甘肅環縣馬福川煤礦水文地質特征及涌水量預測

李麒麟

（甘肅省地質礦產勘查開發局第三地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730050）

馬福川煤礦位于甘肅省慶陽市環縣西南50km處（如圖1 所示），煤礦礦區南北長15.25km，東西寬約4.22km，面積64.29km2。主要開采煤有6 層，含煤地層為中侏羅統延安組（Jy）,含煤地層平均厚度301.25m,煤層累計平均總厚度19.56m，共含10 個煤組。

圖1 交通位置圖

1 礦區地層巖性及煤層

礦區發育的地層自老而新有三疊系、侏羅系、白堊系和第四系[1](表1)。延安組（Jy）是本礦區的含煤地層，為一套陸相碎屑巖沉積，煤層自上而下編號分別為煤1 層（組）、煤2 層（組）、煤3 層（組）、煤4 層（組）、煤5 層（組）、煤6 層（組）、煤7 層（組）、煤8 層（組）、煤9 層、煤10 層。主要開采煤1-1、2-1、3-1、3-1、5-1、7-1、8-3 層。

表1 地層系統及巖性特征表

2 礦區構造地質特征

區域地質構造處于鄂爾多斯盆地西緣斷褶帶的次級構造帶-沙井子斷褶帶的中部，構造線方向呈近南北向、S 形彎曲[2]。其內發育斷裂及褶曲構造。沙井子斷褶帶東以萌城-張家山逆斷層（F1）為界，西以青龍山-彭陽逆斷層（F2）為界（圖2），具有東西向高低分帶明顯、北高南低、東高西低的特點。萌城-張家山

逆斷層[2-3]（F1）北起萌城以北（向北與惠安堡大斷裂相連），向南經羅家川、老南湫子東、花家灣西、馬福川沙井子背斜東側、車道坡，馮莊、在城陽和大小龍河一帶減緩，全長184km 以上。為一斷面西傾向東仰沖之壓性大斷裂，傾角一般40～50°；青龍山-平涼逆斷層[2-3]（F2）是沙井子斷褶帶西緣大斷層，北起青龍山東側（向北繼續延伸），向南經羅洼、王洼、彭陽、直抵平涼。全長180km 以上，為一延伸長、斷距大、切穿深的大斷裂。斷面西傾，向東仰沖，斷面傾角60～70°是對沙井子斷褶帶起控制作用的區域性大斷裂。礦區內發育有三條背、向斜，皆呈有規律的南北向展布及反“S”型彎曲，背、向斜軸間距2.5～3km。從東向西依次為劉園子西側背斜、井臺子向斜、香煙壕背斜。從東向西依次為劉園子西側背斜、井臺子向斜、香煙壕背斜[3](如圖2 所示）。

圖2 構造綱要圖

劉園子西側背斜，由北向南軸向由北東10°轉為北東20°，再轉為南西30°到南西20°，呈“S”型，該背斜向南抬升，向北傾伏。兩翼不對稱，東翼陡，傾角15°～25°，西翼較緩，傾角12°～18°。背斜東西寬約1.5km，南北長30km；井臺子向斜與劉園子西側背斜平行。由北向南向斜軸由北西5°轉為南西23°、南西38°礦區內南北延伸約15km；香煙壕背斜位于礦區西部，背斜軸部軸向由北向南由北東3°到南西20°，東翼地層傾角8°～15°，礦區內延伸5.2km。

3 礦區水文地質特征

3.1 含水層

礦區根據地層含水特征，地下水分為第四系松散巖類孔隙裂隙潛水和前第四系承壓水兩大類。

3.1.1 第四系松散巖類孔隙裂隙潛水

第四系松散巖類孔隙裂隙潛水主要為卵礫石潛水，只是在局部三級階地階面稍大的有利部位，有地下水分布，呈泉群狀涌出，流量1.8L/s。水化學類型為SO4·Cl-Na·Mg 型水；pH 值7.9，為中性水；礦化度2774.5mg/L，為微咸水；總硬度1061.0mg/L，屬極硬水，水質較差。

