甘肃环县马福川煤矿水文地质特征及涌水量预测

李麒麟

（甘肃省地质矿产勘查开发局第三地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730050）

马福川煤矿位于甘肃省庆阳市环县西南50km处（如图1 所示），煤矿矿区南北长15.25km，东西宽约4.22km，面积64.29km2。主要开采煤有6 层，含煤地层为中侏罗统延安组（Jy）,含煤地层平均厚度301.25m,煤层累计平均总厚度19.56m，共含10 个煤组。

图1 交通位置图

1 矿区地层岩性及煤层

矿区发育的地层自老而新有三叠系、侏罗系、白垩系和第四系[1](表1)。延安组（Jy）是本矿区的含煤地层，为一套陆相碎屑岩沉积，煤层自上而下编号分别为煤1 层（组）、煤2 层（组）、煤3 层（组）、煤4 层（组）、煤5 层（组）、煤6 层（组）、煤7 层（组）、煤8 层（组）、煤9 层、煤10 层。主要开采煤1-1、2-1、3-1、3-1、5-1、7-1、8-3 层。

表1 地层系统及岩性特征表

2 矿区构造地质特征

区域地质构造处于鄂尔多斯盆地西缘断褶带的次级构造带-沙井子断褶带的中部，构造线方向呈近南北向、S 形弯曲[2]。其内发育断裂及褶曲构造。沙井子断褶带东以萌城-张家山逆断层（F1）为界，西以青龙山-彭阳逆断层（F2）为界（图2），具有东西向高低分带明显、北高南低、东高西低的特点。萌城-张家山

逆断层[2-3]（F1）北起萌城以北（向北与惠安堡大断裂相连），向南经罗家川、老南湫子东、花家湾西、马福川沙井子背斜东侧、车道坡，冯庄、在城阳和大小龙河一带减缓，全长184km 以上。为一断面西倾向东仰冲之压性大断裂，倾角一般40～50°；青龙山-平凉逆断层[2-3]（F2）是沙井子断褶带西缘大断层，北起青龙山东侧（向北继续延伸），向南经罗洼、王洼、彭阳、直抵平凉。全长180km 以上，为一延伸长、断距大、切穿深的大断裂。断面西倾，向东仰冲，断面倾角60～70°是对沙井子断褶带起控制作用的区域性大断裂。矿区内发育有三条背、向斜，皆呈有规律的南北向展布及反“S”型弯曲，背、向斜轴间距2.5～3km。从东向西依次为刘园子西侧背斜、井台子向斜、香烟壕背斜。从东向西依次为刘园子西侧背斜、井台子向斜、香烟壕背斜[3](如图2 所示）。

图2 构造纲要图

刘园子西侧背斜，由北向南轴向由北东10°转为北东20°，再转为南西30°到南西20°，呈“S”型，该背斜向南抬升，向北倾伏。两翼不对称，东翼陡，倾角15°～25°，西翼较缓，倾角12°～18°。背斜东西宽约1.5km，南北长30km；井台子向斜与刘园子西侧背斜平行。由北向南向斜轴由北西5°转为南西23°、南西38°矿区内南北延伸约15km；香烟壕背斜位于矿区西部，背斜轴部轴向由北向南由北东3°到南西20°，东翼地层倾角8°～15°，矿区内延伸5.2km。

3 矿区水文地质特征

3.1 含水层

矿区根据地层含水特征，地下水分为第四系松散岩类孔隙裂隙潜水和前第四系承压水两大类。

3.1.1 第四系松散岩类孔隙裂隙潜水

第四系松散岩类孔隙裂隙潜水主要为卵砾石潜水，只是在局部三级阶地阶面稍大的有利部位，有地下水分布，呈泉群状涌出，流量1.8L/s。水化学类型为SO4·Cl-Na·Mg 型水；pH 值7.9，为中性水；矿化度2774.5mg/L，为微咸水；总硬度1061.0mg/L，属极硬水，水质较差。

3.1.2 前第四系承压水

分布于全区，赋存于下白垩统志丹群砂岩、砂砾岩、中侏罗统及上三叠统延长群砂岩中。

1）下白垩统志丹群孔隙裂隙承压含水层。志丹群含水层总厚度在65－217m，平均145m，北部较薄，南部较厚。由于岩层胶结较为致密，孔隙、裂隙发育程度较差，因此在区内为一富水性极弱的含水层。地下水水化学类型为SO4·Cl-Mg·Na 或SO4·Cl-Na 型水；pH 值7.9-8.1，为中性或弱碱性水；矿化度2662.9-3805.6mg/L，为微咸水-咸水；总硬度725.7-1376.2mg/L，属极硬水。

2）中侏罗统安定组、直罗统、延安组孔隙裂隙承压含水层。含水层岩性为砂岩，为一复合型承压含水层。安定组砂岩总厚20－288m，平均88m；砂岩占地层总厚13%～89%，平均54%。直罗组各粒径砂岩总厚5～266m，平均45m；砂岩占地层总厚12%～93%，平均55%。延安组各粒径砂岩总厚28～257m，平均162m；砂岩占地层总厚34%～81%，平均61%。局部地段分布有下侏罗统富县组砂岩承压含水层。由于砂岩胶结程度好，孔隙、裂隙发育程度差，在周边没有含水层出露地表，补给条件差，其含水性属极弱含水层，或为一相对隔水层。

3）上三叠统延长群孔隙裂隙承压含水层：含水层岩性为各粒径砂岩，砂岩比率占钻孔揭露地层的54%～100%，平均94%。由于砂岩胶结程度好，孔隙、裂隙发育程度差，致使其补给条件差，富水性极弱，含水层的富水性有由西北向东南增强的趋势。

