李雅莊煤礦區地下水運移規律及水質特征研究

趙永強，劉彥俊，王春海

（1.霍州煤電集團有限責任公司李雅莊煤礦，山西霍州 031400； 2.霍州煤電集團有限責任公司技術研究院，山西霍州 031400）

李雅莊煤礦區地下水運移規律及水質特征研究

趙永強1，劉彥俊2，王春海1

（1.霍州煤電集團有限責任公司李雅莊煤礦，山西霍州 031400； 2.霍州煤電集團有限責任公司技術研究院，山西霍州 031400）

李雅莊煤礦礦區受南側什林撓褶斷裂帶和東側霍山斷裂帶的控制形成地下水滯流區，井田內地質構造及陷落柱均非常發育，各主要含水層水質與霍州礦區整體水質存在較大差異。主要表現在太原組灰巖、奧陶系O2f的水質與霍州礦區相比陽離子Na+含量明顯偏高，且占主要成分。奧陶系O2s的水化學類型雖然Ca2+離子含量有所增加，但Na+含量依然明顯偏高。通過對礦井地質構造和陷落柱發育規律進行研究，并對礦井主要含水層水質進行綜合分析，得出在李雅莊礦區特殊徑流條件下地下水特性及運移規律。

斷層控水；巖溶塌陷；水化學特征

霍州煤電集團李雅莊煤礦位于山西省中南部，霍西煤田中部，目前主要開采山西組2號煤層。井田內總體構造為一走向北東，傾向南東的單斜構造，地層傾角一般為10°左右。中部陳家洼向斜兩翼至李雅莊村東，有一近北北東向的陡斜地帶，其寬約500 m，地層傾角一般15°～25°之間。根據本礦水文地質條件分析，受區域構造控制、沉積環境、巖性組合特征與地下水循環條件等因素的影響，各含水層所含地下水水化學特征及補給來源不盡相同。

1 井田阻水邊界斷裂構造發育特征

李雅莊礦區東部阻水邊界是以近南北向展布的霍山大斷層為界，該大斷層走向長約64 km，斷距達3 000 m左右，斷層東盤古老的變質巖系（AIH）與斷層西盤寒灰（∈）、奧灰（O）及煤系地層對接，形成了地下水向東移的阻水屏障，不僅構成了太原盆地與靈石隆起的邊界，也構成了郭莊泉域的阻水邊界[1-3]。井田南部阻水邊界是以走向近東西向的什林撓褶斷裂帶為界，該斷層走向長度約為25 km，斷層平面呈“緩S”形態。斷層東段走向NE向，與NNE向的霍山斷層成“入”字形交匯，斷距約為90 m，李雅莊礦區位于什林斷層中段，斷距約為175 m，斷層上盤的上石盒子組與斷層下盤的奧陶紀峰峰組對接，形成了地下水南移的阻水邊界。雖然李雅莊井田受構造控制影響整體處于滯流區，但由于什林斷層向東部延伸斷距逐漸減小，因此該區域地下巖溶水徑流方向為從西北向東南方向通過什林斷層破碎帶再向南運移。

2 井田內斷層構造發育特征

斷層是本井田的主要構造，斷層性質多為正斷層，走向多為NE。目前井田發現斷層263條，其中落差大于50 m的斷層共4條，如表1所示；20～50 m之間的斷層共17條；落差在5～20 m之間的40條；小于5 m的202條。總體來看，該井田主要斷層為傾向NW的階梯正斷層。

2.1 F2斷層的導水作用

井田內F2斷層的導水作用主要表現在深層奧灰含水層對接滲透與斷層減小、尖滅端的繞流兩種方式。

F2斷層在井田最北部落差達到90 m并穿過井田邊界，中部發育落差約為60 m，在井田西南部逐漸尖滅。通過統計斷層附近相關地質及水文鉆孔資料，分析F2斷層落差90 m時和60 m時斷層上下盤地層對接關系，發現受地層發育情況影響，在斷層中段與井田最北部斷層段，斷層下盤奧灰峰峰組均與上盤太原組灰巖對接，斷層導水主要通過斷層兩側含水層的對接側向滲透補給，F2斷層兩盤地層對接關系圖及滲流方向，見圖1。

在斷層南段，斷距減小尖滅范圍內，斷層兩盤奧灰含水層連續或小距離錯開，處于該區域的徑流-排泄區，上盤奧灰水在斷層尖滅端以繞流的方式補給下盤奧灰含水層。盡管該礦區處于區域滯流區，但由于在斷層尖滅端裂隙及陷落柱較為發育，因此整體水流方向依然是以繞流為主。

