沁水煤田固县勘查区地下水化学特征及含水层间水力联系分析

李 志 有(山西省煤炭地质114勘查院， 山西 长治 046011)

沁水煤田固县勘查区地下水化学特征及含水层间水力联系分析

李 志 有
(山西省煤炭地质114勘查院， 山西 长治 046011)

依据勘查区水文地质钻探、野外抽水和水质化验资料，重点对勘查区主要可采煤层3号和15号煤层影响较大的下石盒子组及山西组砂岩裂隙含水岩组、太原组砂岩裂隙及石灰岩岩溶裂隙含水岩组和奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水岩组进行了水化学特征和含水层间水力联系分析研究。结果表明：勘查区各含水层之间的水力联系均较弱，但在构造影响区域水力联系有相对增强的趋势；奥陶系岩溶裂隙含水层的水化学特征与其埋深、构造发育程度有着密切的关系，总体随着埋深的SO42-、矿化度相应增加，径流条件逐渐变差；同时分析得出勘查区3号煤层、15号煤层均处于带压状态，对未来煤炭资源开采过程中的防治水工作有较大的参考价值。

含水层；带压开采；水化学特征；水力联系

矿井水害是矿山建设与生产过程中的主要安全隐患之一，它与含水层之间水力联系和构造导水能力有着直接的关系，而含水层之间的水力联系主要是由含水层水位标高、水化学特征和构造导水能力等因素综合决定的，因此明确含水层水化学特征和含水层之间水力联系对后续煤炭资源开采意义重大[1-10]。固县勘查区位于山西省南部沁水县固县乡一带，勘查区总体形态为近似正方形，南北长约10.65 km，东西宽约11.46 km，勘查区面积124 km2。2013年至2015年勘查区内由山西省煤炭地质114勘查院施工完成了7个专门水文地质勘查钻孔。本文结合钻孔抽水试验、水质化验资料和周边区域水文钻孔相关资料，重点对与未来煤层开采有关含水层的水化学特征及其水力联系进行分析，旨在为勘查区内煤炭资源开采过程中的水害防治提供技术参考资料。

1 勘查区地质条件

1.1 地层

勘查区内地层出露条件较好，出露地层主要为二叠系上统上石盒子组上段、石千峰组，三叠系下统刘家沟组，第四系中更新统、上更新统和全新统。根据以往施工钻孔揭露，地层由老至新分别有：奥陶系中统上马家沟组、峰峰组，石炭系本溪组、太原组，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组，三叠系刘家沟组，第四系中更新统、上更新统、全新统。

1.2 构造

勘查区构造特征与区域构造特征一致，总体构造形态为走向南北—北东，向西缓倾的单斜。在此基础上发育方向比较单一的宽缓褶曲。沿倾向方向，东部较平缓；中部褶曲形迹紧密，西部较陡，走向近南北，两翼地层产状一般为4°～12°；西部表现为向西倾的单斜，倾角一般为10°左右。沿走向方向，南部多为短轴宽缓褶曲，断裂构造较发育；北部褶曲相对紧密，两翼地层产状较陡。沿倾向及走向伴有少量断层和陷落柱。总体构造属简单类。

1.3 含煤地层

含煤地层主要为石炭—二叠系含煤地层，煤层主要分布于二叠系下统山西组和石炭系上统太原组。太原组含煤11层，自上而下编号的有5、7、8-1、8-2上、8-2、9、11、12、13、15、16号。其中15号煤层厚1.10 m～5.40 m，平均3.03 m，全区稳定可采。山西组含煤3层，自上而下编号为1、2、3号。其中3号煤层位于本组下部，煤厚3.00 m～8.21 m，平均6.30 m，全区稳定可采。其余太原组和山西组煤层均不可采。

