黑玉煤矿开采对小南海泉影响初步分析

2011-02-23宋丽红王新玲

地下水 2011年4期

关键词：中统奥陶系含水层

宋丽红，王新玲

(河南省地质矿产勘查开发局第一水文地质工程地质队，河南郑州450045)

安阳县黑玉煤矿地处小南海泉域保护区内，矿区临近安阳市主要供水水源地之一的小南海泉。为此，有必要对该矿矿床开采是否对小南海泉造成影响进行初步分析，为政府相关管理部门提供参考。

1 矿区概况

1.1 矿区位置及范围

矿区位于安阳县善应镇黑玉村南，北东距安阳市区约30 km，北西距安阳—李珍铁路水冶站约12 km。水冶—鹤壁公路从矿区东侧通过，交通较为便利。矿区东西宽490 m，南北长1 560 m，矿区面积约0.4 968 km2，批准开采深度为煤层底板标高+120 m至－20 m标高。矿区拐点坐标如下表(表1)。

表1 矿区拐点坐标一览表

1.2 矿区开采情况

黑玉煤矿于1982年7月建井，1983年10月投产。建有主井为斜井，副井为竖井通风。2004年核定矿井生产能力为6万吨/年。该矿采用短壁后退式采煤方法，放炮落煤。通风方式为中央并列式。

矿区主要开采煤层为二1煤层，该煤层为本区主要可采煤层为，赋存于山西组下部北岔沟砂岩与大占砂岩之间，上距大占砂岩4.5 m，下距北岔沟砂岩17 m。煤层厚3.40～4.50 m，平均厚4.08 m，整体走向北西－南东，倾向北东，倾角8°左右，煤层层位稳定，厚度变化不大，结构简单(图1)。在矿区南侧，煤层沿走向和倾向呈波状起伏。矿区内煤层赋存标高为－20 m～+127 m，深度为24 m～218 m。矿井正常涌水量30 m3/h左右。

2005年11月，为了解决黑玉煤矿的通风及运输问题，并完善井上下生产系统，进一步提高矿井生产能力，黑玉煤矿对该矿现有生产系统进行技术改造初步设计。

图1 二1 煤层底板标高等值线图

1.3 矿区及周边水文概况

矿区属海河流域卫河水系，矿区内无常年性河流通过，但南部邻近洹河，该段洹河河谷内有小南海泉(图2)。

图2 矿区一带水文地质略图

(1)小南海泉:出露于矿区南部外围、碳酸盐岩裸露的洹河河谷中，通过河水对河谷地层的侵蚀，切穿奥陶系灰岩含水层而形成泉群，泉水流量平均4.28 m3/s［1］。该泉群是豫北重要工业城市——安阳市工农业及生活用水的主要供水水源之一。

(2)洹河:发源于林州市西部山区，从矿区南边界以南约160 m通过，自西向东流，该河流上游(善应村以西)为间歇河，主要由小南海泉补给，汛期接纳附近冲沟洪水。据小南海水文站观测资料，该段河流枯水期流量为6.0 m3/s，汛期流量可达867 m3/s，最高洪水位标高达139.38 m;下游(善应村以南)常年有水流。

2 地质背景

2.1 地形地貌

矿区位于太行山区和华北平原的过渡地带，属侵蚀剥蚀丘陵地貌区。区内地势呈北东、北西高，中部、南部低。最高标高约225 m，最低标高约143.2 m，相对高差约81.8 m。

2.2 矿区地层

矿区一带属于侵蚀剥蚀丘陵地貌区，据矿井和周围钻孔揭露，地层由老至新为奥陶系中统、石炭系上统、二叠系和第四系。

(1)奥陶系中统:在矿区西北部外围出露。地表出露地层主要为中奥陶统马家沟组第5岩性段，该段岩性主要分布于F160断层以西一带，总厚度达200 m左右。由于受F160断层影响，该层矿区内没有出露。根据矿区勘探钻孔资料，各见煤钻孔均未揭露该层。

(2)石炭系上统:据矿区周围钻孔揭露，本组共含石灰岩5—9层，含煤11—13层，厚度为120～140 m，与下伏本溪组为整合接触。

(3)二叠系:由山西组和下石盒子组组成。山西组厚度为95～126.0 m，平均110 m，与下伏太原组为整合接触，为矿区内主要含煤建造，含煤1—2层，其中二1煤层全区可采，二2煤层不可采;下石盒子组在矿区内仅发育本组下部三煤段，最大厚度约140 m。

