祁南煤礦某采區(qū)新生界含水層與隔水層分布特征及其水力聯(lián)系分析

中圖分類號(hào)：P641 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）19-0097-04

Abstract：Minewater，aprimaryconcernincoalresourceextraction，posesasignificantthreat toconstructionsafety.The coal-bearingstrataintheQinanminingareaarecoveredbyathickandlooselayerofCenozoicsedimentsstoringgroundwater. ThisstudyexploresthehydrogeologicalconditionsoftheCenozoiclooselayerinaspecificminingareaoftheQinancoalmine， focusingonthedepthanddistributionofancientiverchannelswithintheCenozoic.Utilizingregionalgeologicaldrilingdataand loginginformationanaalysisftelitholgyofCenozicsdimentsisonductedaquifes/aquitardsarecategorizedandtir hydraulicconnectionsarediscussed.TheinvestigationrevealsthepresenceoffouraquifersandthreeaquitardsintheCenozoic loselayer.Thefrstaquiferexhibitscharacteristicsofacompositepore-typegroundwatertoaweaklypresurizedaquiferwhile thelowerthreeaqifersareidentifiedaspressrizedaquifers.Ananalysisofhydraulicconnectionsidentifiesthewidespreadand stableditributionofthethirdaquifer，leadingtothelossofhydraulicconnectionsbetweetheupperaquiferandthefourth aquifer.Asaresult，theupperaquiferhasnodirectimpactonminerecovery.Waterfromthefourthaquiferinfitratesthemine throughfracture zones，establishing itas the primarysourceof waterdamage for shalowcoal mining under bedrock.

Keywords：Qinan coal mine; aquifer; aquitard; hydraulic connection; confined aquifer

煤炭是我國(guó)的重要基礎(chǔ)能源，巨大的需求量也促使煤礦的開(kāi)采規(guī)模與日俱增。礦井水對(duì)開(kāi)采煤炭資源的安全構(gòu)成威脅，是各類災(zāi)害之首，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡↓。隨著煤礦資源開(kāi)采強(qiáng)度的增大、深度的增大、規(guī)模的增大，水害問(wèn)題也日益突出[-3。我國(guó)煤系地層，特別是華北、華東區(qū)域煤系地層上部多發(fā)育較厚松散層，其含水層對(duì)礦井的安全生產(chǎn)產(chǎn)生很大影響[4-5]。通過(guò)研究祁南煤礦某采區(qū)新生界含水層、隔水層的分布特征以及各含水層之間的水力聯(lián)系，為后續(xù)區(qū)域水文地質(zhì)補(bǔ)勘工作以及含水層富水性等研究工作起到鋪墊作用，對(duì)下一步淺部煤層開(kāi)采以及水害治理具有指導(dǎo)作用，此外，對(duì)提高煤礦生產(chǎn)安全性具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 區(qū)域概況

1.1 地理位置特征

祁南煤礦，在地理位置上處淮北平原中部，地勢(shì)平坦，地表標(biāo)高均值約 22m^[6] 。交通便利，屬淮河流域。其間村莊密布，多灌溉農(nóng)田，區(qū)域流經(jīng)會(huì)河、澥新河，流量較為穩(wěn)定。全區(qū)全年氣候較為溫和，為北溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，四季變化明顯，春秋季節(jié)溫和，夏季雨水較多，冬季寒冷干燥。降雨量年平均值為766mm ，其中7、8月份為雨量集中月份。

1.2地質(zhì)構(gòu)造特征

礦區(qū)北鄰桃園礦，東接祁東礦（圖1）。在地質(zhì)構(gòu)造上，位于宿南向斜的西南部，宿南背斜的東南部，板橋斷裂的北部。近南北走向，長(zhǎng)度約 3.5km ，東西向平均寬度約 1km ，面積達(dá) 3.69km² ，為一弧形單斜構(gòu)造。區(qū)域中東部發(fā)育褶皺，北部地層傾角明顯較陡，中東部較為平緩。煤系地層形成之后，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)構(gòu)造演化階段，形成了初始地形，而后通過(guò)風(fēng)化、剝蝕等地質(zhì)作用，最后形成了參差不平的沉積基底，即如今沉積環(huán)境的基巖面。

