柳江盆地巖漿活動對主力煤田水文地質特征的影響

王 海 軍

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077; 2.西北大學 地質學系，陜西 西安 710069; 3.西北大學 大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069)

柳江盆地位于河北省秦皇島市石門寨鎮(zhèn)——駐操營鎮(zhèn)，盆地內富含豐富的固體礦產資源如煤炭、鐵礦、石英礦、黏土礦等和地下水資源。其中的煤炭資源主要賦存于侏羅系和石炭二疊系2個煤田，屬于典型的雙煤系煤田，均有具有不同程度的開發(fā);煤系底部的寒武—奧陶系灰?guī)r巖溶水含水層是盆地及其周邊城鎮(zhèn)市政供水水源層系，保障著秦皇島市及其周緣居民的生產和生活用水，也是威脅華北煤田礦井安全生產的主要突水水源;此外，盆地內天然的地質資源作為我國北方重要的地質構造、巖石學以及水文地質等學科教學實習基地，是窺視華北地臺的天然窗口和實驗室[1]。

從煤炭資源賦存面積、資源量和目前盆地內生產礦井的勘查、開采資料均顯示石炭二疊系煤田是盆地內主力煤田[2-5]。經過多年的地面、礦井地質調查及地質勘查發(fā)現(xiàn)盆地內及其周緣大面積分布的巖漿巖體在侵入、噴發(fā)過程中對盆地內的水文地質特征產生了不同程度的影響。此外對威脅礦井安全開采的煤系下伏的高承壓、強富水性的寒武—奧陶系灰?guī)r巖溶含水層亦有一定的改造作用。國內外的學者對盆地內巖漿活動、水文地質特征的研究主要集中于巖漿巖的形成時代[6]、盆地構造演化[7-9]、巖漿活動對煤質的影響[10-11]、對巖體的工程地質特征[12-13]和盆地四周地表水[14-16]、淺部的生產礦井防治水[17]和淺層找水、取水等方面的研究[17]以及巖溶水的富水性等[18-30]方面;而對于巖漿活動對盆地內主力煤田水文地質特征影響的研究缺少關注。隨著淺部或上組煤煤炭資源的開采殆盡，礦井在向盆地深部或下組煤拓展、延伸推進時深部頂板水、下伏巖溶水突水性問題將不可避免;尤其是盆地西翼大型逆沖推覆體構造和中部巖漿的侵入、噴發(fā)對含隔水層結構、物性特征和巖石力學特征以及地下水流場等特征的影響程度需要深入的研究。此外隨著盆地內煤炭資源的開發(fā)導致地下水水位大面積、大幅度的下降，盆地不同區(qū)域內居民水源井供水問題日益矛盾[26]，迫切需要為供水水源井的勘查部署指明方向。同時，查明盆地主力煤田水文地質特征對盆地內水文地質教學、實習提供基礎地質資料。

在資料調查分析的基礎上，通過多年的盆地淺部、深部煤田勘探資料的綜合分析整理，結合在盆地內煤炭資源勘查施工的地面水文地質調查、水文地質填圖、礦井地質調查、電法勘探、水文孔抽水試驗輔助巖芯測試、水文地球化學分析、水文測井、示蹤試驗、鉆孔-礦井聯(lián)合抽水等方法綜合研究了巖漿活動對盆地內石炭二疊系煤田水文地質特征的影響。

1 地質概況

1.1 地層及構造特征

柳江盆地為燕山期構造運動形成的一個構造盆地[4,14]，其大地構造單元屬于塔里木中朝地臺(Ⅰ)—河北板內塊體(Ⅱ2)—燕山斷褶帶(Ⅲ22)—燕山南坡斷隆區(qū)(Ⅳ26)(圖1)，盆地總體近橢圓形，南北長約17 km，東西寬約13 km，面積約221 km2。

盆地的沉積演化經歷了基底形成階段、穩(wěn)定蓋層沉積階段和強烈活動階段3個階段;盆地大致經歷了五臺、呂梁、薊縣、泰康、海西—印支、燕山和喜山等幾個期次的構造運動。柳江煤田主要形成于蓋層沉積階段的第3期中石炭世至晚二疊世沉降，沉積形成了本區(qū)的含煤地層太原組、山西組和侏羅系下花園組。中生代強烈的構造運動和巖漿活動，使的盆地內構造復雜化在盆地內及其周緣形成了不同類型的褶皺和斷裂構造以及巖漿巖侵入和噴出巖巖體。

