內(nèi)蒙古魯新井田水文地質(zhì)條件研究

趙志強(qiáng),安美艷,高奎鋒,王兆亮,王福芝

(1.山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省農(nóng)村科技促進(jìn)中心，山東 濟(jì)南 250101;3.臨沂市國(guó)土資源局蘭山分局，山東 臨沂 276000)

0 引言

地下水是不可或缺的水資源，也是重要的生態(tài)環(huán)境支撐要素。礦產(chǎn)資源作為人類生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，其開發(fā)利用過程改變了地下水循環(huán)規(guī)律，導(dǎo)致了地下水失衡，不同程度的對(duì)地下水環(huán)境造成了破壞；與此同時(shí)，地下水失衡也給礦產(chǎn)資源開發(fā)帶來了極大的安全隱患，礦井水害頻發(fā)；礦產(chǎn)資源開發(fā)與地下水環(huán)境保護(hù)之間的矛盾愈發(fā)凸顯。

內(nèi)蒙古魯新井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟烏拉蓋開發(fā)區(qū)，由新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司投資建設(shè)，井田面積34.53km2，探明白堊紀(jì)褐煤儲(chǔ)量91108萬t，為一內(nèi)陸山間盆地沼澤相的含煤沉積，屬典型的小型盆地聚煤。含煤地層上覆直接為新近系強(qiáng)富水中厚層礫巖含水層，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，屬于典型的松散富水性強(qiáng)的含水層覆蓋且淺埋的緩傾斜賦煤區(qū)。系統(tǒng)分析研究水文地質(zhì)條件，分析采礦導(dǎo)致地下水失衡機(jī)理，即對(duì)礦山安全生產(chǎn)有十分重要的意義；又可為實(shí)現(xiàn)“采礦保水”協(xié)調(diào)統(tǒng)一，促進(jìn)礦產(chǎn)資源及地下水資源合理開發(fā)、利用、保護(hù)提供基礎(chǔ)地質(zhì)依據(jù)①山東省地礦工程勘察院，內(nèi)蒙古魯新井田水文地質(zhì)條件研究報(bào)告，2014年。。

1 地質(zhì)條件

1.1 自然地理

魯新井田處于錫林郭勒盟高原，位于大興安嶺西坡，為大興安嶺山地和內(nèi)蒙古高原的銜接部位，屬低山丘陵地貌。丘陵間寬谷、沼澤發(fā)育，地面標(biāo)高海拔+868m～+922m。

該區(qū)屬北溫帶大陸性半干旱氣候，多年平均氣溫- 0.9℃，年降水量150～480mm，多年平均342mm。結(jié)凍期從11月至次年4月。地表水、地下水資源豐富，主要有烏拉蓋河和烏拉蓋水庫。

1.2 地層構(gòu)造

該區(qū)揭露的地層有煤系基底侏羅紀(jì)布拉根哈達(dá)組，含煤地層為大磨拐河組，煤系上覆地層為新近系、第四系。各地層間均為不整合接觸。該區(qū)整體為一小型凹陷盆地，斷裂構(gòu)造規(guī)模較小，多以張扭性正斷層為主。

1.3 煤層

該區(qū)煤系主要賦存盆地內(nèi)，產(chǎn)狀平緩，傾角一般小于10°，煤系主要保留下部。由于含煤基底起伏不平，煤系地層發(fā)育厚度不均。煤系地層厚度18.75～612.23m，平均244.45m。共含煤15層，煤層平均總厚度42.80m；主要可采煤層4層(6,9,11,13)，可采煤層平均總厚度37.70m，可采含煤系數(shù)15.4%。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 含水層及其水文地質(zhì)特征

該區(qū)的含水層有：第四系砂礫層含水層、新近系砂礫巖含水層、煤系砂巖、砂礫巖含水層，煤系基底火山凝灰?guī)r含水層。

2.1.1 第四系砂礫石層含水層

主要分布在盆地內(nèi)及其周邊溝谷的沖積、洪積和坡積層中，含水層巖性以中細(xì)砂、粗砂和礫石為主，局部有細(xì)砂和粉砂。上部表土層厚平均3.38m；下部砂層厚平均12.98m。砂層松散，透水性較強(qiáng)。單位涌水量1.129～1.344L/s·m，滲透系數(shù)11.93～12.46m/d，水位埋深0.18～0.5m，礦化度1.03～1.17g/L，水化學(xué)類型為HCO3- Na·Ca型。

