轉(zhuǎn)角勘查區(qū)水文地質(zhì)特征分析

任鵬飛

（陜西省一九四煤田地質(zhì)有限公司，陜西 銅川 727000）

0 引言

轉(zhuǎn)角勘查區(qū)屬于陜西省黃隴侏羅紀煤田焦坪礦區(qū)西北部，行政區(qū)劃歸陜西省旬邑縣馬欄鄉(xiāng)管轄。焦坪礦區(qū)位于陜北黃土高原南部，屬半掩蓋之中低山區(qū)，森林密布，屬陜西省重要的林區(qū)之一，自然景色優(yōu)美，區(qū)內(nèi)地表水系呈樹枝狀分布，以雪梁、雙廟梁為分水嶺；東北、玉華川、南川及建莊川均屬洛河水系支流，流量較小，向東北匯入洛河；西南之馬欄河、漆水河等均屬渭河水系支流，僅馬欄河為常年流水，流量較大，向西南經(jīng)涇河匯入渭河水系，其余各河流流量隨季節(jié)變化較大。

轉(zhuǎn)角勘查區(qū)水文地質(zhì)條件與礦區(qū)條件基本一致，根據(jù)地下水的埋藏條件、含水層的巖性、分布范圍、富（透）水性，可將區(qū)內(nèi)地下水分為：第四系全新統(tǒng)沖-洪積孔隙含水層（Q4）、第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土孔隙裂隙含水層（Q3m）、白堊系下統(tǒng)華池組砂巖含水層（K1h）、白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖裂隙孔隙含水層（K1l）、白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖相對隔水層（K1y）、侏羅系中統(tǒng)直羅組上段相對隔水層（J2z1）、侏羅系中統(tǒng)直羅組下段砂巖裂隙含水層（J2z2）、侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖裂隙含水層（J2y）、侏羅系下統(tǒng)富縣組隔水層（J1f）、三疊系上統(tǒng)胡家村組隔水層（T3h）10個含（隔）水層（組）對轉(zhuǎn)角勘查區(qū)水文地質(zhì)特征作分析研究［1-4］。

1 勘查區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)

1.1 地表水系

轉(zhuǎn)角勘查區(qū)位于陜西省焦坪礦區(qū)西北部西鄰甘肅省，地貌屬子午嶺東坡中-低山森林區(qū)。區(qū)內(nèi)山巒起伏，溝谷縱橫，地形總趨勢西北高、東南低。最高點為西北部洪山寺梁，海拔1 845.60 m；最低點為南部馬欄河谷，海拔1 250 m左右，相對高差最大為590 m，一般200～300 m。

勘查區(qū)內(nèi)主要河流為清水溝、石底川、關(guān)門子及馬欄河，均為長年性河流，流量隨季節(jié)變化較大。清水溝支流發(fā)源于焦坪鳳凰山一帶，據(jù)長期觀測資料，流量133.276 L/s；石底川支流發(fā)源于子午嶺東部，流量322.64 L/s，關(guān)門子流量為84.125 L/s。石底川與清水溝在轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)匯合后形成馬欄河，據(jù)長期觀測資料，流量322.667～2 500.97 L/s，平均流量862.209 9 L/s。

1.2 勘查區(qū)內(nèi)含（隔）水層水文地質(zhì)特征

勘查區(qū)內(nèi)地層主要由第四系松散層、白堊系、侏羅系、三疊系碎屑巖組成，碎屑巖粗細相間，相互成層。粗粒地層相對裂隙發(fā)育，富水性強；細粒地層裂隙不發(fā)育，富水性弱或不含水，根據(jù)以往及鄰區(qū)地質(zhì)資料，區(qū)內(nèi)由上到下含（隔）水層劃分如下［5-6］。

