晋圣亿欣煤矿水文地质特征及含水层富水性研究

王 池

（晋煤集团晋圣亿欣煤业有限公司，山西 沁水 048299）

1 引言

矿区水文地质特征勘探分析是矿井前期规划设计中最基础的工作，它关系到后续采区划分及回采方法的选择，同时也影响到采区防治水措施的实施和排水线路的安排调整[1]。富水性是评价含水性岩层在后续回采中涌水量大小的关键指标，它不仅反映了含水层溢水量的强度，也表征其外界补水能力。因此，加强对矿区水文地质特征的勘探和含水层富水性的分析评价，对矿区回采工作的有序开展具有重要的意义[2]。

含水层富水性评价方法主要有：现场试验法、地质物探法及多因子分析评价法[3]，后者在对矿区水文地质评价的应用中尤为普遍。本文基于对奥陶系含水层富水性有关的各地质因素进行综合分析评价，以此来预测岩层富水性分区特征。

2 矿区基本概况及水文特征

2.1 基本概况

晋圣亿欣煤业有限公司隶属于山西晋煤集团，是目前集团年产百万吨级主力生产矿井之一。煤矿位于沁水县城255°方向直距约10km的沁水县龙港镇杏峪、尧都及中村镇宋庄一带，开采井田范围东临沁水县龙港镇，西南部邻中村镇，西北部位于翼城县桥上镇。井田内主采2#、15#煤层，回采标高1530～640m，井田面积约31.52km2，其主采煤层特征及顶底板岩性如表1所示。

2.2 水文地质特征

2.2.1 含水层主要特征

根据地质勘探结果分析，按含水介质不同及岩性差异可将矿区回采深度内含水性岩层分为：松散岩性孔隙水含水层、碎屑岩性裂隙水含水层、碎屑岩夹碳酸盐岩性裂隙水含水层和奥陶系碳酸盐岩类裂隙水含水层。各含水层水文地质特征如下：

（1）松散岩性孔隙水含水层：主要岩性为砾石、细砂和粉砂，地下水类型为孔隙潜水，埋深3.6～5.2m，主要接受大气降水垂直补给及基岩裂隙水的侧向补给，向地形较低处径流与排泄。

（2）碎屑岩性裂隙水含水层：厚层状砂岩、砂质泥岩及紫红、灰绿中厚层状泥岩等岩性，类型主要为潜水，局部则为承压水，埋深5.8～7.1m，主要受大气降水和第四系孔隙含水层补给，排泄方式为侧向补给沟谷第四系地下水、人工开采及垂直向下补给碎屑岩裂隙含水层。

（3）碎屑岩夹碳酸盐岩性裂隙水含水层：岩性为多层灰岩及厚层状砂岩，承压水，埋深9.5～24.5m，主要以倾向沿相互平行的层间径流为主，在断层附近可发生垂向补给。

（4）奥陶系碳酸盐类岩裂隙水含水层：岩性为厚层状灰岩、角砾状灰岩或泥灰岩，地下水类型为承压水，埋深350～500m，径流方向由西北向东南，处于滞缓流状态，排泄方式为大量的人工井采和泉水溢流。

表1 可采煤层特征表

2.2.2 隔水层主要特征

经前期勘探结果表明，矿区回采范围内共两个隔水层，分别为：

（1）石炭系与二叠系砂岩含水层层间隔水层

隔水层主要岩性为泥岩、粉砂质泥岩，单层厚度不等，平均厚度约6.9～22.78m，K7、K8层间隔水层平均厚度达34.28m。呈层状分布于风化带以下的砂岩及灰岩含水层之间，阻隔着含水层之间的水力联系。

（2）石炭系上统太原组下部及中统本溪组隔水层

位于15#煤层之下，至奥陶系灰岩顶界之间，岩性以泥岩、粉砂质泥岩及铝土质泥岩为主。该层段岩层致密，裂隙相对不发育，为本区的主要隔水层，地层厚度12.80～25.50m，平均厚度21.5 m，在煤系地层与奥灰地层之间起到良好的隔水作用。

3 奥陶系含水层富水性评价

3.1 富水性评价指标

矿区目前主要回采15#煤层，下伏含水层为奥陶系碳酸盐类岩溶裂隙水含水层。为分析15#煤层回采时含水层的涌水情况，对该岩层进行富水性评价。含水层富水性影响因素很多，并且各因素影响方式不同，指标评价很难统一。对含水层富水性的有效定性，关键是确定含水层富水性的主要影响因素。根据亿欣煤矿邻近相似矿区及已有地质勘探资料，确定影响奥陶灰岩含水层富水性的五个关键因素：含水层厚度、单位涌水量、岩层渗透系数、区域断层发育密度和钻孔冲洗液消耗量[4]。

