山西怀仁中能芦子沟何家堡矿区水文地质研究

赵立敏

摘 要：山西怀仁中能芦子沟何家堡煤业有限责任公司位于朔州市怀仁县，东距怀仁县城14km，行政区划属怀仁县管辖。2009年11月3日山西省国土资源厅颁发采矿许可证证号为C1400002009111220041625，批准开采2号-9号煤层，矿区面积5.2909km2，生产规模90万t/a，净增能力15万t/a。本文结合矿区内以往物探、钻探等成果，综合分析了矿区各类水文地质条件，划分了矿井水文地质类型，从而达到对矿区水文地质条件进行研究的目的。

关键词：山西；怀仁中能；芦子沟何家堡；矿区；水文地质

中图分类号：P641.461 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）05-0196-02

1 区域水文概况和地表水系

1.1 区域水文概况

大同煤田位于大同平原以西，介于口泉山脉、西石山脉、牛心山脉之间，呈一北东-南西向不对称的向斜构造，东南翼陡西北翼缓，向北东倾伏，西北翼地层倾角5-15°，东南翼倾角20-60°，局部陡立倒转。东部、东南部构造复杂，断层多。区域内出露地层为寒武—奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系及第四系地层。大同煤田属神头泉水文地质单元一部分，地下水的补给以降水入渗为主，由于侏罗系、石炭—二叠系的煤层开采，煤系地层地下水之间存在互补关系，矿坑排水是碎屑沿裂隙水的主要排泄方式，岩溶水除少部分向十里河、口泉何、鹅毛口河等峪口排泄外，大部分向神头泉排泄。

1.2 地表水系

本區属海河流域永定河水系桑干河北岸支系，区内发育三条河流：鹅毛口河、口泉沟河、十里河。鹅毛口河、口泉沟河流入桑干河，十里河流入御河后汇入桑干河。十里河为本区最大河流，东西横穿煤田北部，常年性流水，全长74km，流经本区50km，流域面积1210km2，主流弯曲系数1.33，河床上游宽50m，中游200m，下游600m，河床纵坡山区2-10%，平原0.1-0.2%。据观音堂水文站实测资料推算，百年一遇洪峰流量1410m3/s，五十年一遇洪峰流量1160m3/s，实测最大洪水流量1953年为990m3/s，1992年为988m3/s，历史调查洪水最大流量1922年为1520m3/s。

口泉沟位于十里河南，发源于左云县小窑头，流经本区约30km，河谷较十里河狭窄，于口泉山脉北侧大致沿地层走向流出口泉镇。平时仅有细流，主要支流有刁窝嘴后沟、银塘沟、张家坟沟、史家沟、老窑沟、黑流水等，全长36km，流域面积147km2，河床纵坡5-7‰，多年平均径流量0.099亿m3，中等干旱年径流量0.043亿m3，是地表水补给地下水的渗漏性河谷，据1964年白洞水源勘查设站观测，日常迳流量0-122L/s，山洪暴发洪水流量60m3/s，流速4m/s（1964年5月31日）。

鹅毛口河位于大同煤田南部，东出鹅毛口村流入桑干河，全长12km，河宽80-130m，流域面积110km2，河床纵坡1.8%。1954年窑子头观测点观测最大流量约140.30m3/s，日常流量0.3m3/s，最小流量0.043m3/s，最大支流为柴沟、大西沟、虎龙沟、马口峪、小南沟五条季节性河流，均位于该河北部，断面多呈“V”型。

2 矿区主要含水层和隔水层组

2.1 矿区主要含水层

2.1.1 碳酸盐岩岩溶裂隙含水层

矿区内发育较全，埋藏于矿区深部，所含地下水均为岩溶承压水。综合所有钻孔资料可见本矿区内奥陶系灰岩岩溶裂隙发育具不均一性，总体富水性较弱，局部地段弱-中等。水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3·SO4-Na型水，矿化度0.85-0.95g/L，总硬度250.2-664.5mg/L，PH值7.67-8.24。该含水层区域内补给水源主要来自西部奥陶系灰岩，少量来自东部露头大气降水补给，水力坡度2.12%，矿区内由西南向东北方向径流，但区域内总体向东南方向径流，除少部分向十里河、口泉何、鹅毛口河等峪口排泄外，大部分向神头泉排泄。

2.1.2 碎屑岩裂隙含水层

矿区内上石盒子组砂岩裂隙含水层风化裂隙发育，大多导水而不含水，在地势低洼处，由于沟谷切割，有风化壳水顺层涌出，泉水流量0.1-1.0m3/h。其它地段在断层裂隙发育处，富水性相对稍强。根据钻孔简易水文资料，砂岩裂隙不发育，富水性弱。水质类型为HCO3-Ca·Mg型水，矿化度0.243g/L，PH值7.4。矿区中部有出露。

