鷹駿一號礦井井筒軟巖類地層水文地質(zhì)條件分析

楊 明，申張梅

(陜西省煤田地質(zhì)局一八五隊，陜西 榆林 719000)

0 引言

鷹駿一號礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市上海廟礦區(qū)北部。行政區(qū)劃屬于鄂爾多斯市鄂托克前旗上海廟鎮(zhèn)管轄，礦井南以內(nèi)蒙古自治區(qū)區(qū)界為界、北以敖銀公路為界、西與榆樹井井田相鄰、東以侏羅系延安組二煤層1 200 m垂深為界。南北長7.4～9.6 km，東西寬3.2～11.5 km，面積93.89 km2，地質(zhì)資源量209 487 Mt。礦井采用立井開拓方式，設(shè)計生產(chǎn)能力6.00 Mt/a。

鷹駿一號礦井工業(yè)場地選擇在井田北部，井筒位置處于沙漠灘地帶，地形相對較平緩，標高在1 339～1 341 m之間。為了便于井筒施工圖設(shè)計和施工組織設(shè)計，必須搞清楚井筒水文地質(zhì)條件。

1 含(隔)水層水文地質(zhì)特征

1.1 含水層

根據(jù)地下水的賦存條件、水力特征及含水層的縱向分布結(jié)構(gòu)，本次工作將井筒場地含水層由上至下劃分為6層[1]。第1層為第四系松散層孔隙潛水含水層(Ⅰ)；第2層為古近系漸新統(tǒng)清水營組底部礫巖孔隙、裂隙承壓含水層(Ⅱ)；第3層為白堊系志丹群碎屑巖孔隙、裂隙承壓水含水層(Ⅲ)；第4層為侏羅系中統(tǒng)直羅組碎屑巖孔隙裂隙承壓水含水層(Ⅳ)；第5層為侏羅系延安組砂巖孔隙裂隙承壓水含水層(Ⅴ)；第6層為三疊系砂巖孔隙裂隙承壓水含水層(Ⅵ)。

第四系松散層孔隙潛水含水層:基本全區(qū)分布，鉆探揭露第四系松散層厚度36.46 m，其中上部以細砂為主，中下部以粉土、粉砂、細砂及其互層為主；細砂、粉砂主要成分為石英、長石，粉土干強度低、韌性低，含鈣質(zhì)結(jié)核，具小孔隙結(jié)構(gòu)。通過檢查孔西側(cè)100 m處對民井抽水試驗(第四系松散層潛水井)，潛水位埋深7.02 m，含水層厚度22.98 m，水位降深為9.15 m時，涌水量4.883 L/s，單位涌水量0.533 7 L/(s·m)，滲透系數(shù)為2.617 7 m/d，統(tǒng)降統(tǒng)徑單位涌水量為0.118 6 L/(s·m)，屬中等富水性。水化學(xué)類型為SO4·Cl-Na·Mg型，pH值為7.87，礦化度1 633.7 mg/L，總硬度590.5 mg/L，以永久硬度為主。因該含水層埋藏淺接受降水補給條件良好，在砂層較厚區(qū)可形成富水性強含水層，潛水位隨降水動態(tài)變化明顯。該層地下水是區(qū)內(nèi)農(nóng)牧民主要飲用水源和當?shù)剞r(nóng)田灌溉取水水源，含水層粒度雖多為細砂、粉砂，但結(jié)構(gòu)松散含水量較大，巖層裸露擾動易溜塑。

古近系漸新統(tǒng)清水營組底部礫巖裂隙孔隙承壓含水巖組:全區(qū)分布，古近系地層在本區(qū)地表未出露，據(jù)檢查孔鉆探成果，厚度47.29 m，上、中部以粘土、粉砂為主，下部為含礫粘土和礫巖，含礫粘土膠結(jié)松散、充填細砂、透水性較差。礫巖層成分主要以石英、長石、石灰石等組成，次棱角狀-次圓狀，礫徑一般30～60 mm，最大直徑150 mm，形狀卵、碎石狀，鉆進易破碎，該層孔隙、裂隙較發(fā)育，透水性好。通過檢查孔對該層抽水試驗，水層水位埋深8.60 m，含水層厚度4.90 m，當水位降深57.12 m時涌水量為0.680 L/s，單位涌水量為0.011 90 L/(s·m)(統(tǒng)降統(tǒng)徑單位涌水量0.005 7 L/(s·m))，滲透系數(shù)為0.268 4 m/d，富水性弱。水質(zhì)分析結(jié)果顯示，pH為7.92，水化學(xué)類型為SO4-Na·Ca型，礦化度1 460.3 mg/L，總硬度523.0 mg/L。

白堊系志丹群碎屑巖裂隙孔隙承壓含水層組:全區(qū)分布，據(jù)檢查孔鉆探成果，厚度241.09 m，其中底部礫巖厚度49.11 m。該巖組主要包括白堊系上、中部粗、細粒砂巖層、砂質(zhì)泥巖及少數(shù)礫巖薄層，下部巨厚礫巖層。礫巖層主要分布于該組下部，空隙充填砂、泥質(zhì)，擾動易軟化破碎，礫巖成分主要由石英、長石、灰?guī)r等組成，次凌角—次圓狀，礫徑20～60 mm，膠結(jié)疏、密不均，易破碎，局部巖芯完整性較好呈柱狀。

