河南省禹州市張得礦區(qū)水文地質(zhì)特征

范浩敏，劉華平，李秀麗

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000)

張得礦區(qū)位于伏牛山余脈箕山山系的東南部，為淮河流域潁河帶狀沖積平原，海拔一般為92～100 m，地面坡降為5‰左右。西南部分布有零星崗地，相對高度約50 m、坡度在5°～10°。礦區(qū)南為平頂山煤田，北、西為新密煤田和登封煤田。地表被大面積第四系所覆蓋。

礦區(qū)地層屬于華北地層區(qū)嵩箕小區(qū)，據(jù)鉆探揭露情況，礦區(qū)地層由老至新為寒武系上統(tǒng)長山組、鳳山組，石炭系上統(tǒng)本溪組、太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，二疊系上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組，三疊系下統(tǒng)劉家溝組，古近系系及第四系。太原組、山西組、下石盒子組和上石盒子組為礦區(qū)區(qū)含煤地層，全區(qū)主要可采煤層為二1煤。

1 水文地質(zhì)條件

1.1 區(qū)域地下水系統(tǒng)劃分

礦區(qū)區(qū)域上屬于禹州礦區(qū)巖溶水系，禹州巖溶水系統(tǒng)北部邊界是新密巖溶水系統(tǒng)，北部是登封巖溶水系統(tǒng)，禹州巖溶水系統(tǒng)與后者以薈萃山背斜軸及分水嶺為界，受薈萃山背斜的阻隔，禹州巖溶水系統(tǒng)與新密、登封巖溶水系統(tǒng)無水力聯(lián)系，南部邊界由元古界老地層構(gòu)成的地表分水嶺、虎頭斷層和寒武系灰?guī)r1 500 m埋藏深度線共同構(gòu)成，西部邊界由過風口—石羊關(guān)斷層和地下水分水嶺構(gòu)成，禹州巖溶水系統(tǒng)東部為許昌深埋巖溶水系統(tǒng)，二者以前石固斷層為界，受張?zhí)脭鄬印⒑咏謹鄬雍驮S禹背斜的切割或錯動，二者灰?guī)r地層只有局部小面積灰?guī)r直接接觸，水力聯(lián)系微弱(圖1)。

圖1 巖溶水系統(tǒng)分布圖

1.2 礦區(qū)水文地質(zhì)邊界條件

禹州巖溶水系統(tǒng)以白沙向斜軸為界，可分為白沙向斜北巖溶子系統(tǒng)和白沙向斜南巖溶水子系統(tǒng)。礦區(qū)區(qū)位于白沙向斜南巖溶水系統(tǒng)的深部逕流和排泄區(qū)，該子系統(tǒng)位于禹州巖溶水系統(tǒng)白沙向斜軸南部。西部邊界由過風口—石羊關(guān)斷層和地下水分水嶺構(gòu)成，為隔水邊界；北部為白沙向斜軸部，為巖溶水深埋隔水邊界；東部邊界在石固鎮(zhèn)以北以前石固斷層為界，按隔水邊界處理；南部為景家洼向斜軸部，為本巖溶水深埋隔水邊界。

1.3 地表水

礦區(qū)屬淮河流域，地表水體較發(fā)育。主要有潁河、汝河和白灌渠，其中潁河為主干河流，區(qū)內(nèi)支流有呂梁江、小泥河等，蘭河為汝河支流。地表水體和二1煤層之間存在多個隔水層，隔水層不僅層數(shù)多而且厚度大，可有效阻隔地表水體進入礦坑，因此地表水體對礦床開采幾乎無影響。

