煤礦區(qū)集中式水源地選址分析

馮金文

(石家莊金石地質(zhì)勘測(cè)有限公司，石家莊 050100)

煤礦區(qū)集中式水源地選址分析

馮金文

(石家莊金石地質(zhì)勘測(cè)有限公司，石家莊 050100)

在留有大片采空區(qū)和地層受采掘活動(dòng)嚴(yán)重影響的煤礦區(qū)選擇適宜的集中式供水水源地，是工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和居民生活用水的需要。以石家莊西部井陘礦區(qū)集中式供水水源地選址為例，根據(jù)水源地建設(shè)目的、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，在充分研究分析礦區(qū)自然地理、水資源分布、地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件、地質(zhì)構(gòu)造、采煤活動(dòng)、水質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析闡述、篩選對(duì)比，認(rèn)為礦區(qū)西南部，原井陘三礦井田內(nèi)的白彪村西是最佳選擇，其工作方法、技術(shù)路線，以及經(jīng)驗(yàn)可作為其它類(lèi)似項(xiàng)目的借鑒。

井陘礦區(qū)；奧陶系灰?guī)r含水層；地塹；供水

0 引言

井陘礦區(qū)為石家莊西部地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)中心，為滿(mǎn)足城區(qū)生活供水及部分廠礦用水的需要，需選擇一處日供水量不小于2萬(wàn)t的集中式供水水源地。要求水源地水量充沛，占地少，水質(zhì)滿(mǎn)足國(guó)家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，不易被污染。石家莊金石地質(zhì)勘測(cè)有限公司組織專(zhuān)家經(jīng)過(guò)調(diào)查論證，在充分研究分析礦區(qū)自然地理、水資源分布、地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件、地質(zhì)構(gòu)造、采煤活動(dòng)、水質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)多方案對(duì)比，最后認(rèn)為位于礦區(qū)西南部，原井陘三礦井田內(nèi)的白彪村西是最佳選擇。

1 自然地理分析

井陘礦區(qū)位于井陘斷陷盆地內(nèi)，周?chē)鸀橹械蜕郊扒鹆甑孛玻闹芨咧虚g低，東西向沖溝較發(fā)育，地面標(biāo)高在255～650m，地形總體上為西高東低。供水城區(qū)地處井陘礦區(qū)中部，海拔標(biāo)高在260～290m，平均在275m。白彪村西擬選水源地平均海拔在330m，高出城區(qū)約55m，城區(qū)中心政府大樓位于水源地東北方向，直線距離約2 700m，水源地周邊無(wú)工業(yè)企業(yè)，布井范圍內(nèi)都是基本農(nóng)田和道路，沒(méi)有地面建筑物。從供水管線布設(shè)、供水高差、污染防護(hù)、水井布設(shè)上分析，該處均具有較高優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)圖1。

2 水源分析

2.1 地表水

井陘盆地四周環(huán)山，盆地南部有發(fā)源于山西的綿河，由西而東橫穿盆地流入平山縣境內(nèi)的滹沱河，其水量大部分被綿右渠和人民渠分流，水量很小。盆地北部有發(fā)源于山西的小作河，水量季節(jié)性變化大，旱季水量很小或枯干。區(qū)內(nèi)氣候?qū)贉貛駶?rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬季寒冷干燥，夏季溫?zé)岫嘤辏邓?，蒸發(fā)量大。在井陘礦區(qū)范圍內(nèi)地表無(wú)常年性河流，只有位于礦區(qū)北部低洼處的數(shù)處受季節(jié)影響的水塘。水塘水受環(huán)境影響，水質(zhì)較差，故采用地表水作為飲水水源的條件不存在。

圖1 井陘礦區(qū)綜合水文地質(zhì)示意Figure 1 Comprehensive hydrogeological sketch of Jingxing coalmine area

2.2 地下水

2.2.1 第四系沖積層含水層

井陘礦區(qū)第四系沖積層厚度在10～50m，中下部含密度不等的河卵石，含水性與地形地貌有關(guān)，補(bǔ)給主要為大氣降水，屬潛水含水層。在礦區(qū)工業(yè)化前，當(dāng)?shù)厝丝谏?，污染小，是?dāng)?shù)氐闹饕嬘盟?。從煤礦收集的資料來(lái)看，第四系沖積層單井涌水量在8m3/h左右，最大約為30m3/h。隨著礦區(qū)采煤活動(dòng)影響及工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，人口的急劇增加，第四系含水層受到不同程度污染，水量急劇減少，故不宜作為供水含水層。

2.2.2 砂巖裂隙含水層

在礦區(qū)含煤地層內(nèi)，普遍存在有石盒子組或山西組砂巖，埋深60～200m，砂巖厚度20～50m，為中粗粒砂巖，一般膠結(jié)致密，局部地段節(jié)理裂隙發(fā)育，含水不普遍。在煤田西部采煤及鉆探中，見(jiàn)到此含水層。水的硬度很低，涌水量為1.2～12m3/h，水呈乳白，采煤活動(dòng)中可自行疏干。該層水為砂巖原始孔隙水或其他含水層通過(guò)裂隙導(dǎo)入。因水量小，含水不普遍，不能滿(mǎn)足大型供水要求。

