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有关黔金煤矿工程地质勘探及水文地质勘探的探索

2020-06-06 136 上传者：管理员

摘要：本文以黔金煤矿为例，通过案例分析的方式，对该矿中水文地质与工程地质的勘探结果进行分析，通过理论与实践相结合的方式，使我国地勘水平得到显著提升，进一步促进地勘行业的飞速发展。

关键词：
勘查结果
地勘行业
地质勘探
工程地质
水文地质
煤矿
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1.引言

随着社会经济飞速发展，煤炭产业随之发展壮大。为了提高煤矿预留矿权范围的煤炭资源储量勘查程度，由贵州煤矿地质环境监测中心在预留矿权范围内进行煤炭资源勘查工作，力求通过本次勘查，为黔金煤矿生产规模的设计与扩展提供强有力的地质依据。

2.工程概况

本文以黔金煤矿为例，对其水文地质与工程地质进行勘察。该矿处于贵州省毕节地区，距离黔西县北西26km左右，交通便利，临近G210国道与S211、S212省道，与金沙县城相距118km，与毕节市相距142km，矿区内部拥有简易的公路；矿区总体地势北高南低，最高点海拔1823.7m，最低点高度为1355.6m，相对高差为468.1m。矿区属于亚热带温暖湿润气候，年均温度在13.6℃～15.0℃之间，日最高气温为34.1℃，最低气温为-5.8℃，年降雨量在741.8mm～1265.1mm之间，5-9月为雨季，年均日超时间为898.1h～1225.4h；风向多为东北风，年均风速为1.3m/s～2.3m/s之间。矿区水文地质边界条件为：本矿地下水与地表水交换强烈，含水层富水性具有不均匀性，边界条件较复杂矿区总体上地形属低中山地形。地表发育峰丛洼地地貌。区内碳酸盐岩地层出露范围广，峰丛、洼地、溶斗、溶洞等岩溶地貌较发育，地下水主要接受降雨补给，向南部径流，排入地势较低的沟谷中[1]。

3.煤矿水文地质情况

3.1矿区条件

从总体上来看，整个矿区地势北部较高、南部较低，最高点海拔1823.7m，最低点高程为1355.6m，相对高差为468.1m。在该矿区中，最低排泄基准面的标度在1355.6m左右。在地形方面，属于低中山地形，地表以峰丛洼地地貌为主，区域内碳酸盐地层广泛分布，地层由老至新分别为P2m、P3l、P3c、T1y、T1m等；区域范围内地下水以岩溶水为主，受降雨补给，朝着南部径流，排入地势低洼的沟谷之中。

3.1.1矿床结构

在该矿区中，含煤地层以龙潭组为主，共计五层可采煤层，分别为4、8、9、14、15号煤。主要分布地层为三叠系下统茅草铺组、夜郎组、二叠系上统长兴组、龙潭组、茅口组等。在矿区中，含水层与隔水层相互重叠，多为裂隙充水，对15号煤龙潭组底部进行开采时，因与茅口组之间的距离较短，可能受该组中地下水的威胁。

3.1.2断层带特征

经过勘探，发现在该区域内部存在一条逆断层F1，落差在40m～80m。在该煤矿生产过程中，巷道内发现6条断层，落差普遍在0.5m～3m之间，呈北西—南东方向，属于正断层，与煤层开采之间无显著联系。在岩层中存在两组节理，一是60°～70°走向，另一个是300°～310°走向，倾角较为陡峭，通常超过75°，顺着节理展布方向，在局部地区存在节理密集带，密度为每平方米3条～5条左右。在钻孔中，存在5条隐伏断层，其中F804-1的落差在40m左右，剩余落差不大，自身导水性较差，富水性弱。由于F1断层的存在，使茅口组与矿区之间的距离缩短，即便在钻孔施工时没有出现显著的涌漏水情况，但仍然不可忽视F1断层周围煤层受地下水影响的问题[2]。

