轉(zhuǎn)角勘查區(qū)水文地質(zhì)特征分析

任鵬飛

（陜西省一九四煤田地質(zhì)有限公司，陜西 銅川 727000）

0 引言

轉(zhuǎn)角勘查區(qū)屬于陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田焦坪礦區(qū)西北部，行政區(qū)劃歸陜西省旬邑縣馬欄鄉(xiāng)管轄。焦坪礦區(qū)位于陜北黃土高原南部，屬半掩蓋之中低山區(qū)，森林密布，屬陜西省重要的林區(qū)之一，自然景色優(yōu)美，區(qū)內(nèi)地表水系呈樹枝狀分布，以雪梁、雙廟梁為分水嶺；東北、玉華川、南川及建莊川均屬洛河水系支流，流量較小，向東北匯入洛河；西南之馬欄河、漆水河等均屬渭河水系支流，僅馬欄河為常年流水，流量較大，向西南經(jīng)涇河匯入渭河水系，其余各河流流量隨季節(jié)變化較大。

轉(zhuǎn)角勘查區(qū)水文地質(zhì)條件與礦區(qū)條件基本一致，根據(jù)地下水的埋藏條件、含水層的巖性、分布范圍、富（透）水性，可將區(qū)內(nèi)地下水分為：第四系全新統(tǒng)沖-洪積孔隙含水層（Q4）、第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土孔隙裂隙含水層（Q3m）、白堊系下統(tǒng)華池組砂巖含水層（K1h）、白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖裂隙孔隙含水層（K1l）、白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖相對隔水層（K1y）、侏羅系中統(tǒng)直羅組上段相對隔水層（J2z1）、侏羅系中統(tǒng)直羅組下段砂巖裂隙含水層（J2z2）、侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖裂隙含水層（J2y）、侏羅系下統(tǒng)富縣組隔水層（J1f）、三疊系上統(tǒng)胡家村組隔水層（T3h）10個含（隔）水層（組）對轉(zhuǎn)角勘查區(qū)水文地質(zhì)特征作分析研究［1-4］。

1 勘查區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)

1.1 地表水系

轉(zhuǎn)角勘查區(qū)位于陜西省焦坪礦區(qū)西北部西鄰甘肅省，地貌屬子午嶺東坡中-低山森林區(qū)。區(qū)內(nèi)山巒起伏，溝谷縱橫，地形總趨勢西北高、東南低。最高點為西北部洪山寺梁，海拔1 845.60 m；最低點為南部馬欄河谷，海拔1 250 m左右，相對高差最大為590 m，一般200～300 m。

勘查區(qū)內(nèi)主要河流為清水溝、石底川、關(guān)門子及馬欄河，均為長年性河流，流量隨季節(jié)變化較大。清水溝支流發(fā)源于焦坪鳳凰山一帶，據(jù)長期觀測資料，流量133.276 L/s；石底川支流發(fā)源于子午嶺東部，流量322.64 L/s，關(guān)門子流量為84.125 L/s。石底川與清水溝在轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)匯合后形成馬欄河，據(jù)長期觀測資料，流量322.667～2 500.97 L/s，平均流量862.209 9 L/s。

1.2 勘查區(qū)內(nèi)含（隔）水層水文地質(zhì)特征

勘查區(qū)內(nèi)地層主要由第四系松散層、白堊系、侏羅系、三疊系碎屑巖組成，碎屑巖粗細相間，相互成層。粗粒地層相對裂隙發(fā)育，富水性強；細粒地層裂隙不發(fā)育，富水性弱或不含水，根據(jù)以往及鄰區(qū)地質(zhì)資料，區(qū)內(nèi)由上到下含（隔）水層劃分如下［5-6］。

