郝家圪塔井田水文地質(zhì)條件研究

薛奮宏

（山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西晉中030620）

郝家圪塔井田水文地質(zhì)條件研究

薛奮宏*

（山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西晉中030620）

通過(guò)對(duì)郝家圪塔井田區(qū)域水文地質(zhì)條件的研究，結(jié)合本次施工的鉆孔資料，分析井田地表水和氣象條件、主要含水層隔水層及地下徑流的補(bǔ)、徑、排條件，研究地下水對(duì)煤層開(kāi)采的影響，確定井田水文地質(zhì)類(lèi)型，為今后煤礦開(kāi)采提供一定指導(dǎo)作用。

水文地質(zhì)；含水層；充水因素；突水系數(shù)

1 井田概況

郝家圪塔井田位于山西省中陽(yáng)縣暖泉鎮(zhèn)乾村—喬家塔村—武家莊鎮(zhèn)南曲—南嶺上村一帶，行政區(qū)劃隸屬山西省中陽(yáng)縣暖泉鎮(zhèn)—武家莊鎮(zhèn)，在中陽(yáng)縣城南西220°方向，直距約26km處，位于山西省河?xùn)|煤田中部遠(yuǎn)景調(diào)查區(qū)內(nèi)，井田面積為20.3623km2。2012年3月至2013年3月，井田內(nèi)施工鉆孔23個(gè)，進(jìn)尺24091.96m。結(jié)合以往施工的7個(gè)鉆孔，為本次研究井田內(nèi)水文地質(zhì)條件提供了基礎(chǔ)資料。

2 區(qū)域水文地質(zhì)概況

本區(qū)域位于鄂爾多斯斷塊、興縣—石樓南北向褶帶的東側(cè)，與離石—中陽(yáng)菱形復(fù)向斜相鄰，地層總體傾向南西，呈一單斜構(gòu)造，由東向西出露地層依次有古生界奧陶系碳酸鹽巖、石炭系、二疊系、三疊系碎屑巖和新生界松散巖層。區(qū)域地貌可劃分為：剝蝕構(gòu)造中、低山區(qū)、剝蝕堆積黃土丘陵區(qū)和侵蝕堆積的河流谷地3種地貌形態(tài)。區(qū)域深部奧陶系巖溶地下水屬柳林泉域水文地質(zhì)單元。

區(qū)域地表水屬黃河流域的屈產(chǎn)河水系，季節(jié)性溝谷地表水由井田向南西流入暖泉河后，向西匯入屈產(chǎn)河，于柳林下堡村附近注入黃河。

3 井田內(nèi)水文地質(zhì)條件

井田內(nèi)溝壑縱橫，切割強(qiáng)烈，具典型的黃土地貌特征。在梁峁地帶多被第四系中上更新統(tǒng)黃土所覆蓋，溝谷中廣泛出露上第三系上新統(tǒng)紅土?；鶐r在喬家塔和井田北部黑土圪塔溝等溝谷中有出露，由東向西依次出露有二疊系上統(tǒng)石千峰組和三疊系下統(tǒng)劉家溝組、和尚溝組及中統(tǒng)二馬營(yíng)組等地層。

井田內(nèi)中部高南北低，最高點(diǎn)位于井田中東部上梁山頂上，海拔標(biāo)高1477.0m，最低點(diǎn)位于井田西南角喬家塔溝底，海拔標(biāo)高1105.4m，相對(duì)高差371.6m。

3.1 地表水與氣象條件

井田內(nèi)無(wú)常年性河流，從北向南依次有黑土圪塔溝、飲牛塔溝、喬家塔溝和暖泉河等溝谷，除喬家塔河常年有小水流外，全是季節(jié)性溝谷，溝中水量很小，喬家塔溝清水流量為13.7L/s（實(shí)測(cè)成果），其它溝谷平時(shí)水量均較小，只在雨季才有較大的洪水通過(guò)。