表1 第四系砂礫石含水層抽水試驗(yàn)成果

2.1.2 新近系砂礫巖含水層

該含水層下伏煤系地層，含水層巖性砂礫巖，層數(shù)1～6層，單層厚度5.80～84.65m，平均40.73m。新近系含水層在單元內(nèi)只分布在儲(chǔ)煤盆地內(nèi)，含水層的邊界分布接近盆地邊緣，在盆地東北部及南部，含水層延伸至區(qū)外。含水層厚度一般在30～50m，中南部厚度較大，一般為50～80m，局部大于80m，西北部和東南部厚度較薄，一般小于40m，盆地邊部均小于20m(圖1)。含水層巖性為砂、礫石，礫石成分主要為石英、長(zhǎng)石，綠—紫紅色火山凝灰?guī)r塊，粒徑0.10～5.0cm不等。水位埋深一般在0.5～3.70m之間，水位標(biāo)高867.54～870.14m。地下水流向?yàn)樽詵|北流向西南。

根據(jù)抽水試驗(yàn)資料，抽水降深在1.21～22.06m之間，單井涌水量在4.53～16.50L/s(16.31～59.4m3/h)，單位涌水量(單井平均)0.5577～5.2480L/s·m，總體看該含水層是一富水性強(qiáng)的含水層。滲透系數(shù)1.112～14.72m/d，含水層的透水性也較強(qiáng)。根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，礦化度0.3～1.0g/L之間，水化學(xué)類型主要為：HCO3- Ca·Na型、HCO3- Na·Ca和HCO3- Ca型,pH值7.33～7.80，總硬度203.81～282.08mg/L。

1—新近系底板標(biāo)高等值線；2—含水層厚度<20m；3—含水層厚度20～40m；4—含水層厚度40～50m；5—含水層厚度50～60m；6—含水層厚度>60m；7—井田范圍；8—地下水流向圖1 新近系砂礫巖含水層分布圖

2.1.3 煤系砂巖、礫巖含水層

該含水層巖性主要為細(xì)砂巖、粗砂巖和礫巖，厚度大于2m的砂礫巖發(fā)育1～10層，單層厚度2.5～59.35m，平均單層厚度14.82m。砂礫巖一般為泥質(zhì)膠結(jié)，半固結(jié)，松散、易碎。水位埋深一般在1～5m之間，水位標(biāo)高865～869m，單位涌水量0.5～1.9L/s·m，滲透系數(shù)0.4～8.3m/d之間。

以煤11為界的上、下兩段富水性差別極大，煤11以上含水層巖性較粗、厚度大，富水性為中—強(qiáng)，煤11以下含水層埋藏深，巖性較細(xì)，富水性差，為弱富水。

2.1.4 基底火山凝灰?guī)r含水層

全區(qū)分布，揭露最大厚度228.60m，巖性為雜色凝灰?guī)r、火山熔巖，致密、較硬。

在靠近盆地的邊緣地帶，該含水層裂隙較發(fā)育，富水性相對(duì)較好，單位涌水量0.0453～0.0896L/s·m，滲透系數(shù)0.3104～0.6255m/d；到井田深部，巖心較完整，裂隙不發(fā)育，靜止水位埋深較深，分別為46.55m，83.28m，一抽即干，該含水層總體富水性弱。

2.2 隔水層

主要有新近系上部泥巖段隔水層和煤系中各層泥巖、粉砂巖隔水層(圖2)。

1—鉆孔揭露隔水層厚度；2—隔水層厚度等值線圖2 新近系上部泥巖段隔水層分布圖

2.2.1 新近系上部泥巖段隔水層

該泥巖段厚度一般在30～50m，最厚可達(dá)65.15m，最薄僅3～10m。為含礫泥巖及砂質(zhì)泥巖，灰黑色，巨厚層狀，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，柔軟，具粘性及塑性。分布較穩(wěn)定，為該區(qū)第四系含水層與新近系砂礫巖含水層之間的隔水層，基本阻斷了上、下含水層之間的水力聯(lián)系。但在局部地段厚度較小，穩(wěn)定性較差，上下含水層有可能存在一定的水力聯(lián)系。

