矿井水文地质条件
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发布时间：2022-04-29 18:57
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时间：2022-06-20 01:59
一、矿区水文地质特征
焦作矿区突水频繁，涌水量大，淹井次数多，从客观上讲，主要受矿区水文地质条件制约。具体表现是区域地下水补给量大；含水层层数多，厚度大，隔水层薄；断裂构造发育，使各含水层之间水力联系密切（图4-4）。
1.区城地下水补给充沛
焦作矿区北为太行山区，海拔标高+200～+1700m，为构造剥蚀的中低山地貌，广泛出露奥陶—寒武系巨厚（800～1000m）的碳酸盐岩，地形陡峭，深山峡谷，喀斯特裂隙发育。大气降水后由地表短暂径流转入地下径流，汇水面积2000km2左右。地下水自北和西北方向向矿区内径流，在矿区南部受到武陟隆起（前震旦系地层）和断距千米以上断层（董村、朱村、耿黄等）的阻挡，使地下水在矿区内排泄。20世纪60年代前以天然泉水的形式排泄地下水，如九里山前泉群总流量达1.6m3/s，20世纪60年代后以矿井排水和工农业用水的形式排泄地下水（Q=9.9m3/s）。
2.断裂构造控水作用强
矿区内断裂构造皆为正断层，EW，NE和NW向3组断裂构造纵横交错，互相切割，形成许多条条块块，但没有破坏奥灰的连续性，使各块段〔或井田〕奥灰水力联系密切，形成统一水位。在焦作矿区59次10m3/min以上突水事故中，断层突水占58%；100m3/min以上突水7次，其中断层突水占85.71%。在14次突水淹井事故中，因断层突水淹井占85.71%。这充分说明断裂构造对地下水的富集、径流（运移）到突水起重要控制作用。
图4-4 焦作区域水文地质图
二、矿井主要含水层及其关系
与矿井充水有直接关系的含水层，自上而下分别是第四系砂砾石含水层、二叠系砂岩含水层、石炭系太原组石灰岩含水层和奥陶寒武系石灰岩含水层。
图4-5 冲积层柱状图
第四系冲积层厚29.39～200.31m，北薄南厚。北部煤层露头带附近冲积层厚75～120m，一般85m左右。由黄土、流砂砾石层、粘土和砾岩组成。上部为黄土、流砂砾石和粘土，中下部为砾岩和粘土，含砾岩5～11层，一般6～8层，且主要集中在中下部〔5～7层〕（图4-5）。砾岩总厚14.66～40.86m，占冲积层地层总厚22.21%～37.24%分布不稳定。上部和底部砾岩含水层具双层水位，均具承压水性质。底部砾岩直接覆盖在奥灰、L2和L8隐伏露头上。水位变化与奥灰呈同步关系，一般是奥灰水补给冲积层。所以在L8露头附近冲积层水和奥灰水联合对L8补给，是演马庄—九里山井田涌水量大，与其他矿井区别的重要条件之一。
二叠系砂岩含水层分上下两层，即基岩风化带裂隙孔隙含水层和二1煤顶板砂岩含水层。基岩风化带含水层与冲积层水沟通时，富水性极强。浅部回采时，当导水裂隙带与风化带沟通时，涌水量很大。如13011工作面回采后顶板水达14.4m3/min。二1煤顶板砂岩含水层富水性较弱，对回采影响不大。
石炭系太原组厚67.1～60.93m，距奥灰5.46～16.67m，一般10m左右，由砂岩、粉砂岩、石灰岩和煤层组成，含石灰岩6～10层（图4-6）。
石灰岩总厚27.4～41.99m，占33.62%～55.71%，以L2和L8厚度大分布稳定。
L8厚4.97～13.79m，一般厚8m左右，上距二1煤底板20.65～35.73m，西薄东厚。喀斯特以裂隙发育为主，根据勘探资料，见溶洞为20%左右。全矿现有L8涌水量96.33m3/min，L8水位下降极不均衡，12采区以东水位下降明显（±0m以下），西翼水位仍保持在+40～+60m。
L2厚10.73～13.77m，一般厚12m左右，上距二1煤底板70.8～82.14m，一般75m左右，下距奥灰10m左右。喀斯特裂隙发育，水位与奥灰呈同步变化。其他矿井L2水位比奥灰低1～3m，而九里山矿二者水位相差不明显。
本区西部，五灰、六灰、七灰较发育，总厚6～7m，相对削弱了L2与L8之间隔水性质，为垂直导水形成了有利的岩性条件。
