韩城矿区下峪口井田奥灰含水层水文地质条件分析

罗寿涛，张 欢，祁云望，余文鑫，彭道银

(1.陕西陕煤韩城矿业有限公司地质测量部，陕西 韩城 715400；2.西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054；3.陕西陕煤韩城矿业有限公司桑树坪二号井，陕西 韩城 715400)

奥陶系石灰岩含水层作为韩城矿区其煤系地层基底，是煤层开采中的主要致灾因素之一，尤其是上覆煤层中11号煤层距其最近，影响最大。因此以11号煤层为主采煤层的下峪口井田煤层开采过程中奥陶系灰岩含水层水文地质条件是矿井生产必须首要解决的重点问题。开展奥灰含水层水文地质条件特征分析研究对指导矿井安全生产具有重大意义[1]。本文将从奥灰含(隔)水层特征、水文地质边界条件、补给、径流、排泄条件、水层赋存特征和富水性对下峪口井田奥灰含水层水文地质条件进行分析，最终服务和指导煤炭资源绿色、安全、高效开采。

1 井田地质特征

韩城矿区位于鄂尔多斯盆地东南缘晋西褶皱带与渭北隆起的交汇地带，以文间岭隆起为界，划分为北区与南区[2]，矿区内煤炭资源丰富，主要含煤地层为石炭～二叠系，其中2、3、5、11号煤层为本区主要开采煤层[3]。下峪口井田位于韩城矿区北区，南端与燎原井田接壤，北端与桑树坪井田相邻，东至边浅部煤层露头线。井田内地层总体呈北东-南西向展布，东南边浅部因受强烈挤压，下古生界地层有逆冲现象，含煤地层翘起，呈现直立微倒转状，但由煤层露头向下，煤岩层倾角急剧变缓在15度以下，总体构造框架为一宽缓的向北西方向缓倾的单斜构造，主要构造变形带集中在矿区东南边缘地带多为断裂型的层滑构造、走向近EW向的褶皱、NW向和NE向的小型断裂。地层从老到新有太古界涑水群、元古界震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系及新生界第四系。下峪口井田主要开采二叠系山西组的2#、3#煤层及石炭系太原组的5#、11#煤层[4]。奥陶系石灰岩含水层作为煤系基底，对上覆煤层的安全开采具有很大威胁，是矿井生产过程中的主要致灾因素。

2 奥灰含(隔)水层特征

奥陶系石灰岩层在井田边浅部出露，该岩层历经多次构造破坏作用，直立、倒转、褶曲、断裂(图1)，岩溶裂隙发育，为地下水的储存运移创造了良好条件，地下水以动储量和静储量并存为特征，在矿区边浅部径流带范围内形成了统一的含水体，向井田的中深部，岩层平缓，断裂稀少，岩溶裂隙不发育，富水性变弱，地下水以静储量为主。据钻孔资料分析，奥陶系石灰岩纵向上岩溶裂隙发育具分带性，表现在奥陶系石灰岩岩溶裂隙承压强含水层组由相对隔水层段与几个含水层段复合而成，具有统一的水位高程，是一个非均质的具有多层段结构的复合承压含水体。

图1 韩城矿区地层剖面图[5]

根据井田东南边部的龙王寺沟及禹门口奥灰岩露头、井田内及邻近矿井奥灰岩钻孔揭露的奥灰岩岩性组合、结构特征、裂隙岩溶发育程度，结合邻近矿井抽水试验与井下涌水等资料，将奥陶系石灰岩含(隔)水层共划分为四个组九个段(表1)。其中含水层段分别为峰峰组二段、上马家沟组二、三段，下马家沟组二段，冶里-亮甲山组二段。

表1 韩城北区奥灰系石灰岩含、隔水层段划分一览表

图2 下峪口井田奥灰水文地质图

3 奥灰井田水文地质边界条件

已有研究表明，韩城矿区奥灰含水层的区域径流方向为NEE向，其主要径流条带为边浅部的构造裂隙带，浅部径流条件好，接受的补给量相对丰富。井田西南边界成为井田接受侧向径流补给的导水边界；西北部边界区属于煤层埋藏深部，深部区域径流条件差，地下水流缓慢或滞留，岩溶发育可能较弱；东南部边界虽为人为划定边界，却处于煤层露头带附近，边界外灰岩出露地表，可接受大气降水补给；同时受到断层以及边浅部多个老窑和小煤窑的影响，因此还可能接受老空区积水的补给。因此，东南边界应属于补给进水边界。东北部边界虽然为人为边界，结合区域径流条件的影响(图2)，可认为东北边界为下峪口井田奥灰含水层水补给边界，通过构造断裂带沿NE-SW方向运移。

4 下峪口煤矿奥灰补给、径流与排泄

4.1 补给条件

4.1.1 大气降雨与地表水的补给条件

下峪口井田地下水的主要补给来源为大气降水与地表水体的补给。井田内黄土覆盖厚度较大且分布面积广，加之地形复杂，地表径流条件好，大气降水以面流和片流的形式很快排泄到沟谷流走，仅在基岩露头与裂隙发育段有补给较多，其余地段渗透很小，对地下含水层的补充有限。