1.3 地層沉積特征

研究區(qū)沉積地層由下而上主要為奧陶系，石炭系太原組，二疊系山西組、石盒子組，古近系，新近系以及第四系更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。其中第一含水層、第一隔水層，第二含水層、第二隔水層處于第四系地層，第一含水層主要巖性為粉砂、細(xì)砂、細(xì)粉砂，偶見(jiàn)中砂，第一隔水層主要巖性為黏土、砂質(zhì)黏土，夾有薄砂層，第二隔水層巖性以淺棕紅色及黃色砂質(zhì)黏土為主，局部夾薄層黏土質(zhì)砂；第三含水層、第三隔水層處于新近系地層，第三含水層巖性以棕黃色、淺灰白色、灰黃色粉砂、中砂、細(xì)砂為主，夾砂質(zhì)黏土，第三隔水層巖性以淺棕黃色、灰綠色砂質(zhì)黏土為主，夾較薄砂層多層；第四含水層處于古近系松散層地層，直接覆蓋于基巖下各含水層之上，第四含水層巖性比較復(fù)雜，以黏土質(zhì)礫石、粗砂礫、黏土質(zhì)砂為主，夾黏土、砂質(zhì)黏土、鈣質(zhì)黏土。

礦區(qū)風(fēng)氧化帶處基巖面下，平均厚度為 20m ，由強(qiáng)風(fēng)化泥巖以及砂巖組成，抗壓強(qiáng)度較低，其中泥巖呈高嶺土狀，砂巖呈松散狀。受到組成巖性的不同、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響以及地下水流動(dòng)的因素的控制，礦區(qū)不同采區(qū)風(fēng)氧化帶厚度存在明顯差異，一般而言，泥巖、砂巖出露區(qū)風(fēng)氧化帶厚度往往比煤層出露區(qū)厚度大。

2含水層與隔水層分布

祁南礦區(qū)某采區(qū)煤系地層均被新生界巨厚松散層所覆蓋，通過(guò)資料統(tǒng)計(jì)，可劃分為4個(gè)含水層和3個(gè)隔水層。其中第一含水層為潛水含水層，受到地表水系以及降雨的影響較大，分布穩(wěn)定。第二、第三、第四含水層都是承壓含水層，其中第二含水層在研究區(qū)內(nèi)不發(fā)育，第三含水層整體厚度較大，出現(xiàn)連續(xù)的砂體沉積，富水性較好，第四含水層泥質(zhì)含量高，富水性弱。含水層之間依次分布了3個(gè)隔水層，分別為第一、第二、第三隔水層，其中第一隔水層隔水性在研究區(qū)內(nèi)分不均，第二隔水層在研究區(qū)內(nèi)厚度變化較大，整體隔水性能較好，第三隔水層在研究區(qū)內(nèi)厚度大，隔水性能較好。現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔巖芯和測(cè)井解釋得到巖芯，對(duì)含隔水層進(jìn)行劃分，對(duì)各含、隔水層分別描述

2.1第一含水層、第一隔水層

第一含水層頂板埋深大約 3～5m ，含水砂層總厚15～20m ，平均厚 17m ，底板埋深 24～36m ，該含水層位于新生界松散層最上部，與地表水系聯(lián)系緊密。由于上覆沒(méi)有隔水頂板，該含水層不具承壓性，主要巖性為粉砂、細(xì)砂、細(xì)粉砂，偶見(jiàn)中砂。分析可能為近地表接受的風(fēng)化搬運(yùn)剝蝕作用比較強(qiáng)烈，顆粒較粗的砂石難以留存。根據(jù)鉆孔柱狀圖（圖2）分析，該含水層主要有2種沉積模式：第一種為較厚的砂層連續(xù)沉積中間夾有較薄的黏土層；第二種是砂層與黏土層交互沉積，且砂層厚度略小于黏土層厚度。本組在整個(gè)采區(qū)分布較為穩(wěn)定，上部為潛水區(qū)，下部一般為弱承壓區(qū)。