3.1.3地表水

在该矿区中，地表水以冲沟水为主，没有大型的河流或者水库。该矿区中的冲沟水发育良好，尤其是西部面积更加广阔，冲沟水在经过夜郎组与茅草铺后，常常进入到地下变伏流，尤其在西南部，几乎全部变伏流。当部分伏流汇合之后，便会形成地下河，一些地区的明流与伏流交替，地表水与地下水之间相互转变。在枯水期到来时，一些冲沟水的流量变小；在雨季到来时，冲沟水的流量增加。例如，伏流入口处的冲沟水，最小流量值为18.57L/s，最大流量达1348.95L/s，冲沟水的源头在矿区的北部，经过西部，在南部变伏流之后朝着边界区域排泄。

3.2勘探类型

龙潭组是矿区主要的含煤地层，可采煤层为5、8、9、14和15煤。在矿区分布的地层中，三叠系下茅草铺组、夜郎组二段（玉龙山段）、二叠系上长兴组、二叠系中统茅口组属于灰岩地层，岩溶发育，含有岩溶水，富水性强至中等；三叠系下统夜郎组一段（沙堡湾段）、夜郎组三段（九级滩段）、二叠系上统龙潭组为砂泥岩层，富水性弱，一般为隔水层。矿区4、8、9、14号煤矿开采，龙潭组以上含水层厚度不大，易破坏。由于后来的开采，岩溶含水层，例如夜郎组二段（玉龙山段）和长兴组，出现塌陷及破裂等情况，成为直接注水的含水层。开采4号、8号、9号、14号煤时，煤矿矿床主要属于顶板进水为主的岩溶充水矿床，水文地质复杂度中等，即该矿床的水文地质勘探类型属于第三类第一亚类第二型。龙潭组底部的15号煤矿床是以底板为主的岩溶充水矿床，水文地质条件中等，即第三类第二亚类第二型，在对其进行开采时，由于靠近茅口组，其底部可能受到茅口组地下水的威胁。

3.3涌水量估算

目前，黔金煤矿的4号、9号、15号煤已经在局部地段沟通长兴组和夜郎组玉龙山段。矿井水的流入源主要是龙潭组的裂隙水、长兴组、夜郎组玉龙山段的岩溶水。现阶段，开采4、9、15号煤形成采空区到达的最低标高1409m，采空区与巷道的叠加平面面积为1.449399km2，具体取决于黔金煤矿的进水量。采用大井法对涌水量进行估算，公式如下：

式中：Q代表的估算矿井涌水量，单位为m3/d;K代表的是渗透系数，单位为m/d，通过矿井涌水量计算出的渗透系数0.01036;S代表的是水位降低值，单位为m，开采地段水位标高平均值+1563m与最低标高+1200m的差值为363m。

大井法预算矿井先期开采地段正常涌水量结果为：

当雨季到来时，涌水量为平均涌水量的1.8倍，先期开采地段内最大涌水量为Q最大≈568m3/h。

根据当前开采中的深度、面积与水位等，还可采用比拟法对涌水量进行计算，公式如下：

式中：S代表的是预计开采地段地下水水位降深，即363m;Q代表的是以往开采地段的涌水量，单位为m3/h;F代表的是以往开采地段面积，约3830000m2;Q0代表的是采空区矿坑涌水量，以2018年6月的涌水量均值为主，即155.63m3/h;S0代表的是矿井采空区水位降深，即195m;F0代表的是采空区和巷道叠加平面面积，即1492799m2。

通过上述参数可对以往开采区涌水量的常规数值进行计算，公式为：

当雨季到来时，涌水量为平均涌水量的1.8倍，先期开采地段内最大涌水量为Q最大≈490m3/h。

“大井法”估算的参数采用目前矿井采空区、巷道等的参数，比较符合矿井生产实际情况，“比拟法”估算涌水量的参数为其他煤矿总结的参数，经验性较强。因此推荐“大井法”估算的涌水量作为黔金煤矿先期开采地段矿井设计的涌水量依据。

