黃陵礦區(qū)主要含水層特征對煤礦采掘的影響

王 瑤

(陜西省一九四煤田地質(zhì)有限公司，陜西 銅川 727000)

0 引言

準(zhǔn)確認(rèn)識礦井水文地質(zhì)特征對預(yù)防礦井水害事故至關(guān)重要[1-3]。開展含水層巖性組成、厚度分布、單位涌水量富水性分區(qū)等研究，便于掌握含水層對礦井采掘的影響。前人針對不同礦區(qū)含水層特征的研究，已有大量的論述。邢延團(tuán)[4]以亭南煤礦為例，在分析該區(qū)水文地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，提出了基于關(guān)鍵位置的導(dǎo)高判別方法，并應(yīng)用于該礦區(qū)的頂板水防治實踐中。王生全等[5]、張冬冬[6]、王英等[7]、朱冠宇等[8]、穆鵬飛[9]分別針對不同礦區(qū)情況，開展了煤礦水文地質(zhì)特征、礦井充水因素分析、涌水規(guī)律、地下水賦存規(guī)律等方面的研究工作，為指導(dǎo)礦區(qū)煤礦防治水工作提供基礎(chǔ)依據(jù)，充分證明礦區(qū)含水層特征對煤礦安全生產(chǎn)工作的重要性?；诖耍恼乱試乙?guī)劃的14個重要煤炭基地之一的黃隴煤田[10-12]為例，分析礦區(qū)不同主要含水層特征，并評價各含水層的富水性，為黃陵礦區(qū)主要煤層開采受頂板水害威脅的防治提供依據(jù)。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

黃陵礦區(qū)位于黃隴煤田北部，北起葫蘆河，南至建莊，東起店頭鎮(zhèn)、張村驛以東，西至陜、甘交界，行政區(qū)劃屬延安市黃陵、富縣管轄，地理坐標(biāo)為東經(jīng)108°42′34″～109°07′58″，北緯35°30′30″～35°50′36″。礦區(qū)東西長約36.6 km，南北寬約42.2 km，總面積約1 188.64 km2，含煤面積約1 065.02 km2。黃陵礦區(qū)范圍面積較大，區(qū)內(nèi)煤礦較多，均開采2#煤層，據(jù)礦區(qū)眾多礦井近年來的生產(chǎn)經(jīng)驗及礦區(qū)地質(zhì)資料[13-17]，影響煤礦采掘活動的主要含水層有第四系全新統(tǒng)沖洪積層孔隙潛水含水層(Q4al)、第四系中、上更新統(tǒng)黃土孔隙裂隙潛水含水層(Q2l+Q3m)、白堊系下統(tǒng)華池組裂隙含水層(K1h)、白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖孔隙裂隙含水層(K1l)、侏羅系中統(tǒng)安定組泥灰?guī)r裂隙含水層(J2a)、侏羅系中統(tǒng)直羅組下段砂巖裂隙含水層(J2z)、侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖裂隙含水層(J2y)和三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組砂巖裂隙含水層(T3w)。

2 弱富水性巖層特征及對煤礦采掘的影響

2.1 第四系中、上更新統(tǒng)黃土孔隙裂隙潛水含水層

該層(Q2l+Q3m)主要分布于礦區(qū)山梁，厚度為0～204 m，平均50 m，巖性由灰黃色、棕黃色砂土、砂質(zhì)黏土組成，中下部含鈣質(zhì)結(jié)核層，夾數(shù)層棕紅色砂質(zhì)黏土、黏土層與古土壤層，垂直裂隙發(fā)育，立壁性能好，地表形成許多黃土梁、峁、懸谷等地貌景觀。根據(jù)黃陵二號煤礦上16號鉆孔抽水試驗成果，該層單位涌水量0.027 L/(s·m)。屬富水性弱的含水層。該含水層分布范圍較大，地層較厚，但實際的含水層段僅為該層底界的河流石和碎屑巖，加之黃陵礦區(qū)2#煤層埋藏深度較大，所以該含水層對煤礦開采影響甚微。