奥灰为强喀斯特含水层（图4-7），厚度大，富水性强，上距二1煤底板91.68～102.17m，一般95m左右。在浅部露头附近，奥灰与L2、L8、冲积层水力联系密切；在深部通过断裂构造补给上覆含水层。
图4-6 太原统地层柱状图
图4-7 焦作矿区中奥陶系灰岩分层柱状图
奥灰水位变化与降水关系密切，丰水期水位保持在+85～+90m，枯水期+70～+75m。1988年7、8两个月集中降雨450mm后，奥灰水位大幅度上升，最大升幅16.47m，其他含水层与奥灰同步上升，但升幅均小于奥灰。L8水位升幅最大的地段在断层带附近。1988年雨季后，全局涌水量增加102.34m3/min，其中九里山矿增加21.67m3/min，（仅12021工作面增加9.88～15m3/min）。
三、突水简述
1.突水概述
从建井至今发生1m3/min以上突水22次（表4-3）。其中5m3/min以上11次，10m3/min以上6次，30m3/min以上两次（表4-4），由表4-4可知矿井西部突水次数多，突水量大，因突水频繁，涌水量大，给矿井安全生产带来巨大的威胁；特别是矿井两翼涌水量达85m3/min以上，造成停产状态。
表4-3 九里山矿井下突水点基本情况一览表
续表
表4-4 矿井东西部突水情况统计表
2.突水原因分析
（1）突水与采掘关系：按采掘对22次1m3/min以上突水统计出掘进、回采与突水的关系（表4-5）。
表4-5 突水按采掘统计表
由表4-5可知，突水主要发生在工作面回采中，占80.95%，掘进突水全是发生在底板岩巷中，工作面突水都发生在大顶来压过程中。突水时，虽有底鼓，但大多数底鼓幅度不大，且持续时间很短就发生突水。
（2）突水与构造的关系：在22次1m3/min以上突水中，因断裂构造造成直接突水3次，在小背斜上6次。
（3）突水与含水层的关系：在11次5m3/min以上突水中，除顶板水1次外，全为L8直接突水。突水后各含水层水位都有不同程度的变化（表4-6）。
表4-6 主要突水点水位升降统计表
由表4-6可知，L8突水后各含水层水位都有不同程度的下降，值得注意的是突水也引起L2、奥灰、冲积层水位下降，这可能是L8接受浅部混合水补给的依据。
3.12031突水简况
12031工作面位于12采区东翼。工作面东西走向长435m，南北倾斜宽92.5～130m，回采标高-78～-112.4m（图4-8）。
煤层走向N5°～50°E，倾向SE，倾角7°～19°。二1煤层厚4.9～7.1m，平均厚6.4m。
二1煤伪顶为炭质泥岩，厚0.2～1.5m，直接顶板为粉砂岩厚7.1m，老顶为砂岩厚12.3m，直接顶板为炭质泥岩和粉砂岩，厚12.3m。
（1）突水简述：该工作面自1983年6月回采至今已发生4次突水，每次突水都造成工作面停产。
图4-8 12031工作面平面图
第一次是1983年7月6日突水。12031工作面1983年4月30日开采，由于伪顶较厚和生产系统不健全，推进速度比较慢。7月6日当工作面推进 26m 时，采空面积达2444m2，工作面在放顶期间，在上安全口处发生底板突水，最大水量27m3/min，稳定水量15～18m3/min。工作面停采后，一方面开掘泄水岩巷，建防水闸门一座，另一方面修复下运输巷和进行改造工作。
1982年8月13日12皮带巷突水前，在12采区L8、L2和奥灰三者水位基本一致（+80m左右），突水后L8与L2奥灰水位明显“拉开”，12031工作面突水前，L8水位+78.05m（底板承受水压1.9MPa）L2+85.28m，奥灰+85.54m，水位差7m左右。突水后L8、L2、奥灰水位差更大，L8水位下降了8.36m，L2水位下降了0.88m，奥灰水位下降了0.94m（图4-9）。
图4-9 12031突水点动态曲线（一）
第二次是1987年9月25日突水。第一次突水后由原开切眼向外80m处另开切眼，于1987年8月完成工作面改造工作恢复生产。1987年9月25日工作面推进23m，采空面积2645m2时，在工作面下风道附近突水，最大水量6.77m3/min，稳定水量5.3m3/min，该工作面总水量由11.9m3/min增至17.23m3/min，12采区总水量已达65.1m3/min。
