韓城礦區(qū)下峪口井田奧灰含水層水文地質(zhì)條件分析

羅壽濤，張 歡，祁云望，余文鑫，彭道銀

(1.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司地質(zhì)測量部，陜西 韓城 715400；2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司桑樹坪二號井，陜西 韓城 715400)

奧陶系石灰?guī)r含水層作為韓城礦區(qū)其煤系地層基底，是煤層開采中的主要致災(zāi)因素之一，尤其是上覆煤層中11號煤層距其最近，影響最大。因此以11號煤層為主采煤層的下峪口井田煤層開采過程中奧陶系灰?guī)r含水層水文地質(zhì)條件是礦井生產(chǎn)必須首要解決的重點(diǎn)問題。開展奧灰含水層水文地質(zhì)條件特征分析研究對指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)具有重大意義[1]。本文將從奧灰含(隔)水層特征、水文地質(zhì)邊界條件、補(bǔ)給、徑流、排泄條件、水層賦存特征和富水性對下峪口井田奧灰含水層水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，最終服務(wù)和指導(dǎo)煤炭資源綠色、安全、高效開采。

1 井田地質(zhì)特征

韓城礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南緣晉西褶皺帶與渭北隆起的交匯地帶，以文間嶺隆起為界，劃分為北區(qū)與南區(qū)[2]，礦區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富，主要含煤地層為石炭～二疊系，其中2、3、5、11號煤層為本區(qū)主要開采煤層[3]。下峪口井田位于韓城礦區(qū)北區(qū)，南端與燎原井田接壤，北端與桑樹坪井田相鄰，東至邊淺部煤層露頭線。井田內(nèi)地層總體呈北東-南西向展布，東南邊淺部因受強(qiáng)烈擠壓，下古生界地層有逆沖現(xiàn)象，含煤地層翹起，呈現(xiàn)直立微倒轉(zhuǎn)狀，但由煤層露頭向下，煤巖層傾角急劇變緩在15度以下，總體構(gòu)造框架為一寬緩的向北西方向緩傾的單斜構(gòu)造，主要構(gòu)造變形帶集中在礦區(qū)東南邊緣地帶多為斷裂型的層滑構(gòu)造、走向近EW向的褶皺、NW向和NE向的小型斷裂。地層從老到新有太古界涑水群、元古界震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系及新生界第四系。下峪口井田主要開采二疊系山西組的2#、3#煤層及石炭系太原組的5#、11#煤層[4]。奧陶系石灰?guī)r含水層作為煤系基底，對上覆煤層的安全開采具有很大威脅，是礦井生產(chǎn)過程中的主要致災(zāi)因素。

2 奧灰含(隔)水層特征

奧陶系石灰?guī)r層在井田邊淺部出露，該巖層歷經(jīng)多次構(gòu)造破壞作用，直立、倒轉(zhuǎn)、褶曲、斷裂(圖1)，巖溶裂隙發(fā)育，為地下水的儲存運(yùn)移創(chuàng)造了良好條件，地下水以動儲量和靜儲量并存為特征，在礦區(qū)邊淺部徑流帶范圍內(nèi)形成了統(tǒng)一的含水體，向井田的中深部，巖層平緩，斷裂稀少，巖溶裂隙不發(fā)育，富水性變?nèi)?，地下水以靜儲量為主。據(jù)鉆孔資料分析，奧陶系石灰?guī)r縱向上巖溶裂隙發(fā)育具分帶性，表現(xiàn)在奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙承壓強(qiáng)含水層組由相對隔水層段與幾個(gè)含水層段復(fù)合而成，具有統(tǒng)一的水位高程，是一個(gè)非均質(zhì)的具有多層段結(jié)構(gòu)的復(fù)合承壓含水體。

圖1 韓城礦區(qū)地層剖面圖[5]

根據(jù)井田東南邊部的龍王寺溝及禹門口奧灰?guī)r露頭、井田內(nèi)及鄰近礦井奧灰?guī)r鉆孔揭露的奧灰?guī)r巖性組合、結(jié)構(gòu)特征、裂隙巖溶發(fā)育程度，結(jié)合鄰近礦井抽水試驗(yàn)與井下涌水等資料，將奧陶系石灰?guī)r含(隔)水層共劃分為四個(gè)組九個(gè)段(表1)。其中含水層段分別為峰峰組二段、上馬家溝組二、三段，下馬家溝組二段，冶里-亮甲山組二段。