2.2 白堊系下統(tǒng)華池組裂隙含水層(K1h)

該層主要分布于黃陵礦區(qū)的中西部，西部溝谷中普遍出露。巖性上部以粉砂巖為主，夾泥巖與砂質(zhì)泥巖薄層；下部以細(xì)粒砂巖為主，夾泥巖、粉砂巖。砂巖泥質(zhì)膠結(jié)、質(zhì)脆。該層細(xì)粒砂巖裂隙發(fā)育，但很少切穿泥巖，部分裂隙被方解石充填。厚0～345 m，平均152 m。巖層自上而下風(fēng)化程度逐漸減弱，頂部疏松破碎，孔隙度大，含水率增高，容易形成風(fēng)化裂隙，常被溝谷切割至底界以下。根據(jù)黃陵二號煤礦上4號鉆孔抽水試驗資料顯示，該層單位涌水量0.024 L/(s·m)，富水性弱。該層厚度較大，但距離2#煤層較遠(yuǎn)，根據(jù)礦區(qū)煤礦生產(chǎn)實際，2#煤層采后導(dǎo)水裂隙帶均未到達(dá)該層，故該含水層對煤礦開采影響甚微。

2.3 侏羅系中統(tǒng)安定組泥灰?guī)r裂隙含水層(J2a)

該層主要分布于黃陵礦區(qū)的中西部，礦區(qū)東部的溝谷中有出露，厚0～54 m，平均25 m，巖性上部為暗紫色、紫灰色、灰黃色泥灰?guī)r，夾淡紅色白云質(zhì)泥灰?guī)r及粉砂巖與泥巖薄層，下部為紫灰色、褐黃色及黑色泥巖，局部夾石膏薄層，近水平層理，泥巖易風(fēng)化成鱗片狀。黃陵礦區(qū)在以往勘查時均認(rèn)為該層基本不含水，但由于該層裂隙發(fā)育較好，受到上部洛河組含水層的補(bǔ)給作用較大。黃陵一號煤礦生產(chǎn)勘探SK23號孔對洛河組、洛河組與安定組分別進(jìn)行了抽水試驗，對洛河組單層抽水時，鉆孔涌水量為0.116 98 L/(s·m)；在與安定組混合抽水時，鉆孔涌水量為0.100 406 L/(s·m)，較為接近，由此認(rèn)為安定組地層基本不含水，富水性弱，對煤礦開采影響甚微。

2.4 侏羅系中統(tǒng)直羅組下段砂巖裂隙含水層

直羅組下段(J2z1)主要分布在黃陵礦區(qū)的中西部，地表出露在礦區(qū)北部的直羅鎮(zhèn)、黃陵一號煤礦南部及紅石巖煤礦的東部，厚度0～120 m，平均80 m。巖性以灰白色中、粗粒長石石英砂巖為主，底部含礫石，俗稱“直羅砂巖”，粒度自上而下逐漸變粗。砂巖分選性差，次棱角狀，孔隙-基底式泥質(zhì)膠結(jié)，在鉆孔中該層巖芯上常見到白色鹽霜。根據(jù)黃陵礦區(qū)17個鉆孔抽水試驗成果，該層單位涌水量為0.007～0.183 8 L/(s·m)，見表1。除L32號鉆孔顯示中等富水性外，其余均為弱富水性，總體認(rèn)為直羅組下段砂巖屬弱含水層。由于該層位于含煤地層的上部，礦區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度在部分地段波及到該層，成為含煤地層延安組的補(bǔ)給來源，對煤礦采掘有一定的影響。

表1 直羅組下段砂巖裂隙含水層單位涌水量 單位：L/(s·m)

2.5 侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖裂隙含水層(J2y)

