内蒙古鲁新井田水文地质条件研究

赵志强,安美艳,高奎锋,王兆亮,王福芝

(1.山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014；2.山东省农村科技促进中心，山东 济南 250101;3.临沂市国土资源局兰山分局，山东 临沂 276000)

0 引言

地下水是不可或缺的水资源，也是重要的生态环境支撑要素。矿产资源作为人类生存和社会经济发展的基础，其开发利用过程改变了地下水循环规律，导致了地下水失衡，不同程度的对地下水环境造成了破坏；与此同时，地下水失衡也给矿产资源开发带来了极大的安全隐患，矿井水害频发；矿产资源开发与地下水环境保护之间的矛盾愈发凸显。

内蒙古鲁新井田位于内蒙古自治区锡林郭勒盟乌拉盖开发区，由新汶矿业集团有限责任公司投资建设，井田面积34.53km2，探明白垩纪褐煤储量91108万t，为一内陆山间盆地沼泽相的含煤沉积，属典型的小型盆地聚煤。含煤地层上覆直接为新近系强富水中厚层砾岩含水层，水文地质条件复杂，属于典型的松散富水性强的含水层覆盖且浅埋的缓倾斜赋煤区。系统分析研究水文地质条件，分析采矿导致地下水失衡机理，即对矿山安全生产有十分重要的意义；又可为实现“采矿保水”协调统一，促进矿产资源及地下水资源合理开发、利用、保护提供基础地质依据①山东省地矿工程勘察院，内蒙古鲁新井田水文地质条件研究报告，2014年。。

1 地质条件

1.1 自然地理

鲁新井田处于锡林郭勒盟高原，位于大兴安岭西坡，为大兴安岭山地和内蒙古高原的衔接部位，属低山丘陵地貌。丘陵间宽谷、沼泽发育，地面标高海拔+868m～+922m。

该区属北温带大陆性半干旱气候，多年平均气温- 0.9℃，年降水量150～480mm，多年平均342mm。结冻期从11月至次年4月。地表水、地下水资源丰富，主要有乌拉盖河和乌拉盖水库。

1.2 地层构造

该区揭露的地层有煤系基底侏罗纪布拉根哈达组，含煤地层为大磨拐河组，煤系上覆地层为新近系、第四系。各地层间均为不整合接触。该区整体为一小型凹陷盆地，断裂构造规模较小，多以张扭性正断层为主。

1.3 煤层

该区煤系主要赋存盆地内，产状平缓，倾角一般小于10°，煤系主要保留下部。由于含煤基底起伏不平，煤系地层发育厚度不均。煤系地层厚度18.75～612.23m，平均244.45m。共含煤15层，煤层平均总厚度42.80m；主要可采煤层4层(6,9,11,13)，可采煤层平均总厚度37.70m，可采含煤系数15.4%。

2 水文地质条件

2.1 含水层及其水文地质特征

该区的含水层有：第四系砂砾层含水层、新近系砂砾岩含水层、煤系砂岩、砂砾岩含水层，煤系基底火山凝灰岩含水层。

2.1.1 第四系砂砾石层含水层

主要分布在盆地内及其周边沟谷的冲积、洪积和坡积层中，含水层岩性以中细砂、粗砂和砾石为主，局部有细砂和粉砂。上部表土层厚平均3.38m；下部砂层厚平均12.98m。砂层松散，透水性较强。单位涌水量1.129～1.344L/s·m，渗透系数11.93～12.46m/d，水位埋深0.18～0.5m，矿化度1.03～1.17g/L，水化学类型为HCO3- Na·Ca型。

表1 第四系砂砾石含水层抽水试验成果

2.1.2 新近系砂砾岩含水层

该含水层下伏煤系地层，含水层岩性砂砾岩，层数1～6层，单层厚度5.80～84.65m，平均40.73m。新近系含水层在单元内只分布在储煤盆地内，含水层的边界分布接近盆地边缘，在盆地东北部及南部，含水层延伸至区外。含水层厚度一般在30～50m，中南部厚度较大，一般为50～80m，局部大于80m，西北部和东南部厚度较薄，一般小于40m，盆地边部均小于20m(图1)。含水层岩性为砂、砾石，砾石成分主要为石英、长石，绿—紫红色火山凝灰岩块，粒径0.10～5.0cm不等。水位埋深一般在0.5～3.70m之间，水位标高867.54～870.14m。地下水流向为自东北流向西南。

根据抽水试验资料，抽水降深在1.21～22.06m之间，单井涌水量在4.53～16.50L/s(16.31～59.4m3/h)，单位涌水量(单井平均)0.5577～5.2480L/s·m，总体看该含水层是一富水性强的含水层。渗透系数1.112～14.72m/d，含水层的透水性也较强。根据水质分析结果，矿化度0.3～1.0g/L之间，水化学类型主要为：HCO3- Ca·Na型、HCO3- Na·Ca和HCO3- Ca型,pH值7.33～7.80，总硬度203.81～282.08mg/L。