（1）含水层厚度

含水层富水性强弱与厚度直接相关。通常情况下，含水层厚度越大，内生节理裂隙越发育，透水性和孔隙度也越大，富水性越强，而含水层厚度越小，富水性相对越弱。因此，含水层厚度是富水性评价的主要指标。

（2）单位涌水量

单位涌水量是分析富水性强弱的直接评价指标。含水层单孔抽水试验中的单位涌水量是衡量含水层出水能力的直观评价指标。

（3）岩层渗透系数

岩层渗透系数是评价岩石渗透特性的主要指标，也是分析含水层富水性的主要指标，渗透性越好，岩层透水性越强，相应裂隙发育和富水性也就越强。

（4）区域构造发育密度

区域构造越发育，往往意味着此处受构造应力影响越集中，附近岩层受破坏程度也越大，因此裂隙较发育、富水性较强。根据已有地质资料结果表明，含水层处断层密度越集中，越易引发后期的突水事故，因此可将区域断层发育密度作为评价指标。

（5）钻孔冲洗液消耗量

该指标并非直接反映含水层富水性的强弱，而是根据地质勘探时，钻孔冲洗液的遗漏情况，分析勘探区岩层的孔裂隙发育情况，进而推测该区域含水层的富水性特征。

3.2 富水性评价方法

3.2.1 层次分析法简介

层次分析法主要通过对多因素指标进行定量性权重划分，然后基于评价公式实现对系统目标的模糊性定量评价[5]。其分析过程为：层次模型创建、构造判断矩阵、权重确定及一致性检验。

3.2.2 层次模型创建

根据奥陶系灰岩含水层富水性评价关键影响指标，可以根据系统目标和属性将模型分成3层：基于层次分析法的最终目的是对矿区内含水层富水性进行量化评价，所以隶属目标层（A）；将五个末端因素进行分类划分，可以得出岩层特性、渗流场和含水层特征这三个模型准则层（B）；五个末端评价因素构成模型的决策层（C）。如图1所示。

图1 含水层富水性评价分层模型

3.2.3 判断矩阵和权重分析

本文中层次分析法采用专家打分的方式来构造判断矩阵。从专家库中选三名专家，依据矿区水文地质特征和其他勘探资料，对上述五个关键因素关于奥陶灰岩含水层富水性影响程度进行两两对比评分，最终构建出相应的判断矩阵。通过对矩阵相容性进行计算，确定结果可接受，即取各组矩阵的平均值作为权重结果，得到权重分配初值，然后通过公式（1）的归一化处理，得到权重归一结果如表2所示。

表2 奥陶灰岩含水层富水性评价指标权重分配

3.2.4 评价结果

通过表2的权重分配结果，可以得到含水层富水性指数Si的评价计算公式：

式中：

Si-富水性指数；

wi-归一化后的各因素权重值；

fi(x,y)-处于（x,y）坐标下的影响函数。

通过应用GIS对各因素叠加效果进行数据分析计算，得到区域内富水性指数，进而得出晋圣亿欣煤矿井田内奥陶灰岩含水层富水性强弱分布情况。根据富水性指数结果，可以按 1～0.7，0.7～0.5，0.5～0.3，0.3～0.2，0.2～0.09 为分界区，将井田内奥陶系含水层富水性分为强富水区、较强富水区、中等富水区、较弱富水区、弱富水区，如图2所示。从中可以看出，强富水区主要分布于矿区北部，较强富水区分布于中北部及西北部区域，中等富水区分布于中南部，弱及较弱富水区广泛分布于矿区中部大部范围。

图2 奥陶系含水层富水性分区

4 结 论

依据晋圣亿欣煤矿内水文地质特征，并对奥陶系碳酸盐类岩溶裂隙水含水层采用层次分析法进行富水性评价，确定了影响奥陶系灰岩含水层富水性的五个关键因素：含水层厚度、单位涌水量、岩层渗透系数、断层发育密度和钻孔冲洗液消耗量，然后借助对比矩阵得到各因素的归一权重值，最后通过GIS的数据处理，得出了亿欣煤矿15#煤层下伏奥陶含水层强富水区多集中在矿区北部、西北部区域内。在矿井生产回采中采取针对性防治水措施，为矿井安全生产提供保障。