水文学论文
1 自然地理概况及矿区边界水力性质
贾郭矿区位于山西省沁源县王和镇 1km 处的后军沟村及王和镇古寨村-王陶乡下城艾村一带，行政区划属王和镇和王陶乡管辖。矿区地理坐标为：东经：112° 09′ 03″ -112° 11′ 48″，北纬：36° 54′ 12″ -36° 59′ 06″。
矿区呈不规则多边形，南北长 9.1km,东西宽 3.90km,面积为 19.9873km2.矿区位于太岳山南端，山高沟深，地形复杂，森林、植被发育，最高点在矿区北部的后家山，标高1649.7m, 最低点位于古寨村河床，标高 1349.0m,相对高差 300.7m,属中山区。
矿区北部边界为王和南正断层，西部边界为煤层露头或隐伏露头区，其余两面为人为边界。天然状态下，矿区内各地下含水层在西部浅埋或露头区接受大气降水、河床孔隙水或地表水的补给。
2 矿区含水层
2.1 奥陶系中统（O2f+O2s）碳酸盐岩岩溶裂隙含水层
奥陶系中统碳酸盐岩岩溶裂隙含水层是煤系地层下伏的主要含水层，是开采下组煤 9+10、11 号煤层的主要威胁。
岩性主要是石灰岩、豹皮灰岩、角砾状灰岩，夹有薄层的白云质灰岩，泥质灰岩，矿区内钻孔仅揭露上马家沟组上段。
峰峰组下段为泥灰岩夹石膏层 , 可见有角砾状石灰岩，棱角状灰岩碎块被泥灰岩胶结，裂隙不发育，钻进时冲洗液消耗量一般在 0.5m3/h 以下，JG3-1、JG6-1 号孔峰峰组抽水试验，单位涌水量为 0.052L/s.m 和 0.0013L/s.m,水位标高为1174.11m 和 1200.25m,富水性弱。钻孔揭露上马家沟组时，均出现了 12-15m3/h 和冲洗液漏失，JG3-1 号孔观测静止水位1028.17m;JG6-1号孔抽水试验（O2f+O2s）单位涌水量0.21L/s·m,水位标高 1048.17m,推断矿区奥陶系中统岩溶水水位标高在 1140 ~ 1250m,富水性中等。
2.2 太原组碳酸盐岩（K4、K3、K2）岩溶裂隙含水层
太原组含水层主要由 K4、K3、K2 石灰岩组成，K4 石灰岩为 7 号煤直接充水含水层，厚度 3.40m,岩性为深灰色，致密、块状，裂隙较发育，K3 石灰岩为 8 号煤直接顶板，厚度 5.21m,裂隙较发育，随埋深增加裂隙逐渐不发育，K2 石灰岩为 9+10 号煤层直接充水含水层，也是太原组的主要含水层，岩性为深灰色，致密、坚硬、性脆石灰岩，一般含有燧石层及透镜体，厚 2.00-9.45m,平均厚4.52m,局部较发育，钻进消耗量一般小于 1.00m3/h.JG3-1、JG6-1 号钻孔对太原组（K4、K3、K2）含水层抽水试验，单位涌水量分别为 0.0095L/s.m 和 0.00086L/s.m,水位标高为 1327.52m 和 1301.55m,风井检查孔抽水试验单位涌水量0.0112L/s.m,渗透系数 0.039m/d,水位标高 1367.08m,水质为 HCO3·SO4-Na 型，富水性弱。但在局部地段 K2 灰岩埋深较浅，接受大气降水或河流补给后，富水性显着增强。
2.3 二叠系砂岩裂隙含水层