1.4 地下水的補給、逕流、排泄條件

白沙向斜南巖溶水子系統(tǒng)的補給區(qū)位于西北部基巖大面積的出露地帶，該區(qū)基巖在接受大氣降水入滲補給后，沿地層走向、傾向及地形坡降方向向南東方向逕流，天然條件下，地下水在運移過程中受地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌及巖性差異等條件制約，一部分地下水在適宜地段溢出地表形成泉水，構(gòu)成天然排泄點；另一部分沿地層走向及傾向向東南方向及地層深部運移和排泄。詳查區(qū)在水文地質(zhì)單元中處于逕流和排泄地帶，在目前周邊礦井開采生產(chǎn)條件下，區(qū)內(nèi)地下水主要以礦井排水、人工開采及逕流等方式排泄。

1.5 主要含水層和隔水層

1.5.1 主要含水層

根據(jù)含水層巖性、水力性質(zhì)、裂隙巖溶發(fā)育特征及富水程度與全區(qū)可采煤層二1煤的關(guān)系，礦區(qū)含水層自上而下依次為：

(1)二1煤層頂板砂巖裂隙承壓含水層

含水層巖性主要由二1煤頂板至砂鍋窯砂巖之頂?shù)募毩Ｉ皫r、中粗粒砂巖組成，平均厚70 m。根據(jù)ZK2208和ZK1705兩孔抽水試驗結(jié)果，水位標高33.64～51.49 m，滲透系數(shù)0.000 872～0.007 29 m/d，單位涌水量0.000 274～0.002 68 L/s·m，水化學類型為HCO3-Na型水，溶解性總固體為731～1 469 mg/L,pH值8.07～8.23水溫27℃～30℃。為富水性弱的砂巖裂隙承壓水，是二1煤層頂板的直接充水含水層。該段巖石裂隙發(fā)育不均一且連通性較差，補給不足。但在斷層構(gòu)造影帶響范圍內(nèi)，裂隙比正常地段發(fā)育，富水性增強，含水層的連通性相對較好。

(2)太原組上段石灰?guī)r巖溶裂隙水

該含水段在區(qū)內(nèi)由太原組上段L7～L9灰?guī)r構(gòu)成，頂板距二1煤層底板1.40～23.37 m，平均8.39 m，為二1煤層底板直接充水含水層。根據(jù)ZK2207、ZK0506和ZK1706三孔抽水試驗結(jié)果，該段灰?guī)r含水層厚度1.72～21.34 m，平均厚度11.37 m。水位標高為19.74～106.88 m，滲透系數(shù)0.003 81～0.033 1 m/d，單位涌水量0.000 829～0.006 81 L/s·m，水化學類型為HCO3-Na、HCO3-Na·Ca型水，溶解性總固體為540～1 517 mg/L，pH值7.52～9.77，水溫26℃～30℃。該段含水層灰?guī)r巖溶不發(fā)育，裂隙較發(fā)育但多被方解石充填，總體上富水性弱，透水性差。結(jié)合鉆孔物探資料，在斷裂構(gòu)造影響范圍內(nèi)，形成低阻異常，說明該段巖溶裂隙比正常地段發(fā)育，石灰?guī)r巖溶裂隙富水性相對較強，富水性較好。

(3)太原組下段石灰?guī)r巖溶裂隙水

該段含水段為二1煤層底板間接充水含水層，由太原組上段L1～L3灰?guī)r構(gòu)成，含水層厚度8.72～20.54 m，平均厚度15.47 m，根據(jù)ZK2208、ZK1005和ZK1705三孔抽水試驗資料，水位標高為44.94～53.44 m，滲透系數(shù)0.002 31～0.004 45 m/d，單位涌水量0.000 613～0.001 11 L/s·m，水化學類型為HCO3-Na、HCO3-Na·Ca、HCO3-Ca型水，溶解性總固體為516～601 mg/L，pH值7.52～8.20，水溫26℃～30℃。該段含水層灰?guī)r巖溶裂隙不發(fā)育且連通性較差，鉆孔ZK1006因水量不足而無法進行抽水試驗，因巖溶發(fā)育不均一，不同地方的富水性差別較大。屬弱富水且富水性極不均一的巖溶承壓水。相鄰梁北二號井田ZK01517鉆孔單位涌水量0.036 2 L/s·m，滲透系數(shù)0.773 m/d。

