黃蒿界煤礦水文地質(zhì)特征及充水因素分析

曹虎生，胡 偉，郝忠寶

(陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

陜北地區(qū)煤炭資源較為豐富，隨著“十四五”國民社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，將對煤炭資源的需求越來越大，由于我國煤田水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，各區(qū)域又有所差異，礦井突水事故頻發(fā)嚴重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)[1-2]，故查清煤礦區(qū)水文地質(zhì)條件對煤炭資源的安全有效開采至關(guān)重要[3-4]。黃蒿界煤礦是陜西省陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫礦區(qū)規(guī)劃新建礦井，查明礦井范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件，評價礦井充水因素，可對黃蒿界煤礦及周邊相似條件礦井下一步設(shè)計建設(shè)及安全生產(chǎn)提供水文地質(zhì)參考和依據(jù)。

1 工程概況

黃蒿界煤礦位于榆橫礦區(qū)(南區(qū))的中部，鄰礦區(qū)面積120.52 km2，北側(cè)與趙石畔井田相鄰，南部與塔灣井田相鄰，西側(cè)與海則灘井田相鄰，東側(cè)為礦權(quán)空白區(qū)，行政區(qū)劃隸屬靖邊縣黃蒿界鎮(zhèn)、橫山縣趙石畔鎮(zhèn)及塔灣鎮(zhèn)管轄。煤礦總體構(gòu)造形態(tài)為一走向南北，傾向西的單斜構(gòu)造，地層走向近南北—北北東傾向，侏羅系中統(tǒng)延安組為本區(qū)含煤地層，3號煤層為主要可采煤層，4號煤層為局部可采煤層[5]。據(jù)以往地質(zhì)鉆探揭露地層有三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組、侏羅系下統(tǒng)富縣組、侏羅系中統(tǒng)延安組、侏羅系中統(tǒng)安定組、白堊系下統(tǒng)洛河組、中更新統(tǒng)離石組、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組、現(xiàn)代河流沖洪積層和全新統(tǒng)風(fēng)積沙。

2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水埋藏條件和含水層性質(zhì)，將煤礦內(nèi)地下水劃分為第四系松散巖類孔隙裂隙潛水和中生代碎屑巖類孔隙裂隙潛水及承壓水。7個含水巖層(組)即第四系全新統(tǒng)河谷沖積層孔隙潛水、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組孔隙潛水、中更新統(tǒng)離石組孔隙裂隙潛水、白堊系下統(tǒng)洛河組孔隙裂隙水、侏羅系中統(tǒng)安定組孔隙裂隙承壓水、侏羅系中統(tǒng)直羅組孔隙裂隙承壓水、侏羅系中統(tǒng)延安組孔隙裂隙承壓水。

2.1 第四系松散巖類孔隙裂隙潛水

2.1.1 第四系全新統(tǒng)河谷沖積層孔隙潛水

僅分布于煤礦內(nèi)黑河則的階地和漫灘及其支流的溝谷底部，含水層厚度0～10 m，水位埋深1～6.35 m，巖性一般由粉砂、細砂、亞砂土等組成，泥質(zhì)含量較高。據(jù)以往鉆孔及民井抽水試驗，降深1.5～36.78 m，涌水量2.33～14.51 m3/d，單位涌水量0.032～0.047 L/(s·m)，弱富水性。

2.1.2 上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組孔隙潛水

分布于黑河則干流和支流的一級階地及漫灘，中部的小寧條梁、西溝、店溝和瓦窯溝一帶及蘆河的二級階地。含水層為粉、細砂夾暗灰色淤泥質(zhì)條帶。本區(qū)含水層厚度0～10 m，水位埋深5～20 m，弱富水性。

2.1.3 中更新統(tǒng)離石組孔隙裂隙潛水

該區(qū)除溝谷中出露洛河組砂巖外，黃土分布廣泛，厚度一般30～100 m，巖性一般為粉質(zhì)黃土和砂質(zhì)黃土，并夾有多層厚度1～2 m的粉細砂層，由于溝谷切割明顯，地形顯得支離破碎，使得黃土含水層的泄水作用加強，含水層儲水條件受到破壞，基本無水或弱富水性。

2.2 中生代碎屑巖類孔隙裂隙潛水及承壓水

2.2.1 白堊系下統(tǒng)洛河組孔隙裂隙水

全區(qū)分布，僅在馬家溝、下榆地溝及黑河則等溝谷的下部零星出露，為發(fā)育大型交錯層理的中細粒長石砂巖及少量的粗粒長石砂巖。上部多被第四系松散層覆蓋，易于接受其潛水下滲補給。區(qū)內(nèi)洛河組砂巖厚度由東向西逐漸增厚，據(jù)以往鉆孔資料，洛河組含水層厚度為43.20～221.80 m，在煤礦中部為弱富水性，向東西2個方向變?yōu)橹械雀凰浴?/p>

