李 志 有(山西省煤炭地質(zhì)114勘查院， 山西 長(zhǎng)治 046011)

沁水煤田固縣勘查區(qū)地下水化學(xué)特征及含水層間水力聯(lián)系分析

李 志 有
(山西省煤炭地質(zhì)114勘查院， 山西 長(zhǎng)治 046011)

依據(jù)勘查區(qū)水文地質(zhì)鉆探、野外抽水和水質(zhì)化驗(yàn)資料，重點(diǎn)對(duì)勘查區(qū)主要可采煤層3號(hào)和15號(hào)煤層影響較大的下石盒子組及山西組砂巖裂隙含水巖組、太原組砂巖裂隙及石灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組和奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組進(jìn)行了水化學(xué)特征和含水層間水力聯(lián)系分析研究。結(jié)果表明：勘查區(qū)各含水層之間的水力聯(lián)系均較弱，但在構(gòu)造影響區(qū)域水力聯(lián)系有相對(duì)增強(qiáng)的趨勢(shì)；奧陶系巖溶裂隙含水層的水化學(xué)特征與其埋深、構(gòu)造發(fā)育程度有著密切的關(guān)系，總體隨著埋深的SO42-、礦化度相應(yīng)增加，徑流條件逐漸變差；同時(shí)分析得出勘查區(qū)3號(hào)煤層、15號(hào)煤層均處于帶壓狀態(tài)，對(duì)未來(lái)煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中的防治水工作有較大的參考價(jià)值。

含水層；帶壓開(kāi)采；水化學(xué)特征；水力聯(lián)系

礦井水害是礦山建設(shè)與生產(chǎn)過(guò)程中的主要安全隱患之一，它與含水層之間水力聯(lián)系和構(gòu)造導(dǎo)水能力有著直接的關(guān)系，而含水層之間的水力聯(lián)系主要是由含水層水位標(biāo)高、水化學(xué)特征和構(gòu)造導(dǎo)水能力等因素綜合決定的，因此明確含水層水化學(xué)特征和含水層之間水力聯(lián)系對(duì)后續(xù)煤炭資源開(kāi)采意義重大[1-10]。固縣勘查區(qū)位于山西省南部沁水縣固縣鄉(xiāng)一帶，勘查區(qū)總體形態(tài)為近似正方形，南北長(zhǎng)約10.65 km，東西寬約11.46 km，勘查區(qū)面積124 km2。2013年至2015年勘查區(qū)內(nèi)由山西省煤炭地質(zhì)114勘查院施工完成了7個(gè)專(zhuān)門(mén)水文地質(zhì)勘查鉆孔。本文結(jié)合鉆孔抽水試驗(yàn)、水質(zhì)化驗(yàn)資料和周邊區(qū)域水文鉆孔相關(guān)資料，重點(diǎn)對(duì)與未來(lái)煤層開(kāi)采有關(guān)含水層的水化學(xué)特征及其水力聯(lián)系進(jìn)行分析，旨在為勘查區(qū)內(nèi)煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中的水害防治提供技術(shù)參考資料。

1 勘查區(qū)地質(zhì)條件

1.1 地層

勘查區(qū)內(nèi)地層出露條件較好，出露地層主要為二疊系上統(tǒng)上石盒子組上段、石千峰組，三疊系下統(tǒng)劉家溝組，第四系中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。根據(jù)以往施工鉆孔揭露，地層由老至新分別有：奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組、峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組，三疊系劉家溝組，第四系中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)。

1.2 構(gòu)造

勘查區(qū)構(gòu)造特征與區(qū)域構(gòu)造特征一致，總體構(gòu)造形態(tài)為走向南北—北東，向西緩傾的單斜。在此基礎(chǔ)上發(fā)育方向比較單一的寬緩褶曲。沿傾向方向，東部較平緩；中部褶曲形跡緊密，西部較陡，走向近南北，兩翼地層產(chǎn)狀一般為4°～12°；西部表現(xiàn)為向西傾的單斜，傾角一般為10°左右。沿走向方向，南部多為短軸寬緩褶曲，斷裂構(gòu)造較發(fā)育；北部褶曲相對(duì)緊密，兩翼地層產(chǎn)狀較陡。沿傾向及走向伴有少量斷層和陷落柱。總體構(gòu)造屬簡(jiǎn)單類(lèi)。

1.3 含煤地層

含煤地層主要為石炭—二疊系含煤地層，煤層主要分布于二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組。太原組含煤11層，自上而下編號(hào)的有5、7、8-1、8-2上、8-2、9、11、12、13、15、16號(hào)。其中15號(hào)煤層厚1.10 m～5.40 m，平均3.03 m，全區(qū)穩(wěn)定可采。山西組含煤3層，自上而下編號(hào)為1、2、3號(hào)。其中3號(hào)煤層位于本組下部，煤厚3.00 m～8.21 m，平均6.30 m，全區(qū)穩(wěn)定可采。其余太原組和山西組煤層均不可采。

