李雅莊煤礦區(qū)地下水運(yùn)移規(guī)律及水質(zhì)特征研究

趙永強(qiáng)，劉彥俊，王春海

（1.霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司李雅莊煤礦，山西霍州 031400； 2.霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研究院，山西霍州 031400）

李雅莊煤礦區(qū)地下水運(yùn)移規(guī)律及水質(zhì)特征研究

趙永強(qiáng)1，劉彥俊2，王春海1

（1.霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司李雅莊煤礦，山西霍州 031400； 2.霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研究院，山西霍州 031400）

李雅莊煤礦礦區(qū)受南側(cè)什林撓褶斷裂帶和東側(cè)霍山斷裂帶的控制形成地下水滯流區(qū)，井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造及陷落柱均非常發(fā)育，各主要含水層水質(zhì)與霍州礦區(qū)整體水質(zhì)存在較大差異。主要表現(xiàn)在太原組灰?guī)r、奧陶系O2f的水質(zhì)與霍州礦區(qū)相比陽(yáng)離子Na+含量明顯偏高，且占主要成分。奧陶系O2s的水化學(xué)類型雖然Ca2+離子含量有所增加，但Na+含量依然明顯偏高。通過(guò)對(duì)礦井地質(zhì)構(gòu)造和陷落柱發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，并對(duì)礦井主要含水層水質(zhì)進(jìn)行綜合分析，得出在李雅莊礦區(qū)特殊徑流條件下地下水特性及運(yùn)移規(guī)律。

斷層控水；巖溶塌陷；水化學(xué)特征

霍州煤電集團(tuán)李雅莊煤礦位于山西省中南部，霍西煤田中部，目前主要開(kāi)采山西組2號(hào)煤層。井田內(nèi)總體構(gòu)造為一走向北東，傾向南東的單斜構(gòu)造，地層傾角一般為10°左右。中部陳家洼向斜兩翼至李雅莊村東，有一近北北東向的陡斜地帶，其寬約500 m，地層傾角一般15°～25°之間。根據(jù)本礦水文地質(zhì)條件分析，受區(qū)域構(gòu)造控制、沉積環(huán)境、巖性組合特征與地下水循環(huán)條件等因素的影響，各含水層所含地下水水化學(xué)特征及補(bǔ)給來(lái)源不盡相同。

1 井田阻水邊界斷裂構(gòu)造發(fā)育特征

李雅莊礦區(qū)東部阻水邊界是以近南北向展布的霍山大斷層為界，該大斷層走向長(zhǎng)約64 km，斷距達(dá)3 000 m左右，斷層?xùn)|盤古老的變質(zhì)巖系（AIH）與斷層西盤寒灰（∈）、奧灰（O）及煤系地層對(duì)接，形成了地下水向東移的阻水屏障，不僅構(gòu)成了太原盆地與靈石隆起的邊界，也構(gòu)成了郭莊泉域的阻水邊界[1-3]。井田南部阻水邊界是以走向近東西向的什林撓褶斷裂帶為界，該斷層走向長(zhǎng)度約為25 km，斷層平面呈“緩S”形態(tài)。斷層?xùn)|段走向NE向，與NNE向的霍山斷層成“入”字形交匯，斷距約為90 m，李雅莊礦區(qū)位于什林?jǐn)鄬又卸危瑪嗑嗉s為175 m，斷層上盤的上石盒子組與斷層下盤的奧陶紀(jì)峰峰組對(duì)接，形成了地下水南移的阻水邊界。雖然李雅莊井田受構(gòu)造控制影響整體處于滯流區(qū)，但由于什林?jǐn)鄬酉驏|部延伸斷距逐漸減小，因此該區(qū)域地下巖溶水徑流方向?yàn)閺奈鞅毕驏|南方向通過(guò)什林?jǐn)鄬悠扑閹г傧蚰线\(yùn)移。

2 井田內(nèi)斷層構(gòu)造發(fā)育特征

斷層是本井田的主要構(gòu)造，斷層性質(zhì)多為正斷層，走向多為NE。目前井田發(fā)現(xiàn)斷層263條，其中落差大于50 m的斷層共4條，如表1所示；20～50 m之間的斷層共17條；落差在5～20 m之間的40條；小于5 m的202條?？傮w來(lái)看，該井田主要斷層為傾向NW的階梯正斷層。

