泊江海子礦二盤區(qū)水文地質(zhì)條件及充水因素分析

穆金霞

（中國煤炭地質(zhì)總局 第一水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

我國是世界上煤炭產(chǎn)量大國，也是煤礦水害最為嚴(yán)重的國家之一。礦井水文地質(zhì)條件研究是礦井水害防治的重要工作，是礦井生產(chǎn)建設(shè)不可或缺的基礎(chǔ)條件。本文以泊江海子礦為例，分析了礦井水文地質(zhì)條件及充水因素，為煤礦安全開采提供基礎(chǔ)地質(zhì)依據(jù)。

1 礦井地質(zhì)

內(nèi)蒙古銀宏能源開發(fā)有限公司泊江海子礦位于東勝煤田西北部塔然高勒礦區(qū)東南，生產(chǎn)規(guī)模300萬t/a，井田面積40.667 1 km2。二盤區(qū)內(nèi)地層由老至新發(fā)育有，三疊系上統(tǒng)延長組（T3y），侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1- 2y）、中統(tǒng)（J2），白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh） 和第四系（Q）。含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1- 2y），主采3- 1、4- 2、5- 1 號(hào)煤層。

該區(qū)構(gòu)造形態(tài)總體為一走向東西，向北傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角1° ～3°，局部傾角達(dá)10°，褶曲構(gòu)造較為發(fā)育。二盤區(qū)西部三維地震解釋斷層8 條。二盤區(qū)未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入，構(gòu)造屬簡單類型。

2 礦井水文地質(zhì)條件

2.1 含水層

二盤區(qū)內(nèi)自上而下發(fā)育的主要含水層有第四系孔隙含水層、白堊系下統(tǒng)志丹群孔隙—裂隙含水層、侏羅系中統(tǒng)裂隙含水層、侏羅系中下統(tǒng)延安組裂隙含水層等組成（圖1）。

圖1 主采煤層與各含水層位置關(guān)系示意Fig. 1 Position relationship between main coal seam and each aquifer

第四系孔隙含水層由風(fēng)積沙和沖洪積物組成，含水類型為孔隙潛水。據(jù)鉆探揭露，二盤區(qū)內(nèi)第四系地層厚度1.85 ～41.65 m，平均11.27 m，以粉細(xì)砂為主，屬風(fēng)積沙沉積。二盤區(qū)中北部較厚，向西、南、東部逐漸變?。▓D2）。地下水水位埋深較淺，一般為1.60 ～8.30 m，涌水量0.016 ～1.120 L/s，富水性弱～強(qiáng)，透水性能較強(qiáng)。水化學(xué)類型為HCO3·Cl－Mg·Ca 及HCO3－Ca·Na 型，水質(zhì)良好。

圖2 第四系含水層厚度等值線Fig. 2 Thickness isolines of quaternary aquifers

白堊系下統(tǒng)志丹群孔隙—裂隙含水層下伏于古近系含水層，底板埋深237.50 ～402.32 m。巖性以中、粗砂巖及礫巖為主，砂巖多為灰綠色或紫紅色中粗砂巖。據(jù)統(tǒng)計(jì)白堊系含水層厚度201.19 ～377.39 m，平均280.42 m。二盤區(qū)內(nèi)白堊系砂巖及礫巖厚度整體呈現(xiàn)由西北向東南逐漸遞減的趨勢（圖3）。地下水水位埋深4.96 ～47.65 m，單位涌水量0.028 0 ～0.044 5 L/s·m，富水性弱。水化學(xué)類型為Cl- Na、HCO3- Na，pH 值8.42～8.5。

圖3 白堊系砂巖及礫巖厚度等值線Fig. 3 Thickness isolines ofCretaceous sandstone and conglomerate

