隱伏巖溶地下水動態(tài)特征及水文地質模式分析

高宇航，許光泉，黨保全，張海濤，陳國軍，孫 貴

（1.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南232001；2.淮河能源集團 潘二礦，安徽 淮南232088；3.安徽煤田地質局勘探研究院，安徽 合肥230001）

華北煤田因受多期構造地質作用，水文地質條件極其復雜。在巖溶地層內部，裂隙、斷層、陷落柱等儲水與導水構造異常發(fā)育，且地下水具有“高承壓、強富水、且分布不均勻”的特點[1-3]。淮南煤田位于華北煤田南緣，為一隱伏式推覆體構造下的煤田，深部構造巖溶發(fā)育，且與上部煤系地層之間存在一定的水力聯(lián)系，直接威脅到二疊系下部A 組煤安全開采[4-5]。潘二煤礦A 組煤層開采過程中曾因奧陶系陷落柱突水，導致礦井下部水平被淹。因此，查明巖溶水文地質條件，對巖溶水害防治至關重要。目前，探查巖溶水文地質條件主要有地球物理勘探[6-7]，放水試驗[8-10]，水文地球化學特征分析[11]等方法。其中利用放水試驗對地下水動態(tài)進行分析，是獲得灰?guī)r地下水補、徑、排特征、含水層水力聯(lián)系和斷層導（隔）水性直接且全面的手段[8-9]。然而，放水試驗通常在保證礦井正常生產條件下進行，其放水水量一般控制較小，含水層水位變化不明顯，因而揭示的水文地質條件并不一定清楚。

為此以淮南煤田潘二礦2 次放水試驗及“5.25”陷落柱突水等資料為基礎，通過對礦區(qū)太原組C3Ⅰ段灰?guī)r含水層放水試驗及“5.25”奧陶系陷落柱突水過程中水位變化的動態(tài)分析，查清礦區(qū)奧陶系灰?guī)r含水層與太原組C3Ⅰ、C3Ⅱ和C3Ⅲ段灰?guī)r含水層之間的水力聯(lián)系，以及區(qū)內主要斷層的導阻水性，提出疏放條件下巖溶水文地質模式，為礦井巖溶水害防治工作提供參考依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于淮南煤田水文地質單元中區(qū)潘謝礦區(qū)、潘集背斜北翼及其轉折端。地層走向為N55°W～N70°W，地層傾向NE，傾角變化較大。地層自上而下依次為：新生界松散含、隔水層，二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系地層等。其中，二疊系的山西組和上、下石盒子組為含煤地層。區(qū)內主要發(fā)育有F1、F2、F5、F66等較大斷層及F10、DF9和DF1等小斷層。其中F1在研究區(qū)內部為正斷層，走向N50°W～N75°W，傾向S，傾角70°～80°，落差10～218 m；以F1斷層為界，將整個井田分為南部和西部2 個塊段，礦區(qū)水文地質平面圖如圖1，礦區(qū)水文地質剖面圖如圖2。

圖1 礦區(qū)水文地質平面圖Fig.1 Hydrogeological plan of mining area

研究區(qū)從上到下為新生界松散含水層、二疊系煤系砂巖裂隙含水層、石炭系太原組灰?guī)r裂隙巖溶含水層（簡稱太灰含水層）、奧陶系巖溶含水層（簡稱奧灰含水層）、寒武系巖溶含水層（簡稱寒灰含水層）。新生界松散層最下部為黏土該層滲透性低，對上部含水層具有一定阻隔作用。砂巖裂隙含水層以中細砂巖為主，砂巖裂隙發(fā)育，但富水性弱，以靜儲量為主。太原組巖溶裂隙含水層自上而下分為C3Ⅰ組、C3Ⅱ組、C3Ⅲ組，富水性為弱-中等。奧陶系巖溶含水層局部裂隙發(fā)育，具水蝕現象，單位涌水量為0.005 5～1.283 L/（s·m），富水性由弱至強。寒武系含水層鉆孔揭露厚度11.68 m，單位涌水量為0.001 5～0.866 L/（s·m），富水性弱至中等。