2.2.2 侏羅系中統(tǒng)安定組孔隙裂隙承壓水

安定組孔隙裂隙承壓水遍布全區(qū)，厚度變化較大，為61.20～152.90 m，平均厚度107.80 m。該段巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖為主，細粒長石砂巖次之。其含水層厚度變化較大，為41.60～56.59 m，平均厚49.10 m。據(jù)抽水試驗資料，單位涌水量為0.002 1～0.007 2 L/(s·m)，弱富水性，滲透系數(shù)為0.008 3～0.010 8 m/d。

2.2.3 侏羅系中統(tǒng)直羅組孔隙裂隙承壓水

直羅組孔隙裂隙承壓水全區(qū)分布，厚度變化不大，一般為65.76～144.45 m，平均厚度94.94 m。該段巖性以泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及細粒長石砂巖為主。其含水層厚度變化較大，厚26.70～61.50 m，平均厚度為49.02 m。據(jù)該層抽水試驗資料，水位埋深為21.69～81.42 m，當(dāng)降深為28.03～40.49 m時，涌水量為26～94 m3/d，統(tǒng)徑統(tǒng)降單位涌水量為0.010 8～0.027 2 L/(s·m)，弱富水性。

2.2.4 侏羅系中統(tǒng)延安組孔隙裂隙承壓水

直羅組底界至3號煤頂板含水巖組，它以3號煤層頂板的延安組第四段砂巖含水層為主。巖性為中、粗粒長石砂巖，含水層厚23.20～73.50 m，平均厚度為37.95 m。據(jù)鉆孔抽水試驗，水位埋深為9.46～95.50 m，當(dāng)降深為12.82～54.76 m時，涌水量為15～105 m3/d，統(tǒng)徑統(tǒng)降單位涌水量為0.003 0～0.058 2 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.009 0～0.171 8 m/d，屬弱富水性。

2.3 隔水層

煤礦的隔水層主要為基巖地層中厚度較大且連續(xù)分布的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖類，與砂巖(含水層)相間分布，各層均有分布，分布較穩(wěn)定，厚度10～50 m，為各含水層段之間較好的隔水層，構(gòu)成基巖裂隙承壓水、基巖風(fēng)化帶潛水的相對隔水層。

2.4 地下水的補給、徑流及排泄條件

區(qū)內(nèi)地下水的水位和流量動態(tài)變化與大氣降水的關(guān)系極為密切，并具有明顯的同步變化特征。黃蒿界煤礦地下水主要接受大氣降水補給，徑流和排泄受地貌單元、所處地形和含水層巖性的差異各有區(qū)別[6-7]。

第四系沖洪積層、沖湖積層孔隙潛水的補給、徑流、排泄主要受地形地貌及相鄰地層巖性等因素控制，補給以大氣降水為主，部分為凝結(jié)水補給及農(nóng)田澆灌回歸水、溝渠水、庫水滲漏補給，階地區(qū)還接受河流及基巖風(fēng)化裂隙帶潛水補給。地下水徑流主要受地形地貌的控制，流向由高至低與現(xiàn)代地形吻合。排泄以泄流形式向地勢較低的溝谷排泄，以下滲的方式向基巖風(fēng)化裂隙帶排泄，局部以下降泉的形式排泄補給地表水。另外，蒸發(fā)及人工開采也成為其排泄方式。

第四系離石組黃土孔隙裂隙潛水主要接受大氣降水的補給，上覆風(fēng)積沙為大氣降水下滲補給黃土含水層提供了有利的條件。其徑流受地形地貌的控制，多由地形較高的地方向低處徑流而與現(xiàn)代地形吻合。地下水除部分下滲補給基巖風(fēng)化裂隙潛水外，大部分以泉或泄流的形式排泄于溝谷中。

洛河組砂巖孔隙裂隙水，除在基巖裸露處直接得到大氣降水及地表水的補給外，一般主要接受第四系松散層潛水的垂直下滲補給，也是通過上覆松散層潛水的下滲而間接得到大氣降水的補給，該含水層與松散層潛水除局部地段存在隔水夾層外，大部分地區(qū)為具有密切水力聯(lián)系的統(tǒng)一含水體，其徑流特點與上覆第四系潛水基本一致。排泄除了以泉的形式補給地表溝流外，主要以人為工程活動開采為主。

安定組、直羅組及延安組的孔隙裂隙承壓水主要接受上部潛水的滲入補給，在向西微傾的單斜構(gòu)造以及上下隔水層的制約影響下，徑流運移方向基本沿巖層傾向由東向西或西南方向，越靠近西部煤礦邊界，水位埋藏越深。

3 充水因素分析

3.1 充水水源

3.1.1 大氣降水

區(qū)內(nèi)多年平均降水量397.8 mm，且多集中6、7、8、9月份，占全年降水量的68%，大氣降水除部分形成地表徑流排泄以外，部分滲入補給地下水，成為松散巖類孔隙潛水和風(fēng)化裂隙帶潛水，礦井開拓時，主副井均要穿越黃土層及風(fēng)化裂隙帶，或遇封閉不良鉆孔時，都會使大氣降水通過井筒流入礦坑，成為礦坑充水的間接充水水源。

