辛置矿区含水层富水性径流特征及水力联系研究

赵培富

(霍州煤电集团有限责任公司，山西 霍州 031400)

随着煤炭开采深度和开发强度的增加，矿井水害问题日益突出。经过近七十年的开采，辛置煤矿东区10#煤开采已接近尾声，为实现矿井持续发展，亟需开展+380 m标高以下11#煤层的开采技术研究。11#煤下伏奥灰含水层富水性强，属局部带压开采，开采过程还面临上覆采空区、山西组砂岩水以及太原组K2灰岩含水层充水水源的威胁，加之井田地质构造复杂，以张性为主的断裂和陷落柱有可能成为导水通道，或受采动影响成为潜在的导水通道。

近年来，煤矿防治水专家和广大技术人员围绕煤矿底板水害突水机理、超前探测、防治水评价做了大量的研究和实践工作[1-5]，实施超前区域探查和治理是煤矿防治此类水害的根本方向和有效方法。因此，为解放辛置煤矿受奥灰水威胁的+380 m标高以下10#及11#煤资源,实现矿井的持续发展，开展了带压开采分区、水力联系及底板水威胁程度评价工作，为制定针对性防治水措施和保障矿井安全生产提供技术支撑。

1 地质概况

辛置煤矿是霍州煤电集团有限责任公司主力矿井之一，位于山西省南部临汾市北缘，霍州市境内，井田处于霍西煤田中部，霍州矿区东南，地貌形态为中低山区，地形切割强烈，沟谷纵横，地形复杂。井田形状呈不规则多边形，东西长11.505 km，南北宽11.500 km，井田面积59.083 4 km2，采用平硐、立井和暗斜井综合开拓方式，现开采2#、10#煤层。

辛置井田大部分被新生代沉积物所覆盖，仅在西部赤峪断层、前河底断层附近的沟谷中出露石盒子组中部的地层，并受断层破坏，零星紊乱。结合钻孔资料，区内地层由老至新有古生界奥陶系、石炭系、二叠系及新生界第三系、第四系。井田内主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，共含煤层13层，总厚102.26 m，见表1，其中可采煤层6层，总厚10.58 m，含煤系数8.3%.

表1 井田可采煤层情况表

2 矿区水文地质单元划分及地下水径流情况

2.1 矿区水文地质单元划分

霍州矿区处于吕梁山和霍山隆起带之间，受燕山运动以北北东走向的罗云断层(在临汾龙子祠的断距1 000 m)和霍山断层(在霍山西麓落差3 000 m)等一系列北东、北东东走向的平行断层形态构造影响，南北部断块有较大的差异，形成了霍州矿区北部相对上升南部相对下沉的地堑特征，综合区域地下水的补给、径流、排泄条件分析[6-8]，构造盆地奥灰岩溶水的运动特征，总体而言东部近南、北向的霍山大断裂和西部赤峪断层以及北部李曹断层两个水文地质单元的交接将该区切割成具有相对独立水文地质特征的地段，并对该区域的地下水运移产生了明显的影响，见图1.

图1 奥灰区域水文地质图

2.2 矿区地下水径流情况

井田受中部琵琶垣村南走向延伸长度6 150 m的F28正断层和南部琵琶垣村南井田内延伸长度4 100 m的F34正断层影响，形成地堑构架，以北区域(简称北区)岩溶地下水一部分向西及西北方向径流，穿越南北向的赤峪断层向郭庄泉径流排泄，一部分遇到F28与F34正断层时通过渗透和断距减小、尖灭端的方式向南运移；地堑构架以南区域(简称南区)向南及西南方向径流，向临汾盆地深部径流，其径流方向示意图见图2.

图2 井田内地下水径流方向示意图

2.3 矿区径流环境情况

矿区内地下水的主要补给来源于大气降水入渗和地表水的渗漏[9].在地形和构造条件的影响下，地下水垂直运移或水平径流，多以侵蚀下降泉或构造(地层)阻水溢出成泉或侧向补给邻区含水层中地下水。根据调查显示，矿井区域内地下水和地表水的径流方向基本一致，以地表分水岭为界分别向汾河河谷及其下游一带径流汇集，同时井田东部奥陶系灰岩隐伏出露于霍山山前洪积扇下，是该区岩溶地下水的主要补给来源。

3 矿井太原组含水层、奥陶纪含水层富水性特征

3.1 太原组含水层特征分析

矿井内太原组含水层主要由太原组中部K2、K3、K4三层灰岩组成，主要煤层与上、下含水层位置关系示意图见图3，三层灰岩多为致密块状、坚硬，均不同程度地发育有裂隙，其中K2、K3石灰岩全区发育，上覆有第三、四系砂砾石及淡水灰岩含水层，可以直接接受其补给[10]；K3东部有剥蚀带，由于井田内无出露，故不易接受大气降水补给，当有导水断层或陷落柱时也接受下伏奥灰水的补给；K4石灰岩仅在北部及东北角的局部标高较高的地段零星赋存。