2.2.2 煤系中泥巖、粉砂巖隔水層

該區(qū)煤系地層中的隔水層巖性主要為粉砂巖和泥巖，對(duì)各含水層之間的水力聯(lián)系起著阻隔作用，特別是煤11頂板有一層相對(duì)較穩(wěn)定的砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，厚度較大，一般在30～40m，其隔水作用較好，從煤11往下，煤層間的隔水層分布廣，厚度也較大，較有利于下部煤層的開采。

2.3 水文地質(zhì)邊界條件

該區(qū)無論從地形地貌上還是地質(zhì)構(gòu)造上，都是一個(gè)盆地，是一個(gè)具有統(tǒng)一補(bǔ)給邊界和徑流、排泄條件的地下水系統(tǒng)。區(qū)內(nèi)主要強(qiáng)富水含水層為新近系砂礫巖含水層，推測(cè)其水文地質(zhì)邊界：西北部、北部和東南部由山丘組成的分水嶺邊界，在巖漿巖風(fēng)化裂隙水分布區(qū)，一般地下水分水嶺與地表分水嶺基本一致，沿此分水嶺，盆地外側(cè)的水(地下水和地表水)不能流入盆地內(nèi)，因此該邊界可視為相對(duì)阻水邊界；東北部的都蘭山與阿勒敖包山之間有一南北約2km寬的范圍為(斯?fàn)柤?第四系古河床，邊界附近已有稀疏鉆孔揭露有新近系含水層存在(圖3)，推測(cè)新近系含水層可能通過此地帶向區(qū)外延伸；在井田西南烏散道包格山與烏珠爾呼舒山之間東西寬約4.5km的范圍也是(烏拉蓋河)第四系古河床，邊界附近已有稀疏鉆孔揭露有新近系含水層存在，推測(cè)下伏新近系含水層也可通過此地帶向區(qū)外延伸。第四系古河床地下水豐富，新近系砂礫巖含水豐富、透水性好，這2處可視為盆地與外界相通的透水邊界(圖4)。

圖3 東北部阻水邊界地質(zhì)剖面圖

1—第四系含水層；2—新近系含水層；3—煤系基底含水層；4—地表水流向；5—阻水邊界；6—透水邊界圖4 推測(cè)水文地質(zhì)邊界示意圖

2.4 補(bǔ)給、徑流、排泄條件

2.4.1 第四系含水層補(bǔ)、徑、排條件

第四系砂礫石含水層的補(bǔ)給主要有3個(gè)途徑：大氣降水入滲補(bǔ)給、地下徑流補(bǔ)給和地表水體入滲補(bǔ)給。地下水由東北部的透水邊界處流入，大致沿古河道帶經(jīng)首采區(qū)向南，從南部透水邊界流出盆地，水力坡度大約0.1%左右。地下水徑流排泄是非常緩慢的，主要排泄途徑是地面蒸發(fā)排泄。

2.4.2 新近系砂礫巖含水層補(bǔ)、徑、排條件

新近系含水層分布較穩(wěn)定，它通過盆地的透水邊界延伸到盆地以外，因此新近系含水層主要是通過井田東部的透水邊界地下徑流補(bǔ)給。新近系地下水徑流總體方向也是由北向南徑流。

新近系地下水排泄以地下徑流排泄為主，地下水在盆地內(nèi)由北向南徑流，經(jīng)南部透水邊界流出區(qū)外。新近系地下水另一排泄途徑是向下伏煤系含水層排泄。在煤系隱伏露頭區(qū)，新近系砂礫巖含水層直接覆蓋在煤系含水層之上，形成上、下兩含水層聯(lián)系的通道(圖5)。據(jù)抽水資料，新近系地下水位高于煤系地下水位，因此新近系地下水可通過此聯(lián)系通道向煤系含水層排泄。