(4)寒武系白云質(zhì)灰?guī)r巖溶裂隙水

該含水層主要由寒武系白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖構(gòu)成，在區(qū)內(nèi)埋藏深度大于1 000 m，鉆孔最大揭露深度83.50 m。根據(jù)ZK1706和ZK2207兩孔抽水試驗資料，水位標高為-8.06～46.50 m， 滲透系數(shù)0.009 8～0.041 m/d，單位涌水量0.004 81～0.020 2 L/s·m，水化學類型為HCO3-Na·Ca型水，溶解性總固體為518～528 mg/L，pH值7.43～7.66，水溫28℃～58℃。相鄰梁北二號井田鉆孔抽水試驗資料，該含水層單位涌水量0.000 718～0.019 6 L/s·m，滲透系數(shù)0.000 75～0.134 m/d。說明該含水層巖溶和裂隙發(fā)育不均一，總體上富水性弱，透水性差，在斷裂構(gòu)造影響范圍內(nèi)，巖溶和裂隙均較發(fā)育，含水層富水性將會增強。如新龍礦和鄰近新峰一礦該含水層成為礦井突水的主要水源。另該含水層易在儲熱構(gòu)造和儲集單元區(qū)(含水層和保溫層)形成熱礦水，水量較豐富，且水溫較高(ZK1706∈3水溫高達58℃)，是未來該區(qū)尋找熱礦水良好的目的層位。

1.5.2 主要隔水層

(1)二1煤層頂部隔水層。隔水地層巖性主要是二疊系泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，總厚200～500 m，隔水層不僅層數(shù)多而且?guī)r層厚度較大，不僅阻隔了煤系地層中各含水層間的水利聯(lián)系，而且隔斷了與上覆第四系含水層間的水力聯(lián)系。

(2)二1煤層底板隔水層。石炭系上統(tǒng)太原組上段含水層距二1煤層底板距離1.40～23.37 m，平均距離8.39 m。主要由炭質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖組成。該泥巖巖石致密，裂隙不發(fā)育，透水性差，隔水性能好。但當?shù)V井開拓時，在礦山壓力和底板含水層承壓水頭壓力的共同作用下，太原組上段含水層水體可通過二1煤層底板破壞帶和底板突破進入礦坑，成為礦坑的直接充水水源。

(3)石炭系上統(tǒng)太原組中段碎屑巖石隔水層。該層為泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖構(gòu)成的復合隔水層。處于石炭系太原組中段L3～L7灰?guī)r之間，厚度16.41～51.82 m，平均厚度30.41 m，分布穩(wěn)定、連續(xù)，具有一定的隔水性，正常情況下可阻隔太原組下段含水層和太原組上段含水層間的水力聯(lián)系。

(4)石炭系上統(tǒng)本溪組泥巖隔水層。該隔水層位于寒武系含水層和太原組下段含水層之間，主要由鋁土質(zhì)粘土巖、粘土.質(zhì)泥巖組成。該隔水層在區(qū)內(nèi)層位穩(wěn)定，分布連續(xù)，厚度3.40～16.37 m，平均厚度7.92 m。該巖層巖石裂隙不發(fā)育，透水性差，隔水性能好，正常情況下可阻隔上下含水層間的水力聯(lián)系。由于該層泥巖厚度變化較大，因此對底部含水層的阻隔程度差異較大，底部寒武系含水層具高水頭特點，但距離二1煤層底板距離較遠，正常情況下對二1煤層開采影響較小，但在斷裂構(gòu)造附近該隔水層連續(xù)性遭到破壞，寒武系含水層水體可通過構(gòu)造裂隙涌入礦坑，成為二1煤層礦坑開采的間接充水水源。