1.2 巖漿活動特征

盆地周緣發(fā)育的巖漿巖體有前寒武系太古界花崗巖體、燕山期響山花崗巖巖體、后石湖巖體和盆地內中部侏羅系中性鈣堿性噴出巖體(圖1)。其中對盆地內含煤地層影響較大的為燕山期的安山巖的噴出及閃長巖侵入，屬次火山巖類。

地質調查、地質鉆探揭露侏羅系髫髻山期巖漿巖的噴發(fā)通道為盆地中部的斷裂構造，噴發(fā)方式為裂隙式間歇式噴發(fā)[11]。巖漿巖在煤系地層內的侵入方式有順煤層、構造、裂隙以及軟弱面侵入、吞噬煤層，形成了目前的煤層及其頂?shù)装褰Y構。

盆地內地表出露的巖漿巖在平面上以安山巖、安山玄武巖、輝石安山巖、火山角礫巖為主，偶見火山彈、火山熔巖、枕狀熔巖等;在縱向上發(fā)育由火山角礫巖、粗面安山巖、粗面巖、安山巖構造成的巖漿巖巖性組合序列。煤系地層內侵入的巖漿巖以閃長玢巖為主，經統(tǒng)計煤系內侵入巖的厚度中部較厚、向四周變薄，具有侵入巖的厚度與地表噴出巖體的厚度呈正相關性[16,21]的特征。

2 盆地水文地質基本特征

2.1 地表水特征

盆地總體地勢受盆地周緣、盆地內部巖漿巖體的控制形成了北高南低、西高東低，地表水受地形地貌的控制，自北向南，自西向東流。地表水體的主要為河流和河道兩側的池塘以及小型的水庫等，其中河流有大石河、湯河、東宮河、鴨水河等，大石河為常流河，其支流從南到北有八九條，各支流匯流于石門寨，最終于東部的蟠桃于匯入渤海;湯河于海港區(qū)西側匯入渤海(圖2)。

圖2 區(qū)域水系分布Fig.2 Regional water system distribution

(1)大石河。發(fā)源于青龍縣山前，由西北向東南經柳江盆地后注入渤海，全長70 km，其中60 km的河流段流經山區(qū)，有9條小河支流。年平均徑流量為1.68×108m3，斷面平均流量為0.30～2.61 m3/s;補給以大氣降水為主，11—2月為枯水期，水量較小，最小流量僅為0.15 m3/s;7—9月為豐水期，平均流量25.4 m3/s。暴雨過后洪水位線立刻上漲，洪峰之后迅速暴落，最大洪峰流量為4 750 m3/s。將其進一步劃分為石門寨匯水亞區(qū)、東宮河匯水亞區(qū)、駐操營匯水亞區(qū)和秋子峪—拿子峪匯水亞區(qū)4個匯水亞區(qū)。

(2)湯河。發(fā)源于撫寧縣柳觀峪西溝和溫泉堡一帶，有2個分支，東支發(fā)源于撫寧縣柳觀峪村西北，西支發(fā)源于撫寧縣溫泉堡西南的方家村，其中以東支為主。河流全長30 km，由北向南流經盆地的西翼，最終于秦皇島海港區(qū)西側匯入渤海。年平均徑流量為0.368億m3，補給以大氣降水為主，上游存在部分溫泉上升泉補給。屬于季節(jié)性河流，平枯水期斷流，只有在豐水期雨季存在徑流。豐水期具有洪峰高流量大、來勢猛、歷時短和泥沙多等特征，常伴隨著泥石流發(fā)生，屬于上平山匯水亞區(qū)。

(3)東宮河。發(fā)源于撫寧縣李莊東溝，長15 km，由北向南流經柳江盆地東翼，最終于潘桃峪與大石河匯流。流域面積89 km2，主要由東西兩個支流組成，其中以東支流為主，兩支流在東部落匯合，屬于東宮河匯水亞區(qū)。

(4)鴨水河。發(fā)源于撫寧縣韓家?guī)X，全長30 km，由西向東流經柳江盆地南翼，最終在蟠桃峪與大石河匯流，流域面積29 km2。最大洪峰流量為400 m3/s。

2.2 水文地質單元劃分

柳江盆地處于華北地臺燕山臺褶皺帶山海關臺拱，受地殼運動和地質構造的共同作用，致使本地區(qū)形成了近南北向為主的山脈河谷。以淺切割丘陵為主，地勢北高南低，西高東低，構造地貌及流水地貌發(fā)育，總體表現(xiàn)為溝谷縱橫、山脊重疊，谷脊走向為南北向，波狀起伏。