4.煤矿工程地质及其它开采技术条件

4.1煤矿水环境

本矿建设前，矿山下游河流已经受到了不同程度的污染，河沟头及皮甲河地表水中pH、TP、SO42-、NH3-N、F-、CODCr六项指标未超过三类水质标准，而SS、Fe、Mn、石油类四项指标有不同程度超标，Fe和石油类超标较严重，Fe超标0.11～1.74倍，石油类超标0.98～1.90倍，河水污染较严重，水质达不到保护功能Ⅲ类；附廓水库的9种水质指标均未超《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）二类水质标准，水质尚好。本矿建设前通过对矿区及外围煤洞场、大水井、蔡家龙滩三个大泉点的水质监测，监测的TP、NH3-N、Fe、Mn、PH、SO42-、SS、F-、水温、高锰酸盐指数等10项指标均达到《地下水质量标准》Ⅲ类标准，适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水。目前煤矿水环境比较良好[3]。

4.2地质环境质量

近年来，该地区及邻近地区均未发生强烈地震活动。矿区属无地震区，稳定性好。矿区存在崩塌、地裂等地质灾害。该地区水污染轻、水质好,但如若不采取科学措施进行控制，煤矿的盲目开采势必会导致矿区的水位下降，甚至地表的山谷、水体、泉水、井水等均受到危害；未来的煤炭开采还会加剧或诱发地面裂缝、沉降、塌陷等，而矿井水处理不当同样会增加地表水和地下水的污染；此外，随意堆放煤炭和矸石会产生有害物质，污染生态环境。对此，环境保护机构应加强预防工作,坚持“预防为主，治理为辅”的原则,采取综合治疗模式,最大限度的避免这种危险的发生。矿山可以采取以下措施：对于废弃的巷道、采空区、地面工业广场等应避免危险的岩石坍塌和剥落，提高污水净化和利用效率，严格遵循矿井水排放标准，以防止地表水和地下水被污染，减缓地面沉降、裂缝的发生，可通过填筑、压实、修建排水沟等方式，避免塌方、破裂等问题发生，减少矿井进水量。综上所述，必须对矿山地质灾害进行有效的综合治理，建设安全、绿色、清洁的生态文明矿井。从总体来看，当前矿区地质环境质量属中等。

4.3煤矿环境地质预测评价

4.3.1地质灾害类型

根据相关资料显示，当地矿山曾经出现过地质灾害，如倒塌、滑坡、泥石流、地面裂隙、地面塌陷等多样灾害。究其原因，主要是由煤矿引发的，而且大多数是小型的。在水文地质、工程地质勘查过程中，对各种地质灾害进行分析，例如憩室倒塌、地下突水等均进行了分析和总结，得出较为常见的有滑坡、塌陷、泥石流、地面沉降、塌陷和地面裂缝等几种。根据地质环境分类，本煤矿矿区位于地质环境质量较差的区域，区域内有煤矿、黄铁矿、建筑用砂岩等，很容易导致地质灾害、土地破坏、植被破坏、地下蓄水层破坏等情况发生。一些村民的房屋遭到破坏，一些地区的水生产和生产遇到困难，土地耕种也难以继续。这些矿山的地质和环境问题是在黔金煤矿矿区引发的，目前，主要分布在采空区上方的地表，在全家塘区域尤为突出，主要体现在地面沉降与裂缝两个方面，没有发现滑坡、塌陷、泥石流等灾害[4]。

