郝家圪塔井田水文地质条件研究

薛奋宏

（山西省第三地质工程勘察院，山西晋中030620）

郝家圪塔井田水文地质条件研究

薛奋宏*

（山西省第三地质工程勘察院，山西晋中030620）

通过对郝家圪塔井田区域水文地质条件的研究，结合本次施工的钻孔资料，分析井田地表水和气象条件、主要含水层隔水层及地下径流的补、径、排条件，研究地下水对煤层开采的影响，确定井田水文地质类型，为今后煤矿开采提供一定指导作用。

水文地质；含水层；充水因素；突水系数

1 井田概况

郝家圪塔井田位于山西省中阳县暖泉镇乾村—乔家塔村—武家庄镇南曲—南岭上村一带，行政区划隶属山西省中阳县暖泉镇—武家庄镇，在中阳县城南西220°方向，直距约26km处，位于山西省河东煤田中部远景调查区内，井田面积为20.3623km2。2012年3月至2013年3月，井田内施工钻孔23个，进尺24091.96m。结合以往施工的7个钻孔，为本次研究井田内水文地质条件提供了基础资料。

2 区域水文地质概况

本区域位于鄂尔多斯断块、兴县—石楼南北向褶带的东侧，与离石—中阳菱形复向斜相邻，地层总体倾向南西，呈一单斜构造，由东向西出露地层依次有古生界奥陶系碳酸盐岩、石炭系、二叠系、三叠系碎屑岩和新生界松散岩层。区域地貌可划分为：剥蚀构造中、低山区、剥蚀堆积黄土丘陵区和侵蚀堆积的河流谷地3种地貌形态。区域深部奥陶系岩溶地下水属柳林泉域水文地质单元。

区域地表水属黄河流域的屈产河水系，季节性沟谷地表水由井田向南西流入暖泉河后，向西汇入屈产河，于柳林下堡村附近注入黄河。

3 井田内水文地质条件

井田内沟壑纵横，切割强烈，具典型的黄土地貌特征。在梁峁地带多被第四系中上更新统黄土所覆盖，沟谷中广泛出露上第三系上新统红土。基岩在乔家塔和井田北部黑土圪塔沟等沟谷中有出露，由东向西依次出露有二叠系上统石千峰组和三叠系下统刘家沟组、和尚沟组及中统二马营组等地层。

井田内中部高南北低，最高点位于井田中东部上梁山顶上，海拔标高1477.0m，最低点位于井田西南角乔家塔沟底，海拔标高1105.4m，相对高差371.6m。

3.1 地表水与气象条件

井田内无常年性河流，从北向南依次有黑土圪塔沟、饮牛塔沟、乔家塔沟和暖泉河等沟谷，除乔家塔河常年有小水流外，全是季节性沟谷，沟中水量很小，乔家塔沟清水流量为13.7L/s（实测成果），其它沟谷平时水量均较小，只在雨季才有较大的洪水通过。

据中阳县气象站资料，井田属大陆性半干旱季风气候，多年平均降雨量为522.9mm，降雨较少，且多集中在7～9月份，多年平均年蒸发量为2146.4mm，蒸发强烈，气候干燥。3～4月份多风，多为西北风。

3.2 主要含水层

本次施工水文孔3个，分别为ZK13、ZK14、ZK21。其中ZK13对山西组、太原组进行了抽水试验；ZK14对奥陶系进行抽水试验；ZK21对山西组、太原组、奥陶系进行抽水试验，为综合评价本井田内水文地质条件提供了较可靠依据。

（1）奥陶系岩溶裂隙含水层。奥陶系灰岩在井田内属深埋型，据钻孔资料，井田内西南部埋藏最深，东北部埋藏最浅，根据ZK21钻孔资料，井田F1断层东部奥灰水水位埋深376.55m，水位标高为956.75m。据抽水试验资料，钻孔单位涌水量达0.0977L/（s·m），渗透系数0.335m/d,水质类型SO4-Na型，硬度376.5度，矿化度5.251g/L，属弱富水含水层。根据ZK14、ZK1-3钻孔资料，井田F1断层西部奥灰水水位埋深361.66～411.75m，水位标高为952.20～952.91m。据ZK14钻孔抽水试验资料，钻孔单位涌水量达0.0309L/（s·m），渗透系数0.0724m/d,水质类型SO4-Na型，矿化度5.280g/L，属弱富水含水层。