(4)第四第:分布于矿区内地形低洼处，主要由黄土、砂、砾石组成，砾石成份主要为砂岩、石英砂岩。厚0～35 m，平均15 m。

2.3 矿区构造

矿区一带总体构造形态为一轴向北北东的背斜构造，中部、北部渐变为单斜构造，地层倾向北东，倾角8°左右。根据井下观察，煤层在走向及倾向上呈波状起伏现象，局部倾角较大，可达20°左右。矿区西部外围为 F160断层，走向北东—南西，倾向南东，倾角75°～80°，断距大于 200 m。与F160断层相伴生的次级断层，位于F160断层西侧，规模较小。根据以往勘探成果结论，F160断层对矿区内二1煤层未见有影响。矿区东部外围约220～400 m为F159断层，呈近北东——南西走向，倾向北西，倾角约75°。据以往地质调查资料，该断层为压扭性正断层，属相对阻水断层。

3 矿区水文地质条件

3.1 矿区水文地质单元位置

矿区一带处于太行山复背斜东翼，总体上为一向东倾斜的单斜汇水构造，矿区处在小南海泉域的排泄区附近。矿区附近断裂构造主要为矿区西北部外围的F160断层，该断层使矿区内二1煤层层位与区外奥陶系灰岩含水层相对接。由于断层两盘岩性的差异，上盘岩性相对阻水，推测沿断层走向下盘岩溶裂隙相对发育，使得下盘相对富水。

3.2 矿区主要含水层

1)第四系砂、砾石含水层

本层属孔隙含水层。主要由冲、洪积成因的砂、砾石构成，分选性差，且常被粘土或粘土夹砾石层分隔，多呈透镜体状发育于沟谷两侧和山坡坡脚等低洼地段，其厚度主要受基岩风化面及断裂所控制。据区内及邻近地区钻孔资料统计，含水层累计沉积厚度一般小于10 m，在本矿区内，其沉积厚度具有自北向南逐渐增加的特征。该含水层主要接受大气降水的补给，水位、水量则受季节性降水及地形的制约，故其水位、水量在时空展布中相差较大，也无统一的地下水位。钻孔单孔涌水量为0.02～11.48 L/s.m;民井单井涌量一般为50～90 m3/h。水位随季节变化较大，其年变幅为1～20 m，旱季时部分民井可见干涸现象。因其远距二1煤层，故在正常情况下，对开采二1煤层无直接影响。

(2)二1煤层顶板砂岩含水层

本层属孔隙裂隙承压含水层。由二1煤层之上60 m范围内2～7层细、中粒砂岩组成，一般厚在20 m左右，其中以香炭砂岩和大占砂岩为主，含弱裂隙承压水。据以往地质资料，该含水层裂隙发育程度和补给条件有限，富水性弱，为二1煤层顶板直接充水含水层。

据邻区及本矿矿井生产资料，大多数矿井顶板无水或仅有滴、淋水现象，仅东部王家岭煤矿因二1煤层之上基岩残留厚度较薄，且位于安阳河及彰武水库附近，因此，顶板发生过突水淹井事故。该含水层厚度变化较大，分布不均匀，补给条件差，以静储量为主。因此，该含水层裂隙水在生产中易于疏排，对二1煤层开采一般不会构成大的影响。

(3)太原组上段(L8)灰岩含水层

该层属岩溶裂隙含水层，为二1煤层底板直接充水含水层。矿区内L8灰岩为本区域内主要标志层之一，厚度1.30～37.33 m，上距二1煤层 13.61 ～58.45 m。该层灰岩泥质成份较高，裂隙岩溶发育较差，富水性弱而不均。据龙山煤矿井下揭露该层证明，L8灰岩含水层富水性弱，水循环交替作用滞缓，一般情况下，含水量较小。该层为二1煤层底板直接充水含水层。根据安阳矿区各煤矿开采经验证明，该层一般情况下对矿井安全生产不构成威胁，但由于本含水层厚度分布和富水性不均，随着开采深度的增加，其水头压力也随之增大，在隔水底板薄弱部位或在断层附近时，有可能产生底板突水，危及矿井安全生产。