突水后L8水位下降6.46m，L2下降0.46m，奥灰下降0.41m（图4-10）。
图4-10 12031突水点动态曲线（二）
第三次是1988年10月28日突水。第二次突水后因下风道流不出来水，重新掘进一条下风道距第二停采线18m，掘进开切眼使工作面斜长由130m缩小为90m。
1988年9月开采，10月28日当工作面推进25m，采空面积2250m2时，在上安全口和下风道附近两处发生突水，最大涌水量9.76m3/min，稳定水量7.00m3/min，该工作面总水量由10m3/min增至16.9m3/min。
此次突水正逢雨季，L8水位下降了6.77m，L2下降了0.64m，奥灰下降了0.8m（图4-11）。
图4-11 12031突水点动态曲线（三）
第四次是1993年3月30日突水。第三次突水后一二采区处于停产状态，但防治水工作仍在积极进行，1991年3月开始对12021和12041集中巷突水点进行地面注浆堵水工作，到1992年5月12021突水点已封堵结束。为扭转长期停产局面，采取综合治水与生产相结合，吸取外地经验，缩小工作面，减少矿压对底板破坏深度。1992年5月开始对12031工作面进行改造，重新掘进一条上风道，距第三停采线24m处掘进切眼，使工作面斜长由90m缩小为30m。
1993年3月10日回采前打开12皮带突水点放水降低水压。3月25日工作面推进21.5m，采空面积731m2时，老塘出水0.05m3/min，3月29日8：00推进29m，采空面积1015m2时，水量增加至0.54m3/min，工作面停产两班。3月30日又开始回采，当推进31m，采空面积1085m2时，大顶突然来压，16：20水量增加，水色发黄，17：30水量达20.88m3/min，19：58上风道槽尾外3m处上帮出水7.02m3/min，总水量达27.9m3/min。3月31日1：30水量增至32.21m3/min，4月2日3：00水量增至39.05m3/min，4月3日4：50涌水量增至44.74m3/min，最大时47.51m3/min。突水点水量明显发生四次跳跃式上升。该工作面总水量稳定在41.72～47.35m3/min。
突水后各含水层都有不同程度的下降，冲积层水位下降了644m，L8下降了20.68m，五灰下降了8.1m，L2下降了1.8m，奥灰下降了1.9m（图4-12）。
图4-12 12031突水点动态曲线（四）
12031突水后，12021集中巷和12041集中巷两突水点水量明显减少，分别减少2m3/min和1.2m3/min。其他突水点水量变化不明显。
（2）突水原因分析：与水源和水压的关系密切。突水后在出水点附近施工两个L8孔，水位+23.75～+26.87m。在标高-100m以上涌水已达55m3/min以上，L8水位仍保持如此的高水位，单位水压涌水量达3.24m3/min，单位涌水量（m3/min）降深小于1m。说明L8受L2、奥灰和冲积层水补给量大，才会发生如此大的突水。
一二采区位于L8强喀斯特裂隙富水带上，特别是12031工作面处于一个背斜构造上，北西向和北东向裂隙十分发育，底板岩石破碎，L8喀斯特裂隙更加发育，加上采动矿压影响极易引起突水。因此造成低水压突水量大。
一二采区各突水点之间水量消长不明显，但突水后L2和奥灰水位都有不同程度的下降，说明补给通道各异，补给量大。
（3）治理意见：从突水后水位水量变化可知，12031突水水源与L2、奥灰有明显关系，并且L8水位上升一次井下涌水量上升一个台阶，为防止水量增大，应切断L2和奥灰补给通道，减少矿井涌水量。因此应对突水点进行注浆堵水。一方面达到减少矿井涌水量，保证矿井安全生产，另一方面可切断补给通道为根治水害奠定基础。
四、水化学资料的几点结论
1990年西安地勘分院应用水化学及环境同位素研究方法，对焦作矿区不同层位地下水源进行采样、室内分析和测试工作。共采水样81个，其中冲积层15个，顶板砂岩11个，大原组石灰岩水样38个，奥灰17个。主要进行水质、微量元素和环境同位素（T.D）3项测定分析其结论如下：