據(jù)中陽(yáng)縣氣象站資料，井田屬大陸性半干旱季風(fēng)氣候，多年平均降雨量為522.9mm，降雨較少，且多集中在7～9月份，多年平均年蒸發(fā)量為2146.4mm，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣候干燥。3～4月份多風(fēng)，多為西北風(fēng)。

3.2 主要含水層

本次施工水文孔3個(gè)，分別為ZK13、ZK14、ZK21。其中ZK13對(duì)山西組、太原組進(jìn)行了抽水試驗(yàn)；ZK14對(duì)奧陶系進(jìn)行抽水試驗(yàn)；ZK21對(duì)山西組、太原組、奧陶系進(jìn)行抽水試驗(yàn)，為綜合評(píng)價(jià)本井田內(nèi)水文地質(zhì)條件提供了較可靠依據(jù)。

（1）奧陶系巖溶裂隙含水層。奧陶系灰?guī)r在井田內(nèi)屬深埋型，據(jù)鉆孔資料，井田內(nèi)西南部埋藏最深，東北部埋藏最淺，根據(jù)ZK21鉆孔資料，井田F1斷層?xùn)|部奧灰水水位埋深376.55m，水位標(biāo)高為956.75m。據(jù)抽水試驗(yàn)資料，鉆孔單位涌水量達(dá)0.0977L/（s·m），滲透系數(shù)0.335m/d,水質(zhì)類(lèi)型SO4-Na型，硬度376.5度，礦化度5.251g/L，屬弱富水含水層。根據(jù)ZK14、ZK1-3鉆孔資料，井田F1斷層西部奧灰水水位埋深361.66～411.75m，水位標(biāo)高為952.20～952.91m。據(jù)ZK14鉆孔抽水試驗(yàn)資料，鉆孔單位涌水量達(dá)0.0309L/（s·m），滲透系數(shù)0.0724m/d,水質(zhì)類(lèi)型SO4-Na型，礦化度5.280g/L，屬弱富水含水層。

（2）石炭系上統(tǒng)太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類(lèi)巖溶裂隙含水層。井田內(nèi)沒(méi)有出露，根據(jù)本次施工的ZK21號(hào)鉆孔資料，含水層厚度35.66m，井田F1斷層?xùn)|部奧灰水水位埋深142.15m，水位標(biāo)高為1191.15m。據(jù)抽水試驗(yàn)資料，鉆孔單位涌水量達(dá)0.0132L/（s·m），滲透系數(shù)0.0132m/d,水質(zhì)類(lèi)型HCO3·SO4-Na型，礦化度0.574g/L，屬弱富水含水層。根據(jù)ZK13鉆孔資料，井田F1斷層西部奧灰水水位埋深195.86m，水位標(biāo)高為1171.04m。據(jù)抽水試驗(yàn)資料，鉆孔單位涌水量達(dá)0.0017L/（s·m），滲透系數(shù)0.0077m/d,水質(zhì)類(lèi)型SO4·Cl-Na型，礦化度2.368g/L，屬弱富水含水層。

（3）二疊系山西組砂巖以及山西組以上碎屑巖裂隙含水層。該組含水層以中粗砂巖為主。根據(jù)本次施工的ZK21號(hào)鉆孔資料，含水層厚度18.58m，井田F1斷層?xùn)|部奧灰水水位埋深104.36m，水位標(biāo)高為1228.94m。據(jù)抽水試驗(yàn)資料，鉆孔單位涌水量0.0026L/（s·m），滲透系數(shù)0.0142m/d,水質(zhì)類(lèi)型HCO3·SO4·Cl-Na型，礦化度0.538g/L，屬弱富水含水層。根據(jù)ZK13鉆孔資料，井田F1斷層西部奧灰水水位埋深166.42m，水位標(biāo)高為1200.48m。據(jù)抽水試驗(yàn)資料，鉆孔單位涌水量達(dá)0.0008L/（s·m），滲透系數(shù)0.0089m/d,水質(zhì)類(lèi)型HCO3·SO4-Na型，礦化度0.660g/L，屬弱富水含水層。