2.4.3 煤系含水層補(bǔ)、徑、排條件

該區(qū)的煤系僅分布在盆地范圍內(nèi)，上覆新近系含水層，在煤系隱伏露頭區(qū)，新近系砂礫巖含水層直接覆蓋在煤系含水層上，形成兩含水層水力聯(lián)系通道，煤系含水層通過此聯(lián)系通道接受新近系含水層的補(bǔ)給。煤系地下水徑流方向繼承了新近系地下水流向，即主徑流方向?yàn)橛杀毕蚰狭鳎瑩?jù)水位觀測(cè)資料求得的水力坡度為0.04%左右(圖6)。煤系地下水的徑流非常遲緩，排泄途徑主要以緩慢的徑流排泄為主。

2.4.4 基底凝灰?guī)r含水層補(bǔ)、徑、排條件

基底凝灰?guī)r風(fēng)化裂隙水含水層分布在凝灰?guī)r分布區(qū)的表層，在裸露區(qū)和分布位置較高、第四系覆蓋較薄的地區(qū)主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給，地下水沿地形坡向向盆地中部徑流，向第四系和新近系排泄，含水層埋藏較淺的地段有可能蒸發(fā)排泄。在盆地內(nèi)埋藏較深地區(qū)，由于上覆厚層隔水層，基本無大氣降水入滲補(bǔ)給和地下水徑流補(bǔ)給，加之深部風(fēng)化裂隙不發(fā)育，所以該含水層基本無水或富水性極差。

3 主要含水層水量估算

3.1 盆地匯水范圍降水入滲量估算

大氣降水入滲補(bǔ)給量計(jì)算公式：

Q滲=α·F·P

(1)

式中：α—降水入滲系數(shù)(無量綱)；F—盆地匯水范圍面積(m2)；P—多年的平均降水量(降水深)(m/a)。

計(jì)算得大氣降水入滲補(bǔ)給量為944.9×104m3/a，具體參數(shù)取值見表2。

3.2 第四系地下水靜儲(chǔ)量估算

地下水靜儲(chǔ)量計(jì)算公式：

V容=μ·F·M

(2)

式中：V容—含水層靜儲(chǔ)量(m3)；μ—給水度(無量綱)；F—計(jì)算區(qū)面積(m2)；M—含水層厚度(m)。

圖5 A- A'典型水文地質(zhì)剖面圖

圖6 煤系地下水流向示意圖

計(jì)算該區(qū)第四系地下水靜儲(chǔ)量為16757.2×104m3,具體參數(shù)取值見表3。

表3 第四系地下水靜儲(chǔ)量計(jì)算

3.3 新近系含水層儲(chǔ)存量估算

地下水靜儲(chǔ)量計(jì)算公式：

V彈=μ＊·F·ΔH

(3)

V容=μ·F·M

(4)

式中：V彈—彈性儲(chǔ)存量(m3)；V容—容積儲(chǔ)存量(m3)；μ＊—含水層彈性釋水系數(shù)(無量綱)；μ—給水度(無量綱)；F—計(jì)算區(qū)面積(m2)；ΔH—壓力水頭高度(m)；M—含水層厚度(m)。

計(jì)算該區(qū)新近系地下水靜儲(chǔ)量為30039.07×104m3,具體參數(shù)取值見表4。

表4 新近系地下水靜儲(chǔ)量計(jì)算

4 礦井充水因素分析

4.1 充水水源

新近系含水層分布面積大、富水性強(qiáng)、儲(chǔ)存量大、有單元外地下徑流補(bǔ)給，并可能接受第四系水的下滲補(bǔ)給，新近系含水層與煤系含水層水力聯(lián)系密切，因此，新近系含水層地下水是煤層頂板涌水最主要的水源。

4.2 盆地邊界充水因素分析

在盆地阻水邊界范圍內(nèi)，大氣降水入滲主要補(bǔ)給第四系含水層，地下水順地勢(shì)向盆地中部徑流。在盆地內(nèi)第四系水與煤系含水層無直接水力聯(lián)系，因此大氣降水入滲對(duì)礦井充水無直接影響，阻水邊界充水條件差。