盆地是一個小而復雜的地下水盆地，自下而上埋藏寒武系—奧陶系灰?guī)r巖溶承壓水、石炭系—侏羅系基巖碎屑巖類承壓水、基巖風化裂隙、構造裂隙潛水以及第四系松散層孔隙潛水。其賦存規(guī)律、埋藏條件、分布范圍和循環(huán)特征各異，各自構成相對獨立的含水統(tǒng)一體。根據地質填圖所獲取的盆地的水文地質結構，將柳江盆地含水巖系劃分為四大含水層系統(tǒng)，即寒武系—奧陶系碳酸鹽巖巖溶含水層系統(tǒng)、石炭系～侏羅系砂礫巖孔隙裂隙含水層系統(tǒng)、基巖風化構造裂隙含水系統(tǒng)、第四系松散層孔隙含水層系統(tǒng)。根據各含水層鉆孔抽水試驗獲取的單位涌水量和泉眼流量將盆地大致劃分為第四系松散層孔隙潛水中等富水區(qū)、寒武—奧陶系灰?guī)r類巖溶裂隙弱～強等富水區(qū)、侏羅系—石炭系碎屑巖類裂隙承壓水弱～中等富水區(qū)、安山巖及花崗巖風化裂隙弱富水區(qū)。地下水總體由北向南、由西、東向中部流動，在南部下平山和東部的蟠桃峪山前排泄。盆地四周和基底由太古代混合花崗巖類組成，共同構成了柳江盆地的隔水邊界，使盆地構成了一個完整封閉的儲水構造單元(圖3)。

圖3 柳江盆地水文地質分區(qū)Fig.3 Hydrogeological zoning map of Liujiang Basin

根據機井、鉆孔以及泉眼調查的灰?guī)r巖溶水地下水位總體上具有北高南低，西高東低的特征;在盆地的西翼受南北向逆沖斷裂帶的影響，劃分為東、西兩個巖溶水系統(tǒng)，西部由西向東流至斷裂帶;東部由東向西徑流至巖漿巖通道或斷裂帶;在東西兩翼的出露區(qū)接受大氣降水和河流補給，地下水順地層傾向徑流，形成了西部和沿斷層面附近灰?guī)r串珠狀的泉眼出露。

2.3 含隔水層水文地質特征

盆地水文地質條件受區(qū)域水文地質條件的控制，顯示了與區(qū)域水文地質特征的一致性。但地下水的形成條件、賦存特征、補給、徑流、排泄關系、富水程度及水質等受盆地內地形地貌、地層巖性、地質構造及水文氣象等因素控制，又顯示與區(qū)域的差異性。根據盆地內地下水的賦存條件及水力特征，將其地下水劃分為4個含水層，5個隔水層，主要含、隔水層特征如下簡述(表1)。

表1 柳江盆地含水層水文地質特征Table 1 Hydrogeological characteristics of aquifer in Liujiang Basin

2.3.1含水層特征

(1)第四系松散層孔隙潛水。分布于石河、湯河主、支流的河谷中，含水層的特點是孔隙大、結構松散、含有孔隙水，富水性弱～中等。

(2)基巖風化裂隙、構造裂隙水。分布于高山丘陵地段，由元古代混合花崗巖類、侏羅系安山巖和燕山期的巖漿巖類組成，含有風化裂隙水和構造裂隙水，富水性弱。

(3)基巖碎屑巖類裂隙水。分布在低山丘陵地段，由石炭二疊系、侏羅系碎屑巖類裂隙含水層和寒武—奧陶系灰?guī)r巖溶含水層組成，其中碎屑巖類含水層的富水性弱～中等。

(4)寒武—奧陶系石灰?guī)r巖溶水。主要賦存于溶洞、溶孔、溶蝕裂隙中，在大石河流域巖溶發(fā)育深度為40～100 m，湯河流域的巖溶發(fā)育的深度可達百米以下，富水性弱～強等。

2.3.2隔水層特征

(1)侏羅系中統(tǒng)髫髻山組巖漿巖隔水層，巖性以安山巖為主，質地致密，厚度較大，分布范圍廣，鉆孔揭露厚度11.67～504.15 m，平均厚度219.54 m。是阻擋大氣降水、地表河流與下伏含水層之間的關鍵隔水層。