2 勘查區(qū)主要含水層及水化學(xué)特征

勘查區(qū)內(nèi)DS-1至DS-7的7個(gè)水文鉆孔抽水段孔徑均為113 mm，抽水工具采用100QJ3-480/78-7.5型潛水泵或W-10/60空氣壓縮機(jī)組，水量采用三角堰觀測(cè)，水位采用測(cè)線、萬(wàn)用表、鋼卷尺觀測(cè)。止水采用海帶進(jìn)行臨時(shí)性止水，止水檢查合格后洗孔，采用相應(yīng)化學(xué)藥品浸泡含水層后，采用活塞、鋼刷、水泵洗至砂清水凈后按要求進(jìn)行抽水試驗(yàn)。抽(放)水試驗(yàn)依據(jù)《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[11](MT/T1091-2008)實(shí)施，抽(放)水試驗(yàn)質(zhì)量依據(jù)《煤礦床水文地質(zhì)勘查工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[12](MT/T 1163-2011)驗(yàn)收。抽(放)水試驗(yàn)質(zhì)量合格或合格以上[13-15]，均符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。下面結(jié)合含水層抽水及水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果將含水層和相應(yīng)水化學(xué)特征描述如下：

2.1 主要含水層

2.1.1 二疊系下統(tǒng)下石盒子組及山西組砂巖裂隙含水巖組

該含水層自上而下由下石盒子組中部砂巖段、K8、K7、K砂巖組成。依據(jù)勘查區(qū)水文孔抽水資料：?jiǎn)挝挥克繛?.000138 L/(s·m)～0.0032 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.000557 m/d～0.024 m/d，水化學(xué)類(lèi)型為HCO3—Na、HCO3—Ca·Na型，礦化度257 mg/l～1 088 mg/l，整體為弱富水性含水層。

2.1.2 石炭系上統(tǒng)太原組砂巖裂隙及石灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組

本組主要由K6、K5、K3、K2等石灰?guī)r和K1砂巖組成。根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)資料：?jiǎn)挝挥克繛?.00012 L/(s·m)～0.0216 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.00038 m/d～0.0169 m/d，水化學(xué)類(lèi)型為HCO3—Na、HCO3—NaCa型，礦化度369 mg/L～1 149 mg/L，整體為弱富水性含水層。

2.1.3 奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組

含水層主要以海相厚層狀石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及泥灰?guī)r組成。根據(jù)鉆探資料，峰峰組上段及下段底部鉆井液消耗量均有增大現(xiàn)象，達(dá)0.3 m3/h～0.5 m3/h；上馬家溝組中段局部發(fā)生孔內(nèi)漏失現(xiàn)象，漏失量達(dá)6 m3/h～12 m3/h。依據(jù)水文孔抽水試驗(yàn)資料：該含水層單位涌水量0.00033 L/(s·m)～0.0579 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.000341 m/d～0.03924 m/d，水化學(xué)類(lèi)型為SO4—Ca·Mg型、SO4—Ca·Na型，礦化度1 343.38 mg/L～3 490 mg/L，該含水層富水性為弱—強(qiáng)，富水性不均一。

2.2 水化學(xué)特征2.2.1 二疊系下統(tǒng)下石盒子組及山西組砂巖裂隙水

表1 各鉆孔山西組與下石盒子組含水層水化學(xué)分析一覽表

2.2.2 太原組砂巖裂隙及石灰?guī)r巖溶裂隙水

表2 各鉆孔太原組含水層水化學(xué)分析一覽表

2.2.3 奧灰?guī)r溶裂隙水

表3 各鉆孔奧陶系中統(tǒng)含水層水化學(xué)分析一覽表

3 各含水層之間的水力聯(lián)系

3.1 下石盒子組及山西組砂巖裂隙含水巖組與其上下巖組的水力聯(lián)系

根據(jù)勘查區(qū)水文鉆孔抽水資料，太原組砂巖裂隙及石灰?guī)r巖溶裂隙水抽水水位標(biāo)高+650.58 m～+800.71 m，而下石盒子組及山西組砂巖裂隙含水巖組水位標(biāo)高為+609.20 m～+822.71 m，且DS-1和DS-5水文孔孔太原組水位標(biāo)高明顯高于下石盒子及山西組水位標(biāo)高，太原組水化學(xué)類(lèi)型與下石盒子及山西組水化學(xué)類(lèi)型明顯不同，但是DS-6水文孔處太原組與下石盒子及山西組的水位標(biāo)高和水化學(xué)特征均非常接近，因此初步判定除DS-6孔附近兩個(gè)含水層水力聯(lián)系較強(qiáng)，其它區(qū)域兩個(gè)含水層之間的水力聯(lián)系較弱，但在勘查區(qū)內(nèi)斷層、陷落柱等構(gòu)造將會(huì)強(qiáng)化兩個(gè)含水層之間的水力聯(lián)系。

