鄂托克前旗上海庙西矿区横山堡井田矿坑涌水量预测分析

摘要：根据鄂托克前旗上海庙西矿区横山堡井田的水文地质条件，分析了该矿区地下水的分布特征与补径排关系； 分析了矿区充水因素，预测了矿井涌水量。为矿山开采提供科学依据。

关键词：水文地质 分布特征 开采技术条件 充水因素 矿井涌水量

一、 区域水文地质概况

本地区属鄂尔多斯高原区，地形东南高西北低，测区位于鄂尔多斯高原西部，西临黄河，为一向黄河缓倾斜的平原，地表以风积固定～半固定沙丘为主，地表植物发育有沙蒿、甘草、苦参为主要种属，生态环境脆弱。

气侯属中温带典型大陆性干旱荒漠气侯，其特征是：冬季严寒，夏季炎热，昼夜温差大，风大沙多，降水稀少，蒸发强烈。其气象要素为：多年平均气温7.3℃，多年平均年降水量270.4mm，雨季集中在7-9月份，以暴雨形式居多；年蒸发量2465mm以上，年最大降水量417.2mm，年最小降水量147.3mm。年蒸发量2722.9mm。相对湿度50.3%,绝对湿度6.4g/m3,风速3.4m/s,最高气温36.7℃，最低气温为-31.6℃。

地表水系不发育，大气降水后多直接渗入第四系风积中细砂层中，或积于沙丘之间波状洼地中，形不成地表径流。在井田南部约1000m宁夏境内有一地表径流水体，向西北流入黄河。黄河距本区约14km，水位标高1100m左右。

根据宁夏清水营井田及马莲台井田水文地质特征，含水砂岩除直罗组底部富水性较好外，含煤地层各含水层富水性均较差。石炭～二叠系基岩地下水主要由上覆新近系砂砾石层含水层补给，故下石盒子基岩地下水与新近系砂砾石层含水层地下水有着相同的变化规律，新近系砂砾石层仅与煤系地层直接接触时，方对煤系地层有充水影响。

二、井田水文地质条件

（一） 井田地形地貌

区内地形起伏不大，总体为东高西低，地面标高1090―1247m，矿区面积9.15km2，大部为风积平地，局部为风积沙丘,区内无地表水体，植被覆盖率约30~50%，以沙柳、沙蒿、结子草、甘草为主。

（二） 含（隔）水层划分及特征

根据地层岩性组合特征、埋藏条件、地下水赋存条件将本区地层划分为松散岩类孔隙含水层、基岩孔隙裂隙含水层和隔水层，由新至老分述如下：

1. 第四系松散岩类孔隙含水层(Q)

主要由风积砂、粗砂、砂砾石组成，厚6.75~42.76m，底部砂砾石层发育不均，透水性好，根据水点调查，水位埋深11.75~12.90m，单位涌水量0.737～2.817L/s・m，矿化度1.001~1.187g/L，PH值为6.80~6.9，属Cl・SO4・HCO3―Na，SO4・Cl・HCO3―Na SO4・HCO3 ・Cl―Na型水，是当地牧民及牲畜饮水的主要来源。

2. 新近系上部砂质粘土相对隔水层(N2)

是上部第四系潜水良好的隔水层，厚度73.05~172.15m，全区广泛分布，岩性以紫红色砂质粘土为主，团块状，胶结致密，微含砂质，具塑性，透水性极弱，局部夹有半胶结的砂岩、泥灰岩及片状石膏结晶体，与下伏地层不整合接触。对大气降水的渗入补给，地表水与煤系地层孔隙裂隙水的沟通，均起到了阻隔作用，致使大气降水以及沟谷中地表水难以补给矿坑水，为一良好的隔水层。

3. 新近系下部砂砾石层含水层(N2)

该含水层位于新近系砂质粘土下部，据钻孔揭露资料显示，砂砾石层厚度22.55~61.30m，半胶结，较疏松，砾径2~50mm，最大达150mm。滚圆度差，孔隙发育，透水性好，单位涌水量为0.03～0.29L/s・m,富水性弱~中等，为本区富水性最佳的含水层。呈承压水状态赋存于砂砾石层中，富水性强弱随砂砾石层厚度而变化。

据井田内WZK203钻孔及本次施工的WZK505、WZK506两个钻孔抽水试验资料，静止水位55.43~60.40m，水位最大降深16.19~35.00m，涌水量为0.906~5.368L/s，单位涌水量为0.03～0.29L/s・m。矿化度0.818~1.03g/L，F为0.65-1.42mg/L, 水化学类型属Cl・SO4―Na、SO4 ・Cl―Na型水。