1.6 斷層水

礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育(圖2)，構(gòu)造發(fā)育主要為近東西向、北西向及北東向展布，傾向總體向北的高角度正斷層，傾角30°～82°，落差20～650 m，其組成物質(zhì)主要為斷層角礫巖、砂巖、泥巖等，斷層影響帶內(nèi)石灰?guī)r含水層巖溶裂隙相對較發(fā)育。通過對鄰近礦區(qū)鉆孔資料分析，區(qū)內(nèi)斷層有一定的富水性及導水性。

圖2 二1煤底板等高線及構(gòu)造簡圖

(1)張得斷層。張得斷層(F1)是礦區(qū)內(nèi)最大的主干斷層，東西向貫穿整個礦區(qū)且繼續(xù)向西區(qū)外延伸，走向長度區(qū)內(nèi)28.9 km，西段走向東西，傾向北，中、東段走向轉(zhuǎn)為北西西-南東東向，傾向北北東向，傾角40°～70°，斷層落差20～650 m，東端被F5斷層切割后向東逐漸消失。根據(jù)礦區(qū)ZK0905鉆孔抽水資料，巖性為構(gòu)造角礫巖，角礫成分為中粒砂巖，呈棱角狀、次棱角狀，礫徑3～15 cm，膠結(jié)物為泥質(zhì)和砂質(zhì)，厚度約6.71 m，水位標高39.00 m，滲透系數(shù)為0.0386 5 m/d，單位涌水量0.006 54 L/s·m，該斷層在此巖性段總體上富水性弱，具有導水性。

(2)虎頭山斷層。虎頭斷層(F3)位于礦區(qū)的北東部，走向北西，走向長度區(qū)內(nèi)6.5 km，北西端延出區(qū)外，南東端與F1斷層交匯，傾向北東，傾角55～70°，落差自西北至東南100～290 m。虎頭山斷層在區(qū)內(nèi)未進行抽水試驗，根據(jù)臨近礦區(qū)鉆孔抽水資料及礦井生產(chǎn)情況：虎頭山斷層的導水性和富水性無論在垂直或者橫向上都不均一，在煤系地層導水性一般較弱，如新峰五礦煤巷遇虎頭山斷層時未見滴水，而新龍礦對太原組含水層和寒武系含水層巖溶水的強排(疏排標高-550 m)，致梁北井田太原組上、下段及寒武系含水層的水位分別由原來的+140 m左右分別降至-42.22 m、-63.86 m、-92.56 m。由此可見虎頭山斷層是導水斷層。

(3)南關(guān)斷層。南關(guān)斷層(F5)位于礦區(qū)東北部，區(qū)內(nèi)全長13.6 km，走向北西至北西西，中間切割張得斷層，東端與F4斷層交匯，北西端延伸至區(qū)外，傾向北東-北北東，傾角60°～75°，落差約100～450 m。無論是新生界底部，還是二1煤頂?shù)装搴畬右约昂湎岛畬樱啬详P(guān)斷層帶及兩側(cè)富水性均相對較好。巖溶地下水沿南關(guān)斷層形成一個相對較強的逕流帶，因此南關(guān)斷層可視為一個導水斷層。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 鄰區(qū)生產(chǎn)礦井充水特點

根據(jù)收集鄰近礦井資料，區(qū)內(nèi)開采二1煤層主要疏排太原組灰?guī)r含水層和寒武系灰?guī)r含水層，各礦井排水量如下。

平禹一礦：礦井涌水以底板充水為主，曾發(fā)生49次突水，共造成4次淹井和淹采區(qū)事故，2013年排水量為2 172 m3，日排水量52 128 m3。

泉店煤礦：礦井涌水以底板充水為主，礦井建設期間2008年排水量為340 m3/h，2009年投產(chǎn)后排水量為790 m3/h，2010年排水量為850 m3/h，2011年排水量為878 m3/h,2012年排水量為715.5 m3/h，2013年排水量為760 m3/h。

梁北煤礦：礦井涌水以底板充水為主，2008年平均涌水量為1 333.47 m3/h，2009年平均涌水量為1 132.06 m3/h，2010年平均涌水量為1 097.44 m3/h，2013年平均涌水量為1 020 m3/h。

