甘肅省寧縣和盛川縣荔堡煤礦區(qū)白堊系洛河組地下水流場(chǎng)及水化學(xué)類(lèi)型分析

甘肅省寧縣和盛川縣荔堡煤礦區(qū)白堊系洛河組地下水流場(chǎng)及水化學(xué)類(lèi)型分析

研究區(qū)位于慶陽(yáng)市南部。地形類(lèi)型主要包括黃土嶺、河谷灘、低山和丘陵。區(qū)內(nèi)蘊(yùn)藏有豐富的煤炭資源。2013年,甘肅煤炭地質(zhì)勘查院在進(jìn)行煤炭詳查設(shè)計(jì)時(shí),借鑒鄰區(qū)高平煤炭詳查區(qū)資料,將本區(qū)水文地質(zhì)條件定為簡(jiǎn)單,水文地質(zhì)勘查工作量也據(jù)此進(jìn)行布置。2015年勘查工作結(jié)束后,對(duì)獲取的資料整理,并與以往背景資料對(duì)比,發(fā)現(xiàn)本區(qū)白堊系洛河組地下水流場(chǎng)及水化學(xué)類(lèi)型發(fā)生了變化。本文對(duì)其變化原因進(jìn)行分析、猜測(cè),認(rèn)為這種變化可能從側(cè)面反映了本區(qū)水文地質(zhì)條件并非簡(jiǎn)單類(lèi)型,未來(lái)礦井建設(shè)、生產(chǎn)過(guò)程中,可能存在一些因素使礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜化,造成礦井突水、冒頂?shù)炔涣嫉刭|(zhì)后果,從而對(duì)礦井排水、支護(hù)等產(chǎn)生影響,希望能為礦井安全生產(chǎn)提供參考。1研究區(qū)域的地質(zhì)和水文條件1.1底部出露下白堊統(tǒng)環(huán)河組勘查區(qū)大部分為第四系覆蓋,僅在溝谷底部出露下白堊統(tǒng)環(huán)河組(K延安組為本區(qū)含煤地層,自下而上可分為3個(gè)巖性段:第一段(J第二段(J第三段(J1.2馬蓮河河流概況區(qū)內(nèi)常年性地表流水有馬蓮河、蒲河、涇河。馬蓮河為慶陽(yáng)境內(nèi)的第一大河流,在慶陽(yáng)市區(qū)內(nèi)流長(zhǎng)366km,整體流向由北向南,年均徑流量4.04×101.3第四系洛河組含水層本區(qū)屬于鄂爾多斯盆地中的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的白堊系含水盆地,屬鄂爾多斯盆地的涇河-馬蓮河地下水流系統(tǒng)。本區(qū)地下水主要儲(chǔ)存在3個(gè)由良好隔水層分隔開(kāi)、水力聯(lián)系弱的獨(dú)立含水層中,從上到下分別是:(1)第四系碎屑巖類(lèi)孔隙潛水含水層(以下簡(jiǎn)稱(chēng)第四系含水層)。由第四系底部河湖相沉積的礫巖組成,分布于黃土塬區(qū),厚度1~3m,為局部含水層,塬區(qū)機(jī)井涌水量25~500m(2)白堊系下統(tǒng)洛河組層狀孔隙承壓水含水層(以下簡(jiǎn)稱(chēng)白堊系洛河組含水層)。平均厚度為398.84m,巖性以下部洛河組紫紅、褐紅色中、粗粒砂巖及紫灰、淺紫紅色厚層狀中-粗礫巖為主,礦化度不超過(guò)2g/L。單位涌水量0.7800~6.6756L/(s·m),富水性強(qiáng)。(3)侏羅系直羅組-煤8頂板層狀孔隙、裂隙承壓水層(以下簡(jiǎn)稱(chēng)侏羅系含水層)。巖性是直羅組粗、中、細(xì)粒砂巖為脆性巖層,發(fā)育有少量裂隙,屬弱含水層。延安組內(nèi)含水層和隔水層呈互層狀發(fā)育,為復(fù)合含水層。這二者構(gòu)成了直羅組-煤8頂板層狀孔隙、裂隙承壓水含水層。含水層平均厚度83.40m,單位涌水量q=0.0040~0.0439L/(s·m),富水性弱,是煤層的直接充水含水層。第四系含水層與白堊系洛河組含水層之間主要是白堊系環(huán)河組隔水層,巖性由淺紫紅、灰綠、黃灰色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及泥巖夾薄層細(xì)粒砂巖組成,全區(qū)均有分布,平均厚度395.63m,隔水性好。白堊系洛河組含水層與侏羅系含水層之間是侏羅系安定組隔水層,由泥巖、粉砂巖構(gòu)成,全區(qū)均有分布,厚9.1~124.48m,為一較好的隔水層。