矿区内下石盒子组砂岩裂隙含水层赋存稳定，受风化作用影响，风化裂隙发育，大多导水而不含水，有时可形成裂隙潜水，富水性弱。根据钻孔资料，该层富水性弱，水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg型水，矿化度0.294g/L，PH值7.3。矿区内东南部及楼子沟沟谷两侧有出露。

山西组砂岩裂隙含水层主要以粗砂岩为主，局部为中细砂岩，多数胶结致密，裂隙不发育，局部地段裂隙发育，所含地下水大多为裂隙承压水。根据钻孔资料，该层富水性弱，水化学类型为HCO3·SO4-Na·Ca·Mg、HCO3·SO4-Na型，矿化度0.7-0.93g/L，PH值7.89-8.10。矿区内东南部及楼子沟沟谷两侧有出露。

太原组砂岩裂隙含水层所含地下水大多为裂隙承压，裂隙不发育。钻孔试验资料表明，该层富水性弱-极弱。矿区内东南部有出露。

2.1.3 松散层孔隙含水层

第四系全新统冲积层分布于矿区内较大沟谷中，岩性多为砂土、砂砾石层，厚度0-10m，含孔隙潜水，是当地村民的主要供水水源，水井流量小于5m3/d，富水性弱，水化学类型为HCO3-Ca·Mg型水，矿化度0.426g/L，PH值7.4。

该含水层分布于地表浅部，直接接受大气降水及地表水体的补给，径流条件受地形限制，地面坡降越大，径流条件越好，除少量下渗补给下部含水层外，大部分被蒸发。

2.1.4 断层富水性

矿区内发育断层主要有3条，编号分别为F1、F2、F3，均为正断层，断层走向均为北西向，F1倾向SW，F2、F3倾向NE，断层落差10-30m，均为压扭性断层，其导水性、含水性较差。根据ZK1号孔资料，其含水层主要为F1断裂破碎带，含水层总厚度39.51m，抽水试验降深111.50m，涌水量Q=0.95L/s，单位涌水量0.0085 L/s·m，富水性较弱。但地层断裂错动后缩小了奥陶系灰岩与8、9号煤层之间的距离，加大了奥灰水对煤层开采的影响。因此在奥灰带压区开采掘进至断层附近时，要采取防治奥灰水突入矿井的安全措施。

2.2 矿区主要隔水层

2.2.1 石炭系、二叠系层间隔水层

主要由具塑性的泥岩、砂质泥岩组成，呈层状相间分布于各含水层之间，这些软硬相间的岩层组成的隔水层具有较好的隔水性能，可视为层间相对隔水层。

2.2.2 石炭系中统本溪组隔水层

矿区东南部偶有出露，主要由具塑性的灰黑色泥岩、砂质泥岩、高岭岩及杂色铝土岩组成，厚度25.00-43.00m，平均32.00m，裂隙不发育，分布稳定，区域上阻断了上下含水层之间的水力联系，具有较好的隔水性能。

3 矿井充水因素分析

3.1 充水水源

3.1.1 大气降水对矿井充水的影响

本区属中温带干旱大陆性气候，年降雨量295-449.1mm，平均370.3mm，降雨多集中在6-9月份，约为全年降雨量的65-86%。矿区东南部有煤层露头，靠近露头部位煤层埋藏相对较浅，大气降水可通过煤层露头、松散沉积物孔隙、基岩裂隙下渗，进入井下采掘工作面，或者通过采空区地表塌陷、裂缝直接进入井下，对开采造成一定的影响。

3.1.2 地表水体对矿井充水的影响

矿区内较大的河谷为西南部的楼子沟，平时多为涓涓细流，雨季有洪水通过。矿区东北部矾水湾河平时干涸无水，雨季形成短暂洪流，对煤层开采有一定影响。

兼并重组整合后矿井工业场地及主要井口附近均高于当地最高洪水位标高。因此，工业场地及主要井口均不受洪水威胁。

3.1.3 含水层对矿井充水的影响

矿井主采5、8、9号煤层，受采掘破坏或影响的含水层主要为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组碎屑岩类裂隙含水层，据钻孔抽水试验，山西组和太原组碎屑岩类裂隙含水层对5、8、9号煤层开采影响不大。

中奥陶统石灰岩是煤系下伏主要含水层。矿区内奥灰水富水性普遍较弱。

3.1.4 采空（老窑）积水对矿井充水的影响

矿区内2号煤层已全部采空，4号煤层矿区西部已全部采空，东部大多遭受岩浆岩侵蚀变质。5号煤层矿区内西南部分采空，东部大部分采空。8号煤层矿区内西南部分采空，东部大部分采空。矿区内2、4、5、8号煤层采空区积水量总计约31.48万m3。由于各可采煤层的导水裂隙带均会进入上邻近层，导致导水裂隙带自上而下相互贯通，因此上部煤层采空区积水对下部煤层开采危害较大。

