鹤岗矿区鸟山煤矿水文地质特征研究

程振雨

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 引言

鸟山矿井位于鹤岗矿区东北部，为益新煤矿深部的延伸矿井，开采深度在700～1 200m[1-2]，属深部开采。作为鹤岗矿区深部煤炭资源勘探开发的优先领域，鸟山井田内以往煤田勘探中未布设过专门水文地质孔，井检孔也未进行抽水试验；加之随着周边相邻各矿开采水平的加深，鸟山矿井水文地质条件日趋复杂[3-4]。目前对井田内主要充水含水层石头河子组、石头庙子组埋藏条件、厚度变化、岩性组合、富水性、水流场特征以及上下含水层间的水力联系认识不清，这对鸟山矿井水文地质条件分析、矿井涌水量计算及矿井突水危险性评价带来诸多不确定因素，一定程度上阻碍了矿井安全生产及防治水工作部署。

为查明鸟山矿水文地质特征，中煤地华盛水文地质勘察有限公司2018年开展了鸟山矿井水文地质补充勘探工作，结合以往在本矿西部边界施工的水文孔资料及其地下水动态观测数据，对水文地质条件进行详细论证，丰富了矿井基础水文地质依据及相关水文地质参数，对鸟山矿井安全生产及防治水工作部署等具有指导意义。

1 矿井地质背景

鸟山矿井位于鹤岗盆地东部。鹤岗盆地大地构造上位于中亚-兴蒙构造域和太平洋构造域的交叉叠复部位，区域构造上处在吉黑褶皱系大和镇断裂和牡丹江断裂之间的佳木斯地块西北部，属中生代内陆山间发育的近南北走向的断陷盆地[5-8]。鸟山矿井总的构造形态呈微幅平缓褶曲，中部背斜轴部断裂构造发育，断层走向以NW、NNE为优势方位[5,8-9]；在燕山期受区域区域NW-SE向挤压应力作用形成NNE向逆断层，在喜马拉雅期早期受NE-SE向挤压、NW-SE向引张，形成NW走向的中小型逆断层。鸟山矿井基底为前古生界(Pt)，其上为中生界下白垩统鹤岗群石头河子组(K1s)、石头庙子组(K1st)和桦山群东山组(K1d)以及新生界第四系(Q)(图1)。鸟山矿井主要含煤地层为下白垩统石头河子组的中部含煤段(K1s2)，含20个煤层组。

图1 鸟山矿井构造位置及地层综合柱状图

2 矿井水文地质特征

2.1 井田主要含、隔水层

2.1.1 主要含水层

1)第四系砂砾石孔隙含水层。含水层岩性主要为粗砂、砂砾、砾石等，据以往区域勘探资料，渗透系数为4.36～18.85m/d，单位涌水量为0.1062～0.551L/(s·m)，矿化度162.2～473.5mg/L，水化学类型以HCO3─Ca·Mg、HCO3─Ca型为主。最新补充勘探施工揭露厚度4.05～7.1m，钻进中未见井液明显漏失段，地面调查民用浅井水头深20～50m，取水层位为白垩系风化裂隙水，说明矿区及周边第四系一般为透水不含水层[10-12]。

2)下白垩统东山组火山碎屑岩裂隙含水层。主要岩性为安山质火山角砾岩(含集块岩)、角砾凝灰岩。据区域水文地质资料，该组裂隙含水层裂隙分布不均一，岩石富水性非均质性强，富水性弱—中等。该含水层呈面状分布，含水介质以风化裂隙为主，在断裂两侧，则以构造裂隙为主[13-15]。据北部兴安矿抽水实验资料，该层单位涌水量0.149 3～0.478L/(s·m)，渗透系数0.043 2～0.187m/d，水位标高244.99～262.75m，富水性中等，矿化度356.62～384.03mg/L，水化学类型为HCO3─Na、HCO3─Ca·Na。

3)下白垩统石头庙子组砾岩裂隙含水层。岩性主要为砾岩，局部夹有少量粗砂岩和细砂岩，砾径在3～15cm，磨圆较好，偶见棱角明显的砾石和圆度极好的砾石。最新补充勘探施工揭露该组厚度504.4～755.9m(图2)，局部受断裂构造影响，岩石破碎，裂隙发育。据最新补充勘探抽水试验成果，该含水层单位涌水量0.150 6～1.059L/(s·m)，富水性中等─强；该含水层矿化度为257.61～483.74mg/L，水化学类型主要为HCO3─Ca、HCO3─Na·Ca、HCO3─Ca·Mg·Ca型，水位标高+150.07～+253.73m(表1)。据最新地面物探勘探成果，该砾岩含水层相对富水异常区呈南北条状状分布，相对富水异常区大部分位于F15、F34、F115等断裂构造破碎带附近，异常区分布相对集中(图2)。