（4）新生界松散巖類(lèi)孔隙含水層。該含水層包括上第三系上新統(tǒng)和第四系中、上更新統(tǒng)以及全新統(tǒng)地層。

上第三系上新統(tǒng)地層廣泛出露于井田內(nèi)內(nèi)溝谷兩側(cè)，含水層為底部的半膠結(jié)狀礫石層，由于其不整合于基巖面之上，與基巖風(fēng)化裂隙構(gòu)成較好的含水層，但由于其連續(xù)性較差，補(bǔ)給條件也相對(duì)較差，且厚度不穩(wěn)定，故富水性差異較大，一般單井出水量10m3/d，屬弱富水含水層，水質(zhì)類(lèi)型為HCO3-Na型。

第四系中、上更新統(tǒng)地層多分布在梁峁之上，但由于溝谷坡度大，降水多形成地表徑流，對(duì)地下水補(bǔ)給有限，因此該含水層多為透水而不含水巖層，局部含上層滯水，水量微弱。

第四系全新統(tǒng)地層分布在暖泉河谷之中，含水層主要為砂礫石層，但由于含水層厚度小，單井出水量也不大，可供生活和灌溉用水，屬弱富水含水層，水質(zhì)類(lèi)型為HCO3·SO4-Na·Mg型，礦化度0.84g/L，水質(zhì)較好。

3.3 主要隔水層

（1）石炭系中統(tǒng)本溪組泥巖隔水層。據(jù)本次施工的ZK18、ZK20、ZK21和ZK22鉆孔資料，本溪組地層平均厚度26.59m。巖性以泥巖、粘土巖、鐵鋁巖為主，夾薄層石灰?guī)r，隔水性能較好，加之15號(hào)煤下無(wú)煤段平均厚度達(dá)36.9m，合計(jì)63.49m，是可采15號(hào)煤與奧陶系巖溶水之間重要的隔水層。

（2）二疊系中統(tǒng)上、下石盒子組泥巖隔水層。本組隔水層厚度較大，由數(shù)層泥巖和砂質(zhì)泥巖組成，垂直分布呈平行復(fù)合式結(jié)構(gòu)，裂隙不發(fā)育，為山西組頂部的隔水層，對(duì)松散巖類(lèi)孔隙水與風(fēng)化裂隙水的下滲起著良好的隔水作用。

3.4 井田內(nèi)地下水的補(bǔ)、徑、排條件

松散巖類(lèi)孔隙含水層主要接受大氣降水的補(bǔ)給，在雨后一定時(shí)間內(nèi)，各民井水位有上升現(xiàn)象，其徑流方向與地表水基本一致，向溝谷下游徑流。地面蒸發(fā)和人工開(kāi)采是主要的排泄方式。

深部山西組砂巖裂隙含水層和太原組灰?guī)r裂隙含水層主要是在其裸露區(qū)接受大氣降水的補(bǔ)給。各含水層屬于平行復(fù)合式結(jié)構(gòu)，含、隔水層間均處于分散隔離狀態(tài)，各含水層間的水力聯(lián)系被其間隔水層所阻隔，它們之間存在著一定的水位差，若無(wú)構(gòu)造溝通隔水層不遭破壞時(shí)，則各含水層間無(wú)互補(bǔ)關(guān)系。地下水主要以徑流為主，徑流方向一般沿巖層傾斜方向運(yùn)動(dòng)，排泄方式主要是礦坑排水。

奧陶系巖溶水的補(bǔ)給主要是裸露區(qū)接受大氣降水和地表水的入滲補(bǔ)給，井田內(nèi)為巖溶水徑流區(qū)，徑流方向由南東流向北西，最終排向柳林群泉，近年來(lái)人工開(kāi)采也是其主要排泄方式之一。