(2)二疊系上統(tǒng)石千峰組頂部粉砂巖及黏土巖隔水層，以石千峰組頂部泥巖、粉砂巖以及黏土層為主，局部存在巖漿巖順黏土巖侵入，其在橫向分布不均一，鉆孔揭露厚度0～150.17 m，平均49.22 m。其中，石千峰組頂部的黏土層、泥巖層可有效阻擋上覆侏羅系砂礫巖含水層與下伏上、下石盒子組砂巖含水層之間的水力聯(lián)系。

(3)下石盒子組隔水層，以其頂部的A1,A2鋁質泥巖、含鋁粉砂巖、粉砂巖為主，是阻擋上、下石盒子組之間水力聯(lián)系的關鍵層。此外，該段中部的泥巖、粉砂巖平面上分布較穩(wěn)定，厚度0.49～24.90 m，平均5.82 m，亦有一定的隔水性。

(4)二疊系下統(tǒng)山西組泥巖、粉砂巖及頂部B層鋁質泥巖隔水層，統(tǒng)計表明:B層鋁質泥巖層位穩(wěn)定，一般厚度3～9 m，平均6.25 m，隔水性較好，正常情況下能夠有效阻隔下石盒子組地下水進入山西組;此外，3煤層直接頂板以閃長玢巖為主，基本頂多為粉砂巖、泥質粉砂巖或泥巖，巖性致密，孔隙裂隙不發(fā)育，亦具有良好的隔水性能。

(5)煤5底板至奧陶系灰?guī)r之間的閃長玢巖、厚層狀泥巖及本溪組鋁土層，是盆地內奧灰水與煤層之間重要的隔水層。

2.4 補給、徑流、排泄關系特征

柳江盆地地面巖漿巖的噴出巖體的分布特征控制著盆地的地形和地貌分布特征，進而影響盆地內地表水的補給、徑流、排泄，而巖漿巖在噴發(fā)過程中在各地層中的侵入勢必影響地下水的補徑排特征。

2.4.1地表水、地下水的動態(tài)變化

通過對盆地內常流河大石河上游魏莊、吳莊、中游傍水崖、下游石門寨及其支流，地下水奧陶系巖溶水泉眼、機井以及淺層地下水民井的9個水文動態(tài)觀測站為期1個水文年的氣象、水位、流量、水化學等特征的動態(tài)觀測，結果表明具有以下動態(tài)變化特征(圖4):

圖4 降雨量與地表水、地下水動態(tài)變化相關曲線Fig.4 Correlation curves between rainfall and dynamic changes of surface water and groundwater

(1)地表水和地下水的動態(tài)變化與季節(jié)變化及大氣降水具有同步變化特征，反映了盆地內地表水、淺層地下水水源主要為大氣降水。

(2)通過對大石河上、中、下游尤其是流經礦井區(qū)域觀測統(tǒng)計表明:去除灌溉、蒸發(fā)及地表水向地下的補給影響，大石河在流經礦井段的上游流量明顯大于下游水流量，說明大石河向長城、曹山煤礦等流經的礦坑充水，多年的生產中得到了驗證。

(3)淺層地下水的水位受大氣降水和蒸發(fā)量控制，在4—6月區(qū)內蒸發(fā)量與降水量差值達到最大，盆地內的淺層民井井水幾乎干枯。

(4)地下老窯井筒積水水位的變化與大氣降水、地表水的流量密切相關，說明東部及大石河沿岸的老窯采空區(qū)已經與地表水相溝通，且均有不同程度的積水。

(5)盆地東翼標高-500 m以淺的400多個礦井及小煤窯開采活動對盆地內淺層地下水資源破壞嚴重，淺層地下水已基本疏干，采空區(qū)附近鉆孔水位標高與采空區(qū)積水標高接近，導致盆地東翼的張趙莊、柳江村、黑峪溝、夏家峪村、馬蹄嶺等地民井已經多年干枯;西翼逆沖推覆體下盤的山羊寨、中北部的魏莊、周吳莊等地勢較高的民井在觀測期間已經干涸，在溝谷地帶的民井在枯水期基本干枯，只有進入雨季后能夠少量蓄水，采空區(qū)范圍的居民飲用匱乏問題是目前迫切需要解決的一個民生問題，隨著礦井的開采這種趨勢勢必會加劇惡化。

2.4.2聯(lián)合抽水試驗

為了查明地下水的徑流方向以及中部巖漿巖侵入體對地下水流場的影響，在中部巖漿巖體東、西兩側布設2個含煤地層抽水試驗鉆孔，同時在盆地東翼淺部的曹山煤礦、老柳江煤礦開展礦井抽水試驗，觀測礦井抽水試驗期間2個水文鉆孔的水位標高變化和水量變化特征。結果發(fā)現(xiàn)，礦井以655 m3/h進行礦井抽水時，水文鉆孔的水位、流量等無明顯的變化。同時，西部鉆孔的水位明顯高于東部，說明地下水由西向東徑流，而在中部遇到火山裂隙通道受阻后向南部徑流。

