郭屯矿井田水文观测网设计与布置

管 笛，许光泉，高宇航，李亚昊

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

1 引言

受相关因素影响下, 地下水水位、水量、水质、水温等随时间的变化状况即地下水动态。从地下水动态中可获取含水层或含水系统信息。地下水动态的重要性体现在验证得出的水文地质结论以及采取的措施是否正确。水文观测网可以对地下水位及水质变化过程进行实时监测，水文观测网的壮大，地下水的不合理开采现象等产生，地下水水位下降及水质污染等问题接布设密度、监测点的合理性直接影响地下水动态研究准确性[1～3]。

随着经济的迅速发展和城市规模不断扩大，以至地下水动态的监测至关重要。为此，以山东菏泽郭屯矿为对象，进行水文观测网的布设，达到提供地下水动态实时信息，为预防井筒变形和地面沉降提供基础数据以及防治提供依据。

2 地质与水文地质背景

郭屯煤矿位于山东省菏泽市巨野煤田的中北部，东以田桥断层为界，西以煤系地层隐伏露头为界[4]。区内皆为正断层，地层由老至新是奥陶系、石炭系、二叠系、新近系和第四系。新生界松散层岩性以粘土、砂质粘土为主，局部为细砂；二叠系以泥岩、粉砂岩为主，为煤系地层，主采煤层是3煤；石炭系以砂岩、泥岩为主，夹薄煤层及动植物化石；奥陶系以灰岩为主[5]。

矿区分为新生界松散砂砾孔隙、二叠系石盒子组砂岩裂隙、二叠系山西组3煤顶、底板砂岩裂隙、石炭系太原组岩溶裂隙以及奥陶系岩溶含水层。其中3煤顶、底板砂岩裂隙含水层在3煤被开采时与上部含水层有一定水力联系，而太原组第三层灰岩距3煤距离较短，可能会出现3煤底板突水现象[5]。

矿区基本构造形态为走向南北，倾向东的单斜构造，地层倾角5°～10°，宽缓褶曲发育该构造属于高等构造类型。

3 水文观测孔设计、施工原则

水文观测网平面布置要考虑到：整个井田开采范围对地面沉降影响导致观测孔破坏；能够监测整个井田“底含”水位分布，形成一个地下水流场变化趋势或地下水降落漏斗；能够监测工作面采动后不同含水层水位变化趋势及其相互水力联系，即“底含”上覆含水层、“底含”、“基岩风化带”、太灰和奥灰之间的水力联系[6]；充分考虑3煤层在浅部开采(薄基岩开采)对上覆岩层的破坏，导致风化带、太灰和奥灰之间水力联系；考虑未来采动过程中奥灰通过岩溶通道(如陷落柱)对采区的影响；满足地面沉降计算要求。

4 各含水层观测网

4.1 各含水层水文观测孔布置数量

通过对郭屯煤矿矿区钻孔资料整理，绘制得到的矿区3煤顶到基岩面厚度等值线图(图1)。由3煤顶到基岩面厚度等值线分布可以看出：矿区自西向东3煤顶到基岩面厚度逐渐增加，煤层呈单斜分布。结合对矿区水文地质条件及开采情况的分析，拟定各含水层的观测孔的数量如下。

(1)底含以上含水层观测孔网，拟建3个。底含与上部含水层之间存在较厚的隔水层厚度为125.2～172.9 m，两含水层可能无水力联系或存在较弱的水力联系，因此在底含以上含水层拟建3个观测孔来反映“底含”以上含水层与“底含”是否存在水力联系。

(2)底含观测网，拟建12个，分布于整个矿区。根据立井井筒周边布置的检验孔对“底含”进行水位观测，各个检验孔底部含水层水位均处于下降的状态。底部含水层水位发生明显变化，据研究可能与采空工作面扰动与井下疏放水有关，底含水位变化为关注的重点，因此在整个矿区布置12个观测孔，在三灰与奥灰露头之间、三灰露头与80 m煤柱之间、采区及工业广场附近沿地层走向方向分别布置3个观测孔，达到监测整个井田“底含”水位分布，形成一个地下水流场变化趋势或地下水降落漏斗的目的。