第四系全新統(tǒng)沖-洪積孔隙含水層（Q4）：該層主要分布于大溝谷中，為殘積、沖洪積沉積物。殘積物主要為植被層，沖、洪積物以沙、砂礫堆積物為主。分布于溝谷地帶，厚0～36.00 m，平均厚13.75 m，與下伏地層不整合接觸，巖性以沖積再生黃土，洪積細沙、砂礫石組成。該層主要分布于河床部位，平水期主要以河流補給，因受季節(jié)影響，水位變化幅度比較大。水文地質(zhì)測繪中，該層未發(fā)現(xiàn)水泉出露。據(jù)臨區(qū)資料，泉流量一般為0.01～2.55 L/s，據(jù)本區(qū)水質(zhì)化驗，礦化度0.390～1.107 g/L，屬HCO3-Ca·Mg及HCO3·SO4-Ca·Mg型水，該層屬弱-中等富水性。

第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土孔隙裂隙含水層（Q3m）：該層主要分布于山梁、山坡地帶，厚度0～56.50 m，平均厚13.95 m，與下伏地層不整合接觸。巖性以灰黃色黃土、亞砂土、亞粘土組成。含鈣質(zhì)結(jié)核，垂直節(jié)理發(fā)育，在溝谷中常呈現(xiàn)陡坎，水文地質(zhì)測繪中未發(fā)現(xiàn)有泉出露。據(jù)臨區(qū)化驗資料，礦化度為0.478～0.637 g/L，屬HCO3-Ca·Mg型水，該層屬弱富水性。

白堊系下統(tǒng)華池組砂巖含水層（K1h）：勘查區(qū)內(nèi)廣泛分布，厚度44.60～431.73 m，平均厚204.03 m。與下伏地層整合接觸。巖性以灰、紫色細粒砂巖為主，夾灰綠色粉砂巖及薄層泥巖，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，微波狀水平層理較發(fā)育。地下水主要賦存在砂巖裂隙中，順裂隙面運移，鉆孔施工中該層有涌水現(xiàn)象（Z3孔），涌水量0.225 L/s。地下水主要補給來源于大氣降水，水量隨季節(jié)變化，一般泉流量0.014～0.869 L/s，礦化度0.396～0.398 g/L，水質(zhì)屬HCO3-Mg·Ca及HCO3-Mg·Ca·Na型淡水，該層屬弱富水性。

白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖裂隙孔隙含水層（K1l）：洛河組全區(qū)分布，地表無出露，厚度265.36～438.10 m，平均厚328.26 m，與下伏地層整合接觸。為一套巨厚層狀的淺棕紅、褐紅色中粒砂巖，局部夾細粒、粗粒砂巖，具大型交錯層理。在本次水文地質(zhì)測繪中，該層未發(fā)現(xiàn)有泉出露。據(jù)鉆孔X2-1、11-1、7-5抽水試驗資料：其中X2-1號鉆孔水位埋深118.36 m，涌水量4.25 L/s，單位涌水量0.140 3 L/（s·m），礦化度0.568 g/L；11-1號鉆孔水位埋深187.08 m，涌水量1.828 L/s，單位涌水量0.165 52 L/（s·m），礦化度0.579 g/L；7-5號鉆孔水位埋深135.50 m，涌水量4.24 L/s，單位涌水量0.420 03 L/（s·m），礦化度0.480 g/L；屬HCO3·SO4-Na及HCO3-Na·Mg型水，該層屬中等富水性。

白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖相對隔水層（K1y）：該層在區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)分布，地表無出露，厚度0～39.87 m，平均厚度18.34 m，與下伏地層呈假整合接觸。巖性為一套暗紫色礫巖，致密堅硬，一般鈣質(zhì)膠結(jié)，礫石成分以石灰?guī)r、石英巖為主，硅質(zhì)巖較少，礫石磨圓度較好，分選性較差。在有該層賦存的部位，可作為上下含水層的相對隔水層。

侏羅系中統(tǒng)直羅組上段相對隔水層（J2z1）：直羅組上段厚度一般為8～15 m，平均厚度12 m。主要由紫雜色、灰褐色泥巖、粉砂巖、細粒砂巖組成，中-粗粒砂巖較少。一般不顯層理，偶見斜層理，與下伏地層假整合接觸。

