湖南恩口煤矿矿床水文地质条件及矿坑涌水量预测

湖南恩口煤矿矿床水文地质条件分析

及矿坑涌水量

初 步 预 测 报 告

云南国土资源职业学院

二0一三年六月

审查：孙由政教授 校核：余先颖 编写：余先颖

目录

一、自然地理概况................................................... 二、矿区地质、水文地质条件.........................................

（一）地层及其水文地质特征......................................... 1.石炭系中上统(c2+c3)........................................... 2.二叠系下统栖霞组（p1q）...................................... 3.二叠系下统茅口组（p1m）...................................... 4.二叠系上统龙潭组（p2l）...................................... 5.二叠系上统长兴组（p2d）..................................... 6.三叠系下统大冶组（T1s）..................................... 7.三叠系中统麒麟山组（T2）..................................... 8.第四系冲积层（Q4）.......................................... （二）.构造及其水文地质特征....................................... 1.恩口向斜................................................. 2.断层.....................................................

三.矿床水文地质条件...........................................

（一）含隔水层的划分....................................... 1.含水层............................................. （1）茅口组灰岩岩溶含水层（p1m）................... （2）大冶灰岩（T1s）岩溶含水层...................... 2.隔水层.............................................. （1）p1q（栖霞组）................................ （2）p2d（长兴组）................................. （二）.矿床充水条件........................................... 1.充水水源............................................. 2.充水途径............................................. （1） 断层........................................... （2）裂隙溶洞........................................ （3）岩溶塌陷........................................

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四、矿坑（井）涌水量的预测.....................................

（一）水文地质条件的概化................................. 1.充水层的概化....................................... 2.边界条件概化....................................... （1) 顶板边界条件.................................. (2)侧向边界条件.................................. （二）计算方法选择.......................................... (三）计算参数的确定........................................ （四）计算结果评述...........................................

五、结论与建议...................................................

六、附图

一、自然地理概况

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250—350m。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120—170m。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0.008—51.57m/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；南部壶天河的天字西侧河谷阅流流量为41.0 m3/s)。小碧河流量为0—64.77 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。

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二、矿区地质、水文地质条件

（一）、地层及其水文地质特征

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。 现将矿区地层的岩性特征及水文地质特征转述如下： 1.石炭系中上统(c2+c3)

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。

2.二叠系下统栖霞组（p1q）

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。 3.二叠系下统茅口组（p1m）

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。 4.二叠系上统龙潭组（p2l）

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,局部起隔水作用。厚60m,富水性弱。 5.二叠系上统长兴组（p2d）

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。 6.三叠系下统大冶组（T1s）

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。 7.三叠系中统麒麟山组（T2）

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。 8.第四系冲积层（Q4）

冲积砂、砾石类粘土，含丰富孔隙水，渗透系数K=10-20m/d。

（二）.构造及其水文地质特征

区内主要有恩口向斜及周家岭、横路冲、观音桥断层。

1.恩口向斜

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。 2.断层

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断层。

三.矿床水文地质条件

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。 （一）.含隔水层的划分 1.含水层

（1）茅口组灰岩岩溶含水层（p1m）

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+ p1q)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。 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。

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）。

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。 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号泉月均流量10.64—18.08m3/h。此外，壶天河（天然状态下）也起到排泄地下水的作用。

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。

（2）.大冶灰岩（T1s）岩溶含水层

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。

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，

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长约5 km。本层岩溶水主要接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。

2， 隔水层

（1） p1q1-3（栖霞组）

p1q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。 （2） p2d（长兴组）

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，稳定性好，有利于采矿的安全。

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。

（二）.矿床充水条件 1.充水水源

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）。 3.充水途径

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） 断层

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，成为矿区外围岩溶水补给矿井的主要通道。 （2） 裂隙溶洞

矿区充水层溶蚀裂隙及溶洞发育。恩口Ⅱ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。 （3） 岩溶塌陷

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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400—600m，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。

岩溶塌陷的形成使p1m岩溶水的承压水头降低，形成的塌陷为中心的降落漏斗。如Ⅱ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40—50m。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。

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。

四、矿坑（井）涌水量的预测

（一）水文地质条件的概化 1.充水层的概化

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。

茅口组（P1m）灰岩岩溶水补给量大于排泄量，概化为稳定流。Ⅰ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。

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。

2.边界条件概化

鉴于资料的评实情况，选择I井田为代表进行矿坑涌水量预测。 a.顶板边界条件

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。

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。 b.侧向边界条件

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。

（二）.计算方法选择

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预测。

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。

用裘布衣井流公式计算：

Q?2ln4?KMh1.27Blogrw?b1b2

(承压水)

212?K(H?H)Q??b11.27Blogb2

2lnrw

（三）.计算参数的确定 1. 渗透系数K=1.0m/d。

（潜水）

2. 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）

3. 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为180m，H=180-（-66）=246m。

4. 动水位h的确定。潜水部分h1=180-120=60m;承压水部分h2=120-(-66)=186m 5. 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。 6. 大井半径rw的确定

由大井概念，降落漏斗由图上查明面积F=3300×400=1320000m，rw=0.565,√F=721

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最大涌水量

212?3.14?1(246?60)? 3.14?4441.27?6667log2?66672ln7213?27637.55m/d

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（四）计算结果评述

1.历年放水资料，可及到涌水量为：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 m/d； 77年Q=36000 m/d； 78年Q=25000 m/d。

平均涌水量Q=27278.2 m3/d，十分接近预测涌量在降落漏斗基础上的预测值。多年最大涌水为77年4-6月，涌水量多48000 m3/d与预测最大涌水量48647.9 m3/d很接近。由此证明预测结果正确。

2.涌水量预测中参数值多为推测性，因此较粗略。用K值为天然状态下获取，随矿床放水的进行，可能会增大。

3.预测结果均为正常降雨情况，若遇多年不迂暴雨时涌水量可能超出预测结果。例如，77年4月上旬暴雨量为150mm/d,矿坑涌水量为57600 m/d。

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