含水层厚度175.25～199.08m，渗透系数0.000135～0.00144m/d，涌水量0.21～19.09m3/d，单位涌水量0.0067～0.342m3/d·m（0.000077～0.00396L/s·m）。地下水水化学类型为SO4·Cl-Na 型或SO4·Cl～Na·Mg 型水；pH 值7.0～8.1，为中性水；矿化度1852.5～1927.0mg/L，为微咸水；总硬度580.5～1040.9mg/L，属极硬水。

3.2 隔水层（相对隔水层）

根据岩性特征本区可划分为相对隔水层的岩层有下白垩统志丹群第二段、中侏罗系中统安定组、直罗组、延安组；侏罗系下统富县组及三叠系上统延长群地层中的泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩、煤层。

3.2.1 下白垩统志丹群第二组（Kzh2）

由紫红色薄层状砂质泥岩夹薄层紫红色、灰棕色中厚层状中砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩。平均厚度为120.m。可作为上下含水层的相对隔水层。

3.2.2 侏罗系下统富县组相对隔水层（Jf）

以紫红、紫杂及浅灰绿色泥岩、粉砂质泥岩和粉砂岩为主，厚度6.76-60.14m，平均36.02m。可作为上下含水层的相对隔水层。

3.2.3 三叠系上统延长群隔水层（Tyn）

该层为煤系地层的基底，厚度不详。岩性以灰绿色、灰色细砂岩、粉砂岩、泥岩为主，随埋深增加，富水性减弱，视为隔水层。

3.3 矿井充水因素分析

3.3.1 地表水

马福川沟谷煤层距地表370～785m，导水裂隙带最大高度在17.62m 和60.15m；因此，地表水对未来矿坑充水影响很弱，地表水对矿井充水仅构成间接充水含水层。

3.3.2 地下水

各煤层开采后所形成的导水裂隙带高度均在各煤层露头地带浅部和各煤层露头地带，涉及白垩系下统志丹群承压含水层，白垩系下统志丹群承压含水层构成向矿井充水的直接充水含水层，而该含水层是井田内富水性较其他含水层相对较强的含水层，因此在未来开采各可采煤层时，白垩系下统志丹群承压含水层是矿井充水的主要来源。

白垩系下统志丹群承压含水层在向斜的中部地区构成向矿井充水的间接充水含水层，在向斜的中部地区由于侏罗系承压含水层属一富水性极弱的含水层，且夹多层泥质岩，孔隙裂隙发育程度差，致使白垩系下统志丹群承压含水层向矿井充水能力在向斜中部地区明显减弱。

侏罗系承压含水层在开采各煤层时，直罗组和安定组一般构成间接充水含水层，延安组以顶底板方式构成向矿井充水直接充水含水层，主要以顶板充水方式为主，但该含水层含水性极弱，以净贮量为主，因此，对矿井充水影响很弱。

三叠系承压含水层只在水平运输大巷中直接揭露，构成向矿井充水直接充水含水层，该含水层具较高承压水头，但该含水层导水性、富水性均较差，为极弱含水层，涌入矿坑水量较小。在其他部位，开采各煤层时，构成向矿井以底板方式充水的间接充水含水层，对矿井充水影响很弱。

4 矿井涌水量计算

井田规划为6.0Mt/a 竖井，未来拟定首采煤层为煤1-1 层。矿井水将主要来自侏罗系承压含水层。现根据井田特征和已掌握的水文地质资料，对首采区煤1-1 层采用地下水动力学（大井法），进行矿井涌水量预算[4]。

4.1 煤层顶板承压含水层涌入矿坑中水量计算（Q顶）

4.1.1 计算公式（采用承压转无压完整井公式）

式中:Q——进入矿坑系统水量（m3/d）；

K——渗透系数（m/d）；

H——承压水头高度(m)；

M——承压含水层厚度（m）；

R0——矿坑系统引用影响半径（m）；r0——矿坑系统引用半径（m）。

4.1.2 计算参数

选自502 和H708 号勘探孔计算，K=（0.00242+0.0000135）/2=0.00122m/d，H=250.82 +615.88=433.35m，M=24.38+26.3=25.34m(统计至直罗组底)。

因矿坑长宽之比a：b=4281：1810=2.4，所以，r0=（开采面积/π）1/2=(7733740m2/π)1/2=885.7m。R0=r0+10S(K)1/2=1037.1m。

4.1.3 计算结果：

Q顶=518m3/d。

4.2 煤层底板承压含水层进入矿坑系统涌水量（Q底）

4.2.1 计算公式（采用承压水非完整井公式）

式中：Q——进入矿坑系统水量（m3/d）；

K——渗透系数（m/d）；

M——含水层有效带厚度（m）；

L——井筒井壁进水部分长度（m）；

RO——巷道系统引用影响半径（m）；

ro——巷道系统引用半径（m）。

4.2.2 计算参数

选自502 和H708 号孔，K=（0.00242+0.0000135）/2=0.00122m/d，S=250.82+615.88=433.35m，L=5m，M=30m。

r0=（F/π）1/2=(7733740m2/π)1/2=885.7m。R0=r0+10S(K)1/2=1037.1m。

4.2.3 计算结果：

Q顶=300m3/d。

4.3 矿坑系统总涌水量（Q总）

Q总=Q顶+Q底=818m3/d。

马福川煤矿位于鄂尔多斯盆地西缘断褶带，矿区地质构造简单，水文地质条件简单，向矿井充水含水层均为承压含水层，地下水水位动态变化随季节变化不明显，向矿井直接充水含水层富水性极弱，矿井涌水量较稳定，为818m3/d，有利于煤矿的开采。