鄂尔多斯北部地下水动态特征及其成因模式

许光泉，潘生强，李亚昊，疏义国，金修如，陈要平

(1. 安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2. 淮南西部煤矿投资管理有限公司地测部，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

地下水资源是人类赖以生存的水资源，随着社会经济高速发展，对地下水资源的依赖程度越来越高，尤其对于我国水资源匮乏的西部鄂尔多斯盆地尤为重要。从矿产资源开发长期地下水动态监测分析发现，人类采掘活动对地下水动态变化影响较大，不仅减少地下水资源储存量，同时也改变了地下水流系统，对矿山水害防治与生态环境保护至关重要。20世纪40年代，贝塔朗菲提出系统论，随之被应用于水文地质研究领域。此后，提出越流理论，建立了多个含水层的地下水系统。随着地下水资源开发规模不断扩大，出现了水资源紧缺和生态环境恶化等一系列问题，需要开展以含水系统为对象的地下水水流系统研究。20世纪60年代，匈牙利裔加拿大人托特提出了地下水流系统理论，后又提出了流域盆地多级次地下水流系统理论，20世纪80年代，形成了盆地地下水流系统理论框架。Freeze和Witherspoon利用数值解讨论了非均质地下水流模式，分析了岩性、断层、褶皱和各向异性等因素对地下水流系统影响，为地下水流系统理论实际应用奠定重要基础。

我国对地下水系统认识与研究，起源于20世纪80年代初，认为含水系统是由隔水或相对隔水边界圈定的、由含水层和相对隔水层组合而成的、内部具有统一水力联系的赋存地下水的岩系，并进行实际应用。随后地下水流系统研究在我国如雨后春笋般的开展，地下水流系统多种环境因素(天然、人工)所制约，具有不同等级时空变化，具有各自的物理、化学和水动力特征，是一不断运动演化(生长、消亡)地下水单元统一体，通过对比发现盆地潜水含水层和承压含水层地下流系统具有变异性，并采用解析法分析了盆地地下水流系统形成影响因素。我国中生代盆地地下水系统研究，不仅依水化学组分特征划分水流系统结构，还利用深井钻探、Packer井和水流数值模拟等进一步研究地下水流系统多层结构，从而更好地指导地下水资源合理开发。

本文以鄂尔多斯盆地北部矿区为例，从沉积环境、构造发育和地下水流场等角度，对比不同阶段各含水层观测孔水位及地下水流场变化，分析疏放、采动前后下的地下水动态变化特征，提出影响与变化成因模式，从而为矿山开采与生态环境保护研究提供新思路。

1 研究区概况

1.1 自然地理

研究区位于鄂尔多斯盆地北部，通过遥感解译，地形起伏不大，为侵蚀性高原丘陵地貌，形态上为小型流域盆地(见图1)。气候为半干旱大陆型，最高气温36.6℃，最低气温-27.9℃；年降水量为194.7～531.6mm，多集中于7、8、9三个月内；年蒸发量为2 297.4～2 833mm，年蒸发量为年降水量的5～10倍；以西北风为主，风速一般2.2～5.2m/s，最大14m/s。大气降水和地表水直接入渗补给第四系和白垩系浅部含水层，而对深部影响较小。由于矿区位于区域内地表分水岭的“东胜梁”北侧，且有一条河流通过，第四系广泛分布，志丹群(K)仅在西北面梁峁地区少量出露，区内植被分布稀少，为半荒漠地区。

区内白垩系和侏罗系含隔水层为向北西倾斜单斜构造，倾角平缓，地质构造相对简单。大气降水通过风积沙渗入地下，沿沟谷流出区外。区内地表水系不发育，井田西南处仅有一条季节性沟谷河流，枯水季节一般干涸无水，仅在丰雨季节，可形成短暂流水，由西北向东南流出区外。

在自然条件下，大气降水和蒸发对地表水和松散潜水含水层产生影响。由于四周地势高，中间地势低洼，大气降水也通过四周白垩系露头区垂直入渗。白垩系志丹群地下水以侧向径流的方式补给第四系松散层(见图1)。白垩系、第四系、大气降水之间水力联系密切。

