晉圣億欣煤礦水文地質特征及含水層富水性研究

王 池

（晉煤集團晉圣億欣煤業有限公司，山西 沁水 048299）

1 引言

礦區水文地質特征勘探分析是礦井前期規劃設計中最基礎的工作，它關系到后續采區劃分及回采方法的選擇，同時也影響到采區防治水措施的實施和排水線路的安排調整[1]。富水性是評價含水性巖層在后續回采中涌水量大小的關鍵指標，它不僅反映了含水層溢水量的強度，也表征其外界補水能力。因此，加強對礦區水文地質特征的勘探和含水層富水性的分析評價，對礦區回采工作的有序開展具有重要的意義[2]。

含水層富水性評價方法主要有：現場試驗法、地質物探法及多因子分析評價法[3]，后者在對礦區水文地質評價的應用中尤為普遍。本文基于對奧陶系含水層富水性有關的各地質因素進行綜合分析評價，以此來預測巖層富水性分區特征。

2 礦區基本概況及水文特征

2.1 基本概況

晉圣億欣煤業有限公司隸屬于山西晉煤集團，是目前集團年產百萬噸級主力生產礦井之一。煤礦位于沁水縣城255°方向直距約10km的沁水縣龍港鎮杏峪、堯都及中村鎮宋莊一帶，開采井田范圍東臨沁水縣龍港鎮，西南部鄰中村鎮，西北部位于翼城縣橋上鎮。井田內主采2#、15#煤層，回采標高1530～640m，井田面積約31.52km2，其主采煤層特征及頂底板巖性如表1所示。

2.2 水文地質特征

2.2.1 含水層主要特征

根據地質勘探結果分析，按含水介質不同及巖性差異可將礦區回采深度內含水性巖層分為：松散巖性孔隙水含水層、碎屑巖性裂隙水含水層、碎屑巖夾碳酸鹽巖性裂隙水含水層和奧陶系碳酸鹽巖類裂隙水含水層。各含水層水文地質特征如下：

（1）松散巖性孔隙水含水層：主要巖性為礫石、細砂和粉砂，地下水類型為孔隙潛水，埋深3.6～5.2m，主要接受大氣降水垂直補給及基巖裂隙水的側向補給，向地形較低處徑流與排泄。

（2）碎屑巖性裂隙水含水層：厚層狀砂巖、砂質泥巖及紫紅、灰綠中厚層狀泥巖等巖性，類型主要為潛水，局部則為承壓水，埋深5.8～7.1m，主要受大氣降水和第四系孔隙含水層補給，排泄方式為側向補給溝谷第四系地下水、人工開采及垂直向下補給碎屑巖裂隙含水層。

（3）碎屑巖夾碳酸鹽巖性裂隙水含水層：巖性為多層灰巖及厚層狀砂巖，承壓水，埋深9.5～24.5m，主要以傾向沿相互平行的層間徑流為主，在斷層附近可發生垂向補給。

（4）奧陶系碳酸鹽類巖裂隙水含水層：巖性為厚層狀灰巖、角礫狀灰巖或泥灰巖，地下水類型為承壓水，埋深350～500m，徑流方向由西北向東南，處于滯緩流狀態，排泄方式為大量的人工井采和泉水溢流。

表1 可采煤層特征表

2.2.2 隔水層主要特征

經前期勘探結果表明，礦區回采范圍內共兩個隔水層，分別為：

（1）石炭系與二疊系砂巖含水層層間隔水層

隔水層主要巖性為泥巖、粉砂質泥巖，單層厚度不等，平均厚度約6.9～22.78m，K7、K8層間隔水層平均厚度達34.28m。呈層狀分布于風化帶以下的砂巖及灰巖含水層之間，阻隔著含水層之間的水力聯系。

（2）石炭系上統太原組下部及中統本溪組隔水層

位于15#煤層之下，至奧陶系灰巖頂界之間，巖性以泥巖、粉砂質泥巖及鋁土質泥巖為主。該層段巖層致密，裂隙相對不發育，為本區的主要隔水層，地層厚度12.80～25.50m，平均厚度21.5 m，在煤系地層與奧灰地層之間起到良好的隔水作用。

3 奧陶系含水層富水性評價

3.1 富水性評價指標

礦區目前主要回采15#煤層，下伏含水層為奧陶系碳酸鹽類巖溶裂隙水含水層。為分析15#煤層回采時含水層的涌水情況，對該巖層進行富水性評價。含水層富水性影響因素很多，并且各因素影響方式不同，指標評價很難統一。對含水層富水性的有效定性，關鍵是確定含水層富水性的主要影響因素。根據億欣煤礦鄰近相似礦區及已有地質勘探資料，確定影響奧陶灰巖含水層富水性的五個關鍵因素：含水層厚度、單位涌水量、巖層滲透系數、區域斷層發育密度和鉆孔沖洗液消耗量[4]。

