甘肅環(huán)縣馬福川煤礦水文地質(zhì)特征及涌水量預(yù)測

李麒麟

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730050）

馬福川煤礦位于甘肅省慶陽市環(huán)縣西南50km處（如圖1 所示），煤礦礦區(qū)南北長15.25km，東西寬約4.22km，面積64.29km2。主要開采煤有6 層，含煤地層為中侏羅統(tǒng)延安組（Jy）,含煤地層平均厚度301.25m,煤層累計平均總厚度19.56m，共含10 個煤組。

圖1 交通位置圖

1 礦區(qū)地層巖性及煤層

礦區(qū)發(fā)育的地層自老而新有三疊系、侏羅系、白堊系和第四系[1](表1)。延安組（Jy）是本礦區(qū)的含煤地層，為一套陸相碎屑巖沉積，煤層自上而下編號分別為煤1 層（組）、煤2 層（組）、煤3 層（組）、煤4 層（組）、煤5 層（組）、煤6 層（組）、煤7 層（組）、煤8 層（組）、煤9 層、煤10 層。主要開采煤1-1、2-1、3-1、3-1、5-1、7-1、8-3 層。

表1 地層系統(tǒng)及巖性特征表

2 礦區(qū)構(gòu)造地質(zhì)特征

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造處于鄂爾多斯盆地西緣斷褶帶的次級構(gòu)造帶-沙井子斷褶帶的中部，構(gòu)造線方向呈近南北向、S 形彎曲[2]。其內(nèi)發(fā)育斷裂及褶曲構(gòu)造。沙井子斷褶帶東以萌城-張家山逆斷層（F1）為界，西以青龍山-彭陽逆斷層（F2）為界（圖2），具有東西向高低分帶明顯、北高南低、東高西低的特點。萌城-張家山

逆斷層[2-3]（F1）北起萌城以北（向北與惠安堡大斷裂相連），向南經(jīng)羅家川、老南湫子?xùn)|、花家灣西、馬福川沙井子背斜東側(cè)、車道坡，馮莊、在城陽和大小龍河一帶減緩，全長184km 以上。為一斷面西傾向東仰沖之壓性大斷裂，傾角一般40～50°；青龍山-平?jīng)瞿鏀鄬覽2-3]（F2）是沙井子斷褶帶西緣大斷層，北起青龍山東側(cè)（向北繼續(xù)延伸），向南經(jīng)羅洼、王洼、彭陽、直抵平?jīng)?。全長180km 以上，為一延伸長、斷距大、切穿深的大斷裂。斷面西傾，向東仰沖，斷面傾角60～70°是對沙井子斷褶帶起控制作用的區(qū)域性大斷裂。礦區(qū)內(nèi)發(fā)育有三條背、向斜，皆呈有規(guī)律的南北向展布及反“S”型彎曲，背、向斜軸間距2.5～3km。從東向西依次為劉園子西側(cè)背斜、井臺子向斜、香煙壕背斜。從東向西依次為劉園子西側(cè)背斜、井臺子向斜、香煙壕背斜[3](如圖2 所示）。

圖2 構(gòu)造綱要圖

劉園子西側(cè)背斜，由北向南軸向由北東10°轉(zhuǎn)為北東20°，再轉(zhuǎn)為南西30°到南西20°，呈“S”型，該背斜向南抬升，向北傾伏。兩翼不對稱，東翼陡，傾角15°～25°，西翼較緩，傾角12°～18°。背斜東西寬約1.5km，南北長30km；井臺子向斜與劉園子西側(cè)背斜平行。由北向南向斜軸由北西5°轉(zhuǎn)為南西23°、南西38°礦區(qū)內(nèi)南北延伸約15km；香煙壕背斜位于礦區(qū)西部，背斜軸部軸向由北向南由北東3°到南西20°，東翼地層傾角8°～15°，礦區(qū)內(nèi)延伸5.2km。

3 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

3.1 含水層

礦區(qū)根據(jù)地層含水特征，地下水分為第四系松散巖類孔隙裂隙潛水和前第四系承壓水兩大類。

3.1.1 第四系松散巖類孔隙裂隙潛水

第四系松散巖類孔隙裂隙潛水主要為卵礫石潛水，只是在局部三級階地階面稍大的有利部位，有地下水分布，呈泉群狀涌出，流量1.8L/s。水化學(xué)類型為SO4·Cl-Na·Mg 型水；pH 值7.9，為中性水；礦化度2774.5mg/L，為微咸水；總硬度1061.0mg/L，屬極硬水，水質(zhì)較差。