通過檢查孔對該層抽水試驗，水位埋深9.33 m，含水層厚度152.42 m，當水位降深56.10 m時，涌水量為1.142 L/s，單位涌水量為0.020 36 L/(s·m)，統(tǒng)降統(tǒng)徑單位涌水量0.013 9 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.012 6 m/d，富水性弱。水質(zhì)分析結(jié)果顯示，pH為8.07，水化學(xué)類型為SO4·Cl-Na型，礦化度1 745.8 mg/L，總硬度365.3 mg/L。根據(jù)測井資料解釋，本孔白堊系含水層厚度156.3 m。泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖等起隔水作用的巖層間隔分布于砂巖之中，使砂巖分布相對較薄，主要在頂部的砂巖較厚，底部的礫巖層較厚，為主要涌水的段落。

侏羅系中統(tǒng)直羅組碎屑巖孔隙裂隙承壓水含水層:全區(qū)分布，據(jù)檢查孔鉆探成果，厚度149.10 m。巖性主要為灰綠、藍灰、灰褐色夾紫斑的粗、中、細粒砂巖和粉砂巖、泥巖，接觸式膠結(jié)為主，膠結(jié)程度較低，砂巖分選性差。通過檢查孔對該層抽水試驗，水位埋深57.47～62.20 m，含水層厚度99.59～129.93 m，當水位降深18.50～20.43 m時，涌水量2.473～2.798 L/s，單位涌水量0.121～0.151 2 L/s·m，統(tǒng)降統(tǒng)徑單位涌水量0.082 8～0.103 5 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.109 1～0.116 1 m/d，富水性弱-中等。水質(zhì)分析結(jié)果顯示，水化學(xué)類型為SO4·CI-Na型，礦化度6 547.9～6 714.9 mg/L，總硬度870.8 mg/L。根據(jù)鉆探揭露及巖性鑒定，該地層巖性以細、中、粗粒砂巖為主，而起隔水作用的粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖沉積厚度均較薄，且地層中沉積有4～5層較厚的中、粗粒砂巖，部分裂隙較為發(fā)育，各孔含水層厚度占地層厚度為69.0%～78.2%。該地層巖性有利于地下水的富集及運移，抽水試驗表明該地層富水性弱-中等。

侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖孔隙裂隙承壓水含水層:全區(qū)分布，據(jù)檢查孔鉆探成果，厚度153.78 m。本含水層組由淺湖-三角洲相組成，巖性為灰、淺灰、灰黑色粉砂巖、中、細粒砂巖，少量粗粒砂巖及泥巖組成。巖芯易斷裂破碎，滑面發(fā)育，裂隙細小不均。通過檢查孔對該層抽水試驗，含水層靜止水位埋深為61.99 m，含水層厚度為84.83 m，當水位降深37.21 m時，涌水量為1.961 L/s，單位涌水量為0.052 7 L/(s·m)，統(tǒng)降統(tǒng)徑單位涌水量為0.036 1 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.061 7 m/d，富水性弱。水質(zhì)分析結(jié)果顯示，水化學(xué)類型為SO4·CI-Na型，礦化度6 538.0 mg/L，總硬度813.7 mg/L。

三疊系砂巖孔隙裂隙承壓水含水層:全區(qū)分布，據(jù)檢查孔鉆探成果，揭露本組地層厚度206.92 m。巖性為黃綠、灰綠色砂巖，夾灰、深灰色粉砂巖、雜色泥巖及薄層含鋁土質(zhì)泥巖。通過檢查孔對該層抽水試驗，含水層厚度129.19 m，當水位降深56.03 m時，涌水量1.638 L/s，單位涌水量0.029 2 L/(s·m)，統(tǒng)降統(tǒng)徑單位涌水量0.020 0 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.022 2 m/d，富水性弱。水質(zhì)分析結(jié)果顯示，水化學(xué)類型為SO4·Cl-Na型，礦化度4 992.7 mg/L，總硬度480.4 mg/L。

1.2 隔水層

井筒位置的隔水層，主要為古近系粘土，直羅組、延安組、三疊系泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，是上下含水層之間較好的隔水層。

古近系粘土隔水層:本孔古近系沉積有厚度39.42 m的粘土，紅色-磚紅色，無搖震反應(yīng)，韌性高，干強度高，可塑。此巖組厚度大，巖性變化小，分布穩(wěn)定是第四系松散層孔隙潛水與基巖孔隙裂隙承壓水之間良好的隔水層。

正?；鶐r泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖隔水層：各地層中粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖等頻繁相間于砂巖中，其巖性較為細膩致密，節(jié)理裂隙密閉，透水性極差，由剖面圖可見隔水層與砂巖含水層基本平行相間展布，但薄層隔水巖組連續(xù)性差，有缺失段，而巨厚層狀隔水巖組展布較穩(wěn)定，為上、下相鄰含水層的良好隔水層。

