鹰骏一号矿井井筒软岩类地层水文地质条件分析

杨 明，申张梅

(陕西省煤田地质局一八五队，陕西 榆林 719000)

0 引言

鹰骏一号矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市上海庙矿区北部。行政区划属于鄂尔多斯市鄂托克前旗上海庙镇管辖，矿井南以内蒙古自治区区界为界、北以敖银公路为界、西与榆树井井田相邻、东以侏罗系延安组二煤层1 200 m垂深为界。南北长7.4～9.6 km，东西宽3.2～11.5 km，面积93.89 km2，地质资源量209 487 Mt。矿井采用立井开拓方式，设计生产能力6.00 Mt/a。

鹰骏一号矿井工业场地选择在井田北部，井筒位置处于沙漠滩地带，地形相对较平缓，标高在1 339～1 341 m之间。为了便于井筒施工图设计和施工组织设计，必须搞清楚井筒水文地质条件。

1 含(隔)水层水文地质特征

1.1 含水层

根据地下水的赋存条件、水力特征及含水层的纵向分布结构，本次工作将井筒场地含水层由上至下划分为6层[1]。第1层为第四系松散层孔隙潜水含水层(Ⅰ)；第2层为古近系渐新统清水营组底部砾岩孔隙、裂隙承压含水层(Ⅱ)；第3层为白垩系志丹群碎屑岩孔隙、裂隙承压水含水层(Ⅲ)；第4层为侏罗系中统直罗组碎屑岩孔隙裂隙承压水含水层(Ⅳ)；第5层为侏罗系延安组砂岩孔隙裂隙承压水含水层(Ⅴ)；第6层为三叠系砂岩孔隙裂隙承压水含水层(Ⅵ)。

第四系松散层孔隙潜水含水层:基本全区分布，钻探揭露第四系松散层厚度36.46 m，其中上部以细砂为主，中下部以粉土、粉砂、细砂及其互层为主；细砂、粉砂主要成分为石英、长石，粉土干强度低、韧性低，含钙质结核，具小孔隙结构。通过检查孔西侧100 m处对民井抽水试验(第四系松散层潜水井)，潜水位埋深7.02 m，含水层厚度22.98 m，水位降深为9.15 m时，涌水量4.883 L/s，单位涌水量0.533 7 L/(s·m)，渗透系数为2.617 7 m/d，统降统径单位涌水量为0.118 6 L/(s·m)，属中等富水性。水化学类型为SO4·Cl-Na·Mg型，pH值为7.87，矿化度1 633.7 mg/L，总硬度590.5 mg/L，以永久硬度为主。因该含水层埋藏浅接受降水补给条件良好，在砂层较厚区可形成富水性强含水层，潜水位随降水动态变化明显。该层地下水是区内农牧民主要饮用水源和当地农田灌溉取水水源，含水层粒度虽多为细砂、粉砂，但结构松散含水量较大，岩层裸露扰动易溜塑。

古近系渐新统清水营组底部砾岩裂隙孔隙承压含水岩组:全区分布，古近系地层在本区地表未出露，据检查孔钻探成果，厚度47.29 m，上、中部以粘土、粉砂为主，下部为含砾粘土和砾岩，含砾粘土胶结松散、充填细砂、透水性较差。砾岩层成分主要以石英、长石、石灰石等组成，次棱角状-次圆状，砾径一般30～60 mm，最大直径150 mm，形状卵、碎石状，钻进易破碎，该层孔隙、裂隙较发育，透水性好。通过检查孔对该层抽水试验，水层水位埋深8.60 m，含水层厚度4.90 m，当水位降深57.12 m时涌水量为0.680 L/s，单位涌水量为0.011 90 L/(s·m)(统降统径单位涌水量0.005 7 L/(s·m))，渗透系数为0.268 4 m/d，富水性弱。水质分析结果显示，pH为7.92，水化学类型为SO4-Na·Ca型，矿化度1 460.3 mg/L，总硬度523.0 mg/L。

白垩系志丹群碎屑岩裂隙孔隙承压含水层组:全区分布，据检查孔钻探成果，厚度241.09 m，其中底部砾岩厚度49.11 m。该岩组主要包括白垩系上、中部粗、细粒砂岩层、砂质泥岩及少数砾岩薄层，下部巨厚砾岩层。砾岩层主要分布于该组下部，空隙充填砂、泥质，扰动易软化破碎，砾岩成分主要由石英、长石、灰岩等组成，次凌角—次圆状，砾径20～60 mm，胶结疏、密不均，易破碎，局部岩芯完整性较好呈柱状。

