回坡底煤礦奧陶系灰?guī)r含水層水文地質(zhì)條件評價

王 勇，吳 麗，劉佳妍

（河南城建學(xué)院 市政與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467041）

0 引 言

煤礦水害是嚴(yán)重影響煤礦安全的重大災(zāi)害之一，主要表現(xiàn)為礦井涌水、突水。礦井涌水會對巷道開拓和工作面回采產(chǎn)生不同程度的影響，若演變?yōu)榈V井突水，則可能造成重大人員傷亡事件甚至淹井事故[1-3]。因此，分析煤礦水文地質(zhì)條件和研究充水含水層水文地質(zhì)特征，對保障煤礦安全、高效、綠色生產(chǎn)具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者在煤礦水文地質(zhì)方面開展了大量研究工作。史先志分析了張雙樓煤礦主采煤層頂板砂巖裂隙含水層的富水規(guī)律，確定含水層為主采煤層頂板涌水的直接來源[4]；繆協(xié)興等綜合運用巖相古地理分析法與水文地質(zhì)分析法，對某煤礦不同類型的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、地下水分布與循環(huán)規(guī)律進(jìn)行研究[5]；任虎俊等采用瞬變電磁法探測某煤礦3 號煤層頂板含水層的富水性，并基于解析法和富水系數(shù)法對首采工作面和井底車場的涌水量進(jìn)行預(yù)測和評價[6]；郭天輝等對某煤礦水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析和評價，認(rèn)為直羅組砂巖裂隙水是煤礦主采煤層的主要充水水源，冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶為主要導(dǎo)水通道[7]；孟凡寫等運用瞬變電磁法探測某煤礦主要含水層的富水性，并對含水層的富水性進(jìn)行分區(qū)評價[8]。

本文在分析回坡底煤礦水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，采用地下水化學(xué)動力學(xué)和水文地球化學(xué)基本理論和方法，對奧陶系灰?guī)r含水層的水文地質(zhì)、水動力學(xué)和水化學(xué)特征進(jìn)行定性分析和定量評價，為回坡底煤礦制定科學(xué)合理的防治水措施提供依據(jù)。

1 水文地質(zhì)條件分析

回坡底煤礦隸屬于山西焦煤霍州煤電集團(tuán)有限公司，設(shè)計生產(chǎn)能力達(dá)到了120 萬t/a，開采最大深度為570 m，未來主要開采11 號煤層。煤礦發(fā)育的煤系含水層主要包括太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組和奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r溶隙含水層。其中，K2 石灰?guī)r是太原組石灰?guī)r的主要巖溶含水層，是11 號煤層上覆直接充水含水層，厚2.75～11.40 m，平均厚8.90 m，水質(zhì)類 型HCO3·Cl-(K+Na)·Ca、HCO3·Cl-Na，礦化度715～997 mg/L，屬于弱-中等富水性。奧陶系石灰?guī)r溶隙含水層（O2）是11號煤層下伏主要含水層，水位標(biāo)高517.5—540 m，造成11 號煤層局部帶壓開采，且開采范圍內(nèi)存在斷層、陷落柱等破碎構(gòu)造。因此，O2含水層是煤礦未來生產(chǎn)的主要水害隱患。

2 O2 含水層水文地質(zhì)條件評價

2.1 水化學(xué)類型劃分

O2含水層是研究區(qū)11 號煤層帶壓開采條件下有突水威脅的主要含水層。依據(jù)O2含水層水質(zhì)資料，按舒卡列夫水化學(xué)分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，水化學(xué)類型分區(qū)如圖1 所示。

圖1 O2 含水層水化學(xué)類型分區(qū)Fig.1 The zoning of hydrochemical type of O2 aquifer

HCO3-Ca·Mg 型水分布區(qū)（I 區(qū)）分布于研究區(qū)北部，分布面積不大，呈北東向的條帶，往東礦化度逐漸增高，區(qū)內(nèi)只有HS-6 號孔水化學(xué)類型為HCO3·Cl-Na·Ca 型，礦化度791 mg/L，說明該區(qū)段地下水徑流緩慢，為水質(zhì)差的深埋區(qū)；HCO3·SO4-Na·Ca 型水分布區(qū)（II 區(qū)）分布于HCO3-Ca·Mg 型水分布區(qū)（I 區(qū)）和SO4·HCO3-Ca·Mg 型水分布區(qū)（III 區(qū)）之間的狹長地帶；SO4·HCO3-Ca·Mg型水分布區(qū)（III 區(qū)）分布在研究區(qū)中南部廣大地區(qū)，區(qū)內(nèi)只有HS-1 號孔水質(zhì)類型為SO4·HCO3-Ca·Na，礦化度在700～1 110 mg/L；SO4·Cl-Ca·Mg 型水分布區(qū)（IV 區(qū)）分布于井田北東部，范圍很小，區(qū)內(nèi)只有HS-8 號孔為SO4·Cl-Ca·Na 型，礦化度0.855 mg/L。由此可見，O2含水層總體上由南向北水質(zhì)類型變化依次為SO4·HCO3-Ca·Mg→HCO3·SO4-Na·Ca→HCO3-Ca·Mg→SO4·Cl-Ca·Mg，礦化度逐漸增大，表明O2巖溶含水層隨埋深增加而發(fā)生如此變化。

