裴沟煤矿底板灰岩含水层水位动态变化规律及影响因素

王正威

（郑州煤炭工业（集团）有限责任公司 郑州 450000）

0 引言

新密煤田水文地质单元基本构造形态呈一近东西向的复式倾伏向斜，西北部大面积出露的寒武系、奥陶系白云质灰岩低山丘陵区，地表溶蚀裂隙、溶洞、落水漏斗等溶蚀现象发育，直接接受大气降水补给。裴沟煤矿位于荥密背斜南翼单斜及断裂构造水文地质亚区的中部、地下水的径流区内，根据常年观测，区域地下水径流方向由北西向南东为主，补给区到排泄区的水位传递时间近3个月，大气降水是区域地下水的主要补给来源，且造成矿井充水的特征具有明显的季节性变化规律。因此，研究水位与降雨量、涌水量的动态变化规律及差异影响因素对矿井底板水害防治具有重要意义。

1 地下水位变化影响因素

据研究表明，地下水位变化的影响因素主要为大气降水和人工疏排，具体表现在降雨量和矿井涌水量。以2016～2018年度数据分析地下水位变化与矿井涌水量和降雨量的关系（图1）。

图1 影响因素动态变化曲线

1.1 水位与降雨量关系分析

据图1 所示，降雨量具有明显季节性规律，即6至10 月为丰水期，占全年降雨量的82%，11 月至次年5 月为枯水期。丰水期降雨量对地下水的补给量大于疏放量时，水位出现较为明显升高，枯水期补给量小于疏放量时水位下降，降雨量与地下水位变化具有明显的正相关关系。

1.2 水位与涌水量关系分析

矿井主要充水水源为底板灰岩岩溶裂隙水，约占60.6%，矿井疏排是地下水的主要排泄方式。据图1所示，矿井涌水量基本处于稳定且整体呈略微下降趋势，2016～2017 年度在丰水期矿井涌水量出现稍微明显的增大，在枯水期则出现减小，地下水径流导致的水位滞后反应明显；2018 年度矿井涌水量在丰水期和枯水期无较大明显变化，表明地下水的疏放和补给在裴沟矿区内达到了一定程度的平衡状态，自2011年至今水量基本稳定在300m3/h，可以将疏放点看似天然的抽水井，在其周围形成漏斗状水位下降区（图2），距疏放点越近水位下降越大，距井越远水位下降越小并逐渐趋近天然的地下水位。因此，矿区处于以疏放点为中心的承压含水层虚拟承压水水头降落漏斗区。

图2 地下水漏斗区示意图

2 水位传递时间规律

2.1 统计方法

2018 年度属于平水年，以该年度为典型年份研究确定地表降雨补给岩层露头后从补给区到矿区的水位传递时间。采用水位降深斜率曲线叠合法，即单个观测孔相邻日期的水位标高变化以直线斜率体现，在图中0 以下区域代表水位下降，0 以上区域代表水位上升，其绝对值代表水位下降或上升的幅度，与降雨量曲线进行叠合，可以直观表现水位传递时间。以2-补81 钻孔水位变化和全年单日降雨量为例（图3），两种曲线变化趋势具有较高程度的相似性，其中降雨量值在1月10日出现第一个波峰，随之水位变化斜率值在3 月20 日亦出现第一个波峰，以水位变化曲线为基准将降雨量曲线向右推移（图4），两种曲线的波峰、波谷及变化趋势达到了很高程度的叠合，通过两种曲线波峰、波谷的日期叠合可以准确掌握各降雨时段的水位传递时间。

图3 钻孔水位降深斜率值和降雨量值曲线图

图4 两种曲线叠合图

2.2 变化规律

通过矿区内4 个地面观测孔水位与降雨量曲线叠合统计（表1），发现底板灰岩岩溶裂隙含水层的水位传递时间为20～82 天，平均56 天，整体上表现为降雨量越大，水位传递时间越短。

3 时间差异影响因素

表1所示，矿区内各个观测孔的水位传递时间存在差异，为了探索差异的影响因素，通过地下水补给径流排泄与方向、观测孔布设位置、导水构造分布等因素进行分析。

表1 观测孔水位传递时间影响因素统计表

3.1 地下水径流方向

矿区位于荥密背斜南翼单斜及断裂构造水文地质亚区的地下水径流区内，整体地势为北高南低、西高东低，西北部嵩山山脉和青屏山脉大面积出露寒武系、奥陶系白云质灰岩低山丘陵区，为主要的地下水补给区，裴沟煤矿位于径流区中西段，地下水径流方向为自北西向南东。区域地下水从海拔高的区域向海拔低的区域径流，表现为高水位区域向低水位区域传递，由高到低依次是4014、6-补85、付5201、2-补81，具有明显的阶梯性质，随着距离补给边界越远，观测孔水位高度逐级降低，水位传递时间逐级增加，其中6-补85钻孔受其他因素影响程度大于该因素，其水位变化不符合此种规律。

3.2 矿井疏排

矿区中部存在底板集中疏放点，地表降雨对底板灰岩岩溶裂隙含水层径流补给的过程中，由于疏放点的疏排抑制作用，使附近观测孔水位高度出现明显的降低、传递时间明显增长的现象，距离疏放点越近其相关疏放量越大。

3.3 导水构造

矿区内近东西走向正断层发育，井田边界构造均为导水构造，尤其以浮山寨断层及其支断层导水性最强，王家沟断层和苏寨正断层次之，四个观测孔均处于导水构造附近。观测孔附近导水构造越多、导水性越强、距离越近，受降渗补给作用越强，其水位传递时间越短，但该种因素在影响程度上要小于矿井疏排因素。

4 结论

文章探讨了裴沟煤矿底板灰岩含水层水位动态变化规律及影响因素，发现矿区处于以集中疏放点为中心的承压含水层虚拟承压水水头降落漏斗区，含水层补给与矿井疏排达到了一定程度的平衡，降雨量成为矿井水位变化的重要因素。采用水位降深斜率曲线叠合法统计水位传递时间为20～82天，平均56天，整体上表现为降雨量越大，水位传递时间越短。各观测孔水位传递时间差异影响因素有多种，矿井中部底板集中疏放点因素影响程度最高，在径流方向上越靠近补给边界水位越高、时间越短，距离底板疏放点越近水位高度越低、时间越长，导水构造越多、导水性越强、距离越近导致水位传递时间越短。

通过地下水径流水位传递时间结果和时间差异影响因素的应用，为矿区地下水位降深急剧变化提供了分析依据，有助于底板水害水源分析和针对性防治措施制定，从而达到灾害精准确定、快速治理的效果。