2.1 F2斷層的導(dǎo)水作用

井田內(nèi)F2斷層的導(dǎo)水作用主要表現(xiàn)在深層奧灰含水層對(duì)接滲透與斷層減小、尖滅端的繞流兩種方式。

F2斷層在井田最北部落差達(dá)到90 m并穿過(guò)井田邊界，中部發(fā)育落差約為60 m，在井田西南部逐漸尖滅。通過(guò)統(tǒng)計(jì)斷層附近相關(guān)地質(zhì)及水文鉆孔資料，分析F2斷層落差90 m時(shí)和60 m時(shí)斷層上下盤地層對(duì)接關(guān)系，發(fā)現(xiàn)受地層發(fā)育情況影響，在斷層中段與井田最北部斷層段，斷層下盤奧灰峰峰組均與上盤太原組灰?guī)r對(duì)接，斷層導(dǎo)水主要通過(guò)斷層兩側(cè)含水層的對(duì)接側(cè)向滲透補(bǔ)給，F(xiàn)2斷層兩盤地層對(duì)接關(guān)系圖及滲流方向，見(jiàn)圖1。

在斷層南段，斷距減小尖滅范圍內(nèi)，斷層兩盤奧灰含水層連續(xù)或小距離錯(cuò)開(kāi)，處于該區(qū)域的徑流-排泄區(qū)，上盤奧灰水在斷層尖滅端以繞流的方式補(bǔ)給下盤奧灰含水層。盡管該礦區(qū)處于區(qū)域滯流區(qū)，但由于在斷層尖滅端裂隙及陷落柱較為發(fā)育，因此整體水流方向依然是以繞流為主。

2.2 F2斷層對(duì)兩盤水文地質(zhì)條件的控制

2.2.1 斷層對(duì)上盤水文地質(zhì)條件的控制

對(duì)地下水流場(chǎng)的控制：斷層的上盤靠近郭莊泉域徑流區(qū)，由于受南側(cè)什林撓褶斷裂帶的阻水性影響，因此此段地下水流通條件較差。但從地層發(fā)育情況看，該段無(wú)褶皺及斷裂構(gòu)造發(fā)育，地勢(shì)北高南地，巖溶地下水逕流、排泄暢通。

對(duì)奧灰含水層富水性的控制：由于受什林撓褶斷裂帶的控制，使該區(qū)段地下水運(yùn)移受到很大程度的抑制，造成含水層富水性差異，展現(xiàn)出由北往南逐漸增強(qiáng)的特征。南段斷層尖滅區(qū)，巖溶裂隙極其發(fā)育。斷層尖滅端附近開(kāi)采2號(hào)煤層面積3.84 km2，共揭露斷層178條，平均密度為38條/km2，巖溶陷落柱揭露196個(gè)，密度達(dá)51個(gè)/km2，導(dǎo)水性和褚水性較強(qiáng)。2006年8月12日，該區(qū)段2-211工作面在+217 m標(biāo)高出現(xiàn)陷落柱導(dǎo)水，最大水量52 m3/h，其水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果，鈣鎂離子確定為太原組灰?guī)r水。在區(qū)段北部及西北部，根據(jù)地面三維地震揭露情況陷落柱及構(gòu)造均較少發(fā)育。

2.2.2 斷層對(duì)下盤水文地質(zhì)條件的控制

對(duì)地下水流場(chǎng)的控制：斷層下盤奧灰含水層主要補(bǔ)給是來(lái)自上盤深部奧灰水的側(cè)向徑流補(bǔ)給。在發(fā)生突水形成排泄區(qū)時(shí)，在南段局部接受同層含水層的繞流補(bǔ)給。巖溶水的逕流方向總體是由西北向東南方向繞流補(bǔ)給。該區(qū)段太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙水水化學(xué)特征主要為HCO3-Na型，水化學(xué)類型單一，礦化度為0.834～1.028 g/L，pH值7.89～8.27，為堿性水。中奧陶統(tǒng)峰峰組巖溶裂隙水水化學(xué)特征以HCO3-Na型為主，其次為HCO3· SO4-Na型。地下水SO42-離子含量較高，陽(yáng)離子以Na+離子為主，礦化度一般為0.982～2.218 g/L，pH 值7.86～8.62，為堿性水。中奧陶統(tǒng)上馬家溝組巖溶裂隙水水化學(xué)特征以SO4·HCO3-Ca·Na為主，陰離子SO42-和Cl-離子含量明顯增加，而HCO3-離子含量則明顯降低；陽(yáng)離子Na+含量明顯降低，Ca2+離子含量有所增高，礦化度有所降低。從各主要含水層水質(zhì)特征可以看出，陽(yáng)離子Na+含量明顯偏高，甚至在太原組灰?guī)r水和中奧陶統(tǒng)峰峰組巖溶裂隙水中占主導(dǎo)地位，主要原因是由于井田南部巖溶塌陷，地下水滯留導(dǎo)致Ca2+、Mg2+離子與Na+離子長(zhǎng)期置換造成。也進(jìn)一步驗(yàn)證該區(qū)段巖溶水的逕流方向總體是由西北向東南方向繞流補(bǔ)給造成。