侏羅系中統(tǒng)裂隙含水層厚度72.43 ～285.57 m，平均180.88 m。含水層巖性以灰—灰綠色中粗粒砂巖、含礫粗粒砂巖為主。二盤區(qū)東部含水層厚度相對較厚，厚度多在150 ～200 m，局部厚度可達(dá)285.57 m （14 號(hào)鉆孔），西部相對較薄，厚度約70 ～150 m （圖4）。水位標(biāo)高+1 336.62—+1 360.27 m，單位涌水量0.000 8 ～0.023 5 L/s·m，滲透系數(shù)0.000 5 ～0.015 8 m/d，含水層富水性弱。水化學(xué)類型為Cl- Na 或SO4·Cl- Na，pH 值8.91～9.55。

圖4 侏羅系中統(tǒng)砂巖厚度等值線Fig. 4 Thickness isoline of Jurassic middle sandstone

侏羅系中下統(tǒng)延安組裂隙含水層厚度128.68～184.66 m，平均148.96 m。3- 1 號(hào)煤層位于其上部，頂板含水層巖性主要由中粗細(xì)砂巖構(gòu)成，厚度0 ～63.20 m，平均12.91 m。從侏羅系中下統(tǒng)3- 1號(hào)煤層頂板砂巖厚度等值線圖可看出（圖5），二盤區(qū)西部含水層厚度相對較厚，厚度多在20 ～63 m，向東部變薄，厚度均小于20 m。水位標(biāo)高+1 293.65—+1 337.96 m，單位涌水量0.001 9 ～0.009 8 L/s·m，滲透系數(shù)0.002 4 ～0.010 1 m/d，富水性弱。水化學(xué)類型為Cl- Na，pH 值8.52。

圖5 3- 1 號(hào)煤層頂板砂巖含水層厚度等值線Fig. 5 Thickness isoline of sandstone aquifer in roof of No. 3- 1coal seam

2.2 隔水層

（1） 第四系與白堊系間隔水層發(fā)育特征。

第四系地層與白堊系呈不整合接觸，第四系底部沒有隔水層，直接覆蓋在白堊系風(fēng)化帶之上。雖然白堊系頂部個(gè)別地段發(fā)育有塑性巖，厚度0 ～8.50 m，但其厚度較小，且發(fā)育不穩(wěn)定。故二盤區(qū)內(nèi)隔水層整體較薄，東、南部地區(qū)不存在隔水層。

（2） 白堊系與侏羅系中統(tǒng)間隔水層發(fā)育特征。

白堊系底部有一定的隔水作用，與下伏侏羅系不整合接觸。侏羅系中統(tǒng)頂部隔水層發(fā)育相對穩(wěn)定，呈現(xiàn)中部較薄，兩側(cè)略厚。

（3） 侏羅系中統(tǒng)與中下統(tǒng)間隔水層發(fā)育特征。

侏羅系中統(tǒng)底部連續(xù)性好，為較為穩(wěn)定的隔水層，但是在西十勘探線以西侏羅系中統(tǒng)礫石層殲滅，使充水含水層與煤層距離變薄甚至出現(xiàn)天窗。侏羅系中統(tǒng)底部與中下統(tǒng)頂部間隔水層厚度0.50～34.40 m，平均14.65 m。二盤區(qū)西部隔水層厚度較薄，東部略厚，整體厚度不大，隔水性能較差。

2.3 各含水層間水力聯(lián)系

第四系與白堊系含水層間大部分地區(qū)無隔水層，兩者水位差較小，水化學(xué)類型也存在一定聯(lián)系，說明第四系與白堊系間存在水力聯(lián)系，且在天窗地區(qū)有直接水力聯(lián)系。

白堊系與侏羅系中統(tǒng)含水層間隔水層整體較薄，總體來說發(fā)育相對穩(wěn)定，個(gè)別地段無隔水層，兩者水位差不大，水化學(xué)類型也較為接近。說明在天然狀態(tài)下白堊系與侏羅系中統(tǒng)在隔水層厚度較大地區(qū)水力聯(lián)系較弱，隔水層厚度較小甚至沒有的地區(qū)，會(huì)發(fā)生水力聯(lián)系。在煤層開采過程中，受采動(dòng)影響，使得白堊系與侏羅系中統(tǒng)間有效隔水層厚度變薄，而產(chǎn)生水力聯(lián)系。

