河南省禹州市张得矿区水文地质特征

范浩敏，刘华平，李秀丽

(河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南 郑州 450000)

张得矿区位于伏牛山余脉箕山山系的东南部，为淮河流域颍河带状冲积平原，海拔一般为92～100 m，地面坡降为5‰左右。西南部分布有零星岗地，相对高度约50 m、坡度在5°～10°。矿区南为平顶山煤田，北、西为新密煤田和登封煤田。地表被大面积第四系所覆盖。

矿区地层属于华北地层区嵩箕小区，据钻探揭露情况，矿区地层由老至新为寒武系上统长山组、凤山组，石炭系上统本溪组、太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组，二叠系上统上石盒子组、石千峰组，三叠系下统刘家沟组，古近系系及第四系。太原组、山西组、下石盒子组和上石盒子组为矿区区含煤地层，全区主要可采煤层为二1煤。

1 水文地质条件

1.1 区域地下水系统划分

矿区区域上属于禹州矿区岩溶水系，禹州岩溶水系统北部边界是新密岩溶水系统，北部是登封岩溶水系统，禹州岩溶水系统与后者以荟萃山背斜轴及分水岭为界，受荟萃山背斜的阻隔，禹州岩溶水系统与新密、登封岩溶水系统无水力联系，南部边界由元古界老地层构成的地表分水岭、虎头断层和寒武系灰岩1 500 m埋藏深度线共同构成，西部边界由过风口—石羊关断层和地下水分水岭构成，禹州岩溶水系统东部为许昌深埋岩溶水系统，二者以前石固断层为界，受张堂断层、河街断层和许禹背斜的切割或错动，二者灰岩地层只有局部小面积灰岩直接接触，水力联系微弱(图1)。

图1 岩溶水系统分布图

1.2 矿区水文地质边界条件

禹州岩溶水系统以白沙向斜轴为界，可分为白沙向斜北岩溶子系统和白沙向斜南岩溶水子系统。矿区区位于白沙向斜南岩溶水系统的深部迳流和排泄区，该子系统位于禹州岩溶水系统白沙向斜轴南部。西部边界由过风口—石羊关断层和地下水分水岭构成，为隔水边界；北部为白沙向斜轴部，为岩溶水深埋隔水边界；东部边界在石固镇以北以前石固断层为界，按隔水边界处理；南部为景家洼向斜轴部，为本岩溶水深埋隔水边界。

1.3 地表水

矿区属淮河流域，地表水体较发育。主要有颍河、汝河和白灌渠，其中颍河为主干河流，区内支流有吕梁江、小泥河等，兰河为汝河支流。地表水体和二1煤层之间存在多个隔水层，隔水层不仅层数多而且厚度大，可有效阻隔地表水体进入矿坑，因此地表水体对矿床开采几乎无影响。

1.4 地下水的补给、迳流、排泄条件

白沙向斜南岩溶水子系统的补给区位于西北部基岩大面积的出露地带，该区基岩在接受大气降水入渗补给后，沿地层走向、倾向及地形坡降方向向南东方向迳流，天然条件下，地下水在运移过程中受地质构造、地形地貌及岩性差异等条件制约，一部分地下水在适宜地段溢出地表形成泉水，构成天然排泄点；另一部分沿地层走向及倾向向东南方向及地层深部运移和排泄。详查区在水文地质单元中处于迳流和排泄地带，在目前周边矿井开采生产条件下，区内地下水主要以矿井排水、人工开采及迳流等方式排泄。

1.5 主要含水层和隔水层

1.5.1 主要含水层

根据含水层岩性、水力性质、裂隙岩溶发育特征及富水程度与全区可采煤层二1煤的关系，矿区含水层自上而下依次为：

(1)二1煤层顶板砂岩裂隙承压含水层

含水层岩性主要由二1煤顶板至砂锅窑砂岩之顶的细粒砂岩、中粗粒砂岩组成，平均厚70 m。根据ZK2208和ZK1705两孔抽水试验结果，水位标高33.64～51.49 m，渗透系数0.000 872～0.007 29 m/d，单位涌水量0.000 274～0.002 68 L/s·m，水化学类型为HCO3-Na型水，溶解性总固体为731～1 469 mg/L,pH值8.07～8.23水温27℃～30℃。为富水性弱的砂岩裂隙承压水，是二1煤层顶板的直接充水含水层。该段岩石裂隙发育不均一且连通性较差，补给不足。但在断层构造影带响范围内，裂隙比正常地段发育，富水性增强，含水层的连通性相对较好。