1—新近系底板标高等值线；2—含水层厚度<20m；3—含水层厚度20～40m；4—含水层厚度40～50m；5—含水层厚度50～60m；6—含水层厚度>60m；7—井田范围；8—地下水流向图1 新近系砂砾岩含水层分布图

2.1.3 煤系砂岩、砾岩含水层

该含水层岩性主要为细砂岩、粗砂岩和砾岩，厚度大于2m的砂砾岩发育1～10层，单层厚度2.5～59.35m，平均单层厚度14.82m。砂砾岩一般为泥质胶结，半固结，松散、易碎。水位埋深一般在1～5m之间，水位标高865～869m，单位涌水量0.5～1.9L/s·m，渗透系数0.4～8.3m/d之间。

以煤11为界的上、下两段富水性差别极大，煤11以上含水层岩性较粗、厚度大，富水性为中—强，煤11以下含水层埋藏深，岩性较细，富水性差，为弱富水。

2.1.4 基底火山凝灰岩含水层

全区分布，揭露最大厚度228.60m，岩性为杂色凝灰岩、火山熔岩，致密、较硬。

在靠近盆地的边缘地带，该含水层裂隙较发育，富水性相对较好，单位涌水量0.0453～0.0896L/s·m，渗透系数0.3104～0.6255m/d；到井田深部，岩心较完整，裂隙不发育，静止水位埋深较深，分别为46.55m，83.28m，一抽即干，该含水层总体富水性弱。

2.2 隔水层

主要有新近系上部泥岩段隔水层和煤系中各层泥岩、粉砂岩隔水层(图2)。

1—钻孔揭露隔水层厚度；2—隔水层厚度等值线图2 新近系上部泥岩段隔水层分布图

2.2.1 新近系上部泥岩段隔水层

该泥岩段厚度一般在30～50m，最厚可达65.15m，最薄仅3～10m。为含砾泥岩及砂质泥岩，灰黑色，巨厚层状，泥质结构，柔软，具粘性及塑性。分布较稳定，为该区第四系含水层与新近系砂砾岩含水层之间的隔水层，基本阻断了上、下含水层之间的水力联系。但在局部地段厚度较小，稳定性较差，上下含水层有可能存在一定的水力联系。

2.2.2 煤系中泥岩、粉砂岩隔水层

该区煤系地层中的隔水层岩性主要为粉砂岩和泥岩，对各含水层之间的水力联系起着阻隔作用，特别是煤11顶板有一层相对较稳定的砂质泥岩或粉砂岩，厚度较大，一般在30～40m，其隔水作用较好，从煤11往下，煤层间的隔水层分布广，厚度也较大，较有利于下部煤层的开采。

2.3 水文地质边界条件

该区无论从地形地貌上还是地质构造上，都是一个盆地，是一个具有统一补给边界和径流、排泄条件的地下水系统。区内主要强富水含水层为新近系砂砾岩含水层，推测其水文地质边界：西北部、北部和东南部由山丘组成的分水岭边界，在岩浆岩风化裂隙水分布区，一般地下水分水岭与地表分水岭基本一致，沿此分水岭，盆地外侧的水(地下水和地表水)不能流入盆地内，因此该边界可视为相对阻水边界；东北部的都兰山与阿勒敖包山之间有一南北约2km宽的范围为(斯尔吉河)第四系古河床，边界附近已有稀疏钻孔揭露有新近系含水层存在(图3)，推测新近系含水层可能通过此地带向区外延伸；在井田西南乌散道包格山与乌珠尔呼舒山之间东西宽约4.5km的范围也是(乌拉盖河)第四系古河床，边界附近已有稀疏钻孔揭露有新近系含水层存在，推测下伏新近系含水层也可通过此地带向区外延伸。第四系古河床地下水丰富，新近系砂砾岩含水丰富、透水性好，这2处可视为盆地与外界相通的透水边界(图4)。

图3 东北部阻水边界地质剖面图

1—第四系含水层；2—新近系含水层；3—煤系基底含水层；4—地表水流向；5—阻水边界；6—透水边界图4 推测水文地质边界示意图

2.4 补给、径流、排泄条件

2.4.1 第四系含水层补、径、排条件

第四系砂砾石含水层的补给主要有3个途径：大气降水入渗补给、地下径流补给和地表水体入渗补给。地下水由东北部的透水边界处流入，大致沿古河道带经首采区向南，从南部透水边界流出盆地，水力坡度大约0.1%左右。地下水径流排泄是非常缓慢的，主要排泄途径是地面蒸发排泄。