3.1.2 地表水

區(qū)內(nèi)主要地表水體為黑河溝河流水及劉新謠水庫，3號煤層開采后，導(dǎo)水裂隙帶在正常基巖里發(fā)育，導(dǎo)水裂隙不會導(dǎo)通地表水體，故地表水屬間接充水水源。

3.1.3 地下水

第四系松散層潛水不會直接進入礦井，因此不構(gòu)成礦井直接充水水源，而是通過含水層之間相互補給構(gòu)成間接充水水源；白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖孔隙裂隙水，富水性弱-中等，3號煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶雖未與該層含水層溝通，但是煤層開采后期將產(chǎn)生地表變形，對礦坑充水有一定的影響，成為礦坑充水的間接充水水源，仍需監(jiān)測觀察，防止異常情況造成水害威脅[7]；3號煤層頂板正?；鶐r裂隙承壓水主要是侏羅系中統(tǒng)安定組、直羅組、延安組第四段砂巖裂隙水，其通過煤層開采后所形成的冒裂帶流入礦坑，成為礦坑的直接充水水源，它們雖有較高的水頭壓力，但涌水量甚微，富水性弱，易于疏干，因此其作為礦井的直接充水水源，一般不會對礦井開采造成大的危害。

3.2 充水通道

本區(qū)充水通道主要是將來煤礦開采后形成冒裂帶(冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶)，兩帶發(fā)育高度是導(dǎo)致礦井直接或間接充水的主導(dǎo)因素，冒裂帶高度與煤層厚度、煤層開采方式、頂板巖性等直接相關(guān)[8-9]；其次為斷裂破碎帶，局部為斷層及封閉不良鉆孔。

3.2.1 冒裂帶

依據(jù)《魏墻煤礦3號煤層覆巖垮落規(guī)律與“三帶”發(fā)育高度研究》成果，計算得出未來3號煤層開采后，冒落帶高度11.52～20.77 m，導(dǎo)水裂隙帶最大高度50.40～90.83 m，上覆延安組第四段厚度29.22～103.05 m，導(dǎo)水裂隙帶高度大部分區(qū)域發(fā)育至延安組及直羅組正常基巖內(nèi)地層內(nèi)。3號煤層頂面距主要含水層洛河組砂巖含水層底面的高度在213.73～383.23 m之間，理論上本煤礦開采3號煤層時，上部洛河組砂巖中的水理論上不會通過采空區(qū)冒裂帶導(dǎo)入礦井中。

3.2.2 封閉不良的鉆孔

以往地質(zhì)工作封閉不良鉆孔共1個，為報廢孔封孔不到底的情況。煤礦在采煤過程中應(yīng)提前探查，避免造成各含水層上下水力聯(lián)系。

3.2.3 斷裂破碎帶、小型斷層

煤礦總體構(gòu)造簡單，未發(fā)現(xiàn)較大斷層及明顯褶皺，僅局部形成一些寬緩的波狀起伏。

3.3 充水強度

礦井充水強度主要取決于區(qū)域構(gòu)造發(fā)育以及煤層頂板以上含水層的富水性、厚度及冒裂帶導(dǎo)通各含水層的程度、開拓方式、采煤強度和大氣降水特征等因素[10-12]。

通過計算得出，3號煤層開采后形成的冒裂帶高度穿越或連通含水層厚度較小，未波及到主要含水層洛河組含水層，所以未來礦井的主要充水含水層為延安組第四段中的中、粗粒砂巖含水層，能導(dǎo)通直羅組中的部分砂巖含水層，雖然此含水層有較高的水頭壓力，但富水性弱，涌水量甚微，易于疏干，一般不會對礦井開采造成危害。

4 結(jié)論

(1)第四系全新統(tǒng)河谷沖積層孔隙潛水、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組孔隙潛水、中更新統(tǒng)離石組孔隙裂隙潛水、侏羅系中統(tǒng)安定組孔隙裂隙承壓水、侏羅系中統(tǒng)直羅組孔隙裂隙承壓水、侏羅系中統(tǒng)延安組孔隙裂隙承壓水富水性均為弱，白堊系下統(tǒng)洛河組孔隙裂隙水富水性為中等。

(2)依據(jù)煤礦水文地質(zhì)條件及3號煤層覆巖結(jié)構(gòu)類型，礦井的直接充水水源為侏羅系中統(tǒng)安定組、直羅組、延安組第四段砂巖裂隙水，含水層富水性弱，涌水量甚微，易于疏干，對礦井開采一般不會造成危害。主要充水通道為冒裂帶、封閉不良的鉆孔和斷裂破碎帶及小型斷層。

(3)為保證礦井安全生產(chǎn)，礦方在后期采掘過程中，可采用物探和鉆探等手段進一步查明區(qū)內(nèi)局部構(gòu)造情況，以防構(gòu)造和冒裂帶協(xié)同作用導(dǎo)致礦井涌水量突然增大。同時需進一步加強冒裂帶高度監(jiān)測及水文地質(zhì)預(yù)測預(yù)報工作，建立健全防治水崗位責(zé)任制，并嚴格執(zhí)行“三專兩探一撤”水害防治措施。