大海则矿井井筒水文地质条件分析

刘宗斌，刘智昌，权军明，曹 蕊

(1.陕西省核工业地质调查院，陕西 西安 710054;2.陕西省西安市长安区沣河管理站，陕西 西安 710118)

大海则矿井位于榆林市西北直距约50 km处，井田面积280.03 km2，煤炭资源总量约51亿 t，地质构造简单，延安组含可采煤层7层，平均总厚度为15.41 m。其中结构简单、全区可采、稳定性的主采煤层2、3号煤，平均总厚度为 10.30 m。利用陕西省地质勘查基金进行了普查勘查，中煤陕西榆林能源化工有限公司投资进行了详查、勘探及矿井井筒检查孔勘察工作，大海则矿井初步规划井型为1 500万 t/a。矿井采用主斜——副立开拓方式，初选矿井工业场地位于井田中东部。设计沿主斜井井筒轴线方向，布置了4个井筒检查钻孔，一号副立井、二号副立井及原设计一号回风立井和补充回风立井附近各布置1个井筒检查钻孔，共布设井筒检查钻孔8个。矿井水文地质、工程地质条件较复杂，对可能引起的水文地质、工程地质条件的变化做出评述和预测，为井筒施工建设提供可靠的依据。区内以沙漠滩地及半固定沙丘地貌为主，地形起伏不大。没有地表水系，有一些蓄水量不大的天然海子。

1 地质特征

地表被第四系松散沉积物覆盖。本区地层由老至新有三叠系上统瓦窑堡组(T3w)，侏罗系下统富县组(J1f)，侏罗系中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，白垩系下统洛河组(K1l)、第四系的上更新统萨拉乌苏组(Q3s)和全新统的松散沙层。

矿井构造简单，本区大地构造位置处于鄂尔多斯盆地中部次级构造单元陕北斜坡中部。中生界地层向西微倾伏，平均倾角0°～3°，未发现规模较大的断层或褶皱。

2 水文地质特征

根据本区地下含水层的埋藏条件、含水介质等因素，将矿井地下含水层划分为二大类型:即，松散岩类孔隙水、碎屑岩孔隙裂隙水。

2.1 含水层

2.1.1 松散岩类孔隙水

第四系上更新统萨拉乌苏组(Q13s)孔隙潜水含水层，主要分布于沙漠滩地和沙丘间洼地，厚度3～60 m，是区内第四系潜水的主要含水层。其岩性下部为橘黄色、浅灰紫色及杂色中细沙、细粉沙与暗棕色亚粘土不等厚互层。上部为褐灰黄、浅灰黄色粉细砂和沙土。水位埋深 2.50～5.44 m，降深7.75～11.76 m，涌水量达 296 m3/d，单位涌水量 0.109 ～1.617 L/s·m，渗透系数 2.39 ～3.56 m/d，富水性为中等富水－强富水。水化学类型 HCO3－Ca和 HCO3－Ca·Mg型水，矿化度 278.79 ～391 mg/L。

2.1.2 碎屑岩类孔隙裂隙水

(1)白垩系下统洛河组(K1l)孔隙裂隙潜水及承压水含水层。全区分布，多被第四系风积沙覆盖，厚度约280～398 m。该组岩性单一，为巨型交错层中、细粒砂岩。呈棕红、浅紫红色，砂粒成分主要为石英、长石。泥质及钙质胶结，疏松，交错层理发育。洛河砂岩上覆萨拉乌苏组底部的局部地段有粘土层，因此，区内洛河组砂岩含水层既有潜水又有承压水。洛河组上部潜水含水层水位埋深1.70～8.43 m，单位涌水量 0.15 ～0.0.501 8 L/s·m，渗透系数 0.323 ～1.02 m/d，富水性为中等富水。水化学类型为 HCO3－Ca和 HCO3－Ca·Mg型水，矿化度 257～302.43 mg/L。洛河组顶部有局部隔水承压含水层，水位埋深4.53～6.42 m，单位涌水量0.193 ～0.530 L/s·m，渗透系数 0.072 6 ～0.421 m/d，富水性为中等富水。水化学类型HCO3－Ca·Na·Mg型水为主，矿化度 275.92 ～413.00 mg/L。

