艾维尔沟矿区水文地质特征及矿井充水因素分析

2021-03-10牛永波李娜

河南科技 2021年28期

牛永波李娜

摘要：依据新疆艾维尔沟矿区以往地质勘查及煤矿开采成果资料，对矿区水文地质条件进行分析，阐述地下水对煤层开采的影响，分析矿井充水因素，对矿井开采及防治水害具有重要的指導意义。

关键词：艾维尔沟矿区;水文地质;矿井充水;因素分析

中图分类号：TD745;P641.4 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）28-00-03

Abstract： According to the Aiweiergou geological exploration and mining area ever coal mining results material， hydrogeological conditions in mining area was analyzed，and expounds the influence of ground water on coal bed mining， analyzes the mine water filling factors.

Keywords： Aiweiergou mining area;hydrogeology;mine water filling;factor analysis

新疆艾维尔沟矿区是新疆维吾尔自治区重要的炼焦煤生产基地，目前处于开采的后期阶段，煤炭资源丰富，现每年有0.9 Mt以上生产量的1818井、1930矿井及2130矿井3对生产矿井，主要可采煤层5#、6#、7#、10#煤层。这些均属主焦煤，煤质优良，为国内外奇缺煤种。煤层埋藏深度适中，开采技术条件比较简单。近年来，随着长期对煤矿床的开采，矿井充水成为影响煤矿生产的突出问题。因此，研究矿区水文地质条件具有重要意义[1]。

1 矿区地质概况

矿区位于乌鲁木齐市以南的达坂城区（见图1），东西长约25 km，南北宽约3.6 km，面积约为89.82 km2。艾维尔沟矿区位于北天山优地槽褶皱带南部。该褶皱带北与东北准噶尔褶皱带和西南准噶尔坳陷接壤，南由博罗科努—阿其克库都克超岩石断裂为界，向西与准噶尔阿拉套相连，向东进入甘肃境内，呈近东西向展布，是一个典型的华力西优地槽褶皱带。该褶皱带在早古生代基础上进一步演化而来，具有多旋回发展史，历经7个构造幕次。早期以华力西旋回为主旋回，开始于早泥盆，结束于早二叠世末，自二叠纪开始进入中新生代构造发展阶段。受印支构造、早燕山构造、晚燕山构造、早喜山构造及晚喜山构造控制，经喜山运动奠定了现代北天山高山深谷盆地的构造格局[2]。

矿区地层有志留系、泥盆系、石炭系和二叠系。这些地层组成了本区山间凹陷的基底，在此基础上又沉积了三叠系、侏罗系和新生界的第三系、第四系。含煤地层为侏罗系中统西山窑组及下统八道湾组，含煤15层，其中主要可采煤层产于八道湾组，以焦煤为主，可作为炼焦用煤及配煤和动力用煤。

2 矿区水文地质特征

矿区地处天山山脉内之山间盆地，属深沟谷盆地，呈东西狭长状展布，南、北、西三面高山环绕，西高东低，最高海拔2 825 m，最低海拔2 050 m，最大相对高差达775 m。南北两侧以中高山脊为分水岒，最高达4 394.4 m，地形西高东低，高山区常年积雪，为矿区的主要补给水源。矿区两侧地形陡峭，降水时河水骤然增加，流域范围之内的大量降水迅速泄于河中，是矿区的另一补给水源。

2.1 水文地质分区

矿区边缘的中高山地带，岩性为厚层状石灰岩，中部夹薄层状黑色泥岩，局部地区为安山岩及闪长玢岩。它的局部有泉出露，为一中等含水层。矿区内河流、沟谷切割地表，构成以艾维尔沟河为主的地表水系。矿区内侏罗系八道湾组、三工河组含水层构成承压水斜地，富水性较弱。小范围分布于沟谷中的第四系冲积层，构成孔隙潜水系统[3]。