2.4.2 新近系砂砾岩含水层补、径、排条件

新近系含水层分布较稳定，它通过盆地的透水边界延伸到盆地以外，因此新近系含水层主要是通过井田东部的透水边界地下径流补给。新近系地下水径流总体方向也是由北向南径流。

新近系地下水排泄以地下径流排泄为主，地下水在盆地内由北向南径流，经南部透水边界流出区外。新近系地下水另一排泄途径是向下伏煤系含水层排泄。在煤系隐伏露头区，新近系砂砾岩含水层直接覆盖在煤系含水层之上，形成上、下两含水层联系的通道(图5)。据抽水资料，新近系地下水位高于煤系地下水位，因此新近系地下水可通过此联系通道向煤系含水层排泄。

2.4.3 煤系含水层补、径、排条件

该区的煤系仅分布在盆地范围内，上覆新近系含水层，在煤系隐伏露头区，新近系砂砾岩含水层直接覆盖在煤系含水层上，形成两含水层水力联系通道，煤系含水层通过此联系通道接受新近系含水层的补给。煤系地下水径流方向继承了新近系地下水流向，即主径流方向为由北向南流，据水位观测资料求得的水力坡度为0.04%左右(图6)。煤系地下水的径流非常迟缓，排泄途径主要以缓慢的径流排泄为主。

2.4.4 基底凝灰岩含水层补、径、排条件

基底凝灰岩风化裂隙水含水层分布在凝灰岩分布区的表层，在裸露区和分布位置较高、第四系覆盖较薄的地区主要接受大气降水入渗补给，地下水沿地形坡向向盆地中部径流，向第四系和新近系排泄，含水层埋藏较浅的地段有可能蒸发排泄。在盆地内埋藏较深地区，由于上覆厚层隔水层，基本无大气降水入渗补给和地下水径流补给，加之深部风化裂隙不发育，所以该含水层基本无水或富水性极差。

3 主要含水层水量估算

3.1 盆地汇水范围降水入渗量估算

大气降水入渗补给量计算公式：

Q渗=α·F·P

(1)

式中：α—降水入渗系数(无量纲)；F—盆地汇水范围面积(m2)；P—多年的平均降水量(降水深)(m/a)。

计算得大气降水入渗补给量为944.9×104m3/a，具体参数取值见表2。

3.2 第四系地下水静储量估算

地下水静储量计算公式：

V容=μ·F·M

(2)

式中：V容—含水层静储量(m3)；μ—给水度(无量纲)；F—计算区面积(m2)；M—含水层厚度(m)。

图5 A- A'典型水文地质剖面图

图6 煤系地下水流向示意图

计算该区第四系地下水静储量为16757.2×104m3,具体参数取值见表3。

表3 第四系地下水静储量计算

3.3 新近系含水层储存量估算

地下水静储量计算公式：

V弹=μ＊·F·ΔH

(3)

V容=μ·F·M

(4)

式中：V弹—弹性储存量(m3)；V容—容积储存量(m3)；μ＊—含水层弹性释水系数(无量纲)；μ—给水度(无量纲)；F—计算区面积(m2)；ΔH—压力水头高度(m)；M—含水层厚度(m)。

计算该区新近系地下水静储量为30039.07×104m3,具体参数取值见表4。

表4 新近系地下水静储量计算

4 矿井充水因素分析

4.1 充水水源

新近系含水层分布面积大、富水性强、储存量大、有单元外地下径流补给，并可能接受第四系水的下渗补给，新近系含水层与煤系含水层水力联系密切，因此，新近系含水层地下水是煤层顶板涌水最主要的水源。

4.2 盆地边界充水因素分析

在盆地阻水边界范围内，大气降水入渗主要补给第四系含水层，地下水顺地势向盆地中部径流。在盆地内第四系水与煤系含水层无直接水力联系，因此大气降水入渗对矿井充水无直接影响，阻水边界充水条件差。

透水边界是新近系水的最主要补给通道，新近系地下水有着较好的补给来源，含水层与煤系有着非常密切的水力联系，透水边界充水条件好。

4.3 断层含、导水性分析

井田内有9条断层，全部为正断层，大部分在井田的西、西南侧井田的边缘地带，井田东侧较少。断层落差最大的为F2，落差70m，落差较小。由于盆地边缘地带煤系基底火山凝灰岩埋藏较浅，煤11及以下煤层埋藏更浅，含水层不发育，断层上下盘大多为隔水层，推测在这些地段断层含、导水性差，对煤层开采影响小。

4.4 主要开采煤层充水因素分析

煤6和煤9顶板含水层较发育，富水性和透水性好，是矿井涌(突)水的重要水源。在隐伏露头区其顶板含水层岩性大多为砾岩，而且与上覆新近系含水层直接接触，水力联系密切，这对矿井充水形成有利条件，对矿井安全生产威胁大。

