山西省河东煤田蒲县裕源煤矿水文地质特征分析

石 峰

（山西省第三水文地质工程地质队，山西晋中030620）

矿区水文地质工作是矿产勘查中的一个重要组成部分，对矿区水文地质特征的掌握程度不仅影响矿区的评价及矿床的合理开发利用和规划，而且还影响到矿床开采利用过程中可能发生的地质灾害及其应对措施和矿山地质环境恢复治理方案的制订和实施，因此我们必须根据矿区的具体情况，采用科学的技术手段和方法对矿区的水文地质特征进行分析，更好地为矿区服务。

1 概况

山西省裕源煤矿位于蒲县城170°方位，直距约21km处的刁口村以东一带，行政区划隶属蒲城镇管辖。

井田为中低山区，出露地层为三叠系刘家沟组和二叠系石千峰组与上石盒子组，局部山梁被第四系上更新统黄土所覆盖，区内山高沟深，沟壑纵横，地形最高点在矿区中部越上村南山梁上，海拔标高1521.5m，最低点在矿区北部西湾村东南川河河谷中，海拔标高1225.0m，高差296.5m，区内构造简单为一倾向北西的单斜构造，倾角一般5°～8°。

南川河是区内唯一的一条河流，南自豹子梁南耀村流经刁口至蒲县汇入昕水河，区内泉水出露较多，全部汇入南川河形成常年水流，但流量很小，只在洪水期才能形成较大的洪流。

2 井田水文地质

2.1 主要含水层

2.1.1 奥陶系岩溶水含水层

奥陶系地层在区内为深埋区，根据钻孔揭露推断勘查范围内奥陶系灰岩顶板埋藏深度在680～825m之间，且越往北埋藏深度越大。根据水文孔资料，揭露奥陶系灰岩139.81m，进入上马家沟组101.26m，根据测井资料，奥灰岩中有10层含水层，总厚8.95m，但由于水位埋藏太深，未做抽水试验，只观测了水位，奥灰水水位埋深520m，水位标高795.22m，高出10#煤底标高105.22～345.22m，10#煤为带压开采煤层，存在岩溶水突水的危险性。

2.1.2 太原组灰岩和砂岩裂隙含水层

本组地层在区内没有出露，根据钻孔揭露，矿区范围内该组地层埋藏深度在590～750m之间，含水层主要是灰岩裂隙和中细砂岩裂隙，据钻孔资料，太原组灰岩共有4～5层，平均厚度24.47m。根据ZK6号文孔资料，钻孔打至K2、K3、K4灰岩地层时，泥浆漏失量增大，证明该组含水层裂隙较发育，有一定的含水空间，但本组含水层补给径流条件差，据抽水资料，钻孔单位涌水量为0.147L/（s·m），属中等富水含水层，但该含水层岩溶裂隙发育不均匀，富水性差异较大。

2.1.3 山西组砂岩裂隙含水层

本组地层也属埋藏型，埋藏深度540～694m，该组含水层以中细粒砂岩裂隙为主，根据钻孔揭露砂岩厚度最大16.31m，砂岩厚度最薄为3.80m，平均厚10.05m，根据简易水文地质观测资料分析，钻进该含水层时，冲洗液漏失量均不大，说明该含水层富水性弱。

2.1.4 二叠系上、下石盒子组砂岩裂隙含水层

二叠系上、下石盒子组地层在矿区范围内也属于埋藏型，含水层以紫灰、紫、灰色中粗粒砂岩为主，局部含砾，成份以石英、长石为主，云母次之。泥质胶结，次圆状，分选差。含水层单层厚度不一，小则几十厘米，多至几十米，砂岩含水层间夹有泥岩、砂质泥岩相隔，形成多层状层间水，含水层厚几十米至上百米，含水空间以裂隙为主。裂隙发育情况，愈近地表，风化裂隙发育越明显，愈深发育程度越差，根据简易水文地质观测资料，钻孔在穿越盖层时均有涌水现象，属中等富水含水层。根据水文地质调查，民用单井出水量30m3/d，单泉流量0.1L/s，水质类型为HCO3-Ca型，矿化度均小于0.5g/L。