1.2 含水层特征

受先期沉积环境影响，含、隔水层厚度在局部地段呈现不连续性，后期构造运动形成了宽缓褶皱，并伴有小断层和裂隙发育，影响着含水层水力性质。

自上而下研究区含水层为：①第四系(Q)松散层潜水含水层：因大气降水量较少，补给条件较差，潜水含水层与大气降水及地表水体的水力联系密切，可通过基岩风化带与下伏白垩系潜水或承压水含水层保持水力联系。单位涌水量为0.016～1.120L/s·m，富水性弱～中等。②白垩系下统志丹群(K)孔隙裂隙潜水～承压水含水层： 单位涌水量为0.029～0.047L/s·m，渗透系数为0.004 859～0.021 7m/d，一般为弱富水、低渗透特征。③侏罗系中统(J)承压水含水层： 单位涌水量为0.013 43～0.025 71L/s·m，渗透系数为0.012 556～0.019 865m/d，为富水、低渗透。由于埋藏深，自然状态下地下水径流条件差。④侏罗系中下统延安组(J)承压水含水层：单位涌水量为0.001 3～0.036L/s·m，渗透系数为0.002 4～0.023 9m/d，弱富水及低渗透。⑤三叠系上统延长组(T)承压水含水层：单位涌水量为0.002 04L/s·m，渗透系数为0.006 73m/d，富水性弱，透水性差。

通过勘探揭露，白垩系承压水含水层底部发育着一定厚度的隔水层，可以有效的阻隔与下伏侏罗系中统承压水含水层之间水力联系。侏罗系中统含水层地下水以水平径流为主。在侏罗系中统和下统之间，发育一层厚度不均的砾石隔水层，侏罗系下统含水层与侏罗系中统承压水含水层之间水力联系较弱。侏罗系中统含水层地下水流从井田东南侧流入，西北侧流出。三叠系上统承压水含水层与侏罗系中下统含水层之间发育有稳定隔水层，一般情况下水力联系较弱。

2 地下水动态特征

2.1 各含水层观测孔地下水动态

3煤层在开采过程中，侏罗系中统含水层为其直接充水水源，白垩系下统含水层为间接充水水源。为保障工作面安全开采，先后在地面施工了11水位观测孔(见图1)，其中白垩系4个，侏罗系6个，1个混合水位观测孔，其水文地质图如图1所示。监测疏放前、开采前和开采后各含水层地下水动态变化。

图 1 研究区水文地质图

该矿2014a前主要为巷道掘进期，零星开展煤层顶板侏罗系含水层疏放工程，后期至2017a底，随着采区巷道系统完善，在煤层顶板施工499个疏水钻孔，最高瞬时疏放量达484.5m/h。

截止2018年6月，侏罗系含水层疏放量平均为300m/h，如图2所示。其中,F工作面涌水量为180m/h，西翼2回风巷涌水量90m/h，西翼胶带运输大巷涌水量10m/h，其它涌水量为10m/h。

(a)水文2#水位与涌水量关系

(b)水K5水位与涌水量关系

(c)水K7水位与涌水量关系图 2 不同阶段白垩系地下水位与涌水量变化曲线

统计分析2014～2019a白垩系3个观测孔水位动态变化发现(见图2)：2015a前白垩系含水层主要受降水与蒸发的影响，地下水动态变化小幅度震荡变化；在2015～2017a间，尽管井下开展大规模疏放水工程，但其水位并未受影响，保持与以往类似起伏变化；但在2017a后，随著工作面连续开采，白垩系含水层水位呈现出不同幅度下降，尤其是水K5观测孔，因距工作面较近，受开采影响大，水位下降累计降深达30m，并形成了以采场为中心的白垩系含水层局部降落漏斗。

根据2014～2019a侏罗系4个观测孔的水位动态变化(见图3)分析发现：在2014a前，侏罗系含水层地下水水位基本保持不变，2014a以后，由于井下对煤层顶板开展疏放水工程，开始水位出现缓慢下降，2015～2017a间，随着井下对含水层疏放水钻孔的增加，各观测孔水位迅速下降，但由于受构造和距离工作面距离及沉积环境等多种因素影响，各观测孔水位变又存在差异性。2017a后，由于疏放水量和工作面持续开采叠加影响，侏罗系地下水水位保持持续下降状态。

