山西懷仁中能蘆子溝何家堡礦區(qū)水文地質(zhì)研究

趙立敏

摘 要：山西懷仁中能蘆子溝何家堡煤業(yè)有限責(zé)任公司位于朔州市懷仁縣，東距懷仁縣城14km，行政區(qū)劃屬懷仁縣管轄。2009年11月3日山西省國土資源廳頒發(fā)采礦許可證證號為C1400002009111220041625，批準(zhǔn)開采2號-9號煤層，礦區(qū)面積5.2909km2，生產(chǎn)規(guī)模90萬t/a，凈增能力15萬t/a。本文結(jié)合礦區(qū)內(nèi)以往物探、鉆探等成果，綜合分析了礦區(qū)各類水文地質(zhì)條件，劃分了礦井水文地質(zhì)類型，從而達到對礦區(qū)水文地質(zhì)條件進行研究的目的。

關(guān)鍵詞：山西；懷仁中能；蘆子溝何家堡；礦區(qū)；水文地質(zhì)

中圖分類號：P641.461 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）05-0196-02

1 區(qū)域水文概況和地表水系

1.1 區(qū)域水文概況

大同煤田位于大同平原以西，介于口泉山脈、西石山脈、牛心山脈之間，呈一北東-南西向不對稱的向斜構(gòu)造，東南翼陡西北翼緩，向北東傾伏，西北翼地層傾角5-15°，東南翼傾角20-60°，局部陡立倒轉(zhuǎn)。東部、東南部構(gòu)造復(fù)雜，斷層多。區(qū)域內(nèi)出露地層為寒武—奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系及第四系地層。大同煤田屬神頭泉水文地質(zhì)單元一部分，地下水的補給以降水入滲為主，由于侏羅系、石炭—二疊系的煤層開采，煤系地層地下水之間存在互補關(guān)系，礦坑排水是碎屑沿裂隙水的主要排泄方式，巖溶水除少部分向十里河、口泉何、鵝毛口河等峪口排泄外，大部分向神頭泉排泄。

1.2 地表水系

本區(qū)屬海河流域永定河水系桑干河北岸支系，區(qū)內(nèi)發(fā)育三條河流：鵝毛口河、口泉溝河、十里河。鵝毛口河、口泉溝河流入桑干河，十里河流入御河后匯入桑干河。十里河為本區(qū)最大河流，東西橫穿煤田北部，常年性流水，全長74km，流經(jīng)本區(qū)50km，流域面積1210km2，主流彎曲系數(shù)1.33，河床上游寬50m，中游200m，下游600m，河床縱坡山區(qū)2-10%，平原0.1-0.2%。據(jù)觀音堂水文站實測資料推算，百年一遇洪峰流量1410m3/s，五十年一遇洪峰流量1160m3/s，實測最大洪水流量1953年為990m3/s，1992年為988m3/s，歷史調(diào)查洪水最大流量1922年為1520m3/s。

口泉溝位于十里河南，發(fā)源于左云縣小窯頭，流經(jīng)本區(qū)約30km，河谷較十里河狹窄，于口泉山脈北側(cè)大致沿地層走向流出口泉鎮(zhèn)。平時僅有細流，主要支流有刁窩嘴后溝、銀塘溝、張家墳溝、史家溝、老窯溝、黑流水等，全長36km，流域面積147km2，河床縱坡5-7‰，多年平均徑流量0.099億m3，中等干旱年徑流量0.043億m3，是地表水補給地下水的滲漏性河谷，據(jù)1964年白洞水源勘查設(shè)站觀測，日常逕流量0-122L/s，山洪暴發(fā)洪水流量60m3/s，流速4m/s（1964年5月31日）。

鵝毛口河位于大同煤田南部，東出鵝毛口村流入桑干河，全長12km，河寬80-130m，流域面積110km2，河床縱坡1.8%。1954年窯子頭觀測點觀測最大流量約140.30m3/s，日常流量0.3m3/s，最小流量0.043m3/s，最大支流為柴溝、大西溝、虎龍溝、馬口峪、小南溝五條季節(jié)性河流，均位于該河北部，斷面多呈“V”型。