（2）石炭系上统太原组碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层。井田内没有出露，根据本次施工的ZK21号钻孔资料，含水层厚度35.66m，井田F1断层东部奥灰水水位埋深142.15m，水位标高为1191.15m。据抽水试验资料，钻孔单位涌水量达0.0132L/（s·m），渗透系数0.0132m/d,水质类型HCO3·SO4-Na型，矿化度0.574g/L，属弱富水含水层。根据ZK13钻孔资料，井田F1断层西部奥灰水水位埋深195.86m，水位标高为1171.04m。据抽水试验资料，钻孔单位涌水量达0.0017L/（s·m），渗透系数0.0077m/d,水质类型SO4·Cl-Na型，矿化度2.368g/L，属弱富水含水层。

（3）二叠系山西组砂岩以及山西组以上碎屑岩裂隙含水层。该组含水层以中粗砂岩为主。根据本次施工的ZK21号钻孔资料，含水层厚度18.58m，井田F1断层东部奥灰水水位埋深104.36m，水位标高为1228.94m。据抽水试验资料，钻孔单位涌水量0.0026L/（s·m），渗透系数0.0142m/d,水质类型HCO3·SO4·Cl-Na型，矿化度0.538g/L，属弱富水含水层。根据ZK13钻孔资料，井田F1断层西部奥灰水水位埋深166.42m，水位标高为1200.48m。据抽水试验资料，钻孔单位涌水量达0.0008L/（s·m），渗透系数0.0089m/d,水质类型HCO3·SO4-Na型，矿化度0.660g/L，属弱富水含水层。

（4）新生界松散岩类孔隙含水层。该含水层包括上第三系上新统和第四系中、上更新统以及全新统地层。

上第三系上新统地层广泛出露于井田内内沟谷两侧，含水层为底部的半胶结状砾石层，由于其不整合于基岩面之上，与基岩风化裂隙构成较好的含水层，但由于其连续性较差，补给条件也相对较差，且厚度不稳定，故富水性差异较大，一般单井出水量10m3/d，属弱富水含水层，水质类型为HCO3-Na型。

第四系中、上更新统地层多分布在梁峁之上，但由于沟谷坡度大，降水多形成地表径流，对地下水补给有限，因此该含水层多为透水而不含水岩层，局部含上层滞水，水量微弱。

第四系全新统地层分布在暖泉河谷之中，含水层主要为砂砾石层，但由于含水层厚度小，单井出水量也不大，可供生活和灌溉用水，属弱富水含水层，水质类型为HCO3·SO4-Na·Mg型，矿化度0.84g/L，水质较好。

3.3 主要隔水层

（1）石炭系中统本溪组泥岩隔水层。据本次施工的ZK18、ZK20、ZK21和ZK22钻孔资料，本溪组地层平均厚度26.59m。岩性以泥岩、粘土岩、铁铝岩为主，夹薄层石灰岩，隔水性能较好，加之15号煤下无煤段平均厚度达36.9m，合计63.49m，是可采15号煤与奥陶系岩溶水之间重要的隔水层。

（2）二叠系中统上、下石盒子组泥岩隔水层。本组隔水层厚度较大，由数层泥岩和砂质泥岩组成，垂直分布呈平行复合式结构，裂隙不发育，为山西组顶部的隔水层，对松散岩类孔隙水与风化裂隙水的下渗起着良好的隔水作用。

3.4 井田内地下水的补、径、排条件

松散岩类孔隙含水层主要接受大气降水的补给，在雨后一定时间内，各民井水位有上升现象，其径流方向与地表水基本一致，向沟谷下游径流。地面蒸发和人工开采是主要的排泄方式。

深部山西组砂岩裂隙含水层和太原组灰岩裂隙含水层主要是在其裸露区接受大气降水的补给。各含水层属于平行复合式结构，含、隔水层间均处于分散隔离状态，各含水层间的水力联系被其间隔水层所阻隔，它们之间存在着一定的水位差，若无构造沟通隔水层不遭破坏时，则各含水层间无互补关系。地下水主要以径流为主，径流方向一般沿岩层倾斜方向运动，排泄方式主要是矿坑排水。

奥陶系岩溶水的补给主要是裸露区接受大气降水和地表水的入渗补给，井田内为岩溶水径流区，径流方向由南东流向北西，最终排向柳林群泉，近年来人工开采也是其主要排泄方式之一。

3.5 构造对开采煤层的影响

井田内地层总体向西倾斜，呈单斜构造，地层倾角5°～20°。东部有F1断层1条，该断层倾向北西，倾角60°～70°，断距75～80m，区内延伸长4.08km，该断层贯穿井田南北，将井田自然分为2个水文地质单元。

由于井田奥灰水水头多高于主采煤层底板，主采煤层均属带压开采煤层，断层有可能形成导水通道，使岩溶水涌入矿井，造成水害，因此开采煤层时一定要沿断层留足保安煤墙，同时必须重视对隐伏断层以及其它构造形迹的发现与研究。以防断层导水造成淹矿事故。

