水力联系通道。
含煤地层底部的本溪组厚约16.24m，岩性由铝土质泥岩、砂质泥岩、粘土岩组成，岩性致密、细腻，隔水性能好，为井田内含煤地层与奥灰水间良好的隔水层。
四、地下水的补、径、排条件
1、岩溶地下水
井田属岩溶水径流区，奥陶系岩溶水自西北向东南从井田流过，向郭庄泉排泄。
2、碎屑岩类裂隙水
裂隙水的补给主要是基岩裸露区接受大气降水的补给，与地表水接触地带，可接受其侧向补给，另外还可接受上覆松散层含水层的下渗补给，该地下水接受补给后一般沿岩层倾斜方向运动，在地层切割深处往往以泉的形式排出地表，另外人工开采和矿坑排水也是其排泄方式。
3、松散岩类孔隙水
其主要补给来源是大气降水，接受补给后，一般沿沟谷向下游运动，流向与地表水基本一致，其排泄方式除蒸发排泄外，主要是人工开采或补给下伏基岩裂隙含水层，局部以泉的形式排泄出地表。
第三节 矿井充水因素分析及水害防治措施
一、地表水对开采煤矿的影响
井田内无常年性河流，仅有季节性河谷，雨季在沟谷中有短暂山洪流过，对煤矿开采影响较小。
二、煤系含水层
井田内可采煤层为7、10、11号煤层。7号煤层直接充水含水层为K4灰岩岩溶裂隙含水层；10、11号煤层充水含水层为砂岩裂隙含水层及K2灰岩岩溶裂隙含水层。根据补勘资料，太原组岩溶裂隙含水层富水性较弱。
三、本矿及周边矿井采空区分布范围及积水、积气情况
整合后的井田范围包括原山西灵石红岩煤业有限公司及部分新增区，新增区包括关闭的原寨头村办煤矿、永红煤矿的一部分及部分空白区。
井田北部存在原红岩一坑开采2号煤层形成的采空区1处，采空面积27974 m2。据调查，井田中部存在2号煤层小窑破坏区，破坏区面积约641510m2。
井田北部存在7号煤层小窑破坏区1处，破坏区面积约77090m2。
井田内10号煤层存在采空区7处，分别为位于井田中部原红岩煤矿破坏区1处，面积约47118m2；位于井田北东部原寨头村办煤矿采空区2处，采空面积约37993m2；位于井田南部原永红煤矿采空区2处，采空面积约111820m2。井田南部界外存在原永红煤矿采空区1处，采空面积14438m2。详见10号煤层采掘工程平面图。
井田南部存在永红煤矿开采11号煤层形成的采空破坏区1处，位于ZK2号钻孔周围，采空破坏区面积约65765m2。
原红岩煤矿2号煤层井筒、原寨头村办煤矿、永红煤矿都已关闭，2、7号煤层小窑都已封堵，故本次利用理论公式对上述采空区积水量进行了估算。
积水量估算理论公式为：W静=K×M×F／COSα
式中：W静— 采（古）空区积水的静储量（m3）
M——采厚（m）
F——积水采(古)空区面积（m2）
α— 煤层倾角（°）
K——采（古）空区充水系数（本次取0.3）
由上式求得2号煤层采空区积水量为181678m3，7号煤层小窑破坏区积水量为16483m3，10号煤层存在8处采空积水区，积水量为172113m3，11号煤层采空区积水量为13262m3。详见本井田采空区积水情况统计表及2、10号煤层矿井充水性图，7、11号煤层资源/储量估算图。
采空区积水情况统计表 表4-1
煤层号
积水区
编号
积水区
面积
(m2)
采厚
（m）
煤层倾角（°）
积水量
(m3)
备注
2
积1
27974
1.00
4
8413