侏羅系中統(tǒng)直羅組下段砂巖裂隙含水層（J2z2）：直羅組下段主要由紫灰色、綠灰色、紫雜色粉砂巖、泥巖和細粒砂巖組成，中粒砂巖較少，具斜層理及水平層理。底部為厚層狀灰白色中-粗粒砂巖，區(qū)內(nèi)分布廣，厚度一般為3.5～75.3 m，平均厚度31.04 m，層位穩(wěn)定，為標(biāo)志層。據(jù)建莊詳查鉆孔抽水試驗資料：涌水量0.18～0.24 L/s，單位涌水量0.002 2～0.005 19 L/（s·m），礦化度達15.527 g/L，水質(zhì)為SO4·Cl-Na型咸水，該層屬弱富水性。

侏羅系中統(tǒng)延安組砂巖裂隙含水層（J2y）：厚度一般為10.10～97 m，平均厚度60.54 m。區(qū)內(nèi)廣泛分布，巖性以灰、紫色細粒砂巖為主，夾灰綠色粉砂巖及薄層泥巖，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，微波狀水平層理較發(fā)育。該層為本區(qū)含煤地層，地下水主要賦存在砂巖裂隙中，順裂隙面運移，據(jù)鄰區(qū)建莊鉆孔抽水資料單位涌水量小于0.01 L/（s·m）。礦化度14.12 g/L，水質(zhì)屬SO4·Cl-Na型咸水，該層屬弱富水性。

侏羅系下統(tǒng)富縣組隔水層（J1f）：該層全區(qū)分布，厚度0～21.14 m，平均厚7.66 m，巖性為紫灰色、灰綠色泥巖（俗稱“花斑泥巖”），局部為灰色砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。呈團塊狀，見滑面，遇水膨脹，該組地層由于其巖性特征明顯，區(qū)內(nèi)分布穩(wěn)定，定為標(biāo)志層K1。與下伏地層假整合接觸，可作為上下含水層的隔水層。

三疊系上統(tǒng)胡家村組隔水層（T3h）：為含煤巖系之基底。其巖性主要為灰綠、黃綠色粉、細粒砂巖，夾灰色、深灰色、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖及煤線，水平層理發(fā)育，含植物化石，未鉆穿，厚度不詳。該層在埋藏淺部富水性較強，隨著埋深增加，富水性減弱，在本區(qū)該層埋藏較深。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，該層一般淺部含水，深部不含水。據(jù)青崗坪J2號鉆孔工程地質(zhì)編錄顯示巖心裂隙不發(fā)育，該孔抽水試驗資料，水位埋深44.74 m，水位標(biāo)高1 262.39 m，水位降低81.42 m時，鉆孔涌水量為0.008 L/s，單位涌水量為0.000 098 L/s·m，滲透系數(shù)為0.000 338 m/d，該層屬弱富水性。

1.3 地下水補給、徑流、排泄條件及動態(tài)變化

本區(qū)地下水主要依靠大氣降水補給。埋藏深的含水層，主要依靠側(cè)向徑流補給，另外上部含水層的越流補給也是其中補給來源。

在第四季松散層覆蓋區(qū)，基巖含水層主要接受第四系松散層地下水間接補給。華池組砂巖是區(qū)內(nèi)主要出露巖層，但由于該層巖性粗、細相間，呈互層狀，富水性弱，無統(tǒng)一的水位。在石底川中上游，普查Z6、Z26號鉆孔出現(xiàn)涌水，涌水層位為華池組砂巖，埋深30 m以上；反映了華池組砂巖在露頭地帶以及埋藏淺部，砂巖裂隙在風(fēng)化營力作用得到加強、擴大，接受上部地層補給，出現(xiàn)局部涌水現(xiàn)象。由于該層裂隙不發(fā)育，地下水交替緩慢，所以礦化度增高，由淡水變?yōu)橄趟?/p>