据马莲台2503号孔放水试验，水头高出地表10.49m，降深9.41m，流量为1.13L/s，单位涌水量为0.120L/s.m。沙章图井田CS17号孔抽水试验资料，水位为20.87m，降深13.29m，单位涌水量为0.110L/s・m。据1979年7月~1979年11月，长城煤矿矿井调查，垂深90~100m，见新近系砂砾石层水，每日排水量为200~250m3，当矿井垂深达到120m，排水量每日500~600m3，垂深至150m每日排水量仍为500~600m3，水量稳定。

参照邻近的马莲台抽水孔及涌水孔来看，该含水层水量随时间的延长而减少。如160号孔两个月后水量由2.53L/s减少到0.183L/s。133号孔半个月后水量由2.53L/s减到0.153L/s。154号孔24小时水量由1.94L/s减到0.159L/s，由此预计该含水层以静储存量为主，储存量不大，其水质属矿化度大于1g/L的淡水，氟含量2.00mg/L，不宜饮用。

4. 二叠～石炭系基岩含水层

该含水岩系由煤系地层的粗砂岩、中砂岩、细砂岩和石灰岩及煤层组成，厚度变化较大，一般124.68～276.95m，结构疏松，是矿井的直接充水含水层，据WZK505 、WZK506孔，水位49.66～61.16m，水位最大降深16.03～19.50m，涌水量3.126～5.002L/s，单位涌水量0.188～0.257L/s・m，水质化学类型为CI・HCO3・S04-Na，CI・S04-Na,矿化度为0.817～1.971g/L。富水性中等。

5. 二叠～石炭系基岩隔水层

岩性以粉砂岩、砂质泥岩、泥岩为主，夹薄层细砂岩。根据钻孔厚度416.29~791.20m，为相对良好的隔水层。

6. 奥陶系石灰岩含水层

在矿区东北角和矿区西北角零星出露，面积甚小。岩性为灰～灰黑色中厚层石灰岩，裂隙不甚发育，且多被方解石脉充填。据宁夏地矿局水文队曾在沙沟村施工（水1）找水孔，于76.02m穿过新近系覆盖层见石灰岩,于193.73m揭穿石灰岩，所见裂隙均被方解石脉及粘土所充填，含水性能较差，水位45.06m，单位涌水量0.0605 L/s・m，水质较差，矿化度为8.79 g/L。另在双庙村西煤田地质队施工的ZK135孔中，穿过新近系砾岩开始漏水，自250.22m钻具突然下落至251.34m严重漏水，推断为1.12m高的灰岩溶洞，测得与新近系砾岩混合水位为33m，因漏水严重无法施工。估计该孔奥陶系石灰岩岩溶水水量较大。是今后矿区供水勘察，寻找岩溶水的可贵线索与依据，井田内2210号钻孔在煤9#底板以下382.86m揭露奥灰，该含水层对煤系地层充水影响不大。

（三）地下水的补给、径流及排泄条件

1. 第四系松散岩类孔隙水

主要以大气降水补给为主，凝结水补给微弱，地下水径流条件受黄土和新近系粘土隔水层顶面形态控制，由高向低径流于低洼处，以人工开采、蒸发排泄为主，以入渗的方式补给下伏含水层。

2. 新近系碎屑岩孔隙裂隙水

为本区富水性较强的岩层，由于受古地形、地质构造影响，砂砾石层厚度发育不均，富水性变化较大。南北向迳流排泄，本层以大气降水补给为主，以相邻含水层的越流补给为辅，地下水径流缓慢，水力坡度约4~6%。

3. 二叠～石炭系孔隙裂隙水

含水层主要为粗砂岩、中砂岩、细砂岩，该类含水岩组主要以大气降水补给为主，以相邻含水层的越流补给为辅，地下水径流缓慢，以径流的方式和井田开采两种方式排泄。

4. 奥陶系石灰岩岩溶水

由于钻孔内未揭露该含水组，在以后的开采过程中需进一步查明。

（四）水文地质勘探类型

本区干旱少雨，多年平均降水量270.40mm，无地表水体，地下水补给来源贫乏，以大气降水补给为主，地质构造相对简单，煤层直接充水含水层为二叠～石炭系砂岩孔隙裂隙含水层，单位涌水量为0.188～0.257L/s・m，富水性中等。因此本井田的水文地质类型为二类二型，即以孔隙、裂隙含水层为主水文地质条件中等的矿床。