2.2.3 四層煤頂板灰?guī)r含水層

在井陘煤田內(nèi)四層煤頂板灰?guī)r厚1m左右，巖性不純，致密堅(jiān)硬，裂隙發(fā)育，在受力作用后，垂直層面裂隙多被方解石充填，局部含水，涌水量為6.0～18m3/h，屬層間裂隙水，采煤活動(dòng)中一般可自行疏干。該層水為其他含水層通過(guò)裂隙導(dǎo)入，屬層間裂隙水。水量小，水質(zhì)受煤層影響，不能滿(mǎn)足大型供水要求。

2.2.4 本溪組灰?guī)r含水層

本溪組厚層灰?guī)r位于本溪組中下部，平均厚度為6.3m，呈深灰、灰黑色，裂隙發(fā)育，該層普遍含水，但靜儲(chǔ)量不大，一般水量為48m3/h。因下距奧灰僅10～18m，構(gòu)造裂隙極易與奧陶系石灰?guī)r強(qiáng)含水層溝通，形成強(qiáng)富水承壓含水層。在該水源地設(shè)計(jì)中，各供水井對(duì)該層水均下井壁管隔離并注漿封閉，故亦不采用該含水層供水。

2.2.5 奧陶系灰?guī)r巖溶承壓含水層

區(qū)內(nèi)奧陶系厚度約815m，其中中統(tǒng)653m，下統(tǒng)162m。巖性主要有質(zhì)純灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、花斑狀灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r及鈣質(zhì)頁(yè)巖。奧陶系在井陘盆地周邊山上均有出露，盆地內(nèi)礦區(qū)范圍內(nèi)奧陶系頂面埋深東淺西深，東部埋深20～70m，中部城區(qū)內(nèi)埋深在70～100m，西部煤田內(nèi)埋深最深，在250～400m。礦區(qū)范圍內(nèi)奧陶系巖溶裂隙發(fā)育程度不同，含水程度不勻，涌水量大小懸殊，靜水位為200～235m。井陘礦區(qū)境內(nèi)共有機(jī)井150多眼，其中80%以上取水層位為奧陶系灰?guī)r巖溶承壓水。擬選白彪水源地位于原井陘三礦井田內(nèi)，據(jù)三礦抽排水資料，奧陶系灰?guī)r中統(tǒng)的動(dòng)儲(chǔ)水量約為5 040m3/h，單位涌水量q=12.06L/(s·m)。分析認(rèn)為區(qū)內(nèi)只有奧陶系灰?guī)r巖溶承壓含水層能夠滿(mǎn)足城區(qū)供水要求。白彪選址區(qū)因奧陶系埋深大，對(duì)水質(zhì)免受污染有利。

2.2.6 寒武系灰?guī)r溶裂隙含水層

在井陘礦區(qū)西部，井陘大斷層以西，分布有寒武系灰?guī)r溶裂隙含水層，含水巖性主要為張夏組灰?guī)r和徐莊組白云質(zhì)灰?guī)r，含水層頂面埋深在250～400m，從已施工的十余眼機(jī)井看，單井水量在15～35m3/h，動(dòng)儲(chǔ)量較小，不能滿(mǎn)足城區(qū)供水要求。

3 目標(biāo)層特征分析

3.1 補(bǔ)給、徑流、排泄條件

井陘礦區(qū)屬威州泉域徑流區(qū)。威州泉域是一個(gè)由碳酸鹽巖構(gòu)成的、邊界清楚、具有獨(dú)立的補(bǔ)給、徑流、排泄系統(tǒng)的完整的水文地質(zhì)單元。泉域補(bǔ)給以大氣降水垂直入滲為主，河流渠道側(cè)向補(bǔ)給次之，其中大氣降水補(bǔ)給區(qū)總面積1 534km2，以西部分布最廣；泉域排泄區(qū)分布于礦區(qū)以東，威州一帶的綿河河谷內(nèi)，排泄區(qū)泉群年平均流量為5.5～6.2m3/s；泉域水位西高東底，依次由補(bǔ)給區(qū)向徑流區(qū)、排泄區(qū)運(yùn)移，水力梯度為0.007 2。三礦井田位于徑流帶中部交匯處，在其開(kāi)采史上曾發(fā)生煤層底板突水17次，其中1942年發(fā)生的第3次突水是井陘礦區(qū)煤礦開(kāi)采史中最大的一次突水，突水量達(dá)4 080m3/h。所選白彪水源地東距第3次出水約200m，從補(bǔ)給、徑流、排泄條件看，所選目標(biāo)層的供水量完全能夠滿(mǎn)足城區(qū)供水要求。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造分析