2.2 水化學(xué)環(huán)境分析

根據(jù)地下水動力學(xué)和水文地球化學(xué)基本理論，選擇表示化學(xué)勢場的水化學(xué)指標(biāo)離子活度(ai)、礦物溶沉飽和指數(shù)(βj)作為水化學(xué)環(huán)境分析因子。離子活度(ai)和礦物溶沉飽和指數(shù)(βj)不僅受上述純化學(xué)作用的控制，同時也受地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件的影響。根據(jù)O2含水層水文孔和水井的水質(zhì)監(jiān)測資料，運用水文地球化學(xué)計算方法[9]，求出方解石、白云石、石膏和巖鹽等代表性礦物的活度及溶沉飽和指數(shù)，分別表示為aCa2+和βc、aMg2+和βd、aSO42-和βg、aCl-和βh，見表1。結(jié)果表明，只有位于研究區(qū)東北部的HS-8 號水文孔的βc和βd大于1，其余水文孔的βc和βd小于1，說明研究區(qū)東北部O2含水層埋藏較深，封閉性良好，石膏、巖鹽繼續(xù)溶解；研究區(qū)大部分O2含水層埋藏較淺，封閉性不良，巖溶較發(fā)育，為方解石、白云石、石膏、巖鹽全溶區(qū)段。

2.3 水動力場和水化學(xué)場特征分析

（1）水力學(xué)指標(biāo)表示的水動力場。

研究區(qū)總體上為一由北向南徑流的地下水流場，井田內(nèi)水位標(biāo)高517.5—540.0 m。北部、西北部碳酸鹽巖裸露區(qū)，巖溶水接受大氣降水補給和河道滲漏補給。北部巖溶水由北向南流向為郭莊泉巖溶水統(tǒng)的主徑流帶。

（2）水化學(xué)指標(biāo)表示的水化學(xué)場。

根據(jù)研究區(qū)水動力場特征，ai和βj值隨著徑流路徑的增長或埋深的增加逐漸增大。從總體上看，研究區(qū)為傾向北西的緩傾斜單斜構(gòu)造，北部及西北部碳酸鹽巖出露于地表，構(gòu)成O2含水層的補給區(qū)，地下水由北向南或由西北向東南方向徑流。βc≤1的區(qū)段，地下水徑流較快，為礦物的全溶區(qū)段；βc>1 的區(qū)段，地下水徑流緩慢，說明該區(qū)段為封閉或半封閉的還原環(huán)境。βd、βh分布特征與βc分布規(guī)律相似。

基于地下水動力學(xué)和水文地質(zhì)地球化學(xué)的基本理論，通過水化學(xué)指標(biāo)可以推算出滲透系數(shù)及導(dǎo)水系數(shù)的水文地質(zhì)化學(xué)動力學(xué)常數(shù)[10]，經(jīng)擬合疊加，分別計算O2含水層的滲透系數(shù)K、導(dǎo)水系數(shù)T、地下水流速u 和地下水年齡t 等水文地質(zhì)參數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 O2 含水層水文地質(zhì)參數(shù)計算Table 2 Calculation of hydrogeological parameters of O2 aquifer

2.4 水文地質(zhì)條件定量評價

2.4.1 O2含水層透水性評價

為研究和評價O2含水層透水性，根據(jù)水文地質(zhì)參數(shù)計算結(jié)果，按下列間距進(jìn)行分級：I 區(qū)含水層透水性弱，K＜1.0 m/d；II 區(qū)含水層透水性中等，1.0 m/d≤K≤2.5 m/d；III 區(qū)含水層透水性強，2.5 m/d＜K。根據(jù)上述級差，對研究區(qū)含水層透水性進(jìn)行分區(qū)，如圖2 所示。根據(jù)抽水試驗相關(guān)資料，滲透系數(shù)K 最大為2.98 m/d，最小為0.149 m/d，反映出研究區(qū)巖溶發(fā)育的不均一性，滲透系數(shù)在北部及西北部較小，往南部逐漸增大。

圖2 O2 含水層滲透系數(shù)分區(qū)Fig.2 The zoning of permeability coefficient of O2 aquifer

含水層透水性分布規(guī)律：①含水層透水性弱區(qū)（I）分布在北部柴家垣小峪里一線，由于上團(tuán)柏層的作用，使O2埋藏較深，巖溶水失去了發(fā)育的水文地質(zhì)條件，透水性弱；②含水層透水性中等區(qū)（II）分布于前河村一帶，表明含水層埋深由淺至深過渡；③含水層透水性強區(qū)（III）分布在南部及東部，緊鄰II 區(qū)延伸，反映O2埋藏變淺，易于巖溶發(fā)育，主要接受北部及西北部巖溶水的補給，形成一個中等徑流帶。

