韓城礦區(qū)下峪口井田水文地質(zhì)特征及其類型劃分

羅壽濤，余文鑫，祁云望，張 歡，彭道銀

(1.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司地質(zhì)測(cè)量部，陜西 韓城 715400；2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司桑樹坪二號(hào)井，陜西 韓城 715400)

韓城礦區(qū)位于鄂爾多斯地塊東南緣晉西褶皺帶與渭北隆起的交匯地帶，礦區(qū)內(nèi)主要含煤地層為石炭～二疊系，其中3、5、11號(hào)煤層為本區(qū)主要開(kāi)采煤層。下峪口井田作為韓城礦區(qū)的八個(gè)井田之一，目前主要開(kāi)采山西組的2、3號(hào)、3號(hào)下煤層，其中11號(hào)煤層由于受到其底板奧陶系灰?guī)r承壓含水層的影響極大，已嚴(yán)重影響其正常開(kāi)采。為了進(jìn)一步推進(jìn)和實(shí)現(xiàn)下峪口井田安全、綠色、高效開(kāi)采，本文將以以往地質(zhì)工作成果為基礎(chǔ)，結(jié)合周邊相鄰生產(chǎn)礦井資料，從礦井地質(zhì)特征、礦井水文地質(zhì)特征、礦井充水、涌水因素等方面對(duì)礦井水文地質(zhì)類型及帶壓開(kāi)采條件進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)，最終為煤炭的綠色、安全、高效開(kāi)采提供地質(zhì)保障并服務(wù)于整個(gè)韓城礦區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)。

1 井田地質(zhì)特征

1.1 井田地質(zhì)構(gòu)造特征

下峪口井田位于韓城礦區(qū)中部偏北，陽(yáng)山莊隱伏背斜的西北翼(圖1)。井田總體構(gòu)造形態(tài)為一個(gè)走向NE-NNE，傾向NW-NWW，沿走向與傾向均有明顯波狀起伏的單斜構(gòu)造，大中型構(gòu)造不甚發(fā)育，主要以褶皺、小型斷裂及層滑構(gòu)造為主[1-2]。井田邊淺部受上峪口逆斷層(F2)的影響，造成含煤巖系呈急傾斜甚至微倒轉(zhuǎn)狀態(tài)(圖2)，但由煤系露頭線傾斜延伸不遠(yuǎn)，煤巖層傾角急劇變緩在15°以下，一般煤層傾角5°～6°左右。下峪口井田內(nèi)除了發(fā)育有上峪口背斜和北子山向斜兩條較大規(guī)模的褶皺以外，還發(fā)育有另外5個(gè)規(guī)模較小的褶皺。褶皺軸長(zhǎng)變化在700～5 700 m之間，寬度變化在400～1 400 m間，背斜、向斜相間出現(xiàn)。褶皺兩翼產(chǎn)狀平緩近似對(duì)稱或微對(duì)稱；軸面近直立，軸向以近東西向?yàn)橹?；樞紐以直線為主，少部分局部呈現(xiàn)弧形，大致向西發(fā)生傾伏。下峪口井田內(nèi)存在層間滑動(dòng)構(gòu)造，按其形態(tài)特征(滑動(dòng)面、斷層面、形變煤體)可以分為揉皺型層滑構(gòu)造和斷裂型層滑構(gòu)造兩大類四種表現(xiàn)形式，即頂滑底褶型、滑動(dòng)面切割斷層型、頂板穿刺煤層型、底板穿刺煤層型，其中前兩種形式的層間滑動(dòng)構(gòu)造由于和構(gòu)造發(fā)育密集相關(guān)，增加了構(gòu)造裂隙的復(fù)雜程度。井田內(nèi)主要發(fā)育正斷層伴隨有少量逆斷層發(fā)育，根據(jù)井田生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)中所揭露的實(shí)際情況2號(hào)煤層的斷層發(fā)育程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于3號(hào)煤層。2號(hào)煤層斷層主要優(yōu)勢(shì)方位為NW、NNW及NE向；3號(hào)煤層斷層主要優(yōu)勢(shì)方位為近W-E向及NEE向。從斷層發(fā)育的方向性看，2號(hào)、3號(hào)煤層斷層方向不具有相似性，說(shuō)明兩煤層斷層均屬層內(nèi)斷層，連通性較差。受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力和煤系脆性巖層的關(guān)系影響，斷層主要以傾角大于45°的高角度斷層為主并且斷層傾角變化較大。

