大海則礦井井筒水文地質條件分析

劉宗斌，劉智昌，權軍明，曹 蕊

(1.陜西省核工業(yè)地質調查院，陜西 西安 710054;2.陜西省西安市長安區(qū)灃河管理站，陜西 西安 710118)

大海則礦井位于榆林市西北直距約50 km處，井田面積280.03 km2，煤炭資源總量約51億 t，地質構造簡單，延安組含可采煤層7層，平均總厚度為15.41 m。其中結構簡單、全區(qū)可采、穩(wěn)定性的主采煤層2、3號煤，平均總厚度為 10.30 m。利用陜西省地質勘查基金進行了普查勘查，中煤陜西榆林能源化工有限公司投資進行了詳查、勘探及礦井井筒檢查孔勘察工作，大海則礦井初步規(guī)劃井型為1 500萬 t/a。礦井采用主斜——副立開拓方式，初選礦井工業(yè)場地位于井田中東部。設計沿主斜井井筒軸線方向，布置了4個井筒檢查鉆孔，一號副立井、二號副立井及原設計一號回風立井和補充回風立井附近各布置1個井筒檢查鉆孔，共布設井筒檢查鉆孔8個。礦井水文地質、工程地質條件較復雜，對可能引起的水文地質、工程地質條件的變化做出評述和預測，為井筒施工建設提供可靠的依據(jù)。區(qū)內以沙漠灘地及半固定沙丘地貌為主，地形起伏不大。沒有地表水系，有一些蓄水量不大的天然海子。

1 地質特征

地表被第四系松散沉積物覆蓋。本區(qū)地層由老至新有三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組(T3w)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)，侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)洛河組(K1l)、第四系的上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)和全新統(tǒng)的松散沙層。

礦井構造簡單，本區(qū)大地構造位置處于鄂爾多斯盆地中部次級構造單元陜北斜坡中部。中生界地層向西微傾伏，平均傾角0°～3°，未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的斷層或褶皺。

2 水文地質特征

根據(jù)本區(qū)地下含水層的埋藏條件、含水介質等因素，將礦井地下含水層劃分為二大類型:即，松散巖類孔隙水、碎屑巖孔隙裂隙水。

2.1 含水層

2.1.1 松散巖類孔隙水

第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q13s)孔隙潛水含水層，主要分布于沙漠灘地和沙丘間洼地，厚度3～60 m，是區(qū)內第四系潛水的主要含水層。其巖性下部為橘黃色、淺灰紫色及雜色中細沙、細粉沙與暗棕色亞粘土不等厚互層。上部為褐灰黃、淺灰黃色粉細砂和沙土。水位埋深 2.50～5.44 m，降深7.75～11.76 m，涌水量達 296 m3/d，單位涌水量 0.109 ～1.617 L/s·m，滲透系數(shù) 2.39 ～3.56 m/d，富水性為中等富水－強富水。水化學類型 HCO3－Ca和 HCO3－Ca·Mg型水，礦化度 278.79 ～391 mg/L。

2.1.2 碎屑巖類孔隙裂隙水

(1)白堊系下統(tǒng)洛河組(K1l)孔隙裂隙潛水及承壓水含水層。全區(qū)分布，多被第四系風積沙覆蓋，厚度約280～398 m。該組巖性單一，為巨型交錯層中、細粒砂巖。呈棕紅、淺紫紅色，砂粒成分主要為石英、長石。泥質及鈣質膠結，疏松，交錯層理發(fā)育。洛河砂巖上覆薩拉烏蘇組底部的局部地段有粘土層，因此，區(qū)內洛河組砂巖含水層既有潛水又有承壓水。洛河組上部潛水含水層水位埋深1.70～8.43 m，單位涌水量 0.15 ～0.0.501 8 L/s·m，滲透系數(shù) 0.323 ～1.02 m/d，富水性為中等富水。水化學類型為 HCO3－Ca和 HCO3－Ca·Mg型水，礦化度 257～302.43 mg/L。洛河組頂部有局部隔水承壓含水層，水位埋深4.53～6.42 m，單位涌水量0.193 ～0.530 L/s·m，滲透系數(shù) 0.072 6 ～0.421 m/d，富水性為中等富水。水化學類型HCO3－Ca·Na·Mg型水為主，礦化度 275.92 ～413.00 mg/L。