2 礦區(qū)主要含水層和隔水層組

2.1 礦區(qū)主要含水層

2.1.1 碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層

礦區(qū)內(nèi)發(fā)育較全，埋藏于礦區(qū)深部，所含地下水均為巖溶承壓水。綜合所有鉆孔資料可見本礦區(qū)內(nèi)奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育具不均一性，總體富水性較弱，局部地段弱-中等。水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3·SO4-Na型水，礦化度0.85-0.95g/L，總硬度250.2-664.5mg/L，PH值7.67-8.24。該含水層區(qū)域內(nèi)補給水源主要來自西部奧陶系灰?guī)r，少量來自東部露頭大氣降水補給，水力坡度2.12%，礦區(qū)內(nèi)由西南向東北方向徑流，但區(qū)域內(nèi)總體向東南方向徑流，除少部分向十里河、口泉何、鵝毛口河等峪口排泄外，大部分向神頭泉排泄。

2.1.2 碎屑巖裂隙含水層

礦區(qū)內(nèi)上石盒子組砂巖裂隙含水層風(fēng)化裂隙發(fā)育，大多導(dǎo)水而不含水，在地勢低洼處，由于溝谷切割，有風(fēng)化殼水順層涌出，泉水流量0.1-1.0m3/h。其它地段在斷層裂隙發(fā)育處，富水性相對稍強。根據(jù)鉆孔簡易水文資料，砂巖裂隙不發(fā)育，富水性弱。水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Mg型水，礦化度0.243g/L，PH值7.4。礦區(qū)中部有出露。

礦區(qū)內(nèi)下石盒子組砂巖裂隙含水層賦存穩(wěn)定，受風(fēng)化作用影響，風(fēng)化裂隙發(fā)育，大多導(dǎo)水而不含水，有時可形成裂隙潛水，富水性弱。根據(jù)鉆孔資料，該層富水性弱，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型水，礦化度0.294g/L，PH值7.3。礦區(qū)內(nèi)東南部及樓子溝溝谷兩側(cè)有出露。

山西組砂巖裂隙含水層主要以粗砂巖為主，局部為中細砂巖，多數(shù)膠結(jié)致密，裂隙不發(fā)育，局部地段裂隙發(fā)育，所含地下水大多為裂隙承壓水。根據(jù)鉆孔資料，該層富水性弱，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Na·Ca·Mg、HCO3·SO4-Na型，礦化度0.7-0.93g/L，PH值7.89-8.10。礦區(qū)內(nèi)東南部及樓子溝溝谷兩側(cè)有出露。

太原組砂巖裂隙含水層所含地下水大多為裂隙承壓，裂隙不發(fā)育。鉆孔試驗資料表明，該層富水性弱-極弱。礦區(qū)內(nèi)東南部有出露。

2.1.3 松散層孔隙含水層

第四系全新統(tǒng)沖積層分布于礦區(qū)內(nèi)較大溝谷中，巖性多為砂土、砂礫石層，厚度0-10m，含孔隙潛水，是當(dāng)?shù)卮迕竦闹饕┧?，水井流量小?m3/d，富水性弱，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型水，礦化度0.426g/L，PH值7.4。

該含水層分布于地表淺部，直接接受大氣降水及地表水體的補給，徑流條件受地形限制，地面坡降越大，徑流條件越好，除少量下滲補給下部含水層外，大部分被蒸發(fā)。

2.1.4 斷層富水性

礦區(qū)內(nèi)發(fā)育斷層主要有3條，編號分別為F1、F2、F3，均為正斷層，斷層走向均為北西向，F(xiàn)1傾向SW，F(xiàn)2、F3傾向NE，斷層落差10-30m，均為壓扭性斷層，其導(dǎo)水性、含水性較差。根據(jù)ZK1號孔資料，其含水層主要為F1斷裂破碎帶，含水層總厚度39.51m，抽水試驗降深111.50m，涌水量Q=0.95L/s，單位涌水量0.0085 L/s·m，富水性較弱。但地層斷裂錯動后縮小了奧陶系灰?guī)r與8、9號煤層之間的距離，加大了奧灰水對煤層開采的影響。因此在奧灰?guī)簠^(qū)開采掘進至斷層附近時，要采取防治奧灰水突入礦井的安全措施。