3.5 構(gòu)造對(duì)開(kāi)采煤層的影響

井田內(nèi)地層總體向西傾斜，呈單斜構(gòu)造，地層傾角5°～20°。東部有F1斷層1條，該斷層傾向北西，傾角60°～70°，斷距75～80m，區(qū)內(nèi)延伸長(zhǎng)4.08km，該斷層貫穿井田南北，將井田自然分為2個(gè)水文地質(zhì)單元。

由于井田奧灰水水頭多高于主采煤層底板，主采煤層均屬帶壓開(kāi)采煤層，斷層有可能形成導(dǎo)水通道，使巖溶水涌入礦井，造成水害，因此開(kāi)采煤層時(shí)一定要沿?cái)鄬恿糇惚０裁簤Γ瑫r(shí)必須重視對(duì)隱伏斷層以及其它構(gòu)造形跡的發(fā)現(xiàn)與研究。以防斷層導(dǎo)水造成淹礦事故。

3.6 地表水對(duì)開(kāi)采煤礦的影響

區(qū)內(nèi)沒(méi)有大的地表水體，僅有數(shù)條季節(jié)性河流，其中以暖泉河和喬家塔溝最大，喬家塔溝常年有水，本次工作實(shí)測(cè)的清水流量為13.70L/s。暖泉河從井田東南角穿過(guò)，該河寬70～280m，本次調(diào)查的（1954年）50年一遇的最高洪水位標(biāo)高1261～1313m，高出河床3m左右。該河平時(shí)干枯無(wú)水，只在雨季才有洪水通過(guò)。一般來(lái)說(shuō)地表水通過(guò)基巖含水層滲透補(bǔ)給的水量是較弱的，但是，隨著煤礦的開(kāi)采，頂部巖層將遭到破壞，會(huì)使基巖裂隙加大、增多，特別是在東部煤層淺埋地段甚至形成地面塌陷，溝通斷層以及其它構(gòu)造形跡，使地表水涌入坑道，形成水害。因此在開(kāi)采過(guò)程中一定要采取防范措施，坑口、堆煤場(chǎng)也要建在最高洪水位之上，以防洪水襲擊，造成危害。

4 井田內(nèi)主要煤層的充水因素分析

井田內(nèi)6、9、13-1、13-2、14、15號(hào)煤為可采煤層。奧灰水水位標(biāo)高為950～959m，各可采煤層底板標(biāo)高大部均低于奧灰水水位，用突水系數(shù)評(píng)價(jià)奧灰水對(duì)各可采煤層的影響。

（1）突水系數(shù)計(jì)算公式的選擇。采用《煤礦防治水規(guī)定》附錄四突水系數(shù)計(jì)算公式：

式中∶TS——突水系數(shù)，MPa/m；

P——底板隔水層承受的水壓，MPa；

M——底板隔水層厚度，m。

（2）根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔資料，按6、9、13-1、13-2、14、15號(hào)煤層底板深度與奧灰頂面標(biāo)高值，確定各鉆孔隔水巖柱的厚度M，依據(jù)奧灰水位標(biāo)高與奧灰頂面標(biāo)高之差計(jì)算各煤層底板水壓力值，最后代入公式（1）計(jì)算突水系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤層突水系數(shù)估算成果表

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄四中“底板受構(gòu)造破壞塊段系數(shù)一般不大于0.06，正常塊段不大于0.10”的規(guī)定,結(jié)合中陽(yáng)縣郝家圪塔井田實(shí)際情況,帶壓開(kāi)采分區(qū)劃分如下∶

TS＜0.06 可能突水區(qū)

0.06≤TS＜0.10突水危險(xiǎn)區(qū)

TS≥0.10 突水最危險(xiǎn)區(qū)