包括山西组、下石盒子组、上石盒子组砂岩含水层，岩性为厚层状石英长石砂岩，多为钙质胶结，裂隙稍发育，钻进消耗量小于 1.00m3/h,一般在 0.2 - 0.5m3/h 之间，JG3-1号孔抽水试验（K7、K8），单位涌水量 0.008L/s.m,水位标高 1332.37m,风井检查孔抽水试验（K7、K8），单位涌水量 0.0435L/s.m,渗透系数 0.43m/d,水位标高 1375.15m,水质为 HCO3·SO4-Na 型，富水性弱。埋藏浅时，风化裂隙及节理发育，局部含小砾。钻进消耗量达 5.5m3/h,一般钻进消耗量在 0.5m3/h 以下，泉水流量 0.11L/s,但在西侧局部地段受王陶河补给可能局部富水，矿区南 2.6km 处 2023 号钻孔单位涌水量可达 0.177L/s.m.2.4 第四系砂砾层孔隙潜水含水层第四系全新统 Q4及上更新统 Q3,分布在矿区中北部河谷地带，岩性为灰白色砂质粘土、亚粘土砂砾层及砾石层，厚度变化大，层位不稳，依地形而异，该层渗水性含水性均好，由于受大气降水和地表水补给条件好，但埋藏厚度薄，不易形成强含水层，因此，属弱富水性孔隙潜水含水层。
3 矿井充水条件
3.1 矿井充水水源
3.1.1 大气降水矿井充水水源无论是地表水或地下水都直接或间接地接受来自于大气降水的补给。以大气降水作为主要充水水源的矿坑涌水量及其主要涌水特点是涌水动态与当地降水动态相一致，呈现出明显的季节性变化和多年周期性变化。贾郭矿区气候干燥，降水量分配不均匀，历年降水集中在7~9月份。在矿区西部浅部地带，矿井涌水量的变化规律及水量的增大与降水量的多少有明显关系，并由于风化裂隙以及开采塌陷裂隙，形成了集中补给。
3.1.2 地表水矿区内河流属黄河流域汾河水系，地表河流主要为王凤河，王凤河由东向西贯穿矿区，平时为溪流或干枯，在雨季流量增大，矿区西侧的后沟河、王陶河在古寨与王凤河汇成龙凤河，为季节性河流，矿区南部为近东西向的下城艾河，西流汇入王陶河。矿区内 1 号煤层为最上一层可采煤层，煤层露头位于矿区西部，煤层顶板多为中粒砂岩及细粒砂岩，成分以石英为主，次为长石，采煤形成顶板导水裂隙带最大高度约 33.41m,1 号煤层采动导水裂缝带在矿区西部煤层浅埋处可达到地表，尤其在王陶河东侧，1 号煤层采动导水裂缝与上覆砂岩体及王陶河潜水发生水力联系，从而对矿井开采产生影响。因此，地表水成为矿井开采的主要充水水源之一。
3.1.3 煤系地层裂隙水矿井顶板导水裂缝带将沟通其发育范围内各含水层间水力联系，通过导水裂缝带向矿井充水，为矿井充水的主要来源。根据导水裂隙带最大高度经验公式（《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》），矿区岩石类型为中硬，导水裂缝带（Hli）的高度可用下式计算：【1】
式中：M -累计采煤厚度 （m）；根据上述计算公式计算可知，贾郭煤矿开采1、2、3、7下、9+10、10下、11 号煤层直接充水含水层为山西组、下石盒子组砂岩裂隙含水层和太原组石灰岩岩溶裂隙含水层。
山西组 1 号煤层开采后，在导水裂隙带高度范围内的含水层将被破坏，局部裂隙可达地表，地表水可通过导水裂隙带进入井下，对矿井生产造成一定影响。
太原组 9+10 号煤层开采后，导水裂隙带将破坏其上部的灰岩含水层，在矿区西部埋藏浅处导水裂隙带可达地表，受大气降水、地表水和孔隙地下水补给，富水性较好，会对矿井产生一定影响。
3.1.4 奥陶系岩溶水根据 JG3-1、JG6-1 两个水文孔的资料，且根据水力坡度推出本矿区奥陶系中统岩溶水水位标高在 1140 ~ 1250m之间，矿区内山西组 1、2、3 号煤层底板标高分别在980~1490m、950~1410m、950~1410m之间，太原组7下、9+10、10下、11 号煤层底板标高分别在 890 ~ 1390m、850 ~ 1350m、850 ~ 1330m、850 ~ 1330m 之间。各煤层底板标高局部或大部低于岩溶水水位标高，属局部或大部带压开采矿床。
