黃陵礦區主要含水層特征對煤礦采掘的影響

王 瑤

(陜西省一九四煤田地質有限公司，陜西 銅川 727000)

0 引言

準確認識礦井水文地質特征對預防礦井水害事故至關重要[1-3]。開展含水層巖性組成、厚度分布、單位涌水量富水性分區等研究，便于掌握含水層對礦井采掘的影響。前人針對不同礦區含水層特征的研究，已有大量的論述。邢延團[4]以亭南煤礦為例，在分析該區水文地質特征的基礎上，提出了基于關鍵位置的導高判別方法，并應用于該礦區的頂板水防治實踐中。王生全等[5]、張冬冬[6]、王英等[7]、朱冠宇等[8]、穆鵬飛[9]分別針對不同礦區情況，開展了煤礦水文地質特征、礦井充水因素分析、涌水規律、地下水賦存規律等方面的研究工作，為指導礦區煤礦防治水工作提供基礎依據，充分證明礦區含水層特征對煤礦安全生產工作的重要性。基于此，文章以國家規劃的14個重要煤炭基地之一的黃隴煤田[10-12]為例，分析礦區不同主要含水層特征，并評價各含水層的富水性，為黃陵礦區主要煤層開采受頂板水害威脅的防治提供依據。

1 礦區水文地質概況

黃陵礦區位于黃隴煤田北部，北起葫蘆河，南至建莊，東起店頭鎮、張村驛以東，西至陜、甘交界，行政區劃屬延安市黃陵、富縣管轄，地理坐標為東經108°42′34″～109°07′58″，北緯35°30′30″～35°50′36″。礦區東西長約36.6 km，南北寬約42.2 km，總面積約1 188.64 km2，含煤面積約1 065.02 km2。黃陵礦區范圍面積較大，區內煤礦較多，均開采2#煤層，據礦區眾多礦井近年來的生產經驗及礦區地質資料[13-17]，影響煤礦采掘活動的主要含水層有第四系全新統沖洪積層孔隙潛水含水層(Q4al)、第四系中、上更新統黃土孔隙裂隙潛水含水層(Q2l+Q3m)、白堊系下統華池組裂隙含水層(K1h)、白堊系下統洛河組砂巖孔隙裂隙含水層(K1l)、侏羅系中統安定組泥灰巖裂隙含水層(J2a)、侏羅系中統直羅組下段砂巖裂隙含水層(J2z)、侏羅系中統延安組砂巖裂隙含水層(J2y)和三疊系上統瓦窯堡組砂巖裂隙含水層(T3w)。

2 弱富水性巖層特征及對煤礦采掘的影響

2.1 第四系中、上更新統黃土孔隙裂隙潛水含水層

該層(Q2l+Q3m)主要分布于礦區山梁，厚度為0～204 m，平均50 m，巖性由灰黃色、棕黃色砂土、砂質黏土組成，中下部含鈣質結核層，夾數層棕紅色砂質黏土、黏土層與古土壤層，垂直裂隙發育，立壁性能好，地表形成許多黃土梁、峁、懸谷等地貌景觀。根據黃陵二號煤礦上16號鉆孔抽水試驗成果，該層單位涌水量0.027 L/(s·m)。屬富水性弱的含水層。該含水層分布范圍較大，地層較厚，但實際的含水層段僅為該層底界的河流石和碎屑巖，加之黃陵礦區2#煤層埋藏深度較大，所以該含水層對煤礦開采影響甚微。

2.2 白堊系下統華池組裂隙含水層(K1h)

該層主要分布于黃陵礦區的中西部，西部溝谷中普遍出露。巖性上部以粉砂巖為主，夾泥巖與砂質泥巖薄層；下部以細粒砂巖為主，夾泥巖、粉砂巖。砂巖泥質膠結、質脆。該層細粒砂巖裂隙發育，但很少切穿泥巖，部分裂隙被方解石充填。厚0～345 m，平均152 m。巖層自上而下風化程度逐漸減弱，頂部疏松破碎，孔隙度大，含水率增高，容易形成風化裂隙，常被溝谷切割至底界以下。根據黃陵二號煤礦上4號鉆孔抽水試驗資料顯示，該層單位涌水量0.024 L/(s·m)，富水性弱。該層厚度較大，但距離2#煤層較遠，根據礦區煤礦生產實際，2#煤層采后導水裂隙帶均未到達該層，故該含水層對煤礦開采影響甚微。

2.3 侏羅系中統安定組泥灰巖裂隙含水層(J2a)