通过检查孔对该层抽水试验，水位埋深9.33 m，含水层厚度152.42 m，当水位降深56.10 m时，涌水量为1.142 L/s，单位涌水量为0.020 36 L/(s·m)，统降统径单位涌水量0.013 9 L/(s·m)，渗透系数为0.012 6 m/d，富水性弱。水质分析结果显示，pH为8.07，水化学类型为SO4·Cl-Na型，矿化度1 745.8 mg/L，总硬度365.3 mg/L。根据测井资料解释，本孔白垩系含水层厚度156.3 m。泥岩、粉砂岩、砂质泥岩等起隔水作用的岩层间隔分布于砂岩之中，使砂岩分布相对较薄，主要在顶部的砂岩较厚，底部的砾岩层较厚，为主要涌水的段落。

侏罗系中统直罗组碎屑岩孔隙裂隙承压水含水层:全区分布，据检查孔钻探成果，厚度149.10 m。岩性主要为灰绿、蓝灰、灰褐色夹紫斑的粗、中、细粒砂岩和粉砂岩、泥岩，接触式胶结为主，胶结程度较低，砂岩分选性差。通过检查孔对该层抽水试验，水位埋深57.47～62.20 m，含水层厚度99.59～129.93 m，当水位降深18.50～20.43 m时，涌水量2.473～2.798 L/s，单位涌水量0.121～0.151 2 L/s·m，统降统径单位涌水量0.082 8～0.103 5 L/(s·m)，渗透系数0.109 1～0.116 1 m/d，富水性弱-中等。水质分析结果显示，水化学类型为SO4·CI-Na型，矿化度6 547.9～6 714.9 mg/L，总硬度870.8 mg/L。根据钻探揭露及岩性鉴定，该地层岩性以细、中、粗粒砂岩为主，而起隔水作用的粉砂岩、泥岩、砂质泥岩沉积厚度均较薄，且地层中沉积有4～5层较厚的中、粗粒砂岩，部分裂隙较为发育，各孔含水层厚度占地层厚度为69.0%～78.2%。该地层岩性有利于地下水的富集及运移，抽水试验表明该地层富水性弱-中等。

侏罗系中统延安组砂岩孔隙裂隙承压水含水层:全区分布，据检查孔钻探成果，厚度153.78 m。本含水层组由浅湖-三角洲相组成，岩性为灰、浅灰、灰黑色粉砂岩、中、细粒砂岩，少量粗粒砂岩及泥岩组成。岩芯易断裂破碎，滑面发育，裂隙细小不均。通过检查孔对该层抽水试验，含水层静止水位埋深为61.99 m，含水层厚度为84.83 m，当水位降深37.21 m时，涌水量为1.961 L/s，单位涌水量为0.052 7 L/(s·m)，统降统径单位涌水量为0.036 1 L/(s·m)，渗透系数为0.061 7 m/d，富水性弱。水质分析结果显示，水化学类型为SO4·CI-Na型，矿化度6 538.0 mg/L，总硬度813.7 mg/L。

三叠系砂岩孔隙裂隙承压水含水层:全区分布，据检查孔钻探成果，揭露本组地层厚度206.92 m。岩性为黄绿、灰绿色砂岩，夹灰、深灰色粉砂岩、杂色泥岩及薄层含铝土质泥岩。通过检查孔对该层抽水试验，含水层厚度129.19 m，当水位降深56.03 m时，涌水量1.638 L/s，单位涌水量0.029 2 L/(s·m)，统降统径单位涌水量0.020 0 L/(s·m)，渗透系数为0.022 2 m/d，富水性弱。水质分析结果显示，水化学类型为SO4·Cl-Na型，矿化度4 992.7 mg/L，总硬度480.4 mg/L。

1.2 隔水层

井筒位置的隔水层，主要为古近系粘土，直罗组、延安组、三叠系泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，是上下含水层之间较好的隔水层。

古近系粘土隔水层:本孔古近系沉积有厚度39.42 m的粘土，红色-砖红色，无摇震反应，韧性高，干强度高，可塑。此岩组厚度大，岩性变化小，分布稳定是第四系松散层孔隙潜水与基岩孔隙裂隙承压水之间良好的隔水层。