(2)侏罗系中统安定组(J2a)孔隙裂隙承压水含水岩组。区内地表未出露，厚度 33.75～44.35 m。岩性以紫红色、紫杂色、暗紫色团块状泥岩、粉砂岩为主，夹红色、紫灰色巨厚层状细～粗粒长石石英砂岩及岩屑长石砂岩，分选差，棱角状，具斑状构造及瘤状突起。水位埋深 21.62～26.84 m，单位涌水量 0.001 3 ～0.012 L/s·m，渗透系数 0.003 73～0.045 3 m/d，渗透性差，富水性弱。水化学类型为 SO4·HCO3－Na·Mg·Ca型水，矿化度 398.00 ～1 548 mg/L。

(3)侏罗系中统直罗组(J2z)孔隙裂隙承压水含水岩组。直罗组地层全区分布，地表未出露，本次揭露厚度32～280 m，平均183 m。总体变化趋势由东向西增厚。与下伏地层延安组呈假整合接触。岩性以灰绿色粉砂岩、中、细粒长石石英砂岩为主，具交错层理，局部地段为巨厚层粗粒长石石英砂岩，顶部多为粉砂岩、泥岩。水位埋深24.24～39.26 m，单位涌水量 0.030 2 ～0.079 L/s·m，渗透系数 0.040 6 ～0.072 9 m/d，富水性中等 －弱。水化学类型 SO4－Na型水，矿化度2 017～3 265 mg/L。

(4)侏罗系中统延安组(J2y)孔隙裂隙承压水含水层。全区分布，为本区含煤地层，厚度在230 m左右，岩性主要为一套河流－湖泊三角洲－冲积平原环境沉积的灰色细－粗粒长石砂岩、深灰色泥岩、粉砂岩，夹黑色炭质泥岩、煤层。与下伏地层呈整合接触关系。该组地层岩石致密，完整，裂隙不发育，水位埋深 19.16～42.87 m，单位涌水量 0.001～0.058 45 L/s·m，渗透系数 0.005 0 ～0.058 08 m/d，富水性弱。水化学类型 SO4－Na·Ca型水，矿化度 1 521.09～3 292 mg/L。

2.2 隔水层

从钻孔揭露地层的岩性组成特征分析，各含水层段中的泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩均呈互层状沉积，岩性粒度小，孔隙率小，胶结致密，分选性好，一般以水平层理为特征，是区内上、下含水层段之间相对较好的隔水层。

萨拉乌苏组(Q13s)含水层当中不存在隔水层，其与下伏的白垩系下统洛河组(K1l)含水层之间局部有厚度小于10 m的粘土层具有局部隔水层的作用;洛河组地层以中、细粒砂岩为主，中间没有稳定的隔水层。侏罗系中统安定组(J2a)地层多以泥岩和粉砂岩为主，具有隔水作用，是洛河组与侏罗系中统直罗组(J2z)之间稳定的隔水层，其阻隔了洛河组含水层与直罗组含水层之间的水力联系。侏罗系中统直罗组、延安组(J2y)地层在垂向上，砂岩与泥岩、粉砂岩多呈互层状组合，砂岩之间的泥岩、粉砂岩具有相对稳定的隔水作用，在没有断裂构造存在和人为破坏的情况下，各砂岩含水层之间水力联系较弱。

3 矿井及井筒充水因素分析

大气降水作为地下水的主要补给来源，所有矿床充水都直接或间接与大气降水有关。区内无矿井老窑，因此地下水是区内主要的充水水源。含煤岩系上覆地层及自身含煤地层含水层中的地下水，即第四系孔隙潜水、白垩系 ～侏罗系直罗组孔隙裂隙水及延安组孔隙裂隙水是矿井长期、稳定的充水来源。尤其是，煤层顶底板含水层中的地下水是形成将来矿井涌水的主要充水水源。