2 勘查区主要含水层及水化学特征

勘查区内DS-1至DS-7的7个水文钻孔抽水段孔径均为113 mm，抽水工具采用100QJ3-480/78-7.5型潜水泵或W-10/60空气压缩机组，水量采用三角堰观测，水位采用测线、万用表、钢卷尺观测。止水采用海带进行临时性止水，止水检查合格后洗孔，采用相应化学药品浸泡含水层后，采用活塞、钢刷、水泵洗至砂清水净后按要求进行抽水试验。抽(放)水试验依据《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》[11](MT/T1091-2008)实施，抽(放)水试验质量依据《煤矿床水文地质勘查工程质量标准》[12](MT/T 1163-2011)验收。抽(放)水试验质量合格或合格以上[13-15]，均符合设计规范要求。下面结合含水层抽水及水质化验结果将含水层和相应水化学特征描述如下：

2.1 主要含水层

2.1.1 二叠系下统下石盒子组及山西组砂岩裂隙含水岩组

该含水层自上而下由下石盒子组中部砂岩段、K8、K7、K砂岩组成。依据勘查区水文孔抽水资料：单位涌水量为0.000138 L/(s·m)～0.0032 L/(s·m)，渗透系数0.000557 m/d～0.024 m/d，水化学类型为HCO3—Na、HCO3—Ca·Na型，矿化度257 mg/l～1 088 mg/l，整体为弱富水性含水层。

2.1.2 石炭系上统太原组砂岩裂隙及石灰岩岩溶裂隙含水岩组

本组主要由K6、K5、K3、K2等石灰岩和K1砂岩组成。根据钻孔抽水试验资料：单位涌水量为0.00012 L/(s·m)～0.0216 L/(s·m)，渗透系数0.00038 m/d～0.0169 m/d，水化学类型为HCO3—Na、HCO3—NaCa型，矿化度369 mg/L～1 149 mg/L，整体为弱富水性含水层。

2.1.3 奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水岩组

含水层主要以海相厚层状石灰岩、白云质灰岩及泥灰岩组成。根据钻探资料，峰峰组上段及下段底部钻井液消耗量均有增大现象，达0.3 m3/h～0.5 m3/h；上马家沟组中段局部发生孔内漏失现象，漏失量达6 m3/h～12 m3/h。依据水文孔抽水试验资料：该含水层单位涌水量0.00033 L/(s·m)～0.0579 L/(s·m)，渗透系数0.000341 m/d～0.03924 m/d，水化学类型为SO4—Ca·Mg型、SO4—Ca·Na型，矿化度1 343.38 mg/L～3 490 mg/L，该含水层富水性为弱—强，富水性不均一。

2.2 水化学特征2.2.1 二叠系下统下石盒子组及山西组砂岩裂隙水

表1 各钻孔山西组与下石盒子组含水层水化学分析一览表

2.2.2 太原组砂岩裂隙及石灰岩岩溶裂隙水

表2 各钻孔太原组含水层水化学分析一览表

2.2.3 奥灰岩溶裂隙水

表3 各钻孔奥陶系中统含水层水化学分析一览表

3 各含水层之间的水力联系

3.1 下石盒子组及山西组砂岩裂隙含水岩组与其上下岩组的水力联系

根据勘查区水文钻孔抽水资料，太原组砂岩裂隙及石灰岩岩溶裂隙水抽水水位标高+650.58 m～+800.71 m，而下石盒子组及山西组砂岩裂隙含水岩组水位标高为+609.20 m～+822.71 m，且DS-1和DS-5水文孔孔太原组水位标高明显高于下石盒子及山西组水位标高，太原组水化学类型与下石盒子及山西组水化学类型明显不同，但是DS-6水文孔处太原组与下石盒子及山西组的水位标高和水化学特征均非常接近，因此初步判定除DS-6孔附近两个含水层水力联系较强，其它区域两个含水层之间的水力联系较弱，但在勘查区内断层、陷落柱等构造将会强化两个含水层之间的水力联系。