圖1 韓城礦區(qū)構(gòu)造綱要圖

1.2 井田地層特征

下峪口井田內(nèi)及周邊地層出露良好，從老到新有太古界涑水群、元古界震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系及新生界第四系。寒武系之前地層出露于井田南側(cè)的華子山、楊山莊一帶，奧陶系地層分布于井田的東南側(cè)，組成石灰?guī)r山，含煤系地層順序出露于溝谷，多分布于深部山區(qū)，第四系多覆蓋于山頂[3]。

1.3 井田煤系地層

下峪口井田主要含煤地層由石炭系的太原組和二疊系的山西組組成，厚度在96.59～175.20 m之間，平均厚131 m，一般厚100～140 m，共含煤13層，煤層平均厚15.12 m，總含煤系數(shù)11.54%，其中可采及局部可采煤層四層，分別為2號(hào)、3號(hào)、3號(hào)下及11號(hào)煤層，平均厚度9.75 m(平均真厚度9.52 m)，可采含煤系數(shù)7.44%。其中，山西組地層厚度35～96 m，平均63.95 m，含煤六層，煤層總厚度8 m，含煤系數(shù)12%，煤層編號(hào)自上而下為：1號(hào)上、1號(hào)、2號(hào)上、2號(hào)、3號(hào)、3號(hào)下。其中，3號(hào)煤為主采煤層，3號(hào)下為局部可采煤層，2號(hào)為局部不可采煤層，其它均為不可采煤層，可采煤層和局部可采煤層平均總厚度9.75 m，可采含煤系數(shù)7.44%。太原組地層厚度44～104 m，平均67.4 m，含煤七層，分別為5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、11號(hào)、12號(hào)，含煤系數(shù)最大為8.08 %，其中11號(hào)煤層為礦井主采煤層之一，其余為局部可采煤層，可采含煤系數(shù)為4.15%。

圖2 韓城礦區(qū)地層剖面圖[4]

2 井田水文地質(zhì)特征

下峪口井田西北部為未開(kāi)采的王峰井田，西部與未開(kāi)采的嶺底勘查區(qū)相近，西南與興隆煤礦相鄰，南部為區(qū)域性的斷層密集發(fā)育區(qū)，東南為淺部小煤窯開(kāi)采區(qū)，東部為桑樹坪煤礦。由于下峪口井田整體上位于由東南向西北傾斜的單斜構(gòu)造，而下峪口井田地表地勢(shì)整體呈現(xiàn)由北東向南西傾斜，因此下峪口井田內(nèi)地表水及第四系含水層的徑流條件和地下基巖含水層的徑流條件不一致[5-6]。地表水與第四系含水層的補(bǔ)給區(qū)位于東北部地勢(shì)較高的山區(qū)，其徑流一般進(jìn)入溝谷中形成季節(jié)性河流；而地下基巖含水層的補(bǔ)給區(qū)為井田東南淺部及井田內(nèi)基巖露頭區(qū)，地下水沿地層傾斜方向向深入運(yùn)移[7]。井田東南淺部存在多處關(guān)閉老窯，老窯積水也是地下基巖的補(bǔ)給水源。即井田東南淺部為本區(qū)的透水邊界，東部、北部、西部均為人為邊界。本區(qū)內(nèi)的奧陶系灰?guī)r含水層受區(qū)域地質(zhì)控制作用，與東南部的黃河呈現(xiàn)互相補(bǔ)給、排泄的關(guān)系。

2.1 主要含水層

礦井主要含水層為煤系及其上覆地層中的砂巖(灰?guī)r)含水層及煤系基底奧陶系石灰?guī)r含水層。由于受沉積作用的控制，含水層與隔水層相間存在，形成多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合承壓含水體。煤系及其上覆地層中的砂巖和灰?guī)r含水層的富水性與透水性不好，水力聯(lián)系差，加上地形復(fù)雜，地表徑流條件好，滲透有限，補(bǔ)充量不足等，其含水量都不大；同時(shí)受隔水層阻隔，各含水層之間多無(wú)水力聯(lián)系。煤系基底奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層含水豐富，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

2.2 主要隔水層

隔水層的劃分是相對(duì)應(yīng)于含水層而確定的。劃分的主要依據(jù)為抽水試驗(yàn)成果，參考含水層劃分情況，根據(jù)巖性特征進(jìn)行劃分，考慮到巖性和地層時(shí)代相互關(guān)系共劃分為四個(gè)隔水層段，即第四系粉砂土亞粘土隔水層段、二疊系泥巖砂質(zhì)泥巖隔水層段、石炭系泥巖粉砂巖隔水層段與奧陶系石灰?guī)r隔水層段。