积2
373912
0.90
4
101202

积3
239624
1.00
4
72063

小计
641510

181678

7
积1
29640
1.85
4
16483

10
积1
1190
1.78
4
637

积2
2655
0.75
4
599

积3
35338
0.75
4
7967

积4
72869
1.83
4
40103

积5
21109
1.78
4
11300

积6
142448
1.48
5
63489

积7
97221
1.48
5
43331

积8
14438
1.08
4
4687

小计
387268

172113

11
积1
20999
2.10
4
13262

合 计
1079417

383536

开采煤层时一定要沿采空影响区留足防隔水煤柱，穿越古空或采空区时一定要先做探放水（气）工作，严防事故的发生。严格遵守“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”方针，以免造成透水及瓦斯积聚，酿成事故危险。
井田西北部相邻矿井为原碾则焉煤矿，该矿现开采10号煤层，与本矿相邻处存在采空区，其采空区存在一定量积水。煤矿今后开采时要沿矿界留足边界保安煤柱。
7号煤层顶板为泥岩、石灰岩，10号煤层顶板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，11号煤层顶板为砂质泥岩、细砂岩。上述可采煤层顶板均属中硬岩层。根据《三下采煤规程》，开采7、10、11号煤层导水裂隙带高度由以下经验公式求得：
导水断裂带高度：（中硬岩层）
式中：—累计采厚（m）。
7号煤层钻孔控制厚度为1.15～2.20m，采用全部垮落法管理顶板，按煤层厚度2.20m进行计算，开采7号煤层导水裂隙带平均高度为30m。煤层埋深小于30m处，开采7号煤层形成的导水裂隙带会到达地面。
10号煤层厚度为0.50～3.70m。按煤层厚度3.70m进行计算，开采10号煤层导水裂隙带平均高度为30m。求得开采10号煤层导水裂隙带高度为48m。而10号煤层上距7号煤层25.15～29.30m。所以今后煤矿开采10号煤层将会沟通7号煤层采空区积水。
11号煤层厚度为0.45～1.15m。按煤层厚度1.15m进行计算，开采11号煤层导水裂隙带高度为31m。而11号煤层上距10号煤层1.90～7.50m。由此可见，今后煤矿开采11号煤层时将会沟通10号采空区积水。
四、构造对开采煤层的影响
井田内发育一主向斜及一次生背斜、向斜。向斜槽部有利于地下水汇集。
另外，在井田中部发育1条断层、南部发育两个陷落柱。在今后的开采过程中需进一步查明断层、陷落柱的导水性。
今后在生产过程中应重视对隐伏断层以及其它构造形迹的发现与研究。以防断层导水造成淹矿事故。
五、奥灰水对开采煤层影响
井田内奥灰水标高在539～544m之间，而7、10、11号可采煤层赋存标高在760～910m之间。各煤层不存在带压开采问题。
六、水害防治措施
（一）地表水的防治措施
1、挖建防洪排水渠沟，工业广场要挖建排水渠道拦截地表水以及浅层地下水，以防雨季洪水涌入矿井造成水害，对防洪排水渠道，每年雨季前要进行清淤工作，以防堵塞。
2、做好防水堵漏工作，井田东部煤层埋藏浅，煤层开采后导水裂隙带将会沟通地表，会造成地裂缝及地面塌陷。开采过程中对发现的地面裂缝要采用粘土或水泥等进行及时回填堵漏。
（二）井下水的防治措施
1、做好探放水工作。采掘前要做好超前探放水工作，以查明采掘工作面、侧帮或顶底板水情，这是确保安全生产的一项重要防水措施。采掘前一定要坚持“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原则。进一步查明井田采空区积水情况，接近采古空区时做好应急措施。
2、留设防水煤柱，防水煤柱留设在充分考虑“安全可靠与资源充分利用，开采方法和构造与岩性的关系，开拓、采掘布局与煤柱的协调关系”的同时，在不宜采取疏放措施的突水区域，设置防水煤柱。沿采空区应留设防隔水煤柱；在接近断层、陷落柱时应留设防隔水煤柱。
3、合理设计开采布局，采用正确的开采方法。煤层开采顺序和井巷布置应首先考虑水文地质条件。井筒及井底车场都应布置在地层完整而且不易透水部位。应监控向斜槽部涌水量的变化情况。
4、随时检查、维修煤矿使用、备用的探放水设备，以充分应对突发水害。
5、加强安全教育，经常进行安全知识培训，牢固掌握井下放探水知识技能，将水害事故消灭在萌芽状态。
七、矿床水文地质类型
井田内含水层为受采掘破坏或影响的孔隙、裂隙、岩溶含水层，直接充水含水层单位涌水量小，有一定的补给水源，补给条件一般；矿井内采（古）空区存在积水，位置、范围、积水量清楚；矿井涌水量较小；防水治水工作易于进行。综上所述，矿井水文地质类型为中等。
第四节 矿井涌水量预算
一、整合前各矿井涌水量
据调查，原红岩一坑开采2号煤层，生产能力为6万吨/年，井下正常涌水量为12.5m3/d，最大涌水量为18.5m3/d。与井田相邻的原碾则焉煤矿开采10号煤层，生产能力为6万吨/年，井下正常涌水量为20m3/d，最大涌水量为30m3/d。
二、矿井涌水量预算
预计矿井、水平和采区的涌水量，对合理选择开拓方案、采煤方法，制定排水疏干措施，确定排水设备意义重大。
根据原碾则焉煤矿开采10号煤层年产量为6万吨时正常涌水量20m3/d，最大涌水量30m3/d。现用水文地质比拟法预算本矿井开采太原组10号煤层生产能力达45万吨/年时的矿井涌水量（按每年生产时间330天计）。
计算公式： Q=Ks×P
式中：Q-矿井涌水量（m3/d）
Ks-富水系数（m3/t）
P-设计生产能力（t/d）
计算结果见表4-2，煤矿开采太原组10号煤层生产能力达45万吨/年时的矿井正常涌水量为150m3/d，最大涌水量为225m3/d。
矿井涌水量计算表 表4-2
开采煤层
涌水量类型
设计生产能力（t/d）
富水系数（m3/t）
矿井涌水量
（m3/d）
7、10、11
正常涌水量
1363
0.110
150
最大涌水量
1363
0.165
225
井田周边无开采7、11号煤层煤矿。7、11号煤层水文地质条件及充水因素与10号煤层基本相似，故推测，煤矿开采7、11号煤层生产能力达45万吨/年时矿井涌水量与10号煤层基本相当，正常涌水量为150m3/d，最大涌水量为225m3/d 。
本次矿井涌水量预算采用比拟法，计算结果属于D级精度，误差大体在70%以内。
第五节 供水水源
目前煤矿生活用水主要来源于附近山安供水站深水井，井下动压洒水用水为矿坑水，可满足煤矿日常用水需求。今后煤矿生产能力扩大后可考虑开发深部奥灰水作为供水水源。