2.2 F2斷層對兩盤水文地質條件的控制

2.2.1 斷層對上盤水文地質條件的控制

對地下水流場的控制：斷層的上盤靠近郭莊泉域徑流區，由于受南側什林撓褶斷裂帶的阻水性影響，因此此段地下水流通條件較差。但從地層發育情況看，該段無褶皺及斷裂構造發育，地勢北高南地，巖溶地下水逕流、排泄暢通。

對奧灰含水層富水性的控制：由于受什林撓褶斷裂帶的控制，使該區段地下水運移受到很大程度的抑制，造成含水層富水性差異，展現出由北往南逐漸增強的特征。南段斷層尖滅區，巖溶裂隙極其發育。斷層尖滅端附近開采2號煤層面積3.84 km2，共揭露斷層178條，平均密度為38條/km2，巖溶陷落柱揭露196個，密度達51個/km2，導水性和褚水性較強。2006年8月12日，該區段2-211工作面在+217 m標高出現陷落柱導水，最大水量52 m3/h，其水質化驗結果，鈣鎂離子確定為太原組灰巖水。在區段北部及西北部，根據地面三維地震揭露情況陷落柱及構造均較少發育。

2.2.2 斷層對下盤水文地質條件的控制

對地下水流場的控制：斷層下盤奧灰含水層主要補給是來自上盤深部奧灰水的側向徑流補給。在發生突水形成排泄區時，在南段局部接受同層含水層的繞流補給。巖溶水的逕流方向總體是由西北向東南方向繞流補給。該區段太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙水水化學特征主要為HCO3-Na型，水化學類型單一，礦化度為0.834～1.028 g/L，pH值7.89～8.27，為堿性水。中奧陶統峰峰組巖溶裂隙水水化學特征以HCO3-Na型為主，其次為HCO3· SO4-Na型。地下水SO42-離子含量較高，陽離子以Na+離子為主，礦化度一般為0.982～2.218 g/L，pH 值7.86～8.62，為堿性水。中奧陶統上馬家溝組巖溶裂隙水水化學特征以SO4·HCO3-Ca·Na為主，陰離子SO42-和Cl-離子含量明顯增加，而HCO3-離子含量則明顯降低；陽離子Na+含量明顯降低，Ca2+離子含量有所增高，礦化度有所降低。從各主要含水層水質特征可以看出，陽離子Na+含量明顯偏高，甚至在太原組灰巖水和中奧陶統峰峰組巖溶裂隙水中占主導地位，主要原因是由于井田南部巖溶塌陷，地下水滯留導致Ca2+、Mg2+離子與Na+離子長期置換造成。也進一步驗證該區段巖溶水的逕流方向總體是由西北向東南方向繞流補給造成。

對奧灰含水層富水性的控制：區段內主要灰巖巖溶含水層埋藏較深，地下水長期處于滯流狀態。受所處的構造部位影響，其賦水性不均一。2012年3月，該區段六采區末端水倉發生隱伏陷落柱滯后出水，最大突水量400 m3/h，水質類型為HCO3-Na型，為中奧陶統峰峰組巖溶裂隙水。經過兩年的長期排放觀測，目前水量穩定在300 m3/h左右，位于該區段的奧灰觀測孔呈現明顯下降趨勢，但位于上盤的LK6水位觀測孔卻無明顯下降趨勢。分析認為F2斷層對下盤奧灰含水層富水性起一定控制作用。

3 井田陷落柱展布規律

井田在2號煤層生產過程中，共揭露陷落柱234個，平均密度為69個/km2，給生產帶來不利影響。但在開采過程中發現，在井田南部F2斷層尖滅端附近，陷落柱發育尤為密集。井田東部及東北部地區，根據現有開采的6個工作面揭露情況及地面三維地震探測情況顯示，陷落柱發育明顯減少[4]。究其原因主要是受地下水運移環境的影響。井田構造發育及奧陶系O2f灰巖水徑流方向，見圖2。