4)中奥陶统(O2)灰岩含水层

属裂隙岩溶含水层。据区域资料，本层厚度大于400 m，在西部太行山区有广泛出露，其层位稳定，岩溶裂隙发育，有利于大气降水和地表水的渗漏补给，因而富水性强，但极不均一。在浅部，由于受山前断裂(龙泉断裂和天喜镇断裂等)及岩浆侵入作用的影响，使灰岩与碎屑岩或岩浆岩相接触，形成阻溢型岩溶大泉，如小南海泉。泉水溢出量0.14～7.00 m3/s，水位标高为 +134左右，水化学类型为 HCO3～Ca.Mg和 HCO3—Ca型水，矿化度为 0.57g/L，PH=7.7，属中性优质水，泉水动态较稳定。

3.3 矿区主要隔水层

1)二1煤层顶板隔水层

自二1煤层顶面60 m以上起，上至基岩面，一般厚度多大于100 m，该层主要由厚层泥岩、砂质泥岩组成，其间虽夹有中粗粒砂岩含水层，但其裂隙不发育，导水、富水性差，而其力学强度较高，在该层中可起到骨架作用，对第四系孔隙潜水充入二1煤矿矿坑具有良好的阻隔作用，是二1煤层顶板的良好隔水层。

2)二1煤层底板隔水层

由泥岩、砂质泥岩和薄层灰岩组成，厚度19.00～55.50 m，平均厚度为42.92 m。该层从矿区南部向北部有逐渐增厚的趋势。泥岩、砂质泥岩层位稳定，厚度大、分布广，以往勘探钻孔中，在该层段未发现涌、漏水现象，其导水性差，隔水性较好，对阻隔太原组上段(L8)灰岩水充入二1煤矿矿坑能起到良好的阻隔作用。

4 矿床开采对小南海泉的影响分析

4.1 从泉水的补给条件方面进行分析

小南海泉位于矿区南部外围约160 m，主要泉水出露点(奶奶庙一带)位于矿区东南约250 m。从小南海泉的成因分析，小南海泉是由来自西部山区的地下水，通过深部强径流带径流至泉域东部，由于受泉域东部北北东向断层束(主要是天喜镇断裂和龙泉断裂等)的影响，使奥陶系中统岩溶含水层与区外相对阻水的煤系地层对接，并在洹河的强烈侵蚀下，切穿奥陶系中统岩溶含水层而使地下水溢出形成的。

根据以往调查资料，小南海泉域内岩溶地下水主要发育在奥陶系中统马家沟组第1、2、3岩性段碳酸盐岩含水层中［2］，由于碳酸盐岩区的富水性分布极不均匀，地下水多富集在溶隙裂隙发育的地段，称之为强径流带。岩溶地下水强径流带，是地下水对可溶岩的裂隙孔洞溶蚀开拓的结果，在泉域系统内的分布具有集中径流的特点，表现出有类似地下河系那样的系统性，即由干流和支流组成的径流带系统。干流和支流都直接与两侧弱岩溶区的裂隙、溶隙导水网络密切联系着，并与岩溶水一起构成一个完整、独立的地下水系统。小南海泉域共有两个岩溶地下水强径流带，即陵阳－天喜镇岩溶强径流带和横水～南善应岩溶强径流带(图3)。矿区大致位于这两个强径流带之间，地下水径流相对较弱。

图3 小南海泉域岩溶强迳流带分布示意图

在小南海水库大坝附近，受大坝一带岩浆岩侵入体的阻隔(图2)，岩溶地下水主要通过白玉村东南部向小南海水库下游迳流，由于善应镇一带洹河的强烈切割侵蚀，切穿奥陶系中统岩溶含水层，并在断层的综合影响下使地下水溢出地表而形成小南海泉(图4)。由此可见，小南海泉的补给来源主要来自西部奥陶系中统岩溶含水层的地下水，而黑玉煤矿开采的煤层位于石炭系上部和二叠系下部，煤层与奥陶系中统岩溶含水层之间有多层隔水层相隔，一般情况下该煤矿开采导致矿床与奥陶系中统岩溶含水层沟通的可能性小，即对小南海泉的影响小。

