新安煤田区域水文地质条件时空差异

吕东亮，李松营，张春光，杨 培,3，张万鹏

(1.义马煤业集团股份有限公司石壕煤矿，河南 三门峡 472000；2.义马煤业集团股份有限公司地质研究所， 河南 义马 472300；3.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454003)

新安煤田区域水文地质条件时空差异

吕东亮1，李松营2，张春光2，杨 培2,3，张万鹏2

(1.义马煤业集团股份有限公司石壕煤矿，河南 三门峡 472000；2.义马煤业集团股份有限公司地质研究所， 河南 义马 472300；3.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454003)

为了准确把握新安煤田矿井充水条件的时空差异，制定有针对性、时效性的防治水措施，收集500余个井上下钻孔以及水库动态资料，分析了新安水文地质单元的补给、径流和排泄条件，研究了区域水文地质条件时空差异。研究表明：区域水文地质条件在小浪底水库蓄水前后以及前期后期与开采前后存在明显的时间性差异；煤田东部与西部、浅部与深部、不同含水层之间以及同一含水层的不同区段也存在明显的空间性差异；寒武系及奥陶系灰岩含水层是区域主要含水层，在平面上，可以划分为补给区、顺层径流区、折向汇流区、缓流滞流区和排泄区，强径流条带集中在折向汇流区。新安煤田区域水文地质条件的时空差异决定了区域内矿井充水条件的复杂性与差异性。

水文地质条件；时空差异；水文地质分区；大型地表水体

新安煤田矿井充水条件复杂，面临多种水害。小浪底水库淹没煤田面积49.5km2，存在水下开采难题[1-8]；新安煤田矿井曾发生大型以上底板突水4次[9-13]，经济损失数亿元；也曾发生多次老空水溃入，其中一次造成42人死亡[14]；顶板砂岩水也多次发生，影响正常生产。新安煤田矿井防治水形势严峻，被形象地称之为“头顶水库水，怀揣小窑水，脚踏承压水”。

新安煤田矿井充水条件由区域水文地质条件决定，而此区域水文地质条件时空差异明显。新安煤田区域水文地质条件在小浪底水库蓄水前后、开采前后等发生着显著改变，存在时间性差异；在煤田浅部与深部、东部与西部、不同含水层之间以及同一含水层的不同地段等也存在着明显的差异。

降水的季节性变化和地层岩性、地形地貌等的不同，导致水文地质条件时空差异普遍存在。区域水文地质条件时空差异决定矿井充水条件时空变化。研究新安煤田区域水文地质条件时空差异，可以从根本上把握矿井充水条件变化规律，更好地指导矿井防治水工作。

1 煤田地质及水文地质

新安煤田地跨河南省洛阳市新安、孟津两县，面积约700km2，主采二叠系山西组二1煤，煤种为贫瘦煤，煤炭资源约30亿t，是义马煤业集团的四大煤田之一；现有5对骨干生产矿井和少数整合煤矿，生产能力超过600万t/a。煤田地表为丘陵地形，地势西高东低，最高+635m，最低+158m。震旦、寒武、奥陶系等老地层在煤田西北部出露，地层倾向东南。区内分布有畛河、石寺河、北冶河等季节性河流。多年平均降水量670mm，7～9月份降水集中，占全年降水量的50%～60%。小浪底水库是该区的主要地表水体。新安煤田整体位于新安水文地质单元之内。新安煤矿开采-200 m以浅资源，年均矿井涌水量约700 m3/h，矿井水文地质类型属极复杂；新义、义安、孟津等矿开采-200～-600 m资源，正常矿井涌水量200～400 m3/h，矿井水文地质类型中等-复杂。