煤11及以下含水层分布距新近系含水层较远，地下水补给条件差，富水性透水性也差，大部分地段新近系地下水对矿井涌(突)水影响小。

4.5 首采11煤层涌(突)水危险性分区

结合矿区首采11煤层初步开采思路，拟采用预采顶分层综放开采，第一分层采高3m。根据山东科技大学《浅埋煤层安全开采与保障技术阶段研究报告》，工作面长度为150m时，第一分层采高3m，开采后冒裂带发育高度为46.43m，随着工作面长度的增大，冒裂带高度有增大趋势，按照“三下”规程，保护层厚度取值一般为3～4倍采高，取其大值为12m，由于该区缺少实际冒裂带发育高度观测数值，考虑冒裂带高度随开采活动可能有增大趋势，该次暂将冒裂带保护层高度定为60m。

由于首采区11煤层以上主要发育含水层为新近系砾岩含水层，6煤顶板砂砾岩含水层、9煤顶板砂砾岩含水层，11煤层顶板至9煤层以上第一个含水层底板之间覆岩段内含水层不甚发育，主要呈零星片状分布，富水性相对较差，因此，首采11煤层开采(采高3m)涌(突)水危险性分区为：冒裂带保护层高度未达到9煤顶板以上第一个含水层的区段，划分为C区。冒裂带保护层高度达到9煤顶板以上第一个含水层但未达到新近系砾岩含水层的区段划分为B区。最后将冒裂带保护层高度达到新近系砾岩含水层的区段划分为A区。由A到C涌(突)水危险性逐步减小(图7及表5)。

1—涌突水C区；2—涌突水B区；3—涌突水A1亚区；4—涌突水A2亚区；5—11煤上覆隔水层厚度图7 首采11煤层涌(突)水危险性分区图

项目分区面积(km2)涌(突)水条件涌(突)水源涌(突)通道涌(突)水危险性评估AA11.68A22.83冒裂带内11煤到9煤之间含水层煤系顶板冒裂带导水危险性小BB16.84B20.87主要为6、9煤系含水层,其次为新近系含水层冒裂带及砂砾岩含水层导水危险性大C13.2新近系含水层冒裂带及砂砾岩含水层导水危险性大

5 煤炭开发对地下水环境的影响分析

5.1 含水层结构破坏

该区煤层属于被松散富水性强的含水层覆盖且浅埋的缓倾斜煤层，煤炭开采使围岩产生变形和移动，尤其煤6、煤9冒落带与导水裂缝带最大发育高度范围内分布有富水性强的新近系砂砾岩含水层，必将引发新近系含水层结构破坏，地下水大量涌出，水位大幅下降。

5.2 地下水循环规律发生改变

该区煤层上部新近系砂砾岩含水层，分布面积大，连续稳定，厚度大，富水性好，透水性好，且有单元以外地下径流补给，并可能接受第四系水的下渗补给，与煤系含水层的水力联系密切。煤炭开发强排疏水，必然改变其补给、径流、排泄关系，形成大规模地下水降落漏斗，地下水循环规律发生根本性改变。

5.3 浅层地下水或被疏干，草原变荒漠

虽然该区新近系含水层与浅部第四系含水层之间有相对稳定连续的隔水层分布，但盆地边部第四系、新近系、煤系含水层相互联系，煤炭开发大规模疏排水，浅部地下水反补漏斗降落区，若被疏干，则生态环境将遭到严重破坏，草原变荒漠。

6 “采煤保水”协调性对策建议

(1)该区主采煤层煤6、煤9冒落带与导水裂缝带最大发育高度范围内分布有富水性强的新近系砂砾岩含水层，估算含水层静储量较大，开采涌(突)水危险性较大，疏排水难度较大，对地下水环境影响较大，建议暂不开采。

(2)对首采煤11建议在进一步查明水文地质条件的基础上，选择局部安全地段，开展小面积试采工作，同时开展疏放水试验等工作。观测研究导水裂缝带发育高度，水砂分离方法、跑砂休止角，巷道开口时溃水溃砂的最小垂直距离、钻孔超前探放水安全距离等参数。

(3)建议对煤层露头风化带、与富水性强的含水层间存在水力联系的断层、裂隙带或者强导水断层接触的煤层、受保护的观测孔、注浆孔和电缆孔等留设安全煤柱。

(4)建议探讨防、堵、疏、排、截综合治理措施的可行性，并适当考虑矿井排水与矿区供水、生态环境保护相结合，推广应用矿井排水、供水、生态环保三位一体优化结合的管理模式和方法。

7 结语

综上所述，通过鲁新井田典型水文地质条件研究工作及成果可以看出，矿产资源开发过程中应该加强水文地质研究工作，促进矿产开发与地下水环境保护的协调统一，要遵循自然规律，趋利避害，以保障生产安全、地下水环境安全、实现资源绿色开发为起点，遵照可持续利用的原则，为人类社会的可持续发展保驾护航。

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