尚未开拓的5、8号煤层轨道下山、运输下山、回风下山位于矿区中部，相对位置较低，东部为5、8号煤层采空区，采空区积水对其有一定影响。

矿区周边分布有三个生产矿井及一个关闭的矿井，2、4、5、8号煤层均形成多处采空区。周边矿井2、4、5、8号煤层采空区积水量总计约20.39万m3，对本矿区煤层开采有很大影响。

3.2 充水通道

根据矿区水文地质条件，矿井可能的充水通道主要包括煤層露头、构造断裂带、顶板裂隙及煤层采动后形成的导水裂隙带、地面塌陷、裂缝、封闭不良的钻孔、关闭报废的井筒等。

矿区东南部有煤层露头，靠近露头部位煤层埋藏相对较浅，大气降水可通过煤层露头、松散沉积物孔隙、基岩裂隙下渗，进入井下采掘工作面，或者通过采空区地表塌陷、裂缝直接进入井下。

矿区内发育3条正断层，分别为F1、F2、F3正断层，其中以F1正断层规模最大，矿区内延伸长度1100m，落差30m。断层对矿井充水的影响是复杂多样的，除了作为地下水良好的导水通道外，断层还使隔水层厚度减小，承压水的原始导升，以及断层破碎带导致底板隔水层段强度降低等。

3.3 矿井充水强度

矿井主采5、8、9号煤层，受采掘破坏或影响的含水层主要为二叠系下统山西组及石炭系上统太原组碎屑岩类裂隙含水层，混合抽水试验单位涌水量0.00067-0.0015L/s·m，渗透系数0.00062-0.0015m/d，富水性极弱。矿井涌水量和富水系数反映了矿井的充水程度。原嘉美盛煤业有限公司生产能力45万t/a，开采8号煤层矿井涌水量为5-10m3/d，富水系数Kp=0.004～0.007m3/t；原兴何煤业有限公司生产能力30万t/a，开采5号煤层矿井涌水量为80m3/d，富水系数Kp=0.088m3/t。可见，本矿属充水弱的矿井。

4 矿井涌水量计算

根据该矿提供的基建期间矿井水文地质资料，掘进过程中共发现并观测出水点2处，分别位于运输下山110m处及轨道下山160m处，均为断层淋水，观测涌水量为0.8m3/h。目前矿井涌水量为19.2m3/d。结合矿井水文地质条件分析，矿井涌水构成包括大气降水的入渗、顶板含水层裂隙渗水、探放的采（古）空积水及部分井下洒水防尘的生产用水等。其中主要的是来自顶板含水层的裂隙渗水及采空（老窑）积水。受季节性影响，矿井涌水量具动态变化特征。

由于大同市焦煤矿有限责任公司一矿开采技术条件及采煤方法等更接近于本矿井，因此本次矿井涌水量预算采用大同市焦煤矿有限责任公司一矿的矿井涌水量资料较为合适。根据富水系数法计算公式

Q=Kp·A

式中Q-矿井预算涌水量（m3/d）；

Kp-富水系数（m3/ t）；

A-矿井生产能力（t/d）。

兼并重组整合后矿井生产能力达90万t/a时，矿井正常涌水量为429m3/d，最大涌水量为1200m3/d。

5 矿井水文地质类型

矿区内2号煤层已全部采空，4号煤层矿区西部已全部采空，东部大多遭受岩浆岩侵蚀变质，可采煤层为5、8、9号煤层，根据《煤矿防治水规定》的划分依据和原则进行水文地质类型划分。按受采掘破坏或影响的含水层及水体、矿井涌水量、突水量分析，5、8、9号煤层属简单水文地质划分为简单类型；按矿井及周边老空水分布状况、开采受水害影响程度以及防治水难易程度分析，5、8、9号煤层属简单水文地质划分为中等类型。综合以上分析，按照煤矿防治水规定就高不就低的原则，确定本矿区5、8、9号煤层矿井水文地质类型均为中等。

6 结语

根据含水介质，井田含水层可划分为碳酸盐岩岩溶裂隙含水层组、碎屑岩裂隙含水层组和松散层孔隙含水层组。其中碳酸盐岩岩溶裂隙含水层井田内发育较全，所含地下水均为岩溶承压水。抽水试验单位涌水量0.0085-0.0255L/s·m，富水性较弱，水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3·SO4-Na型；碎屑岩裂隙含水层：上石盒子组砂岩裂隙含水层风化裂隙发育，大多导水而不含水。下石盒子组砂岩裂隙含水层赋存稳定，大多导水而不含水，富水性弱。山西组及太原组砂岩裂隙含水层富水性弱，抽水试验单位涌水量0.00067 -0.0015L/s·m；松散层孔隙含水层分布于井田内较大沟谷中，水井流量小于5m3/d，富水性弱，水化学类型为HCO3-Ca·Mg型水。井田主要隔水层为石炭系、二叠系层间隔水层和石炭系中统本溪组隔水层。本矿区5、8、9号煤层矿井水文地质类型均为中。本矿带压开采条件为中等。

参考文献

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