（1）含水層厚度

含水層富水性強弱與厚度直接相關。通常情況下，含水層厚度越大，內生節理裂隙越發育，透水性和孔隙度也越大，富水性越強，而含水層厚度越小，富水性相對越弱。因此，含水層厚度是富水性評價的主要指標。

（2）單位涌水量

單位涌水量是分析富水性強弱的直接評價指標。含水層單孔抽水試驗中的單位涌水量是衡量含水層出水能力的直觀評價指標。

（3）巖層滲透系數

巖層滲透系數是評價巖石滲透特性的主要指標，也是分析含水層富水性的主要指標，滲透性越好，巖層透水性越強，相應裂隙發育和富水性也就越強。

（4）區域構造發育密度

區域構造越發育，往往意味著此處受構造應力影響越集中，附近巖層受破壞程度也越大，因此裂隙較發育、富水性較強。根據已有地質資料結果表明，含水層處斷層密度越集中，越易引發后期的突水事故，因此可將區域斷層發育密度作為評價指標。

（5）鉆孔沖洗液消耗量

該指標并非直接反映含水層富水性的強弱，而是根據地質勘探時，鉆孔沖洗液的遺漏情況，分析勘探區巖層的孔裂隙發育情況，進而推測該區域含水層的富水性特征。

3.2 富水性評價方法

3.2.1 層次分析法簡介

層次分析法主要通過對多因素指標進行定量性權重劃分，然后基于評價公式實現對系統目標的模糊性定量評價[5]。其分析過程為：層次模型創建、構造判斷矩陣、權重確定及一致性檢驗。

3.2.2 層次模型創建

根據奧陶系灰巖含水層富水性評價關鍵影響指標，可以根據系統目標和屬性將模型分成3層：基于層次分析法的最終目的是對礦區內含水層富水性進行量化評價，所以隸屬目標層（A）；將五個末端因素進行分類劃分，可以得出巖層特性、滲流場和含水層特征這三個模型準則層（B）；五個末端評價因素構成模型的決策層（C）。如圖1所示。

圖1 含水層富水性評價分層模型

3.2.3 判斷矩陣和權重分析

本文中層次分析法采用專家打分的方式來構造判斷矩陣。從專家庫中選三名專家，依據礦區水文地質特征和其他勘探資料，對上述五個關鍵因素關于奧陶灰巖含水層富水性影響程度進行兩兩對比評分，最終構建出相應的判斷矩陣。通過對矩陣相容性進行計算，確定結果可接受，即取各組矩陣的平均值作為權重結果，得到權重分配初值，然后通過公式（1）的歸一化處理，得到權重歸一結果如表2所示。

表2 奧陶灰巖含水層富水性評價指標權重分配

3.2.4 評價結果

通過表2的權重分配結果，可以得到含水層富水性指數Si的評價計算公式：

式中：

Si-富水性指數；

wi-歸一化后的各因素權重值；

fi(x,y)-處于（x,y）坐標下的影響函數。

通過應用GIS對各因素疊加效果進行數據分析計算，得到區域內富水性指數，進而得出晉圣億欣煤礦井田內奧陶灰巖含水層富水性強弱分布情況。根據富水性指數結果，可以按 1～0.7，0.7～0.5，0.5～0.3，0.3～0.2，0.2～0.09 為分界區，將井田內奧陶系含水層富水性分為強富水區、較強富水區、中等富水區、較弱富水區、弱富水區，如圖2所示。從中可以看出，強富水區主要分布于礦區北部，較強富水區分布于中北部及西北部區域，中等富水區分布于中南部，弱及較弱富水區廣泛分布于礦區中部大部范圍。

圖2 奧陶系含水層富水性分區

4 結 論

依據晉圣億欣煤礦內水文地質特征，并對奧陶系碳酸鹽類巖溶裂隙水含水層采用層次分析法進行富水性評價，確定了影響奧陶系灰巖含水層富水性的五個關鍵因素：含水層厚度、單位涌水量、巖層滲透系數、斷層發育密度和鉆孔沖洗液消耗量，然后借助對比矩陣得到各因素的歸一權重值，最后通過GIS的數據處理，得出了億欣煤礦15#煤層下伏奧陶含水層強富水區多集中在礦區北部、西北部區域內。在礦井生產回采中采取針對性防治水措施，為礦井安全生產提供保障。