天桥泉域某矿奥灰含水层水文地质特征研究

李国红

(河南省煤田地质局二队，河南洛阳471023)

天桥泉域某矿奥灰含水层水文地质特征研究

李国红

(河南省煤田地质局二队，河南洛阳471023)

奥陶纪灰岩(奥灰)岩溶水是华北型煤田下组煤安全开采的主要威胁，查明奥灰水文地质条件是下组煤开采的关键和前提。文章通过水化学分析，获取了研究区奥灰岩溶水水化学参数，探讨了井田奥灰岩溶水水动力条件及其演化规律。通过群孔抽水试验，研究了奥灰含水层水力联系特征，并验证了水化学分析结论。同时运用GMS数值模拟软件进行了群孔抽水试验含水层流场特征模拟，反演出渗透系数及贮水系数等水文地质参数。研究成果为该矿下组煤开采奥灰岩溶水防治提供了可靠依据。

奥灰含水层;水文地质特征

1. 引言

华北型煤田主要水害类型为底板突水，充水含水层是奥灰岩溶含水层及煤系内薄层灰岩含水层。目前华北型矿井平均采深已超过650m，并以12～20m/a的速度向深部拓展［1］，逐步开发下组煤。与浅部开采相比，下组煤深受奥灰含水层威胁，且之间隔水层厚度小，隔水层结构受到多种构造因素的破坏而阻水能力严重不足［2］，矿井水害隐患大大增加。只有充分掌握和查明奥灰含水层水文地质特征，才能进行正确的下组煤开采安全性评价，保证煤炭资源的有效回收和采掘工人的人身安全。因此，奥灰含水层水文地质特征研究是解放下组煤煤炭资源的关键所在［3］。

山西省某矿为设计生产能力1000余万吨的特大型矿井。井田地处河东煤田北部，构造简单，呈平缓的单斜构造形态，稀疏小断层发育。目前主采煤层为上组煤8煤，接续煤层为下组煤13煤，直接突水威胁来自底板奥灰含水层。为保障 13煤安全开采，本文对井田奥灰含水层水文地质特征进行了研究，为下组煤开采提供技术资料。

2. 井田奥灰含水层概况

2.1 奥灰含水层层段划分

井田内奥陶系自上而下划分为峰峰组和马家沟组:

(1)峰峰组灰岩岩溶含水层:根据钻孔资料，该含水层厚度为89.50～125.75m，平均104.12m;岩性以泥灰岩、白云质泥灰岩及角砾状泥灰岩为主，上部夹有几层薄层泥岩，下部赋存石膏层。

(2)马家沟组灰岩岩溶含水层:钻孔仅揭露了上马家沟组，揭露厚度33.87～108.62m。主要岩性为泥灰岩、白云质泥灰岩、角砾状泥灰岩和豹皮状灰岩。本段含水层岩溶发育，以溶隙、溶孔和小型溶洞为主，小溶洞多被充填。

2.2 垂向富水性变化规律

3. 井田奥灰含水层水化学特征分析

3.1 区域岩溶水补迳排条件

研究区处于天桥泉域西侧，泉域岩溶水系统为一补给、径流、排泄完整、独立的全排型岩溶水水文地质单元［4］，由天桥泉、龙口泉及老牛湾泉三个岩溶水子系统组成，子系统间以地下水分水岭相间。泉域接受东部裸露岩溶区大气降水入渗补给、黄河及其支流的渗漏补给［5］，总体向西部中段汇流，最终在黄河沿岸以溢流泉形式排泄。

3.2 奥灰含水层水化学三线图分析

选取井田及外围12个钻孔(供水井)获取12个岩溶水水样，并进行了水化学成分分析，得到了该区奥灰岩溶水主要化学特征值，并依据舒卡列夫分类方法确定了各组水样的水质类型，成果如表1所示。

表1 奥灰岩溶水水化学特征值

将奥灰含水层岩溶水所有水样的阴阳离子毫克当量百分数投影到 Piper三线图上，得到如图2所示的水化学三线图。Piper三线图可以填入大量的分析结果，从而查明所分析水中阴阳离子的对比关系，这种表示简捷有效［6］。

图2 奥灰含水层水化学三线图

根据Piper三线图图解分区，菱形区共划分为 9个分区，落在不同分区的水样具有不同的化学特征。分析图2可知，奥灰水样分布分散，主要分布区为 5区、6区、7区及9区。5区表示奥灰水以 Ca2++Mg2+离子和为主，酸性较弱，硬度较小;6区表示奥灰水中阴离子以为主，Na+(K+)逐渐增多，硬度逐渐增大;7区表示奥灰水中阴离子以 Cl－为主，阳离子以 Na+(K+)为主，硬度大;9区表示区内水样为6区与5区及7区的过渡区，奥灰水中含有的阴阳离子多样，可视为不同演化阶段岩溶水的过渡地下水。

