田 蕾，趙海陸，劉葉青

(中煤地質(zhì)工程總公司上海分公司，上海 200136)

0 概況

新疆漢水泉三號(hào)井田位于三塘湖盆地西部，行政區(qū)劃隸屬于新疆巴里坤哈薩克自治縣管轄。井田平面呈向北東偏斜的“矩形”，總體地形較為平坦，地勢(shì)呈南北高，中部低。

井田內(nèi)出露地層由老到新分別為二疊系，下侏羅統(tǒng)八道灣組、三工河組，中侏羅統(tǒng)西山窯組、頭屯河組，新近系，第四系；其中中侏羅統(tǒng)西山窯組和下侏羅統(tǒng)八道灣組為含煤地層，含煤35層，可采煤層16層，平均總厚度59.6m。區(qū)內(nèi)構(gòu)造總體走向?yàn)镹NE，傾向SSW的單斜構(gòu)造(圖1)。為了獲取礦井建井及設(shè)計(jì)地質(zhì)資料，2014年4月—2015年6月，中國(guó)煤炭地質(zhì)總局特種技術(shù)勘探中心采用綜合勘探的方法在該區(qū)實(shí)施了水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探項(xiàng)目，總進(jìn)尺9 168m。

1 井田水文地質(zhì)特征

根據(jù)含水介質(zhì)的孔隙類型、地層時(shí)代及勘查性質(zhì)將井田內(nèi)的含水層劃分為三大含水巖組，自上而下分別是第四系孔隙含水巖組、新近系孔隙裂隙含水巖組、侏羅系煤系裂隙含水巖組。

圖1 礦區(qū)構(gòu)造位置Figure 1 Mine area tectonic setting

1.1 含水層(組)水文地質(zhì)特征

1.1.1 第四系孔隙含水巖組

區(qū)內(nèi)含水層厚度5.35～38.36m，平均21.56m；由砂、礫石層、亞砂土組成；富水性不均勻，但透水性好。水位標(biāo)高648.65～680.67m，單位涌水量0.007 2～0.21L/(s·m)，滲透系數(shù)0.031～2.064m/d，含水巖組的富水性弱—中等，礦化度986～1 596mg/L，水化學(xué)類型為Cl·SO4—Na·Ca或Cl·SO4—Ca·Na· Mg型。

1.1.2 新近系孔隙裂隙含水巖組

根據(jù)巖性不同劃分為兩個(gè)含水亞層，即上部的砂礫巖含水亞層和下部的細(xì)砂巖含水亞層。上部砂礫巖含水亞層主要由砂礫巖和粗砂巖組成，膠結(jié)差，在區(qū)內(nèi)發(fā)育很不穩(wěn)定，厚度變化較大(0～50.00m，平均17.02m)，在本區(qū)北部、西南部缺失(缺失部分占全區(qū)面積的25%)，整體趨勢(shì)為中部厚，向南北兩端逐漸變薄直至尖滅。下部細(xì)砂巖含水亞層主要發(fā)育在新近系底部，巖性為細(xì)砂巖、中砂巖，分選較好，膠結(jié)差，該含水亞層全區(qū)發(fā)育，厚度較穩(wěn)定(厚度4.31～65.00m，平均厚度約35.91m)，整體趨勢(shì)為由西部、北部向東南方向變薄。本次勘探資料顯示，以上兩個(gè)亞層雖含水介質(zhì)有所差別，但同屬一個(gè)地質(zhì)時(shí)代，沉積環(huán)境類似，水文地質(zhì)特征相似，且井田范圍內(nèi)有分叉合并現(xiàn)象，故作為一個(gè)含水層。據(jù)本次補(bǔ)充勘探，該含水層水位標(biāo)高564.57～679.73m，單位涌水量0.055～8.02L/(s·m)，滲透系數(shù)0.109～61.77m/d，礦化度為948.00～4 000.00mg/L，水質(zhì)類型為Cl·SO4—Ca·Na或Cl·SO4—Na·Ca型水，屬于淡水—咸水。該含水層富水性中等—極強(qiáng)。