第四系全新統(tǒng)沖-洪積孔隙含水層（Q4）：該層主要分布于大溝谷中，為殘積、沖洪積沉積物。殘積物主要為植被層，沖、洪積物以沙、砂礫堆積物為主。分布于溝谷地帶，厚0～36.00 m，平均厚13.75 m，與下伏地層不整合接觸，巖性以沖積再生黃土，洪積細沙、砂礫石組成。該層主要分布于河床部位，平水期主要以河流補給，因受季節(jié)影響，水位變化幅度比較大。水文地質(zhì)測繪中，該層未發(fā)現(xiàn)水泉出露。據(jù)臨區(qū)資料，泉流量一般為0.01～2.55 L/s，據(jù)本區(qū)水質(zhì)化驗，礦化度0.390～1.107 g/L，屬HCO3-Ca·Mg及HCO3·SO4-Ca·Mg型水，該層屬弱-中等富水性。

第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土孔隙裂隙含水層（Q3m）：該層主要分布于山梁、山坡地帶，厚度0～56.50 m，平均厚13.95 m，與下伏地層不整合接觸。巖性以灰黃色黃土、亞砂土、亞粘土組成。含鈣質(zhì)結(jié)核，垂直節(jié)理發(fā)育，在溝谷中常呈現(xiàn)陡坎，水文地質(zhì)測繪中未發(fā)現(xiàn)有泉出露。據(jù)臨區(qū)化驗資料，礦化度為0.478～0.637 g/L，屬HCO3-Ca·Mg型水，該層屬弱富水性。

白堊系下統(tǒng)華池組砂巖含水層（K1h）：勘查區(qū)內(nèi)廣泛分布，厚度44.60～431.73 m，平均厚204.03 m。與下伏地層整合接觸。巖性以灰、紫色細粒砂巖為主，夾灰綠色粉砂巖及薄層泥巖，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，微波狀水平層理較發(fā)育。地下水主要賦存在砂巖裂隙中，順裂隙面運移，鉆孔施工中該層有涌水現(xiàn)象（Z3孔），涌水量0.225 L/s。地下水主要補給來源于大氣降水，水量隨季節(jié)變化，一般泉流量0.014～0.869 L/s，礦化度0.396～0.398 g/L，水質(zhì)屬HCO3-Mg·Ca及HCO3-Mg·Ca·Na型淡水，該層屬弱富水性。

白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖裂隙孔隙含水層（K1l）：洛河組全區(qū)分布，地表無出露，厚度265.36～438.10 m，平均厚328.26 m，與下伏地層整合接觸。為一套巨厚層狀的淺棕紅、褐紅色中粒砂巖，局部夾細粒、粗粒砂巖，具大型交錯層理。在本次水文地質(zhì)測繪中，該層未發(fā)現(xiàn)有泉出露。據(jù)鉆孔X2-1、11-1、7-5抽水試驗資料：其中X2-1號鉆孔水位埋深118.36 m，涌水量4.25 L/s，單位涌水量0.140 3 L/（s·m），礦化度0.568 g/L；11-1號鉆孔水位埋深187.08 m，涌水量1.828 L/s，單位涌水量0.165 52 L/（s·m），礦化度0.579 g/L；7-5號鉆孔水位埋深135.50 m，涌水量4.24 L/s，單位涌水量0.420 03 L/（s·m），礦化度0.480 g/L；屬HCO3·SO4-Na及HCO3-Na·Mg型水，該層屬中等富水性。

白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖相對隔水層（K1y）：該層在區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)分布，地表無出露，厚度0～39.87 m，平均厚度18.34 m，與下伏地層呈假整合接觸。巖性為一套暗紫色礫巖，致密堅硬，一般鈣質(zhì)膠結(jié)，礫石成分以石灰?guī)r、石英巖為主，硅質(zhì)巖較少，礫石磨圓度較好，分選性較差。在有該層賦存的部位，可作為上下含水層的相對隔水層。

