黄蒿界煤矿水文地质特征及充水因素分析

2023-01-06曹虎生郝忠宝

陕西煤炭 2022年4期

曹虎生，胡伟，郝忠宝

(陕西省一八五煤田地质有限公司，陕西榆林 719000)

0 引言

陕北地区煤炭资源较为丰富，随着“十四五”国民社会经济的持续发展，将对煤炭资源的需求越来越大，由于我国煤田水文地质条件十分复杂，各区域又有所差异，矿井突水事故频发严重威胁着煤矿的安全生产[1-2]，故查清煤矿区水文地质条件对煤炭资源的安全有效开采至关重要[3-4]。黄蒿界煤矿是陕西省陕北侏罗纪煤田榆横矿区规划新建矿井，查明矿井范围内水文地质条件，评价矿井充水因素，可对黄蒿界煤矿及周边相似条件矿井下一步设计建设及安全生产提供水文地质参考和依据。

1 工程概况

黄蒿界煤矿位于榆横矿区(南区)的中部，邻矿区面积120.52 km2，北侧与赵石畔井田相邻，南部与塔湾井田相邻，西侧与海则滩井田相邻，东侧为矿权空白区，行政区划隶属靖边县黄蒿界镇、横山县赵石畔镇及塔湾镇管辖。煤矿总体构造形态为一走向南北，倾向西的单斜构造，地层走向近南北—北北东倾向，侏罗系中统延安组为本区含煤地层，3号煤层为主要可采煤层，4号煤层为局部可采煤层[5]。据以往地质钻探揭露地层有三叠系上统瓦窑堡组、侏罗系下统富县组、侏罗系中统延安组、侏罗系中统安定组、白垩系下统洛河组、中更新统离石组、上更新统萨拉乌苏组、现代河流冲洪积层和全新统风积沙。

2 水文地质条件

根据地下水埋藏条件和含水层性质，将煤矿内地下水划分为第四系松散岩类孔隙裂隙潜水和中生代碎屑岩类孔隙裂隙潜水及承压水。7个含水岩层(组)即第四系全新统河谷冲积层孔隙潜水、上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水、中更新统离石组孔隙裂隙潜水、白垩系下统洛河组孔隙裂隙水、侏罗系中统安定组孔隙裂隙承压水、侏罗系中统直罗组孔隙裂隙承压水、侏罗系中统延安组孔隙裂隙承压水。

2.1 第四系松散岩类孔隙裂隙潜水

2.1.1 第四系全新统河谷冲积层孔隙潜水

仅分布于煤矿内黑河则的阶地和漫滩及其支流的沟谷底部，含水层厚度0～10 m，水位埋深1～6.35 m，岩性一般由粉砂、细砂、亚砂土等组成，泥质含量较高。据以往钻孔及民井抽水试验，降深1.5～36.78 m，涌水量2.33～14.51 m3/d，单位涌水量0.032～0.047 L/(s·m)，弱富水性。

2.1.2 上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水

分布于黑河则干流和支流的一级阶地及漫滩，中部的小宁条梁、西沟、店沟和瓦窑沟一带及芦河的二级阶地。含水层为粉、细砂夹暗灰色淤泥质条带。本区含水层厚度0～10 m，水位埋深5～20 m，弱富水性。

2.1.3 中更新统离石组孔隙裂隙潜水

该区除沟谷中出露洛河组砂岩外，黄土分布广泛，厚度一般30～100 m，岩性一般为粉质黄土和砂质黄土，并夹有多层厚度1～2 m的粉细砂层，由于沟谷切割明显，地形显得支离破碎，使得黄土含水层的泄水作用加强，含水层储水条件受到破坏，基本无水或弱富水性。

2.2 中生代碎屑岩类孔隙裂隙潜水及承压水

2.2.1 白垩系下统洛河组孔隙裂隙水

全区分布，仅在马家沟、下榆地沟及黑河则等沟谷的下部零星出露，为发育大型交错层理的中细粒长石砂岩及少量的粗粒长石砂岩。上部多被第四系松散层覆盖，易于接受其潜水下渗补给。区内洛河组砂岩厚度由东向西逐渐增厚，据以往钻孔资料，洛河组含水层厚度为43.20～221.80 m，在煤矿中部为弱富水性，向东西2个方向变为中等富水性。

2.2.2 侏罗系中统安定组孔隙裂隙承压水

安定组孔隙裂隙承压水遍布全区，厚度变化较大，为61.20～152.90 m，平均厚度107.80 m。该段岩性以泥岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩为主，细粒长石砂岩次之。其含水层厚度变化较大，为41.60～56.59 m，平均厚49.10 m。据抽水试验资料，单位涌水量为0.002 1～0.007 2 L/(s·m)，弱富水性，渗透系数为0.008 3～0.010 8 m/d。

2.2.3 侏罗系中统直罗组孔隙裂隙承压水

直罗组孔隙裂隙承压水全区分布，厚度变化不大，一般为65.76～144.45 m，平均厚度94.94 m。该段岩性以泥质粉砂岩、粉砂岩及细粒长石砂岩为主。其含水层厚度变化较大，厚26.70～61.50 m，平均厚度为49.02 m。据该层抽水试验资料，水位埋深为21.69～81.42 m，当降深为28.03～40.49 m时，涌水量为26～94 m3/d，统径统降单位涌水量为0.010 8～0.027 2 L/(s·m)，弱富水性。

2.2.4 侏罗系中统延安组孔隙裂隙承压水

直罗组底界至3号煤顶板含水岩组，它以3号煤层顶板的延安组第四段砂岩含水层为主。岩性为中、粗粒长石砂岩，含水层厚23.20～73.50 m，平均厚度为37.95 m。据钻孔抽水试验，水位埋深为9.46～95.50 m，当降深为12.82～54.76 m时，涌水量为15～105 m3/d，统径统降单位涌水量为0.003 0～0.058 2 L/(s·m)，渗透系数为0.009 0～0.171 8 m/d，属弱富水性。