表1 韓城北區(qū)奧灰系石灰?guī)r含、隔水層段劃分一覽表

圖2 下峪口井田奧灰水文地質(zhì)圖

3 奧灰井田水文地質(zhì)邊界條件

已有研究表明，韓城礦區(qū)奧灰含水層的區(qū)域徑流方向?yàn)镹EE向，其主要徑流條帶為邊淺部的構(gòu)造裂隙帶，淺部徑流條件好，接受的補(bǔ)給量相對豐富。井田西南邊界成為井田接受側(cè)向徑流補(bǔ)給的導(dǎo)水邊界；西北部邊界區(qū)屬于煤層埋藏深部，深部區(qū)域徑流條件差，地下水流緩慢或滯留，巖溶發(fā)育可能較弱；東南部邊界雖為人為劃定邊界，卻處于煤層露頭帶附近，邊界外灰?guī)r出露地表，可接受大氣降水補(bǔ)給；同時(shí)受到斷層以及邊淺部多個(gè)老窯和小煤窯的影響，因此還可能接受老空區(qū)積水的補(bǔ)給。因此，東南邊界應(yīng)屬于補(bǔ)給進(jìn)水邊界。東北部邊界雖然為人為邊界，結(jié)合區(qū)域徑流條件的影響(圖2)，可認(rèn)為東北邊界為下峪口井田奧灰含水層水補(bǔ)給邊界，通過構(gòu)造斷裂帶沿NE-SW方向運(yùn)移。

4 下峪口煤礦奧灰補(bǔ)給、徑流與排泄

4.1 補(bǔ)給條件

4.1.1 大氣降雨與地表水的補(bǔ)給條件

下峪口井田地下水的主要補(bǔ)給來源為大氣降水與地表水體的補(bǔ)給。井田內(nèi)黃土覆蓋厚度較大且分布面積廣，加之地形復(fù)雜，地表徑流條件好，大氣降水以面流和片流的形式很快排泄到溝谷流走，僅在基巖露頭與裂隙發(fā)育段有補(bǔ)給較多，其余地段滲透很小，對地下含水層的補(bǔ)充有限。

下峪口井田內(nèi)有大小河流2條，其流向大致與地層走向垂直，河流在流經(jīng)基巖露頭處的裂隙和構(gòu)造裂隙發(fā)育段均產(chǎn)生滲漏補(bǔ)給。

4.1.2 奧灰含水層補(bǔ)給條件

井田東南邊淺部因受強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動擠壓，下古生界地層有逆沖現(xiàn)象，地層產(chǎn)狀傾角較大，奧陶系灰?guī)r地層由于構(gòu)造運(yùn)動大面積出露地表，裸露面積約14.1 km2，是奧灰含水層接收大氣降水和地表水補(bǔ)給的主要補(bǔ)給區(qū)。由于受NE向斷裂和褶皺的影響，山區(qū)發(fā)育兩組傾角大于70°的共軛剪節(jié)理，這些縱橫交錯(cuò)的節(jié)理系統(tǒng)構(gòu)成大氣降水垂直入滲補(bǔ)給山區(qū)裸露奧陶系灰?guī)r的通道和儲水空間。下峪口井田東部邊界外臨近黃河側(cè)，地層由于受到構(gòu)造運(yùn)動的改造，使奧陶系地層裸露于黃河河谷兩側(cè)，在黃河流經(jīng)奧灰?guī)r出露地段，區(qū)內(nèi)地表水在流經(jīng)基巖地段有明顯的水量漏失，為區(qū)內(nèi)奧灰地下水主要補(bǔ)給途徑之一。下峪口井田內(nèi)無較大河流，但溝谷發(fā)育，為河流在流經(jīng)井田基巖露頭處的裂隙和構(gòu)造裂隙發(fā)育段產(chǎn)生滲漏對奧灰含水層進(jìn)行補(bǔ)給創(chuàng)造了有利條件。因此，下峪口井田奧灰地下水主要補(bǔ)給來源為井田邊界東南處F1大斷裂處的大氣降水的滲入、河流流經(jīng)灰?guī)r出露地段的滲漏補(bǔ)給和黃河在流經(jīng)奧陶系地層裸露處的側(cè)向補(bǔ)給。

4.2 徑流條件

下峪口井田內(nèi)奧陶系灰?guī)r含水層中的地下水，徑流帶位于井田邊淺部的地層產(chǎn)狀變化最為劇烈的部位，即在構(gòu)造運(yùn)動作用下所形成的褶皺破碎帶，使層理、節(jié)理和斷層相互連通，且由于地層產(chǎn)狀的劇烈變化，相鄰含水層之間可能發(fā)生錯(cuò)位，進(jìn)而相互連通，整個(gè)區(qū)域內(nèi)形成了統(tǒng)一的水位(+380 m)。

地下水徑流，在淺部運(yùn)動時(shí)，以管道流的形式在巖溶作用形成的通道中運(yùn)移，滲透系數(shù)較大，在中深部運(yùn)動時(shí)，由于水壓的作用，徑流逆著巖層傾向通過構(gòu)造運(yùn)動所產(chǎn)生的裂隙中向邊淺部運(yùn)移，滲透系數(shù)較小。

圖3 下峪口井田奧灰含水層地下水運(yùn)動示意圖[3]