(2)侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)孔隙裂隙承壓水含水巖組。區(qū)內地表未出露，厚度 33.75～44.35 m。巖性以紫紅色、紫雜色、暗紫色團塊狀泥巖、粉砂巖為主，夾紅色、紫灰色巨厚層狀細～粗粒長石石英砂巖及巖屑長石砂巖，分選差，棱角狀，具斑狀構造及瘤狀突起。水位埋深 21.62～26.84 m，單位涌水量 0.001 3 ～0.012 L/s·m，滲透系數(shù) 0.003 73～0.045 3 m/d，滲透性差，富水性弱。水化學類型為 SO4·HCO3－Na·Mg·Ca型水，礦化度 398.00 ～1 548 mg/L。

(3)侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)孔隙裂隙承壓水含水巖組。直羅組地層全區(qū)分布，地表未出露，本次揭露厚度32～280 m，平均183 m?？傮w變化趨勢由東向西增厚。與下伏地層延安組呈假整合接觸。巖性以灰綠色粉砂巖、中、細粒長石石英砂巖為主，具交錯層理，局部地段為巨厚層粗粒長石石英砂巖，頂部多為粉砂巖、泥巖。水位埋深24.24～39.26 m，單位涌水量 0.030 2 ～0.079 L/s·m，滲透系數(shù) 0.040 6 ～0.072 9 m/d，富水性中等 －弱。水化學類型 SO4－Na型水，礦化度2 017～3 265 mg/L。

(4)侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)孔隙裂隙承壓水含水層。全區(qū)分布，為本區(qū)含煤地層，厚度在230 m左右，巖性主要為一套河流－湖泊三角洲－沖積平原環(huán)境沉積的灰色細－粗粒長石砂巖、深灰色泥巖、粉砂巖，夾黑色炭質泥巖、煤層。與下伏地層呈整合接觸關系。該組地層巖石致密，完整，裂隙不發(fā)育，水位埋深 19.16～42.87 m，單位涌水量 0.001～0.058 45 L/s·m，滲透系數(shù) 0.005 0 ～0.058 08 m/d，富水性弱。水化學類型 SO4－Na·Ca型水，礦化度 1 521.09～3 292 mg/L。

2.2 隔水層

從鉆孔揭露地層的巖性組成特征分析，各含水層段中的泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖均呈互層狀沉積，巖性粒度小，孔隙率小，膠結致密，分選性好，一般以水平層理為特征，是區(qū)內上、下含水層段之間相對較好的隔水層。

薩拉烏蘇組(Q13s)含水層當中不存在隔水層，其與下伏的白堊系下統(tǒng)洛河組(K1l)含水層之間局部有厚度小于10 m的粘土層具有局部隔水層的作用;洛河組地層以中、細粒砂巖為主，中間沒有穩(wěn)定的隔水層。侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)地層多以泥巖和粉砂巖為主，具有隔水作用，是洛河組與侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)之間穩(wěn)定的隔水層，其阻隔了洛河組含水層與直羅組含水層之間的水力聯(lián)系。侏羅系中統(tǒng)直羅組、延安組(J2y)地層在垂向上，砂巖與泥巖、粉砂巖多呈互層狀組合，砂巖之間的泥巖、粉砂巖具有相對穩(wěn)定的隔水作用，在沒有斷裂構造存在和人為破壞的情況下，各砂巖含水層之間水力聯(lián)系較弱。

3 礦井及井筒充水因素分析

大氣降水作為地下水的主要補給來源，所有礦床充水都直接或間接與大氣降水有關。區(qū)內無礦井老窯，因此地下水是區(qū)內主要的充水水源。含煤巖系上覆地層及自身含煤地層含水層中的地下水，即第四系孔隙潛水、白堊系 ～侏羅系直羅組孔隙裂隙水及延安組孔隙裂隙水是礦井長期、穩(wěn)定的充水來源。尤其是，煤層頂?shù)装搴畬又械牡叵滤切纬蓪淼V井涌水的主要充水水源。