對(duì)奧灰含水層富水性的控制：區(qū)段內(nèi)主要灰?guī)r巖溶含水層埋藏較深，地下水長(zhǎng)期處于滯流狀態(tài)。受所處的構(gòu)造部位影響，其賦水性不均一。2012年3月，該區(qū)段六采區(qū)末端水倉(cāng)發(fā)生隱伏陷落柱滯后出水，最大突水量400 m3/h，水質(zhì)類型為HCO3-Na型，為中奧陶統(tǒng)峰峰組巖溶裂隙水。經(jīng)過(guò)兩年的長(zhǎng)期排放觀測(cè)，目前水量穩(wěn)定在300 m3/h左右，位于該區(qū)段的奧灰觀測(cè)孔呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，但位于上盤的LK6水位觀測(cè)孔卻無(wú)明顯下降趨勢(shì)。分析認(rèn)為F2斷層對(duì)下盤奧灰含水層富水性起一定控制作用。

3 井田陷落柱展布規(guī)律

井田在2號(hào)煤層生產(chǎn)過(guò)程中，共揭露陷落柱234個(gè)，平均密度為69個(gè)/km2，給生產(chǎn)帶來(lái)不利影響。但在開(kāi)采過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在井田南部F2斷層尖滅端附近，陷落柱發(fā)育尤為密集。井田東部及東北部地區(qū)，根據(jù)現(xiàn)有開(kāi)采的6個(gè)工作面揭露情況及地面三維地震探測(cè)情況顯示，陷落柱發(fā)育明顯減少[4]。究其原因主要是受地下水運(yùn)移環(huán)境的影響。井田構(gòu)造發(fā)育及奧陶系O2f灰?guī)r水徑流方向，見(jiàn)圖2。

4 井田地下水化學(xué)特征分析

根據(jù)2012年李雅莊煤礦水文地質(zhì)勘查成果，對(duì)礦區(qū)主要含水層地下水水化學(xué)特征進(jìn)行分析，并利用環(huán)境同位素方法進(jìn)行水體來(lái)源研究。結(jié)果表明李雅莊礦區(qū)各含水層地下水水質(zhì)存在一定差異；石炭系太原組巖溶裂隙水水質(zhì)類型單一，與二疊系裂隙水相比，陰離子SO42-含量明顯偏低，陽(yáng)離子Na+含量則明顯偏高；奧陶系峰峰組巖溶水水質(zhì)相對(duì)復(fù)雜，并呈現(xiàn)出明顯的水平分帶性；奧陶系上馬家溝組巖溶水與峰峰組巖溶水相比，水質(zhì)類型及陰、陽(yáng)離子含量均有明顯差異。環(huán)境同位素研究結(jié)果表明，水樣δD、δ18O值偏離當(dāng)?shù)赜晁€較遠(yuǎn)，說(shuō)明太原組巖溶裂隙水及奧陶系巖溶水接受大氣降水補(bǔ)給條件相對(duì)較差；水樣氚濃度分析結(jié)果說(shuō)明太原組巖溶裂隙水及奧陶系巖溶水未接受近年大氣降水的補(bǔ)給，屬于古水和新近入滲水以及二者混合水[5-6]。