2.4.2 奧灰含水層導(dǎo)水性評價

為研究和評價O2含水層導(dǎo)水性，根據(jù)水文地質(zhì)參數(shù)計算結(jié)果，按下列間距進(jìn)行分級：I 區(qū)含水層導(dǎo)水性弱，T＜50 m2/d；II 區(qū)含水層導(dǎo)水性中等，5 m2/d≤T≤180 m2/d；III 區(qū)含水層導(dǎo)水性強，180 m2/d＜T。根據(jù)上述級差，對研究區(qū)含水層導(dǎo)水性進(jìn)行分區(qū)，如圖3 所示。

圖3 O2 含水層導(dǎo)水系數(shù)分區(qū)Fig.3 The zoning of water conduction coefficient of O2 aquifer

2.4.3 O2含水層水循環(huán)交替條件評價

為研究和評價O2含水層水循環(huán)交替條件，根據(jù)水文地質(zhì)參數(shù)計算結(jié)果，按下列間距進(jìn)行分級：I 區(qū)地下水循環(huán)交替慢，t＞200 a、u＜100 m/a；II區(qū)地下水循環(huán)交替中等，200 a≥t≥50 a、100 m/a≤u≤1 000 m/a；III 區(qū)地下水循環(huán)交替快，t≥50 a、1 000＜u。根據(jù)上述級差，對研究區(qū)含水層水循環(huán)交替條件進(jìn)行分區(qū)，如圖4 所示。

圖4 O2 含水層水循環(huán)交替條件分區(qū)圖Fig.4 The zoning of hydrological cycling condition of O2 aquifer

研究區(qū)北部及西北部地下水循環(huán)交替逐漸放慢，南部及東部循環(huán)地下水循環(huán)交替加快，這與研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境相吻合。水循環(huán)交替條件分布規(guī)律：①地下水循環(huán)交替慢區(qū)（I）分布于在北部柴家垣小峪里一線，地下水實際速度小于100 m/a，經(jīng)過200 a 以上循環(huán)交替一次，說明該區(qū)地下水處于近停滯狀態(tài)；②地下水循環(huán)交替中等區(qū)（II）分布于井田內(nèi)前河村、回坡底一帶中部大部的較寬條帶內(nèi)，地下水實際流速100～1 000 m/a，地下水50～200 a 循環(huán)交替一次，為一相對封閉的滯流帶；③地下水循環(huán)交替快區(qū)（III）分布于南部及東部地區(qū)，地下水流速大于1 000 m/a，地下水小于50 a循環(huán)交替一次，為一地下水含水層埋藏淺，水循環(huán)交替快區(qū)。

綜上所述，不同的水文地質(zhì)參數(shù)，描繪出相同的地質(zhì)構(gòu)造的控水作用。研究區(qū)南部及東部區(qū)段K、T、u 值較大，t 值較小，說明該區(qū)段為含水層埋藏較淺，地下水運動較快，巖溶發(fā)育；研究區(qū)中部波浪狀條帶內(nèi)，K、T、u 值稍大，而t 值則稍小，說明該區(qū)段巖溶比較發(fā)育，形成一中等的地下水徑流帶；研究區(qū)北及西北部，K、T、u 值較小，而t 值較大，說明該區(qū)段地下水含水層埋藏深，地下水徑流緩慢，巖溶不發(fā)育；研究區(qū)的南部和西南部，由于缺少點的控制，精度相對降低，但仍反映了研究區(qū)的水文地質(zhì)及構(gòu)造特征。即研究區(qū)總體上為一向北方向緩傾斜的單斜構(gòu)造，K、T、u 和t 值變化規(guī)律符合研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)特征。

3 結(jié) 論

在分析回坡底煤礦水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，采用地下水化學(xué)動力學(xué)和水文地球化學(xué)基本理論，對奧陶系灰?guī)r含水層的水文地質(zhì)、水動力學(xué)和水化學(xué)特征進(jìn)行定性分析和定量評價，得出如下結(jié)論。

（1）奧陶系灰?guī)r含水層是回坡底煤礦未來生產(chǎn)的主要水害隱患；奧陶系灰?guī)r含水層由南向北水質(zhì)類型變化依次為SO4·HCO3-Ca·Mg →HCO3·SO4-Na·Ca→HCO3-Ca·Mg→SO4·Cl-Ca·Mg。

（2）研究區(qū)南部及東部含水層埋藏較淺，透水性較強，地下水徑流較快，巖溶較發(fā)育；中部波浪狀條帶范圍內(nèi)巖溶比較發(fā)育，形成一中等的地下水徑流帶；北部及西北部含水層埋藏較深，透水性較弱，地下水徑流緩慢，巖溶不發(fā)育，符合研究區(qū)總體地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育特征。