3.3 井田奥灰含水层岩溶水演化特征分析

根据3.2分析，所取的12个水样水化学成分差别较大，说明水样选取点奥灰岩溶水径流条件及演化阶段的不同。研究表明，奥灰岩溶水随径流条件变化，其化学成分的演化主要受以下三项化学溶解反应影响:

受以上三个平衡化学式影响，奥灰岩溶水补给区CO2供给充足可以溶解方解石、石膏和白云石，沿岩溶水径流路径，Mg2+、Ca2+、SO2－4及 HCO－3离子含量均呈增加趋势，矿化度也随之增加［7］;随着岩溶水径流条件变差，CO2逐渐消耗，则方解石趋于饱和、不再溶解，奥灰水中HCO－3离子含量逐渐稳定，而石膏和白云石仍在溶解，SO42－离子含量仍在增加;岩溶水径流条件进一步变差，白云石趋于饱和、停止溶解，Mg2+离子含量逐渐趋于稳定，当石膏也趋于饱和、停止溶解后，SO2－4离子含量也逐渐稳定，此时岩溶水处于滞流状态。随着岩溶水径流路径的延长，浓缩作用不断增强，加之煤系中淋滤作用，岩溶水中 Na+(K+)、Cl－离子含量随径流条件的改变不断增加。

（1）静脉炎。与导管相关性静脉炎性症状或体征：持续疼痛（静脉输液结束后持续疼痛大于2小时）；发红；肿胀；硬化（条索状）；脓性分泌物。分析采用美国静脉输液护理学会（Infusion Nursing Society，INS）分级系统 [6]和 Tager’s[7]评分综合考虑，分为三级。

图3 井田奥灰岩溶水径流路径及演化过程

根据以上分析，可将取样按照水化学特征划分为以下5组(如表1所示):

(1)Ⅰ组:包括2#、4#及5#供水井，该组奥灰水水质类型为Na(Na·Ca)型，反映了径流区水质特征，处于井田以东区域;

(2)Ⅱ组:包括1#及6#供水井，该组奥灰水水质类型为HCO3·Cl－Na型，离子比例减少，Cl－离子比例明显增加，反映了径流区向弱径流区转化的水质特征，处于井田北部;

(3)Ⅲ组:包括CK6孔及3#供水井，该组奥灰水水质类型为HCO3·Cl－Na·Ca(Ca·Mg)型，岩溶水径流条件减弱，反映了弱径流区水质特征，处于井田东部边界;

(4)Ⅳ组:包括CK3孔，奥灰水水质为Cl·SO4－Ca型离子为主要阴离子，岩溶水径流条件进一步减弱，反映了弱径流区向滞流区转化的水质特征，处于井田东南部;

(5)Ⅴ组:包括CK2、CK4、CK5及CK1孔，该组奥灰水水质为Cl－Na，反映出滞流奥灰岩溶水特点，处于井田中部。

各组水化学特征变化反映了井田内不同区段奥灰岩溶水水动力条件及演化路径，即井田内岩溶水总体上由东北向西南径流，依次可划分为弱径流区、弱径流 －滞流过渡区及滞流区。随着岩溶水演化过程的延续，地下水径流路径不断延长，矿化度逐渐升高，水质类型总体呈HCO3－Na(Na·Ca)→HCO3·Cl－Na·Ca(Ca· Mg)→Cl－Na的演化顺序。此规律与天桥泉域内水化学特征基本一致［8、9］。

4. 奥灰含水层群孔抽水试验

群孔抽水试验是研究含水层地下水连通性、流场特征及水动力条件的有效手段［10］。为检验水化学分析结论，并进一步查明奥灰含水层流场特征，获取水文地质参数，本矿首采区进行群孔抽水试验。

4.1 抽水孔及观测孔布置

受井田地面及井下条件所限，不能施工新奥灰孔，只能以现有钻孔为基础进行群孔抽水试验。抽水孔及观测孔位置如图 5所示。在首采区中部选取抽水孔 3个，分别为CK1、CK2及CK4，观测孔5个，位于抽水孔外围，分别为CK8、CK21、CK10、CK22和CK3。

4.2 抽水试验结果及分析

抽水试验从2009年 12月 4日 12时开始，同时打开CK 1、CK 2及CK 4抽水孔，水量控制阀开至最大，同步进行观测孔水位观测。13日8时关闭抽水孔阀门，并开始观测各观测孔水位恢复，直至16日11时各孔奥灰水位恢复至抽水前水平。抽水试验结束，历时17220min，其中抽水历时12720min，恢复水位观测历时4500min。整个抽水试验过程中抽水孔水量变化不大，在抽水初期稍有波动，后期基本稳定，抽水量及其变化见图4。试验过程中，各观测孔水位变化都不大(如图6所示)，说明群孔抽水试验过程中，地下水位降落漏斗扩散范围普遍较小，横向上奥灰含水层水力联系弱。