井陘煤田由東西兩側(cè)并相向傾斜的趙村鋪大斷層(H=600m)和井陘大斷層(H=1 500m)組成為南北向的地塹斷陷盆地。盆地內(nèi)以近南北向斷裂為主，十余條百米以上南北向斷層構(gòu)成相間存在的次級(jí)地塹、地壘，各構(gòu)造條塊內(nèi)部又發(fā)育不同方向的再次級(jí)斷層，構(gòu)造十分復(fù)雜。三礦井田為一南北向次級(jí)地壘構(gòu)造，所選白彪水源地位于三礦井田內(nèi)相向傾斜的西大巷斷層和張家井?dāng)鄬铀鶚?gòu)成的次級(jí)地塹上，水源井終孔落點(diǎn)在地塹兩側(cè)斷層的上升盤(pán)上或地塹中部，見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 井陘礦區(qū)新水源地地形地質(zhì)Figure 2 New waterhead site topographical-geological map of Jingxing coalmine area

圖3 井陘礦區(qū)新水源地2號(hào)井-1號(hào)井剖面Figure 3 Section of well No.2-well No.1 in new waterhead site, Jingxing coalmine area

另外，井陘煤田開(kāi)采史中共發(fā)現(xiàn)巖溶陷落柱112個(gè)，其中三礦有29個(gè)。煤田內(nèi)陷落柱具有明顯的分區(qū)性、群帶性和一定的方向性，與巖溶地下水徑流方向關(guān)系密切，所選水源地附近有兩個(gè)。從地質(zhì)構(gòu)造分析，所選水源地導(dǎo)水通道發(fā)育，水的交替作用強(qiáng)烈，適合水源地群井布設(shè)。

3.3 采煤活動(dòng)分析

井陘煤田至2015年因資源枯竭采煤活動(dòng)已全部結(jié)束，在近百年的大規(guī)模開(kāi)采中留下了大片采空區(qū)。受采煤活動(dòng)影響采空區(qū)上部地層一般較破碎，且常常會(huì)積水。水源地選在采空區(qū)上時(shí)，不僅供水機(jī)井施工難度大，還易影響水井水質(zhì)，所以飲水機(jī)井不宜選在采空區(qū)上。白彪水源地雖然在井陘三礦井田內(nèi)，但由于該處為一地塹區(qū)，構(gòu)造復(fù)雜，煤層埋藏深度大，故未進(jìn)行采煤活動(dòng)，水源地基本不受采煤影響。

3.4 水質(zhì)特征分析

在收集的資料中，與白彪水源地條件相近或距離較近的機(jī)井化驗(yàn)指標(biāo)相對(duì)還是較好的，如位于水源地東約400m的金喜洗煤廠機(jī)井，南約1 300m的三礦段家樓機(jī)井，北約1 500m的西崗頭農(nóng)飲機(jī)井，東南約1 400m的南鳳山飲水機(jī)井，以及北約 2 500m條件相近的645群井，其主要化驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。分析認(rèn)為，礦區(qū)奧灰水質(zhì)為典型的巖溶型重碳酸鈣鎂質(zhì)水或重碳酸硫酸鈣鎂質(zhì)水，所選白彪水源地奧灰埋深較大、周?chē)鸁o(wú)污染源，水質(zhì)相對(duì)較好。

表1 水源地附近水質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

井陘礦區(qū)新水源地南北長(zhǎng)約500m，東西寬約300m，占地約14公頃，共施工水源機(jī)井12眼，井間距80～150m，終孔直徑Φ190mm，下泵段孔徑Φ325mm，平均深度650m左右，靜水位深度在128m左右，水位標(biāo)高在+202m左右，單井出水量在100m3/h左右。機(jī)井取水層位為奧陶系灰?guī)r巖溶承壓水，施工中為防止上部第四系潛水及二迭系、石炭系砂巖裂隙水、灰?guī)r溶隙水進(jìn)入奧陶系含水層，對(duì)奧陶系灰?guī)r以上地層采用套管進(jìn)行了注漿封閉，徹底隔絕了上部含水層對(duì)取水層位的影響。新水源地完全滿(mǎn)足水量充沛，占地少，不易被污染，水質(zhì)滿(mǎn)足生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)目的，為煤礦區(qū)集中式水源地選址提供了一定借鑒。

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CoalmineAreaCentralizedWaterheadSiteOptionAnalysis

Feng Jinwen

(Shijiazhuang Diamond Geological Exploration Co. Ltd., Shijiazhuang, Hebei 050100)

To opt for an appropriate centralized waterhead site in a coalmine area with large worked-out area and strata seriously damaged by mining activities is the demand of industry and agriculture development and resident living water. To take the centralized waterhead site option in the Jingxing coalmine area, western Shijiazhuang as an example, deliberated again on waterhead construction purpose, construction standard. On the basis of full analyses for coalmine area physical geography, water resource distribution, groundwater recharge, runoff and discharge conditions, geological structure, coal mining activity and water quality features, through analysis, elaboration, screening and comparison, have considered that to the west of Baibiaocun in southwestern part of the coalmine area, original Jingxing minefield No.3 is the optimal choice. Thus, the working method, technical route and experiences can be reference for other similar projects.

Jingxing coalmine area; Ordovician limestone aquifer; graben; water supply

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.09

1674-1803(2017)11-0046-04

A

馮金文(1963—)，男，河北石家莊人，工程師，主要從事水文地質(zhì)與工程地質(zhì)工作。

2017-08-14

樊小舟