侏羅系中統(tǒng)直羅組上段相對隔水層（J2z1）：直羅組上段厚度一般為8～15 m，平均厚度12 m。主要由紫雜色、灰褐色泥巖、粉砂巖、細粒砂巖組成，中-粗粒砂巖較少。一般不顯層理，偶見斜層理，與下伏地層假整合接觸。

侏羅系中統(tǒng)直羅組下段砂巖裂隙含水層（J2z2）：直羅組下段主要由紫灰色、綠灰色、紫雜色粉砂巖、泥巖和細粒砂巖組成，中粒砂巖較少，具斜層理及水平層理。底部為厚層狀灰白色中-粗粒砂巖，區(qū)內(nèi)分布廣，厚度一般為3.5～75.3 m，平均厚度31.04 m，層位穩(wěn)定，為標志層。據(jù)建莊詳查鉆孔抽水試驗資料：涌水量0.18～0.24 L/s，單位涌水量0.002 2～0.005 19 L/（s·m），礦化度達15.527 g/L，水質(zhì)為SO4·Cl-Na型咸水，該層屬弱富水性。

侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖裂隙含水層（J2y）：厚度一般為10.10～97 m，平均厚度60.54 m。區(qū)內(nèi)廣泛分布，巖性以灰、紫色細粒砂巖為主，夾灰綠色粉砂巖及薄層泥巖，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，微波狀水平層理較發(fā)育。該層為本區(qū)含煤地層，地下水主要賦存在砂巖裂隙中，順裂隙面運移，據(jù)鄰區(qū)建莊鉆孔抽水資料單位涌水量小于0.01 L/（s·m）。礦化度14.12 g/L，水質(zhì)屬SO4·Cl-Na型咸水，該層屬弱富水性。

侏羅系下統(tǒng)富縣組隔水層（J1f）：該層全區(qū)分布，厚度0～21.14 m，平均厚7.66 m，巖性為紫灰色、灰綠色泥巖（俗稱“花斑泥巖”），局部為灰色砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。呈團塊狀，見滑面，遇水膨脹，該組地層由于其巖性特征明顯，區(qū)內(nèi)分布穩(wěn)定，定為標志層K1。與下伏地層假整合接觸，可作為上下含水層的隔水層。

三疊系上統(tǒng)胡家村組隔水層（T3h）：為含煤巖系之基底。其巖性主要為灰綠、黃綠色粉、細粒砂巖，夾灰色、深灰色、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖及煤線，水平層理發(fā)育，含植物化石，未鉆穿，厚度不詳。該層在埋藏淺部富水性較強，隨著埋深增加，富水性減弱，在本區(qū)該層埋藏較深。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，該層一般淺部含水，深部不含水。據(jù)青崗坪J2號鉆孔工程地質(zhì)編錄顯示巖心裂隙不發(fā)育，該孔抽水試驗資料，水位埋深44.74 m，水位標高1 262.39 m，水位降低81.42 m時，鉆孔涌水量為0.008 L/s，單位涌水量為0.000 098 L/s·m，滲透系數(shù)為0.000 338 m/d，該層屬弱富水性。

1.3 地下水補給、徑流、排泄條件及動態(tài)變化

本區(qū)地下水主要依靠大氣降水補給。埋藏深的含水層，主要依靠側(cè)向徑流補給，另外上部含水層的越流補給也是其中補給來源。

在第四季松散層覆蓋區(qū)，基巖含水層主要接受第四系松散層地下水間接補給。華池組砂巖是區(qū)內(nèi)主要出露巖層，但由于該層巖性粗、細相間，呈互層狀，富水性弱，無統(tǒng)一的水位。在石底川中上游，普查Z6、Z26號鉆孔出現(xiàn)涌水，涌水層位為華池組砂巖，埋深30 m以上；反映了華池組砂巖在露頭地帶以及埋藏淺部，砂巖裂隙在風化營力作用得到加強、擴大，接受上部地層補給，出現(xiàn)局部涌水現(xiàn)象。由于該層裂隙不發(fā)育，地下水交替緩慢，所以礦化度增高，由淡水變?yōu)橄趟?/p>