侏羅系中統(tǒng)與中下統(tǒng)含水層間厚度整體不大，地下水水位差不大，水化學(xué)類型屬接近或一致。說明侏羅系中統(tǒng)與中下統(tǒng)在天然條件下存在水力聯(lián)系。

2.4 地下水補(bǔ)徑排條件

（1） 第四系松散孔隙含水層與大氣降水及地表水體的水力聯(lián)系非常密切，主要補(bǔ)給來源是大氣降水入滲為主，其次是地表水的間歇性滲漏補(bǔ)給。潛水的徑流方向一般和溝谷方向大體一致。排泄方式有徑流排泄、下滲補(bǔ)給下伏基巖風(fēng)化帶裂隙水、人工挖井開采和地面蒸發(fā)、蒸騰等。

（2） 白堊系下統(tǒng)志丹群孔隙—裂隙含水層的主要補(bǔ)給來源是大氣降水和來自區(qū)外承壓水的側(cè)向徑流補(bǔ)給。白堊系地下水一般由西南向東北方向徑流，排泄方式以側(cè)向徑流排泄為主，次為蒸發(fā)和人工鑿井開采。本次推測了二盤區(qū)中部白堊系地下水流場（圖6）。

圖6 白堊系地下水流場圖Fig. 6 Groundwater flowfield of Cretaceous

（3） 侏羅系中統(tǒng)裂隙含水層主要接受區(qū)外承壓水的側(cè)向徑流補(bǔ)給為主，其次是垂向上接受白堊系的入滲補(bǔ)給。侏羅系中統(tǒng)地下水一般由西北向東南方向徑流，排泄方式主要以側(cè)向徑流向下游排泄。此次推測了二盤區(qū)中部侏羅系中統(tǒng)地下水流場（圖7）。

圖7 侏羅系中統(tǒng)含水層地下水流場圖Fig. 7 Groundwater flowfield of middle Jurassic aquifer

3 礦井充水因素

3.1 充水水源

3- 1 號(hào)煤層頂板的直接充水水源為侏羅系中統(tǒng)裂隙含水層、3- 1 號(hào)煤層上部的侏羅系中下統(tǒng)延安組裂隙含水層；間接充水水源主要為白堊系下統(tǒng)志丹群孔隙- 裂隙含水層。

（1） 白堊系下統(tǒng)志丹群孔隙- 裂隙含水層。

白堊系下統(tǒng)志丹群孔隙- 裂隙含水層主要補(bǔ)給來源是大氣降水和地表水側(cè)向徑流補(bǔ)給，富水性總體弱，是煤層開采的間接充水水源之一。一般情況下，對3- 1 號(hào)煤層開采的影響較小。但是在白堊系地層出露及隔水層厚度較薄地區(qū)，對煤層開采有一定的影響。

（2） 侏羅系中統(tǒng)裂隙含水層。

侏羅系中統(tǒng)裂隙含水層主要接受區(qū)外承壓水的側(cè)向徑流補(bǔ)給為主，富水性弱。開采過程中，3- 1號(hào)煤層的導(dǎo)水裂縫帶高度均導(dǎo)通至此層位，故為煤層開采的直接充水水源之一。在煤礦開采過程中，導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)的水體會(huì)以礦井涌水量的形式排出。

（3） 侏羅系中下統(tǒng)延安組裂隙含水層。

煤系地層富水不均勻，整體富水性弱，但西部優(yōu)于東部，為掘進(jìn)工作面主要和直接充水水源。以采掘工作面頂板滴、水淋水為主，涌水量3～10 m3/h。當(dāng)采掘工作面遇斷層及裂隙發(fā)育及煤層直接頂板為中細(xì)砂巖時(shí)，頂板淋水加大，對采掘及支護(hù)有一定影響。

3.2 充水通道

礦井突水對煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，而導(dǎo)水通道是礦井突水的必備條件。井田內(nèi)有斷層、天窗等天然通道，也有采煤后形成的導(dǎo)水裂縫帶、封閉不良鉆孔等人為通道。