延安組為本區(qū)含煤地層，厚度0～188 m，平均厚度120 m。礦區(qū)中東部有出露，巖性以深灰色、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，夾細(xì)粒砂巖薄層，由南向北厚度漸增。巖性由灰黑色泥巖、粉砂巖、灰白色中粒砂巖、粗粒砂巖、煤層、炭質(zhì)泥巖組成。主要含水層為煤層頂板以上中粗粒砂巖。根據(jù)礦區(qū)14個鉆孔抽水試驗成果，該含水層單位涌水量為0～0.001 8 L/(s·m)，見表2，由此可知，延安組砂巖裂隙含水層富水性弱。延安組含水層為區(qū)內(nèi)2#煤層的含煤地層，煤層在采掘過程中2#煤層頂板基本以少量淋水為主，礦井在該層位未發(fā)生過較大涌水事故，故對煤礦采掘影響較小。

表2 延安組砂巖裂隙含水層單位涌水量 單位：L/(s·m)

2.6 三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組砂巖裂隙含水層(T3w)

區(qū)內(nèi)無出露，厚度不詳。巖性由灰綠色、灰色細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖組成。根據(jù)黃陵礦區(qū)店9號抽水試驗成果知，該層單位涌水量為0.035 L/(s·m)，富水性弱。根據(jù)黃陵礦區(qū)生產(chǎn)資料，2#煤層底板基本未見涌水現(xiàn)象，故該含水層對煤礦采掘影響較小。

3 中等富水性巖層特征對煤礦采掘的影響

白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖孔隙裂隙含水層(K1l)為黃陵礦區(qū)中等富水性巖層。

3.1 洛河組砂巖孔隙裂隙含水層分布范圍

該層主要出露于黃陵礦區(qū)溝谷中，總體分布于礦區(qū)的中西部，在蘆村二號煤礦、黃陵一號煤礦、黃陵二號煤礦、紅石巖煤礦、南川一號煤礦、建北煤礦以東地層剝蝕，剝蝕邊界呈現(xiàn)出花邊狀，如圖1所示。地層厚度0～348 m，平均層厚170 m，東部較薄，西部較厚。巖性以棕紅色、紫紅色巨厚層狀長石石英中粒砂巖為主，夾泥巖、粉砂巖薄層。分選性好，次棱角狀，接觸式泥鈣質(zhì)膠結(jié)，松散，發(fā)育大型板狀、楔狀交錯層理，風(fēng)化后呈粉、細(xì)砂。該層受鄂爾多斯盆地沉積環(huán)境影響，呈現(xiàn)出傾向北西的單斜構(gòu)造，洛河組底界標(biāo)高750～1 100 m。

圖1 洛河組地層富水性分區(qū)示意圖

3.2 洛河組砂巖孔隙裂隙含水層富水性分區(qū)

根據(jù)黃陵礦區(qū)14個鉆孔洛河組抽水試驗成果，該地層單位涌水量0.001～0.38 L/(s·m)，見表3，富水性屬弱-中等。根據(jù)單位涌水量分區(qū)可知，弱富水性性區(qū)域位于礦區(qū)東部，即洛河組剝蝕邊界以西，鉆孔單位涌水量較小，為0.001～0.04 L/(s·m)。中等富水性區(qū)域位于礦區(qū)的中西部，鉆孔單位涌水量為0.12～0.38 L/(s·m)，中等富水性區(qū)域分布于黨家河煤礦、蘆村二號煤礦、黃陵二號煤礦、建北煤礦和建新煤礦的西部，富水性分區(qū)如圖1所示。

表3 洛河組砂巖孔隙裂隙含水層單位涌水量 單位：L/(s·m)

3.3 洛河組地層地下水補(bǔ)給排條件

黃陵礦區(qū)洛河組含水層厚度較大，分布范圍較廣，礦區(qū)煤礦防治地下水工作的重點是對洛河組含水層水的防治。受地層沉積影響，礦區(qū)洛河組的主要補(bǔ)給來源是大氣降水和地表水，本區(qū)大氣降水主要集中在每年的7、8、9月份，由于洛河組地層出露在溝谷之間，大氣降水對洛河組的補(bǔ)給有限，雨水大多順溝谷排泄至河流。而大氣降水對洛河組上部地層的補(bǔ)給作用相對較好，特別是對第四系的補(bǔ)給作用相對較大，而第四系與洛河組之間接觸的區(qū)域，洛河組接收間接補(bǔ)給。礦井涌水量在黃陵礦區(qū)相對增大的時間多集中在雨季，且有著一定的滯后性。受礦區(qū)總體傾向北西的構(gòu)造影響，洛河組地下水的徑流方向主要沿地層傾斜方向由高處流向低處，即由東流向西，主要表現(xiàn)在礦區(qū)西部洛河組受切割影響出露的地段，地下水以泉的形式涌出地表，呈現(xiàn)出承壓性。