從表1計(jì)算結(jié)果可知,井田內(nèi)6號(hào)煤層突水系數(shù)在0～0.11MPa/m之間，F(xiàn)1斷層以東為可能突水區(qū)；F1斷層以西為突水危險(xiǎn)區(qū)，井田西部部分區(qū)域?yàn)橥凰钗ｋU(xiǎn)區(qū)。

9號(hào)煤層突水系數(shù)在0～0.15MPa/m，F(xiàn)1斷層以東為可能突水區(qū)，靠近斷層西南部為突水危險(xiǎn)區(qū)；F1斷層以西大部分地區(qū)為突水最危險(xiǎn)區(qū)，僅靠近F1斷層處為突水危險(xiǎn)區(qū)。

13-1號(hào)煤層突水系數(shù)在0～0.19MPa/m，F(xiàn)1斷層以東大部分地區(qū)為可能突水區(qū)，靠近斷層西南部為突水危險(xiǎn)區(qū)；F1斷層以西大部分地區(qū)為突水最危險(xiǎn)區(qū)，靠近F1斷層處為突水危險(xiǎn)區(qū)。

13-2號(hào)煤層突水系數(shù)在0～0.21MPa/m，F(xiàn)1斷層以東大部分地區(qū)為可能突水區(qū)，靠近斷層西部為突水危險(xiǎn)區(qū)；F1斷層以西絕大部分地區(qū)為突水最危險(xiǎn)區(qū)，僅靠近F1斷層處為突水危險(xiǎn)區(qū)。

14號(hào)煤層突水系數(shù)在0～0.27MPa/m，F(xiàn)1斷層以東大部分地區(qū)為可能突水區(qū)，靠近斷層西部為突水危險(xiǎn)區(qū)；F1斷層以西絕大部分地區(qū)為突水最危險(xiǎn)區(qū)，僅靠近F1斷層?xùn)|北角處為突水危險(xiǎn)區(qū)。

15號(hào)煤層突水系數(shù)在0～0.29MPa/m，F(xiàn)1斷層以東大部分地區(qū)為可能突水區(qū)，靠近斷層西部為突水危險(xiǎn)區(qū)；F1斷層以西為突水最危險(xiǎn)區(qū)。

5 結(jié)論

F1斷層以東6號(hào)煤層直接充水含水層為山西組砂巖裂隙含水層，水文地質(zhì)勘查類(lèi)型屬第二類(lèi)第一型，水文地質(zhì)類(lèi)型為簡(jiǎn)單。F1斷層以東9號(hào)煤層直接充水含水層為太原組碎屑巖巖溶裂隙含水層，為弱富水性含水層，水文地質(zhì)勘查類(lèi)型屬第二類(lèi)第一型，水文地質(zhì)類(lèi)型為簡(jiǎn)單。F1斷層以東13-1、13-2、14、15號(hào)煤層，直接充水含水層為太原組碎屑巖巖溶裂隙含水層，由于煤層間距較小，開(kāi)采過(guò)程中會(huì)導(dǎo)通上部采空區(qū)積水，水文地質(zhì)勘查類(lèi)型屬第二類(lèi)第二型，水文地質(zhì)類(lèi)型為中等。

F1斷層以西6、9、13-1、13-2、14、15煤層大部分地區(qū)屬奧灰突水危險(xiǎn)區(qū)，且斷層附近與奧灰含水層接觸導(dǎo)通，側(cè)向來(lái)水較大，水情較復(fù)雜。水文地質(zhì)勘查類(lèi)型屬第三類(lèi)第二亞類(lèi)第三型，水文地質(zhì)類(lèi)型為復(fù)雜。

[1]房佩賢，等.專門(mén)水文地質(zhì)學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1996.

[2]王大純,張人權(quán)，等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:地質(zhì)出版社, 1995.

P64

A

1004-5716(2015)11-0127-04

2014-11-18

薛奮宏（1988-），男（漢族），山西臨縣人，助理工程師，現(xiàn)從事地質(zhì)勘察技術(shù)工作。