2.2 礦區(qū)主要隔水層

2.2.1 石炭系、二疊系層間隔水層

主要由具塑性的泥巖、砂質(zhì)泥巖組成，呈層狀相間分布于各含水層之間，這些軟硬相間的巖層組成的隔水層具有較好的隔水性能，可視為層間相對隔水層。

2.2.2 石炭系中統(tǒng)本溪組隔水層

礦區(qū)東南部偶有出露，主要由具塑性的灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、高嶺巖及雜色鋁土巖組成，厚度25.00-43.00m，平均32.00m，裂隙不發(fā)育，分布穩(wěn)定，區(qū)域上阻斷了上下含水層之間的水力聯(lián)系，具有較好的隔水性能。

3 礦井充水因素分析

3.1 充水水源

3.1.1 大氣降水對礦井充水的影響

本區(qū)屬中溫帶干旱大陸性氣候，年降雨量295-449.1mm，平均370.3mm，降雨多集中在6-9月份，約為全年降雨量的65-86%。礦區(qū)東南部有煤層露頭，靠近露頭部位煤層埋藏相對較淺，大氣降水可通過煤層露頭、松散沉積物孔隙、基巖裂隙下滲，進入井下采掘工作面，或者通過采空區(qū)地表塌陷、裂縫直接進入井下，對開采造成一定的影響。

3.1.2 地表水體對礦井充水的影響

礦區(qū)內(nèi)較大的河谷為西南部的樓子溝，平時多為涓涓細流，雨季有洪水通過。礦區(qū)東北部礬水灣河平時干涸無水，雨季形成短暫洪流，對煤層開采有一定影響。

兼并重組整合后礦井工業(yè)場地及主要井口附近均高于當(dāng)?shù)刈罡吆樗粯?biāo)高。因此，工業(yè)場地及主要井口均不受洪水威脅。

3.1.3 含水層對礦井充水的影響

礦井主采5、8、9號煤層，受采掘破壞或影響的含水層主要為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組碎屑巖類裂隙含水層，據(jù)鉆孔抽水試驗，山西組和太原組碎屑巖類裂隙含水層對5、8、9號煤層開采影響不大。

中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r是煤系下伏主要含水層。礦區(qū)內(nèi)奧灰水富水性普遍較弱。

3.1.4 采空（老窯）積水對礦井充水的影響

礦區(qū)內(nèi)2號煤層已全部采空，4號煤層礦區(qū)西部已全部采空，東部大多遭受巖漿巖侵蝕變質(zhì)。5號煤層礦區(qū)內(nèi)西南部分采空，東部大部分采空。8號煤層礦區(qū)內(nèi)西南部分采空，東部大部分采空。礦區(qū)內(nèi)2、4、5、8號煤層采空區(qū)積水量總計約31.48萬m3。由于各可采煤層的導(dǎo)水裂隙帶均會進入上鄰近層，導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶自上而下相互貫通，因此上部煤層采空區(qū)積水對下部煤層開采危害較大。

尚未開拓的5、8號煤層軌道下山、運輸下山、回風(fēng)下山位于礦區(qū)中部，相對位置較低，東部為5、8號煤層采空區(qū)，采空區(qū)積水對其有一定影響。

礦區(qū)周邊分布有三個生產(chǎn)礦井及一個關(guān)閉的礦井，2、4、5、8號煤層均形成多處采空區(qū)。周邊礦井2、4、5、8號煤層采空區(qū)積水量總計約20.39萬m3，對本礦區(qū)煤層開采有很大影響。

3.2 充水通道

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件，礦井可能的充水通道主要包括煤層露頭、構(gòu)造斷裂帶、頂板裂隙及煤層采動后形成的導(dǎo)水裂隙帶、地面塌陷、裂縫、封閉不良的鉆孔、關(guān)閉報廢的井筒等。

礦區(qū)東南部有煤層露頭，靠近露頭部位煤層埋藏相對較淺，大氣降水可通過煤層露頭、松散沉積物孔隙、基巖裂隙下滲，進入井下采掘工作面，或者通過采空區(qū)地表塌陷、裂縫直接進入井下。

礦區(qū)內(nèi)發(fā)育3條正斷層，分別為F1、F2、F3正斷層，其中以F1正斷層規(guī)模最大，礦區(qū)內(nèi)延伸長度1100m，落差30m。斷層對礦井充水的影響是復(fù)雜多樣的，除了作為地下水良好的導(dǎo)水通道外，斷層還使隔水層厚度減小，承壓水的原始導(dǎo)升，以及斷層破碎帶導(dǎo)致底板隔水層段強度降低等。