2.1.5 二叠系石千峰组砂岩裂隙含水层和三叠系刘家沟组砂岩裂隙含水层

该2组地层在区内普遍出露，含水层以浅灰色、浅肉红色中细粒砂岩为主。该2组含水层由于接近地表，风化裂隙发育，厚度较大，富水性与二叠系石盒子组相差不大，但在侵蚀基准面以上时，多以下降泉的形式出露。

2.1.6 第四系上更新统和全新统孔隙含水层

上更新统黄土都沉积在南川河两侧的梁峁之上，厚度一般2～5m，最大不超过10m，垂直裂隙发育，由于地形较高，切割严重具良好的储水空间，多为透水不含水岩层。

第四系全新统地层分布在南川河沟谷中，由于沉积厚度小，没有较好的储水空间，在接受大气降水和基岩裂隙水的侧向补给后，多数以泉的形式溢出地表，泉流量0.05～1.0L/s，属弱富水含水层，水质类型为HCO3-Ca型，矿化度0.25g/L。

2.2 主要隔水层

2.2.1 二叠系上、下石盒子组盖层中的泥岩隔水层

据钻孔了解，二叠系上下石盒子组地层中夹有多层泥岩、粉砂质泥岩，这些细粒柔性岩石裂隙不发育，结构致密，孔隙度小，渗透力差，可视为盖层与煤系地层间的良好隔水层。由于隔水层的存在，岩层浅埋区在风化裂隙发育的有利地段，形成上层滞水，深埋区形成多层次高水头承压水，这些均反映了盖层中存在隔水层的特点。

2.2.2 石炭系本溪组泥岩隔水层

本溪组地层为一套泥岩、粘土岩、铁铝岩为主的地层，夹薄层灰岩和细砂岩，砂岩一般为泥质胶结，隔水性能好，据ZK6号孔资料本组地层厚29.25m，加10号煤下泥岩厚9.22m，总厚38.47m。沉积连续稳定，是煤系地层与奥陶系地层之间重要的隔水层。

2.3 地下水的补给、径流、排泄条件

煤系地层太原组岩溶裂隙含水层和山西组砂岩裂隙含水层，均为深埋区，因此该含水层主要以侧向补给为主，上层越流补给极其微弱，一般都沿岩层倾斜方向向深部流动，与上层水无水力联系。

二、三叠系煤系地层砂岩裂隙水，大气降水和地表水的入渗是其主要补给来源，另外还有上部松散岩层的越流补给，接受补给后一般沿岩层倾斜方向向深部北西方向径流，侵蚀基准面上的风化带水则沿地形由高向低处排泄，往往形成泉水排出地表，居民生活用水多是该类地下水。

全新统河谷中冲积层孔隙水，补给来源主要是大气降水和河谷两侧基岩裂隙水的侧向补给，接受补给后沿河谷向下游运移或补给下伏基岩，局部形成泉水排出地表。

2.4 地表水对煤矿开采的影响

南川河是井田内唯一的河流，平时河流量很小，仅在洪水期才有大的洪流，矿区的煤层又全是深埋型，一般地表河水对开采煤矿无大的影响，值得指出的是，雨季洪水多是突发性的，洪流量又急又大，实测最高洪水位标高，在窑湾村附近为1276m，高出河床1.0m左右。因此建矿时矿井井口与储煤场一定要建在最高洪水位线之上，以防洪水袭击造成危害。

2.5 地下水动态

一般民井、泉水以及河流随季节性影响十分明显，春季3～4月冰融期与7～9月的雨季地下水水位增高，河、泉流量均有增大，而旱季则水量减小。

2.6 水文地质类型

2.6.1 山西组2号煤

该煤层是区内主采煤层，其直接充水因素是顶板砂岩裂隙含水层，由于埋深较深，含水层补给条件差，层间越流补给也极其微弱，因此该煤层的水文地质类型定为二类一型。

2.6.2 太原组10号煤

该煤层是区内最厚的一层煤，底板标高在320～690m之间，其直接充水因素是本组灰岩岩溶、裂隙和砂岩裂隙含水层，以顶板渗水为主。据水文孔资料，奥灰水水位标高为795.22m，高出10号煤底板标高105.22～475.22m，为带压开采煤层。

根据突水系数计算公式：T=P/（m-c）计算出的10号煤最低点的突水系数为0.15MPa/m，10号煤最高点的突水系数为0.07MPa/m，勘查区内10号煤层属正常块段安全区，在岩层完整，没有断层导水情况下，一般奥灰水突水的可能性很小。因此，10号煤层的水文地质类型定为三类二型。

