郝家圪塔井田水文地質條件研究

薛奮宏

（山西省第三地質工程勘察院，山西晉中030620）

郝家圪塔井田水文地質條件研究

薛奮宏*

（山西省第三地質工程勘察院，山西晉中030620）

通過對郝家圪塔井田區域水文地質條件的研究，結合本次施工的鉆孔資料，分析井田地表水和氣象條件、主要含水層隔水層及地下徑流的補、徑、排條件，研究地下水對煤層開采的影響，確定井田水文地質類型，為今后煤礦開采提供一定指導作用。

水文地質；含水層；充水因素；突水系數

1 井田概況

郝家圪塔井田位于山西省中陽縣暖泉鎮乾村—喬家塔村—武家莊鎮南曲—南嶺上村一帶，行政區劃隸屬山西省中陽縣暖泉鎮—武家莊鎮，在中陽縣城南西220°方向，直距約26km處，位于山西省河東煤田中部遠景調查區內，井田面積為20.3623km2。2012年3月至2013年3月，井田內施工鉆孔23個，進尺24091.96m。結合以往施工的7個鉆孔，為本次研究井田內水文地質條件提供了基礎資料。

2 區域水文地質概況

本區域位于鄂爾多斯斷塊、興縣—石樓南北向褶帶的東側，與離石—中陽菱形復向斜相鄰，地層總體傾向南西，呈一單斜構造，由東向西出露地層依次有古生界奧陶系碳酸鹽巖、石炭系、二疊系、三疊系碎屑巖和新生界松散巖層。區域地貌可劃分為：剝蝕構造中、低山區、剝蝕堆積黃土丘陵區和侵蝕堆積的河流谷地3種地貌形態。區域深部奧陶系巖溶地下水屬柳林泉域水文地質單元。

區域地表水屬黃河流域的屈產河水系，季節性溝谷地表水由井田向南西流入暖泉河后，向西匯入屈產河，于柳林下堡村附近注入黃河。

3 井田內水文地質條件

井田內溝壑縱橫，切割強烈，具典型的黃土地貌特征。在梁峁地帶多被第四系中上更新統黃土所覆蓋，溝谷中廣泛出露上第三系上新統紅土。基巖在喬家塔和井田北部黑土圪塔溝等溝谷中有出露，由東向西依次出露有二疊系上統石千峰組和三疊系下統劉家溝組、和尚溝組及中統二馬營組等地層。

井田內中部高南北低，最高點位于井田中東部上梁山頂上，海拔標高1477.0m，最低點位于井田西南角喬家塔溝底，海拔標高1105.4m，相對高差371.6m。

3.1 地表水與氣象條件

井田內無常年性河流，從北向南依次有黑土圪塔溝、飲牛塔溝、喬家塔溝和暖泉河等溝谷，除喬家塔河常年有小水流外，全是季節性溝谷，溝中水量很小，喬家塔溝清水流量為13.7L/s（實測成果），其它溝谷平時水量均較小，只在雨季才有較大的洪水通過。

據中陽縣氣象站資料，井田屬大陸性半干旱季風氣候，多年平均降雨量為522.9mm，降雨較少，且多集中在7～9月份，多年平均年蒸發量為2146.4mm，蒸發強烈，氣候干燥。3～4月份多風，多為西北風。

3.2 主要含水層

本次施工水文孔3個，分別為ZK13、ZK14、ZK21。其中ZK13對山西組、太原組進行了抽水試驗；ZK14對奧陶系進行抽水試驗；ZK21對山西組、太原組、奧陶系進行抽水試驗，為綜合評價本井田內水文地質條件提供了較可靠依據。

（1）奧陶系巖溶裂隙含水層。奧陶系灰巖在井田內屬深埋型，據鉆孔資料，井田內西南部埋藏最深，東北部埋藏最淺，根據ZK21鉆孔資料，井田F1斷層東部奧灰水水位埋深376.55m，水位標高為956.75m。據抽水試驗資料，鉆孔單位涌水量達0.0977L/（s·m），滲透系數0.335m/d,水質類型SO4-Na型，硬度376.5度，礦化度5.251g/L，屬弱富水含水層。根據ZK14、ZK1-3鉆孔資料，井田F1斷層西部奧灰水水位埋深361.66～411.75m，水位標高為952.20～952.91m。據ZK14鉆孔抽水試驗資料，鉆孔單位涌水量達0.0309L/（s·m），滲透系數0.0724m/d,水質類型SO4-Na型，礦化度5.280g/L，屬弱富水含水層。

