黄陵矿区主要含水层特征对煤矿采掘的影响

王 瑶

(陕西省一九四煤田地质有限公司，陕西 铜川 727000)

0 引言

准确认识矿井水文地质特征对预防矿井水害事故至关重要[1-3]。开展含水层岩性组成、厚度分布、单位涌水量富水性分区等研究，便于掌握含水层对矿井采掘的影响。前人针对不同矿区含水层特征的研究，已有大量的论述。邢延团[4]以亭南煤矿为例，在分析该区水文地质特征的基础上，提出了基于关键位置的导高判别方法，并应用于该矿区的顶板水防治实践中。王生全等[5]、张冬冬[6]、王英等[7]、朱冠宇等[8]、穆鹏飞[9]分别针对不同矿区情况，开展了煤矿水文地质特征、矿井充水因素分析、涌水规律、地下水赋存规律等方面的研究工作，为指导矿区煤矿防治水工作提供基础依据，充分证明矿区含水层特征对煤矿安全生产工作的重要性。基于此，文章以国家规划的14个重要煤炭基地之一的黄陇煤田[10-12]为例，分析矿区不同主要含水层特征，并评价各含水层的富水性，为黄陵矿区主要煤层开采受顶板水害威胁的防治提供依据。

1 矿区水文地质概况

黄陵矿区位于黄陇煤田北部，北起葫芦河，南至建庄，东起店头镇、张村驿以东，西至陕、甘交界，行政区划属延安市黄陵、富县管辖，地理坐标为东经108°42′34″～109°07′58″，北纬35°30′30″～35°50′36″。矿区东西长约36.6 km，南北宽约42.2 km，总面积约1 188.64 km2，含煤面积约1 065.02 km2。黄陵矿区范围面积较大，区内煤矿较多，均开采2#煤层，据矿区众多矿井近年来的生产经验及矿区地质资料[13-17]，影响煤矿采掘活动的主要含水层有第四系全新统冲洪积层孔隙潜水含水层(Q4al)、第四系中、上更新统黄土孔隙裂隙潜水含水层(Q2l+Q3m)、白垩系下统华池组裂隙含水层(K1h)、白垩系下统洛河组砂岩孔隙裂隙含水层(K1l)、侏罗系中统安定组泥灰岩裂隙含水层(J2a)、侏罗系中统直罗组下段砂岩裂隙含水层(J2z)、侏罗系中统延安组砂岩裂隙含水层(J2y)和三叠系上统瓦窑堡组砂岩裂隙含水层(T3w)。

2 弱富水性岩层特征及对煤矿采掘的影响

2.1 第四系中、上更新统黄土孔隙裂隙潜水含水层

该层(Q2l+Q3m)主要分布于矿区山梁，厚度为0～204 m，平均50 m，岩性由灰黄色、棕黄色砂土、砂质黏土组成，中下部含钙质结核层，夹数层棕红色砂质黏土、黏土层与古土壤层，垂直裂隙发育，立壁性能好，地表形成许多黄土梁、峁、悬谷等地貌景观。根据黄陵二号煤矿上16号钻孔抽水试验成果，该层单位涌水量0.027 L/(s·m)。属富水性弱的含水层。该含水层分布范围较大，地层较厚，但实际的含水层段仅为该层底界的河流石和碎屑岩，加之黄陵矿区2#煤层埋藏深度较大，所以该含水层对煤矿开采影响甚微。

2.2 白垩系下统华池组裂隙含水层(K1h)

该层主要分布于黄陵矿区的中西部，西部沟谷中普遍出露。岩性上部以粉砂岩为主，夹泥岩与砂质泥岩薄层；下部以细粒砂岩为主，夹泥岩、粉砂岩。砂岩泥质胶结、质脆。该层细粒砂岩裂隙发育，但很少切穿泥岩，部分裂隙被方解石充填。厚0～345 m，平均152 m。岩层自上而下风化程度逐渐减弱，顶部疏松破碎，孔隙度大，含水率增高，容易形成风化裂隙，常被沟谷切割至底界以下。根据黄陵二号煤矿上4号钻孔抽水试验资料显示，该层单位涌水量0.024 L/(s·m)，富水性弱。该层厚度较大，但距离2#煤层较远，根据矿区煤矿生产实际，2#煤层采后导水裂隙带均未到达该层，故该含水层对煤矿开采影响甚微。

2.3 侏罗系中统安定组泥灰岩裂隙含水层(J2a)