3.3 礦井充水強度

礦井主采5、8、9號煤層，受采掘破壞或影響的含水層主要為二疊系下統(tǒng)山西組及石炭系上統(tǒng)太原組碎屑巖類裂隙含水層，混合抽水試驗單位涌水量0.00067-0.0015L/s·m，滲透系數(shù)0.00062-0.0015m/d，富水性極弱。礦井涌水量和富水系數(shù)反映了礦井的充水程度。原嘉美盛煤業(yè)有限公司生產(chǎn)能力45萬t/a，開采8號煤層礦井涌水量為5-10m3/d，富水系數(shù)Kp=0.004～0.007m3/t；原興何煤業(yè)有限公司生產(chǎn)能力30萬t/a，開采5號煤層礦井涌水量為80m3/d，富水系數(shù)Kp=0.088m3/t?？梢?，本礦屬充水弱的礦井。

4 礦井涌水量計算

根據(jù)該礦提供的基建期間礦井水文地質(zhì)資料，掘進過程中共發(fā)現(xiàn)并觀測出水點2處，分別位于運輸下山110m處及軌道下山160m處，均為斷層淋水，觀測涌水量為0.8m3/h。目前礦井涌水量為19.2m3/d。結(jié)合礦井水文地質(zhì)條件分析，礦井涌水構(gòu)成包括大氣降水的入滲、頂板含水層裂隙滲水、探放的采（古）空積水及部分井下灑水防塵的生產(chǎn)用水等。其中主要的是來自頂板含水層的裂隙滲水及采空（老窯）積水。受季節(jié)性影響，礦井涌水量具動態(tài)變化特征。

由于大同市焦煤礦有限責(zé)任公司一礦開采技術(shù)條件及采煤方法等更接近于本礦井，因此本次礦井涌水量預(yù)算采用大同市焦煤礦有限責(zé)任公司一礦的礦井涌水量資料較為合適。根據(jù)富水系數(shù)法計算公式

Q=Kp·A

式中Q-礦井預(yù)算涌水量（m3/d）；

Kp-富水系數(shù)（m3/ t）；

A-礦井生產(chǎn)能力（t/d）。

兼并重組整合后礦井生產(chǎn)能力達90萬t/a時，礦井正常涌水量為429m3/d，最大涌水量為1200m3/d。

5 礦井水文地質(zhì)類型

礦區(qū)內(nèi)2號煤層已全部采空，4號煤層礦區(qū)西部已全部采空，東部大多遭受巖漿巖侵蝕變質(zhì)，可采煤層為5、8、9號煤層，根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》的劃分依據(jù)和原則進行水文地質(zhì)類型劃分。按受采掘破壞或影響的含水層及水體、礦井涌水量、突水量分析，5、8、9號煤層屬簡單水文地質(zhì)劃分為簡單類型；按礦井及周邊老空水分布狀況、開采受水害影響程度以及防治水難易程度分析，5、8、9號煤層屬簡單水文地質(zhì)劃分為中等類型。綜合以上分析，按照煤礦防治水規(guī)定就高不就低的原則，確定本礦區(qū)5、8、9號煤層礦井水文地質(zhì)類型均為中等。

6 結(jié)語

根據(jù)含水介質(zhì)，井田含水層可劃分為碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層組、碎屑巖裂隙含水層組和松散層孔隙含水層組。其中碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層井田內(nèi)發(fā)育較全，所含地下水均為巖溶承壓水。抽水試驗單位涌水量0.0085-0.0255L/s·m，富水性較弱，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3·SO4-Na型；碎屑巖裂隙含水層：上石盒子組砂巖裂隙含水層風(fēng)化裂隙發(fā)育，大多導(dǎo)水而不含水。下石盒子組砂巖裂隙含水層賦存穩(wěn)定，大多導(dǎo)水而不含水，富水性弱。山西組及太原組砂巖裂隙含水層富水性弱，抽水試驗單位涌水量0.00067 -0.0015L/s·m；松散層孔隙含水層分布于井田內(nèi)較大溝谷中，水井流量小于5m3/d，富水性弱，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型水。井田主要隔水層為石炭系、二疊系層間隔水層和石炭系中統(tǒng)本溪組隔水層。本礦區(qū)5、8、9號煤層礦井水文地質(zhì)類型均為中。本礦帶壓開采條件為中等。

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