回坡底煤礦奧陶系灰巖含水層水文地質條件評價

王 勇，吳 麗，劉佳妍

（河南城建學院 市政與環境工程學院，河南 平頂山 467041）

0 引 言

煤礦水害是嚴重影響煤礦安全的重大災害之一，主要表現為礦井涌水、突水。礦井涌水會對巷道開拓和工作面回采產生不同程度的影響，若演變為礦井突水，則可能造成重大人員傷亡事件甚至淹井事故[1-3]。因此，分析煤礦水文地質條件和研究充水含水層水文地質特征，對保障煤礦安全、高效、綠色生產具有重要意義。

國內外學者在煤礦水文地質方面開展了大量研究工作。史先志分析了張雙樓煤礦主采煤層頂板砂巖裂隙含水層的富水規律，確定含水層為主采煤層頂板涌水的直接來源[4]；繆協興等綜合運用巖相古地理分析法與水文地質分析法，對某煤礦不同類型的水文地質結構特征、地下水分布與循環規律進行研究[5]；任虎俊等采用瞬變電磁法探測某煤礦3 號煤層頂板含水層的富水性，并基于解析法和富水系數法對首采工作面和井底車場的涌水量進行預測和評價[6]；郭天輝等對某煤礦水文地質條件進行分析和評價，認為直羅組砂巖裂隙水是煤礦主采煤層的主要充水水源，冒落帶和導水裂縫帶為主要導水通道[7]；孟凡寫等運用瞬變電磁法探測某煤礦主要含水層的富水性，并對含水層的富水性進行分區評價[8]。

本文在分析回坡底煤礦水文地質條件基礎上，采用地下水化學動力學和水文地球化學基本理論和方法，對奧陶系灰巖含水層的水文地質、水動力學和水化學特征進行定性分析和定量評價，為回坡底煤礦制定科學合理的防治水措施提供依據。

1 水文地質條件分析

回坡底煤礦隸屬于山西焦煤霍州煤電集團有限公司，設計生產能力達到了120 萬t/a，開采最大深度為570 m，未來主要開采11 號煤層。煤礦發育的煤系含水層主要包括太原組石灰巖巖溶裂隙含水巖組和奧陶系中統石灰巖溶隙含水層。其中，K2 石灰巖是太原組石灰巖的主要巖溶含水層，是11 號煤層上覆直接充水含水層，厚2.75～11.40 m，平均厚8.90 m，水質類 型HCO3·Cl-(K+Na)·Ca、HCO3·Cl-Na，礦化度715～997 mg/L，屬于弱-中等富水性。奧陶系石灰巖溶隙含水層（O2）是11號煤層下伏主要含水層，水位標高517.5—540 m，造成11 號煤層局部帶壓開采，且開采范圍內存在斷層、陷落柱等破碎構造。因此，O2含水層是煤礦未來生產的主要水害隱患。

2 O2 含水層水文地質條件評價

2.1 水化學類型劃分

O2含水層是研究區11 號煤層帶壓開采條件下有突水威脅的主要含水層。依據O2含水層水質資料，按舒卡列夫水化學分類標準進行分類，水化學類型分區如圖1 所示。

圖1 O2 含水層水化學類型分區Fig.1 The zoning of hydrochemical type of O2 aquifer

HCO3-Ca·Mg 型水分布區（I 區）分布于研究區北部，分布面積不大，呈北東向的條帶，往東礦化度逐漸增高，區內只有HS-6 號孔水化學類型為HCO3·Cl-Na·Ca 型，礦化度791 mg/L，說明該區段地下水徑流緩慢，為水質差的深埋區；HCO3·SO4-Na·Ca 型水分布區（II 區）分布于HCO3-Ca·Mg 型水分布區（I 區）和SO4·HCO3-Ca·Mg 型水分布區（III 區）之間的狹長地帶；SO4·HCO3-Ca·Mg型水分布區（III 區）分布在研究區中南部廣大地區，區內只有HS-1 號孔水質類型為SO4·HCO3-Ca·Na，礦化度在700～1 110 mg/L；SO4·Cl-Ca·Mg 型水分布區（IV 區）分布于井田北東部，范圍很小，區內只有HS-8 號孔為SO4·Cl-Ca·Na 型，礦化度0.855 mg/L。由此可見，O2含水層總體上由南向北水質類型變化依次為SO4·HCO3-Ca·Mg→HCO3·SO4-Na·Ca→HCO3-Ca·Mg→SO4·Cl-Ca·Mg，礦化度逐漸增大，表明O2巖溶含水層隨埋深增加而發生如此變化。