(2)太原组上段石灰岩岩溶裂隙水

该含水段在区内由太原组上段L7～L9灰岩构成，顶板距二1煤层底板1.40～23.37 m，平均8.39 m，为二1煤层底板直接充水含水层。根据ZK2207、ZK0506和ZK1706三孔抽水试验结果，该段灰岩含水层厚度1.72～21.34 m，平均厚度11.37 m。水位标高为19.74～106.88 m，渗透系数0.003 81～0.033 1 m/d，单位涌水量0.000 829～0.006 81 L/s·m，水化学类型为HCO3-Na、HCO3-Na·Ca型水，溶解性总固体为540～1 517 mg/L，pH值7.52～9.77，水温26℃～30℃。该段含水层灰岩岩溶不发育，裂隙较发育但多被方解石充填，总体上富水性弱，透水性差。结合钻孔物探资料，在断裂构造影响范围内，形成低阻异常，说明该段岩溶裂隙比正常地段发育，石灰岩岩溶裂隙富水性相对较强，富水性较好。

(3)太原组下段石灰岩岩溶裂隙水

该段含水段为二1煤层底板间接充水含水层，由太原组上段L1～L3灰岩构成，含水层厚度8.72～20.54 m，平均厚度15.47 m，根据ZK2208、ZK1005和ZK1705三孔抽水试验资料，水位标高为44.94～53.44 m，渗透系数0.002 31～0.004 45 m/d，单位涌水量0.000 613～0.001 11 L/s·m，水化学类型为HCO3-Na、HCO3-Na·Ca、HCO3-Ca型水，溶解性总固体为516～601 mg/L，pH值7.52～8.20，水温26℃～30℃。该段含水层灰岩岩溶裂隙不发育且连通性较差，钻孔ZK1006因水量不足而无法进行抽水试验，因岩溶发育不均一，不同地方的富水性差别较大。属弱富水且富水性极不均一的岩溶承压水。相邻梁北二号井田ZK01517钻孔单位涌水量0.036 2 L/s·m，渗透系数0.773 m/d。

(4)寒武系白云质灰岩岩溶裂隙水

该含水层主要由寒武系白云质灰岩、白云岩构成，在区内埋藏深度大于1 000 m，钻孔最大揭露深度83.50 m。根据ZK1706和ZK2207两孔抽水试验资料，水位标高为-8.06～46.50 m， 渗透系数0.009 8～0.041 m/d，单位涌水量0.004 81～0.020 2 L/s·m，水化学类型为HCO3-Na·Ca型水，溶解性总固体为518～528 mg/L，pH值7.43～7.66，水温28℃～58℃。相邻梁北二号井田钻孔抽水试验资料，该含水层单位涌水量0.000 718～0.019 6 L/s·m，渗透系数0.000 75～0.134 m/d。说明该含水层岩溶和裂隙发育不均一，总体上富水性弱，透水性差，在断裂构造影响范围内，岩溶和裂隙均较发育，含水层富水性将会增强。如新龙矿和邻近新峰一矿该含水层成为矿井突水的主要水源。另该含水层易在储热构造和储集单元区(含水层和保温层)形成热矿水，水量较丰富，且水温较高(ZK1706∈3水温高达58℃)，是未来该区寻找热矿水良好的目的层位。

1.5.2 主要隔水层

(1)二1煤层顶部隔水层。隔水地层岩性主要是二叠系泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，总厚200～500 m，隔水层不仅层数多而且岩层厚度较大，不仅阻隔了煤系地层中各含水层间的水利联系，而且隔断了与上覆第四系含水层间的水力联系。