該層主要分布于黃陵礦區的中西部，礦區東部的溝谷中有出露，厚0～54 m，平均25 m，巖性上部為暗紫色、紫灰色、灰黃色泥灰巖，夾淡紅色白云質泥灰巖及粉砂巖與泥巖薄層，下部為紫灰色、褐黃色及黑色泥巖，局部夾石膏薄層，近水平層理，泥巖易風化成鱗片狀。黃陵礦區在以往勘查時均認為該層基本不含水，但由于該層裂隙發育較好，受到上部洛河組含水層的補給作用較大。黃陵一號煤礦生產勘探SK23號孔對洛河組、洛河組與安定組分別進行了抽水試驗，對洛河組單層抽水時，鉆孔涌水量為0.116 98 L/(s·m)；在與安定組混合抽水時，鉆孔涌水量為0.100 406 L/(s·m)，較為接近，由此認為安定組地層基本不含水，富水性弱，對煤礦開采影響甚微。

2.4 侏羅系中統直羅組下段砂巖裂隙含水層

直羅組下段(J2z1)主要分布在黃陵礦區的中西部，地表出露在礦區北部的直羅鎮、黃陵一號煤礦南部及紅石巖煤礦的東部，厚度0～120 m，平均80 m。巖性以灰白色中、粗粒長石石英砂巖為主，底部含礫石，俗稱“直羅砂巖”，粒度自上而下逐漸變粗。砂巖分選性差，次棱角狀，孔隙-基底式泥質膠結，在鉆孔中該層巖芯上常見到白色鹽霜。根據黃陵礦區17個鉆孔抽水試驗成果，該層單位涌水量為0.007～0.183 8 L/(s·m)，見表1。除L32號鉆孔顯示中等富水性外，其余均為弱富水性，總體認為直羅組下段砂巖屬弱含水層。由于該層位于含煤地層的上部，礦區導水裂隙帶發育高度在部分地段波及到該層，成為含煤地層延安組的補給來源，對煤礦采掘有一定的影響。

表1 直羅組下段砂巖裂隙含水層單位涌水量 單位：L/(s·m)

2.5 侏羅系中統延安組砂巖裂隙含水層(J2y)

延安組為本區含煤地層，厚度0～188 m，平均厚度120 m。礦區中東部有出露，巖性以深灰色、灰黑色泥巖、砂質泥巖、粉砂巖為主，夾細粒砂巖薄層，由南向北厚度漸增。巖性由灰黑色泥巖、粉砂巖、灰白色中粒砂巖、粗粒砂巖、煤層、炭質泥巖組成。主要含水層為煤層頂板以上中粗粒砂巖。根據礦區14個鉆孔抽水試驗成果，該含水層單位涌水量為0～0.001 8 L/(s·m)，見表2，由此可知，延安組砂巖裂隙含水層富水性弱。延安組含水層為區內2#煤層的含煤地層，煤層在采掘過程中2#煤層頂板基本以少量淋水為主，礦井在該層位未發生過較大涌水事故，故對煤礦采掘影響較小。

表2 延安組砂巖裂隙含水層單位涌水量 單位：L/(s·m)

2.6 三疊系上統瓦窯堡組砂巖裂隙含水層(T3w)

區內無出露，厚度不詳。巖性由灰綠色、灰色細粒砂巖、粉砂巖、泥巖組成。根據黃陵礦區店9號抽水試驗成果知，該層單位涌水量為0.035 L/(s·m)，富水性弱。根據黃陵礦區生產資料，2#煤層底板基本未見涌水現象，故該含水層對煤礦采掘影響較小。

3 中等富水性巖層特征對煤礦采掘的影響

白堊系下統洛河組砂巖孔隙裂隙含水層(K1l)為黃陵礦區中等富水性巖層。

3.1 洛河組砂巖孔隙裂隙含水層分布范圍

該層主要出露于黃陵礦區溝谷中，總體分布于礦區的中西部，在蘆村二號煤礦、黃陵一號煤礦、黃陵二號煤礦、紅石巖煤礦、南川一號煤礦、建北煤礦以東地層剝蝕，剝蝕邊界呈現出花邊狀，如圖1所示。地層厚度0～348 m，平均層厚170 m，東部較薄，西部較厚。巖性以棕紅色、紫紅色巨厚層狀長石石英中粒砂巖為主，夾泥巖、粉砂巖薄層。分選性好，次棱角狀，接觸式泥鈣質膠結，松散，發育大型板狀、楔狀交錯層理，風化后呈粉、細砂。該層受鄂爾多斯盆地沉積環境影響，呈現出傾向北西的單斜構造，洛河組底界標高750～1 100 m。