2.4.3地下水連通試驗

為了驗證上述地下水徑流方向的準確性，在東部的大石河流域內的灰?guī)r巖溶含水層內施工5個鉆孔，其中2個抽水試驗鉆孔，3個地下水連通試驗鉆孔，鉆孔水位標高采用三角法確定地下水流向，在上游鉆孔投放化學示蹤劑(NaCl)進行連通試驗，在下游的2個方位上的鉆孔中取水樣，采用滴定法測井水中氯離子的含量，測定達到峰值時候的時間，通過對水樣每小時間隔連續(xù)采樣，每組采集72 h;測試鉆孔內地下水中離子濃度隨著時間的變化規(guī)律。結果表明(表2):① 地下水的徑流方向為由西向東，向北東方向流動的大石河河谷方向徑流排泄;② 地下水的滲透系數(shù)為1.44～83.99 m/d，計算的影響半徑12.0～36.2 m，地下水流速為0.113～0.167 m/d，示蹤劑氯離子到達取樣孔的時間為83～84 d，反應了地下水連通性差、滲透性差的特點。

表2 地下水連通抽水試驗成果Table 2 Results of groundwater connection pumping test

2.4.4地下水的補給、徑流、排泄關系

受構造形態(tài)的控制淺層地下水的補給受氣候、地形地貌、含水層巖性的控制，深層地下水受大氣降水影響不大，主要受地質構造、裂隙及地層巖性的影響(圖5)。

圖5 盆地地下水補給、徑流、排泄關系及礦井水害類型示意Fig.5 Relationship diagram of groundwater recharge,runoff and discharge in the basin

(1)第四系松散層孔隙潛水含水層以大氣降水補給為主，局部接河流及池塘、水庫等地表水體下滲補給，因此，在豐水期大氣降水能迅速下滲并為該含水層所吸收，直接補給地下水。徑流一般由中部山脊高地向東西兩側的溝谷等快速運動;由西部的祖山高地勢向東部的柳條莊—山羊寨—秋子峪—周吳莊溝谷等低地勢區(qū)域快速徑流，在進入溝谷后徑流速度變緩，沿西部的湯河及其支流徑流，同時向側向河流兩岸出露的不同時代地層補給。排泄方式以蒸發(fā)、人工取水和河谷泄流為主。在枯水期地下水通過露頭以泉眼的形式補給地表河流。

(2)風化裂隙及構造裂隙潛水主要接受大氣降水補給，局部接受河流及池塘、水庫等地表水體下滲補給，然后沿地勢由高向低徑流，在低地勢區(qū)以泉眼方式排泄。

(3)侏羅系砂礫巖孔隙裂隙承壓含水層大部分隱伏于髫髻山組巖漿巖隔水層之下，局部出露，在露頭區(qū)接受大氣降水和第四系潛水滲透補給，之后沿地層傾向方向自東向西向盆地深部區(qū)徑流，徑流至盆地西翼的逆沖推覆斷層面附近后沿斷層面垂向補給灰?guī)r和中部巖漿巖噴出通道受阻徑流方向改為向南徑流，在西部灰?guī)r區(qū)北楊莊等地以泉、人工井等方式排泄，同時向南部徑流到達南部轉折端下平山、黑山窯等地后沿地層露頭以泉的形式排泄。石炭二疊系砂巖裂隙承壓水主要接受露頭區(qū)大氣降水和地表水滲透補給、上覆含水層垂向補給以及西部逆沖斷層帶奧陶系巖溶水的補給。徑流方向基本沿地層傾向由東向西、由北向南徑流。由于受向西緩傾的單斜構造和西部斷裂構造的影響，形成了較為封閉的儲水空間，水流補給、徑流、排泄循環(huán)不暢，故水量較小，水質較差。各含水層的抽水試驗成果表明:以上各含水層之間水位標高相差較大，水位差明顯(表1)。由于淺部煤層埋藏較淺，同時受以往礦井生產產生的垮落帶和導水裂隙帶的影響，在以往礦井采掘區(qū)域內，隔水層的完整性已被破壞，各含水層之間的水力聯(lián)系與深度相比更為密切。