透水邊界是新近系水的最主要補(bǔ)給通道，新近系地下水有著較好的補(bǔ)給來源，含水層與煤系有著非常密切的水力聯(lián)系，透水邊界充水條件好。

4.3 斷層含、導(dǎo)水性分析

井田內(nèi)有9條斷層，全部為正斷層，大部分在井田的西、西南側(cè)井田的邊緣地帶，井田東側(cè)較少。斷層落差最大的為F2，落差70m，落差較小。由于盆地邊緣地帶煤系基底火山凝灰?guī)r埋藏較淺，煤11及以下煤層埋藏更淺，含水層不發(fā)育，斷層上下盤大多為隔水層，推測(cè)在這些地段斷層含、導(dǎo)水性差，對(duì)煤層開采影響小。

4.4 主要開采煤層充水因素分析

煤6和煤9頂板含水層較發(fā)育，富水性和透水性好，是礦井涌(突)水的重要水源。在隱伏露頭區(qū)其頂板含水層巖性大多為礫巖，而且與上覆新近系含水層直接接觸，水力聯(lián)系密切，這對(duì)礦井充水形成有利條件，對(duì)礦井安全生產(chǎn)威脅大。

煤11及以下含水層分布距新近系含水層較遠(yuǎn)，地下水補(bǔ)給條件差，富水性透水性也差，大部分地段新近系地下水對(duì)礦井涌(突)水影響小。

4.5 首采11煤層涌(突)水危險(xiǎn)性分區(qū)

結(jié)合礦區(qū)首采11煤層初步開采思路，擬采用預(yù)采頂分層綜放開采，第一分層采高3m。根據(jù)山東科技大學(xué)《淺埋煤層安全開采與保障技術(shù)階段研究報(bào)告》，工作面長(zhǎng)度為150m時(shí)，第一分層采高3m，開采后冒裂帶發(fā)育高度為46.43m，隨著工作面長(zhǎng)度的增大，冒裂帶高度有增大趨勢(shì)，按照“三下”規(guī)程，保護(hù)層厚度取值一般為3～4倍采高，取其大值為12m，由于該區(qū)缺少實(shí)際冒裂帶發(fā)育高度觀測(cè)數(shù)值，考慮冒裂帶高度隨開采活動(dòng)可能有增大趨勢(shì)，該次暫將冒裂帶保護(hù)層高度定為60m。

由于首采區(qū)11煤層以上主要發(fā)育含水層為新近系礫巖含水層，6煤頂板砂礫巖含水層、9煤頂板砂礫巖含水層，11煤層頂板至9煤層以上第一個(gè)含水層底板之間覆巖段內(nèi)含水層不甚發(fā)育，主要呈零星片狀分布，富水性相對(duì)較差，因此，首采11煤層開采(采高3m)涌(突)水危險(xiǎn)性分區(qū)為：冒裂帶保護(hù)層高度未達(dá)到9煤頂板以上第一個(gè)含水層的區(qū)段，劃分為C區(qū)。冒裂帶保護(hù)層高度達(dá)到9煤頂板以上第一個(gè)含水層但未達(dá)到新近系礫巖含水層的區(qū)段劃分為B區(qū)。最后將冒裂帶保護(hù)層高度達(dá)到新近系礫巖含水層的區(qū)段劃分為A區(qū)。由A到C涌(突)水危險(xiǎn)性逐步減小(圖7及表5)。

1—涌突水C區(qū)；2—涌突水B區(qū)；3—涌突水A1亞區(qū)；4—涌突水A2亞區(qū)；5—11煤上覆隔水層厚度圖7 首采11煤層涌(突)水危險(xiǎn)性分區(qū)圖

項(xiàng)目分區(qū)面積(km2)涌(突)水條件涌(突)水源涌(突)通道涌(突)水危險(xiǎn)性評(píng)估AA11.68A22.83冒裂帶內(nèi)11煤到9煤之間含水層煤系頂板冒裂帶導(dǎo)水危險(xiǎn)性小BB16.84B20.87主要為6、9煤系含水層,其次為新近系含水層冒裂帶及砂礫巖含水層導(dǎo)水危險(xiǎn)性大C13.2新近系含水層冒裂帶及砂礫巖含水層導(dǎo)水危險(xiǎn)性大