(a)水文1#水位与涌水量关系图

(b)水文3#水位与涌水量关系图

(c)水J6水位与涌水量关系图

(d)水J8水位与涌水量关系图图3 不同阶段侏罗系地下水位与涌水量变化曲线

2.2 各含水层地下水流场动态

2011a以来，井下巷道揭露，加上工作面疏放水工程实施，对侏罗系中统和中下统含水层疏水量不断增加，导致含水层地下水位持续变化。尤其是2017a以后，随着工作面的相继开采，煤层顶板垮落，垂向裂隙通道不断形成，最终破坏了白垩系含水层与侏罗系含水层之间隔水层，而使之发生了一定水力联系。因此，3煤层开采过程中，侏罗系砂岩水为矿井主要的充水水源，并且侧向补给条件好，且水量大，而白垩系地下水为间接垂向补给水源。

上述过程下的白垩系地下水位平面变化表明，在自然状态下，地下水径流方向整体为由东南至西北，如图4(a)所示；随着井下疏放水工程开展，地下水径流方向逐渐变为由南至北,如图4(b)所示；2017a后，随着采区工作面相继开采，煤层上覆地层垂向裂隙逐渐形成，发育的垂向裂隙通道延伸至白垩系含水层，形成了以采场工作面为中心局部地下水位降落漏斗，但大区域内的白垩系地下水径流方向仍为自东南至西北，如图4(c)所示。

(a)自然条件下(2014年6月)

(b)疏放条件下(2016年6月)

(c)开采条件下(2019年6月)图 4 白垩系含水层地下水流场动态变化过程(单位：m)

而侏罗系含水层与白垩系既有共同点也有不同点。在自然状态下，地下水径流方向整体为由东南至西北，如图5(a)所示；随着井下疏放水工程的展开，研究区域形成了以开采工作面为中心的地下水水位降落漏斗，大区域径流方向仍为由东南至西北，如图5(b)所示；2017a后，随着采区工作面的相继开采和井下疏放水水量增大，研究区域形成的降落漏斗水位下降深度进一步增大，如图5(c)所示。

(a)自然条件下(2014年6月)

(b)疏放条件下(2016年6月)

(c)开采条件下(2019年6月)图5 侏罗系含水层地下水流场动态变化过程(单位：m)

综上，由于采前疏放与自然状态相比，侏罗系含水层形成以疏放范围为中心地下水位降落漏斗，且随时间范围不断扩大，深度不断增大。工作面回采后，白垩系地下水成为充水水源，致使形成以采空区为中心的降落漏斗，但无论范围和深度远远小于侏罗系含水层。

3 影响因素与及成因模式

3.1 影响因素

1)沉积环境 3煤层上覆侏罗系中统直罗组，按其沉积环境演将垂向上分为三段：中统直罗组下段为辫状河及辫状河三角洲相沉积，发育了辫状河道和辫状河三角洲沉积物，为颗粒支撑砂岩、含砾砂岩组成，填隙物以泥质为主，形成“砂包泥”的结构。中段主要为曲流河三角洲相沉积，但中间各种砂岩穿插沉积，为透镜状或断续横向连接，但连续性差，形成“泥包砂”组合，大部分地段含泥比率大于50%。上段为湖泊相沉积，主要为含泥岩和粉砂岩，比率高于60%，沉积韵律不明显，多为透镜状砂体和镜状泥质体。

工作面煤层顶板疏放水段为辫状河河流沉积，以粗砂为主，其次为中砂；而其底部为厚层状洪积扇沉积的砾石层，后期被上覆的河流相沉积物所覆盖，沉积物颗粒粗大，分选性、磨圆度较差至中等，因此，中统直罗组下段不仅为地下水提供储存空间，也是含水层相对富水段，反映出不同沉积环境对含水层富水性控制作用。

2)地质构造 在区域上，地层走向为近东西向，倾向为北北西向，倾角变化范围为1～10°，在所揭露的15条断层中，正断层14条，逆断层1条，落差大于10m有1条，介于10m至5m有2条；介于5m至3m有2条，其余断层均小于3m。多期构造运动致使盆地在抬升过程中发育不同尺度垂向裂隙，构成了良好的导水通道。