2.2 礦井充水因素分析

2.2.1 充水水源

(1)大氣降水。大氣降水為礦區(qū)淺層地下水及地表水的主要補給來源，區(qū)內(nèi)屬大陸性半干旱氣候，降水量多集中在6-9月份，占全年的70%，由于本區(qū)二1煤層埋藏深度較大，且其上有多個隔水層存在，隔水層不僅層數(shù)多而且厚度大，可有效阻隔大氣降水進入礦坑，因此大氣降水對開采二1煤層影響較小。

(2)地表水。區(qū)域內(nèi)地表水主要有蘭河、呂梁江、小泥河、潁河、白干渠五條河渠。河流主要接受大氣降水補給，受季節(jié)影響較大，豐水期河流流量較大，平水期和枯水期自然流量較小。河谷下距二l煤層大多在500 m以上，對開采二1煤層基本上無影響

(3)地下水。本區(qū)大部分第四系含水層未和二1煤層直接接觸，但在構(gòu)造發(fā)育部位，第四系底部含水層通過煤系風化基巖帶及導水斷層帶滲透補給，補給量受底部含水層富水性、基巖風化帶巖性和滲透性大小及斷裂構(gòu)造的導水性的影響；二1煤層頂板砂巖裂隙發(fā)育程度不均一，分布不穩(wěn)定，富水性弱，部分鉆孔水位恢復緩慢，說明含水層以靜儲量為主，補給水源貧乏，但在斷層帶附近，砂巖裂隙發(fā)育，井巷掘進中儲存的砂巖水可能瞬間突水；在開采二1煤時，由于開采深度大、灰?guī)r水頭高、泥巖隔水層厚度小，二1煤底板泥巖將因超過其極限強度而破裂，導致灰?guī)r水突入礦坑，太原組上段灰?guī)r含水層成為礦坑直接充水水源；太原組下段及寒武系上統(tǒng)巖溶裂隙含水層雖含水層水頭壓力大，但富水性弱、不均一，距離二1煤層距離較遠且之間有多層泥巖隔水層存在，正常情況下可有效阻隔該含水層水流進入礦坑，但在斷層影響帶附近，含水層水體可通過斷裂破碎帶進入礦坑成為礦坑的間接充水水源。

2.2.2 充水通道

(1)天然充水通道。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，為高角度正斷層，落差變化大，成為礦床的天然通水通道。斷層破壞了上、下不同含水層之間的隔水性能，在垂向上溝通了相互之間的水力聯(lián)系，由原來的間接充水變?yōu)橹苯映渌蛩^壓力較大，對礦井威脅較大。

(2)人為充水通道。煤礦開采形成的采空區(qū)上方頂板巖層失去支撐和平衡后會產(chǎn)生變形，以致破壞，產(chǎn)生冒落帶、導水裂隙帶和整體移動帶，造成上覆含水層地下水進入礦坑；由于煤層開采引起的礦山壓力作用，在底板破壞深度范圍之內(nèi)，底板巖層產(chǎn)生大量的裂隙，其連續(xù)性和隔水性受到破壞，下伏含水層地下水直接涌入礦坑，成為礦坑直接充水水源。

3 結(jié)語

張得礦區(qū)二1煤層是以底板充水為主的水文地質(zhì)條件中等礦床。該煤層水文地質(zhì)勘查類型劃分為第三類，第二亞類，第二型。在開采條件下，煤層底板破壞深度范圍內(nèi)，太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙含水層地下水可直接進入礦坑，成為礦床直接充水水源，是礦井事故發(fā)生的最大隱患，也是礦井預防突水的主要對象；太原組下段灰?guī)r和寒武系白云質(zhì)灰?guī)r巖溶裂隙含水層可通過構(gòu)造破碎帶進入礦坑，成為礦床間接充水水源，也應采取相應措施防范突水事故發(fā)生。