泊江海子矿二盘区水文地质条件及充水因素分析

穆金霞

（中国煤炭地质总局 第一水文地质队，河北 邯郸 056004）

0 引 言

我国是世界上煤炭产量大国，也是煤矿水害最为严重的国家之一。矿井水文地质条件研究是矿井水害防治的重要工作，是矿井生产建设不可或缺的基础条件。本文以泊江海子矿为例，分析了矿井水文地质条件及充水因素，为煤矿安全开采提供基础地质依据。

1 矿井地质

内蒙古银宏能源开发有限公司泊江海子矿位于东胜煤田西北部塔然高勒矿区东南，生产规模300万t/a，井田面积40.667 1 km2。二盘区内地层由老至新发育有，三叠系上统延长组（T3y），侏罗系中下统延安组（J1- 2y）、中统（J2），白垩系下统志丹群（K1zh） 和第四系（Q）。含煤地层为侏罗系中下统延安组（J1- 2y），主采3- 1、4- 2、5- 1 号煤层。

该区构造形态总体为一走向东西，向北倾斜的单斜构造，地层倾角1° ～3°，局部倾角达10°，褶曲构造较为发育。二盘区西部三维地震解释断层8 条。二盘区未发现岩浆岩侵入，构造属简单类型。

2 矿井水文地质条件

2.1 含水层

二盘区内自上而下发育的主要含水层有第四系孔隙含水层、白垩系下统志丹群孔隙—裂隙含水层、侏罗系中统裂隙含水层、侏罗系中下统延安组裂隙含水层等组成（图1）。

图1 主采煤层与各含水层位置关系示意Fig. 1 Position relationship between main coal seam and each aquifer

第四系孔隙含水层由风积沙和冲洪积物组成，含水类型为孔隙潜水。据钻探揭露，二盘区内第四系地层厚度1.85 ～41.65 m，平均11.27 m，以粉细砂为主，属风积沙沉积。二盘区中北部较厚，向西、南、东部逐渐变薄（图2）。地下水水位埋深较浅，一般为1.60 ～8.30 m，涌水量0.016 ～1.120 L/s，富水性弱～强，透水性能较强。水化学类型为HCO3·Cl－Mg·Ca 及HCO3－Ca·Na 型，水质良好。

图2 第四系含水层厚度等值线Fig. 2 Thickness isolines of quaternary aquifers

白垩系下统志丹群孔隙—裂隙含水层下伏于古近系含水层，底板埋深237.50 ～402.32 m。岩性以中、粗砂岩及砾岩为主，砂岩多为灰绿色或紫红色中粗砂岩。据统计白垩系含水层厚度201.19 ～377.39 m，平均280.42 m。二盘区内白垩系砂岩及砾岩厚度整体呈现由西北向东南逐渐递减的趋势（图3）。地下水水位埋深4.96 ～47.65 m，单位涌水量0.028 0 ～0.044 5 L/s·m，富水性弱。水化学类型为Cl- Na、HCO3- Na，pH 值8.42～8.5。

图3 白垩系砂岩及砾岩厚度等值线Fig. 3 Thickness isolines ofCretaceous sandstone and conglomerate

侏罗系中统裂隙含水层厚度72.43 ～285.57 m，平均180.88 m。含水层岩性以灰—灰绿色中粗粒砂岩、含砾粗粒砂岩为主。二盘区东部含水层厚度相对较厚，厚度多在150 ～200 m，局部厚度可达285.57 m （14 号钻孔），西部相对较薄，厚度约70 ～150 m （图4）。水位标高+1 336.62—+1 360.27 m，单位涌水量0.000 8 ～0.023 5 L/s·m，渗透系数0.000 5 ～0.015 8 m/d，含水层富水性弱。水化学类型为Cl- Na 或SO4·Cl- Na，pH 值8.91～9.55。

图4 侏罗系中统砂岩厚度等值线Fig. 4 Thickness isoline of Jurassic middle sandstone

侏罗系中下统延安组裂隙含水层厚度128.68～184.66 m，平均148.96 m。3- 1 号煤层位于其上部，顶板含水层岩性主要由中粗细砂岩构成，厚度0 ～63.20 m，平均12.91 m。从侏罗系中下统3- 1号煤层顶板砂岩厚度等值线图可看出（图5），二盘区西部含水层厚度相对较厚，厚度多在20 ～63 m，向东部变薄，厚度均小于20 m。水位标高+1 293.65—+1 337.96 m，单位涌水量0.001 9 ～0.009 8 L/s·m，渗透系数0.002 4 ～0.010 1 m/d，富水性弱。水化学类型为Cl- Na，pH 值8.52。

