李雅庄煤矿区地下水运移规律及水质特征研究

赵永强，刘彦俊，王春海

（1.霍州煤电集团有限责任公司李雅庄煤矿，山西霍州 031400； 2.霍州煤电集团有限责任公司技术研究院，山西霍州 031400）

李雅庄煤矿区地下水运移规律及水质特征研究

赵永强1，刘彦俊2，王春海1

（1.霍州煤电集团有限责任公司李雅庄煤矿，山西霍州 031400； 2.霍州煤电集团有限责任公司技术研究院，山西霍州 031400）

李雅庄煤矿矿区受南侧什林挠褶断裂带和东侧霍山断裂带的控制形成地下水滞流区，井田内地质构造及陷落柱均非常发育，各主要含水层水质与霍州矿区整体水质存在较大差异。主要表现在太原组灰岩、奥陶系O2f的水质与霍州矿区相比阳离子Na+含量明显偏高，且占主要成分。奥陶系O2s的水化学类型虽然Ca2+离子含量有所增加，但Na+含量依然明显偏高。通过对矿井地质构造和陷落柱发育规律进行研究，并对矿井主要含水层水质进行综合分析，得出在李雅庄矿区特殊径流条件下地下水特性及运移规律。

断层控水；岩溶塌陷；水化学特征

霍州煤电集团李雅庄煤矿位于山西省中南部，霍西煤田中部，目前主要开采山西组2号煤层。井田内总体构造为一走向北东，倾向南东的单斜构造，地层倾角一般为10°左右。中部陈家洼向斜两翼至李雅庄村东，有一近北北东向的陡斜地带，其宽约500 m，地层倾角一般15°～25°之间。根据本矿水文地质条件分析，受区域构造控制、沉积环境、岩性组合特征与地下水循环条件等因素的影响，各含水层所含地下水水化学特征及补给来源不尽相同。

1 井田阻水边界断裂构造发育特征

李雅庄矿区东部阻水边界是以近南北向展布的霍山大断层为界，该大断层走向长约64 km，断距达3 000 m左右，断层东盘古老的变质岩系（AIH）与断层西盘寒灰（∈）、奥灰（O）及煤系地层对接，形成了地下水向东移的阻水屏障，不仅构成了太原盆地与灵石隆起的边界，也构成了郭庄泉域的阻水边界[1-3]。井田南部阻水边界是以走向近东西向的什林挠褶断裂带为界，该断层走向长度约为25 km，断层平面呈“缓S”形态。断层东段走向NE向，与NNE向的霍山断层成“入”字形交汇，断距约为90 m，李雅庄矿区位于什林断层中段，断距约为175 m，断层上盘的上石盒子组与断层下盘的奥陶纪峰峰组对接，形成了地下水南移的阻水边界。虽然李雅庄井田受构造控制影响整体处于滞流区，但由于什林断层向东部延伸断距逐渐减小，因此该区域地下岩溶水径流方向为从西北向东南方向通过什林断层破碎带再向南运移。

2 井田内断层构造发育特征

断层是本井田的主要构造，断层性质多为正断层，走向多为NE。目前井田发现断层263条，其中落差大于50 m的断层共4条，如表1所示；20～50 m之间的断层共17条；落差在5～20 m之间的40条；小于5 m的202条。总体来看，该井田主要断层为倾向NW的阶梯正断层。

2.1 F2断层的导水作用

井田内F2断层的导水作用主要表现在深层奥灰含水层对接渗透与断层减小、尖灭端的绕流两种方式。

F2断层在井田最北部落差达到90 m并穿过井田边界，中部发育落差约为60 m，在井田西南部逐渐尖灭。通过统计断层附近相关地质及水文钻孔资料，分析F2断层落差90 m时和60 m时断层上下盘地层对接关系，发现受地层发育情况影响，在断层中段与井田最北部断层段，断层下盘奥灰峰峰组均与上盘太原组灰岩对接，断层导水主要通过断层两侧含水层的对接侧向渗透补给，F2断层两盘地层对接关系图及渗流方向，见图1。

在断层南段，断距减小尖灭范围内，断层两盘奥灰含水层连续或小距离错开，处于该区域的径流-排泄区，上盘奥灰水在断层尖灭端以绕流的方式补给下盘奥灰含水层。尽管该矿区处于区域滞流区，但由于在断层尖灭端裂隙及陷落柱较为发育，因此整体水流方向依然是以绕流为主。