(4)灰?guī)r巖溶承壓含水層在盆地的中部隱伏于石炭—二疊系砂巖含水層之下，出露于盆地東翼的石門寨、半壁店、板廠峪沿線以及西翼的南北向逆沖斷層帶上盤。在露頭區(qū)直接接受大氣降水和地表水補給，其次接受第四系潛水滲透補給;在西部以斷層面為通道接受上覆砂巖含水層側向補給。排泄方式主要為露頭區(qū)泉眼、民井及河谷泄流等。通過地表泉眼、民井的調查、隔水層特征綜合分析，正常情況下奧陶系灰?guī)r巖溶水與含煤地層之間的水力聯(lián)系弱。

2.5 礦井充水因素及涌水量特征

根據地表水、地下水的補給、徑流、排泄關系結合盆地內大型國有生產礦井老柳江煤礦、曹山煤礦、大槽溝煤礦、長城煤礦等多年的礦井生產水文統(tǒng)計資料表明:

(1)礦井生產階段淺部礦井涌水量與大氣降水量密切相關，礦井涌水隨季節(jié)變化十分明顯，旱季礦井涌水量較小，雨季礦井涌水明顯增大;而深部區(qū)域礦井涌水量比較穩(wěn)定，涌水量大小隨季節(jié)變化不大。因為淺部涌水主要來源為第四系含水層和受第四系含水層直接補給的含煤地層，涌水受季節(jié)影響顯著;隨著礦井向深部區(qū)域延伸，深部區(qū)域遠離地表，且煤層上部都發(fā)育較穩(wěn)定的泥巖、黏土以及粉砂巖隔水巖層，礦井涌水量來源主要為煤系含水層地下水。

(2)盆地內礦井充水水源為大氣降水、地表水、地下水和老空、采空區(qū)及廢棄井巷積水，其中老空、采空區(qū)及廢棄井巷積水也是礦井重要的充水水源之一;導水通道為斷層、構造裂隙、導水裂隙帶、封閉不良鉆孔等，其中導水裂隙帶是主要的導水通道。

(3)盆地內的大槽溝煤礦在淺部生產過程中曾經發(fā)生過底板由于隱伏斷裂、隔水層薄弱而造成底板奧灰水突水事故，因此，奧灰水是間接充水水源。

(4)計算的噸煤富水系數(shù)為3.96 m3/t，產能小于120萬t/a的礦井的正常涌水量為小于597 m3/h，因此，目前盆地內的生產的礦井水文地質類型屬于中等偏復雜。

2.6 水化學特征

通過對盆地內不同地表水體、地下水不同層位以及鉆孔抽水試驗段進行地下水化學樣品采集、測試分析(表3)，結果表明:

(2)地下水各含水層水化學類型以HCO3·SO4-Na,SO4·HCO3-Ca,HCO3-Na·Ca型為主，偏弱堿性;地下水化學類型與地表水化學類型具有相似性，同時各含水層間的水化學類型具有一定的相似性，反映了地表水與地下水之間的相關轉化關系及其各含水層之間的相互補給的特征(圖6(b))。

圖6 柳江盆地地表水、地下水水化學PIPER圖Fig.6 PIPER diagram of surface water and groundwater chemistry in Liujiang Basin

(3)地表水、地下水中微量元素氟等的含量與火成巖的侵入呈一定的相關性;地表水表現(xiàn)為在巖漿巖區(qū)含量高[25];不同時代地下水中微量元素氟的含量在煤層頂板水中相對較高(表3)，煤層內在巖漿侵入區(qū)內煤中氟元素含量較高的特點[1,16]。

表3 柳江盆地水化學特征Table 3 Hydrochemical characteristics of the Liu River Basin

3 巖漿活動對盆地水文地質特征的影響

3.1 盆地周邊火山活動對盆地的影響

(1)盆地基底構造形態(tài)的影響。盆地周邊巖漿巖的噴發(fā)對盆地內煤田基地構造形態(tài)具有一定的改造作用，主要表現(xiàn)在盆地西部祖山地區(qū)燕山期響山巖體和盆地東南部后石湖燕山其花崗巖體的噴發(fā)對盆地以及盆地北部九龍山、平頂山巖體的綜合作用，導致盆地構造形態(tài)的形成。