2.3 隔水层

煤矿的隔水层主要为基岩地层中厚度较大且连续分布的泥岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩类，与砂岩(含水层)相间分布，各层均有分布，分布较稳定，厚度10～50 m，为各含水层段之间较好的隔水层，构成基岩裂隙承压水、基岩风化带潜水的相对隔水层。

2.4 地下水的补给、径流及排泄条件

区内地下水的水位和流量动态变化与大气降水的关系极为密切，并具有明显的同步变化特征。黄蒿界煤矿地下水主要接受大气降水补给，径流和排泄受地貌单元、所处地形和含水层岩性的差异各有区别[6-7]。

第四系冲洪积层、冲湖积层孔隙潜水的补给、径流、排泄主要受地形地貌及相邻地层岩性等因素控制，补给以大气降水为主，部分为凝结水补给及农田浇灌回归水、沟渠水、库水渗漏补给，阶地区还接受河流及基岩风化裂隙带潜水补给。地下水径流主要受地形地貌的控制，流向由高至低与现代地形吻合。排泄以泄流形式向地势较低的沟谷排泄，以下渗的方式向基岩风化裂隙带排泄，局部以下降泉的形式排泄补给地表水。另外，蒸发及人工开采也成为其排泄方式。

第四系离石组黄土孔隙裂隙潜水主要接受大气降水的补给，上覆风积沙为大气降水下渗补给黄土含水层提供了有利的条件。其径流受地形地貌的控制，多由地形较高的地方向低处径流而与现代地形吻合。地下水除部分下渗补给基岩风化裂隙潜水外，大部分以泉或泄流的形式排泄于沟谷中。

洛河组砂岩孔隙裂隙水，除在基岩裸露处直接得到大气降水及地表水的补给外，一般主要接受第四系松散层潜水的垂直下渗补给，也是通过上覆松散层潜水的下渗而间接得到大气降水的补给，该含水层与松散层潜水除局部地段存在隔水夹层外，大部分地区为具有密切水力联系的统一含水体，其径流特点与上覆第四系潜水基本一致。排泄除了以泉的形式补给地表沟流外，主要以人为工程活动开采为主。

安定组、直罗组及延安组的孔隙裂隙承压水主要接受上部潜水的渗入补给，在向西微倾的单斜构造以及上下隔水层的制约影响下，径流运移方向基本沿岩层倾向由东向西或西南方向，越靠近西部煤矿边界，水位埋藏越深。

3 充水因素分析

3.1 充水水源

3.1.1 大气降水

区内多年平均降水量397.8 mm，且多集中6、7、8、9月份，占全年降水量的68%，大气降水除部分形成地表径流排泄以外，部分渗入补给地下水，成为松散岩类孔隙潜水和风化裂隙带潜水，矿井开拓时，主副井均要穿越黄土层及风化裂隙带，或遇封闭不良钻孔时，都会使大气降水通过井筒流入矿坑，成为矿坑充水的间接充水水源。

3.1.2 地表水

区内主要地表水体为黑河沟河流水及刘新谣水库，3号煤层开采后，导水裂隙带在正常基岩里发育，导水裂隙不会导通地表水体，故地表水属间接充水水源。

3.1.3 地下水

第四系松散层潜水不会直接进入矿井，因此不构成矿井直接充水水源，而是通过含水层之间相互补给构成间接充水水源；白垩系下统洛河组砂岩孔隙裂隙水，富水性弱-中等，3号煤层开采后导水裂隙带虽未与该层含水层沟通，但是煤层开采后期将产生地表变形，对矿坑充水有一定的影响，成为矿坑充水的间接充水水源，仍需监测观察，防止异常情况造成水害威胁[7]；3号煤层顶板正常基岩裂隙承压水主要是侏罗系中统安定组、直罗组、延安组第四段砂岩裂隙水，其通过煤层开采后所形成的冒裂带流入矿坑，成为矿坑的直接充水水源，它们虽有较高的水头压力，但涌水量甚微，富水性弱，易于疏干，因此其作为矿井的直接充水水源，一般不会对矿井开采造成大的危害。

3.2 充水通道

本区充水通道主要是将来煤矿开采后形成冒裂带(冒落带和导水裂隙带)，两带发育高度是导致矿井直接或间接充水的主导因素，冒裂带高度与煤层厚度、煤层开采方式、顶板岩性等直接相关[8-9]；其次为断裂破碎带，局部为断层及封闭不良钻孔。

3.2.1 冒裂带

依据《魏墙煤矿3号煤层覆岩垮落规律与“三带”发育高度研究》成果，计算得出未来3号煤层开采后，冒落带高度11.52～20.77 m，导水裂隙带最大高度50.40～90.83 m，上覆延安组第四段厚度29.22～103.05 m，导水裂隙带高度大部分区域发育至延安组及直罗组正常基岩内地层内。3号煤层顶面距主要含水层洛河组砂岩含水层底面的高度在213.73～383.23 m之间，理论上本煤矿开采3号煤层时，上部洛河组砂岩中的水理论上不会通过采空区冒裂带导入矿井中。

3.2.2 封闭不良的钻孔

以往地质工作封闭不良钻孔共1个，为报废孔封孔不到底的情况。煤矿在采煤过程中应提前探查，避免造成各含水层上下水力联系。

3.2.3 断裂破碎带、小型断层

煤矿总体构造简单，未发现较大断层及明显褶皱，仅局部形成一些宽缓的波状起伏。