2.3 充水水源分析

2.3.1 大氣降水

由于井田年降雨量小于蒸發(fā)量，加之地表泄水條件良好，在雨季只有少量降水下滲補(bǔ)給露頭含水層，因此大氣降水不會(huì)對(duì)礦井涌水量構(gòu)成太大威脅。

2.3.2 地表水體

井田地表水體不發(fā)育，各沖溝雨季流水均對(duì)礦井不構(gòu)成威脅。流經(jīng)井田南端的馬莊河，在相鄰的燎原煤礦曾因采礦塌陷，產(chǎn)生過(guò)地表水涌入該礦的現(xiàn)象，同時(shí)也不排除該河流存在下滲的可能。

2.3.3 含水層水

前已述及，受該區(qū)沉積作用的控制，含水層與隔水層相間存在，形成多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合承壓含水體。其富水性與透水性不好，水力聯(lián)系差，加上地表地形復(fù)雜，徑流條件良好，補(bǔ)給量不足，滲透有限，含水量不大，同時(shí)受隔水層阻隔，各含水層之間多無(wú)水力聯(lián)系，充水方式主要為頂板淋水型。

2.3.4 老空(窯)水

下峪口煤礦淺部存在眾多小煤礦，目前舊窯停采因水大停采者居多，積水來(lái)源于地表水的直接灌入，大氣降水沿風(fēng)化裂隙補(bǔ)給存積。小煤礦積水是淺部煤層開(kāi)采的主要充水因素，又是造成淹沒(méi)礦井和人身死亡事故的主要原因。其次，下峪口煤礦采用下行開(kāi)采方式造成上覆煤層采空區(qū)積水威脅下伏工作面采掘安全，因此目前礦井水害的主要問(wèn)題是本礦井內(nèi)老空區(qū)積水引起的礦井突水問(wèn)題。

2.4 礦井充水通道

2.4.1 斷層構(gòu)造及裂隙

對(duì)礦井開(kāi)采構(gòu)成充水性的構(gòu)造主要為中小型斷層與裂隙。斷層、裂隙出水以頂板滴水、淋水為主。截至目前，雖然礦井未發(fā)生過(guò)斷層導(dǎo)水引起的突水事件，但隨著開(kāi)采深度的加大，高壓奧灰水沿?cái)鄬訉?dǎo)通的可能性不可排除。

2.4.2 煤層采動(dòng)裂隙

煤層開(kāi)采所形成的覆巖導(dǎo)水裂隙帶是煤層頂板充水含水層水涌入工作面與采空區(qū)的主要通道。

2.5 礦井涌水量

根據(jù)1992年以來(lái)歷年礦井涌水量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，1991-2002年下峪口煤礦年涌水量介于57.6(2002年)～125.8 m3/h間(1992年)，平均89.8 m3/h ，月最大涌水量308.1 m3/h(1992年11月)。自1992年以來(lái)，下峪口礦井涌水量整體呈下降趨勢(shì)(圖3)，究其原因是隨著礦井開(kāi)采深度增加，可能受礦井構(gòu)造裂隙發(fā)育程度減弱的影響，礦井涌水量呈現(xiàn)出緩慢遞減的變化趨勢(shì)。

圖3 下峪口煤礦歷年礦井涌水量變化曲線圖

3 井田水文地質(zhì)類型

按照國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局2018年6月4日頒發(fā)的《煤礦防治水細(xì)則》的要求，根據(jù)礦井受采掘破壞或者影響的含水層及水體、礦井及周邊老空水分布狀況、礦井涌水量或者突水量分布規(guī)律、礦井開(kāi)采受水害影響程度以及防治水工作難易程度六部分，對(duì)下峪口煤礦未來(lái)三年內(nèi)主采的山西組2、3號(hào)煤層的礦井水文地質(zhì)類型進(jìn)行劃分。