图5 3- 1 号煤层顶板砂岩含水层厚度等值线Fig. 5 Thickness isoline of sandstone aquifer in roof of No. 3- 1coal seam

2.2 隔水层

（1） 第四系与白垩系间隔水层发育特征。

第四系地层与白垩系呈不整合接触，第四系底部没有隔水层，直接覆盖在白垩系风化带之上。虽然白垩系顶部个别地段发育有塑性岩，厚度0 ～8.50 m，但其厚度较小，且发育不稳定。故二盘区内隔水层整体较薄，东、南部地区不存在隔水层。

（2） 白垩系与侏罗系中统间隔水层发育特征。

白垩系底部有一定的隔水作用，与下伏侏罗系不整合接触。侏罗系中统顶部隔水层发育相对稳定，呈现中部较薄，两侧略厚。

（3） 侏罗系中统与中下统间隔水层发育特征。

侏罗系中统底部连续性好，为较为稳定的隔水层，但是在西十勘探线以西侏罗系中统砾石层歼灭，使充水含水层与煤层距离变薄甚至出现天窗。侏罗系中统底部与中下统顶部间隔水层厚度0.50～34.40 m，平均14.65 m。二盘区西部隔水层厚度较薄，东部略厚，整体厚度不大，隔水性能较差。

2.3 各含水层间水力联系

第四系与白垩系含水层间大部分地区无隔水层，两者水位差较小，水化学类型也存在一定联系，说明第四系与白垩系间存在水力联系，且在天窗地区有直接水力联系。

白垩系与侏罗系中统含水层间隔水层整体较薄，总体来说发育相对稳定，个别地段无隔水层，两者水位差不大，水化学类型也较为接近。说明在天然状态下白垩系与侏罗系中统在隔水层厚度较大地区水力联系较弱，隔水层厚度较小甚至没有的地区，会发生水力联系。在煤层开采过程中，受采动影响，使得白垩系与侏罗系中统间有效隔水层厚度变薄，而产生水力联系。

侏罗系中统与中下统含水层间厚度整体不大，地下水水位差不大，水化学类型属接近或一致。说明侏罗系中统与中下统在天然条件下存在水力联系。

2.4 地下水补径排条件

（1） 第四系松散孔隙含水层与大气降水及地表水体的水力联系非常密切，主要补给来源是大气降水入渗为主，其次是地表水的间歇性渗漏补给。潜水的径流方向一般和沟谷方向大体一致。排泄方式有径流排泄、下渗补给下伏基岩风化带裂隙水、人工挖井开采和地面蒸发、蒸腾等。

（2） 白垩系下统志丹群孔隙—裂隙含水层的主要补给来源是大气降水和来自区外承压水的侧向径流补给。白垩系地下水一般由西南向东北方向径流，排泄方式以侧向径流排泄为主，次为蒸发和人工凿井开采。本次推测了二盘区中部白垩系地下水流场（图6）。

图6 白垩系地下水流场图Fig. 6 Groundwater flowfield of Cretaceous

（3） 侏罗系中统裂隙含水层主要接受区外承压水的侧向径流补给为主，其次是垂向上接受白垩系的入渗补给。侏罗系中统地下水一般由西北向东南方向径流，排泄方式主要以侧向径流向下游排泄。此次推测了二盘区中部侏罗系中统地下水流场（图7）。

图7 侏罗系中统含水层地下水流场图Fig. 7 Groundwater flowfield of middle Jurassic aquifer

3 矿井充水因素

3.1 充水水源

3- 1 号煤层顶板的直接充水水源为侏罗系中统裂隙含水层、3- 1 号煤层上部的侏罗系中下统延安组裂隙含水层；间接充水水源主要为白垩系下统志丹群孔隙- 裂隙含水层。

（1） 白垩系下统志丹群孔隙- 裂隙含水层。

白垩系下统志丹群孔隙- 裂隙含水层主要补给来源是大气降水和地表水侧向径流补给，富水性总体弱，是煤层开采的间接充水水源之一。一般情况下，对3- 1 号煤层开采的影响较小。但是在白垩系地层出露及隔水层厚度较薄地区，对煤层开采有一定的影响。