表1 鸟山矿井及相邻益新矿石头庙子组砾岩含水层抽水试验成果数据

4)下白垩统石头河子组砂岩裂隙含水层。岩性主要为灰白色中厚层状细—粗砂岩、局部含砾，与粉砂岩、泥岩隔水层互层，含水层单层厚度一般几米至几十米。岩石多呈致密块状，节理裂隙发育程度低，钻进过程中钻井液无明显漏失。根据最新补充勘探抽水试验成果，该含水层单位涌水量0.000 91～0.003L/(s·m)，渗透系数0.000 43～0.000 91m/d，水位标高+64.78～+119.42m，矿化度为255.29～327.63mg/L，水化学类型为HCO3─Na·Ca、HCO3─Na型。现鸟山矿处于开采初期，石头河子组砂岩裂隙水多以井下淋水、滴水的形式出现；据建井期间井下观测记录数据，正常涌水量为174.00m3/h、最大涌水221.80m3/h。根据最新地面物探探测，该含水层富水异常区主要集中在井田中部，从南向北呈条带状分布，在断层交切处及断层面产状变化处富水性相对较强(图2)。

5)基底花岗片麻岩含水层。基底花岗片麻岩为煤系基底， 岩性致密，一般节理裂隙不发育，连通性差，在局部断裂构造带及其附近，微裂隙发育。据鸟山矿周边矿井以往水文地质资料，该含水层一般富水性弱，局部断裂破碎带处富水性增强。在鸟山矿井北部群英山区，该含水层水位标高为332.87m，单位涌水量为0.009 1L/(s·m)，渗透系数0.005 8 m/d，富水性弱，水化学类型以HCO3─Ca·Na为主。

2.1.2 主要隔水层

根据钻孔揭露岩性组合及隔水特征，鸟山矿井内隔水层主要有东山组底部粉砂岩、石头河子组上部泥岩及粉砂岩、石头河子组煤层间泥页岩及粉砂岩、石头河子组下部泥页岩及粉砂岩段。通过综合运用FLAC3D数值模拟及经验公式计算确定导水裂隙带发育高度(图3)。

图3 鸟山矿井内含(隔)水层垂向相对位置示意

1)东山组底部粉砂岩相对隔水层。据最新补充勘探钻孔揭露，东山组底部岩性以粉砂岩为主，粉砂的成分主要是石英和长石，常见石英、方解石等胶结，岩石整体致密，透水性较弱，阻止上、下两含水层的水力联系；但分布不稳定，平均厚度约45m，可视为相对隔水层。

2)石头河子组上部泥岩、粉砂岩相对隔水层。石头河子组上部岩性为泥岩、粉砂岩夹砂岩、砾岩，岩性多呈致密块状，节理裂隙不太发育，一般不含水或富水性极弱。因此，该泥岩、粉砂岩段对于上部南岭砾岩裂隙水具有很好的阻隔作用，可视为相对隔水层。但这里值得一提的是在断裂构造发育区带及其附近，由于微裂隙发育，富水性增强，且由于导水裂隙带的影响，部分区域被破坏，隔水性能变弱；可成为煤层开采的直接充水含水层，也可能是砾岩含水层进入矿井的充水通道。

3)石头河子组煤层间泥页岩、粉砂岩相对隔水层。各煤层组顶底板一般为厚约2m以上的泥岩或粉—细砂岩，与局部不可采煤层组成软硬相间岩组合，为鸟山矿井相对隔水层；但煤层开采后形成顶板导水裂隙带会使该组隔水层被破坏，同样这种软硬相间的岩石组合，由于温度、地下水的影响，往往会在岩性分界面产生层控裂隙，久而久之发展成局部破碎带，隔水性能变弱或破坏。

4)石头河子组下部泥页岩、粉砂岩相对隔水层。根据以往区域地质资料，石头河子组下部煤层与基底间有厚而稳定的区域隔水岩组。据鸟山矿井相邻益新矿资料，该层主要为中砂岩及含砾砂岩组成，夹薄层粉砂岩，凝灰质砂岩，炭质页岩，含有5个断续分布的煤层，一般均不可采，底部含石英砾岩；其间相对隔水层主要为致密的粉细砂岩，间夹薄层泥岩，渗透性差，隔水性较好。