4.3.2地质灾害范围

根据煤矿开采后的地表变形规律，一般会产生崩落裂隙带、导水裂隙带、沉降带、中低角度煤层等，这些带均呈现出马鞍形或拱形，其形状受许多因素影响和控制，例如倾角、岩石物理、机械特性、采矿深度、布局情况、采矿方法和顶板管理等等。为了更加精简，可根据下降区和导水裂缝区的经验公式进行计算。当开采区域中的所有可采煤层都被开采时，地面很可能会沉降。设定沉降范围，煤层倾斜角为9°～18°，山的影响角为70°，下坡为60°，走向为65°。黔金矿共有4、8、9、14和15个煤层，平均厚度分别为1.52m、1.10m、1.98m、0.90m和1.64m。最大厚度分别为3.29m、2.27m、3.62m、2.36m、2.81m；经过公式计算可知，4、8、9、14和15煤的煤层崩落裂隙带的最大高度分别约为17m、12m、18m、12m、16m。断裂带的最大高度约为85m、62m、92m、64m、83m。根据该计算，4号煤崩裂带的最大高度达到17m，进入到龙潭组地层中，而4号煤导水裂隙带的最大高度达到了底部。

4.3.3工程地质条件

矿区出露的地层中岩类属于层状岩类，地层岩性较复杂，局部发育小断层、破碎带及裂隙密集带等，岩层普遍发育闭合裂隙，局部发育微张裂隙。地层中夹有泥岩类的软弱夹层，石灰岩地层岩溶较发育。这些裂隙和岩溶对矿区煤层顶底板的岩体稳定有一定的影响。岩石质量多数为中等，岩体中等完整，局部地段容易发生矿山工程地质问题。综合分析化验所得的各煤层顶底板岩石物理力学性质指标，并结合现煤矿的生产实际，本区工程地质勘查类型为第三类：层状岩类，工程地质勘查复杂程度为中等。

4.4综合评价

通过综合分析研究，本区水文地质复杂度中等；工程地质勘查复杂程度中等。对该地区可采煤层的瓦斯样品的分析结果可知，4、9、14、15煤层主要为富甲烷煤层，4、8、9、14、15煤层主要为生物气带分布。在这一领域主要是大规模的物理性质和煤岩类型的煤，粒状、裂缝较大，煤的破坏类型属于三类。根据安全技术规范内容,在矿井瓦斯的测量报告数据管理区域内，通过煤层的气体浓缩试验和气体压力的结果分析,煤炭开采层不具备发生瓦斯爆炸的危险，该区域的4号和9号煤层十分突出，在煤与瓦斯突出矿区的范围内，每个煤矿层超过临界值的煤与瓦斯突出风险指标，测量值的钻井气体含量较高，因此煤炭和天然气应按根据煤和天然气瓦斯突出矿井的标准进行管理。建议在未来的煤矿开采过程中，采用煤与瓦斯突出识别的方式，对煤与瓦斯进行突出鉴定、资格鉴定，并对煤矿管理进行评估。同时,在建设和生产过程中，应经常对煤层的瓦斯地质条件进行勘察，根据实际需求勘探和释放的气体，并采取科学有效的措施在当地的天然气储量丰富的煤炭区，加强排水、通风工作，提高对瓦斯地质煤层的重视，减少煤突出气体排放，确保矿工的安全。

5.结论

综上所述，本文通过研究综合分析化验所得的各煤层顶底板岩石物理力学性质指标，并结合现煤矿的生产实际可知，本区水文地质复杂度中等、工程地质勘查复杂程度中等、本区工程地质勘查类型为层状岩类、工程地质勘查复杂程度为中等。为了提高勘查水平，应严格按照相关要求和规定，确保勘查结果的科学合理，使工程与水文地质勘查工作得到更大的发展。

参考文献:

[1]王宪江.工程地质勘察中水文地质的作用及存在问题分析[J].科技创新与应用,2018(17):69-70.

[2]李友华,杨茂勇.试论工程地质与水文地质勘查相关问题分析[J].城市建筑,2016(06):60-63.

[3]张改玲,陈德俊,ZhangGailing,等.太平煤矿深厚土层的水文地质工程地质性质[J].煤田地质与勘探,2018(02):42-44.

[4]龚建波,李怀良.工程地质勘察中水文地质的作用及存在的问题分析[J].中国新技术新产品,2018(05):97.

孙永士.黔金煤矿水文地质与工程地质勘探结果分析[J].西部资源,2020(03):94-96.