通過(guò)對(duì)比群孔抽水試驗(yàn)不同時(shí)段的等水位線圖可知(圖2)，新近系孔隙裂隙含水巖組各時(shí)段的地下水流場(chǎng)未發(fā)生明顯變化，即該含水層的富、導(dǎo)水性強(qiáng)，地下水徑流條件好。

圖2 新近系群孔抽水試驗(yàn)等水位線Figure 2 Water level contour map of Neogene well-group pumping test

1.1.3 侏羅系裂隙含水巖組

巖性以泥巖、粉砂巖為主，夾少量的砂巖及巨厚煤層，裂隙不甚發(fā)育，其中砂巖為主要含水層。本次勘探揭露含水層厚度5.47～39.63m，平均厚度23.98m。含水層水位標(biāo)高526.55～677.66m，單位涌水量3.56×10-5～0.089L/(s·m)，滲透系數(shù)0.000 13～0.59m/d。礦化度為714.00～3 838.00mg/L，水質(zhì)類型為Cl·HCO3—Na或Cl·SO4—Na型水，屬于淡水—咸水。

通過(guò)對(duì)比群孔抽水試驗(yàn)不同時(shí)段的等水位線圖可知(圖3)，該含水巖組在人工干擾下地下水流場(chǎng)發(fā)生了變化，且形成了一定范圍的降落漏斗，但停泵后降落漏斗迅速的消失并恢復(fù)了原狀，說(shuō)明該含水層整體上富水性較弱，導(dǎo)水性較好，補(bǔ)給來(lái)源較為穩(wěn)定。

圖3 侏羅系群孔抽水試驗(yàn)等水位線Figure 3 Water level contour map of Jurassic well-group pumping test

1.2 隔水層(組)水文地質(zhì)特征

1.2.1 新近系頂部隔水層

主要由較厚且穩(wěn)定的粉砂巖、泥巖和裂隙不發(fā)育的含礫泥巖、砂質(zhì)泥巖組成。該隔水層全區(qū)發(fā)育，厚度由西南往東北逐漸變厚，總體隔水效果較好。厚度2.35～50.50m，平均21.25m，約占新近系總厚度的15.44%左右。

1.2.2 侏羅系頂部隔水層

主要由粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖組成，發(fā)育在新近系與侏羅系的接觸部位，其上普遍發(fā)育有風(fēng)化帶殘積物，共同組成隔水層。該隔水層全區(qū)發(fā)育，厚度由西南往東北逐漸變薄。該隔水層有效阻隔了新近系地下水與煤系地下水的聯(lián)系。厚度6.20～60.00m，平均25.51m。

1.3 各含水層的水力聯(lián)系

井田內(nèi)無(wú)地表水系，僅在暴雨時(shí)在局部區(qū)域形成短暫的洪水。且本區(qū)氣候極度干燥，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，井田范圍內(nèi)地下水與地表水之間一般無(wú)水力聯(lián)系。

第四系含水層和新近系上部砂礫巖含水層間有相應(yīng)穩(wěn)定的隔水層。第四系含水層地下水位標(biāo)高648.65～680.67m，單位涌水量為0.007 2～0.21L/(s·m)，礦化度986～1 596mg/L；而新近系含水層地下水水位標(biāo)高564.57～679.73m，單位涌水量0.055～8.02L/(s·m)，礦化度948.00～4 000.00mg/L，對(duì)比上述兩個(gè)含水層的水位、單位涌水量以及水質(zhì)分析，兩者之間存在一定差異，在正常情況兩個(gè)含水層之間的水力聯(lián)系較弱。

新近系底部和侏羅系上部含水層間亦有相應(yīng)穩(wěn)定的隔水層。侏羅系含水層地下水水位標(biāo)高526.55～677.66m，單位涌水量3.56×10-5～0.089L/(s·m)，礦化度為714.00～3 838.00mg/L，與新近系含水層水文地質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)比，兩者之間存在一定差異，在正常情況兩個(gè)含水層之間的水力聯(lián)系較弱。