2.2 含水层

2.2.1 侏罗统系下统八道湾组含煤岩系含水层（J1b）。八道湾组为主要含煤段，含煤12层组，本次研究对象为10号煤。煤层本身透水性微弱，为隔水层，煤层直接顶底板多为粗粒砂岩、中粒砂岩。当钻孔钻至10号煤层顶板时，冲洗液消耗量增大，说明顶板为一含水层。含水层产状东缓西陡，倾角25°左右，为一单斜含水层，向南倾斜，地形西高东低，高差较大，坡度平均为35%～40%，各层水力坡度也与此相近。各层地下水的循环条件好，一般埋深小，多数承压和自流。主要自流带分布在东部一带，各层间除了断层有一定的沟通作用外，一般各层之间无水力联系。各层的浅部（60～80 m）裂隙发育，局部为火烧区的烧变岩，故浅部（尤其是50 m以上）渗透性强，中深部裂隙不发育，渗透性较差，含水层深部（500 m以下）岩性完整，渗透性很差，渗透系数为0.002 2 m/d。

该含水层由中粒、细粒砂岩、粗粒砂岩及砂砾岩组成，总体上由东向西变粗，厚度为68.19～175.38 m，平均为149.73 m。局部裂隙带较大，透水性能中等，据BJ9-2号抽水试验孔，单位涌水量为0.005 33 L/（s·m），渗透系数为0.004 473 m/d，水质为HCO3·SO4—K+Na·Mg型，矿化度为0.658 g/L，为一极弱富水含水层。

2.2.2 第四系（Q）孔隙透水含水层。其主要由两部分组成。

①第四系强含水层。第四系强含水层主要分布在河床及河流两岸和支沟的沟谷内，含水层主要为Q4的冲洪积层。主沟含水层一般厚度不超过10 m，由砂砾石、卵石及漂石组成。北侧支沟含水层高水位为18 m左右，低水位不详。南侧支沟第四系极薄，不予考虑。渗透性能各处不一，主支沟及古河床差别很大。据回风立井井筒检查孔资料，第四系含水层单位涌水量为0.116 L/（s·m），渗透系数为0.73 m/d，浅井提水单位涌水量为0.222～3.333 L/（s·m），渗透系数为8.72～119.00 m/d，支沟水力坡度大，渗透性强。例如，光明沟水12号孔，单位涌水量为4.728 L/（s·m），渗透系数为54.9 m/d，水力坡度为0.13。焉耆沟T7探井提水单位涌水量为0.725 L/（s·m），渗透系数为32.12 m/d。古河床水量小，此含水层直接受河水补给，呈互补关系。此层水及河水是矿区开采的主要水患。

②第四系弱含水层。第四系弱含水层由全新统的坡积、坡洪积及中上更新世洪积、冰水沉积物组成，处于高台地上，由砂土砾石组成，厚为10～42 m，泉水水量為0.08 L/s，一般不含水或弱含水。

2.3 隔水层

侏罗统系下统三工河组以深灰色粉砂岩为主，夹薄层状砂质泥岩或细粒砂岩，岩性单一稳定。井检孔揭露厚度为80.13 m，顶部有6.93 m的砂质泥岩，其余均为粉砂岩。中上部具高角度裂隙，为一相对隔水层。

2.4 地下水补给、径流及排泄条件

2.4.1 地下水的补给条件。地下水的补给来源主要来自两个方面。一是地表艾维尔沟河流的渗漏补给，河水与煤矿的地下水发生了直接的水力联系。由于地势西高东低及单斜岩层北高南低造成深部的承压水头较大，反过来补给河水。河谷在不同的地段泄排地下水，地下水与地表水成为互补互泄的关系。第四系含水层亦如此，1930平硐9线处河水补给第四系，7线处第四系补给河水。河流在流经矿区时产生渗漏补给，为地下水的主要补给来源。二是大气降水的渗入补给。大气降水对地下水的补给很少，一方方面是由于矿区气候干旱，年降水量少而集中，另一面是由于地表坡度大易转为地表径流，不易补给地下水。

