淺析采區(qū)太原組灰?guī)r水疏放性及突水危險性評價

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摘 要：本文以祁南礦101采區(qū)為研究對象，通過放水試驗、脆弱性指數(shù)法、水化學(xué)動力學(xué)與水文地質(zhì)學(xué)相結(jié)合等方法，建立水文地質(zhì)概念模型及數(shù)學(xué)模型（水源判別模型），系統(tǒng)分析研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，獲得區(qū)內(nèi)灰?guī)r含水層之間水力聯(lián)系、斷層導(dǎo)、隔水性以及充水水源等信息，對研究區(qū)的灰?guī)r水進(jìn)行突水危險性分析，并提出灰?guī)r水的疏放性評價。

關(guān)鍵詞：灰?guī)r水;水文地質(zhì)條件;放水試驗;脆弱性指數(shù)法;水源判別模型

放水試驗主要是利用井下放水孔進(jìn)行放水，通過對水量、水位和地面水文觀測孔動態(tài)變化情況，來對地下水各個含水層之間的水力聯(lián)系進(jìn)行研究，獲得水文地質(zhì)參數(shù)，分析水文地質(zhì)條件，為灰?guī)r水的疏放性及突水危險性提供重要的水文地質(zhì)依據(jù)。

一、采區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

101采區(qū)位于礦井西部宿南向斜轉(zhuǎn)折端，構(gòu)造褶曲較發(fā)育，地質(zhì)應(yīng)力集中。主要回采山西組10煤層，煤厚1.5～3.0m，平均2.5m，地層傾角5～25°。10煤層底板距石炭系太原組灰?guī)r平均60m，太灰平均厚度約180m，一般含灰?guī)r8層，富水性不均一，富水性簡單～中等。

二、太灰含水層水文地質(zhì)特征研究

地下水化學(xué)動力學(xué)是水在巖石空隙中運(yùn)動和運(yùn)動過程中發(fā)生水？氣？巖（多礦物）相互作用而逐漸形成的，水在巖石空隙中運(yùn)動，同時也是組成巖石礦物的溶解過程，既是物理也是化學(xué)過程，正是由于上述原因造成水動力指標(biāo)以及水化學(xué)指標(biāo)在時間和空間上的分布差異。

（一）太原組灰?guī)r含水層水動力場分布特征

通過水文地質(zhì)資料分析101采區(qū)太原組灰?guī)r含水層等水位線圖，如圖1所示，由圖可知：

研究區(qū)地下水流場近似一個弧形地下水流場，整體上水位由南至北呈遞減的趨勢，水位在-520～-10之間，最高處在2005觀1孔附近，最低處在3#鉆場的101觀5孔處。地下水等值線呈“X”狀，整體上地下水在1#鉆場至5#鉆場呈先下降后上升的趨勢。研究區(qū)太灰水等水

位線在3～6#鉆場連線上較為密集，表明該處水力坡度較大;西部F9大斷層太灰等水位線有北至南逐漸增加，密集程度較差，水力坡度低。區(qū)內(nèi)南部存在10煤層露頭，為本區(qū)的地下水的一個補(bǔ)給區(qū)，北部接受遠(yuǎn)程太灰的補(bǔ)給，為本區(qū)的另一個補(bǔ)給區(qū)。

（二）太原組灰?guī)r含水層水化學(xué)場分布特征

根據(jù)水文地質(zhì)以及水文地球化學(xué)作用，可對研究區(qū)建立水文地球化學(xué)簡化模型，主要包含碳酸硫酸巖鹽裸露與地表的補(bǔ)給和補(bǔ)給徑流區(qū)、補(bǔ)給徑流和隱伏巖溶淺層區(qū)、隱伏巖溶深層區(qū)以及深巖溶區(qū)，共4個分區(qū)進(jìn)行分析。另外通過質(zhì)量守恒定律，用化學(xué)熱力學(xué)的理論和方法求出礦物離解常數(shù)、離子活度、礦物飽和指數(shù)等數(shù)值。