第一隔水層底板埋深 38.10～61.9m ，平均 45.04m 隔水黏土層厚 5.9～19.70m ，平均厚 10m 。第一隔水層主要巖性為黏土、砂質(zhì)黏土，其間夾有薄砂層。在研究區(qū)西南部和東部，依據(jù)鉆孔揭露，第一隔水層沉積有厚度較大的細(xì)砂層甚至中砂層，致使部分隔水層具有弱透水性。在研究區(qū)中部地區(qū)，隔水層厚度大，隔水性能相對(duì)較好，導(dǎo)致其下部含水層與第一含水層間的水力聯(lián)系被阻斷。

2.2第二含水層、第二隔水層

第二含水層是承壓含水層，且為孔隙型承壓含水層，底板埋深 71.10～104.10m ，平均 85.04m ，含水砂層厚 7.10～36.85m ，平均厚 15m 。該含水層在研究區(qū)不太發(fā)育，僅在西北部中可見(jiàn)連續(xù)沉積的砂層中間夾有少量黏土。在研究區(qū)南部可見(jiàn)砂層間伴有較厚的黏土層。

第二隔水層底板深度 89.00～107.10m ，平均值約97.30m 。隔水層厚度 3.10～21.35m ，巖性以淺棕紅色及黃色砂質(zhì)黏土為主，局部夾薄層黏土質(zhì)砂，該層黏土結(jié)構(gòu)緊密，且具有較強(qiáng)塑性。區(qū)域隔水層厚度變化較大，整體隔水性能較好，局部地段隔水層厚度小，存在一定透水性。在研究區(qū)西部，第二隔水層底板埋深超過(guò) 100m 在研究區(qū)中部和東部，黏土層厚度較厚，平均為 20m 。

2.3第三含水層、第三隔水層

第三含水層底板深度 146.60～183.10m ，平均169.20m 左右。含水層厚度 25.85～65.55m ，平均49.80m 左右。巖性以棕黃色、淺灰白色、灰黃色粉砂、中砂、細(xì)砂為主，夾砂質(zhì)黏土。該砂層呈明顯松散狀，單層厚度大，且分選較好。 100～150m 深度區(qū)間分布有質(zhì)地堅(jiān)硬鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖多層，單層厚約 2m ，下部砂層含有較多泥質(zhì)。研究區(qū)內(nèi)第三含水層沉積厚度整體較大，鉆孔中出現(xiàn)連續(xù)的較厚的砂層沉積（圖2），中間夾有薄的黏土層。砂層由西北向東南逐漸增厚，礦內(nèi)東部和南部砂層厚度較大，一般大于 40m ，該層富水性較好。

第三隔水層底板深度 306.80～356.43m ，平均329.90m. 其厚度均值為 133.40m 左右。巖性以淺棕黃色、灰綠色砂質(zhì)黏土為主，夾較薄砂層多層。第三隔水層厚度大，分布穩(wěn)定，黏土類可塑性好，膨脹性強(qiáng)。黏土層塑性指數(shù)為 20.21～65.33 ，砂質(zhì)黏土、鈣質(zhì)黏土塑性指數(shù)為 12.29～22.83 。本層隔水性能良好，為本礦重要的良好隔水層。通過(guò)收集鉆孔柱狀圖，對(duì)第三隔水層數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，獲得第三隔水層沉積厚度等值線圖（圖3（a））。可以發(fā)現(xiàn)第三隔水層在研究區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育較厚，僅在南部的部分區(qū)域厚度在 75m 左右，在研究區(qū)東部和西部其厚度都達(dá)到了 120m 。該隔水層不僅在本采區(qū)，對(duì)于整個(gè)淮北礦區(qū)，都是尤為重要的隔水層。如此厚度的隔水層發(fā)育切斷了上覆含水層與第四含水層之間的水力聯(lián)系，使得第四含水層的補(bǔ)給來(lái)源不充分。

2.4 第四含水層

第四含水層底板深度 311.20～371.30m ，平均341.80m_? 。含水層厚度 0～23.87m ，平均 9.10m_o 含水層巖性比較復(fù)雜，以黏土質(zhì)礫石、粗砂礫、黏土質(zhì)砂為主，夾黏土、砂質(zhì)黏土、鈣質(zhì)黏土。礫石成分為灰?guī)r、砂巖、石英巖燧石等，礫徑一般 1～5cm ，大者 5～15cm ，磨圓度差。由于礦井水的不斷排出，第四含水層水位下降較為明顯，是礦井涌水量的主要補(bǔ)給來(lái)源，由于研究區(qū)內(nèi)第四含水層泥質(zhì)含量高，富水性弱，其補(bǔ)給量不大。經(jīng)過(guò)鉆孔的抽放水試驗(yàn)表明，含水層富水性等級(jí)均為弱富水性。