3.1 礦井受采掘破壞或者影響的含水層及水體

下峪口煤礦開(kāi)采的山西組2號(hào)、3號(hào)煤層，受采掘破壞或影響的含水層為下石盒子組和山西組砂巖孔隙裂隙含水層，其富水性與透水性不好，水力聯(lián)系差，加上地表地形復(fù)雜，徑流條件良好，有一定的補(bǔ)給水源，但補(bǔ)給量不足，滲透有限，含水量不大，同時(shí)受隔水層阻隔，各含水層之間多無(wú)水力聯(lián)系，含水層單位涌水量q=0.000 84～0.82 L/s·m，屬弱富水性含水層。根據(jù)含水層性質(zhì)、補(bǔ)給條件及富水性標(biāo)準(zhǔn)，礦井2號(hào)、3號(hào)煤層該項(xiàng)指標(biāo)劃分為簡(jiǎn)單類型。

3.2 礦井及周邊老空水分布狀況

下峪口井田內(nèi)存在多處采空區(qū)積水，積水位置、積水量、積水范圍清楚，礦井目前在防治老空區(qū)積水的工作保障了礦井未發(fā)生突水事故。井田范圍內(nèi)的東嶺新井主要開(kāi)采1號(hào)煤層，其可采區(qū)域均位于下峪口煤礦2、3號(hào)煤層采空區(qū)。下峪口煤礦未來(lái)三年開(kāi)采范圍內(nèi)不存在東嶺新井采空區(qū)及其積水。井田周邊存在多處關(guān)閉小煤礦，其淺部原資料顯示存在14處小煤窯，目前周邊正常生產(chǎn)小煤礦為3個(gè)。下峪口煤礦未來(lái)主要對(duì)二水平進(jìn)行開(kāi)采，距離淺部的小煤窯較遠(yuǎn)，且存在一水平采空區(qū)煤柱，因此淺部小煤礦及其積水區(qū)對(duì)下峪口煤礦未來(lái)三年生產(chǎn)影響較小。下峪口井田內(nèi)的采空區(qū)積水位置、范圍、積水量基本清楚，將該指標(biāo)確定為中等類型。

3.3 礦井涌水量

2018-2020年，下峪口煤礦礦井正常涌水量為86.3 m3/h，最大涌水量89 m3/h，近年來(lái)礦井涌水量呈現(xiàn)平穩(wěn)下降趨勢(shì)。預(yù)計(jì)未來(lái)三年下峪口煤礦礦井正常涌水量為133 m3/h，礦井最大涌水量為154 m3/h。將該指標(biāo)確定為簡(jiǎn)單類型。

3.4 突水量

2018-2020年下峪口煤礦井未發(fā)生過(guò)突水事件，將該指標(biāo)確定為簡(jiǎn)單類型。

3.5 礦井開(kāi)采受水害影響程度

下峪口煤礦目前受到砂巖含水層水危害程度較小，可通過(guò)頂板疏放進(jìn)行防治；礦井主要受采老空區(qū)積水威脅；淺部小煤礦距離下峪口未來(lái)三年開(kāi)采范圍較遠(yuǎn)，日常應(yīng)加強(qiáng)淺部采空區(qū)積水水量、水位及密閉墻體的監(jiān)測(cè)，將礦井受水害影響程度確定為中等類型。

3.6 防治水工作難易程度

下峪口煤礦在防治水技術(shù)上不存在困難，防治水工作易于開(kāi)展，技術(shù)難度中等，經(jīng)濟(jì)成本可控，屬于中等類型。

根據(jù)以上分類結(jié)果以及水文地質(zhì)類型劃分方案的規(guī)定將下峪口煤礦未來(lái)三年礦井水文地質(zhì)類型確定為中等類型(表1)。

表1 礦井水文地質(zhì)類型劃分標(biāo)準(zhǔn)及下峪口煤礦水文地質(zhì)類型劃分對(duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

(1)韓城礦區(qū)下峪口井田含水層為煤系及其上覆地層中的砂巖(灰?guī)r)含水層及煤系基底奧陶系石灰?guī)r含水層；隔水層主要為第四系粉砂土亞粘土隔水層段、二疊系泥巖砂質(zhì)泥巖隔水層段、石炭系泥巖粉砂巖隔水層段與奧陶系石灰?guī)r隔水層段。礦井充水的主要水源為地下水和老空(窯)積水；主要充水通道為構(gòu)造斷裂、裂隙和開(kāi)采沉陷裂隙。

(2)根據(jù)水文地質(zhì)類型劃分方案的規(guī)定對(duì)礦井受采掘破壞或者影響的含水層及水體、礦井及周邊老空水分布狀況、礦井涌水量或者突水量分布規(guī)律、礦井開(kāi)采受水害影響程度以及防治水工作難易程度將下峪口煤礦未來(lái)三年礦井水文地質(zhì)類型確定為中等類型。