该层主要分布于黄陵矿区的中西部，矿区东部的沟谷中有出露，厚0～54 m，平均25 m，岩性上部为暗紫色、紫灰色、灰黄色泥灰岩，夹淡红色白云质泥灰岩及粉砂岩与泥岩薄层，下部为紫灰色、褐黄色及黑色泥岩，局部夹石膏薄层，近水平层理，泥岩易风化成鳞片状。黄陵矿区在以往勘查时均认为该层基本不含水，但由于该层裂隙发育较好，受到上部洛河组含水层的补给作用较大。黄陵一号煤矿生产勘探SK23号孔对洛河组、洛河组与安定组分别进行了抽水试验，对洛河组单层抽水时，钻孔涌水量为0.116 98 L/(s·m)；在与安定组混合抽水时，钻孔涌水量为0.100 406 L/(s·m)，较为接近，由此认为安定组地层基本不含水，富水性弱，对煤矿开采影响甚微。

2.4 侏罗系中统直罗组下段砂岩裂隙含水层

直罗组下段(J2z1)主要分布在黄陵矿区的中西部，地表出露在矿区北部的直罗镇、黄陵一号煤矿南部及红石岩煤矿的东部，厚度0～120 m，平均80 m。岩性以灰白色中、粗粒长石石英砂岩为主，底部含砾石，俗称“直罗砂岩”，粒度自上而下逐渐变粗。砂岩分选性差，次棱角状，孔隙-基底式泥质胶结，在钻孔中该层岩芯上常见到白色盐霜。根据黄陵矿区17个钻孔抽水试验成果，该层单位涌水量为0.007～0.183 8 L/(s·m)，见表1。除L32号钻孔显示中等富水性外，其余均为弱富水性，总体认为直罗组下段砂岩属弱含水层。由于该层位于含煤地层的上部，矿区导水裂隙带发育高度在部分地段波及到该层，成为含煤地层延安组的补给来源，对煤矿采掘有一定的影响。

表1 直罗组下段砂岩裂隙含水层单位涌水量 单位：L/(s·m)

2.5 侏罗系中统延安组砂岩裂隙含水层(J2y)

延安组为本区含煤地层，厚度0～188 m，平均厚度120 m。矿区中东部有出露，岩性以深灰色、灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩为主，夹细粒砂岩薄层，由南向北厚度渐增。岩性由灰黑色泥岩、粉砂岩、灰白色中粒砂岩、粗粒砂岩、煤层、炭质泥岩组成。主要含水层为煤层顶板以上中粗粒砂岩。根据矿区14个钻孔抽水试验成果，该含水层单位涌水量为0～0.001 8 L/(s·m)，见表2，由此可知，延安组砂岩裂隙含水层富水性弱。延安组含水层为区内2#煤层的含煤地层，煤层在采掘过程中2#煤层顶板基本以少量淋水为主，矿井在该层位未发生过较大涌水事故，故对煤矿采掘影响较小。

表2 延安组砂岩裂隙含水层单位涌水量 单位：L/(s·m)

2.6 三叠系上统瓦窑堡组砂岩裂隙含水层(T3w)

区内无出露，厚度不详。岩性由灰绿色、灰色细粒砂岩、粉砂岩、泥岩组成。根据黄陵矿区店9号抽水试验成果知，该层单位涌水量为0.035 L/(s·m)，富水性弱。根据黄陵矿区生产资料，2#煤层底板基本未见涌水现象，故该含水层对煤矿采掘影响较小。

3 中等富水性岩层特征对煤矿采掘的影响

白垩系下统洛河组砂岩孔隙裂隙含水层(K1l)为黄陵矿区中等富水性岩层。

3.1 洛河组砂岩孔隙裂隙含水层分布范围

该层主要出露于黄陵矿区沟谷中，总体分布于矿区的中西部，在芦村二号煤矿、黄陵一号煤矿、黄陵二号煤矿、红石岩煤矿、南川一号煤矿、建北煤矿以东地层剥蚀，剥蚀边界呈现出花边状，如图1所示。地层厚度0～348 m，平均层厚170 m，东部较薄，西部较厚。岩性以棕红色、紫红色巨厚层状长石石英中粒砂岩为主，夹泥岩、粉砂岩薄层。分选性好，次棱角状，接触式泥钙质胶结，松散，发育大型板状、楔状交错层理，风化后呈粉、细砂。该层受鄂尔多斯盆地沉积环境影响，呈现出倾向北西的单斜构造，洛河组底界标高750～1 100 m。