2地下水流場(chǎng)變化根據(jù)《鄂爾多斯盆地地下水勘查研究》(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局,2007年)第二篇中的“白堊系地下水水流系統(tǒng)劃分圖”,本區(qū)第四系潛水的徑流受其局部地形地貌制約,一般流向河谷或溝谷;白堊系洛河組承壓水徑流方向在馬蓮河以西區(qū)域由西北往東南徑流,北部則由北往南徑流,最終向馬蓮河溝谷區(qū)匯集排泄,總體上該區(qū)地下水流向與地表水流向基本一致(圖1)。目前,勘查區(qū)內(nèi)共施工10個(gè)水文地質(zhì)鉆孔,累計(jì)抽水試驗(yàn)20層(次),其中,白堊系洛河組含水層抽水試驗(yàn)4層(次),質(zhì)量均達(dá)到合格及以上。根據(jù)抽水試驗(yàn)成果,繪制了勘查區(qū)西部的白堊系洛河組地下水流場(chǎng)圖(圖2)。從圖上反映的結(jié)果來(lái)看,白堊系地下水流向大體上呈現(xiàn)出由南向北、由東向西的趨勢(shì),與“白堊系地下水水流系統(tǒng)劃分圖”的反映的結(jié)果并不吻合,甚至截然相反。其中,2803孔的實(shí)際水位與預(yù)測(cè)水位差距最大,前者高出約50m。3白堊系洛河含水層礦化度依據(jù)《鄂爾多斯盆地地下水勘查研究》第二篇中的“洛河組地下水礦化度分區(qū)圖”,本區(qū)白堊系洛河組地下水礦化度應(yīng)歸為“1000~2000mg/L”分區(qū)。但實(shí)際上,詳查階段我們采取4組白堊系洛河含水層水樣進(jìn)行測(cè)試(表1)。從表中可以看出,該區(qū)礦化度為728.78~1927.82mg/L,其中2807、X1801孔處的礦化度均小于1000mg/L,與分區(qū)圖的預(yù)計(jì)結(jié)果有所差異?？傮w上比預(yù)計(jì)值低,但又高于第四系地下水礦化度。同時(shí),本區(qū)白堊系洛河組地下水的主要陰離子比例含量也發(fā)生了變化。依據(jù)《鄂爾多斯盆地地下水勘查研究》第二篇中的“洛河組地下水水化學(xué)類(lèi)型分區(qū)圖”所展示的結(jié)果來(lái)看,本區(qū)洛河組地下水應(yīng)歸為“HCO4未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水?dāng)鄬訌谋緟^(qū)已有的鉆探資料來(lái)看,本區(qū)地層沉積韻律清楚,地層分層明顯,含水層之間有相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域隔水層,上下含水層之間連通性差,地下水徑流以順層徑流為主,大氣降水與地下水的混合作用以及不同含水層地下水滲流過(guò)程中的混合作用微弱,各含水層地下水流場(chǎng)、礦化度及水化學(xué)類(lèi)型不會(huì)出現(xiàn)大的變化。但是,本次水文地質(zhì)勘查資料反映的實(shí)際結(jié)果并不與《鄂爾多斯盆地地下水勘查研究》報(bào)告中情況相符。因此,我們認(rèn)為,可能存在以下原因:(1)勘查區(qū)內(nèi)可能存在未被發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)水?dāng)鄬印，F(xiàn)有的斷層全為地震勘查的結(jié)果,鉆探并未發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的工作量及方法還無(wú)法完全查明斷裂帶的導(dǎo)水性能,不排除尚未發(fā)現(xiàn)的斷層可能導(dǎo)水。2803孔白堊系洛河組地下水水位實(shí)測(cè)標(biāo)高為1031.11m,侏羅系地下水水位實(shí)測(cè)標(biāo)高1037.21m,二者較為接近,極有可能是導(dǎo)水?dāng)鄬訙贤税讏紫德搴咏M含水層與侏羅系含水層,使侏羅系地下水流向白堊系,從而使白堊系洛河組地下水流向發(fā)生變化。(2)部分鉆孔可能存在封閉不良的現(xiàn)象。2011-2015年,區(qū)內(nèi)普、詳查共施工211個(gè)鉆孔,終孔層位均為煤8-2層底板以下30m或進(jìn)入富縣組、延長(zhǎng)組,均按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了全孔封閉?，F(xiàn)場(chǎng)選取了一部分鉆孔進(jìn)行了啟封,并采取了封孔水泥樣作力學(xué)實(shí)驗(yàn),尚未發(fā)現(xiàn)異常。