根據(jù)其數(shù)值得出研究區(qū)地下水化學(xué)類型由HCO3·SO4-Ca·Mg（Na）到SO4·HCO3-Ca·Na至SO4-Ca型水，區(qū)段地下水循環(huán)交替和流速較為緩慢，含水層富水性相對變差。這與鉆孔資料和抽水試驗結(jié)果相符合，說明水化學(xué)指標(biāo)能夠較清楚的反映研究區(qū)的水文地質(zhì)特征。

（三）太原組灰?guī)r含水層水文地質(zhì)條件評價

依據(jù)研究區(qū)鉆孔抽水試驗及本次研究綜合所得本區(qū)滲透系數(shù)K=1.7512m/d，根據(jù)透水性分級標(biāo)準(zhǔn)，本區(qū)的含水層透水性較強(qiáng);導(dǎo)水系數(shù)T=42.0282 m2/d，根據(jù)導(dǎo)水性分級標(biāo)準(zhǔn)，本區(qū)的含水層導(dǎo)水性中等。

三、放水試驗及水文地質(zhì)參數(shù)求取

101采區(qū)放水試驗共施工20孔/4005m，出水層位均為三灰。本次放水試驗用時4個月，鉆孔出水量84.1～87.2m3/h，共12個放水孔進(jìn)行干擾井群放水，其流量時間關(guān)系見圖2。

由101采區(qū)觀測孔求參結(jié)果可知，該研究區(qū)滲透系數(shù)分布在0.00113～0.648m/d之間，含水層透水性極弱，導(dǎo)水性較弱，反映區(qū)內(nèi)太灰?guī)r溶極不發(fā)育，連通性差，整體富水性極弱。并且各個觀測孔之間的水文地質(zhì)參數(shù)存在一定的差異，存在一定的非均一性。

四、101擴(kuò)大采區(qū)灰?guī)r水?dāng)?shù)值模擬

模擬區(qū)域為101擴(kuò)大采區(qū)的全部區(qū)域， 根據(jù)研究區(qū)1～4灰含水層特點，概化為上、下部隔水和四周為給定流量邊界以及隔水邊界的非均質(zhì)、各向異性具有統(tǒng)一水動力場的三維承壓非穩(wěn)定流模型。利用數(shù)學(xué)模型，采用有限差分等方法求解地下水流場問題，經(jīng)研究區(qū)南部受到的太原組灰?guī)r水補(bǔ)給以及北部隱伏露頭區(qū)四含的補(bǔ)給較弱，徑流條件差，滲透系數(shù)低。

五、結(jié)論

（1）研究區(qū)屬于隱伏巖溶深層區(qū)，區(qū)段地下水循環(huán)交替較緩慢，含水層富水性相對變差。

（2）運(yùn)用地下水化學(xué)動力學(xué)的方法計算出本區(qū)滲透系數(shù)K =1.7512m/d，導(dǎo)水系數(shù) =42.0282 m2/d，其計算結(jié)果與研究區(qū)的與鉆孔抽水試驗所得到結(jié)果差別不大，在某種程度上來說，本次所采用的水化學(xué)指標(biāo)求取的水文地質(zhì)參數(shù)具有一定的可靠性，為水文地質(zhì)條件評價提供了一種新的手段。

（3）建立符合研究區(qū)的水文地質(zhì)模型，從數(shù)值模擬結(jié)果，該研究區(qū)南部受到的太原組灰?guī)r水補(bǔ)給以及北部隱伏露頭區(qū)四含的補(bǔ)給較弱，徑流條件差，滲透系數(shù)低，導(dǎo)水性較弱，反映區(qū)內(nèi)太灰?guī)r溶極不發(fā)育，連通性差，整體富水性極弱。

（4）通過對祁南礦101擴(kuò)大采區(qū)的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件分析可知，采區(qū)北部為突水危險區(qū)，主要原因是北部2005觀1孔附近存在一個高水位區(qū)，水頭壓力大，較高的水壓容易使太灰水沖破煤層底板隔水層而進(jìn)入礦井。

（5）利用不同含水層之間的水質(zhì)差異，建立礦井突水水源的判別模型，通過建立的判別模型對鉆場內(nèi)所取的10組水樣進(jìn)行水源判別，結(jié)果表明所建立的模型的準(zhǔn)確度較高，對研究區(qū)內(nèi)的突水水源判別具有一定的指導(dǎo)意義。

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