本區(qū)地下水屬層狀碎屑巖類地下水，含水層在淺部接受補給后，順層向深部流動。若被河谷侵蝕切割，便以泉的形式排出地表，形成地表水，部分地下水順層向深部運移，形成承壓水。

1.4 水文地質(zhì)勘探類型

本區(qū)位于涇河流域支流，地表植被發(fā)育，溝谷坡降比大。降水多集中在夏、秋季，即7～9月，總體利于降水的排泄，不利于地下水的補給。由于煤層及直接充水含水層埋藏較深，不利于降水補給。據(jù)本區(qū)鉆孔抽水資料：7-3號鉆孔直羅組及延安組地下水鉆孔單位涌水量0.002 14 L/（s·m）；7-5號鉆孔直羅組及延安組地下水鉆孔單位涌水量0.002 10 L/（s·m）；單位涌水量均小于0.1 L/（s·m）。

綜上所述，本區(qū)構(gòu)造簡單，裂隙不發(fā)育，煤層直接充水含水層因埋藏深，補給條件差，局部洛河水通過裂隙導(dǎo)通至含煤地層，因此本區(qū)水文地質(zhì)勘探類型確定為以裂隙充水為主的簡單型，即二類一型。

2 礦井充水因素分析

根據(jù)勘查區(qū)水文地質(zhì)條件及煤層賦存特征，礦井充水形式有直接和間接兩種，它們分別受大氣降水、地表水和地下水等因素的控制，對未來礦井生產(chǎn)有不同程度的影響。

2.1 生產(chǎn)礦井調(diào)查

本區(qū)與西川煤礦相鄰，西川煤礦主采4-2煤層，礦區(qū)面積為7.893 8 km2，生產(chǎn)能力為1.2 Mt/a，2007年開始生產(chǎn)，2010年產(chǎn)量達1.6 Mt。據(jù)2010年礦井涌水量觀測數(shù)據(jù)，主斜井涌水量平均為4 m3/h；副斜井涌水量平均為4 m3/h；回風(fēng)斜井涌水平均為6 m3/h，1107回順涌水量平均在6 m3/h；1108、1110工作面平均為3 m3/h；1105工作面平均為3 m3/h；六聯(lián)巷及其它巷道涌水量月平均在5.2～10.6 m3/h，礦井總涌水量比較穩(wěn)定，平均為35 m3/h。但2010年6月以后，礦井總涌水量增大，6月份為107.3 m3/h，9月份為180.4 m3/h，12月份為163.2 m3/h，呈逐漸增大趨勢，并隨季節(jié)有一定波動。

據(jù)2010年6～12月礦井涌水量觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1，可以看出主斜井、副斜井等井筒和巷道涌水量基本無變化，礦井涌水量主要來自于1105采煤工作面，占礦井總涌水量的80%以上，且就在X25號鉆孔附近涌水量突然增大，月平均80～135 m3/h，總體涌水量呈增大趨勢。

表1 西川煤礦涌水量觀測成果表（2010年，m3/h）

2.2 未來礦井充水因素分析

本區(qū)開采4-2煤層，煤層開采后，由于直羅組上部存在宜君礫巖相對隔水巖組，因此煤層直接充水含水層為直羅組和延安組砂巖裂隙地下水，充水方式主要為煤層頂板淋水、滴水、滲水等。

2.3 充水水源

大氣降水：地表第四系松散層易于接受降雨補給，但下伏有巨厚的層狀基巖，且含隔水層相間分布，煤層開采導(dǎo)水裂隙帶高度未超過基巖頂面，故大氣降水為礦井充水的間接水源。

地表水：本勘查區(qū)地表水主要為石底川、清水溝、關(guān)門子、馬欄河。未來礦井開采煤層位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面下，上覆基巖厚度遠大于采煤后形成的導(dǎo)水裂隙帶高度，加之勘查區(qū)內(nèi)有連續(xù)的宜君組礫巖隔水層及弱富水的華池組地層存在，故地表水為礦井充水的間接水源。