图1 洛河组地层富水性分区示意图

3.2 洛河组砂岩孔隙裂隙含水层富水性分区

根据黄陵矿区14个钻孔洛河组抽水试验成果，该地层单位涌水量0.001～0.38 L/(s·m)，见表3，富水性属弱-中等。根据单位涌水量分区可知，弱富水性性区域位于矿区东部，即洛河组剥蚀边界以西，钻孔单位涌水量较小，为0.001～0.04 L/(s·m)。中等富水性区域位于矿区的中西部，钻孔单位涌水量为0.12～0.38 L/(s·m)，中等富水性区域分布于党家河煤矿、芦村二号煤矿、黄陵二号煤矿、建北煤矿和建新煤矿的西部，富水性分区如图1所示。

表3 洛河组砂岩孔隙裂隙含水层单位涌水量 单位：L/(s·m)

3.3 洛河组地层地下水补给排条件

黄陵矿区洛河组含水层厚度较大，分布范围较广，矿区煤矿防治地下水工作的重点是对洛河组含水层水的防治。受地层沉积影响，矿区洛河组的主要补给来源是大气降水和地表水，本区大气降水主要集中在每年的7、8、9月份，由于洛河组地层出露在沟谷之间，大气降水对洛河组的补给有限，雨水大多顺沟谷排泄至河流。而大气降水对洛河组上部地层的补给作用相对较好，特别是对第四系的补给作用相对较大，而第四系与洛河组之间接触的区域，洛河组接收间接补给。矿井涌水量在黄陵矿区相对增大的时间多集中在雨季，且有着一定的滞后性。受矿区总体倾向北西的构造影响，洛河组地下水的径流方向主要沿地层倾斜方向由高处流向低处，即由东流向西，主要表现在矿区西部洛河组受切割影响出露的地段，地下水以泉的形式涌出地表，呈现出承压性。

3.4 洛河组含水层对煤矿采掘的影响

由于黄陵矿区洛河组含水层厚度较大，在煤矿中西部富水性中等，根据矿区煤矿生产资料，煤层采掘后导水裂隙带在局部导通了洛河组含水层，洛河组在局部成为煤矿的直接充水含水层，在导水裂隙带导通洛河组含水层的区域，煤矿井下涌水量会相对增大，且涌水量相对稳定，持续时间较长。但由于该地层单位涌水量在中等的区间范围内还相对较小，故该含水层对煤矿采掘影响不会特别大。但是在矿区的深部，推测该层涌水量会迅速增大，正在建设的富县芦村一号煤矿风井井筒施工受到水害影响较大，对井筒的掘进造成极大的困难。综合以上，黄陵矿区洛河组含水层对煤矿的采掘有一定的影响，在矿区东部影响较小，矿区中西部影响较大，煤矿采掘需高度重视。

4 强富水性岩层特征对煤矿采掘的影响

黄陵矿区强富水性岩层仅为第四系全新统冲洪积层孔隙潜水含水层(Q4al)，主要分布于葫芦河、沮河、南川河等一级阶地与河床地带，由冲击沙土、亚粘土、细砂、砂砾石层组成，厚度0～17 m，平均厚度5 m。根据黄陵矿区地质勘查钻孔抽水试验数据，该层单位涌水量0.47～4.19 L/(s·m)，见表4。根据《煤矿防治水细则》(附录一)含水层富水性划分标准，该地层属于富水性中等-强的含水层。 由于该地层出露范围相对较小，厚度较薄，主要延矿区沟谷呈“线条”状分布，富水性呈现出以强为主的特征，主要是该含水层接收大气降水和地表水的补给，即受补给条件影响较大，但对矿井采掘影响较小。

表4 第四系全新统冲洪积层孔隙潜水含水层单位涌水量 单位：L/(s·m)

5 结论

(1)黄陵矿区各煤矿主采2#煤层，矿区内生产煤矿较多。根据矿井水文地质特征、矿区生产资料，因含水层突水引发的地质灾害未曾发生，受导水裂隙带等诸方面的影响，煤矿防治水工作的重点是防治侏罗系中统直罗组砂岩裂隙含水层和白垩系下统洛河组砂岩孔隙裂隙含水层水。

(2)煤矿开采的导水裂隙带大多发育至直罗组含水层，因此，直罗组含水层成为黄陵矿区煤矿的直接充水含水层，但由于其富水性相对较弱，煤矿采掘过程中顶板多见淋水和渗水现象，总体对煤矿采掘影响较小。

(3)白垩系下统洛河组砂岩孔隙裂隙含水层是矿区内相对较大的含水层，在矿区西部单位涌水量相对较大，矿区煤矿井筒掘进至该层位时表现出较大的涌水量，对井筒掘进产生较大影响。采后裂隙在部分区域发育至该层位，对煤矿开采有一定的影响。