2 区域水文地质

新安水文地质单元面积约800km2(图1)，构成相对独立完整的岩溶地下水补径排体系。区内含水层有寒武系与奥陶系灰岩(简称寒奥灰)岩溶承压含水层、太原组灰岩岩溶承压含水层、山西组砂岩裂隙承压含水层、石盒子组砂岩裂隙承压含水层、平顶山砂岩裂隙承压含水层和第四系松散物孔隙潜水含水层等(图2)。寒奥灰含水层溶裂隙发育、厚度达数百米，是最主要含水层。单元北界为石井河断层，位于黄河北岸、走向近EW，断层南盘灰岩与北盘二叠系对接形成阻水边界；西南以NW向的龙潭沟断层为界，与义马水文地质单元相邻；西北以曹村以西元古界石英砂岩露头线为界，元古界石英砂岩为相对隔水层，形成相对隔水边界；东南部岩溶含水层深埋，为岩溶地下水滞流区，形成滞流边界。寒奥灰含水层在西北部出露面积约108km2，接受大气降水补给。自然条件下，岩溶地下水再沿地层倾向向东南方向径流，至深部滞流区后转向东北，最后排泄入黄河(小浪底水库)。随水库水位涨落，岩溶地下水也间歇性地接受地表水补给。其它承压含水层，由于厚度小、裂隙不发育或连通性差，虽有自然统一水位，但水力交替缓慢，富水性不强。潜水含水层受岩性、地形等控制，片状分布，富水性差别较大。

图1 新安水文地质单元Figure 1 Xin'an hydrogeological unit

图2 水文地质柱状Figure 2 Hydrogeological column

3 区域水文地质条件时空差异

3.1 时间性差异

3.1.1 水库蓄水前后

小浪底水库蓄水前，区域内仅发育有畛河、石寺河、北冶河等数条季节性河流，不存在其它地表水体；2001年小浪底水库建成蓄水，之后，小浪底水库成为唯一特大型地表水体。蓄水前，含水层主要在灰岩露头区(标高+400 m以上)接受大气降水补给，寒奥灰岩溶水向黄河排泄，排泄出口标高不足+200 m；蓄水后，水库水位常年保持在+230 m以上，水库水也起到间歇性补给作用，可以通过寒奥灰含水层的原有排泄通道对其反向补给，使得下游水位抬高最大约50 m，但由于水库设计最高水位标高为+275 m，故大气降水仍是寒奥灰含水层的最终补给水源(图3)。

图3 水库蓄水后最终地下水补给径流排泄条件示意Figure 3 A schematic diagram of final groundwater recharge, runoff and discharge conditions after reservoir impounding

3.1.2 水库蓄水前期与后期

小浪底水库库容126.5亿m3，死库容75.5亿m3。蓄水前期，上游携来的泥沙在库底淤积增厚(图4)[15]，随之死库容内的原有排泄通道逐渐被淤实而丧失补、排功能，排泄出口上移，排泄基准面将抬升至泥沙淤积层以上。蓄水10余年后，进入库区的泥沙量与排出的泥沙量逐渐趋于平衡，库区泥沙淤积层趋于基本稳定，死库容范围内的原有排泄通道将丧失补、排功能。

图4 畛河淤积纵剖面变化过程Figure 4 Longisection of Zhenhe River silting-up variation process

3.1.3 开采前后

20世纪80年代之前，新安煤田尚未正式开发，地下水补径排条件处于天然状态；寒奥灰岩溶水系统处于稳定状态(图5a)，总体上由补给区向排泄区径流。开采后，矿井疏水成为受采后冒裂波及的煤层顶板砂岩水和太原组灰岩水的主要排泄方式，采空区成为其排泄中心。煤田浅部，导水裂隙带沟通第四系潜水的区段，矿井疏水对潜水起到排泄作用。特别是近10a来，由于水文孔取水、探查孔放水(试验)以及突水等，矿井疏水也成为寒奥灰含水层的主要排泄途径之一，在煤田开采区域已形成若干程度不同的寒奥灰含水层的降落漏斗(图5b)。其中，新义井田在没有采取疏水降压条件下，2016年水位最大降深已近200 m。岩溶水系统原始统一状态被打破并趋于分裂，岩溶水除向天然排泄出口(水库)排泄外，还就近向人工排泄中心(采空区)排泄。

a

b图5 寒武系和奥陶系灰岩溶水流场Figure 5 Cambrian and Ordovician limestone karstic water flow field