本區(qū)地下水屬層狀碎屑巖類地下水，含水層在淺部接受補給后，順層向深部流動。若被河谷侵蝕切割，便以泉的形式排出地表，形成地表水，部分地下水順層向深部運移，形成承壓水。

1.4 水文地質(zhì)勘探類型

本區(qū)位于涇河流域支流，地表植被發(fā)育，溝谷坡降比大。降水多集中在夏、秋季，即7～9月，總體利于降水的排泄，不利于地下水的補給。由于煤層及直接充水含水層埋藏較深，不利于降水補給。據(jù)本區(qū)鉆孔抽水資料：7-3號鉆孔直羅組及延安組地下水鉆孔單位涌水量0.002 14 L/（s·m）；7-5號鉆孔直羅組及延安組地下水鉆孔單位涌水量0.002 10 L/（s·m）；單位涌水量均小于0.1 L/（s·m）。

綜上所述，本區(qū)構(gòu)造簡單，裂隙不發(fā)育，煤層直接充水含水層因埋藏深，補給條件差，局部洛河水通過裂隙導通至含煤地層，因此本區(qū)水文地質(zhì)勘探類型確定為以裂隙充水為主的簡單型，即二類一型。

2 礦井充水因素分析

根據(jù)勘查區(qū)水文地質(zhì)條件及煤層賦存特征，礦井充水形式有直接和間接兩種，它們分別受大氣降水、地表水和地下水等因素的控制，對未來礦井生產(chǎn)有不同程度的影響。

2.1 生產(chǎn)礦井調(diào)查

本區(qū)與西川煤礦相鄰，西川煤礦主采4-2煤層，礦區(qū)面積為7.893 8 km2，生產(chǎn)能力為1.2 Mt/a，2007年開始生產(chǎn)，2010年產(chǎn)量達1.6 Mt。據(jù)2010年礦井涌水量觀測數(shù)據(jù)，主斜井涌水量平均為4 m3/h；副斜井涌水量平均為4 m3/h；回風斜井涌水平均為6 m3/h，1107回順涌水量平均在6 m3/h；1108、1110工作面平均為3 m3/h；1105工作面平均為3 m3/h；六聯(lián)巷及其它巷道涌水量月平均在5.2～10.6 m3/h，礦井總涌水量比較穩(wěn)定，平均為35 m3/h。但2010年6月以后，礦井總涌水量增大，6月份為107.3 m3/h，9月份為180.4 m3/h，12月份為163.2 m3/h，呈逐漸增大趨勢，并隨季節(jié)有一定波動。

據(jù)2010年6～12月礦井涌水量觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1，可以看出主斜井、副斜井等井筒和巷道涌水量基本無變化，礦井涌水量主要來自于1105采煤工作面，占礦井總涌水量的80%以上，且就在X25號鉆孔附近涌水量突然增大，月平均80～135 m3/h，總體涌水量呈增大趨勢。

表1 西川煤礦涌水量觀測成果表（2010年，m3/h）

2.2 未來礦井充水因素分析

本區(qū)開采4-2煤層，煤層開采后，由于直羅組上部存在宜君礫巖相對隔水巖組，因此煤層直接充水含水層為直羅組和延安組砂巖裂隙地下水，充水方式主要為煤層頂板淋水、滴水、滲水等。

2.3 充水水源

大氣降水：地表第四系松散層易于接受降雨補給，但下伏有巨厚的層狀基巖，且含隔水層相間分布，煤層開采導水裂隙帶高度未超過基巖頂面，故大氣降水為礦井充水的間接水源。

地表水：本勘查區(qū)地表水主要為石底川、清水溝、關(guān)門子、馬欄河。未來礦井開采煤層位于當?shù)厍治g基準面下，上覆基巖厚度遠大于采煤后形成的導水裂隙帶高度，加之勘查區(qū)內(nèi)有連續(xù)的宜君組礫巖隔水層及弱富水的華池組地層存在，故地表水為礦井充水的間接水源。