圖1 奧灰?guī)r溶裂隙水礦化度分區(qū)圖

同時(shí)3號(hào)煤層標(biāo)高為-240 m～460 m，而勘查區(qū)奧灰水水位標(biāo)高為+627 m～+613 m，太原組砂巖裂隙及石灰?guī)r巖溶裂隙水抽水水位標(biāo)高+650.58 m～+800.71 m，3號(hào)煤層底板均低于太灰水位和奧灰水位，存在帶壓開(kāi)采問(wèn)題。由于太灰水屬于弱富水性含水層，這里重點(diǎn)關(guān)注奧灰水對(duì)3號(hào)煤層開(kāi)采的影響，從表4、圖2可以看出，3號(hào)煤層底板以上水頭壓力達(dá)到3.414 MPa～5.162 MPa，隔水層厚度110.36 m～131.36 m，突水系數(shù)0.0426 MPa/m～0.0684 MPa/m，均小于正常地段的0.10 MPa/m，處于過(guò)渡區(qū)和相對(duì)安全區(qū)，但過(guò)渡區(qū)和相對(duì)安全區(qū)不一定不突水，在遇到斷層、陷落柱等導(dǎo)水構(gòu)造時(shí)，可以強(qiáng)化與奧陶系巖溶裂隙含水巖組的水力聯(lián)系。尤其是在勘查區(qū)西南角斷裂構(gòu)造密度較大，發(fā)生突水的危險(xiǎn)性就更大，需要引起高度重視。

圖2 3號(hào)煤層底板奧灰水突水危險(xiǎn)性分區(qū)圖

另外3號(hào)煤層最大導(dǎo)水裂隙帶高度為47.35 m～120.73 m，平均為93.83 m，溝通了老頂砂巖、K8砂巖、下石盒子組砂巖含水層，局部地段可溝通上石盒子組底部k10砂巖含水層。但上述砂巖裂隙含水層富水性較弱，補(bǔ)給條件差，補(bǔ)給水量有限，一般對(duì)礦井充水影響較小。

表4 3號(hào)煤層底板水頭壓力和突水系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.2 太原組砂巖裂隙及石灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組與其上下含水層的水力聯(lián)系

表5 15號(hào)煤層底板水頭壓力和突水系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 論

根據(jù)勘查區(qū)水文地質(zhì)鉆探、抽水試驗(yàn)、水化學(xué)化驗(yàn)資料，分析了勘查區(qū)地下水化學(xué)特征及含水層間水力聯(lián)系，主要研究結(jié)論如下：

(2) 正常情況下各含水層之間的水力聯(lián)系均比較弱，但是遇到斷層、陷落柱等構(gòu)造影響區(qū)域水力聯(lián)系有相對(duì)增強(qiáng)的趨勢(shì)。

(3) 3號(hào)及15號(hào)煤層均處于帶壓狀態(tài)。15號(hào)煤層突水系數(shù)大于0.1 MPa/m，處于危險(xiǎn)區(qū),易發(fā)生直通式突水；3號(hào)煤層突水系數(shù)小于0.1 MPa/m，處于過(guò)渡區(qū)和相對(duì)安全區(qū)，存在發(fā)生突水的可能性，需要在巖層完整和構(gòu)造簡(jiǎn)單地帶科學(xué)安全采取防治水措施的情況下進(jìn)行開(kāi)采，這對(duì)未來(lái)煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中的防治水工作有較大的參考價(jià)值。

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Analysis of Groundwater Hydrochemical Features and Hydraulic Connection Between Aquifers in Guxian Exploration Area of Qinshui Coalfield

LI Zhiyou

(ShanxiNo.114ExplorationInstituteofCoalGeology,Changzhi,Shanxi046011,China)

According to hydrogeology drilling, water pumping and water quality data from exploration area, this research focus on major minable coal seams (No.3 and 15 coal seam) which had great influence on Xiashihezi and Shanxi Formation sandstone fissure aquifer, Taiyuan Formation sandstone and limestone karst fissure aquifer and middle Ordovician limestone karst fissure aquifer hydrochemical features and hydraulic connection analysis. The result show that hydraulic connection between the aquifer are rather weak in exploration area, but relatively strong in construction affected area. Hydrochemical Features of the Ordovician limestone karst fissure aquifer has great relationship on its depth and degree of construction development, with the increasing in depth SO42-and mineralien increase accordingly, the condition of runoff becomes worse. This study shows No.3 and 15 coal seam are all under water pressure, which need much attention in water hazard controlling during coal mining in future.

Aquifers; mining under pressure; hydro-chemical features; hydraulic connection

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.035

2016-07-16

李志有(1985—)，男，河北崇禮人，碩士，工程師，主要從事水文地質(zhì)、煤層氣頁(yè)巖氣施工、災(zāi)害治理等方面的管理和技術(shù)工作。 E-mail：15803552813@126.com

P641.12

A

1672—1144(2016)06—0179—05