3.1.4 季节性差异

大气降水的季节性变化导致地下水补给强度的季节性差异，寒奥灰含水层主要在汛期接受大气降水补给。受汛期集中降水作用，寒奥灰含水层水位开始持续上升，但存在滞后，一般至次年元月达到峰值，之后缓慢下降，每年5～7月份降至低谷。小浪底水库一般每年5～6月份为泄水期，7～9月份低水位运行，10月开始蓄水，至次年4月期间处于高水位状态(图6)。小浪底水库有规律地蓄泄水，造成水位周期性涨落，水面也周期性涨缩。总体上，水库水位上涨时，水库水通过对寒奥灰含水层的排泄通道对其反向补给；下降时，恢复排泄功能。

图6 岩溶水位、水库水位与降水量关系图Figure 6 Relationship among karstic water level, reservoir water level and precipitation

3.2 空间性差异

3.2.1 东部与西部

常年地表水体主要分布在煤田东部，西部仅发育有畛河等季节性河流。煤田东部，数十个小窑井筒位于库区之内，小窑水与地表水联为一体[16]；受村庄与工业广场煤柱阻隔，在煤田西部，二者没有水力联系(图7)。东部断裂构造发育，分布有石井河断层、省磺矿断层等多条大型断层(图8)；而中西部断层稀少、构造简单；紧邻岸上断层的煤田西端中、小型构造也较发育。构造发育的地带水文地质条件复杂。

图7 新安煤田东西部小窑水差异性图Figure 7 Differentiation between east and west small mine waters in Xin'an coalfield

图8 新安煤田构造纲要图Figure 8 Structural outline map of Xin'an coalfield

3.2.2 浅部与深部

含水层浅部易受大气降水、地表水等的补给，水力交替较快；越朝深部，距大气降水、地表水越远，地下水的补给条件变差，主要接受浅部含水层的顺层径流补给，又远离排泄出口，多属滞流环境，水力交替缓慢。奥灰含水层中放射性同位素氚的平均含量从+25 m水平的2.90 TU逐渐减少到-300 m水平的0.84 TU，也佐证了这一事实。

3.2.3 潜水与承压水

区域潜水含水层受地形、沉积物控制，呈片状、条带状分布；富水性受松散物成分控制，一般可视作均质含水层；受大气降水和地表水补给，随降水多寡或水库水位升降变化，没有统一的补径排条件。区域(灰岩、砂岩)承压含水层富水性受裂、溶隙发育程度以及风化充填程度控制，空间分布极不均匀；有统一的补径排条件，岩溶水由高水位向低水位、补给区向排泄区径流，水位不受地形控制。例如奥灰含水层，原始状态下，在露头区接受大气降水补给，然后顺层向深部径流，再折向流向东北方向，最后排泄于黄河(图4、图5)；在煤矿大规模开采和小浪底水库蓄水的共同条件下，奥灰水既向水库排泄，又向采空区漏斗排泄，但其径流受地形控制(图4、图5)。

3.2.4 砂岩与灰岩

砂岩裂隙承压含水层主要分布在主采煤层二1煤顶板，单层厚度多不足20 m，富水性弱而不均，连通性差，层间一般没有水力联系。灰岩溶、裂隙承压含水层分布在煤层底板，自上而下有太原组灰岩(太灰)、奥陶系灰岩(奥灰)和寒武系灰岩(寒灰)。受稳定分布的本溪组铝土岩阻隔，太灰与寒奥灰之间水力联系微弱。太灰水在采掘区域已被疏干；而奥灰水仍保持较高的水位。

3.2.5 太灰与寒奥灰

太灰有上下两层，单层厚度一般不足10 m，裂隙不发育，连通性差，补给不足，富水性弱，静储量小，易被疏干；奥灰与寒灰含水层，厚度大，二者水力联系密切，被视作统一含水层，补给较充沛，静储量大，难以疏干，是当地的主要含水层，也是当地工农业用水的最主要地下水取水目的层。

3.2.6 寒奥灰的空间差异性

在垂向上，寒奥灰自上而下划分为马家沟组、冶里组、凤山组、长山组、固山组、张夏组、徐庄组和毛庄组等，各组岩性差异，溶裂隙发育程度差别较大，富水性不同；根据已施工的数百个底板探查钻孔，奥灰顶部风化壳15～20 m裂隙多被充填，富水性较差，单孔涌水量很少超过5 m3/h；之下一定范围内岩溶发育，富水性较强，单孔涌水量可达50 m3/h以上，甚至超过200 m3/h。