矿区 1 号煤层最大突水系数 0.0185MPa/m,2 号煤层最大突水系数0.0215MPa/m,3号煤层最大突水系数0.0231MPa/m,7下号煤层最大突水系数 0.0330MPa/m,9+10 号煤层最大突水系数0.0494MPa/m,10下号煤层最大突水系数0.0525MPa/m,11 号煤层最大突水系数 0.0554MPa/m.根据《煤矿防治水规定》：底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06Mpa/m,正常块段不大于 0.1Mpa/m,即具有构造破坏的地区，安全突水系数为 0.06（MPa/m），无构造破坏的地区，安全突水系数为 0.10（MPa/m）。本矿区为有构造破坏地区。1、2、3、7下、9+10、10下、11 号煤层最大突水系数均小于临界突水系数（0.06MPa/m），可以满足带压开采的要求，奥陶系灰岩岩溶水对矿区内上述煤层突水的可能性小。
3.2 矿井充水通道
矿井充水必备的两个条件：一是充水水源，二是充水途径。只有两个条件都具备了才有可能发生突水。
3.2.1 断裂及破碎带构造裂隙（断裂），它包括各种节理、断层、断裂破碎带和陷落柱等，是矿井充水和矿井透水的主要通道。构造裂隙对矿井充水的影响，一方面表现在其本身的富水性；另一方面又往往是各种水源进入采掘工作面的天然通道。所以，当采掘工作面和它们相遇或接近时，与它有关的水源则会通过它们涌入井下。矿区总体构造古寨村以北为一轴向北北西的一组背、向斜构造；古寨村以南为走向 NW - SE、倾向NE 的单斜构造，地层倾角一般 6-14°。矿区北部边界发育有王和南断层，落差 100 ~ 320m,矿区内发育 1 条逆断层，落差 40-85m,落差在 10 ~ 40m 的正断层 10 条，发现 3 个长轴直径 70 ~ 120m 的陷落柱。断裂构造沟通了各含水层之间的水力联系，便破坏了地下水的天然流场，成为地下水进入矿井的良好通道。
3.2.2 煤层开采后因顶板冒落而形成的采后裂隙顶板破坏也是一种人为的充水途径，由于煤层开采后采空区上方顶板岩层失去支撑和平衡，会产生变形，以致破坏，这就会给上部含水层提供充水途径。随着矿井的大面积开采，导水裂隙带成为各种水源进入矿井的主要通道。
3.2.3 井巷工程连通井巷施工过程中揭露并连通了所经过的含水层组，由于巷道壁后封闭止水不良，会使得浅部孔隙水或基岩风化带裂隙水渗入井下，就会出现矿井巷道出水点渗水，现状条件下，井筒渗水是贾郭矿井充水的主要形式之一。
3.2.4 封闭不良的钻孔导通按规定，勘探时施工的各种钻孔，在工作结束后都要按要求进行封闭，如果封孔质量未达到标准要求，钻孔就成了煤层与其顶底板含水层或地表水之间的充水通道。在开采过程中，遇到或接近它们时，就会引起涌水或造成淹井事故。
4 矿井充水状况
4.1 矿井充水状况
根据矿井开拓面积，开采各煤层主要充水水源为顶板砂岩或石灰岩裂隙水，矿井涌水以顶板淋水为主，局部裂隙出水量较大，矿坑水经过排水渠流到水仓，矿井涌水量水量变化在西部浅埋区与降雨量关系较密切，大气降水沿风化裂隙以及开采塌陷裂隙进入井下。据调查，在管道斜井（与回风斜井的联络巷附近）和副斜井附近的巷道内有涌水点，出水量分别为40m3/h和80m3/h,充水水源为K2石灰岩裂隙水，K2 灰岩在西部浅埋区与基岩风化带裂隙水及地表水发生水力联系，K2 含水层在该地段富水性增强。后经灌浆封堵，出水量变小为 30m3/h 和 10m3/h,但又在回风斜井（与管道斜井的联络巷附近）出现新的涌水点，出水量为 80m3/h,灌浆封堵前后 K2 含水层总体出水量不变，涌水量为 120m3/h.