2.2 F2断层对两盘水文地质条件的控制

2.2.1 断层对上盘水文地质条件的控制

对地下水流场的控制：断层的上盘靠近郭庄泉域径流区，由于受南侧什林挠褶断裂带的阻水性影响，因此此段地下水流通条件较差。但从地层发育情况看，该段无褶皱及断裂构造发育，地势北高南地，岩溶地下水迳流、排泄畅通。

对奥灰含水层富水性的控制：由于受什林挠褶断裂带的控制，使该区段地下水运移受到很大程度的抑制，造成含水层富水性差异，展现出由北往南逐渐增强的特征。南段断层尖灭区，岩溶裂隙极其发育。断层尖灭端附近开采2号煤层面积3.84 km2，共揭露断层178条，平均密度为38条/km2，岩溶陷落柱揭露196个，密度达51个/km2，导水性和褚水性较强。2006年8月12日，该区段2-211工作面在+217 m标高出现陷落柱导水，最大水量52 m3/h，其水质化验结果，钙镁离子确定为太原组灰岩水。在区段北部及西北部，根据地面三维地震揭露情况陷落柱及构造均较少发育。

2.2.2 断层对下盘水文地质条件的控制

对地下水流场的控制：断层下盘奥灰含水层主要补给是来自上盘深部奥灰水的侧向径流补给。在发生突水形成排泄区时，在南段局部接受同层含水层的绕流补给。岩溶水的迳流方向总体是由西北向东南方向绕流补给。该区段太原组碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙水水化学特征主要为HCO3-Na型，水化学类型单一，矿化度为0.834～1.028 g/L，pH值7.89～8.27，为碱性水。中奥陶统峰峰组岩溶裂隙水水化学特征以HCO3-Na型为主，其次为HCO3· SO4-Na型。地下水SO42-离子含量较高，阳离子以Na+离子为主，矿化度一般为0.982～2.218 g/L，pH 值7.86～8.62，为碱性水。中奥陶统上马家沟组岩溶裂隙水水化学特征以SO4·HCO3-Ca·Na为主，阴离子SO42-和Cl-离子含量明显增加，而HCO3-离子含量则明显降低；阳离子Na+含量明显降低，Ca2+离子含量有所增高，矿化度有所降低。从各主要含水层水质特征可以看出，阳离子Na+含量明显偏高，甚至在太原组灰岩水和中奥陶统峰峰组岩溶裂隙水中占主导地位，主要原因是由于井田南部岩溶塌陷，地下水滞留导致Ca2+、Mg2+离子与Na+离子长期置换造成。也进一步验证该区段岩溶水的迳流方向总体是由西北向东南方向绕流补给造成。

对奥灰含水层富水性的控制：区段内主要灰岩岩溶含水层埋藏较深，地下水长期处于滞流状态。受所处的构造部位影响，其赋水性不均一。2012年3月，该区段六采区末端水仓发生隐伏陷落柱滞后出水，最大突水量400 m3/h，水质类型为HCO3-Na型，为中奥陶统峰峰组岩溶裂隙水。经过两年的长期排放观测，目前水量稳定在300 m3/h左右，位于该区段的奥灰观测孔呈现明显下降趋势，但位于上盘的LK6水位观测孔却无明显下降趋势。分析认为F2断层对下盘奥灰含水层富水性起一定控制作用。

3 井田陷落柱展布规律

井田在2号煤层生产过程中，共揭露陷落柱234个，平均密度为69个/km2，给生产带来不利影响。但在开采过程中发现，在井田南部F2断层尖灭端附近，陷落柱发育尤为密集。井田东部及东北部地区，根据现有开采的6个工作面揭露情况及地面三维地震探测情况显示，陷落柱发育明显减少[4]。究其原因主要是受地下水运移环境的影响。井田构造发育及奥陶系O2f灰岩水径流方向，见图2。