3.6 地表水对开采煤矿的影响

区内没有大的地表水体，仅有数条季节性河流，其中以暖泉河和乔家塔沟最大，乔家塔沟常年有水，本次工作实测的清水流量为13.70L/s。暖泉河从井田东南角穿过，该河宽70～280m，本次调查的（1954年）50年一遇的最高洪水位标高1261～1313m，高出河床3m左右。该河平时干枯无水，只在雨季才有洪水通过。一般来说地表水通过基岩含水层渗透补给的水量是较弱的，但是，随着煤矿的开采，顶部岩层将遭到破坏，会使基岩裂隙加大、增多，特别是在东部煤层浅埋地段甚至形成地面塌陷，沟通断层以及其它构造形迹，使地表水涌入坑道，形成水害。因此在开采过程中一定要采取防范措施，坑口、堆煤场也要建在最高洪水位之上，以防洪水袭击，造成危害。

4 井田内主要煤层的充水因素分析

井田内6、9、13-1、13-2、14、15号煤为可采煤层。奥灰水水位标高为950～959m，各可采煤层底板标高大部均低于奥灰水水位，用突水系数评价奥灰水对各可采煤层的影响。

（1）突水系数计算公式的选择。采用《煤矿防治水规定》附录四突水系数计算公式：

式中∶TS——突水系数，MPa/m；

P——底板隔水层承受的水压，MPa；

M——底板隔水层厚度，m。

（2）根据区内钻孔资料，按6、9、13-1、13-2、14、15号煤层底板深度与奥灰顶面标高值，确定各钻孔隔水岩柱的厚度M，依据奥灰水位标高与奥灰顶面标高之差计算各煤层底板水压力值，最后代入公式（1）计算突水系数，计算结果见表1。

表1 煤层突水系数估算成果表

根据《煤矿防治水规定》附录四中“底板受构造破坏块段系数一般不大于0.06，正常块段不大于0.10”的规定,结合中阳县郝家圪塔井田实际情况,带压开采分区划分如下∶

TS＜0.06 可能突水区

0.06≤TS＜0.10突水危险区

TS≥0.10 突水最危险区

从表1计算结果可知,井田内6号煤层突水系数在0～0.11MPa/m之间，F1断层以东为可能突水区；F1断层以西为突水危险区，井田西部部分区域为突水最危险区。

9号煤层突水系数在0～0.15MPa/m，F1断层以东为可能突水区，靠近断层西南部为突水危险区；F1断层以西大部分地区为突水最危险区，仅靠近F1断层处为突水危险区。

13-1号煤层突水系数在0～0.19MPa/m，F1断层以东大部分地区为可能突水区，靠近断层西南部为突水危险区；F1断层以西大部分地区为突水最危险区，靠近F1断层处为突水危险区。

13-2号煤层突水系数在0～0.21MPa/m，F1断层以东大部分地区为可能突水区，靠近断层西部为突水危险区；F1断层以西绝大部分地区为突水最危险区，仅靠近F1断层处为突水危险区。

14号煤层突水系数在0～0.27MPa/m，F1断层以东大部分地区为可能突水区，靠近断层西部为突水危险区；F1断层以西绝大部分地区为突水最危险区，仅靠近F1断层东北角处为突水危险区。

15号煤层突水系数在0～0.29MPa/m，F1断层以东大部分地区为可能突水区，靠近断层西部为突水危险区；F1断层以西为突水最危险区。

5 结论

F1断层以东6号煤层直接充水含水层为山西组砂岩裂隙含水层，水文地质勘查类型属第二类第一型，水文地质类型为简单。F1断层以东9号煤层直接充水含水层为太原组碎屑岩岩溶裂隙含水层，为弱富水性含水层，水文地质勘查类型属第二类第一型，水文地质类型为简单。F1断层以东13-1、13-2、14、15号煤层，直接充水含水层为太原组碎屑岩岩溶裂隙含水层，由于煤层间距较小，开采过程中会导通上部采空区积水，水文地质勘查类型属第二类第二型，水文地质类型为中等。

F1断层以西6、9、13-1、13-2、14、15煤层大部分地区属奥灰突水危险区，且断层附近与奥灰含水层接触导通，侧向来水较大，水情较复杂。水文地质勘查类型属第三类第二亚类第三型，水文地质类型为复杂。

[1]房佩贤，等.专门水文地质学[M].北京:地质出版社,1996.

[2]王大纯,张人权，等.水文地质学基础[M].北京:地质出版社, 1995.

P64

A

1004-5716(2015)11-0127-04

2014-11-18

薛奋宏（1988-），男（汉族），山西临县人，助理工程师，现从事地质勘察技术工作。