矿区东部 K2 灰岩煤层埋藏较深，导水裂隙带高度达不到地表，富水性弱，矿井正常涌水量为 150m3/d,最大涌水量为240m3/d.
4.2 矿井涌水量预算
根据矿井生产能力（180 万 t/a）预算各煤层涌水量。
4.2.1 预算方法及参数现根据富水系数比拟法预算当矿井开采各煤层生产能力达到设计生产能力 180 万 t/a 时的矿井涌水量，有关参数采用贾郭煤矿生产矿井调查及统计。
计算公式为 Q=×Q0P0×PQ0- 生产矿井涌水量 m3/d,Q- 设计矿井涌水量 m3/d,P0- 生产矿井开采量 （833t/d），P- 设计矿井开采量 （5000t/d）。
本矿生产矿井涌水量 Q01 号煤层：正常涌水量 290m3/d;最大涌水量 345m3/d9+10、11 号煤层：正常涌水量 355m3/d;最大涌水量395m3/d4.2.2 预测结果1 号煤层预测的涌水量：Q 正常 =Q0=290×5000=1740m3/dP0×P 833Q 最大 =Q0=345×5000=2070m3/dP0×P 833当矿井开采 1 号煤层生产能力达到 180 万 t/a 时，则矿井涌水量预计正常为 1740m3/d,最大为 2070m3/d.2、3、7下号煤层充水含水层主要为砂岩裂隙水，矿井涌水量与 1 号煤层比较接近。
9+10、10下、11 号煤层预测的涌水量：Q 正常 =Q0=355×5000=2130m3/dP0×P 833Q 最大 =Q0=395×5000=2370m3/dP0×P 833当矿井开采 9+10、10下、11 号煤层生产能力达到 180万 t/a 时，则矿井涌水量预计正常为 2130m3/d,最大为2370m3/d.加上 K2 灰岩出水点涌水量 2880m3/d（120m3/h），预计矿井涌水量正常为 5010m3/d.
5 结论
根据历年来生产矿井水文地质观测资料综合本次研究认为 , 贾郭矿区的水文地质具有如下特征。
5.1 矿区含水层及其主要特征
矿区内含水岩组主要有第四系砂砾层孔隙潜水含水层、二叠系砂岩裂隙含水层、太原组碳酸盐岩岩溶裂隙含水层、奥陶系中统碳酸盐岩岩溶裂隙含水层。第四系砂砾层孔隙潜水含水层主要分布矿区中北部河谷，富水性不强。二叠系砂岩裂隙含水层是矿区的直接充水含水层，但富水性不强。碳酸盐岩含水岩组，是矿区间接充水含水层。太原组碳酸盐岩含水岩组富水性弱，峰峰组富水性较弱，在非构造地段，峰峰组上段可视为弱隔水层；上马家沟组含水岩组是威胁矿区的主要间接水源。在有导水断裂存在的地段，上马家沟岩溶水沿断裂带涌入矿井，将造成淹井事故。
5.2 矿井充水状况
开采各煤层主要充水水源为顶板砂岩或石灰岩裂隙水，矿井涌水以顶板淋水为主，局部裂隙出水量较大，矿坑水经过排水渠流到水仓，矿井涌水量水量变化在西部浅埋区与降雨量关系较密切，大气降水沿风化裂隙以及开采塌陷裂隙进入井下。
5.3 矿井涌水量
当矿井开采各煤层生产能力达到设计生产能力 180 万 t/a时，根据富水系数比拟法预算矿井涌水量，开采 1、2、3、7下号煤层时，矿井涌水量预计正常为1740m3/d,最大为2070m3/d.开采9+10、10下、11号煤层时，矿井涌水量预计正常为2130m3/d,最大为2370m3/d,加上K2灰岩出水点涌水量2880m3/d（120m3/h），预计矿井涌水量正常为 5010m3/d.
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