（2）石炭系上統太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層。井田內沒有出露，根據本次施工的ZK21號鉆孔資料，含水層厚度35.66m，井田F1斷層東部奧灰水水位埋深142.15m，水位標高為1191.15m。據抽水試驗資料，鉆孔單位涌水量達0.0132L/（s·m），滲透系數0.0132m/d,水質類型HCO3·SO4-Na型，礦化度0.574g/L，屬弱富水含水層。根據ZK13鉆孔資料，井田F1斷層西部奧灰水水位埋深195.86m，水位標高為1171.04m。據抽水試驗資料，鉆孔單位涌水量達0.0017L/（s·m），滲透系數0.0077m/d,水質類型SO4·Cl-Na型，礦化度2.368g/L，屬弱富水含水層。

（3）二疊系山西組砂巖以及山西組以上碎屑巖裂隙含水層。該組含水層以中粗砂巖為主。根據本次施工的ZK21號鉆孔資料，含水層厚度18.58m，井田F1斷層東部奧灰水水位埋深104.36m，水位標高為1228.94m。據抽水試驗資料，鉆孔單位涌水量0.0026L/（s·m），滲透系數0.0142m/d,水質類型HCO3·SO4·Cl-Na型，礦化度0.538g/L，屬弱富水含水層。根據ZK13鉆孔資料，井田F1斷層西部奧灰水水位埋深166.42m，水位標高為1200.48m。據抽水試驗資料，鉆孔單位涌水量達0.0008L/（s·m），滲透系數0.0089m/d,水質類型HCO3·SO4-Na型，礦化度0.660g/L，屬弱富水含水層。

（4）新生界松散巖類孔隙含水層。該含水層包括上第三系上新統和第四系中、上更新統以及全新統地層。

上第三系上新統地層廣泛出露于井田內內溝谷兩側，含水層為底部的半膠結狀礫石層，由于其不整合于基巖面之上，與基巖風化裂隙構成較好的含水層，但由于其連續性較差，補給條件也相對較差，且厚度不穩定，故富水性差異較大，一般單井出水量10m3/d，屬弱富水含水層，水質類型為HCO3-Na型。

第四系中、上更新統地層多分布在梁峁之上，但由于溝谷坡度大，降水多形成地表徑流，對地下水補給有限，因此該含水層多為透水而不含水巖層，局部含上層滯水，水量微弱。

第四系全新統地層分布在暖泉河谷之中，含水層主要為砂礫石層，但由于含水層厚度小，單井出水量也不大，可供生活和灌溉用水，屬弱富水含水層，水質類型為HCO3·SO4-Na·Mg型，礦化度0.84g/L，水質較好。

3.3 主要隔水層

（1）石炭系中統本溪組泥巖隔水層。據本次施工的ZK18、ZK20、ZK21和ZK22鉆孔資料，本溪組地層平均厚度26.59m。巖性以泥巖、粘土巖、鐵鋁巖為主，夾薄層石灰巖，隔水性能較好，加之15號煤下無煤段平均厚度達36.9m，合計63.49m，是可采15號煤與奧陶系巖溶水之間重要的隔水層。

（2）二疊系中統上、下石盒子組泥巖隔水層。本組隔水層厚度較大，由數層泥巖和砂質泥巖組成，垂直分布呈平行復合式結構，裂隙不發育，為山西組頂部的隔水層，對松散巖類孔隙水與風化裂隙水的下滲起著良好的隔水作用。

3.4 井田內地下水的補、徑、排條件

松散巖類孔隙含水層主要接受大氣降水的補給，在雨后一定時間內，各民井水位有上升現象，其徑流方向與地表水基本一致，向溝谷下游徑流。地面蒸發和人工開采是主要的排泄方式。

深部山西組砂巖裂隙含水層和太原組灰巖裂隙含水層主要是在其裸露區接受大氣降水的補給。各含水層屬于平行復合式結構，含、隔水層間均處于分散隔離狀態，各含水層間的水力聯系被其間隔水層所阻隔，它們之間存在著一定的水位差，若無構造溝通隔水層不遭破壞時，則各含水層間無互補關系。地下水主要以徑流為主，徑流方向一般沿巖層傾斜方向運動，排泄方式主要是礦坑排水。

奧陶系巖溶水的補給主要是裸露區接受大氣降水和地表水的入滲補給，井田內為巖溶水徑流區，徑流方向由南東流向北西，最終排向柳林群泉，近年來人工開采也是其主要排泄方式之一。

3.5 構造對開采煤層的影響

井田內地層總體向西傾斜，呈單斜構造，地層傾角5°～20°。東部有F1斷層1條，該斷層傾向北西，傾角60°～70°，斷距75～80m，區內延伸長4.08km，該斷層貫穿井田南北，將井田自然分為2個水文地質單元。

由于井田奧灰水水頭多高于主采煤層底板，主采煤層均屬帶壓開采煤層，斷層有可能形成導水通道，使巖溶水涌入礦井，造成水害，因此開采煤層時一定要沿斷層留足保安煤墻，同時必須重視對隱伏斷層以及其它構造形跡的發現與研究。以防斷層導水造成淹礦事故。