3.1.2 前第四系承壓水

分布于全區(qū)，賦存于下白堊統(tǒng)志丹群砂巖、砂礫巖、中侏羅統(tǒng)及上三疊統(tǒng)延長群砂巖中。

1）下白堊統(tǒng)志丹群孔隙裂隙承壓含水層。志丹群含水層總厚度在65－217m，平均145m，北部較薄，南部較厚。由于巖層膠結(jié)較為致密，孔隙、裂隙發(fā)育程度較差，因此在區(qū)內(nèi)為一富水性極弱的含水層。地下水水化學(xué)類型為SO4·Cl-Mg·Na 或SO4·Cl-Na 型水；pH 值7.9-8.1，為中性或弱堿性水；礦化度2662.9-3805.6mg/L，為微咸水-咸水；總硬度725.7-1376.2mg/L，屬極硬水。

2）中侏羅統(tǒng)安定組、直羅統(tǒng)、延安組孔隙裂隙承壓含水層。含水層巖性為砂巖，為一復(fù)合型承壓含水層。安定組砂巖總厚20－288m，平均88m；砂巖占地層總厚13%～89%，平均54%。直羅組各粒徑砂巖總厚5～266m，平均45m；砂巖占地層總厚12%～93%，平均55%。延安組各粒徑砂巖總厚28～257m，平均162m；砂巖占地層總厚34%～81%，平均61%。局部地段分布有下侏羅統(tǒng)富縣組砂巖承壓含水層。由于砂巖膠結(jié)程度好，孔隙、裂隙發(fā)育程度差，在周邊沒有含水層出露地表，補給條件差，其含水性屬極弱含水層，或為一相對隔水層。

3）上三疊統(tǒng)延長群孔隙裂隙承壓含水層：含水層巖性為各粒徑砂巖，砂巖比率占鉆孔揭露地層的54%～100%，平均94%。由于砂巖膠結(jié)程度好，孔隙、裂隙發(fā)育程度差，致使其補給條件差，富水性極弱，含水層的富水性有由西北向東南增強的趨勢。

含水層厚度175.25～199.08m，滲透系數(shù)0.000135～0.00144m/d，涌水量0.21～19.09m3/d，單位涌水量0.0067～0.342m3/d·m（0.000077～0.00396L/s·m）。地下水水化學(xué)類型為SO4·Cl-Na 型或SO4·Cl～Na·Mg 型水；pH 值7.0～8.1，為中性水；礦化度1852.5～1927.0mg/L，為微咸水；總硬度580.5～1040.9mg/L，屬極硬水。

3.2 隔水層（相對隔水層）

根據(jù)巖性特征本區(qū)可劃分為相對隔水層的巖層有下白堊統(tǒng)志丹群第二段、中侏羅系中統(tǒng)安定組、直羅組、延安組；侏羅系下統(tǒng)富縣組及三疊系上統(tǒng)延長群地層中的泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤層。

3.2.1 下白堊統(tǒng)志丹群第二組（Kzh2）

由紫紅色薄層狀砂質(zhì)泥巖夾薄層紫紅色、灰棕色中厚層狀中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖。平均厚度為120.m?？勺鳛樯舷潞畬拥南鄬Ω羲畬印?/p>

3.2.2 侏羅系下統(tǒng)富縣組相對隔水層（Jf）

以紫紅、紫雜及淺灰綠色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖為主，厚度6.76-60.14m，平均36.02m?？勺鳛樯舷潞畬拥南鄬Ω羲畬印?/p>

3.2.3 三疊系上統(tǒng)延長群隔水層（Tyn）

該層為煤系地層的基底，厚度不詳。巖性以灰綠色、灰色細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖為主，隨埋深增加，富水性減弱，視為隔水層。

3.3 礦井充水因素分析

3.3.1 地表水

馬福川溝谷煤層距地表370～785m，導(dǎo)水裂隙帶最大高度在17.62m 和60.15m；因此，地表水對未來礦坑充水影響很弱，地表水對礦井充水僅構(gòu)成間接充水含水層。