(2)二1煤层底板隔水层。石炭系上统太原组上段含水层距二1煤层底板距离1.40～23.37 m，平均距离8.39 m。主要由炭质泥岩、泥岩、砂质泥岩组成。该泥岩岩石致密，裂隙不发育，透水性差，隔水性能好。但当矿井开拓时，在矿山压力和底板含水层承压水头压力的共同作用下，太原组上段含水层水体可通过二1煤层底板破坏带和底板突破进入矿坑，成为矿坑的直接充水水源。

(3)石炭系上统太原组中段碎屑岩石隔水层。该层为泥岩、砂质泥岩和砂岩构成的复合隔水层。处于石炭系太原组中段L3～L7灰岩之间，厚度16.41～51.82 m，平均厚度30.41 m，分布稳定、连续，具有一定的隔水性，正常情况下可阻隔太原组下段含水层和太原组上段含水层间的水力联系。

(4)石炭系上统本溪组泥岩隔水层。该隔水层位于寒武系含水层和太原组下段含水层之间，主要由铝土质粘土岩、粘土.质泥岩组成。该隔水层在区内层位稳定，分布连续，厚度3.40～16.37 m，平均厚度7.92 m。该岩层岩石裂隙不发育，透水性差，隔水性能好，正常情况下可阻隔上下含水层间的水力联系。由于该层泥岩厚度变化较大，因此对底部含水层的阻隔程度差异较大，底部寒武系含水层具高水头特点，但距离二1煤层底板距离较远，正常情况下对二1煤层开采影响较小，但在断裂构造附近该隔水层连续性遭到破坏，寒武系含水层水体可通过构造裂隙涌入矿坑，成为二1煤层矿坑开采的间接充水水源。

1.6 断层水

矿区内断裂构造发育(图2)，构造发育主要为近东西向、北西向及北东向展布，倾向总体向北的高角度正断层，倾角30°～82°，落差20～650 m，其组成物质主要为断层角砾岩、砂岩、泥岩等，断层影响带内石灰岩含水层岩溶裂隙相对较发育。通过对邻近矿区钻孔资料分析，区内断层有一定的富水性及导水性。

图2 二1煤底板等高线及构造简图

(1)张得断层。张得断层(F1)是矿区内最大的主干断层，东西向贯穿整个矿区且继续向西区外延伸，走向长度区内28.9 km，西段走向东西，倾向北，中、东段走向转为北西西-南东东向，倾向北北东向，倾角40°～70°，断层落差20～650 m，东端被F5断层切割后向东逐渐消失。根据矿区ZK0905钻孔抽水资料，岩性为构造角砾岩，角砾成分为中粒砂岩，呈棱角状、次棱角状，砾径3～15 cm，胶结物为泥质和砂质，厚度约6.71 m，水位标高39.00 m，渗透系数为0.0386 5 m/d，单位涌水量0.006 54 L/s·m，该断层在此岩性段总体上富水性弱，具有导水性。

(2)虎头山断层。虎头断层(F3)位于矿区的北东部，走向北西，走向长度区内6.5 km，北西端延出区外，南东端与F1断层交汇，倾向北东，倾角55～70°，落差自西北至东南100～290 m。虎头山断层在区内未进行抽水试验，根据临近矿区钻孔抽水资料及矿井生产情况：虎头山断层的导水性和富水性无论在垂直或者横向上都不均一，在煤系地层导水性一般较弱，如新峰五矿煤巷遇虎头山断层时未见滴水，而新龙矿对太原组含水层和寒武系含水层岩溶水的强排(疏排标高-550 m)，致梁北井田太原组上、下段及寒武系含水层的水位分别由原来的+140 m左右分别降至-42.22 m、-63.86 m、-92.56 m。由此可见虎头山断层是导水断层。

(3)南关断层。南关断层(F5)位于矿区东北部，区内全长13.6 km，走向北西至北西西，中间切割张得断层，东端与F4断层交汇，北西端延伸至区外，倾向北东-北北东，倾角60°～75°，落差约100～450 m。无论是新生界底部，还是二1煤顶底板含水层以及寒武系含水层，沿南关断层带及两侧富水性均相对较好。岩溶地下水沿南关断层形成一个相对较强的迳流带，因此南关断层可视为一个导水断层。