在水平方向上，新安水文地质单元自然条件下可以划分为补给区、顺层径流区、折向汇流区、缓流滞流区和排泄区等(图9)。折向汇流区，径流带集中分布，富水性强，水力交替较为迅速，已发生的大型与特大型寒奥灰突水事故均处于此条带，涌水量达到50 m3/h以上的探查钻孔也主要集中在此区域；而缓流滞流区，富水性较弱，水力交替缓慢，探查钻孔的涌水量多在5 m3/h以下，奥灰水易于疏降，已形成若干降深70～200 m的降落漏斗(图6)。

图9 新安水文地质单元补径排条件分区图Figure 9 Xin'an hydrogeological unit recharge, runoff and discharge conditions partition map

4 结语

(1)新安煤田区域水文地质条件存在明显的时间性差异：小浪底水库蓄水前，地下水主要接受大气降水补给；之后，水库水也成为地下水的重要补给水源。蓄水后期，逐渐形成的软弱淤积层利于减弱地表水与地下水的水力联系，使得寒奥灰含水层排泄出口上移。开采前，地下水有统一的补径排条件；之后，矿井疏水成为煤层顶板大占砂岩、香炭砂岩与底板太原组灰岩等含水层的主要排泄途径，也是寒奥灰含水层的重要排泄方式。随着大气降水的季节性变化与水库水位的周期性涨落，地下水补径排条件也呈现较明显的季节性变化。

(2)新安煤田区域水文地质条件存在明显的空间性差异：煤田东部存在常年地表水体，西部仅发育有季节性河流。东部小窑水与地表水联为一体，西部二者之间没有水力联系。东部断层发育，使得水文地质条件更趋复杂，而西部断层稀少。向地层深部，逐渐形成地下水滞流环境，补给不足。各含水层之间以及同一含水层的不同地段也存在较大的水文地质条件差异。寒奥灰含水层，在水平方向上可划分为补给区、顺层径流区、折向汇流区、缓流滞流区和排泄区等，径流条带多集中在折向汇流区；奥灰顶部风化壳15～20 m裂隙多被泥质充填，富水性弱。

(3)新安水文地质单元的水文地质条件对区域内矿井充水条件起着决定作用；矿井充水条件的时空变化决定于区域水文地质条件时空差异，是制定针对性、时效性防治水措施的依据。

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SpatiotemporalDifferencesinXin'anCoalfieldRegionalHydrogeologicalCondition

Lyu Dongliang1, Li Songying2, Zhang Chunguang2, Yang Pei2, 3and Zhang Wanpeng2

(1.Shihao Coalmine, Yima Coal Industry Group Co. Ltd., Sanmenxia, Henan 472000; 2.Geological Research Institute, Yima Coal Industry Group Co. Ltd., Sanmenxia, Henan 472000; 3.School of Resources and Environment, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454003)

To grasp the spatiotemporal differences in the Xin'an coalfield coalmine water filling condition accurately, formulate targeted and time-efficient water control measures, have collected dynamic data from 500 more surface and underground boreholes and reservoirs, analyzed recharge, runoff, and discharge conditions in Xin'an hydrogeological unit, and studied spatiotemporal differences in regional hydrogeological condition. The study has shown that the obvious temporal differences have been existed in regional hydrogeological conditions before and after impounding of the Xiaolangdi reservoir; early and late stages of impounding; as well as before and after coal mining. Also, obvious spatial differences have been existed between eastern part and western part, shallow part and deep part of the coalfield, between different aquifers, same aquifer but different sectors. The Cambrian and Ordovician limestone aquifers are the main aquifers in the area. On the plane can be divided into recharge area, bedding runoff area, turning confluence area, sluggish viscous flow area and discharge area; while the intensive runoff zones are concentrated in turning confluence area. Spatiotemporal differences in Xin'an coalfield area hydrogeological condition have decided the complexity and diversity of coalmines water filling condition in the region.

hydrogeological condition; spatiotemporal differences; hydrogeological partitioning; large surface water body

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.07

1674-1803(2017)11-0035-06

A

国家自然科学基金重点资助项目(41130419)

吕东亮(1982—)，男，河南汝南人，工程师，硕士，从事矿井地质、防治水方面的科研与管理工作。

2017-05-03

樊小舟