研究區(qū)內松散含水層與基巖裂隙含水層之間水力聯(lián)系較弱，A 組煤層開采不受其影響。當A 組煤層開采時，由于底部太原組巖溶裂隙含水層產生破壞，灰?guī)r水是其直接充水水源，此外，下部的奧陶系和寒武系的巖溶水富水性不均，但水壓高，可通過隱伏導水斷層或巖溶構造與太原組灰?guī)r含水層發(fā)生不同程度的水力聯(lián)系，對A 組煤層開采構成安全威脅。

2 試驗及突水情況

2.1 放水試驗

為查明礦區(qū)巖溶水文地質條件，先在南部從2006 年10 月開始，在采區(qū)外圍開始疏放灰?guī)r水，2009 年11 月開始利用-530 m 水平A 組煤層工作面底抽巷道開展C3Ⅰ組灰?guī)r疏放水，同時監(jiān)測各含水層水位動態(tài)變化。2011 年8 月—2011 年12 月，在潘二礦西部，-490 m 水平巷道，且穿過DF1斷層施工A 組煤層工作面的底抽巷道，以此開展C3Ⅰ組灰?guī)r的放水試驗。并以DF1為界，分為東、西兩翼。通過放水和恢復4 個階段試驗，獲得了大量的水量、水位等歷時動態(tài)變化資料，研究發(fā)現西翼淺部巖溶發(fā)育，富水性弱-中等，水文地質條件相對復雜，而東翼富水性弱的結論，并被后期開采所驗證[12]。

2.2 突水情況

2017 年5 月23 日，南部12123 工作面底抽巷聯(lián)絡巷底板開始發(fā)生出水，初始量為15 m3/h，后增大至280 m3/h，最終達到14 500 m3/h，導致礦井水平被淹。突水水溫為40～44 ℃，水質類型為Cl·SO4-Na+K 型。經分析為奧陶系陷落柱突水。突水發(fā)生后，礦區(qū)奧陶系及C3Ⅲ組巖溶水位迅速下降，響應程度好；而C3Ⅰ與C3Ⅱ組灰?guī)r含水層水位變化相對較小。與此同時，相鄰礦井的巖溶含水層水位均出現不同幅度下降，經快速治理后，水位迅速恢復，但未能恢復突水前的水位。

3 巖溶地下水位動態(tài)特征

3.1 疏放條件下南部地下水位動態(tài)

南部-530 m 水平A 組煤層工作面底抽巷道開展C3Ⅰ組灰?guī)r疏放水試驗表明，巖溶含水層均呈不同幅度下降，太原組C3Ⅱ與C3Ⅰ組灰?guī)r含水層水位變化趨勢及幅度較為一致，太原組C3Ⅲ與奧陶系灰?guī)r含水層水位變化幅度較小，南部各灰?guī)r含水層水位動態(tài)如圖3。太原組C3Ⅱ與C3Ⅰ灰?guī)r含水層間水力聯(lián)系極為密切；太原組C3Ⅲ、奧陶系灰?guī)r含水層與太原組C3Ⅰ灰?guī)r含水層也存在水力聯(lián)系，但遠小于太原組C3Ⅱ與C3Ⅰ灰?guī)r含水層間的水力聯(lián)系。

3.2 疏放條件下西部地下水動態(tài)

通過對潘二礦西-490 m 水平A 組煤層工作面底抽巷道開展C3Ⅰ灰?guī)r疏水分析發(fā)現：試驗中，西翼涌水量為25～275 m3/h，在不同階段存在一定的變化；而東翼放水量在17.11～22.48 m3/h，平均為19.21 m3/h，二者之間富水性存在較大差異。西部涌水量及各灰?guī)r含水層水位歷時曲線如圖4。

圖3 南部各灰?guī)r含水層水位動態(tài)Fig.3 Water level dynamics of limestone aquifers in the south

圖4 西部涌水量及各灰?guī)r含水層水位歷時曲線Fig.4 Duration curves of the water inflow and the water level of each limestone aquifer in the west

在試驗過程中各含水層水位均發(fā)生不同程度的響應，各含水層間存在不同程度水力聯(lián)系。其中DF1斷層東側的C3Ⅰ-7 孔水位持續(xù)下降（圖4（a）），不受西翼恢復期影響。DF1斷層附近的C3Ⅰ－6 孔受西翼放水及恢復的影響發(fā)生相應的變化（圖4（b）），存在一定的滯后性；C3Ⅱ-4 孔、C3Ⅲ-4 2 個孔水位對放水與恢復及時響應（圖4（c）），推斷DF1斷層對深部灰?guī)r具有一定導水性。

