回坡底煤矿奥陶系灰岩含水层水文地质条件评价

王 勇，吴 丽，刘佳妍

（河南城建学院 市政与环境工程学院，河南 平顶山 467041）

0 引 言

煤矿水害是严重影响煤矿安全的重大灾害之一，主要表现为矿井涌水、突水。矿井涌水会对巷道开拓和工作面回采产生不同程度的影响，若演变为矿井突水，则可能造成重大人员伤亡事件甚至淹井事故[1-3]。因此，分析煤矿水文地质条件和研究充水含水层水文地质特征，对保障煤矿安全、高效、绿色生产具有重要意义。

国内外学者在煤矿水文地质方面开展了大量研究工作。史先志分析了张双楼煤矿主采煤层顶板砂岩裂隙含水层的富水规律，确定含水层为主采煤层顶板涌水的直接来源[4]；缪协兴等综合运用岩相古地理分析法与水文地质分析法，对某煤矿不同类型的水文地质结构特征、地下水分布与循环规律进行研究[5]；任虎俊等采用瞬变电磁法探测某煤矿3 号煤层顶板含水层的富水性，并基于解析法和富水系数法对首采工作面和井底车场的涌水量进行预测和评价[6]；郭天辉等对某煤矿水文地质条件进行分析和评价，认为直罗组砂岩裂隙水是煤矿主采煤层的主要充水水源，冒落带和导水裂缝带为主要导水通道[7]；孟凡写等运用瞬变电磁法探测某煤矿主要含水层的富水性，并对含水层的富水性进行分区评价[8]。

本文在分析回坡底煤矿水文地质条件基础上，采用地下水化学动力学和水文地球化学基本理论和方法，对奥陶系灰岩含水层的水文地质、水动力学和水化学特征进行定性分析和定量评价，为回坡底煤矿制定科学合理的防治水措施提供依据。

1 水文地质条件分析

回坡底煤矿隶属于山西焦煤霍州煤电集团有限公司，设计生产能力达到了120 万t/a，开采最大深度为570 m，未来主要开采11 号煤层。煤矿发育的煤系含水层主要包括太原组石灰岩岩溶裂隙含水岩组和奥陶系中统石灰岩溶隙含水层。其中，K2 石灰岩是太原组石灰岩的主要岩溶含水层，是11 号煤层上覆直接充水含水层，厚2.75～11.40 m，平均厚8.90 m，水质类 型HCO3·Cl-(K+Na)·Ca、HCO3·Cl-Na，矿化度715～997 mg/L，属于弱-中等富水性。奥陶系石灰岩溶隙含水层（O2）是11号煤层下伏主要含水层，水位标高517.5—540 m，造成11 号煤层局部带压开采，且开采范围内存在断层、陷落柱等破碎构造。因此，O2含水层是煤矿未来生产的主要水害隐患。

2 O2 含水层水文地质条件评价

2.1 水化学类型划分

O2含水层是研究区11 号煤层带压开采条件下有突水威胁的主要含水层。依据O2含水层水质资料，按舒卡列夫水化学分类标准进行分类，水化学类型分区如图1 所示。

图1 O2 含水层水化学类型分区Fig.1 The zoning of hydrochemical type of O2 aquifer

HCO3-Ca·Mg 型水分布区（I 区）分布于研究区北部，分布面积不大，呈北东向的条带，往东矿化度逐渐增高，区内只有HS-6 号孔水化学类型为HCO3·Cl-Na·Ca 型，矿化度791 mg/L，说明该区段地下水径流缓慢，为水质差的深埋区；HCO3·SO4-Na·Ca 型水分布区（II 区）分布于HCO3-Ca·Mg 型水分布区（I 区）和SO4·HCO3-Ca·Mg 型水分布区（III 区）之间的狭长地带；SO4·HCO3-Ca·Mg型水分布区（III 区）分布在研究区中南部广大地区，区内只有HS-1 号孔水质类型为SO4·HCO3-Ca·Na，矿化度在700～1 110 mg/L；SO4·Cl-Ca·Mg 型水分布区（IV 区）分布于井田北东部，范围很小，区内只有HS-8 号孔为SO4·Cl-Ca·Na 型，矿化度0.855 mg/L。由此可见，O2含水层总体上由南向北水质类型变化依次为SO4·HCO3-Ca·Mg→HCO3·SO4-Na·Ca→HCO3-Ca·Mg→SO4·Cl-Ca·Mg，矿化度逐渐增大，表明O2岩溶含水层随埋深增加而发生如此变化。