2 地下水補給徑流排泄條件和充水因素

2.1 地下水補給、徑流、排泄條件

松散巖類孔隙潛水補給、徑流與排泄條件:區(qū)內(nèi)地勢開闊，地形平緩，匯水條件較好，地表又有砂層覆蓋，有利于大氣降水向第四系含水層入滲補給。松散層潛水主要接受大氣降水的補給，次為少量凝結(jié)水補給。地下水徑流方向由高至低與現(xiàn)代地形基本吻合，即由地勢較高處向低處流動，其徑流條件較為簡單，局部受地層結(jié)構(gòu)的影響流向有所改變。潛水多以滲流及潛流形式徑流排泄于溝谷或地形低洼地區(qū)(總趨勢由東向西徑流)，通過蒸發(fā)作用排泄，部分垂向滲透補給下伏基巖含水層，此外，人工打井取水也是排泄方式之一。

碎屑巖類孔隙裂隙水補給、徑流及排泄條件:碎屑巖類孔隙、裂隙承壓含水層主要通過基巖裸露區(qū)及剝蝕區(qū)風(fēng)化裂隙帶間接得到上覆孔隙含水層的滲透補給。另外含水層之間越流補給及經(jīng)斷層破碎帶補給也是其主要補給來源。含水層深部由于水的交替能力差，徑流極為緩慢，甚至幾乎不流動，因而地下水礦化度較高，水量小，富水性弱，局部地段富水性中等。碎屑巖類孔隙裂隙承壓水的排泄條件較為復(fù)雜，承壓水的徑流方向多沿隔水層面傾向徑流，主要排泄于井田外。

2.2 充水因素

充水水源：根據(jù)井筒所穿透的各含水層富水性，其主要充水層位為第四系孔隙潛水、白堊系砂、礫巖段含水層，其次為直羅組含水層[2]。其它含水層雖有較高的水頭壓力，但充水以細小節(jié)理、層間隱蔽裂隙為主，水源補給條件差，透水性差，充水量及強度很小。井筒揭露的泥巖、砂質(zhì)泥巖易風(fēng)化，在節(jié)理、裂隙發(fā)育處充水量會略有增大。

充水途徑及方式：井筒的主要充水途徑為地下水順井筒圍巖滲流和射流。巖層中發(fā)育的裂隙、節(jié)理裂隙和粗顆粒巖層的孔隙，是圍巖涌水的主要通道[3]。各充水層以水平透水、垂直涌水為主要特征，隨著井筒的垂直向下延伸，水位(水頭)壓力不斷增大，井筒圍巖滲水面壓力增大，引起軟巖段充水通道松弛，導(dǎo)水裂隙易張裂掉塊，發(fā)生充水相對集中狀況。

充水強度：松散層受降水入滲補給面積廣，滲透性強，充水強度大；直羅組、延安組、三疊系裂隙承壓水水源補給條件差，透水性差，充水量及強度較??；在井筒掘進的過程中，以井筒為通道會溝通各個含水層，而井筒的充水通道又為各含水層內(nèi)在的節(jié)理和裂隙，其裂隙的發(fā)育情況則是井筒充水強度的主要因素之一。

3 結(jié)語

通過對上述各含水層特征分析，第四系松散層潛水(Ⅰ)與直羅組承壓水(Ⅳ)屬富水性中等。(Ⅰ)含水層巖性結(jié)構(gòu)疏松，分布面積廣，接受降水補給條件優(yōu)越，地下水豐富，井筒開鑿易發(fā)生井壁坍塌、涌砂、強涌水等地質(zhì)災(zāi)害；(Ⅳ)含水層厚度大，巖石軟弱(類似泥化)，孔隙發(fā)育，透水性強，地下水側(cè)向補給條件充分且水源豐富，井筒開鑿此段易發(fā)生井壁臌幫、縮徑張裂、坍塌、強涌水災(zāi)害。其它(Ⅱ)、(Ⅲ)、(Ⅴ)、(Ⅵ)含水層富水性弱，對井筒開鑿將產(chǎn)生的涌水量主要以揭露含水層厚度而變化，延安組含水層(Ⅴ)厚度大、水壓高，其形成的水量較大。白堊系志丹群強風(fēng)化層，巖石軟弱，局部透水性較好，不利于井筒施工的因素主要為坍塌、巖石泥化。類似本區(qū)井筒水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件的開鑿技術(shù)防治措施一般有含水層疏降水法、注漿法，凍結(jié)法等，為加強井筒旋切護壁強度采用較高標準的鋼筋混凝土護壁結(jié)構(gòu)。從井筒施工效率、安全生產(chǎn)角度考慮本區(qū)井筒開鑿宜采用凍結(jié)法技術(shù)措施，防治圍巖的不穩(wěn)定性和強涌水災(zāi)害。凍結(jié)深度應(yīng)在延安組底界以下巖石自然強度較好位置。