5 煤炭開發(fā)對(duì)地下水環(huán)境的影響分析

5.1 含水層結(jié)構(gòu)破壞

該區(qū)煤層屬于被松散富水性強(qiáng)的含水層覆蓋且淺埋的緩傾斜煤層，煤炭開采使圍巖產(chǎn)生變形和移動(dòng)，尤其煤6、煤9冒落帶與導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度范圍內(nèi)分布有富水性強(qiáng)的新近系砂礫巖含水層，必將引發(fā)新近系含水層結(jié)構(gòu)破壞，地下水大量涌出，水位大幅下降。

5.2 地下水循環(huán)規(guī)律發(fā)生改變

該區(qū)煤層上部新近系砂礫巖含水層，分布面積大，連續(xù)穩(wěn)定，厚度大，富水性好，透水性好，且有單元以外地下徑流補(bǔ)給，并可能接受第四系水的下滲補(bǔ)給，與煤系含水層的水力聯(lián)系密切。煤炭開發(fā)強(qiáng)排疏水，必然改變其補(bǔ)給、徑流、排泄關(guān)系，形成大規(guī)模地下水降落漏斗，地下水循環(huán)規(guī)律發(fā)生根本性改變。

5.3 淺層地下水或被疏干，草原變荒漠

雖然該區(qū)新近系含水層與淺部第四系含水層之間有相對(duì)穩(wěn)定連續(xù)的隔水層分布，但盆地邊部第四系、新近系、煤系含水層相互聯(lián)系，煤炭開發(fā)大規(guī)模疏排水，淺部地下水反補(bǔ)漏斗降落區(qū)，若被疏干，則生態(tài)環(huán)境將遭到嚴(yán)重破壞，草原變荒漠。

6 “采煤保水”協(xié)調(diào)性對(duì)策建議

(1)該區(qū)主采煤層煤6、煤9冒落帶與導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度范圍內(nèi)分布有富水性強(qiáng)的新近系砂礫巖含水層，估算含水層靜儲(chǔ)量較大，開采涌(突)水危險(xiǎn)性較大，疏排水難度較大，對(duì)地下水環(huán)境影響較大，建議暫不開采。

(2)對(duì)首采煤11建議在進(jìn)一步查明水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，選擇局部安全地段，開展小面積試采工作，同時(shí)開展疏放水試驗(yàn)等工作。觀測(cè)研究導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，水砂分離方法、跑砂休止角，巷道開口時(shí)潰水潰砂的最小垂直距離、鉆孔超前探放水安全距離等參數(shù)。

(3)建議對(duì)煤層露頭風(fēng)化帶、與富水性強(qiáng)的含水層間存在水力聯(lián)系的斷層、裂隙帶或者強(qiáng)導(dǎo)水?dāng)鄬咏佑|的煤層、受保護(hù)的觀測(cè)孔、注漿孔和電纜孔等留設(shè)安全煤柱。

(4)建議探討防、堵、疏、排、截綜合治理措施的可行性，并適當(dāng)考慮礦井排水與礦區(qū)供水、生態(tài)環(huán)境保護(hù)相結(jié)合，推廣應(yīng)用礦井排水、供水、生態(tài)環(huán)保三位一體優(yōu)化結(jié)合的管理模式和方法。

7 結(jié)語

綜上所述，通過魯新井田典型水文地質(zhì)條件研究工作及成果可以看出，礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中應(yīng)該加強(qiáng)水文地質(zhì)研究工作，促進(jìn)礦產(chǎn)開發(fā)與地下水環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，要遵循自然規(guī)律，趨利避害，以保障生產(chǎn)安全、地下水環(huán)境安全、實(shí)現(xiàn)資源綠色開發(fā)為起點(diǎn)，遵照可持續(xù)利用的原則，為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展保駕護(hù)航。

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