地下水：影響未來礦井的地下水為煤層開采后形成的導水裂隙帶范圍內(nèi)的含水層，為未來礦井的直接充水水源。區(qū)內(nèi)第四系松散層潛水由于未被導水裂隙帶導通，且有連續(xù)的弱富水華池、宜君組（隔水層）存在，故其為礦井充水的間接水源。洛河組地下水由于富水性中等，水頭壓力較高，區(qū)內(nèi)有31個鉆孔（5-0、5-1、5-4、5-5、5-6、6-0、6-1、6-4、6-5、6-6、6-9、7-1、7-2、7-3、7-4、7-5、8-0、8-1、8-2、8-3、8-5、9-1、9-2、9-3、9-4、10-2、10-3、11-4、Z13、Z22、X4-2）導水裂隙帶導通至該層而成為未來礦井的主要和間接的充水水源，對煤層開采會造成威脅，因此在礦井設(shè)計中引起重視，未來開采中密切觀測洛河含水層變化，留取保安煤柱等方式，防止突水事件發(fā)生。煤層頂板的延安組和直羅組均為承壓水，雖具有較高的水頭壓力，但其富水性極弱，易于疏干，故成為未來礦井的次要和直接的充水水源，對煤層開采不會造成大的威脅。

2.4 充水通道

由于4-2煤層上覆基巖巖性以細砂巖、粉砂巖為主，其次為中粒砂巖、粗粒砂巖及泥巖，呈互層狀結(jié)構(gòu)，未來礦井充水的主要通道是冒落帶、導水裂隙帶，其次為原生結(jié)構(gòu)面裂隙，偶有一些人為的充水通道。

冒落帶、導水裂隙帶：未來礦井主采4-2煤層，坑道系統(tǒng)主要位于延安組4-2煤層附近，由于煤層開采，使頂板冒落、導水裂隙帶成為礦井充水的主要途徑。導水裂隙帶的高度與井下煤層開采厚度、煤層頂板管理方法、巖性等直接相關(guān)。勘查區(qū)內(nèi)煤層厚度3.83～11.35 m，煤層緩傾斜，據(jù)相關(guān)規(guī)范中的中硬巖冒落帶、導水裂隙帶最大高度經(jīng)驗公式［7-10］

式中：Hm—冒落帶的最大高度，m；Hf—導水裂隙帶的最大高度，m；M—累計采厚（取煤層厚度），m；n—煤分層層數(shù)（一次采全高放頂煤綜采技術(shù)，取n=1）。

經(jīng)計算，導水裂隙帶最大高度5.95～200.17 m。根據(jù)鉆孔資料對比，詳查區(qū)92個鉆孔中有31個鉆孔（5-0、5-1、5-4、5-5、5-6、6-0、6-1、6-4、6-5、6-6、6-9、7-1、7-2、7-3、7-4、7-5、8-0、8-1、8-2、8-3、8-5、9-1、9-2、9-3、9-4、10-2、10-3、11-4、Z13、Z22、X4-2）導水裂隙帶突破洛河組含水層底界，突破高度為0.66～79.49 m，如圖1所示。

圖1 導水裂隙帶突破洛河組含水層底界

綜上所述，未來礦井4-2煤層直接充水含水層為直羅組和延安組砂巖裂隙含水層，部分地段洛河組砂巖裂隙水（富水性中等）通過導水裂隙帶也可直接進入礦井。因此，冒落、導水裂隙為未來礦井的主要充水通道。由于本區(qū)無礦井實測資料，根據(jù)經(jīng)驗公式計算的導水裂隙帶最大高度僅供參考。