1.4 地下水補(bǔ)徑排特征

井田地處戈壁，區(qū)內(nèi)無(wú)常年地表水流，地下水的補(bǔ)給主要來(lái)源于大氣降水或冰雪融水，經(jīng)地下長(zhǎng)途運(yùn)移后而形成。亦有部分暫時(shí)性地表洪流可通過(guò)地表巖石風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙、巖石孔隙或其它途徑順地層滲入到地下補(bǔ)給地下水，第四系地下水大部分通過(guò)蒸發(fā)作用排泄，少部分通過(guò)滲流補(bǔ)給新近系含水層。

新近系地下水接受上游徑流補(bǔ)給和山前第四系的直接補(bǔ)給。徑流受地形控制，地下水流向由西北向東南徑流，由井田東南部流出。

侏羅系巖層透水性和富水性都較弱，地下水徑流不暢，交替滯緩。地下水沿水力坡度順勢(shì)向下游或向深部運(yùn)移，由西北向東南徑流，自井田的東南邊界繼續(xù)向盆地中央徑流，以泉的形式自然排泄。未來(lái)礦井的疏干排水亦是地下水的排泄方式之一。

2 礦井涌水量預(yù)測(cè)

2.1 充水水源及導(dǎo)水通道

區(qū)內(nèi)無(wú)常年流動(dòng)的地表水流，北部的山區(qū)為地下水的補(bǔ)給區(qū)，補(bǔ)給源主要為山區(qū)的大氣降水和冰雪消融水，地表洪流通過(guò)地表風(fēng)化、構(gòu)造裂隙補(bǔ)給地下水，形成新生界含水巖組的重要補(bǔ)給。侏羅系砂巖風(fēng)化裂隙水是礦坑的直接充水水源，煤層開(kāi)采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶將成為礦井水的主要通道。

2.2 預(yù)測(cè)范圍

本次礦井涌水量預(yù)測(cè)范圍是先期開(kāi)采的A1盤區(qū)。9-4煤底板平均標(biāo)高為+300m，開(kāi)采面積3.956km2。

2.3 預(yù)測(cè)方法及參數(shù)選擇

2.3.1 “大井”法

根據(jù)本井田水文地質(zhì)條件，礦井涌水量的預(yù)測(cè)采用承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓完整井的穩(wěn)定流計(jì)算公式：

(1)

(2)

式中：Q—礦井涌水量，m3/d；

K—滲透系數(shù)，根據(jù)侏羅系砂巖裂隙含水層抽水試驗(yàn)選取0.0 425m/d；

H—水柱高度，A1盤區(qū)自然水位平均標(biāo)高595m，故自然水位標(biāo)高至+300m水平標(biāo)高的距離295 m；

M—含水層(出水段)厚度，根據(jù)侏羅系砂巖裂隙含水層抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取22.38 m；

h0—疏干標(biāo)高至含水層底板的距離，疏排水至+300m標(biāo)高，因此h的值為0；

S—為疏干水位降深，為自然水位至疏干標(biāo)高的距離，取295m；

將有關(guān)參數(shù)代入公式，計(jì)算得A1盤區(qū)正常涌水量為163m3/h。

2.3.2 狹長(zhǎng)水平廊道法

以采區(qū)水平巷為集水廊道進(jìn)水?dāng)嗝?，采用狹長(zhǎng)水平巷道地下水動(dòng)力學(xué)法計(jì)算。當(dāng)水位降至隔水層頂板以下時(shí)，充水含水層由承壓轉(zhuǎn)為無(wú)壓，選用承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓公式計(jì)算，其公式為：

(3)

式中：B—巷道長(zhǎng)度，A1盤區(qū)取12 045 m，其它同“大井法”。

將有關(guān)參數(shù)代入公式，計(jì)算得A1盤區(qū)正常涌水量157m3/h。

2.3.3 數(shù)值法

本次研究的范圍為漢水泉三號(hào)井田及其抽水影響范圍以內(nèi)的區(qū)域，應(yīng)用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件，建立勘查區(qū)的地下水三維數(shù)值模型，用識(shí)別后的模型來(lái)預(yù)測(cè)首采區(qū)在自然開(kāi)采狀態(tài)下的礦井涌水量。