充水通道主要为煤层开采后形成的冒裂带、构造裂隙及某些不确定因素形成的通道。

井筒所穿越的各含水层中，上部萨拉乌苏组潜水含水层和洛河组潜水——承压水含水层，富水性强——中等;下部的直罗组和延安组各含水层均为弱的含水层，单位涌水量及渗透系数变化较大，故井筒穿越不同的地层的充水强度大小不一。由于下部含水层的承压水头较高，在节理、裂隙发育处井筒充水量会有所增大。

在井筒掘进过程中，以井筒为通道会沟通各个含水层，而井筒的充水通道为各含水层内在的节理和裂隙。裂隙的发育情况是井筒充水强度的主要因素之一。

4 井筒涌水量预算

对主斜井、副立井和回风立井分别采用水平廊道法和大井法进行了分层及总涌水量预算。预计主斜井总涌水量为16 814.5 m3/d，一号副立井总涌水量为 10 449.4 m3/d，二号副立井总涌水量为10 935.2 m3/d，一号回风立井总涌水量为 10 893.8 m3/d，补充回风立井总涌水量为10 429.5 m3/d。

表1 主斜井、副立井和回风立井井筒涌水量预算参数及计算表

5 井筒中各含水层之间水力联系

井筒自上而下揭露了各含水层。由于松散层与洛河组砂岩之间的粘土隔水层厚度小，且分布不连续，因此，松散岩类孔隙水与白垩系下统洛河组(K1l)孔隙裂隙潜水及承压水含水层之间水力联系较密切，如果采用冻结法施工，可防止大量的井筒涌水对井筒施工的影响。下部的侏罗系中统安定组(J2a)孔隙裂隙承压水含水岩组、侏罗系中统直罗组(J2z)孔隙裂隙承压水含水岩组和侏罗系中统延安组(J2y)孔隙裂隙承压水含水层之间夹有较稳定的泥岩及粉砂岩隔水层，加之各水层本身富水性弱，所以，以上各含水层之间水力联系较差。

另外，从地层剖面可看出，区内主采的2号煤层和3号煤层的直接顶或老顶多为砂岩且含水，加之煤层力学性质差，性脆，裂隙较发育，不排除局部地段煤层本身含水的可能性。因此，在井筒施工和井下开拓时注意煤层含水对施工的影响。

6 结论与建议

第四系上更新统萨拉乌苏组(Q13s)孔隙潜水含水层，是区内第四系潜水的主要含水层，富水性为中等富水—强富水。白垩系下统洛河组(K1l)孔隙裂隙潜水及承压水含水层为中等富水。侏罗系中统安定组(J2a)富水性弱。中统直罗组(J2z)富水性中等－弱。中统延安组(J2y)富水性弱。

各含水层段中的泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩，一般以水平层理为特征，是区内上、下含水层段之间相对较好的隔水层。在没有断裂构造存在和人为破坏的情况下，各砂岩含水层之间水力联系较弱。煤层顶底板含水层中的地下水是形成将来矿井涌水的主要充水水源。充水通道主要为煤层开采后形成的冒裂带、构造裂隙及某些不确定因素形成的通道。建井筒时自上而下揭露了各含水层，松散岩类孔隙水与白垩系下统洛河组孔隙裂隙潜水及承压水含水层之间水力联系较密切，加之围岩结构松散，岩性软弱，建议采用冻结法施工，可防止大量的井筒涌水对井筒施工的影响。其他各含水层之间水力联系较差。

［1］王双明，黄庆享，范立民，等.生态脆弱矿区含(隔)水层特征及保水开采分区研究［J］.煤炭学报.2010，35(1):7 －14.

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［5］刘宗斌，周祥武，等.大海则勘查区勘探地质报告.

［6］刘宗斌，刘智昌，等.大海则煤矿矿井井筒检查勘察地质报告.