三、充水因素分析

本区处于半干旱沙漠地带，地下水补给来源贫乏，构造相对简单，根据井田水文地质条件及煤层赋存特征，矿井充水方式分直接和间接两种，它们分别接受大气降水和地下水等因素控制，对未来矿井有不同程度的影响。

（一）生产矿井调查

勘探区内无煤炭开采历史，无生产矿井及老窑。但井田东约10km有新矿集团的福城煤矿正在生产。

1. 宁夏煤田地质队1979年7～9月对长城煤矿进行了调查。矿井垂深90m～100m见新近系砾岩水，每日排水量200m3～500m3，当矿井垂深达120m时，每日排水量增加至500m3～600m3，垂深达150m时，每日排水量仍为500 m3～600 m3，水量较稳定。

2. 原长城煤矿下马后，1984年10月3日，内蒙古108地质队对西矿区进行施工时又对该矿进行调查，据介绍，①两个斜硐800m以上坡角为20°30＇，以下为28°，斜井总长1300m。②新近系砾岩及7煤层顶板灰岩，水量较大，每日总排水量1800 m3～2000 m3。③斜井及平巷总长2900m（包括通风孔）。④断层多，最大断距40m，凡有断层地段，顶板有冒顶、坍塌现象，底板未发现变形。

3. 2005年9月15日对原长城煤矿又进行了调查了解，新近系砾岩水水仓，用5.5kw水泵（出水管3寸），24小时不间断抽水刚够抽，由此计算，新近系砾岩水昼夜在700m3左右。

4. 目前长城煤矿正在生产，开采山西组1、3、5煤层和太原组9煤层。矿井生产主要充水含水层为山西组和太原组煤层顶底板砂岩，以静储存量为主，正常涌水量小于200m3/h；在矿井建设和井巷工程掘进中揭露新近系砾岩和石盒子砂岩的涌水量一般为100～600m3/h。目前矿井涌水量约300m3/h，主要水还有新近系砾岩水、煤层顶板砂岩水及老空积水，矿井水文地质类型为中等。

5. 长城煤矿的3煤层现已开采至920m标高，1、5、9煤层已经开采，920m水平的涌水量已基本趁于稳定，实测数据为133.20m3/h(不包括主、副、风井筒砾岩层涌水量)。长城煤矿主斜井第四系碎石层涌水量15m3/h，新近系砂砾层涌水量3m3/h；副斜井第四系碎石层涌水量15m3/h，新近系底砾岩涌水量27m3/h。长城煤矿回采工作面的涌水量：

1层煤工作面：水源为1层煤顶板砂岩，正常涌水量30m3/h，最大涌水量180m3/h。

3层煤工作面：水源为1层煤顶板砂岩，正常涌水量30m3/h，最大涌水量120m3/h。

5层煤工作面：水源为5层煤顶板砂岩，正常涌水量10m3/h，最大涌水量30m3/h。

9层煤工作面：水源为9层煤顶板砂岩、灰岩，正常涌水量0，最大涌水量12m3/h。

（二）未来矿井充水因素分析

横山堡煤矿属一个多煤层开采的矿井，主要开采煤层为1、3、5、9煤，各煤层分阶段开采。

1. 充水水源

（1）大气降水

根据鄂托克前旗气象局资料，本区多年平均降水量270.40mm，年最大降水量417.20mm，且降水多集中在7~9月，占全年降水量的60%左右，大气降水为第四系孔隙含水层的直接补给来源。由于本区干旱少雨，第四系下部为新近系，有厚度不等的相对稳定隔水层，因此大气降水与矿井涌水量关系不明显。

（2）地下水

影响未来矿井的地下水主要为二叠系山西组砂岩裂隙水和石炭系太原组砂岩裂隙水，其次是二叠系下石盒子组砂岩裂隙水和新近系砂砾石层含水层孔隙水。其中包括：层状裂隙充水，构造裂隙充水和开采造成的裂隙充水。

①层状裂隙充水

主要分布于深部含水层，岩石成岩初期，当成岩时间较短时岩石产生裂隙，且成层分布于不同的岩性变化过程中，孔隙率约15%，构成了富集和储存地下水的条件。层状裂隙含水层的顶底板多由粉砂岩或泥岩隔水层构成，在适宜的条件下形成储水构造，由于裂隙发育的不均一性，不同地段岩层透水性和涌水量也有较大的差异。一般情况下，巷道最初揭露含水层时，涌水量较大，如果补给充足，持续时间较长；补给不足时，涌水量逐渐变小或被疏干。这类形式的充水较为普遍，是本井田的主要充水形式。