3.1.2 前第四系承壓水

分布于全區，賦存于下白堊統志丹群砂巖、砂礫巖、中侏羅統及上三疊統延長群砂巖中。

1）下白堊統志丹群孔隙裂隙承壓含水層。志丹群含水層總厚度在65－217m，平均145m，北部較薄，南部較厚。由于巖層膠結較為致密，孔隙、裂隙發育程度較差，因此在區內為一富水性極弱的含水層。地下水水化學類型為SO4·Cl-Mg·Na 或SO4·Cl-Na 型水；pH 值7.9-8.1，為中性或弱堿性水；礦化度2662.9-3805.6mg/L，為微咸水-咸水；總硬度725.7-1376.2mg/L，屬極硬水。

2）中侏羅統安定組、直羅統、延安組孔隙裂隙承壓含水層。含水層巖性為砂巖，為一復合型承壓含水層。安定組砂巖總厚20－288m，平均88m；砂巖占地層總厚13%～89%，平均54%。直羅組各粒徑砂巖總厚5～266m，平均45m；砂巖占地層總厚12%～93%，平均55%。延安組各粒徑砂巖總厚28～257m，平均162m；砂巖占地層總厚34%～81%，平均61%。局部地段分布有下侏羅統富縣組砂巖承壓含水層。由于砂巖膠結程度好，孔隙、裂隙發育程度差，在周邊沒有含水層出露地表，補給條件差，其含水性屬極弱含水層，或為一相對隔水層。

3）上三疊統延長群孔隙裂隙承壓含水層：含水層巖性為各粒徑砂巖，砂巖比率占鉆孔揭露地層的54%～100%，平均94%。由于砂巖膠結程度好，孔隙、裂隙發育程度差，致使其補給條件差，富水性極弱，含水層的富水性有由西北向東南增強的趨勢。

含水層厚度175.25～199.08m，滲透系數0.000135～0.00144m/d，涌水量0.21～19.09m3/d，單位涌水量0.0067～0.342m3/d·m（0.000077～0.00396L/s·m）。地下水水化學類型為SO4·Cl-Na 型或SO4·Cl～Na·Mg 型水；pH 值7.0～8.1，為中性水；礦化度1852.5～1927.0mg/L，為微咸水；總硬度580.5～1040.9mg/L，屬極硬水。

3.2 隔水層（相對隔水層）

根據巖性特征本區可劃分為相對隔水層的巖層有下白堊統志丹群第二段、中侏羅系中統安定組、直羅組、延安組；侏羅系下統富縣組及三疊系上統延長群地層中的泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖、煤層。

3.2.1 下白堊統志丹群第二組（Kzh2）

由紫紅色薄層狀砂質泥巖夾薄層紫紅色、灰棕色中厚層狀中砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥巖。平均厚度為120.m。可作為上下含水層的相對隔水層。

3.2.2 侏羅系下統富縣組相對隔水層（Jf）

以紫紅、紫雜及淺灰綠色泥巖、粉砂質泥巖和粉砂巖為主，厚度6.76-60.14m，平均36.02m。可作為上下含水層的相對隔水層。

3.2.3 三疊系上統延長群隔水層（Tyn）

該層為煤系地層的基底，厚度不詳。巖性以灰綠色、灰色細砂巖、粉砂巖、泥巖為主，隨埋深增加，富水性減弱，視為隔水層。

3.3 礦井充水因素分析

3.3.1 地表水

馬福川溝谷煤層距地表370～785m，導水裂隙帶最大高度在17.62m 和60.15m；因此，地表水對未來礦坑充水影響很弱，地表水對礦井充水僅構成間接充水含水層。