2.2 水化學環境分析

根據地下水動力學和水文地球化學基本理論，選擇表示化學勢場的水化學指標離子活度(ai)、礦物溶沉飽和指數(βj)作為水化學環境分析因子。離子活度(ai)和礦物溶沉飽和指數(βj)不僅受上述純化學作用的控制，同時也受地質構造和水文地質條件的影響。根據O2含水層水文孔和水井的水質監測資料，運用水文地球化學計算方法[9]，求出方解石、白云石、石膏和巖鹽等代表性礦物的活度及溶沉飽和指數，分別表示為aCa2+和βc、aMg2+和βd、aSO42-和βg、aCl-和βh，見表1。結果表明，只有位于研究區東北部的HS-8 號水文孔的βc和βd大于1，其余水文孔的βc和βd小于1，說明研究區東北部O2含水層埋藏較深，封閉性良好，石膏、巖鹽繼續溶解；研究區大部分O2含水層埋藏較淺，封閉性不良，巖溶較發育，為方解石、白云石、石膏、巖鹽全溶區段。

2.3 水動力場和水化學場特征分析

（1）水力學指標表示的水動力場。

研究區總體上為一由北向南徑流的地下水流場，井田內水位標高517.5—540.0 m。北部、西北部碳酸鹽巖裸露區，巖溶水接受大氣降水補給和河道滲漏補給。北部巖溶水由北向南流向為郭莊泉巖溶水統的主徑流帶。

（2）水化學指標表示的水化學場。

根據研究區水動力場特征，ai和βj值隨著徑流路徑的增長或埋深的增加逐漸增大。從總體上看，研究區為傾向北西的緩傾斜單斜構造，北部及西北部碳酸鹽巖出露于地表，構成O2含水層的補給區，地下水由北向南或由西北向東南方向徑流。βc≤1的區段，地下水徑流較快，為礦物的全溶區段；βc>1 的區段，地下水徑流緩慢，說明該區段為封閉或半封閉的還原環境。βd、βh分布特征與βc分布規律相似。

基于地下水動力學和水文地質地球化學的基本理論，通過水化學指標可以推算出滲透系數及導水系數的水文地質化學動力學常數[10]，經擬合疊加，分別計算O2含水層的滲透系數K、導水系數T、地下水流速u 和地下水年齡t 等水文地質參數，結果見表2。

表2 O2 含水層水文地質參數計算Table 2 Calculation of hydrogeological parameters of O2 aquifer

2.4 水文地質條件定量評價

2.4.1 O2含水層透水性評價

為研究和評價O2含水層透水性，根據水文地質參數計算結果，按下列間距進行分級：I 區含水層透水性弱，K＜1.0 m/d；II 區含水層透水性中等，1.0 m/d≤K≤2.5 m/d；III 區含水層透水性強，2.5 m/d＜K。根據上述級差，對研究區含水層透水性進行分區，如圖2 所示。根據抽水試驗相關資料，滲透系數K 最大為2.98 m/d，最小為0.149 m/d，反映出研究區巖溶發育的不均一性，滲透系數在北部及西北部較小，往南部逐漸增大。

