柿莊北區塊地下水水力聯系分析

翟虎威

（山西省煤炭地質114勘查院，山西長治046000）

柿莊北區塊地下水水力聯系分析

翟虎威*

（山西省煤炭地質114勘查院，山西長治046000）

針對近年來在沁水煤田柿莊北區塊進行煤層氣和煤炭開發過程中出現的水文地質問題和現象，闡述了構造和人為因素對含水層的影響，進行了地表和地下含水層之間的水力聯系分析，總結出規律性的論點，并提出相應的防治和應對措施。

沁水煤田；柿莊北；地下水；導水；變化；水力聯系

柿莊北區塊位于山西省晉城市沁水縣柿莊鎮，屬于沁水煤田，是國家規劃礦區劃撥給山西晉城無煙煤礦業集團的煤炭儲備資源，格瑞克煤層氣技術服務有限公司和中聯煤層氣有限責任公司獨自開發煤層氣資源。山西省財政廳以地勘基金的方式出資，山西省國土資源廳管理，確定了柿莊北煤炭詳查為2012年度省級礦業權價款地質勘查項目，該項目是在2006年度普查的基礎上續建的，山西省煤炭地質114勘查院承擔項目實施，目前已經完成了該區煤炭資源詳查野外施工和基礎資料的驗收。近年來，隨著煤層氣和煤炭資源開發力度的加大，地表水和地下水賦存狀況均有明顯的改變，特別是對居民的正常生產生活有很大影響，對未來的煤炭開采也將有持續影響。

1　含水層補給、徑流和排泄

1.1無構造影響

本區對未來煤層開采有直接或間接影響的含水層有：第四系松散巖類孔隙含水層、基巖風化帶裂隙含水層、三疊系及二疊系砂巖裂隙含水層組、石炭系上統太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層組、奧陶系中統巖溶裂隙含水層組。在正常情況下，這些含水層或含水層組之間有相對穩定的隔水層或隔水層組，形成了平行復合結構，含水層之間的垂向水力聯系受阻，使得各含水層之間不發生水力聯系或水力聯系微弱。

（1）松散巖類孔隙含水層主要接受大氣降水、地表河流入滲及泉水的補給，沿河谷或溝谷向固縣河3條支流排泄，形成地表徑流，流出區外或垂向補給下部含水層。

（2）基巖風化帶、劉家溝組和石千峰組砂巖裂隙含水層組，主要接受大氣降水的補給，以層間徑流為主，垂向上水力聯系微弱。劉家溝組垂向節理發育，溝通含水層之間的水力聯系可能性較大。在地形切割較深處見有泉水出露，最大流量為0.30L/s。溝谷地帶，可與松散巖類孔隙水及地表水有相互補排關系。

（3）太原組、山西組及下石盒子組含水層組在區內無出露；上石盒子組含水層組只在東南部零星出露上段。含水層埋藏較深，各含水層間均有一定厚度的隔水層，屬于平行復合結構類型。含、隔水層均處于分散隔離狀態，各個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。若無構造溝通或人為破壞，則各含水層間的水力聯系微弱，主要接受上覆含水層微弱的垂向補給，然后沿傾向徑流，由于補給條件差，地下水徑流微弱。上石盒子組上段由于在地表出露，還接受大氣降水的補給。

（4）奧陶系中統巖溶裂隙含水層，位于泉域東北部邊界處，區內未出露，全部被厚層基巖所覆蓋，故補給條件差，地下水徑流緩慢。在區域上屬補給—徑流區。

1.2構造影響

在自然條件下，各含水層可能會通過斷層和陷落柱發生水力聯系，一般與構造的力學性質和構造面的充填膠結狀況有關。構造按導水性可分為導水、局部導水和不導水，構造的導水性通過井巷工程和鉆探工程均可揭露。

2013年區內施工2-1號水文孔時，揭示了F3正斷層在奧陶系石灰巖段導水。首先在地面確定了F3斷層的走向和傾向，推測可能在2-1號鉆孔中揭露，但2-1號鉆孔鉆進至奧陶系峰峰組56m時，沖洗液消耗量由0.30m3/h增加至12.20m3/h，鉆進至峰峰組70.83m時，沖洗液消耗量為18.60m3/h，立即終止鉆進，進行抽水試驗，始終未見斷層。試驗成果為單位涌水量0.0163L/（s·m），滲透系數0.151m/d，恢復水位標高+626.03m，和區域上馬家溝組含水層特征完全吻合。由此推斷F3正斷層位于該孔孔底下方，上馬家溝組含水層水通過該斷層與峰峰組巖溶裂隙貫通，進而涌入鉆孔內（圖1）。

2　地表水變化特征

本區位于太行山南段西側，為中低山地貌，屬黃河流域沁河水系，地表無大的水體，南北向的3條較大溝谷發育有3條固縣河支流，通過普查和詳查2個勘查階段的對比，時隔7年，地表水的變化尤其明顯，主要現象有：