②构造裂隙充水

构造裂隙包括各种节理、岩层褶皱以及断裂破碎带，这些裂隙是主要储水富集带导水通道，特别是裂隙带集中涌水。因此，构造裂隙带充水对矿床开采和井巷工程常常造成巨大威胁，大多数矿井的出水或突水点均在断层破碎带或裂隙密集地段，本区构造虽然相对较为简单，岩层含水性较小，但今后建井开采中，仍需注意深部小型构造的存在和导水作用，特别是DF2断层和黑梁断层，在裂隙发育密集地段和深部汇水中心可能存在一定的储存量，一旦掘通，往往容易引起井下突水。

③开采造成的裂隙充水

由于煤层开采后引起上方岩层的移动所形成的两带(冒落带、导水裂隙带)高度，一旦延伸到剥蚀面或上部富水层时，将使各含水层间发生更多的水力联系，这种人为造成的裂隙通道也是不可忽视的矿床充水因素。

2. 充水通道

根据井田充水通道类型和地下水涌入矿坑的水力特征及危害性，可将充水通道分为渗入型通道和溃入性通道两类，本井田充水通道主要为煤层采空顶板岩石冒落形成的导水裂隙带，属溃入性通道，次为渗入性通道，即岩层孔隙和裂隙。

二叠～石炭系孔隙裂隙含水层为煤层的间接充水含水层，往往上部煤层开采后又成为下部煤层的间接充水含水层，因此对煤层开采后复合岩体破坏引起的冒落带和导水裂隙带的发育情况研究尤为重要。

另外，区内施工的钻孔如果封闭效果不佳，则沿钻孔可能使各含水层发生水力联系，回采揭露时易发生突水、涌砂。随着井筒巷道的揭露，沿井壁将有地下水渗入矿井。

3. 未来矿井充水因素评价

未来矿井为多煤层开采矿井，矿井充水主要来源二叠系和石炭系砂岩孔隙裂隙含水层，其次为新近系下部砂砾石层含水层。

本区煤层埋藏较深，二叠系和石炭系砂岩孔隙裂隙含水层是未来矿井开采的主要充水水源，在煤层覆盖薄和断裂构造发育地段，应引起足够重视，随着煤层开采深度增加，井下累积排水量不断增加。

四、矿井涌水量

（一）矿井涌水量计算

未来矿井属多煤层开采矿井，可采煤层为1、3、5、9号煤层，据井田水文地质特征和矿井充水因素，因井田西部黑梁断层的水文地质意义不明，视为“无限给水边界”，主采煤层开采后导水裂隙带导通间接充水含水层，使各主采煤层涌水量增大等因素分析，现将矿井涌水量分550m以上和200m以上两个水平计算如下：

1. 水文地质模型概化

（1）先期开采地段（550m水平）煤系含水层涌水量计算

采用“大井法”承压形式计算矿井涌水量，先期开采地段内，以5-2煤层求取开采面积为1692000 m2。计算公式如下：

式中：

Q：预算矿井涌水量(m3/d)；

K：渗透参数（m/d）选用zk2803、zk2805、zk302号钻孔抽水试验资料平均值0.1152 m/d；

H：wzk505号钻孔水头高度616.34m；

S：水位降低值，水位降至含水层底板时S＝H，h0＝0；

m：选用先期开采地段钻孔含水层平均厚度27.99m

R：影响半径

×616.34× =2091.93m

r0：引用半径

R0：引用影响半径 R0=R+r0=2091.93+733.88=2825.81m

=9266.41m3/d=386.1m3/h。

（2）先期开采地段（200m水平）矿井涌水量计算

采用“大井法”承压形式计算矿井涌水量，先期开采地段内，以5-2煤层求取开采面积为1852500m2。计算公式如下：

Q=

式中：

Q：预算矿井涌水量(m3/d)；

K：选用wzk203、wzk505、wzk506号钻孔抽水试验资料平均值0.1152 m/d；

H：wzk505号钻孔水柱高度966.34m

S：水位降低值，水位降至含水层底板时S＝H，h0＝0；

m：选用先期开采地段钻孔含水层平均厚度27.99 m

R：影响半径

=10×966.34× =3279.87m

r0：引用半径

R0：引用影响半径 R0=R+r0=3279.87+767.90=4047.77m

=11781.77m3/d=490.91m3/h。

2. “比拟法”矿井涌水量预计

本区与长城煤矿相似，水文地质条件基本相似，因此采用水文地质比拟法计算矿井涌水量如下:

（1）先期开采地段（+550m水平）矿井涌水量计算

= =133.2×2.48=330.34m3/h。

长城煤矿+920m水平的开采面积为325000m2，涌水量为133.2 m3/h，降深227.96m；本井田+550m水平的开采面积为1692000m2。预计的涌水量为330.34m3/h。