2.2 水化学环境分析

根据地下水动力学和水文地球化学基本理论，选择表示化学势场的水化学指标离子活度(ai)、矿物溶沉饱和指数(βj)作为水化学环境分析因子。离子活度(ai)和矿物溶沉饱和指数(βj)不仅受上述纯化学作用的控制，同时也受地质构造和水文地质条件的影响。根据O2含水层水文孔和水井的水质监测资料，运用水文地球化学计算方法[9]，求出方解石、白云石、石膏和岩盐等代表性矿物的活度及溶沉饱和指数，分别表示为aCa2+和βc、aMg2+和βd、aSO42-和βg、aCl-和βh，见表1。结果表明，只有位于研究区东北部的HS-8 号水文孔的βc和βd大于1，其余水文孔的βc和βd小于1，说明研究区东北部O2含水层埋藏较深，封闭性良好，石膏、岩盐继续溶解；研究区大部分O2含水层埋藏较浅，封闭性不良，岩溶较发育，为方解石、白云石、石膏、岩盐全溶区段。

2.3 水动力场和水化学场特征分析

（1）水力学指标表示的水动力场。

研究区总体上为一由北向南径流的地下水流场，井田内水位标高517.5—540.0 m。北部、西北部碳酸盐岩裸露区，岩溶水接受大气降水补给和河道渗漏补给。北部岩溶水由北向南流向为郭庄泉岩溶水统的主径流带。

（2）水化学指标表示的水化学场。

根据研究区水动力场特征，ai和βj值随着径流路径的增长或埋深的增加逐渐增大。从总体上看，研究区为倾向北西的缓倾斜单斜构造，北部及西北部碳酸盐岩出露于地表，构成O2含水层的补给区，地下水由北向南或由西北向东南方向径流。βc≤1的区段，地下水径流较快，为矿物的全溶区段；βc>1 的区段，地下水径流缓慢，说明该区段为封闭或半封闭的还原环境。βd、βh分布特征与βc分布规律相似。

基于地下水动力学和水文地质地球化学的基本理论，通过水化学指标可以推算出渗透系数及导水系数的水文地质化学动力学常数[10]，经拟合叠加，分别计算O2含水层的渗透系数K、导水系数T、地下水流速u 和地下水年龄t 等水文地质参数，结果见表2。

表2 O2 含水层水文地质参数计算Table 2 Calculation of hydrogeological parameters of O2 aquifer

2.4 水文地质条件定量评价

2.4.1 O2含水层透水性评价

为研究和评价O2含水层透水性，根据水文地质参数计算结果，按下列间距进行分级：I 区含水层透水性弱，K＜1.0 m/d；II 区含水层透水性中等，1.0 m/d≤K≤2.5 m/d；III 区含水层透水性强，2.5 m/d＜K。根据上述级差，对研究区含水层透水性进行分区，如图2 所示。根据抽水试验相关资料，渗透系数K 最大为2.98 m/d，最小为0.149 m/d，反映出研究区岩溶发育的不均一性，渗透系数在北部及西北部较小，往南部逐渐增大。