3.3.2 地下水

各煤層開采后所形成的導水裂隙帶高度均在各煤層露頭地帶淺部和各煤層露頭地帶，涉及白堊系下統志丹群承壓含水層，白堊系下統志丹群承壓含水層構成向礦井充水的直接充水含水層，而該含水層是井田內富水性較其他含水層相對較強的含水層，因此在未來開采各可采煤層時，白堊系下統志丹群承壓含水層是礦井充水的主要來源。

白堊系下統志丹群承壓含水層在向斜的中部地區構成向礦井充水的間接充水含水層，在向斜的中部地區由于侏羅系承壓含水層屬一富水性極弱的含水層，且夾多層泥質巖，孔隙裂隙發育程度差，致使白堊系下統志丹群承壓含水層向礦井充水能力在向斜中部地區明顯減弱。

侏羅系承壓含水層在開采各煤層時，直羅組和安定組一般構成間接充水含水層，延安組以頂底板方式構成向礦井充水直接充水含水層，主要以頂板充水方式為主，但該含水層含水性極弱，以凈貯量為主，因此，對礦井充水影響很弱。

三疊系承壓含水層只在水平運輸大巷中直接揭露，構成向礦井充水直接充水含水層，該含水層具較高承壓水頭，但該含水層導水性、富水性均較差，為極弱含水層，涌入礦坑水量較小。在其他部位，開采各煤層時，構成向礦井以底板方式充水的間接充水含水層，對礦井充水影響很弱。

4 礦井涌水量計算

井田規劃為6.0Mt/a 豎井，未來擬定首采煤層為煤1-1 層。礦井水將主要來自侏羅系承壓含水層。現根據井田特征和已掌握的水文地質資料，對首采區煤1-1 層采用地下水動力學（大井法），進行礦井涌水量預算[4]。

4.1 煤層頂板承壓含水層涌入礦坑中水量計算（Q頂）

4.1.1 計算公式（采用承壓轉無壓完整井公式）

式中:Q——進入礦坑系統水量（m3/d）；

K——滲透系數（m/d）；

H——承壓水頭高度(m)；

M——承壓含水層厚度（m）；

R0——礦坑系統引用影響半徑（m）；r0——礦坑系統引用半徑（m）。

4.1.2 計算參數

選自502 和H708 號勘探孔計算，K=（0.00242+0.0000135）/2=0.00122m/d，H=250.82 +615.88=433.35m，M=24.38+26.3=25.34m(統計至直羅組底)。

因礦坑長寬之比a：b=4281：1810=2.4，所以，r0=（開采面積/π）1/2=(7733740m2/π)1/2=885.7m。R0=r0+10S(K)1/2=1037.1m。

4.1.3 計算結果：

Q頂=518m3/d。

4.2 煤層底板承壓含水層進入礦坑系統涌水量（Q底）

4.2.1 計算公式（采用承壓水非完整井公式）

式中：Q——進入礦坑系統水量（m3/d）；

K——滲透系數（m/d）；

M——含水層有效帶厚度（m）；

L——井筒井壁進水部分長度（m）；

RO——巷道系統引用影響半徑（m）；

ro——巷道系統引用半徑（m）。

4.2.2 計算參數

選自502 和H708 號孔，K=（0.00242+0.0000135）/2=0.00122m/d，S=250.82+615.88=433.35m，L=5m，M=30m。

r0=（F/π）1/2=(7733740m2/π)1/2=885.7m。R0=r0+10S(K)1/2=1037.1m。

4.2.3 計算結果：

Q頂=300m3/d。

4.3 礦坑系統總涌水量（Q總）

Q總=Q頂+Q底=818m3/d。

馬福川煤礦位于鄂爾多斯盆地西緣斷褶帶，礦區地質構造簡單，水文地質條件簡單，向礦井充水含水層均為承壓含水層，地下水水位動態變化隨季節變化不明顯，向礦井直接充水含水層富水性極弱，礦井涌水量較穩定，為818m3/d，有利于煤礦的開采。