（2） 侏罗系中统裂隙含水层。

侏罗系中统裂隙含水层主要接受区外承压水的侧向径流补给为主，富水性弱。开采过程中，3- 1号煤层的导水裂缝带高度均导通至此层位，故为煤层开采的直接充水水源之一。在煤矿开采过程中，导水裂缝带范围内的水体会以矿井涌水量的形式排出。

（3） 侏罗系中下统延安组裂隙含水层。

煤系地层富水不均匀，整体富水性弱，但西部优于东部，为掘进工作面主要和直接充水水源。以采掘工作面顶板滴、水淋水为主，涌水量3～10 m3/h。当采掘工作面遇断层及裂隙发育及煤层直接顶板为中细砂岩时，顶板淋水加大，对采掘及支护有一定影响。

3.2 充水通道

矿井突水对煤矿安全生产构成严重威胁，而导水通道是矿井突水的必备条件。井田内有断层、天窗等天然通道，也有采煤后形成的导水裂缝带、封闭不良钻孔等人为通道。

（1） 断层。

二盘区内构造简单，共发现落差小于8 m 的8条断层，根据三维地震资料，8 条断层均切割了3- 1、4- 2、5- 1 号煤层，向上发育高度不详。因此当采掘工作面揭露这些断层时，断层裂隙可能导通上下含水层，造成采掘工作面涌水量加大甚至突水事故。

（2） 天窗。

二盘区内地层起伏变化较大，在西十勘探线以西侏罗系中统砾石层尖灭，即UN02、W13- 3、W11- 3、UN03、UN08、UN01、W15- 1、UN04 钻孔侏罗系中统底界砾石层缺失。使充水含水层与煤层距离变薄甚至出现天窗，其可能构成矿井涌水或突水的天然通道。

白垩系与侏罗系中统地层间的隔水层发育不均一，局部呈透镜体，部分地段存在天窗（在UN07号钻孔附近侏罗系中统与白垩系层间不存在隔水层），使白垩系与侏罗系中统发生直接水力联系，形成充水通道。

第四系底部无隔水层，第四系含水层直接覆盖于白垩系风化带之上。部分地段存在天窗，即W13- 3、 W12- 2、 UN03、 UN06、 UN12、 U4、 5、6、11、13、水J15、水K12 号钻孔附近第四系与白垩系层间不存在隔水层，使第四系与白垩系发生直接水力联系，形成充水通道（图8）。

图8 泊江海子矿二盘区天窗分布Fig. 8 Distribution of the second mining area of Bojiang Haizi Mine

（3） 煤层顶板导水裂缝带。

二盘区内3- 1 号煤层顶板导水裂缝带高度36.80 ～158.80 m，3- 1 号煤层顶板至侏罗系中统底板距离1.07 ～84.89 m，导水裂缝带均沟通至侏罗系中统裂隙含水层。因此导水裂隙带内含水层水均可成为回采时的主要充水水源，威胁生产安全。

（4） 封闭不良钻孔。

2005 年内蒙古自治区煤田地质局117 队施工的一盘区内J02、J04、J08、UN20、UN21、UN22、UN27、UN28 钻孔均为封闭不良钻孔。从一盘区揭露情况分析，初步推测二盘区内UN06、UN12、UN02、UN03、UN01 钻孔可能为封闭不良钻孔，采掘工作面穿过或接近这些钻孔时均有可能发生钻孔透水事故。

3.3 矿井涌水量预测

泊江海子矿直接充水水源为侏罗系中统裂隙含水层，此次采用解析法和富水系数法分别对开采3- 1 号煤层矿井涌水量进行预计。解析法计算矿井正常涌水量316 m3/h，最大涌水量474 m3/h；富水系数法计算矿井正常涌水量为103 m3/h，最大涌水量为154 m3/h。

4 结 论

（1） 矿区共分布有4 个含水层及3 个隔水层，除第四系松散孔隙含水层富水性较强外，其余含水层富水性均弱，且隔水层的隔水条件较差。

（2） 泊江海子矿主要充水水源为侏罗系中统裂隙含水层，充水通道主要为天窗、封闭不良钻孔和采煤形成的裂隙。

（3） 通过分析预测未来矿井开采3- 1 号煤层最大涌水量为474 m3/h。