2 水文地质条件

2.1 邻区生产矿井充水特点

根据收集邻近矿井资料，区内开采二1煤层主要疏排太原组灰岩含水层和寒武系灰岩含水层，各矿井排水量如下。

平禹一矿：矿井涌水以底板充水为主，曾发生49次突水，共造成4次淹井和淹采区事故，2013年排水量为2 172 m3，日排水量52 128 m3。

泉店煤矿：矿井涌水以底板充水为主，矿井建设期间2008年排水量为340 m3/h，2009年投产后排水量为790 m3/h，2010年排水量为850 m3/h，2011年排水量为878 m3/h,2012年排水量为715.5 m3/h，2013年排水量为760 m3/h。

梁北煤矿：矿井涌水以底板充水为主，2008年平均涌水量为1 333.47 m3/h，2009年平均涌水量为1 132.06 m3/h，2010年平均涌水量为1 097.44 m3/h，2013年平均涌水量为1 020 m3/h。

2.2 矿井充水因素分析

2.2.1 充水水源

(1)大气降水。大气降水为矿区浅层地下水及地表水的主要补给来源，区内属大陆性半干旱气候，降水量多集中在6-9月份，占全年的70%，由于本区二1煤层埋藏深度较大，且其上有多个隔水层存在，隔水层不仅层数多而且厚度大，可有效阻隔大气降水进入矿坑，因此大气降水对开采二1煤层影响较小。

(2)地表水。区域内地表水主要有兰河、吕梁江、小泥河、颍河、白干渠五条河渠。河流主要接受大气降水补给，受季节影响较大，丰水期河流流量较大，平水期和枯水期自然流量较小。河谷下距二l煤层大多在500 m以上，对开采二1煤层基本上无影响

(3)地下水。本区大部分第四系含水层未和二1煤层直接接触，但在构造发育部位，第四系底部含水层通过煤系风化基岩带及导水断层带渗透补给，补给量受底部含水层富水性、基岩风化带岩性和渗透性大小及断裂构造的导水性的影响；二1煤层顶板砂岩裂隙发育程度不均一，分布不稳定，富水性弱，部分钻孔水位恢复缓慢，说明含水层以静储量为主，补给水源贫乏，但在断层带附近，砂岩裂隙发育，井巷掘进中储存的砂岩水可能瞬间突水；在开采二1煤时，由于开采深度大、灰岩水头高、泥岩隔水层厚度小，二1煤底板泥岩将因超过其极限强度而破裂，导致灰岩水突入矿坑，太原组上段灰岩含水层成为矿坑直接充水水源；太原组下段及寒武系上统岩溶裂隙含水层虽含水层水头压力大，但富水性弱、不均一，距离二1煤层距离较远且之间有多层泥岩隔水层存在，正常情况下可有效阻隔该含水层水流进入矿坑，但在断层影响带附近，含水层水体可通过断裂破碎带进入矿坑成为矿坑的间接充水水源。

2.2.2 充水通道

(1)天然充水通道。区内断裂构造发育，为高角度正断层，落差变化大，成为矿床的天然通水通道。断层破坏了上、下不同含水层之间的隔水性能，在垂向上沟通了相互之间的水力联系，由原来的间接充水变为直接充水，因水头压力较大，对矿井威胁较大。

(2)人为充水通道。煤矿开采形成的采空区上方顶板岩层失去支撑和平衡后会产生变形，以致破坏，产生冒落带、导水裂隙带和整体移动带，造成上覆含水层地下水进入矿坑；由于煤层开采引起的矿山压力作用，在底板破坏深度范围之内，底板岩层产生大量的裂隙，其连续性和隔水性受到破坏，下伏含水层地下水直接涌入矿坑，成为矿坑直接充水水源。

3 结语

张得矿区二1煤层是以底板充水为主的水文地质条件中等矿床。该煤层水文地质勘查类型划分为第三类，第二亚类，第二型。在开采条件下，煤层底板破坏深度范围内，太原组上段灰岩岩溶裂隙含水层地下水可直接进入矿坑，成为矿床直接充水水源，是矿井事故发生的最大隐患，也是矿井预防突水的主要对象；太原组下段灰岩和寒武系白云质灰岩岩溶裂隙含水层可通过构造破碎带进入矿坑，成为矿床间接充水水源，也应采取相应措施防范突水事故发生。