太原組灰?guī)r及奧陶紀(jì)峰峰組灰?guī)r水陽(yáng)離子Na+含量占較大比例，主要是由于各含水層在長(zhǎng)期滯留過(guò)程中水中的Ca2+同碎屑類巖石發(fā)生離子交換使Na+離子含量富集。中奧陶統(tǒng)上馬家溝組巖溶裂隙水與奧灰（O2f）含水層水化學(xué)類型及陰、陽(yáng)離子含量均有明顯差異，主要表現(xiàn)在水化學(xué)類型的明顯變化，即中奧陶統(tǒng)峰峰組含水層以HCO3·SO4-Na型為主，而O2s含水層則為SO4·HCO3-Ca·Na。陰離子SO42-和Cl-離子含量明顯增加，而HCO3-離子含量則明顯降低；陽(yáng)離子Na+含量明顯降低，Ca2+離子含量有所增高，礦化度有所降低。這主要是由于隨著埋藏的加深區(qū)域及井田地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地下水運(yùn)移影響減小所致。

5 結(jié)論

根據(jù)李雅莊礦區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制條件及礦區(qū)主要含水層的地下水化學(xué)特征進(jìn)行分析得出如下結(jié)論：1）區(qū)域大型構(gòu)造對(duì)礦區(qū)的地下水運(yùn)移規(guī)律起決定性作用，李雅莊礦由于受什林撓褶斷裂帶和霍山斷裂帶的影響形成地下水滯流區(qū)，區(qū)域徑流條件較差。但通過(guò)對(duì)主控?cái)鄬拥目厮饔眠M(jìn)行研究，分析其對(duì)井田主要含水層水的徑流條件的影響，為以后研究類似地質(zhì)條件下的地下水運(yùn)移規(guī)律提供了理論依據(jù)。2）在地下水滯流區(qū)，水化學(xué)特征往往復(fù)雜多變，與區(qū)域水化學(xué)特征區(qū)別明顯。通過(guò)對(duì)李雅莊礦礦區(qū)地下巖溶水化學(xué)特征進(jìn)行分析，可以看出巖溶塌陷對(duì)地下水的水化學(xué)特征起一定導(dǎo)向作用。

[1]徐樹(shù)媛.李雅莊礦區(qū)地下水水化學(xué)及環(huán)境同位素特征研究[J].南水北調(diào)與水力科技，2013，11（2）:67-70.

[2]邱蘇，徐永清，岳洪波，等.三維地震勘探技術(shù)在李雅莊煤礦應(yīng)用效果分析[J].能源技術(shù)與管理，2006（6）:15-17.

[3]張人權(quán)，周宏，陳植華，等.山西郭莊泉巖溶水系統(tǒng)分析[J].地球科學(xué)—中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1991，16（1）:1-17.

[4]李曦濱，常輝.山西省霍州礦區(qū)水文地質(zhì)條件及礦井充實(shí)條件分析[J].中國(guó)煤田地質(zhì)，2007，（52）:34-37.

[5]李建林，張洪云，馮有利，等.煤礦斷層構(gòu)造復(fù)雜程度的非線性分析[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2011，22(4)：69-73.

[6]劉國(guó)林，潘懋.煤礦斷層充水特征研究[J].煤礦安全，2009，35(7)：92-94.

Movement Law and Quality of Underground Water in Liyazhuang Mine

ZHAO Yongqiang1,LIU Yanjun2,WANG Chunhai1
(1.Liyazhuang Mine,Huozhou Coal Electricity Group Co.,Ltd.,Huozhou 031400,China; 2.Technology Institute of Huozhou Coal Electricity Group Co.,Ltd.,Huozhou 031400,China）

In Liyazhuang mine,underground water stagnant area formed under the control of Shenlin flexural fault zone in the south and Huoshan fault zone in the east.Geological structure and collapse columns are well-developed in the mine;water quality of each main aquifer is different from the overall quality of Huozhou mine area.The content of Na+in the water(being a prominent component)of Taiyuan group limestone and Ordovician O2f is obviously higher than that of Huozhou mine.In terms of hydrochemical type of Ordovician O2s,the content of Ca2+increases,but the content of Na+is still high. The comprehensive analysis of the water quality of the main aquifers concluded the movement law and quality of the underground water by the geological structure and collapse columns'development in Liyazhuang Mine.

water control in fault;karst collapse;chemical characteristics of water

P641

A

1672-5050（2015）02-0013-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.005

（編輯：樊敏）

2015-01-25

趙永強(qiáng)（1971-），男，山西霍州人，大學(xué)本科，工程師，從事煤礦地質(zhì)管理工作。