图4 抽水孔水量历时变化曲线图

5. 奥灰含水层地下水流场数值模拟

GMS软件是国际上最受欢迎的地下水模拟软件［11］，在地下水流场模拟及水文地质参数反演方面等领域具有较大的应用前景。本文基于群孔抽水试验结果，利用该软件进行水文地质参数反演，研究奥灰含水层抽水试验过程中流场变化特征。

5.1 水文地质概念模型

研究区域为井田及部分外扩区域，由于区域内无较大的裂隙构造，边界均为人为边界，即由井田边界外扩1800m。根据地质资料和抽水试验资料，含水层内部结构概化为非均质各向异性的非稳定承压二维流;边界定为一类补给边界;补给项为大气降水，排泄项为抽水孔排泄抽水。

5.2 空间及时间离散

全区离散采用矩形网格剖分，划分网格时在抽水孔及观测孔结点处适当细化，共计剖分单元 5512个，有效单元5082个(图5)。模拟时段采用整个抽水试验过程，本次模拟时间离散时段划分较细，共69个应力期，离散结果列于表2中。

图5 研究区网格剖分图

表2 模拟时间离散结果

5.3 水文地质模型识别与检验

由于研究模型边界均为人为划定，模型中存在较多不确定量，给参数识别带来较大困难。为克服这个难题，本文采用试估法进行模型识别，识别内容包括渗透系数(Kx、Ky)和贮水系数μ*。首先进行水文地质参数预估算，即采用配线法利用 CK4孔的抽水量及 CK21孔和CK10孔的水位观测资料对含水层导水系数、渗透系数及贮水系数等进行初步估算，并作为数值模拟求参的初始值。其次将观测孔的水位动态实测资料作为拟合对象，以此确定含水层的水文地质参数，观测孔水头的拟合程度基本上可以反映所求参数的精度。设目标函数:

式中，p1，p2，pn——待求的水文地质参数;

m——用于水头对比的观测孔个数;

n——水头对比时段数;

H(i，j)——模型计算的 i点观测孔 j时段的水位(m);

Hg(i，j)——i点观测孔j时段的实测水位(m)。

根据各参数的约束条件，求取目标函数 E最小。若此时的水位拟合差未达到足够小，则进一步分析其原因，必要时对约束条件及模型定解条件进行必要的调整，再次求取目标函数最小。如此反复计算、分析，直到求得满意的结果为止。

识别选取抽水试验中所有抽水孔及观测孔资料，水位拟合针对所有观测孔，拟合数据时间段为整个抽水试验过程，其中包括观测孔水位恢复阶段。经过模型参数识别，最终确定奥灰含水层水文地质参数为:Kx=0.00152m/ min，Ky=0.00182m/min，μ* =0.45×10－5m－1。

在整个模型识别、验证过程中观测孔水位计算值与实测值的误差统计见表3，观测孔水位拟合曲线见图6。由结果可以看出奥灰含水层的实测水位与计算水位相对误差集中在1%内，符合《中华人民共和国国家标准GB/T14497－93地下水资源管理模型工作要求》的规定，模拟效果较理想。

表3 奥灰含水层地下水位计算值与观测值拟合统计

图6 观测孔水位拟合曲线

5.4 模拟结果分析

图7为奥灰含水层数值模拟初始及结束时地下水流场分布图。对比(a)、(b)可知，抽水试验过程中，地下水流场分布及流向变化总体变化不大。同时，除CK8及CK22两孔降深相对较大外，其他观测孔水位没有明显波动，说明奥灰含水层横向上溶(裂)隙连通性差、水力联系差。究其原因，研究区奥灰含水层处于岩溶水弱径流－滞流区，水动力条件较差，溶隙、溶孔等含导水构造水力联系差，致使地下水运移缓慢，水力交替周期长，横向渗透性及富水性差别较大。

图7 模拟初始及结束时奥灰含水层地下水流场

6. 结论

奥灰含水层水文地质条件研究是下组煤开采安全评价的前提和关键。本文在研究区选取了12个奥灰岩溶水取样点，通过对水样进行水化学分析，得到了奥灰岩溶水水化学参数，并采用 Piper三线图方法分析了地下水的水质特征。将水化学资料整理分组，发现各组水化学特征反映了井田不同区段岩溶水演化阶段，据此将井田奥灰流场划分为弱径流区、弱径流 －滞流过渡区及滞流区。井田奥灰群孔抽水试验验证了水化学特征分析结论，即井田奥灰含水层横向水力联系弱，水动力条件差。同时，运用地下水模拟软件 GMS对井田奥灰含水层地下水流场变化规律进行了模拟和水文地质参数反演。结果表明群孔抽水影响范围小;且奥灰含水层渗透系数及贮水系数量级较小，分别为 Kx=0.00152m/ min，Ky=0.00182m/min，μ* =0.45×10－5m－1。本文初步掌握了该矿奥灰含水层水文地质特征，为下组煤开采奥灰岩溶水防治提供了可靠依据。

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(责任编辑 陈永康)

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A

1008－7257(2012)02－0075－05

2012－03－22

李国红(1974－)，男，河南洛阳人，河南省煤田地质局二队助理工程师。