（1） 斷層。

二盤區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，共發(fā)現(xiàn)落差小于8 m 的8條斷層，根據(jù)三維地震資料，8 條斷層均切割了3- 1、4- 2、5- 1 號(hào)煤層，向上發(fā)育高度不詳。因此當(dāng)采掘工作面揭露這些斷層時(shí)，斷層裂隙可能導(dǎo)通上下含水層，造成采掘工作面涌水量加大甚至突水事故。

（2） 天窗。

二盤區(qū)內(nèi)地層起伏變化較大，在西十勘探線以西侏羅系中統(tǒng)礫石層尖滅，即UN02、W13- 3、W11- 3、UN03、UN08、UN01、W15- 1、UN04 鉆孔侏羅系中統(tǒng)底界礫石層缺失。使充水含水層與煤層距離變薄甚至出現(xiàn)天窗，其可能構(gòu)成礦井涌水或突水的天然通道。

白堊系與侏羅系中統(tǒng)地層間的隔水層發(fā)育不均一，局部呈透鏡體，部分地段存在天窗（在UN07號(hào)鉆孔附近侏羅系中統(tǒng)與白堊系層間不存在隔水層），使白堊系與侏羅系中統(tǒng)發(fā)生直接水力聯(lián)系，形成充水通道。

第四系底部無隔水層，第四系含水層直接覆蓋于白堊系風(fēng)化帶之上。部分地段存在天窗，即W13- 3、 W12- 2、 UN03、 UN06、 UN12、 U4、 5、6、11、13、水J15、水K12 號(hào)鉆孔附近第四系與白堊系層間不存在隔水層，使第四系與白堊系發(fā)生直接水力聯(lián)系，形成充水通道（圖8）。

圖8 泊江海子礦二盤區(qū)天窗分布Fig. 8 Distribution of the second mining area of Bojiang Haizi Mine

（3） 煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶。

二盤區(qū)內(nèi)3- 1 號(hào)煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶高度36.80 ～158.80 m，3- 1 號(hào)煤層頂板至侏羅系中統(tǒng)底板距離1.07 ～84.89 m，導(dǎo)水裂縫帶均溝通至侏羅系中統(tǒng)裂隙含水層。因此導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)含水層水均可成為回采時(shí)的主要充水水源，威脅生產(chǎn)安全。

（4） 封閉不良鉆孔。

2005 年內(nèi)蒙古自治區(qū)煤田地質(zhì)局117 隊(duì)施工的一盤區(qū)內(nèi)J02、J04、J08、UN20、UN21、UN22、UN27、UN28 鉆孔均為封閉不良鉆孔。從一盤區(qū)揭露情況分析，初步推測二盤區(qū)內(nèi)UN06、UN12、UN02、UN03、UN01 鉆孔可能為封閉不良鉆孔，采掘工作面穿過或接近這些鉆孔時(shí)均有可能發(fā)生鉆孔透水事故。

3.3 礦井涌水量預(yù)測

泊江海子礦直接充水水源為侏羅系中統(tǒng)裂隙含水層，此次采用解析法和富水系數(shù)法分別對開采3- 1 號(hào)煤層礦井涌水量進(jìn)行預(yù)計(jì)。解析法計(jì)算礦井正常涌水量316 m3/h，最大涌水量474 m3/h；富水系數(shù)法計(jì)算礦井正常涌水量為103 m3/h，最大涌水量為154 m3/h。

4 結(jié) 論

（1） 礦區(qū)共分布有4 個(gè)含水層及3 個(gè)隔水層，除第四系松散孔隙含水層富水性較強(qiáng)外，其余含水層富水性均弱，且隔水層的隔水條件較差。

（2） 泊江海子礦主要充水水源為侏羅系中統(tǒng)裂隙含水層，充水通道主要為天窗、封閉不良鉆孔和采煤形成的裂隙。

（3） 通過分析預(yù)測未來礦井開采3- 1 號(hào)煤層最大涌水量為474 m3/h。