图1 3煤顶到基岩面厚度等值线

(3)基岩风化带含水层观测网，拟建4个。通过3煤顶到基岩面厚度等值线可以看出，自西部灰岩露头区向东，3煤顶到基岩面厚度逐渐增加，煤层成单斜分布，3煤与基岩风化带含水层间的水力联系在露头区附近联系最为密切，因此在露头区附近沿地层走向方向布置3个观测孔，监测水位变化及与其他含水层水力联系，并在工业广场附近布置1个观测孔，为预防井筒变形和地面沉降提供基础数据。

(4)太原组灰岩含水层观测网，沿三灰露头布置4个。矿区西部为灰岩露头区，新生界松散层与太灰及奥灰地层直接接触，新生界松散层含水层中水向露头区附近汇集，并通过露头沿地层倾向方向对采区进行补给。三灰与3煤底板之间距离为65 m左右，当水压大于3.9 MPa时会对3煤造成突水威胁。因此在太灰与奥灰露头区之间沿地层走向方向在太灰含水层中布置4个钻孔，以监测太灰水位变化情况，并分析3煤层在浅部开采(薄基岩开采)对上覆岩层的破坏，导致风化带、太灰和奥灰之间水力联系程度。

(5)奥陶系含水层观测网(沿奥灰基岩露头风化带4个)。奥灰含水层顶距三灰底部距离为150 m左右，距离较厚，但矿区内构造较为复杂，若存在岩溶陷落柱，则奥灰水可通过陷落柱向三灰补给，对3煤层的开采造成威胁。在三灰露头与奥灰露头之间沿地层走向方向布置4个奥灰观测孔以监测奥灰水位变化情况，并分析其与其它含水层间水力联系。观测孔位置如图2所示。

图2 观测孔布置图

4.2 水文观测孔滤水管位置

根据各含水层顶、底板标高及厚度情况，对其水文观测孔进行布置，各含水层水文观测孔滤水管长度为该含水层厚度的4/5，滤水管上部距含水层顶板为含水层厚度的1/10，滤水管下部距含水层底板为含水层厚度的1/10，其中奥陶系灰岩地层未被揭穿，奥灰观测孔滤水管布置于奥灰含水层顶板以下10 m到30 m之间，滤水管长度20 m，具体布置位置情况如表1所示。

表1 各含水层观测孔布置情况

4.3 水文观测孔套管结构

4.3.1 底含以上含水层观测孔套管结构

(1)垂向上井管结构：套管+滤水管(含水层)+套管+沉淀管(图3)。

图3 钻孔结构

(2)孔径设计满足抽水及自动化后期观测要求[7]。

4.3.2 底含观测孔套管结构

(1)垂向上井管结构：套管+滤水管(含水层)+套管+沉淀管(图3)。

(2)孔径设计满足抽水及自动化后期观测要求。

(3)考虑井田开采范围内后期采动对覆岩破坏，而影响“底含”观测孔的使用。

4.3.3 基岩风化带含水层观测孔套管结构

(1)垂向上井管结构：套管+滤水管(含水层)+套管+沉淀管(图3)。

(2)孔径设计满足抽水及自动化后期观测要求。

(3)滤水管垂向深度设计和布置充分考虑到采动对其影响，确保其与采动裂隙带发生沟通。

4.3.4 3-4灰含水层观测孔套管结构

(1)垂向上井管结构：套管+滤水管(含水层)+套管+沉淀管(图3)。

(2)孔径设计满足抽水及自动化后期观测要求。

(3)滤水管垂向深度设计和布置充分考虑到“三灰-四灰”露头以下的厚度。

5 地下水观测自动化监测系统

矿区地下水监测系统是掌握各充水含水层地下水变化规律、了解因采动对不同含水层地下水影响状况、为研判矿井充水水源、及时采取防治水措施的重要监测手段[9]。矿区地下水监测系统可对地下水的水位、水温、水质等参数进行长期监测并自动存储监测数据，并对不同含水层的地下水变化规律进行动态分析[10]。

地下水监测系统依托既有的GPRS(或CDMA、4G、NB-IOT)无线网络进行建设，具有投资成本低、建设速度快、无通信距离限制等优点。系统支持矿区地下水通信规约，已在全国各地地下水监测工程中广泛应用。

6 结论

为监测各含水层之间水位动态变化与水力联系，本文以郭屯矿地区作为研究对象,根据已有水文数据资料,掌握该地区的水文地质条件，各含水层的观测孔的数量之和拟定为27个，以此达到为控制地面沉降防治提供依据。