水文地質(zhì)概念模型主要通過(guò)水文地質(zhì)條件的概化，確定模型的范圍和邊界條件、含水層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及水力特征、水文地質(zhì)參數(shù)、地下水初始滲流場(chǎng)、源匯項(xiàng)等，建立地下水?dāng)?shù)值模型。然后根據(jù)含水層的巖性、富水性、埋深條件、厚度以及水位動(dòng)態(tài)對(duì)勘查區(qū)進(jìn)行分區(qū)，選取不同的滲透系數(shù)和儲(chǔ)水率。建好的模型在進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)之前須利用已知的水文地質(zhì)觀測(cè)資料與模型運(yùn)行的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，以確認(rèn)模型的正確性。本次研究采用單孔抽水試驗(yàn)期間的水位動(dòng)態(tài)資料來(lái)進(jìn)行模型識(shí)別與驗(yàn)證，經(jīng)反復(fù)多次計(jì)算，擬合度基本上都在95%以內(nèi)，擬合結(jié)果較為滿意，可用此數(shù)值模型來(lái)預(yù)測(cè)勘查區(qū)的礦井涌水量。

運(yùn)用識(shí)別后的模型進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)A1盤區(qū)正常涌水量為182m3/h。

2.4 預(yù)測(cè)方法對(duì)比分析

“大井法”考慮了水文地質(zhì)分區(qū)、含水層抽水試驗(yàn)參數(shù)等，選擇的計(jì)算公式比較符合實(shí)際情況。但礦井開(kāi)拓往往是大降深、長(zhǎng)時(shí)間排水，用抽水試驗(yàn)取得的K、T值來(lái)預(yù)測(cè)的礦井涌水量結(jié)果略大于多年平均涌水量。

廊道法受方法本身限制，未能考慮相鄰巷道之間的影響；也沒(méi)有考慮在實(shí)際采掘過(guò)程中，隨著工作面的推進(jìn)假想的“廊道”在逐漸的減小，故與“大井法”相比較，廊道法的計(jì)算結(jié)果偏小。

“三維滲流數(shù)值”法的計(jì)算是目前比較先進(jìn)的。但由于本次勘查區(qū)面積較小，對(duì)計(jì)算區(qū)邊界水位的控制不太理想，采用的調(diào)參資料僅為單孔抽水試驗(yàn)期間的水位觀測(cè)資料，時(shí)間周期較短，影響計(jì)算精度。

經(jīng)綜合分析研究，三種計(jì)算方法的結(jié)果均比較相近，但數(shù)值法計(jì)算邊界清楚，控制點(diǎn)較多且分布合理，單孔抽水?dāng)M合程度高，較其他兩種預(yù)測(cè)方法有較大的優(yōu)勢(shì)，故本次礦井正常涌水量推薦采用“數(shù)值法”計(jì)算的數(shù)值。根據(jù)該區(qū)年最大降雨量和常年平均降雨量比值關(guān)系，礦井最大涌水量取正常涌水量的1.15倍，即礦井正常涌水量為182 m3/h，最大為209 m3/h。

3 結(jié)論

1)全區(qū)劃分了3個(gè)含水巖組，即第四系孔隙含水巖組，新近系孔隙裂隙含水巖組，侏羅系碎屑巖類裂隙含水巖組。

2)運(yùn)用“大井”法、狹長(zhǎng)廊道法和數(shù)值法等三種方法分別計(jì)算礦井正常涌水量，經(jīng)綜合分析后最終采用“數(shù)值法”的數(shù)值，即A1盤區(qū)礦井正常涌水量182m3/h，A1盤區(qū)最大涌水量209m3/h。該預(yù)測(cè)數(shù)值可作為礦井今后開(kāi)采時(shí)的依據(jù)使用。