奧灰含水層抽水試驗(yàn)結(jié)果顯示，降落漏斗的影響范圍于二維平面上，顯示為一個(gè)長軸方向?yàn)槟媳狈较?，且長軸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短軸的的橢圓形，表明奧灰含水層在南北方向上的導(dǎo)水性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于東西方向，反映出沿下峪口井田奧灰地下水來水方向和導(dǎo)水通道主要為邊淺部斷層走向方向。

4.3 排泄條件

4.3.1 地下水的排泄

受地形的風(fēng)化切割，地下水在溝谷地帶形成泉水。在采礦疏干含水層之前，地下水主要通過溝谷中泉水進(jìn)行排泄。由于長期采礦活動，目前采掘影響區(qū)內(nèi)含水層已慢慢被疏干，泉水也逐漸枯竭。

在基巖出露的邊淺部，含水層與地表水之間互為補(bǔ)排關(guān)系，在雨季這些地方為地下水的補(bǔ)給區(qū)，而旱季這些地方會成為地下水的排泄區(qū)。采礦過程中井巷、工作面的疏干作用已經(jīng)成為地下水的另一個(gè)重要排泄方式。

4.3.2 奧陶系灰?guī)r含水層的排泄

下峪口井田奧灰地下水無明顯的地下水排泄點(diǎn)，分析認(rèn)為奧灰地下水通過兩種途徑徑流排泄，一為經(jīng)F1斷層在地表河流河谷豁口排于第四系松散層，二是由深部向淺部側(cè)向滲流。近年來對奧灰地下水的開采逐年增大，人工開采地下水成為井田地下水的主要排泄方式，造成下峪口井田奧灰水位的持續(xù)下降。

下峪口井田20世紀(jì)80年代以前奧灰水主要向黃河排泄，之后由于韓城電廠于70年代末開始投產(chǎn)后，因生產(chǎn)需要，持續(xù)以1 000～1 400 m3/h的流量抽取奧灰含水層地下水，由于補(bǔ)給量小于抽水量，致使井田奧灰水位逐年下降，以抽水井群為中心形成降落漏斗。奧灰水位有較大的升幅是由于2011年底韓城電廠停產(chǎn)后，對于奧灰地下水水抽取減少所致，井田的奧灰地下水水位處于恢復(fù)之中。

5 奧灰含水層賦存特征

5.1 奧灰含水層分布特征

根據(jù)各階段勘探資料，下峪口井田奧灰整體呈NNW傾斜的單斜構(gòu)造，僅在井田一采區(qū)西南部出現(xiàn)陡立的翹起構(gòu)造。下峪口井田內(nèi)鉆探普遍揭露中奧陶系統(tǒng)上馬家溝組三段，僅部分區(qū)域揭露中奧陶統(tǒng)峰峰組二段和峰峰組一段。上馬家溝組三段屬弱含水層，主要分布于井田邊部，且分布面積將最大。峰峰組二段為強(qiáng)含水層，主要分布于井田中部和西北邊部。但因在區(qū)內(nèi)缺失嚴(yán)重，連續(xù)性和穩(wěn)定性較差，均不構(gòu)成主要含水層。

5.2 奧灰含水層水文動態(tài)變化情況和滲透性特征

韓城礦區(qū)南區(qū)和北區(qū)之間有天然的阻水構(gòu)造，是兩個(gè)相對獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，兩者互不干擾，黃河水不能直接補(bǔ)給到南區(qū)奧灰水，但南、北區(qū)的水位基本一致。因?yàn)槟媳眳^(qū)的特性，下峪口井田奧灰水水位總體呈現(xiàn)隨時(shí)間變化穩(wěn)定-下降-上升-穩(wěn)定的一個(gè)循環(huán)過程。井田近年來受到煤礦開采和發(fā)電用水等對奧灰含水層的人工影響， 2010年以前，奧灰水平均靜水位不斷下降至最低約+367 m，2010年之后，奧灰水平均靜水位開始上升。

根據(jù)下峪口井田水文鉆孔的抽水資料，結(jié)合井田內(nèi)奧陶系灰?guī)r分布情況分析可知，隨著奧灰埋深的增大，奧灰含水層的滲透性急劇減小。

6 結(jié)語

(1)奧灰含水層是一個(gè)非均質(zhì)的具有多層段結(jié)構(gòu)的復(fù)合承壓水體，含水層段主要為峰峰組二段、上馬家溝組二、三段，下馬家溝組二段，冶里-亮甲山組二段。

(2)補(bǔ)給來源主要為井田邊界東南處的大氣降水的滲入和河流流經(jīng)灰?guī)r出露地段的滲漏補(bǔ)給，沿礦區(qū)邊淺部斷層走向方向是主要的來水方向與主要的導(dǎo)水通道。

(3)含煤地層的隔水層巖性以各類泥巖為主，并夾有弱富水的砂巖、煤層。

(4)隨著埋深的增大，奧灰含水層的滲透性急劇減小。