图1 奥灰岩溶裂隙水矿化度分区图

同时3号煤层标高为-240 m～460 m，而勘查区奥灰水水位标高为+627 m～+613 m，太原组砂岩裂隙及石灰岩岩溶裂隙水抽水水位标高+650.58 m～+800.71 m，3号煤层底板均低于太灰水位和奥灰水位，存在带压开采问题。由于太灰水属于弱富水性含水层，这里重点关注奥灰水对3号煤层开采的影响，从表4、图2可以看出，3号煤层底板以上水头压力达到3.414 MPa～5.162 MPa，隔水层厚度110.36 m～131.36 m，突水系数0.0426 MPa/m～0.0684 MPa/m，均小于正常地段的0.10 MPa/m，处于过渡区和相对安全区，但过渡区和相对安全区不一定不突水，在遇到断层、陷落柱等导水构造时，可以强化与奥陶系岩溶裂隙含水岩组的水力联系。尤其是在勘查区西南角断裂构造密度较大，发生突水的危险性就更大，需要引起高度重视。

图2 3号煤层底板奥灰水突水危险性分区图

另外3号煤层最大导水裂隙带高度为47.35 m～120.73 m，平均为93.83 m，沟通了老顶砂岩、K8砂岩、下石盒子组砂岩含水层，局部地段可沟通上石盒子组底部k10砂岩含水层。但上述砂岩裂隙含水层富水性较弱，补给条件差，补给水量有限，一般对矿井充水影响较小。

表4 3号煤层底板水头压力和突水系数统计表

3.2 太原组砂岩裂隙及石灰岩岩溶裂隙含水岩组与其上下含水层的水力联系

表5 15号煤层底板水头压力和突水系数统计表

4 结 论

根据勘查区水文地质钻探、抽水试验、水化学化验资料，分析了勘查区地下水化学特征及含水层间水力联系，主要研究结论如下：

(2) 正常情况下各含水层之间的水力联系均比较弱，但是遇到断层、陷落柱等构造影响区域水力联系有相对增强的趋势。

(3) 3号及15号煤层均处于带压状态。15号煤层突水系数大于0.1 MPa/m，处于危险区,易发生直通式突水；3号煤层突水系数小于0.1 MPa/m，处于过渡区和相对安全区，存在发生突水的可能性，需要在岩层完整和构造简单地带科学安全采取防治水措施的情况下进行开采，这对未来煤炭资源开采过程中的防治水工作有较大的参考价值。

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Analysis of Groundwater Hydrochemical Features and Hydraulic Connection Between Aquifers in Guxian Exploration Area of Qinshui Coalfield

LI Zhiyou

(ShanxiNo.114ExplorationInstituteofCoalGeology,Changzhi,Shanxi046011,China)

According to hydrogeology drilling, water pumping and water quality data from exploration area, this research focus on major minable coal seams (No.3 and 15 coal seam) which had great influence on Xiashihezi and Shanxi Formation sandstone fissure aquifer, Taiyuan Formation sandstone and limestone karst fissure aquifer and middle Ordovician limestone karst fissure aquifer hydrochemical features and hydraulic connection analysis. The result show that hydraulic connection between the aquifer are rather weak in exploration area, but relatively strong in construction affected area. Hydrochemical Features of the Ordovician limestone karst fissure aquifer has great relationship on its depth and degree of construction development, with the increasing in depth SO42-and mineralien increase accordingly, the condition of runoff becomes worse. This study shows No.3 and 15 coal seam are all under water pressure, which need much attention in water hazard controlling during coal mining in future.

Aquifers; mining under pressure; hydro-chemical features; hydraulic connection

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.035

2016-07-16

李志有(1985—)，男，河北崇礼人，硕士，工程师，主要从事水文地质、煤层气页岩气施工、灾害治理等方面的管理和技术工作。 E-mail：15803552813@126.com

P641.12

A

1672—1144(2016)06—0179—05