圖1 洛河組地層富水性分區示意圖

3.2 洛河組砂巖孔隙裂隙含水層富水性分區

根據黃陵礦區14個鉆孔洛河組抽水試驗成果，該地層單位涌水量0.001～0.38 L/(s·m)，見表3，富水性屬弱-中等。根據單位涌水量分區可知，弱富水性性區域位于礦區東部，即洛河組剝蝕邊界以西，鉆孔單位涌水量較小，為0.001～0.04 L/(s·m)。中等富水性區域位于礦區的中西部，鉆孔單位涌水量為0.12～0.38 L/(s·m)，中等富水性區域分布于黨家河煤礦、蘆村二號煤礦、黃陵二號煤礦、建北煤礦和建新煤礦的西部，富水性分區如圖1所示。

表3 洛河組砂巖孔隙裂隙含水層單位涌水量 單位：L/(s·m)

3.3 洛河組地層地下水補給排條件

黃陵礦區洛河組含水層厚度較大，分布范圍較廣，礦區煤礦防治地下水工作的重點是對洛河組含水層水的防治。受地層沉積影響，礦區洛河組的主要補給來源是大氣降水和地表水，本區大氣降水主要集中在每年的7、8、9月份，由于洛河組地層出露在溝谷之間，大氣降水對洛河組的補給有限，雨水大多順溝谷排泄至河流。而大氣降水對洛河組上部地層的補給作用相對較好，特別是對第四系的補給作用相對較大，而第四系與洛河組之間接觸的區域，洛河組接收間接補給。礦井涌水量在黃陵礦區相對增大的時間多集中在雨季，且有著一定的滯后性。受礦區總體傾向北西的構造影響，洛河組地下水的徑流方向主要沿地層傾斜方向由高處流向低處，即由東流向西，主要表現在礦區西部洛河組受切割影響出露的地段，地下水以泉的形式涌出地表，呈現出承壓性。

3.4 洛河組含水層對煤礦采掘的影響

由于黃陵礦區洛河組含水層厚度較大，在煤礦中西部富水性中等，根據礦區煤礦生產資料，煤層采掘后導水裂隙帶在局部導通了洛河組含水層，洛河組在局部成為煤礦的直接充水含水層，在導水裂隙帶導通洛河組含水層的區域，煤礦井下涌水量會相對增大，且涌水量相對穩定，持續時間較長。但由于該地層單位涌水量在中等的區間范圍內還相對較小，故該含水層對煤礦采掘影響不會特別大。但是在礦區的深部，推測該層涌水量會迅速增大，正在建設的富縣蘆村一號煤礦風井井筒施工受到水害影響較大，對井筒的掘進造成極大的困難。綜合以上，黃陵礦區洛河組含水層對煤礦的采掘有一定的影響，在礦區東部影響較小，礦區中西部影響較大，煤礦采掘需高度重視。

4 強富水性巖層特征對煤礦采掘的影響

黃陵礦區強富水性巖層僅為第四系全新統沖洪積層孔隙潛水含水層(Q4al)，主要分布于葫蘆河、沮河、南川河等一級階地與河床地帶，由沖擊沙土、亞粘土、細砂、砂礫石層組成，厚度0～17 m，平均厚度5 m。根據黃陵礦區地質勘查鉆孔抽水試驗數據，該層單位涌水量0.47～4.19 L/(s·m)，見表4。根據《煤礦防治水細則》(附錄一)含水層富水性劃分標準，該地層屬于富水性中等-強的含水層。 由于該地層出露范圍相對較小，厚度較薄，主要延礦區溝谷呈“線條”狀分布，富水性呈現出以強為主的特征，主要是該含水層接收大氣降水和地表水的補給，即受補給條件影響較大，但對礦井采掘影響較小。

表4 第四系全新統沖洪積層孔隙潛水含水層單位涌水量 單位：L/(s·m)

5 結論

(1)黃陵礦區各煤礦主采2#煤層，礦區內生產煤礦較多。根據礦井水文地質特征、礦區生產資料，因含水層突水引發的地質災害未曾發生，受導水裂隙帶等諸方面的影響，煤礦防治水工作的重點是防治侏羅系中統直羅組砂巖裂隙含水層和白堊系下統洛河組砂巖孔隙裂隙含水層水。

(2)煤礦開采的導水裂隙帶大多發育至直羅組含水層，因此，直羅組含水層成為黃陵礦區煤礦的直接充水含水層，但由于其富水性相對較弱，煤礦采掘過程中頂板多見淋水和滲水現象，總體對煤礦采掘影響較小。

(3)白堊系下統洛河組砂巖孔隙裂隙含水層是礦區內相對較大的含水層，在礦區西部單位涌水量相對較大，礦區煤礦井筒掘進至該層位時表現出較大的涌水量，對井筒掘進產生較大影響。采后裂隙在部分區域發育至該層位，對煤礦開采有一定的影響。