（1）焦作矿区各含水层（Q、C3灰岩、P砂岩、O2）都是由大气降水补给形成的，不存在古生水源问题。各含水层水中均有一定氚（T）含量被测出，说明本地区地下水30年以前的水体存在很少，以第四系冲积层水和砂岩水贮留时间较长。
（2）L8水受冲积层下渗水影响形成混合水，矿区东部较西部有较大的混合比率。如九里山矿12皮带突水点冲积层水混入占31.50%，2＃放水孔（L8水）占53.8%；演马庄矿东四半突水点，占84%。
（3）第四系冲积层水矿区东西部水质化学特征有较大差异。从东向西，从北向南矿化度及硬度增大，说明与奥灰水补给有关。
（4）奥灰水中冲积层水混入率，矿区东部九里山工人村至演马庄矿一带占23%～86%；西部除焦西三水厂、耐火二厂一带大于30%外，其他地区均小于20%。
（5）九里山矿13011工作面顶板出水14.4m3/min，按其Na+降低、Ca2+，Mg2+增高，ph下降rNa/rCl比值等接近冲积层水质类型，说明冲积层水混入量较大。
五、补给与通道
九里山矿L8水主要接受奥灰L2和冲积层水补给，其补给途径主要是来自北部（浅部）和井田内隐伏构造。
北部在煤层露头附近，奥灰、L2、L8含水层被第四系冲积层覆盖，通过基岩风化裂隙或构造破裂带使其互相沟通共同对L8补给。
1.补给
浅部补给，依据连通试验和突水后各含水层水位变化即可说明来自北部的补给是存在的。
多元示踪剂连通试验资料（表4-7），即可说明浅部补给明显（图4-13）。①浅部冲积层水有明显补给，最大流速为155m/h。②浅部L8水与井下突水点联系密切，最大流速533m/h，而南部联系不明显。③浅部补给范围集中在13～15勘探线间。
图4-13 九里山矿多元水力连通试验图
表4-7 多元示踪连通试验成果表
注：分子为时间（小时），分母为直线流速（m/h）。空格为未取样，“-”为未见到示踪剂。
浅部含水层（O2～L2）补给问题，未做连通试验，但根据突水后各含水层水位变化（表4-6）和升压试验资料（见下述）均表明浅部12～15勘探线间，为一强径流带，补给明显。另外有下列地段值得注意：
（1）12皮带巷突水点以西L8水位存在一个很陡的“陡坎”水力坡度733.3‰；
（2）12031突水点（-93m）附近L8水位仍高达+27m（注1孔）；
（3）马坊泉断层南北两侧L8观侧孔水位差达20多m，突水后，断层两盘水位都有不同程度的下降（S＞5m）。
上述地段即可怀疑深部含水层补给的可能性。
2.导水通道探讨
通过突水资料分析奥灰、L2和冲积层水进入L8的途径有以下几种情况。
（1）浅部冲积层水通过L8露头直接补给；L2、奥灰水一方面补给冲积层，另一方面通过基岩风化带或构造破裂带垂直向上补给L8。
（2）马坊泉断层南北两盘L8水位差明显（达20m），北盘高、南盘低，而且突水后两盘L8水位下降都十分明显，说明L2奥灰补给L8明显。
（3）根据一二采区1m3/min以上突水点平面分布和连通试验资料结合矿井地质构造特征，认为一二采区L8存在明显的两个径流带（或称喀斯特裂隙破碎带），大致呈近东西向自浅部向深部延展，预计深部富水性较差。
（4）在井田内施工的L2奥灰孔，因封孔质量问题，造*为的补给通道。如13-2孔，在施工中L2水曾喷出地面10多米，后因套管拔断而至今未处理。全井田内怀疑有12个L2和奥灰孔封孔质量有问题，其中奥灰3个孔，徐灰29个孔。若按平均每孔导水3～5m3/min，其补给量也是十分可观的。
另外，根据现有突水点分析，L8水进入巷道只是构造裂隙和矿压作用产生的破坏裂隙互相沟通而引起突水的。
六、涌水量预计
（1）全矿涌水量：依据突水资料用比拟法和有限单元法计算标高-225m以上涌水量为184.64～187.5m3/min；标高-450m以上涌水量244.8m3/min。
（2）浅部补给量：根据连通试验流速资料和有限单元法计算补给量33.86～54.7m3/min。
（3）东部涌水量：西部关闭后成为直线补给边界时，东部涌水量将会大幅度增加，标高-225m以上将达到48.4～58.4m3/min；标高-450m时为94.4～104.4m3/min。
如果西部一二采区补给水源及通道封堵后，东部涌水量将会大大减少，维持现状。