通過(guò)第四含水層沉積厚度等值線圖（圖3（b））可以看出，研究區(qū)西部第四含水層沉積厚度較小，僅在45m 左右。在研究區(qū)東部第四含水層沉積厚度較大，平均厚度達(dá)到 60m 其中東南部的第四含水層厚度尤其大，最厚處達(dá)到 100m 。結(jié)合基巖面標(biāo)高分析，古河道流向?yàn)橛晌飨驏|，古河道上游第四含水層沉積厚度明顯小于下游，可能為上游古河道地表高差較大，水流流速較快，不利于沉積物堆積。

3各含水層水力聯(lián)系分析

3.1新生界第一含水層

該含水層屬潛水，由地表徑流水滲透以及大氣降水補(bǔ)給，主要通過(guò)自然蒸發(fā)和人工開(kāi)采等形式進(jìn)行排泄。其隨季節(jié)變化明顯，雨季時(shí)，第一含水層通過(guò)河水進(jìn)行補(bǔ)給；旱季時(shí)，則又反向補(bǔ)給。區(qū)域內(nèi)，河流上游對(duì)第一含水層上部進(jìn)行補(bǔ)給，并由徑流向下游進(jìn)行排泄。第一含水層下部以層間徑流為主，且在第一隔水層相對(duì)薄弱區(qū)域也通過(guò)越流形式對(duì)第二含水層進(jìn)行補(bǔ)給。

3.2新生界第二、第三含水層

第二、三含水層均為承壓含水層，存在多層結(jié)構(gòu)，以層間徑流為主。第二隔水層存在弱透水性的相對(duì)薄弱區(qū)域，在此接受第一含水層的補(bǔ)給，同樣地，第二含水層又通過(guò)越流對(duì)第三含水層進(jìn)行補(bǔ)給。由于第二隔水層隔水性整體較好，第三含水層水與第一、第二含水存在差異性。第三含水層地下水為近南西-北東向流向，以側(cè)向徑流為主要排泄方式。由于第三隔水層厚度大，較穩(wěn)定，具有良好的隔水性，致使其上第一、第二、第三含水層與其下第四含水層（以及巖層裂隙水）水力聯(lián)系微弱，對(duì)礦井充水沒(méi)有影響。

3.3新生界第四含水層

第四含水層直接覆蓋于基巖下各含水層之上，在自然情況下與其下各含水層存在微弱的水力聯(lián)系。由于煤層的開(kāi)采，第四含水層水通過(guò)裂隙帶滲入礦井，導(dǎo)致第四含水層水位的顯著下降，第四含水層區(qū)域補(bǔ)給以及水平徑流微弱。因此，第四含水層是研究區(qū)淺層煤礦開(kāi)采過(guò)程中水害的主要來(lái)源。

4結(jié)束語(yǔ)

祁南煤礦某采區(qū)新生界松散層厚度受古地形控制，除古潛山及其附近外，大致趨勢(shì)是由北向南，自西向東厚度逐漸增大。兩極厚度為 157.46～403.75m ，平均 312.3m 。按其巖性及其與區(qū)域水文地質(zhì)對(duì)比分析，將區(qū)域含、隔水層劃分為4個(gè)含水層和3個(gè)隔水層。

第一含水層為復(fù)合孔隙型潛水＼～弱承壓含水層，下部3個(gè)含水層均為承壓含水層。由于第三隔水層分布廣泛而穩(wěn)定，導(dǎo)致上部含水層與第四含水層之間失去了水力聯(lián)系，所以上部含水層對(duì)礦井回采沒(méi)有直接影響。

由于第四含水層可通過(guò)塌陷裂隙帶、淺部裂隙帶以及斷層破碎帶進(jìn)入礦坑，所以其與下部煤系地層中砂巖裂隙水存在水力聯(lián)系，因此，第四含水層是基巖下淺層煤礦開(kāi)采的主要水害來(lái)源。

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