图4 A—B水文地质剖面图

4.2 从断裂构造条件方面进行分析

矿区东侧F159断裂距离矿区220～400 m，距离较远，而且该断层为压扭性正断层，相对阻水。矿区西侧的F160断裂，走向北东—南西，倾向南东，倾角 75～80°，断距大于200 m。与F160断层相伴生的次级断层，位于F160断层西侧，规模较小。根据以往勘探成果结论，F160断层对矿区内二1煤层未见有影响。另据断层东、西两侧地质勘探钻孔资料，在断层破碎带中发育有石膏矿，相对阻水，断裂西侧(下盘)为奥陶系中统第5岩性段灰岩。前面已述，奥陶系中统岩溶含水层主要发育在马家沟组第1、2、3岩性段灰岩中。断层附近马家沟组第1、2、3岩性段埋藏较深，根据黑玉石膏矿勘探钻孔资料，断层西侧钻孔(ZK6)深度为120 m，未见揭露。断层东侧钻孔(ZK5)深度为195m，已经揭穿二叠系并进入石炭系。由此看出，奥陶系中统马家沟组第1、2、3岩性段的埋藏深度在F160断层西侧应超过120 m，东侧应超过195 m。从黑玉石膏矿的开采情况来看，黑玉石膏矿开采的石膏矿层位于F160断层破碎中，开采过程中未发现有突水现象，说明F160断层属阻水断层，未与奥陶系中统主要含水层沟通。但鉴于断层带中石膏矿层的不均匀性，不排除局部地段有导水的可能，矿方应引起足够重视。从目前的掌握的资料来看，F160断层未沟通奥陶系中统主要含水层，对黑玉煤矿东南部的小南海泉流量不造成直接影响。由此看来，奥陶系中统岩溶含水层中的地下水通过断层直接进入煤矿矿床的可能性小，对矿区东南部的小南海泉流量不会造成直接影响。

4.3 从水质分析结果方面进行分析

从水质分析结果来看，河南省第一水文地质工程地质队在2001年11月5日为完成《河南省安阳市小南海泉域地下水资源评价报告》在奶奶庙附近小南海泉口取了1组水样分析;矿方于2006年9月18日在矿区内不同部位取了4组地下水样进行分析;本次分析工作中分别在矿区南部洹河中和奶奶庙附近小南海泉口各取了1组水样进行分析，以上水质分析结果列于表2。

从不同时期不同部位水质分析结果可以看出，矿坑水、洹河水及小南海泉水水质均未超过现行国家饮用水水质标准，水质均为良好。且洹河水、小南海泉水水质明显优于矿坑水，目前小南海泉水的水质与2001年相比并无明显变化，说明矿区采矿活动目前并未对小南海泉水水质造成影响。

4.4 从煤矿技术改造初步设计进行分析

由于小南海泉出露在洹河河谷内，洹河河水的水质变化将直接影响到小南海泉水的水质。从该矿二1煤层的分布特征及该煤矿技术改造初步设计［3］来看，未来该煤矿主要是向北部开采，远离洹河。矿井排水水质主要受井下开采过程中散发的岩粉和煤粉的影响。

表2 水质分析结果一览表

导致COD和SS增高，设计中选用1座处理能力为60 m3/h(矿井正常排水量为30 m3/h左右，最大涌水量为40 m3/h)的地上式穿孔旋流反应斜管沉淀池(结构形式为钢砼)。处理后的部分矿井水再经深度处理后供工业场地生产用水，多余部分经沉淀处理后直接外排，外排矿井水能够满足《污水综合排放标准》(GB8978－1996)表4中二级标准的要求。

工业场地主要废水来源为办公、食堂、联合建筑等生活污水以及矿井排水。其中生活污水量约为3.6 m3/h，最大水量为17 m3/h。设计采用处理能力为10 m3/h的埋地式污水处理设备进行生化处理，处理后与沉淀、净化后多余的矿井水一起就近排出场外冲沟内。

矿井水处理系统产生的煤污泥，经压滤机脱水后的干煤泥运至储煤场，以防止环境的二次污染，同时又增加煤矿的经济效益。

综上所述，未来采矿活动主要是向北部开采，远离洹河;设计未来矿床开采过程中对污染源的处理措施是有保障的，对洹河的污染可能性很小，即对小南海泉泉水的水质安全不构造威胁。