正常基岩泥岩、砂质泥岩、粉砂岩隔水层：各地层中粉砂岩、砂质泥岩、泥岩等频繁相间于砂岩中，其岩性较为细腻致密，节理裂隙密闭，透水性极差，由剖面图可见隔水层与砂岩含水层基本平行相间展布，但薄层隔水岩组连续性差，有缺失段，而巨厚层状隔水岩组展布较稳定，为上、下相邻含水层的良好隔水层。

2 地下水补给径流排泄条件和充水因素

2.1 地下水补给、径流、排泄条件

松散岩类孔隙潜水补给、径流与排泄条件:区内地势开阔，地形平缓，汇水条件较好，地表又有砂层覆盖，有利于大气降水向第四系含水层入渗补给。松散层潜水主要接受大气降水的补给，次为少量凝结水补给。地下水径流方向由高至低与现代地形基本吻合，即由地势较高处向低处流动，其径流条件较为简单，局部受地层结构的影响流向有所改变。潜水多以渗流及潜流形式径流排泄于沟谷或地形低洼地区(总趋势由东向西径流)，通过蒸发作用排泄，部分垂向渗透补给下伏基岩含水层，此外，人工打井取水也是排泄方式之一。

碎屑岩类孔隙裂隙水补给、径流及排泄条件:碎屑岩类孔隙、裂隙承压含水层主要通过基岩裸露区及剥蚀区风化裂隙带间接得到上覆孔隙含水层的渗透补给。另外含水层之间越流补给及经断层破碎带补给也是其主要补给来源。含水层深部由于水的交替能力差，径流极为缓慢，甚至几乎不流动，因而地下水矿化度较高，水量小，富水性弱，局部地段富水性中等。碎屑岩类孔隙裂隙承压水的排泄条件较为复杂，承压水的径流方向多沿隔水层面倾向径流，主要排泄于井田外。

2.2 充水因素

充水水源：根据井筒所穿透的各含水层富水性，其主要充水层位为第四系孔隙潜水、白垩系砂、砾岩段含水层，其次为直罗组含水层[2]。其它含水层虽有较高的水头压力，但充水以细小节理、层间隐蔽裂隙为主，水源补给条件差，透水性差，充水量及强度很小。井筒揭露的泥岩、砂质泥岩易风化，在节理、裂隙发育处充水量会略有增大。

充水途径及方式：井筒的主要充水途径为地下水顺井筒围岩渗流和射流。岩层中发育的裂隙、节理裂隙和粗颗粒岩层的孔隙，是围岩涌水的主要通道[3]。各充水层以水平透水、垂直涌水为主要特征，随着井筒的垂直向下延伸，水位(水头)压力不断增大，井筒围岩渗水面压力增大，引起软岩段充水通道松弛，导水裂隙易张裂掉块，发生充水相对集中状况。

充水强度：松散层受降水入渗补给面积广，渗透性强，充水强度大；直罗组、延安组、三叠系裂隙承压水水源补给条件差，透水性差，充水量及强度较小；在井筒掘进的过程中，以井筒为通道会沟通各个含水层，而井筒的充水通道又为各含水层内在的节理和裂隙，其裂隙的发育情况则是井筒充水强度的主要因素之一。

3 结语

通过对上述各含水层特征分析，第四系松散层潜水(Ⅰ)与直罗组承压水(Ⅳ)属富水性中等。(Ⅰ)含水层岩性结构疏松，分布面积广，接受降水补给条件优越，地下水丰富，井筒开凿易发生井壁坍塌、涌砂、强涌水等地质灾害；(Ⅳ)含水层厚度大，岩石软弱(类似泥化)，孔隙发育，透水性强，地下水侧向补给条件充分且水源丰富，井筒开凿此段易发生井壁臌帮、缩径张裂、坍塌、强涌水灾害。其它(Ⅱ)、(Ⅲ)、(Ⅴ)、(Ⅵ)含水层富水性弱，对井筒开凿将产生的涌水量主要以揭露含水层厚度而变化，延安组含水层(Ⅴ)厚度大、水压高，其形成的水量较大。白垩系志丹群强风化层，岩石软弱，局部透水性较好，不利于井筒施工的因素主要为坍塌、岩石泥化。类似本区井筒水文地质、工程地质条件的开凿技术防治措施一般有含水层疏降水法、注浆法，冻结法等，为加强井筒旋切护壁强度采用较高标准的钢筋混凝土护壁结构。从井筒施工效率、安全生产角度考虑本区井筒开凿宜采用冻结法技术措施，防治围岩的不稳定性和强涌水灾害。冻结深度应在延安组底界以下岩石自然强度较好位置。