3.4 洛河組含水層對煤礦采掘的影響

由于黃陵礦區(qū)洛河組含水層厚度較大，在煤礦中西部富水性中等，根據(jù)礦區(qū)煤礦生產(chǎn)資料，煤層采掘后導(dǎo)水裂隙帶在局部導(dǎo)通了洛河組含水層，洛河組在局部成為煤礦的直接充水含水層，在導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通洛河組含水層的區(qū)域，煤礦井下涌水量會相對增大，且涌水量相對穩(wěn)定，持續(xù)時間較長。但由于該地層單位涌水量在中等的區(qū)間范圍內(nèi)還相對較小，故該含水層對煤礦采掘影響不會特別大。但是在礦區(qū)的深部，推測該層涌水量會迅速增大，正在建設(shè)的富縣蘆村一號煤礦風(fēng)井井筒施工受到水害影響較大，對井筒的掘進(jìn)造成極大的困難。綜合以上，黃陵礦區(qū)洛河組含水層對煤礦的采掘有一定的影響，在礦區(qū)東部影響較小，礦區(qū)中西部影響較大，煤礦采掘需高度重視。

4 強(qiáng)富水性巖層特征對煤礦采掘的影響

黃陵礦區(qū)強(qiáng)富水性巖層僅為第四系全新統(tǒng)沖洪積層孔隙潛水含水層(Q4al)，主要分布于葫蘆河、沮河、南川河等一級階地與河床地帶，由沖擊沙土、亞粘土、細(xì)砂、砂礫石層組成，厚度0～17 m，平均厚度5 m。根據(jù)黃陵礦區(qū)地質(zhì)勘查鉆孔抽水試驗數(shù)據(jù)，該層單位涌水量0.47～4.19 L/(s·m)，見表4。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》(附錄一)含水層富水性劃分標(biāo)準(zhǔn)，該地層屬于富水性中等-強(qiáng)的含水層。 由于該地層出露范圍相對較小，厚度較薄，主要延礦區(qū)溝谷呈“線條”狀分布，富水性呈現(xiàn)出以強(qiáng)為主的特征，主要是該含水層接收大氣降水和地表水的補(bǔ)給，即受補(bǔ)給條件影響較大，但對礦井采掘影響較小。

表4 第四系全新統(tǒng)沖洪積層孔隙潛水含水層單位涌水量 單位：L/(s·m)

5 結(jié)論

(1)黃陵礦區(qū)各煤礦主采2#煤層，礦區(qū)內(nèi)生產(chǎn)煤礦較多。根據(jù)礦井水文地質(zhì)特征、礦區(qū)生產(chǎn)資料，因含水層突水引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害未曾發(fā)生，受導(dǎo)水裂隙帶等諸方面的影響，煤礦防治水工作的重點是防治侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙含水層和白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖孔隙裂隙含水層水。

(2)煤礦開采的導(dǎo)水裂隙帶大多發(fā)育至直羅組含水層，因此，直羅組含水層成為黃陵礦區(qū)煤礦的直接充水含水層，但由于其富水性相對較弱，煤礦采掘過程中頂板多見淋水和滲水現(xiàn)象，總體對煤礦采掘影響較小。

(3)白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖孔隙裂隙含水層是礦區(qū)內(nèi)相對較大的含水層，在礦區(qū)西部單位涌水量相對較大，礦區(qū)煤礦井筒掘進(jìn)至該層位時表現(xiàn)出較大的涌水量，對井筒掘進(jìn)產(chǎn)生較大影響。采后裂隙在部分區(qū)域發(fā)育至該層位，對煤礦開采有一定的影響。