其它充水通道：本勘查區(qū)基巖以粉砂巖、泥巖、細砂巖為主，次為中砂巖和粗砂巖。含水層隔水層呈互層結(jié)構(gòu)，相間成層，地層裂隙發(fā)育弱，垂向補給極差，側(cè)向補給由于其滲透性差而微弱，故其為弱的充水通道。需注意的是一些人為通道在個別地方可能會成為局部的主要導水途徑，如井筒通過松散層或地表水時采取的封閉防水措施不到位，或者鉆孔封閉質(zhì)量差形成透水天窗等而會成為局部的重要的導水通道。

2.5 未來礦井充水強度分析

礦井充水強度主要決定于煤層頂板以上含水層的富水性、厚度及導水裂隙帶溝通各含水層的程度，采煤方式和開采強度等因素。導水裂隙帶內(nèi)洛河組富水性強、延安組和直羅組富水性弱，使得洛河組成為未來礦井主要的充水水源，對未來礦井的生產(chǎn)會造成較大的影響，其水補給充沛，水量穩(wěn)定，建議未來建井設(shè)計慎重考慮，采煤過程中注意監(jiān)測洛河含水層變化情況，防止洛河含水層通過導水裂隙帶裂隙導通到含煤地層，避免礦井涌水事故發(fā)生。其它含水層或補給困難，或是富水性弱，對礦井開采影響較小。另外，防止一些人為因素導致地表水或第四系潛水進入礦井。

3 礦井涌水量評價

本次礦井涌水量預算采用了地下水動力學法中大井法、比擬法中富水系數(shù)法進行計算對比。通過分析認為水文地質(zhì)比擬法預算的一般涌水量值大于大井法預算的一般涌水量，其中，一般涌水量是大井法理論公式對直接充水含水層直羅組、延安組涌水量計算所得。

地下水動力學法預算的最大涌水量值小，這是由于未將洛河組含水層最大補給水量計入礦井涌水量。但未來礦井開采后，由于煤層上覆基巖軟硬相間，泥巖類隔水巖層遇水膨脹，封閉裂隙，抑制了4-2煤層開采后導水裂隙帶透水性，減少了洛河砂巖含水層受采動干擾后下泄的水量，只有部分洛河組地下水進入未來礦井，并不是導水裂隙范圍內(nèi)的洛河組地下水全部進入未來礦井，故未來礦井實際涌水量應大于預算的最大涌水量理論值，建議設(shè)計部門慎重考慮。

大井法計算礦井涌水量較為接近實際。大井法以本勘查區(qū)鉆孔抽水試驗資料為參數(shù)，工程質(zhì)量可靠，其所采用的含水層水文地質(zhì)參數(shù)合理，方法正確。建議未來礦井涌水量采用大井法計算結(jié)果。

建議未來礦井一般涌水量采用Q=117.85 m3/h。未來礦井開采中，導水裂隙帶可將洛河組含水層地下水導入礦井。會影響4-2煤層的開采，造成煤礦突水的可能。礦井開采時注意防范洛河組含水層。建議未來礦井最大涌水量采用比擬法計算結(jié)果Q=176.68 m3/h。

4 結(jié)語

轉(zhuǎn)角勘查區(qū)洛河組砂巖地下水是未來礦井煤層的直接充水含水層，由于延安直羅組富水性弱，使得洛河組成為未來礦井主要的充水水源，對未來礦井的生產(chǎn)會造成較大的影響，其水補給充沛，水量穩(wěn)定，建議未來建井設(shè)計慎重考慮，采煤過程中注意監(jiān)測洛河含水層變化情況，防止洛河含水層通過導水裂隙帶裂隙導通到含煤地層，避免礦井涌水事故發(fā)生。綜合分析認為轉(zhuǎn)角勘查區(qū)水文地質(zhì)類型以裂隙充水為主，頂板進水、水文地質(zhì)類型確定為簡單型礦床。未來礦井開采重點預防洛河組含水層導通礦井，建議礦井分層開采，降低導水裂隙帶高度，防止導水裂隙帶高度到達洛河組。底板多為泥巖，應采取相應措施防止底板變形。