4 井田地下水化学特征分析

根据2012年李雅庄煤矿水文地质勘查成果，对矿区主要含水层地下水水化学特征进行分析，并利用环境同位素方法进行水体来源研究。结果表明李雅庄矿区各含水层地下水水质存在一定差异；石炭系太原组岩溶裂隙水水质类型单一，与二叠系裂隙水相比，阴离子SO42-含量明显偏低，阳离子Na+含量则明显偏高；奥陶系峰峰组岩溶水水质相对复杂，并呈现出明显的水平分带性；奥陶系上马家沟组岩溶水与峰峰组岩溶水相比，水质类型及阴、阳离子含量均有明显差异。环境同位素研究结果表明，水样δD、δ18O值偏离当地雨水线较远，说明太原组岩溶裂隙水及奥陶系岩溶水接受大气降水补给条件相对较差；水样氚浓度分析结果说明太原组岩溶裂隙水及奥陶系岩溶水未接受近年大气降水的补给，属于古水和新近入渗水以及二者混合水[5-6]。

太原组灰岩及奥陶纪峰峰组灰岩水阳离子Na+含量占较大比例，主要是由于各含水层在长期滞留过程中水中的Ca2+同碎屑类岩石发生离子交换使Na+离子含量富集。中奥陶统上马家沟组岩溶裂隙水与奥灰（O2f）含水层水化学类型及阴、阳离子含量均有明显差异，主要表现在水化学类型的明显变化，即中奥陶统峰峰组含水层以HCO3·SO4-Na型为主，而O2s含水层则为SO4·HCO3-Ca·Na。阴离子SO42-和Cl-离子含量明显增加，而HCO3-离子含量则明显降低；阳离子Na+含量明显降低，Ca2+离子含量有所增高，矿化度有所降低。这主要是由于随着埋藏的加深区域及井田地质构造对地下水运移影响减小所致。

5 结论

根据李雅庄矿区域地质构造控制条件及矿区主要含水层的地下水化学特征进行分析得出如下结论：1）区域大型构造对矿区的地下水运移规律起决定性作用，李雅庄矿由于受什林挠褶断裂带和霍山断裂带的影响形成地下水滞流区，区域径流条件较差。但通过对主控断层的控水作用进行研究，分析其对井田主要含水层水的径流条件的影响，为以后研究类似地质条件下的地下水运移规律提供了理论依据。2）在地下水滞流区，水化学特征往往复杂多变，与区域水化学特征区别明显。通过对李雅庄矿矿区地下岩溶水化学特征进行分析，可以看出岩溶塌陷对地下水的水化学特征起一定导向作用。

[1]徐树媛.李雅庄矿区地下水水化学及环境同位素特征研究[J].南水北调与水力科技，2013，11（2）:67-70.

[2]邱苏，徐永清，岳洪波，等.三维地震勘探技术在李雅庄煤矿应用效果分析[J].能源技术与管理，2006（6）:15-17.

[3]张人权，周宏，陈植华，等.山西郭庄泉岩溶水系统分析[J].地球科学—中国地质大学学报，1991，16（1）:1-17.

[4]李曦滨，常辉.山西省霍州矿区水文地质条件及矿井充实条件分析[J].中国煤田地质，2007，（52）:34-37.

[5]李建林，张洪云，冯有利，等.煤矿断层构造复杂程度的非线性分析[J].中国地质灾害与防治学报，2011，22(4)：69-73.

[6]刘国林，潘懋.煤矿断层充水特征研究[J].煤矿安全，2009，35(7)：92-94.

Movement Law and Quality of Underground Water in Liyazhuang Mine

ZHAO Yongqiang1,LIU Yanjun2,WANG Chunhai1
(1.Liyazhuang Mine,Huozhou Coal Electricity Group Co.,Ltd.,Huozhou 031400,China; 2.Technology Institute of Huozhou Coal Electricity Group Co.,Ltd.,Huozhou 031400,China）

In Liyazhuang mine,underground water stagnant area formed under the control of Shenlin flexural fault zone in the south and Huoshan fault zone in the east.Geological structure and collapse columns are well-developed in the mine;water quality of each main aquifer is different from the overall quality of Huozhou mine area.The content of Na+in the water(being a prominent component)of Taiyuan group limestone and Ordovician O2f is obviously higher than that of Huozhou mine.In terms of hydrochemical type of Ordovician O2s,the content of Ca2+increases,but the content of Na+is still high. The comprehensive analysis of the water quality of the main aquifers concluded the movement law and quality of the underground water by the geological structure and collapse columns'development in Liyazhuang Mine.

water control in fault;karst collapse;chemical characteristics of water

P641

A

1672-5050（2015）02-0013-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.005

（编辑：樊敏）

2015-01-25

赵永强（1971-），男，山西霍州人，大学本科，工程师，从事煤矿地质管理工作。