地下水：影響未來礦井的地下水為煤層開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)的含水層，為未來礦井的直接充水水源。區(qū)內(nèi)第四系松散層潛水由于未被導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通，且有連續(xù)的弱富水華池、宜君組（隔水層）存在，故其為礦井充水的間接水源。洛河組地下水由于富水性中等，水頭壓力較高，區(qū)內(nèi)有31個鉆孔（5-0、5-1、5-4、5-5、5-6、6-0、6-1、6-4、6-5、6-6、6-9、7-1、7-2、7-3、7-4、7-5、8-0、8-1、8-2、8-3、8-5、9-1、9-2、9-3、9-4、10-2、10-3、11-4、Z13、Z22、X4-2）導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通至該層而成為未來礦井的主要和間接的充水水源，對煤層開采會造成威脅，因此在礦井設(shè)計中引起重視，未來開采中密切觀測洛河含水層變化，留取保安煤柱等方式，防止突水事件發(fā)生。煤層頂板的延安組和直羅組均為承壓水，雖具有較高的水頭壓力，但其富水性極弱，易于疏干，故成為未來礦井的次要和直接的充水水源，對煤層開采不會造成大的威脅。

2.4 充水通道

由于4-2煤層上覆基巖巖性以細砂巖、粉砂巖為主，其次為中粒砂巖、粗粒砂巖及泥巖，呈互層狀結(jié)構(gòu)，未來礦井充水的主要通道是冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶，其次為原生結(jié)構(gòu)面裂隙，偶有一些人為的充水通道。

冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶：未來礦井主采4-2煤層，坑道系統(tǒng)主要位于延安組4-2煤層附近，由于煤層開采，使頂板冒落、導(dǎo)水裂隙帶成為礦井充水的主要途徑。導(dǎo)水裂隙帶的高度與井下煤層開采厚度、煤層頂板管理方法、巖性等直接相關(guān)?？辈閰^(qū)內(nèi)煤層厚度3.83～11.35 m，煤層緩傾斜，據(jù)相關(guān)規(guī)范中的中硬巖冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶最大高度經(jīng)驗公式［7-10］

式中：Hm—冒落帶的最大高度，m；Hf—導(dǎo)水裂隙帶的最大高度，m；M—累計采厚（取煤層厚度），m；n—煤分層層數(shù)（一次采全高放頂煤綜采技術(shù)，取n=1）。

經(jīng)計算，導(dǎo)水裂隙帶最大高度5.95～200.17 m。根據(jù)鉆孔資料對比，詳查區(qū)92個鉆孔中有31個鉆孔（5-0、5-1、5-4、5-5、5-6、6-0、6-1、6-4、6-5、6-6、6-9、7-1、7-2、7-3、7-4、7-5、8-0、8-1、8-2、8-3、8-5、9-1、9-2、9-3、9-4、10-2、10-3、11-4、Z13、Z22、X4-2）導(dǎo)水裂隙帶突破洛河組含水層底界，突破高度為0.66～79.49 m，如圖1所示。

圖1 導(dǎo)水裂隙帶突破洛河組含水層底界

綜上所述，未來礦井4-2煤層直接充水含水層為直羅組和延安組砂巖裂隙含水層，部分地段洛河組砂巖裂隙水（富水性中等）通過導(dǎo)水裂隙帶也可直接進入礦井。因此，冒落、導(dǎo)水裂隙為未來礦井的主要充水通道。由于本區(qū)無礦井實測資料，根據(jù)經(jīng)驗公式計算的導(dǎo)水裂隙帶最大高度僅供參考。

其它充水通道：本勘查區(qū)基巖以粉砂巖、泥巖、細砂巖為主，次為中砂巖和粗砂巖。含水層隔水層呈互層結(jié)構(gòu)，相間成層，地層裂隙發(fā)育弱，垂向補給極差，側(cè)向補給由于其滲透性差而微弱，故其為弱的充水通道。需注意的是一些人為通道在個別地方可能會成為局部的主要導(dǎo)水途徑，如井筒通過松散層或地表水時采取的封閉防水措施不到位，或者鉆孔封閉質(zhì)量差形成透水天窗等而會成為局部的重要的導(dǎo)水通道。