4 井田地下水化學特征分析

根據2012年李雅莊煤礦水文地質勘查成果，對礦區主要含水層地下水水化學特征進行分析，并利用環境同位素方法進行水體來源研究。結果表明李雅莊礦區各含水層地下水水質存在一定差異；石炭系太原組巖溶裂隙水水質類型單一，與二疊系裂隙水相比，陰離子SO42-含量明顯偏低，陽離子Na+含量則明顯偏高；奧陶系峰峰組巖溶水水質相對復雜，并呈現出明顯的水平分帶性；奧陶系上馬家溝組巖溶水與峰峰組巖溶水相比，水質類型及陰、陽離子含量均有明顯差異。環境同位素研究結果表明，水樣δD、δ18O值偏離當地雨水線較遠，說明太原組巖溶裂隙水及奧陶系巖溶水接受大氣降水補給條件相對較差；水樣氚濃度分析結果說明太原組巖溶裂隙水及奧陶系巖溶水未接受近年大氣降水的補給，屬于古水和新近入滲水以及二者混合水[5-6]。

太原組灰巖及奧陶紀峰峰組灰巖水陽離子Na+含量占較大比例，主要是由于各含水層在長期滯留過程中水中的Ca2+同碎屑類巖石發生離子交換使Na+離子含量富集。中奧陶統上馬家溝組巖溶裂隙水與奧灰（O2f）含水層水化學類型及陰、陽離子含量均有明顯差異，主要表現在水化學類型的明顯變化，即中奧陶統峰峰組含水層以HCO3·SO4-Na型為主，而O2s含水層則為SO4·HCO3-Ca·Na。陰離子SO42-和Cl-離子含量明顯增加，而HCO3-離子含量則明顯降低；陽離子Na+含量明顯降低，Ca2+離子含量有所增高，礦化度有所降低。這主要是由于隨著埋藏的加深區域及井田地質構造對地下水運移影響減小所致。

5 結論

根據李雅莊礦區域地質構造控制條件及礦區主要含水層的地下水化學特征進行分析得出如下結論：1）區域大型構造對礦區的地下水運移規律起決定性作用，李雅莊礦由于受什林撓褶斷裂帶和霍山斷裂帶的影響形成地下水滯流區，區域徑流條件較差。但通過對主控斷層的控水作用進行研究，分析其對井田主要含水層水的徑流條件的影響，為以后研究類似地質條件下的地下水運移規律提供了理論依據。2）在地下水滯流區，水化學特征往往復雜多變，與區域水化學特征區別明顯。通過對李雅莊礦礦區地下巖溶水化學特征進行分析，可以看出巖溶塌陷對地下水的水化學特征起一定導向作用。

[1]徐樹媛.李雅莊礦區地下水水化學及環境同位素特征研究[J].南水北調與水力科技，2013，11（2）:67-70.

[2]邱蘇，徐永清，岳洪波，等.三維地震勘探技術在李雅莊煤礦應用效果分析[J].能源技術與管理，2006（6）:15-17.

[3]張人權，周宏，陳植華，等.山西郭莊泉巖溶水系統分析[J].地球科學—中國地質大學學報，1991，16（1）:1-17.

[4]李曦濱，常輝.山西省霍州礦區水文地質條件及礦井充實條件分析[J].中國煤田地質，2007，（52）:34-37.

[5]李建林，張洪云，馮有利，等.煤礦斷層構造復雜程度的非線性分析[J].中國地質災害與防治學報，2011，22(4)：69-73.

[6]劉國林，潘懋.煤礦斷層充水特征研究[J].煤礦安全，2009，35(7)：92-94.

Movement Law and Quality of Underground Water in Liyazhuang Mine

ZHAO Yongqiang1,LIU Yanjun2,WANG Chunhai1
(1.Liyazhuang Mine,Huozhou Coal Electricity Group Co.,Ltd.,Huozhou 031400,China; 2.Technology Institute of Huozhou Coal Electricity Group Co.,Ltd.,Huozhou 031400,China）

In Liyazhuang mine,underground water stagnant area formed under the control of Shenlin flexural fault zone in the south and Huoshan fault zone in the east.Geological structure and collapse columns are well-developed in the mine;water quality of each main aquifer is different from the overall quality of Huozhou mine area.The content of Na+in the water(being a prominent component)of Taiyuan group limestone and Ordovician O2f is obviously higher than that of Huozhou mine.In terms of hydrochemical type of Ordovician O2s,the content of Ca2+increases,but the content of Na+is still high. The comprehensive analysis of the water quality of the main aquifers concluded the movement law and quality of the underground water by the geological structure and collapse columns'development in Liyazhuang Mine.

water control in fault;karst collapse;chemical characteristics of water

P641

A

1672-5050（2015）02-0013-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.005

（編輯：樊敏）

2015-01-25

趙永強（1971-），男，山西霍州人，大學本科，工程師，從事煤礦地質管理工作。