（1）區內水系內的干流和支流較7年前同季節流量減小；泉眼向溝谷溝口方向推移；部分支流干枯；在勘查程度高的東部地段，固縣河支流在豐水期幾乎斷流；好多村莊陷入吃水難的困境（圖2）。

現象解析：自2008年開始，區內開始進行煤層氣開發，至2014年年底，鉆井工程基本結束，初步估算有約500口井，成井均用套管進行了全孔封閉，對地下水含水層無影響；按成井率95%計算，會產生5%的廢井，即25口廢井，這些廢井大多由于施工工藝和資金問題，未進行全孔封閉或封閉不良，導致了上下含水層的溝通。另外普查和詳查階段一共施工了16個煤田鉆孔，按照當時批復的鉆孔封閉實施方案，均封至3號煤層上部100m，孔口封5m，中間數百米至上千米的地層含水層溝通。總共區內約有41口井（平均每2km21口井），使劉家溝組（T1l）、石千峰組（P2sh）和上石盒子組（P2s）含水層發生了水力聯系，導致上部含水層補給給下部含水層，上部含水層富水性減弱。

圖1　斷層導水示意圖

圖2　河流水系變化對比圖

（2）在與本區東部相鄰的趙莊井田內，個別村莊房屋出現濕陷性危害。

現象解析：趙莊井田相對勘查程度較高，施工鉆孔密度大，相對出露地層較老，下部含水層通過鉆孔接受上部含水層的充分補給，富水性增強，使老地層出現泉水復流或流量增大的情況，基礎為老地層的房屋建筑就會遭受濕陷的威脅。

3　地下水的變化特征

半封閉的鉆孔作為導水通道，使上部含水層補給下部含水層，導致上部含水層富水性減弱，下部含水層富水性增強。上部含水層通過地表水變化特征得到了充分的驗證，下部含水層仍需通過地下水徑流方式收集更多的實例進行驗證。但通過地下水補給關系分析，下部含水層富水性勢必會增強，由于大部分煤田鉆孔封至上石盒子組底部（3號煤層上部100m左右），上石盒子組下段（P2s1）出露的地段會有泉復流或泉流量增大，特別是沿著地下水徑流方向在下游找泉眼或做鉆孔抽水試驗，會驗證本次分析的可靠性。

4　地下水變化的危害

上下含水層貫通，除對地表水有大的影響之外，對未來3號煤層開采也有著潛在威脅。

據區內勘查成果，在91mm孔徑內，3號煤層頂板正常涌水量為1.05m3/h，另外下石盒子組（P1x）和上石盒子組（P2s）正常涌水量為3.90m3/h，石千峰組（P2sh）和劉家溝組（T1l）正常涌水量為3.75m3/h，在未來開采3號煤層導水裂隙帶和鉆孔同時溝通的情況下，尤其是煤層深埋區，3號煤層頂板涌水量將達到8.70m3/h，是正常涌水量的8倍多，回采工作面展開時涌水量將還會增大。

本區3號煤層厚度為2.22～6.65m，平均5.66m。其導水裂隙帶最大高度按《煤礦床文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》（MT/T 1091-2008）附錄D的公式計算：

式中：Hf——導水裂隙帶（包括冒落帶）最大高度，m；

M——煤層厚度，m；

n——煤分層開采系數（取1）。

一次性采全高時產生的導水裂隙帶（包括冒落帶）最大高度為60.53～158.98m，平均為136.98m，可以溝通上石盒子組底部含水層，進而溝通上部地層的全部含水層。

5　防治措施

總之，人為干預地下水流場，不僅影響人的正常生活，而且影響未來井下的安全生產，采取防治并舉的有效措施尤為重要。

（1）預防措施：建議相關部門出臺法規條例，實行責任追究，要求對一切勘查鉆孔實行全孔封閉；在下一步勘查過程中，相關部門應加大對鉆孔封閉設計的審核和封閉過程的的監督力度，對施工鉆孔進行安全全孔封閉。

（2）治理措施：建議相關部門立項或采礦權人出資對老鉆孔進行啟封透孔，重新進行全孔封閉，以保障日后對3號煤層的安全開采。

6　結語

本文通過理論聯系實際，對勘查過程中遇到的一些水文方面的現象和問題，進行了細致闡述，科學剖析，總結經驗和規律，與讀者共享。

［1］山西省沁水煤田沁水縣柿莊勘查區煤炭普查地質報告［R］.山西省煤炭地質114勘查院，2010.

［2］山西省沁水煤田沁水縣柿莊北勘查區煤炭詳查地質報告［R］.山西省煤炭地質114勘查院，2014.

P641

A

1004-5716（2016）01-0146-03

2015-01-09

2015-01-09

翟虎威（1983-），男（漢族），山西原平人，工程師，現從事地質勘查工作。