3.6 地表水對開采煤礦的影響

區內沒有大的地表水體，僅有數條季節性河流，其中以暖泉河和喬家塔溝最大，喬家塔溝常年有水，本次工作實測的清水流量為13.70L/s。暖泉河從井田東南角穿過，該河寬70～280m，本次調查的（1954年）50年一遇的最高洪水位標高1261～1313m，高出河床3m左右。該河平時干枯無水，只在雨季才有洪水通過。一般來說地表水通過基巖含水層滲透補給的水量是較弱的，但是，隨著煤礦的開采，頂部巖層將遭到破壞，會使基巖裂隙加大、增多，特別是在東部煤層淺埋地段甚至形成地面塌陷，溝通斷層以及其它構造形跡，使地表水涌入坑道，形成水害。因此在開采過程中一定要采取防范措施，坑口、堆煤場也要建在最高洪水位之上，以防洪水襲擊，造成危害。

4 井田內主要煤層的充水因素分析

井田內6、9、13-1、13-2、14、15號煤為可采煤層。奧灰水水位標高為950～959m，各可采煤層底板標高大部均低于奧灰水水位，用突水系數評價奧灰水對各可采煤層的影響。

（1）突水系數計算公式的選擇。采用《煤礦防治水規定》附錄四突水系數計算公式：

式中∶TS——突水系數，MPa/m；

P——底板隔水層承受的水壓，MPa；

M——底板隔水層厚度，m。

（2）根據區內鉆孔資料，按6、9、13-1、13-2、14、15號煤層底板深度與奧灰頂面標高值，確定各鉆孔隔水巖柱的厚度M，依據奧灰水位標高與奧灰頂面標高之差計算各煤層底板水壓力值，最后代入公式（1）計算突水系數，計算結果見表1。

表1 煤層突水系數估算成果表

根據《煤礦防治水規定》附錄四中“底板受構造破壞塊段系數一般不大于0.06，正常塊段不大于0.10”的規定,結合中陽縣郝家圪塔井田實際情況,帶壓開采分區劃分如下∶

TS＜0.06 可能突水區

0.06≤TS＜0.10突水危險區

TS≥0.10 突水最危險區

從表1計算結果可知,井田內6號煤層突水系數在0～0.11MPa/m之間，F1斷層以東為可能突水區；F1斷層以西為突水危險區，井田西部部分區域為突水最危險區。

9號煤層突水系數在0～0.15MPa/m，F1斷層以東為可能突水區，靠近斷層西南部為突水危險區；F1斷層以西大部分地區為突水最危險區，僅靠近F1斷層處為突水危險區。

13-1號煤層突水系數在0～0.19MPa/m，F1斷層以東大部分地區為可能突水區，靠近斷層西南部為突水危險區；F1斷層以西大部分地區為突水最危險區，靠近F1斷層處為突水危險區。

13-2號煤層突水系數在0～0.21MPa/m，F1斷層以東大部分地區為可能突水區，靠近斷層西部為突水危險區；F1斷層以西絕大部分地區為突水最危險區，僅靠近F1斷層處為突水危險區。

14號煤層突水系數在0～0.27MPa/m，F1斷層以東大部分地區為可能突水區，靠近斷層西部為突水危險區；F1斷層以西絕大部分地區為突水最危險區，僅靠近F1斷層東北角處為突水危險區。

15號煤層突水系數在0～0.29MPa/m，F1斷層以東大部分地區為可能突水區，靠近斷層西部為突水危險區；F1斷層以西為突水最危險區。

5 結論

F1斷層以東6號煤層直接充水含水層為山西組砂巖裂隙含水層，水文地質勘查類型屬第二類第一型，水文地質類型為簡單。F1斷層以東9號煤層直接充水含水層為太原組碎屑巖巖溶裂隙含水層，為弱富水性含水層，水文地質勘查類型屬第二類第一型，水文地質類型為簡單。F1斷層以東13-1、13-2、14、15號煤層，直接充水含水層為太原組碎屑巖巖溶裂隙含水層，由于煤層間距較小，開采過程中會導通上部采空區積水，水文地質勘查類型屬第二類第二型，水文地質類型為中等。

F1斷層以西6、9、13-1、13-2、14、15煤層大部分地區屬奧灰突水危險區，且斷層附近與奧灰含水層接觸導通，側向來水較大，水情較復雜。水文地質勘查類型屬第三類第二亞類第三型，水文地質類型為復雜。

[1]房佩賢，等.專門水文地質學[M].北京:地質出版社,1996.

[2]王大純,張人權，等.水文地質學基礎[M].北京:地質出版社, 1995.

P64

A

1004-5716(2015)11-0127-04

2014-11-18

薛奮宏（1988-），男（漢族），山西臨縣人，助理工程師，現從事地質勘察技術工作。