2.4.2 地下水的径流条件。由于含水层与隔水岩层交替互层，阻止了各含水层之间水力联系，加之地层向深部渐趋平缓，裂隙发育程度逐渐降低，因此地表水体和降水对砂岩裂隙含水层补给作用微弱。在自然状态下，各含水层之间不存在水力联系。地下水的径流条件较差，总体沿地层倾斜方向，承压水沿岩层面或裂隙向深部排泄，随着含水层埋深的增加，由强烈交替带变为缓慢交替带，最终变为交替停滞带。遇到河谷侵蚀区，地下水沿岩层走向，由河沟谷间分水岭向谷地运动，以泉水或渗流形式补给河流。

2.4.3 地下水的排泄条件。地下水排泄途径主要是人工排泄和向艾维尔沟河缓慢的排泄。人工排泄点是1930煤矿井下抽排。

3 矿井充水因素

根据区域水文地质条件、煤矿水文地质条件及矿床在区内的分布情况，初步查明了影响矿床充水的主要因素为地表水、基岩裂隙含水层、大气降水、老窑及采空区积水。

3.1 地表水

艾维尔沟河自西向东纵贯整个矿区，是唯一常年流水的地表水体。该河是以工业用水、饮用及灌溉等为主要用途的多功能河流，发源于海拔3 520 m薄尔芒达依达板，经矿区向东汇入阿拉沟。此段全长70 km，坡降约41‰。煤矿西端距艾维尔沟河源头20 km左右，其东又称鱼儿沟，为一羽状水系，有19条支流，但常年性水流不多，其中在煤矿北侧汇入干流的光明河、焉耆沟等水量较大。河流底质多为卵石、砂砾石和亚砂土[4]。因此，艾维尔沟地表水是矿区矿床充水的主要来源。

3.2 基岩裂隙含水层

矿区内赋煤地层为侏罗系八道湾组地层，岩性以粉砂岩、细粒砂岩和粗粒砂岩为主，局部夹炭质泥岩、砾岩及煤层。如表1所示，通过BJ9-2号抽水孔的抽水试验，渗透系数为0.004 473 m/d，单位涌水量为0.005 33 L/（s·m），表明矿区赋煤地层的渗透性差，富水性弱。可见，矿区赋煤地层岩性不利于矿床充水[5]。

另外，位于八道湾地层以北下伏的三叠系地层和上部的三工河组、二叠系地层的岩性均以泥岩、粉砂岩等为主，岩性组合与上述八道湾组赋煤地层岩性组合相似，不利于地下水的形成，对矿区矿床充水作用意义不大。

3.3 大气降水

侏罗系八道湾地层岩性为一套河流相的含煤碎屑沉积岩。砾岩、砂岩等裂隙发育，透水性较好。另外，本区地貌呈狭长沟谷，地形坡度大，6—9月尤其是8月流域内气温升高，高山融雪水增加，降雨集中，暴雨成洪。大气降水是矿床充水的重要因素。

3.4 老窑及采空区积水

在矿区内的废窑，由于关停、废弃时间较长，采空区有一定数量的渗水积存。今后开采的各煤层地处矿床浅部，一旦与废窑或采空区贯通，将会导致老窑或采空区积水直接灌入矿井，对矿床的充水构成一定的危险。

3.5 构造

矿区主体为走向近东西、倾向南西的单斜构造，由北西向南东逐渐变缓。此外，构造较复杂，断层发育，导致岩层破碎，裂隙发育。大气降水和河水沿着层理面或构造裂隙面直接灌入矿井。

4 结语

本文总结了矿区以往地质勘查及煤矿开采成果资料，对矿区水文地质条件进行分析，并进一步阐述了地下水对煤层开采的影响，分析了矿井充水因素，对矿井开采及防治水害具有重要的指导意义。

参考文献：

[1]国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.矿区水文地质工程地质勘查规范：GB/T12719—2001[S].北京：中国标准出版社，2001.

[2]国家安全生产监督管理总局.煤矿水文地质、工程地质及环境地质评价标准：MT/T1091—2008[S].北京：煤炭工业出版社，2008.