3 充水因素分析

开采2号煤时，矿井涌水量主要是井筒中风化带的基岩裂隙水，推测风化裂隙发育带一般在150m以上，此外山西组含水层是其直接充水含水层。

开采10号煤时，矿井涌水量也以井筒中风化裂隙带为主，其次是太原组灰岩水的入渗，开采过程顶板应有一定水量渗入。虽然岩溶水高于10号煤底板，但其突水系数小于0.15MPa/m，在没有断层导水的情况下，底板突水的可能性很小。

4 矿坑涌水量的预测

4.1 井筒涌水量

本次工作对石千峰组和山西组涌水层段做了放水试验，根据放水试验资料，井筒直径为7m，采用“大井”疏干法计算了井筒涌水量，计算公式选用承压转无压公式：

式中：Q——预计井筒涌水量，m3/d；

K——渗透系数，m/d；

H——含水层以上水头高度，m；

M——含水层厚度，m；

h0——“大井”水头高度，疏干后h0=0m；

R——影响半径，以放水试验资料求得；

R0——“大井”影响半径，m，R0=R+r0；

r0——“大井”半径，m，本次以3.5m计。

计算结果见表1。

表1 井筒涌水量计算表

4.2 矿井涌水量估算

本次工作对煤层以上碎屑岩含水层及2号煤的直接充水含水层做抽水试验，观测了岩溶水水位，估算了第一水平有矿井涌水量。

根据矿区水文地质条件及钻孔揭露地层条件分析，第一水平2号煤层的直接充水含水层为2号煤顶板砂岩裂隙含水层，该含水层在ZK13号孔揭露厚度仅8.5m，施工钻进该段地层时冲洗液消耗量极其微弱，上覆地层又有多层隔水性能极好的泥岩隔水层，因此分析，开采第一水平2号煤层时，矿井涌水量属小的矿井，吨煤含水系数小于2，一般在0.1～1之间，本次以0.5作为吨煤含水系数，以60×104t为年开采量，估算其矿井涌水量最大应小于1000m3/d。

计算公式为：

式中：Q矿——矿井涌水量;

K——吨煤含水系数，本次取0.5;

t——年开采量，104t/a。

5 供水水源

区内有意义的供水水源主要有以下3个：

（1）地表水，沿南川河各支流泉水出露较多，泉流量一般5～10m3/d，南川河刁口村附近为22.19L/s。水量随季节虽有变化，但变化不大，比较稳定，水质类型为HCO3-Ca型，矿化度0.25g/L，水质较好，是人畜用水的主要水源之一。

（2）风化裂隙水，作为煤层盖层的二、三叠系砂岩，在接近地表部分风化裂隙发育，有较好的储水空间，当处于构造、地貌有利部位时，可产生自流，钻孔单位涌水量0.1168L/（s·m），水位降深50m，单井出水量可达500m3/d以上。水质较好，水质类型为HCO3-Na型，矿化度0.28g/L，可作为主要供水水源。

（3）岩溶水，根据水文孔资料，奥陶系岩溶水水位标高795.25m，水位埋深520m，成井深度1000m以上，有可能找到较好的地下水水源。

6 结论和建议

（1）区内主要煤层的水文地质类型：2号煤为二类一型，10号煤为三类二型。

（2）开采过程中要加强对构造特别是隐伏断层的发现和研究，以防断层导水造成危害。

（3）矿井开采后，应重视水文地质及工程地质资料的收集积累和研究，更好地指导矿井生产和矿区建设，造福人类。

[1]王海建，柳圣君，等.山西省河东煤田裕源煤矿普查地质报告[R].2009.

[2]GB/T 13908-2002固体矿产地质勘查规范总则[S].北京：地质出版社，2003.

[3]GB 12719-91矿区水文地质工程地质勘探规范[S].北京：地质出版社，1991.

[4]GB/T14158-93区域水文地质工程地质环境地质综合勘查规范[S].北京：国家技术监督局，1993.

[5]《水文地质手册》编写组.水文地质手册[M].2版.北京：地质出版社.

[6]《工程地质手册》编委会.工程地质手册[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2007.