图2 O2 含水层渗透系数分区Fig.2 The zoning of permeability coefficient of O2 aquifer

含水层透水性分布规律：①含水层透水性弱区（I）分布在北部柴家垣小峪里一线，由于上团柏层的作用，使O2埋藏较深，岩溶水失去了发育的水文地质条件，透水性弱；②含水层透水性中等区（II）分布于前河村一带，表明含水层埋深由浅至深过渡；③含水层透水性强区（III）分布在南部及东部，紧邻II 区延伸，反映O2埋藏变浅，易于岩溶发育，主要接受北部及西北部岩溶水的补给，形成一个中等径流带。

2.4.2 奥灰含水层导水性评价

为研究和评价O2含水层导水性，根据水文地质参数计算结果，按下列间距进行分级：I 区含水层导水性弱，T＜50 m2/d；II 区含水层导水性中等，5 m2/d≤T≤180 m2/d；III 区含水层导水性强，180 m2/d＜T。根据上述级差，对研究区含水层导水性进行分区，如图3 所示。

图3 O2 含水层导水系数分区Fig.3 The zoning of water conduction coefficient of O2 aquifer

2.4.3 O2含水层水循环交替条件评价

为研究和评价O2含水层水循环交替条件，根据水文地质参数计算结果，按下列间距进行分级：I 区地下水循环交替慢，t＞200 a、u＜100 m/a；II区地下水循环交替中等，200 a≥t≥50 a、100 m/a≤u≤1 000 m/a；III 区地下水循环交替快，t≥50 a、1 000＜u。根据上述级差，对研究区含水层水循环交替条件进行分区，如图4 所示。

图4 O2 含水层水循环交替条件分区图Fig.4 The zoning of hydrological cycling condition of O2 aquifer

研究区北部及西北部地下水循环交替逐渐放慢，南部及东部循环地下水循环交替加快，这与研究区地质环境相吻合。水循环交替条件分布规律：①地下水循环交替慢区（I）分布于在北部柴家垣小峪里一线，地下水实际速度小于100 m/a，经过200 a 以上循环交替一次，说明该区地下水处于近停滞状态；②地下水循环交替中等区（II）分布于井田内前河村、回坡底一带中部大部的较宽条带内，地下水实际流速100～1 000 m/a，地下水50～200 a 循环交替一次，为一相对封闭的滞流带；③地下水循环交替快区（III）分布于南部及东部地区，地下水流速大于1 000 m/a，地下水小于50 a循环交替一次，为一地下水含水层埋藏浅，水循环交替快区。

综上所述，不同的水文地质参数，描绘出相同的地质构造的控水作用。研究区南部及东部区段K、T、u 值较大，t 值较小，说明该区段为含水层埋藏较浅，地下水运动较快，岩溶发育；研究区中部波浪状条带内，K、T、u 值稍大，而t 值则稍小，说明该区段岩溶比较发育，形成一中等的地下水径流带；研究区北及西北部，K、T、u 值较小，而t 值较大，说明该区段地下水含水层埋藏深，地下水径流缓慢，岩溶不发育；研究区的南部和西南部，由于缺少点的控制，精度相对降低，但仍反映了研究区的水文地质及构造特征。即研究区总体上为一向北方向缓倾斜的单斜构造，K、T、u 和t 值变化规律符合研究区地质构造和水文地质特征。

3 结 论

在分析回坡底煤矿水文地质条件基础上，采用地下水化学动力学和水文地球化学基本理论，对奥陶系灰岩含水层的水文地质、水动力学和水化学特征进行定性分析和定量评价，得出如下结论。

（1）奥陶系灰岩含水层是回坡底煤矿未来生产的主要水害隐患；奥陶系灰岩含水层由南向北水质类型变化依次为SO4·HCO3-Ca·Mg →HCO3·SO4-Na·Ca→HCO3-Ca·Mg→SO4·Cl-Ca·Mg。

（2）研究区南部及东部含水层埋藏较浅，透水性较强，地下水径流较快，岩溶较发育；中部波浪状条带范围内岩溶比较发育，形成一中等的地下水径流带；北部及西北部含水层埋藏较深，透水性较弱，地下水径流缓慢，岩溶不发育，符合研究区总体地质构造发育特征。