2.2 地下水流场特征

鸟山矿井内只有下白垩统石头庙子组砾岩裂隙含水层分布相对稳定且连续，具有统一的地下水流场。

天然状态下，鸟山矿井石头庙子组砾岩裂隙水流场受地形地貌、地质构造控制，自西北向东南由高向低沿地层产状顺层径流。由于鸟山矿四周边界皆为人为边界，没有独立意义的水文地质边界，受益新矿四水平南一石门为中心降落漏斗持续疏放水影响(图4)，石头庙子组砾岩裂隙水流场形成了中西部地下水势由西向东逐渐降低，到井田中部受益新矿疏放水的影响逐步减小，水位变幅减小，基本稳定在200m以上；再往东水位标高呈现为由西向东逐渐降低的趋势，水位由200m逐步下降到100m左右，反映了天然状态下的流场特征(图4)。总体来看，鸟山矿井石头庙子组砾岩裂隙水动力场为人工-天然型。

图4 鸟山矿石头庙子组砾岩裂隙水流场

2.3 地下水补给、径流、排泄条件

1)第四系砂砾石孔隙含水层。广泛分布，厚度薄，随地形起伏变化大，多为透水不含水层，仅局部低洼地带赋存第四系孔隙水。受地形地貌控制，第四系地下水在接受大气降水直接入渗补给后自西向东、自高向低径流，径流过程中部分下渗补给下伏东山组火山碎屑岩裂隙含水层，部分侧向径流排出矿区外。

2)下白垩统东山组火山碎屑岩裂隙含水层。主要接受大气降水间接入渗补给和第四系孔隙水渗漏补给。地下水在接受补给后自西北向东南顺地层倾向径流，在径流过程中通过导水断层以及部分断层的对接，补给下伏的白垩系石头庙子组砂砾岩裂隙含水层，或侧向径流排出矿区外。

3)下白垩统石头庙子组砾岩裂隙含水层。主要接受上覆第四系孔隙水的渗漏补给，其次为导水断层和断层对接处接受东山组火山碎屑岩裂隙水补给或区外同层侧向补给。天然状态下，地下水在接受补给后，自西北向东南顺地层倾向径流排出矿区外；此外，矿井生产排水也是其主要排泄途径。

4)下白垩统石头河子组砂岩裂隙含水层。含水层补给途径有二：其一是从鹤岗矿区西部裸露区接受大气降水补给后侧向径流流入井田；二是接受上覆含水层的越流补给或导水断层、断层对接部位的渗漏补给。由于石头河子组裂隙含水层与隔水层呈叠置关系，岩石节理裂隙不发育、连通性差、补给条件差，地下水径流滞缓。天然状态下，地下水在接受补给后，自西北向东南径流排出矿区外。

3 结论

1)下白垩统石头庙子组砾岩裂隙含水层岩性主要为砾岩，单位涌水量0.150 6～1.059L/(s·m)，富水性中等─强，水位标高+150.07～+253.73m；相对富水异常区呈南北条状状分布，相对富水异常区大部分位于F15、F34、F115等断裂构造破碎带附近。在局部断层对接部位与上部东山组火山碎屑岩裂隙含水层有水力联系，区内接受第四系孔隙水补给或东山组火山碎屑岩裂隙水补给或区外同层侧向补给，自西北向东南顺层径流排出矿区。

2)下白垩统石头河子组砂岩裂隙含水层岩性为灰白色中厚层状细—粗砂岩，单位涌水量0.000 91～0.003L/(s·m)，富水性弱，水位标高+64.78～+119.42m。在断裂对接部位，与石头庙子组砾岩含水层之间存在水力联系，无构造影响时水力联系弱；接受上覆越流补给或同层侧向径流补给后，自西北向东南径流排出矿区。

3)东山组底部存在一层分布不稳定的致密粉砂岩隔水层，透水性较弱，隔水能力弱。石头河子组上部泥岩、粉砂岩多呈致密块状，节理裂隙不发育，隔水性能较好；各煤层组顶底板厚约2m以上的泥岩或粉—细砂岩，与局部不可采煤层组成软硬相间的岩石组合，为相对隔水层；但煤层开采后形成顶板导水裂隙带会使该组隔水层被破坏。

4)第四系地下水以及东山组火山碎屑岩裂隙水断续分布，无统一的地下水流场，下白垩统石头河子组裂隙水含(隔)水层相间叠置、连通性差，地下水径流滞缓，地下水位在不同区段不同层位差异大，无统一流场。石头庙子组砾岩裂隙水动力场为为人工-天然型，受相邻益新矿井疏放水影响，形成了矿井西部及中部地下水势由东向西逐渐降低，再往东呈现天然状态下自西北向东南顺层径流的流场特征。