下峪口井田内有大小河流2条，其流向大致与地层走向垂直，河流在流经基岩露头处的裂隙和构造裂隙发育段均产生渗漏补给。

4.1.2 奥灰含水层补给条件

井田东南边浅部因受强烈的构造运动挤压，下古生界地层有逆冲现象，地层产状倾角较大，奥陶系灰岩地层由于构造运动大面积出露地表，裸露面积约14.1 km2，是奥灰含水层接收大气降水和地表水补给的主要补给区。由于受NE向断裂和褶皱的影响，山区发育两组倾角大于70°的共轭剪节理，这些纵横交错的节理系统构成大气降水垂直入渗补给山区裸露奥陶系灰岩的通道和储水空间。下峪口井田东部边界外临近黄河侧，地层由于受到构造运动的改造，使奥陶系地层裸露于黄河河谷两侧，在黄河流经奥灰岩出露地段，区内地表水在流经基岩地段有明显的水量漏失，为区内奥灰地下水主要补给途径之一。下峪口井田内无较大河流，但沟谷发育，为河流在流经井田基岩露头处的裂隙和构造裂隙发育段产生渗漏对奥灰含水层进行补给创造了有利条件。因此，下峪口井田奥灰地下水主要补给来源为井田边界东南处F1大断裂处的大气降水的渗入、河流流经灰岩出露地段的渗漏补给和黄河在流经奥陶系地层裸露处的侧向补给。

4.2 径流条件

下峪口井田内奥陶系灰岩含水层中的地下水，径流带位于井田边浅部的地层产状变化最为剧烈的部位，即在构造运动作用下所形成的褶皱破碎带，使层理、节理和断层相互连通，且由于地层产状的剧烈变化，相邻含水层之间可能发生错位，进而相互连通，整个区域内形成了统一的水位(+380 m)。

地下水径流，在浅部运动时，以管道流的形式在岩溶作用形成的通道中运移，渗透系数较大，在中深部运动时，由于水压的作用，径流逆着岩层倾向通过构造运动所产生的裂隙中向边浅部运移，渗透系数较小。

图3 下峪口井田奥灰含水层地下水运动示意图[3]

奥灰含水层抽水试验结果显示，降落漏斗的影响范围于二维平面上，显示为一个长轴方向为南北方向，且长轴远远大于短轴的的椭圆形，表明奥灰含水层在南北方向上的导水性远远强于东西方向，反映出沿下峪口井田奥灰地下水来水方向和导水通道主要为边浅部断层走向方向。

4.3 排泄条件

4.3.1 地下水的排泄

受地形的风化切割，地下水在沟谷地带形成泉水。在采矿疏干含水层之前，地下水主要通过沟谷中泉水进行排泄。由于长期采矿活动，目前采掘影响区内含水层已慢慢被疏干，泉水也逐渐枯竭。

在基岩出露的边浅部，含水层与地表水之间互为补排关系，在雨季这些地方为地下水的补给区，而旱季这些地方会成为地下水的排泄区。采矿过程中井巷、工作面的疏干作用已经成为地下水的另一个重要排泄方式。

4.3.2 奥陶系灰岩含水层的排泄

下峪口井田奥灰地下水无明显的地下水排泄点，分析认为奥灰地下水通过两种途径径流排泄，一为经F1断层在地表河流河谷豁口排于第四系松散层，二是由深部向浅部侧向渗流。近年来对奥灰地下水的开采逐年增大，人工开采地下水成为井田地下水的主要排泄方式，造成下峪口井田奥灰水位的持续下降。

下峪口井田20世纪80年代以前奥灰水主要向黄河排泄，之后由于韩城电厂于70年代末开始投产后，因生产需要，持续以1 000～1 400 m3/h的流量抽取奥灰含水层地下水，由于补给量小于抽水量，致使井田奥灰水位逐年下降，以抽水井群为中心形成降落漏斗。奥灰水位有较大的升幅是由于2011年底韩城电厂停产后，对于奥灰地下水水抽取减少所致，井田的奥灰地下水水位处于恢复之中。

5 奥灰含水层赋存特征

5.1 奥灰含水层分布特征

根据各阶段勘探资料，下峪口井田奥灰整体呈NNW倾斜的单斜构造，仅在井田一采区西南部出现陡立的翘起构造。下峪口井田内钻探普遍揭露中奥陶系统上马家沟组三段，仅部分区域揭露中奥陶统峰峰组二段和峰峰组一段。上马家沟组三段属弱含水层，主要分布于井田边部，且分布面积将最大。峰峰组二段为强含水层，主要分布于井田中部和西北边部。但因在区内缺失严重，连续性和稳定性较差，均不构成主要含水层。

5.2 奥灰含水层水文动态变化情况和渗透性特征

韩城矿区南区和北区之间有天然的阻水构造，是两个相对独立的水文地质单元，两者互不干扰，黄河水不能直接补给到南区奥灰水，但南、北区的水位基本一致。因为南北区的特性，下峪口井田奥灰水水位总体呈现随时间变化稳定-下降-上升-稳定的一个循环过程。井田近年来受到煤矿开采和发电用水等对奥灰含水层的人工影响， 2010年以前，奥灰水平均静水位不断下降至最低约+367 m，2010年之后，奥灰水平均静水位开始上升。

根据下峪口井田水文钻孔的抽水资料，结合井田内奥陶系灰岩分布情况分析可知，随着奥灰埋深的增大，奥灰含水层的渗透性急剧减小。

6 结语

(1)奥灰含水层是一个非均质的具有多层段结构的复合承压水体，含水层段主要为峰峰组二段、上马家沟组二、三段，下马家沟组二段，冶里-亮甲山组二段。

(2)补给来源主要为井田边界东南处的大气降水的渗入和河流流经灰岩出露地段的渗漏补给，沿矿区边浅部断层走向方向是主要的来水方向与主要的导水通道。

(3)含煤地层的隔水层岩性以各类泥岩为主，并夹有弱富水的砂岩、煤层。

(4)随着埋深的增大，奥灰含水层的渗透性急剧减小。