3.3.2 地下水

各煤層開采后所形成的導(dǎo)水裂隙帶高度均在各煤層露頭地帶淺部和各煤層露頭地帶，涉及白堊系下統(tǒng)志丹群承壓含水層，白堊系下統(tǒng)志丹群承壓含水層構(gòu)成向礦井充水的直接充水含水層，而該含水層是井田內(nèi)富水性較其他含水層相對較強的含水層，因此在未來開采各可采煤層時，白堊系下統(tǒng)志丹群承壓含水層是礦井充水的主要來源。

白堊系下統(tǒng)志丹群承壓含水層在向斜的中部地區(qū)構(gòu)成向礦井充水的間接充水含水層，在向斜的中部地區(qū)由于侏羅系承壓含水層屬一富水性極弱的含水層，且夾多層泥質(zhì)巖，孔隙裂隙發(fā)育程度差，致使白堊系下統(tǒng)志丹群承壓含水層向礦井充水能力在向斜中部地區(qū)明顯減弱。

侏羅系承壓含水層在開采各煤層時，直羅組和安定組一般構(gòu)成間接充水含水層，延安組以頂?shù)装宸绞綐?gòu)成向礦井充水直接充水含水層，主要以頂板充水方式為主，但該含水層含水性極弱，以凈貯量為主，因此，對礦井充水影響很弱。

三疊系承壓含水層只在水平運輸大巷中直接揭露，構(gòu)成向礦井充水直接充水含水層，該含水層具較高承壓水頭，但該含水層導(dǎo)水性、富水性均較差，為極弱含水層，涌入礦坑水量較小。在其他部位，開采各煤層時，構(gòu)成向礦井以底板方式充水的間接充水含水層，對礦井充水影響很弱。

4 礦井涌水量計算

井田規(guī)劃為6.0Mt/a 豎井，未來擬定首采煤層為煤1-1 層。礦井水將主要來自侏羅系承壓含水層?，F(xiàn)根據(jù)井田特征和已掌握的水文地質(zhì)資料，對首采區(qū)煤1-1 層采用地下水動力學(xué)（大井法），進(jìn)行礦井涌水量預(yù)算[4]。

4.1 煤層頂板承壓含水層涌入礦坑中水量計算（Q頂）

4.1.1 計算公式（采用承壓轉(zhuǎn)無壓完整井公式）

式中:Q——進(jìn)入礦坑系統(tǒng)水量（m3/d）；

K——滲透系數(shù)（m/d）；

H——承壓水頭高度(m)；

M——承壓含水層厚度（m）；

R0——礦坑系統(tǒng)引用影響半徑（m）；r0——礦坑系統(tǒng)引用半徑（m）。

4.1.2 計算參數(shù)

選自502 和H708 號勘探孔計算，K=（0.00242+0.0000135）/2=0.00122m/d，H=250.82 +615.88=433.35m，M=24.38+26.3=25.34m(統(tǒng)計至直羅組底)。

因礦坑長寬之比a：b=4281：1810=2.4，所以，r0=（開采面積/π）1/2=(7733740m2/π)1/2=885.7m。R0=r0+10S(K)1/2=1037.1m。

4.1.3 計算結(jié)果：

Q頂=518m3/d。

4.2 煤層底板承壓含水層進(jìn)入礦坑系統(tǒng)涌水量（Q底）

4.2.1 計算公式（采用承壓水非完整井公式）

式中：Q——進(jìn)入礦坑系統(tǒng)水量（m3/d）；

K——滲透系數(shù)（m/d）；

M——含水層有效帶厚度（m）；

L——井筒井壁進(jìn)水部分長度（m）；

RO——巷道系統(tǒng)引用影響半徑（m）；

ro——巷道系統(tǒng)引用半徑（m）。

4.2.2 計算參數(shù)

選自502 和H708 號孔，K=（0.00242+0.0000135）/2=0.00122m/d，S=250.82+615.88=433.35m，L=5m，M=30m。

r0=（F/π）1/2=(7733740m2/π)1/2=885.7m。R0=r0+10S(K)1/2=1037.1m。

4.2.3 計算結(jié)果：

Q頂=300m3/d。

4.3 礦坑系統(tǒng)總涌水量（Q總）

Q總=Q頂+Q底=818m3/d。

馬福川煤礦位于鄂爾多斯盆地西緣斷褶帶，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，水文地質(zhì)條件簡單，向礦井充水含水層均為承壓含水層，地下水水位動態(tài)變化隨季節(jié)變化不明顯，向礦井直接充水含水層富水性極弱，礦井涌水量較穩(wěn)定，為818m3/d，有利于煤礦的開采。