圖2 O2 含水層滲透系數分區Fig.2 The zoning of permeability coefficient of O2 aquifer

含水層透水性分布規律：①含水層透水性弱區（I）分布在北部柴家垣小峪里一線，由于上團柏層的作用，使O2埋藏較深，巖溶水失去了發育的水文地質條件，透水性弱；②含水層透水性中等區（II）分布于前河村一帶，表明含水層埋深由淺至深過渡；③含水層透水性強區（III）分布在南部及東部，緊鄰II 區延伸，反映O2埋藏變淺，易于巖溶發育，主要接受北部及西北部巖溶水的補給，形成一個中等徑流帶。

2.4.2 奧灰含水層導水性評價

為研究和評價O2含水層導水性，根據水文地質參數計算結果，按下列間距進行分級：I 區含水層導水性弱，T＜50 m2/d；II 區含水層導水性中等，5 m2/d≤T≤180 m2/d；III 區含水層導水性強，180 m2/d＜T。根據上述級差，對研究區含水層導水性進行分區，如圖3 所示。

圖3 O2 含水層導水系數分區Fig.3 The zoning of water conduction coefficient of O2 aquifer

2.4.3 O2含水層水循環交替條件評價

為研究和評價O2含水層水循環交替條件，根據水文地質參數計算結果，按下列間距進行分級：I 區地下水循環交替慢，t＞200 a、u＜100 m/a；II區地下水循環交替中等，200 a≥t≥50 a、100 m/a≤u≤1 000 m/a；III 區地下水循環交替快，t≥50 a、1 000＜u。根據上述級差，對研究區含水層水循環交替條件進行分區，如圖4 所示。

圖4 O2 含水層水循環交替條件分區圖Fig.4 The zoning of hydrological cycling condition of O2 aquifer

研究區北部及西北部地下水循環交替逐漸放慢，南部及東部循環地下水循環交替加快，這與研究區地質環境相吻合。水循環交替條件分布規律：①地下水循環交替慢區（I）分布于在北部柴家垣小峪里一線，地下水實際速度小于100 m/a，經過200 a 以上循環交替一次，說明該區地下水處于近停滯狀態；②地下水循環交替中等區（II）分布于井田內前河村、回坡底一帶中部大部的較寬條帶內，地下水實際流速100～1 000 m/a，地下水50～200 a 循環交替一次，為一相對封閉的滯流帶；③地下水循環交替快區（III）分布于南部及東部地區，地下水流速大于1 000 m/a，地下水小于50 a循環交替一次，為一地下水含水層埋藏淺，水循環交替快區。

綜上所述，不同的水文地質參數，描繪出相同的地質構造的控水作用。研究區南部及東部區段K、T、u 值較大，t 值較小，說明該區段為含水層埋藏較淺，地下水運動較快，巖溶發育；研究區中部波浪狀條帶內，K、T、u 值稍大，而t 值則稍小，說明該區段巖溶比較發育，形成一中等的地下水徑流帶；研究區北及西北部，K、T、u 值較小，而t 值較大，說明該區段地下水含水層埋藏深，地下水徑流緩慢，巖溶不發育；研究區的南部和西南部，由于缺少點的控制，精度相對降低，但仍反映了研究區的水文地質及構造特征。即研究區總體上為一向北方向緩傾斜的單斜構造，K、T、u 和t 值變化規律符合研究區地質構造和水文地質特征。

3 結 論

在分析回坡底煤礦水文地質條件基礎上，采用地下水化學動力學和水文地球化學基本理論，對奧陶系灰巖含水層的水文地質、水動力學和水化學特征進行定性分析和定量評價，得出如下結論。

（1）奧陶系灰巖含水層是回坡底煤礦未來生產的主要水害隱患；奧陶系灰巖含水層由南向北水質類型變化依次為SO4·HCO3-Ca·Mg →HCO3·SO4-Na·Ca→HCO3-Ca·Mg→SO4·Cl-Ca·Mg。

（2）研究區南部及東部含水層埋藏較淺，透水性較強，地下水徑流較快，巖溶較發育；中部波浪狀條帶范圍內巖溶比較發育，形成一中等的地下水徑流帶；北部及西北部含水層埋藏較深，透水性較弱，地下水徑流緩慢，巖溶不發育，符合研究區總體地質構造發育特征。