图3 主要煤层与上、下含水层位置关系示意图

辛置矿区内奥灰水具有明显的分区性，由太灰水富水性分区图(图4)可知，矿井整体上属于中等富水性，局部靠近F28、F34断层附近地区属于弱富水性，北部井田边界部分区域属于强富水性。

图4 太灰水富水性分区图

3.2 奥陶纪含水层特征分析

对矿井安全生产存在威胁的奥陶纪含水层为峰峰组岩溶含水层和上马家沟组含水层。

峰峰组岩溶含水层分为上下两段，主要含水层段为上段，局部强烈溶蚀；下段为泥灰岩夹石膏层的相对隔水层。据钻孔抽水试验，+540 m水平单位涌水量0.016～1.110 L/s·m；+310 m水平奥灰水位标高519～522 m，单位涌水量0.050～0.762 L/s·m.含水层富水性不均一，东四采区为弱-强富水性含水层，+310 m水平含水层富水性弱-中等。上马家沟组岩溶含水层组岩性分3段，含水层主要为中上段，以厚层状石灰岩、白云质灰岩和豹皮灰岩夹泥灰岩组成，下段以角砾状灰岩含石膏层构成相对隔水层，上马家沟组含水层不受上部断层影响，径流条件好，较峰峰组富水性强，岩溶水矿化度、硬度较峰峰组小。井下施工的XZ-3(540车场)和跑蹄风井场地1#、2#水源井揭露O2s地层，水位标高515.20～517.50 m，单位涌水量2.48～14.97 L/s·m，富水性强-极强。

3.3 太原组含水层、奥陶纪含水层径流条件分析

区内太原组含水层与奥陶系含水层有稳定隔水层，各含水层之间的水力联系主要途径为导水断层、裂隙发育带和导水陷落柱等。根据辛置煤矿目前水文钻孔及水源井的水质分析资料，结合抽水试验、日常化验的水质情况分析，得到各地下水系统离子含量情况分区统计，见表2.

表2 各地下水系统中的标型组分表

太灰水水质呈弱碱性，表现为中等矿化度及较高硬度的特征，太灰灰岩地下水处于径流区内，水质呈典型的深层灰岩水。受F28与F34地堑系对地下水运移阻碍作用影响，太灰水北区径流条件比南区径流条件好，这与南区COD明显高于北区COD显现相一致。奥灰水水质属于碱性水，为中等矿化度及较高硬度的特征，奥灰灰岩地下水处于径流区内，水质呈典型的深层灰岩水，北区奥灰水矿化度低于南区，说明奥灰水北区径流条件比南区径流条件略好。

3.4 太原组含水层、奥陶纪含水层水力联系

综合辛置矿区水质离子特征对比，利用piper三线图、层间距分析含水层之间的水力联系情况，见图5，6.

图5 北区太灰水与奥灰水水质叠加图

由图5可知，在阳离子三角图中奥灰水样左边位置，太灰集中与中部位置3大阳离子各约占1/3；菱形中奥灰水样处上角偏左位置，太灰水样处上角中部位置，辛置矿北区奥灰水与太灰水存在很大差异水力联系很薄弱。由图6可知，在阳离子三角图中奥灰水样与太灰水样一样均集中于左边位置；阴离子三角图中二者位置跳动很大；菱形图中太灰水样O2与奥灰水样ZK403、ZK501、ZK701位置大体相同，这一带奥灰水与太灰水存在一定的水力联系。

图6 南区太灰水与奥灰水水质叠加图

太原组灰岩含水层和奥陶系灰岩顶两含水层之间存在稳定的隔水层。受太灰水开采疏干影响两含水层有一定的水位差，奥灰含水层的矿化度、硬度和硫酸根离子的含量均明显高于K2灰岩含水层，可以判断两含水层的水力联系较弱。尽管在K8含水层与风化裂隙带和第四系含水层无明显的水力联系，但是在煤层浅埋区和有断层的情况下，由于K2的排水也将使奥灰含水层与K2含水层之间的水压差增大从而使含水层之间的水力联系加强，由开采所造成的顶板冒落以及底板的破坏所形成的人工通道，也可能致使两含水层之间可能产生新的水力联系。

4 结 语

总体而言，辛置矿区受东部近南、北向的霍山大断裂和西部赤峪断层以及北部李曹断层影响,区域内地下水向临汾盆地深部产生显著运移；矿井地下水径流区内太灰水、奥灰水地下水径流条件较好，两含水层之间存在稳定的隔水层，奥灰水与太灰水水质差异较大，说明两含水层之间水力联系较薄弱；+380 m标高以下11#煤开采过程，局部区域受断层、陷落柱发育及勘查钻孔密集影响，仍存在含水层上下导通形成通道威胁，因此开采过程需进一步加强断层、陷落柱分布规律分析研究，并制定针对性防治水措施，为矿井防治水工作和安全生产提供技术保障。