矿区为区域单斜构造上一个点，且位于向斜附近，地层起伏相对较大，井下巷道揭露核部两翼的断层、裂隙发育，且断层带附近煤岩层较为破碎，成为含水层良好的导水通道。储水性和导水性好，使得在疏放时地下水径流速度快，观测孔水位动态响应程度高(见图3(c)～(d))。

3)采动“二带”影响 3煤层顶主要由泥岩和粉砂岩组成，向上为厚度为20～30m的砾石层。采前自然状态下上覆含水层地下水以水平缓慢径流，当受疏放影响时，局部点通过钻孔排水引起侏罗系中统含水层水位持续下降，但对上覆隔水层不造成破坏。当工作面由切眼向前推进过程中，受煤层顶板周期来压影响，导致顶板不同程度损伤破坏，破坏程度取决于顶板岩性、工作面尺寸及开采步距等。随着煤层顶板垮落，垂向裂隙不断形成，最终形成“冒落带和导水裂缝带”。

就地下水流向而言，由于侏罗系和白垩系含水层之间隔水层发生了破坏，煤层顶板上覆二个含水层地下水流由采前的水平运动，改变为垂向运动，上、下含水层形成统一地下水流动系统。

3.2 地下水流动系统成因模式

鄂尔多斯盆地浅部中生代陆相沉积物质，在构造抬升和挤压作用下盆地边缘和内部发生起伏变化，在北部形成了隆起带，由于先期沉积不均性和后期构造地质作用与风化剥蚀作用，北部地形地貌差异表现为沟壑纵横，形成多个起伏微地貌单元，即小流域盆地，浅部为局部地下水流系统，深部为局部地下水系统与区域地下水流系统中间过渡带。

局部地下水流系统一般深度在200m以上，为第四系和白垩系含水层，地下水流流动快，与地表水和大气降水联系十分密切，地下水流动状态和径流方向受微地貌起伏变化控制，表现为潜水与地表水之间对流快，在微地貌小流域范围内由源向汇发生径流，表现为垂向和侧向运动并存；而中间过渡带，埋藏深度为200～600m，受鄂尔多斯北部区域含水层的影响，以水平径流为主(见图6(a))，上述这种状态称之为自然模式。

(a)自然模式

(b)疏放模式

(c)开采模式图6 采动前后三种地下水流动系统模式(单位：m)

在采前疏放条件下，煤层顶板侏罗系含水层水位持续下降，该层位处于盆地地下水系统的中间过渡带，在矿区范围内地下水由先前的水平径流方向，改变为四周侧向补给至疏放水范围，形成了形态非对称性降落漏斗，该阶段仅在侏罗系含水层内，这种改变没有波及到上覆白垩系含水层，这种状态称之为疏放模式。

随着工作面持续回采时，周期来压破坏了煤层顶板，并逐渐形成冒落带和裂缝带，当裂缝带高度波及到白垩系含水层时，此时在采区影响范围内，形成了侏罗系和白垩系双层漏斗，同时也沟通了潜水含水层，可波及到地表水系，这种状态称之为开采模式。

因采矿活动影响，盆地中间过渡系统的地下水流由自然状态下水平运动，改变了其渗流路径，转变为垂向运动，形成了地表-浅层-中深层地下水系统。从原始水平径流状态，进入为垂向径流状态，最后在盆地局部范围内，形成一个多层次的地下水降落漏斗。

4 结论

(1)自然条件下，第四系潜水和白垩系地下水受大气降水和蒸发影响较大，且地下水流向受微地貌控制，侏罗系与白垩系含水层之间水力联系较弱。

(2)疏放对深部侏罗系含水层有较大影响而对浅部垩系影响小，回采产生垂向裂隙通道，使白垩系与侏罗系在受采动范围内形成一个含水层之间产生了一定水力联系，不仅在垂向上形成多层降落漏斗，同时也形成一个统一的地下水流动系统。

(3)沉积环境和构造地质作用是影响含水层富水差异性和地下水流场变化内在控制因素，而采动是地下水动态改变外界诱发因素，三种成因模式揭示了自然和人类干扰下地下水流性特性。

(4)人类采掘活动对鄂尔多斯盆地局部含水层水流系统影响很大，引起局部地下水流场急剧的改变，同时也诱发地表生态生态环境变化，如何科学开采对于生态环境保护至关重要。