（2）先期开采地段（+200m水平）矿井涌水量计算

= =133.2×3.18=423.71m3/h。

（二）矿井涌水量预计结果评述

根据横山堡井田水文地质条件、地下水赋存特征、含（隔）水层分布规律、含水层边界条件、地貌特征、采煤形成的冒落带、导水裂隙带高度等储多因素对井田主采煤层涌水量进行了预算。但未考虑断层等其他原因引起的突水水量和井巷工程揭露的新近系、第四系含水层水量。

两种方法预计的矿井涌水量结果比较接近。建议井田涌水量选用“大井法”进行计算评价，因为计算中应用的参数，H、S和M为实测的参数；渗透系数K属于单孔抽水试验求解得到的，故为半实测的参数；影响半径是由承压水的经验公式求得的，为经验参数，数值相对偏小。水文地质比拟法仅参照长城煤矿+920m水平涌水量利用进行涌水量计算，其数据还有待于进一步验证。

本次涌水量计算结果可能有所偏差，具体数据应在矿井建设和生产中必须根据实际情况结合附近矿井资料进一步修正。

横山堡井田根据邻区的生产矿井进行比拟，其含水层的水文地质特征在不同深度、不同区域、不同的构造环境可能有一定变化。尤其在本井田东部、北部各有相对较大的断层，并发育派生褶曲，对地层裂隙发育、地下水的赋存特征可能有影响，因此建议在未来矿井设计和生产中应充分考虑这些因素对各煤层矿井涌水量的影响，在较大构造附近必须坚持“有疑必探、先探后掘”的原则，工作面投产前必须进行必要的水文地质探测和评价工作。

五、供水水源

芒哈图乡居民以开采第四系上更新统底部含砾中粗砂孔隙潜水，供人蓄饮用及灌溉庄稼和少量园林地。

芒哈图乡于1997年8月10日，380供水工程施工供水井一眼，同年9月27日竣工，工程总投资25.06万元，现供87户500多人1300多头牲畜饮用，同时发展水浇地20多亩。

鉴于上述开采状况，提出如下供水建议：

1. 矿坑水的利用

现在排放的矿坑水，水温16℃，为淡水，可用于农田灌溉，也可用于煤炭深加工工业供水。

2. 可预先开采疏干新近系砾岩孔隙承压水，既为矿坑排除了地下水，又为矿区居民生活、饮用、工业用水提供了水源。

3. 以上这些水资源尚仍不能满足矿山建设的需要，可在距矿区较远，但有供水前景的水源地进行供水水文地质勘查，现指出两处供参考：

（1）双庙村奥陶系石灰岩岩溶水，位于长城以南宁夏境内，前人在该石灰岩地层中施工过钻孔，在钻进过程中，钻具陷落，预测溶洞高达1.12m,漏水严重.是寻找岩溶水的可贵线索。

（2）在矿区东侧鄂尔多斯高原，水泉子村一带，进行第四系孔隙潜水和白垩系孔隙承压水的找水勘探工作。

六、结论

1. 本区干旱少雨，多年平均降水量270.40mm，无地表水体，地下水补给来源贫乏，以大气降水补给为主，地质构造相对简单，煤层直接充水含水层为二叠～石炭系砂岩孔隙裂隙含水层，单位涌水量为0.188～0.257L/s・m，富水性中等。因此本井田的水文地质类型为二类二型，即以孔隙、裂隙含水层为主水文地质条件中等的矿床。

2. 勘探区被第四系地层广泛掩盖，建井疏干排水及生产疏干排水应设防渗排水沟，以免循环回灌，加大涌水量。

3. 本次涌水量计算结果可能有所偏差，具体数据应在矿井建设和生产中必须根据实际情况结合附近矿井资料进一步修正。

4. 区内钻孔设计要求全部进行了封闭，但未进行透孔检查，封闭质量不详，在钻孔周围回采煤层时，应进行超前探放水或留煤柱避开钻孔，避免因钻孔沟通了各含水层间的水力联系而引发的透水、涌砂事故发生。

5. 在未来建井、煤矿生产过程中，建议设站点进行地下水动态长期观测，掌握地下水动态变化规律，为煤矿安全生产、矿井疏干提供更为详实的依据。

参考文献:

[1]《矿区水文地质工程地质勘探规范》，GB12719-91．

[2]《矿产地质勘查规范》．

[3]《灵武煤田横山堡矿区详查勘探报告》．

[4]《内蒙古鄂托克前旗芒哈图勘查区煤炭资源找煤地震勘探报告》．