充水通道主要為煤層開采后形成的冒裂帶、構造裂隙及某些不確定因素形成的通道。

井筒所穿越的各含水層中，上部薩拉烏蘇組潛水含水層和洛河組潛水——承壓水含水層，富水性強——中等;下部的直羅組和延安組各含水層均為弱的含水層，單位涌水量及滲透系數(shù)變化較大，故井筒穿越不同的地層的充水強度大小不一。由于下部含水層的承壓水頭較高，在節(jié)理、裂隙發(fā)育處井筒充水量會有所增大。

在井筒掘進過程中，以井筒為通道會溝通各個含水層，而井筒的充水通道為各含水層內在的節(jié)理和裂隙。裂隙的發(fā)育情況是井筒充水強度的主要因素之一。

4 井筒涌水量預算

對主斜井、副立井和回風立井分別采用水平廊道法和大井法進行了分層及總涌水量預算。預計主斜井總涌水量為16 814.5 m3/d，一號副立井總涌水量為 10 449.4 m3/d，二號副立井總涌水量為10 935.2 m3/d，一號回風立井總涌水量為 10 893.8 m3/d，補充回風立井總涌水量為10 429.5 m3/d。

表1 主斜井、副立井和回風立井井筒涌水量預算參數(shù)及計算表

5 井筒中各含水層之間水力聯(lián)系

井筒自上而下揭露了各含水層。由于松散層與洛河組砂巖之間的粘土隔水層厚度小，且分布不連續(xù)，因此，松散巖類孔隙水與白堊系下統(tǒng)洛河組(K1l)孔隙裂隙潛水及承壓水含水層之間水力聯(lián)系較密切，如果采用凍結法施工，可防止大量的井筒涌水對井筒施工的影響。下部的侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)孔隙裂隙承壓水含水巖組、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)孔隙裂隙承壓水含水巖組和侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)孔隙裂隙承壓水含水層之間夾有較穩(wěn)定的泥巖及粉砂巖隔水層，加之各水層本身富水性弱，所以，以上各含水層之間水力聯(lián)系較差。

另外，從地層剖面可看出，區(qū)內主采的2號煤層和3號煤層的直接頂或老頂多為砂巖且含水，加之煤層力學性質差，性脆，裂隙較發(fā)育，不排除局部地段煤層本身含水的可能性。因此，在井筒施工和井下開拓時注意煤層含水對施工的影響。

6 結論與建議

第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q13s)孔隙潛水含水層，是區(qū)內第四系潛水的主要含水層，富水性為中等富水—強富水。白堊系下統(tǒng)洛河組(K1l)孔隙裂隙潛水及承壓水含水層為中等富水。侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)富水性弱。中統(tǒng)直羅組(J2z)富水性中等－弱。中統(tǒng)延安組(J2y)富水性弱。

各含水層段中的泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖，一般以水平層理為特征，是區(qū)內上、下含水層段之間相對較好的隔水層。在沒有斷裂構造存在和人為破壞的情況下，各砂巖含水層之間水力聯(lián)系較弱。煤層頂?shù)装搴畬又械牡叵滤切纬蓪淼V井涌水的主要充水水源。充水通道主要為煤層開采后形成的冒裂帶、構造裂隙及某些不確定因素形成的通道。建井筒時自上而下揭露了各含水層，松散巖類孔隙水與白堊系下統(tǒng)洛河組孔隙裂隙潛水及承壓水含水層之間水力聯(lián)系較密切，加之圍巖結構松散，巖性軟弱，建議采用凍結法施工，可防止大量的井筒涌水對井筒施工的影響。其他各含水層之間水力聯(lián)系較差。

［1］王雙明，黃慶享，范立民，等.生態(tài)脆弱礦區(qū)含(隔)水層特征及保水開采分區(qū)研究［J］.煤炭學報.2010，35(1):7 －14.

［2］范立民.論保水采煤問題［J］.煤田地質與勘探.2005(5):50－53.

［3］秦建強，范立民，許建濤.鄂爾多斯盆地沙障圖區(qū)煤田地質及開發(fā)前景［J］.煤炭工程.2007(10):87－89.

［4］程愛國，彭蘇萍.西部地區(qū)煤炭資源潛力綜合評價與規(guī)劃研究［J］.西安科技學院學報.2000，20(S1):7 －13.

［5］劉宗斌，周祥武，等.大海則勘查區(qū)勘探地質報告.

［6］劉宗斌，劉智昌，等.大海則煤礦礦井井筒檢查勘察地質報告.