2.5 未來礦井充水強度分析

礦井充水強度主要決定于煤層頂板以上含水層的富水性、厚度及導(dǎo)水裂隙帶溝通各含水層的程度，采煤方式和開采強度等因素。導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)洛河組富水性強、延安組和直羅組富水性弱，使得洛河組成為未來礦井主要的充水水源，對未來礦井的生產(chǎn)會造成較大的影響，其水補給充沛，水量穩(wěn)定，建議未來建井設(shè)計慎重考慮，采煤過程中注意監(jiān)測洛河含水層變化情況，防止洛河含水層通過導(dǎo)水裂隙帶裂隙導(dǎo)通到含煤地層，避免礦井涌水事故發(fā)生。其它含水層或補給困難，或是富水性弱，對礦井開采影響較小。另外，防止一些人為因素導(dǎo)致地表水或第四系潛水進入礦井。

3 礦井涌水量評價

本次礦井涌水量預(yù)算采用了地下水動力學(xué)法中大井法、比擬法中富水系數(shù)法進行計算對比。通過分析認為水文地質(zhì)比擬法預(yù)算的一般涌水量值大于大井法預(yù)算的一般涌水量，其中，一般涌水量是大井法理論公式對直接充水含水層直羅組、延安組涌水量計算所得。

地下水動力學(xué)法預(yù)算的最大涌水量值小，這是由于未將洛河組含水層最大補給水量計入礦井涌水量。但未來礦井開采后，由于煤層上覆基巖軟硬相間，泥巖類隔水巖層遇水膨脹，封閉裂隙，抑制了4-2煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶透水性，減少了洛河砂巖含水層受采動干擾后下泄的水量，只有部分洛河組地下水進入未來礦井，并不是導(dǎo)水裂隙范圍內(nèi)的洛河組地下水全部進入未來礦井，故未來礦井實際涌水量應(yīng)大于預(yù)算的最大涌水量理論值，建議設(shè)計部門慎重考慮。

大井法計算礦井涌水量較為接近實際。大井法以本勘查區(qū)鉆孔抽水試驗資料為參數(shù)，工程質(zhì)量可靠，其所采用的含水層水文地質(zhì)參數(shù)合理，方法正確。建議未來礦井涌水量采用大井法計算結(jié)果。

建議未來礦井一般涌水量采用Q=117.85 m3/h。未來礦井開采中，導(dǎo)水裂隙帶可將洛河組含水層地下水導(dǎo)入礦井。會影響4-2煤層的開采，造成煤礦突水的可能。礦井開采時注意防范洛河組含水層。建議未來礦井最大涌水量采用比擬法計算結(jié)果Q=176.68 m3/h。

4 結(jié)語

轉(zhuǎn)角勘查區(qū)洛河組砂巖地下水是未來礦井煤層的直接充水含水層，由于延安直羅組富水性弱，使得洛河組成為未來礦井主要的充水水源，對未來礦井的生產(chǎn)會造成較大的影響，其水補給充沛，水量穩(wěn)定，建議未來建井設(shè)計慎重考慮，采煤過程中注意監(jiān)測洛河含水層變化情況，防止洛河含水層通過導(dǎo)水裂隙帶裂隙導(dǎo)通到含煤地層，避免礦井涌水事故發(fā)生。綜合分析認為轉(zhuǎn)角勘查區(qū)水文地質(zhì)類型以裂隙充水為主，頂板進水、水文地質(zhì)類型確定為簡單型礦床。未來礦井開采重點預(yù)防洛河組含水層導(dǎo)通礦井，建議礦井分層開采，降低導(dǎo)水裂隙帶高度，防止導(dǎo)水裂隙帶高度到達洛河組。底板多為泥巖，應(yīng)采取相應(yīng)措施防止底板變形。