(2)對斷層形成的影響。盆地東部、盆地西部巖漿巖的噴發(fā)導致盆地西翼逆沖推覆構造的形成，同時表現(xiàn)為向北這種作用的影響作用減弱。

3.2 盆地內巖漿活動對含隔水層的影響

3.2.1對含水層富水性的影響

通過對盆地內生產礦井柳江煤礦、長城煤礦、馬蹄嶺煤礦生產揭露和區(qū)內6個垮落帶高度探查鉆孔及長城煤礦和馬蹄嶺煤礦河下部分采煤驗證，盆地內3煤層開采形成的垮落帶、導水裂隙帶高度為78 m，通過對直接充水層為山西組、太原組鉆孔抽水試驗統(tǒng)計分析，含水層內巖漿巖侵入厚度與含水層的富水性呈負相關性，含水層的埋深、距離古火山口的距離、含水層的厚度等與富水性呈負相關性(圖7)。

圖7 富水性相關關系Fig.7 Correlation diagram of water enrichment

3.2.2對煤層底板隔水層的影響

盆地內的主力煤層煤3、煤5，3煤層與奧陶系灰?guī)r頂界面之間的垂向距離為217.26～241.99 m，平均231.86 m，其中泥巖、粉砂巖、閃長玢巖等隔水巖層累計厚度為155.25～226.48 m，平均191.68 m;其中3～5煤層間巖漿巖的厚度0.68～21.76 m，平均6.18 m，厚度上占比0.02%～0.53%，平均0.16%;煤5與奧陶系灰?guī)r含水層之間的距離180.43～208.37 m，平均195.05 m，其中隔水層厚度130.07～201.30 m，平均166.50 m;巖漿巖層的厚度1.25～35.42 m，平均8.23 m;厚度占比0.6%～12.50%，平均4.1%。

奧陶系灰?guī)r巖溶含水層水位標高+120 m與奧陶系灰?guī)r頂面標高-948.59 m的高程差為承壓水頭壓力p的起算依據。按《煤礦防治水細則》附錄4中提供的突水系數(shù)計算公式，計算煤3回采和掘進過程中灰?guī)r突水系數(shù)為0.048～0.068 MPa/m;煤5突水系數(shù)為0.048～0.084 MPa/m，突水系數(shù)均小于0.1 MPa/m，但存在大于0.06 MPa/m的區(qū)域。因此，在煤層底板正常塊段內未來開采該煤層時，雖為帶壓開采，但是，奧陶系灰?guī)r含水層不會突破底板從而造成礦井突水水害。而在底板受構造破壞塊段，突水系數(shù)大于0.06 MPa/m區(qū)域，在斷層帶附近、隔水層缺失或變薄的區(qū)域存在底板突水或斷層作為導水通道涌入礦坑的危險。因此，后期加強對斷層的探查和其導水性研究。

3.2.3煤層頂、底板巖石力學特征的影響

多個期次巖漿巖的噴出、侵入綜合作用下對煤層頂板、底板巖石力學特征產生了不同程度的改造作用，表現(xiàn)為：

(1)巖漿的侵入填充了煤層底板巖石的裂隙、節(jié)理，進而增加了巖石的密度、降低了孔隙度;增加了煤層頂板、底板巖石的抗壓強度、抗剪強度和抗拉強度等力學參數(shù)(表4、圖8(a));

(2)在巖漿巖高溫烘烤、擠壓等作用下導致原巖孔隙度降低，孔隙內的含水率降低(表4、圖8(b))。

表4 巖漿活動對巖石力學參數(shù)特征的影響[21]Table 4 Influence of magmatic activities on rock mechanical parameters[21]

圖8 煤層頂?shù)装鍘r石力學特征對比[21]Fig.8 Comparison chart of mechanical characteristics of coal seam roof and floor rocks[21]

3.2.4對地下水流場的影響

通過對奧陶系巖溶含水層水位標高、煤層頂板直接充水含水層鉆孔抽水試驗參數(shù)、礦井與鉆孔聯(lián)合抽水、地下水連通試驗等綜合分析，地下水徑流方向總體上由北向南，由西向東，但是受盆地中部裂隙狀巖漿巖通道、侵入體的影響和盆地南部西翼大型逆沖推覆構造的影響，地下水流場方向發(fā)生局部變化，西翼逆沖推覆構造上盤由西向東徑流至斷層帶轉向南徑流，逆沖斷裂下盤自西向東徑流至巖漿巖侵入通道受阻后向南徑流(圖9)。

圖9 柳江盆地奧陶系-石炭二疊系地下水流場方向Fig.9 Underground water flow pattern of Ordovician-carboniferous Permian in Liujiang Basin

4 生產實踐的啟示

4.1 礦井防治水的啟示

針對盆地內水文地質特征，地表水系發(fā)育情況及礦井充水因素綜合分析，盆地內東西兩翼淺部礦井防治水的關鍵是地表河流、老窯采空區(qū)，尤其是在大石河流經區(qū)域;礦井可以根據河流及其采空區(qū)探查情況，合理布設防水煤巖柱并以帷幕注漿工程技術手段將河流段與礦井隔絕。