3.3 突水條件下地下水動態(tài)特征

“5.25”突水期間，隨著涌水量增大，各巖溶含水層水位表現出不同幅度變化，間接折射出自身與相鄰含水層之間的關系，突水條件下各灰?guī)r含水層水位動態(tài)如圖5（橫坐標起始時間3 月20 日）。

圖5 突水條件下各灰?guī)r含水層水位動態(tài)Fig.5 Water level dynamics of each limestone aquifer under water inrush conditions

1）太原組C3Ⅰ灰?guī)r。突水后C3Ⅰ組灰?guī)r水位無明顯下降，部分觀測孔水位（C3Ⅰ-5 孔）存在小幅度不降反升現象，其中變化幅度最大C3Ⅰ-8 孔，降深為61.89 m。總體上該組灰?guī)r水位變化相對較小。

2）太原組C3Ⅱ灰?guī)r。發(fā)生突水后，除DF1斷層附近C3Ⅱ-4 孔外，其他孔水位均無明顯變化。C3Ⅱ-4 孔出水前水位為-46.5 m，突水后降幅為82.02 m，治理后水位回升明顯。分析為DF1斷層對C3Ⅱ灰?guī)r與下部灰?guī)r有導水作用。除局部受斷層影響外，奧灰突水對淺部的C3Ⅱ組灰?guī)r含水層影響較小。

3）太原組C3Ⅲ灰?guī)r與奧陶系灰?guī)r。南部太原組C3Ⅲ灰?guī)r含水層與奧陶系灰含水層間水力聯(lián)系密切，均出現大幅度下降。其中奧陶系灰?guī)r水位觀測孔O-1、O-2 和O-3 孔最大降深均大于300 m；太原組灰?guī)r水位觀測孔C3Ⅲ-1、C3Ⅲ-3 孔最大降深分別為230.12、291.61 m。治理后水位回升快。西部奧陶系灰?guī)r水位觀測孔O-4 孔最大降幅為190.36 m，其它觀測孔水位降幅90 m；C3Ⅲ-4、C3Ⅲ-5 和C3Ⅲ-6觀測孔，降深為68.53～84.59 m。固二者之間存在密切的水力聯(lián)系在某種程度上可概化為同一含水層。

4 水文地質單元模式

4.1 斷層導隔水性

4.1.1 F1斷層

F1為礦區(qū)西部與南部分界斷層，存在多分支，落差較大，斷層下盤（西部）為太灰、奧灰地層與上盤（南部）煤系地層對接。通過斷層帶水文地質勘探發(fā)現，該段巖心較為破碎，發(fā)育裂隙，局部裂隙被方解石脈充填，破碎帶存在一定的膠結性，泥巖存在明顯揉皺現象。通過E3，E7和E83 個孔對斷層帶進行抽水試驗，單位涌水量遠小于0.1 L/（s·m）。E3抽水，同時對位于下盤的C3Ⅰ-6 孔、C3Ⅱ-4 孔、C3Ⅲ-4 孔、O-4 孔孔行同步觀測，各觀測孔的水位變幅小。

在“5.25”突水時，西部奧灰水位下降幅度為73.71～190.36 m，C3Ⅲ組水位降幅為68.53～84.59 m，均出現大幅度下降，下降幅度雖小于南部，但也足以說明F1斷層對太原組C3Ⅲ灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r含水層存在導水作用。

通過勘探與突水水位變化分析，F1本身富水性極弱，導水性整體較差,對太原組C3Ⅰ、C3Ⅱ灰?guī)r含水層具有阻水作用，而對太原組C3Ⅲ灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r含水層存在導水。