但由于鉆孔封閉是隱蔽工程,無(wú)法做到所有鉆孔都進(jìn)行全孔封孔質(zhì)量檢查。同時(shí),由于鉆孔地理位置的差異(河谷區(qū)鉆孔易涌水,封閉難度較塬區(qū)鉆孔大),施工工藝與設(shè)備的差別,這些因素致使各孔封孔質(zhì)量有所差異,可能存在封閉不良的鉆孔?？赡艽嬖诜忾]不良的鉆孔可能揭穿了白堊系洛河組含水層和侏羅系含水層之間、白堊系洛河組含水層與第四系含水層之間的隔水層,侏羅系地下水或第四系潛水越流進(jìn)入白堊系洛河組含水層,從而改變了白堊系地下水水位及水化學(xué)類(lèi)型。例如,區(qū)內(nèi)的2807孔、X1801孔處的白堊系洛河組地下水礦化度高于第四系潛水,但又低于1000~2000mg/L的預(yù)計(jì)值,可能原因是鉆孔封閉不良,第四系潛水進(jìn)入了白堊系,使其礦化度降低,水化學(xué)類(lèi)型也發(fā)生改變。5覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)侏羅系含水層是煤層頂板直接充水含水層,但水量小,容易疏干。白堊系洛河組含水層水量豐富,未來(lái)礦井建設(shè)與開(kāi)采中,白堊系洛河組含水層與侏羅系含水層是否聯(lián)通是礦井防水工作的關(guān)鍵。本區(qū)導(dǎo)水裂隙帶最大高度的計(jì)算采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中規(guī)定的方法,煤層傾斜程度為緩傾斜,煤層頂板天然抗壓強(qiáng)度大都在20~30MPa,堅(jiān)硬程度為中硬。根據(jù)該規(guī)程,冒落帶采用如下公式計(jì)算:導(dǎo)水裂隙帶最大高度計(jì)算公式:式中:HHM——累計(jì)采厚,m,當(dāng)下部煤層的冒落帶進(jìn)入上部煤層時(shí),M值為上下煤層厚度之和。煤分層數(shù)n等于煤層厚度除以8m并向上取整。依據(jù)上述公式按鉆孔逐孔計(jì)算了4層可采煤層煤2-2、煤5-1、煤6-2、煤8-2層的導(dǎo)水裂隙帶最大高度和冒落帶最大高度。計(jì)算結(jié)果表明,煤2-2、煤5-1、煤6-2、煤8-2層在開(kāi)采后,達(dá)不到下白堊系洛河組含水層底界。如果僅從單孔導(dǎo)水裂隙帶高度來(lái)看,白堊系洛河組地下水無(wú)法進(jìn)入礦井,礦井直接充水含水層是侏羅系含水層,水量較小,對(duì)礦井威脅不大。但是,由于區(qū)內(nèi)可能存在尚未發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)水?dāng)鄬雍头忾]不良的鉆孔,礦井開(kāi)采過(guò)程中,導(dǎo)水裂隙帶隨時(shí)有可能和導(dǎo)水?dāng)鄬勇?lián)通,成為白堊系洛河組地下水或第四系潛水進(jìn)入礦井的通道,使礦井水文地質(zhì)條件瞬間復(fù)雜化。尤其是白堊系洛河組地下水,抽水試驗(yàn)測(cè)得的涌水量最大超過(guò)150m同時(shí),根據(jù)已有的巖石力學(xué)測(cè)試資料,本區(qū)內(nèi)煤層頂、底板巖石均堅(jiān)固性屬不堅(jiān)固-中等堅(jiān)固巖石,巖石完整性極差-好,堅(jiān)硬程度屬軟巖-較軟巖。軟化性上屬軟化巖石,煤層直接頂、底巖體質(zhì)量等級(jí)以Ⅲ-Ⅳ類(lèi)為主,間接頂板巖體質(zhì)量等級(jí)也以Ⅲ-Ⅳ類(lèi)為主,局部地段為Ⅴ類(lèi),巖石穩(wěn)定性差。煤層埋藏深自地表以下達(dá)945.42~1594.98m,平均1288.98m,井巷巖石自身所受地應(yīng)力高。未來(lái)開(kāi)采時(shí),巖石變形產(chǎn)生的裂隙穿透頂?shù)?、板巖石,造成地下水滲入,一旦白堊系洛河組地下水經(jīng)由導(dǎo)水?dāng)鄬踊驅(qū)严稁聺B,導(dǎo)致巖石強(qiáng)度大幅度降低,圍巖整體穩(wěn)定性降低,將大大加劇巖石冒頂、片幫、垮落等不良地質(zhì)現(xiàn)象,甚至發(fā)生巖爆等問(wèn)題,會(huì)對(duì)井巷的施工和維護(hù)產(chǎn)生大的危害。鑒于上述分析,我們認(rèn)為,首先應(yīng)在礦井生產(chǎn)過(guò)程應(yīng)該增加資金投入,提升防水、