東翼的巖漿巖侵入未波及區(qū)和煤層與含水層之間的薄弱區(qū)域是底板突水威脅的區(qū)域，礦井生產過程中應加強對隱伏構造和地層發(fā)育薄弱段的探查;西翼大型逆沖推覆構造將寒武—奧陶系灰?guī)r巖溶含水層與煤系及其上覆巖層全部相接觸，因此在盆地西翼的中南部斷層發(fā)育區(qū)域，灰?guī)r含水層是防治水的重點部位，該區(qū)域內應合理計算并論證在采動條件下斷層的導水性后設計合理的煤柱留設參數(shù)。

4.2 找水方向的啟示

按照地下水的流場特征及其補給、徑流、排泄關系，結合盆地內的構造特征，盆地東翼外圍的灰?guī)r出露區(qū)和東翼淺部的地層需要穿過上部地層，取水層位為奧陶系灰?guī)r含水層;盆地南部的排泄區(qū)不同地層的含水層均具有一定的涌水量，盆地西翼水源井應布置在西翼推覆構造的上盤灰?guī)r巖溶含水層發(fā)育的區(qū)域內，水井的深度不應穿過逆沖推覆構造的斷裂面;盆地中部的區(qū)域內取水困難只能通過東翼或西翼水源井抽取灰?guī)r巖溶水。

5 結 論

(1)柳江盆地中部、周緣分布著不同時期的巖漿巖體，不同時期的巖漿巖的侵入、噴發(fā)改造了煤層及其頂?shù)装搴⒏羲畬拥乃牡刭|特征，有效的阻擋了底部奧陶系灰?guī)r巖溶高承壓含水層對礦井的威脅。

(2)東翼的后石湖、西翼的祖山燕山期巖漿的噴發(fā)改變了盆地的構造格局，形成了目前的盆地基底構造格局;西翼的斷裂構造和中部裂隙狀火山通道改變了盆地內地下水流場特征，形成了西翼富水、東翼缺水的格局，因此，盆地西翼逆沖推覆構造上盤和東翼深部、東翼寒武奧陶系露頭區(qū)的灰?guī)r巖溶含水層是盆地內水源找水的目的層。

(3)中部大面積分布的巨厚層狀中性安山巖體在其侵入、噴發(fā)過程中多順煤層內、頂?shù)装?，砂泥巖間的軟弱膠結層面、小型斷裂構造及構造裂隙、巖溶含水層的裂隙溶洞內侵入、充填的幾種模式。

(4)巖漿的侵入改變了含水層的富水性、降低了砂巖含水層孔隙度、填充了砂巖內的裂隙，減少了砂巖的含水率，降低了含水層的滲透率;強化了煤層頂?shù)装鍘r石的力學參數(shù)如抗壓強度、抗剪強度等;同時，強化了底板阻水能力、底板隔水能力，因此，盆地西翼逆沖推覆斷裂構造帶附近和東翼巖漿未侵入區(qū)高承壓的奧陶系灰?guī)r巖溶水是威脅該區(qū)域煤炭資源的安全高效開采的重要隱蔽致災因素。

(5)盆地中部的巖漿巖對煤層及其頂板直接充水含水層的改造作用與古火山口的位置、火山通道的位置具有高度的耦合性，表現(xiàn)為含水層的富水性與巖漿巖的侵入厚度、侵入巖體的距離等呈負相關性，且相關性顯著，巖漿巖對頂板工程地質特征的影響在平面上與古火火山通道具有環(huán)條帶分布的特征，因此，頂板直接充水含水層的富水性分布也應具有這一特征。

(6)淺部礦井防治水的關鍵是淺部的采空區(qū)和大石河流域地表水，生產礦井可以通過在河流兩岸設計合理的防水煤巖柱和采空區(qū)邊緣開展帷幕注漿的工程措施進行整體的隔離;同時，在東部及其盆地距離巖漿巖噴出通道及其影響范圍外未受巖漿影響或改造區(qū)域內應注意隱伏構造和隔水層薄弱地段的灰?guī)r巖溶含水層突水問題;西翼大型推覆構造將強富水的灰?guī)r含水層與煤系地層斷層接觸，深部礦井開采時應充分的計算防水煤巖柱的留設寬度和查明斷層的導水性等關鍵隱蔽致災地質因素。