4.1.2 DF1斷層

在潘二礦西部放水試驗前，位于DF1斷層東側C3Ⅰ-6 孔水位出現2 次突降：第1 次水位由-54.88 m 降至-113.35 m，降深58.47 m，平均日降深為3.65 m，為DF1斷層東側鉆窩中鉆孔施工出水影響；第2次水位由-117.905 m 陡降至-243.965 m，降深126.06 m，平均日降深2.03 m，為DF1斷層東側鉆場中鉆孔施工出水共同影響。在潘二礦西部放水試驗過程中，以DF1斷層為界，兩側涌水量存在明顯差異，西翼為25～275 m3/h，東翼為17.11～22.48 m3/h。東側C3Ⅰ-6 孔水位變化存在一定的滯后現象，C3Ⅱ-4、C3Ⅲ-4 孔水位響應迅速。

在突水條件下，位于DF1斷層附近的太原組C3Ⅱ灰?guī)r含水層觀測孔C3Ⅱ-4 孔水位出現明顯下降，研究區(qū)內其他太原組C3Ⅱ灰?guī)r含水層觀測孔水位無明顯變化，分析為DF1斷層，對太原組C3Ⅱ、C3Ⅲ灰?guī)r及奧陶系灰?guī)r含水層具有導水作用。因此，DF1斷層對不同層位具有不同導、阻水性，對于太原組C3Ⅰ灰?guī)r而言，為阻水斷層，對于下部灰?guī)r則具有一定導水性。

4.2 巖溶水文地質模式

F1和DF12 條斷層在太原組C3Ⅰ灰?guī)r含水層段均為阻水斷層，在太原組C3Ⅲ灰?guī)r與奧灰含水水層段為導水斷層。因此，可將研究區(qū)太原組C3Ⅰ灰?guī)r含水層分為I 區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)3 個區(qū)塊。太原組C3Ⅲ灰?guī)r與奧灰含水水層水力聯(lián)系極為密切，且無阻水斷層，將其視為1 個整體。潘二礦未來疏放下巖溶水文地質模式如圖6。

圖6 潘二礦未來疏放下巖溶水文地質模式Fig.6 Karst hydrogeological model of future dredging condition of Pan’er Coal Mine

1）Ⅰ區(qū)。為煤系地層覆蓋的單斜巖溶含水層，地下水表現為側向水平運動為主和垂向運動為輔，與C3Ⅱ組灰?guī)r含水層水力聯(lián)系較為密切，與下部其他巖溶含水層水力聯(lián)系相對較差。

2）Ⅱ區(qū)。在放水試驗過程中具有鉆孔出水量小，水位降速快、降幅大等特征，富水性弱，主要通過DF1及DF9斷層，來自露頭區(qū)灰?guī)r的側向補給，但補給條件相對較差。

3）Ⅲ區(qū)。靠近背斜核部裸露區(qū)，巖溶及構造裂隙發(fā)育，富水性相對較強，疏放期間地下水徑流條件好，地下水主要來西翼的露頭區(qū)，并通過DF1斷層，接受下部灰?guī)r一定的補給。

4）太原組C3Ⅲ灰?guī)r與奧灰含水層水力聯(lián)系極為密切，在突水過程中周邊礦井太原組C3Ⅲ灰?guī)r與奧灰含水層水位均發(fā)生大幅度下降，太原組C3Ⅲ灰?guī)r與奧灰含水層存在一定范圍的補給。

5 結 論

1）在對太原組C3Ⅰ灰?guī)r含水層進行疏放水過程中，奧陶系灰?guī)r含水層與太原組C3Ⅲ灰?guī)r含水層無明顯響應；在奧灰陷落柱突水過程中，太原組C3Ⅰ和C3Ⅱ段灰?guī)r含水層水位無明顯變化，而太原組C3III 灰?guī)r含水層水位發(fā)生及時的響應。

2）奧陶系灰?guī)r含水層與太原組C3Ⅲ灰?guī)r含水層之間存在密切水力聯(lián)系，2 個含水層水位響應和變化幅度近乎一致，而與太原組C3Ⅰ和C3Ⅱ段灰?guī)r含水層間水力聯(lián)系弱，含水層之間響應不明顯。

3）F1斷層在太原組C3Ⅰ和C3Ⅱ段灰?guī)r含水層中為阻水斷層，而在太原組C3Ⅲ段和奧陶系灰?guī)r含水層為導水斷層；DF1斷層在太原組C3Ⅰ段含水層為阻水斷層，而在太原組C3Ⅱ、C3Ⅲ段和奧陶系灰?guī)r含水層中為導水斷層。