（地质工程专业论文）宿南矿区第四含水层水文地质特征研究.pdf

宿南矿区第四含水层水文地质特征研究 摘雯 安徽省宿南矿区新生界松散层中第四含水层( 简称“四含”) 与煤系地层直 接接触，“网含”水严重威胁着浅部煤层的安全开采，它是合理留设煤岩柱的一 个重要影响因素，因而，对“四含”水文地质特征进行全面、系统的研究具有重 要的意义。本文首先在查阅国内外有关防水煤岩柱留设、新生界底部含水层的 研究现状以及地下水研究方法的基础上，系统地分析了“四含”水文地质特征， 包括地下水动态特征、水文地质单元的分析与概化，并建立了宿南矿区“四含” 水文地质概念模型和数学模型，运用国际先进的v i s u a m o d f l o w 4 0 软件分别 对祁东矿和桃园矿的水文地质参数进行识别；其次，利用识别后的“四含”模 型，模拟计算了不同疏放方案下祁东煤矿与桃园煤矿“四含”地下水流场的变 化特征，此外，运用解析法对祁南煤矿“四含”进行分析与计算，为正确评价 “四含”不同范围内的富水性特征提供了依据；再次，分析了“四含”沉积相 与富水性之问关系，结合疏放性评价及模拟计算结果，将“四含”的富水性分 区划分为弱、中等、强三个等级：最后，分析了矿区不同突水含水层的水化学 成分，运用模糊识别的方法对突水水源进行判别，并且提出了“四含”水防治 方法。 关键词：第四含水层；水文地质特征；数值模拟：富水性；沉积相；水源判别 宿南矿区第四含水层水文地质特征研究 a b s t r a c t t h ef o u r t ha q u i f e ro fc e n o z o i cs t r a t a ，n a m e da s “4 t ha q u i f e r ”，c o n t a c t sw i t h c o a l - b e a r i n gs t r a t ai ns u n a nm i n i n ga r e ai nt h en o r t ho fa n h u ip r o v i n c e “4 t h a q u i f e r i sd a n g e r o u st ot h es a f e t ym i n i n go ft h es h a l l o wc o a ls e a m s ，w h i c hh a s i m p o r t a n ti n f l u e n c eo nr e s e r v i n gt h eh e i g h to ft h er a t i o n a lc o a l - r o c kp i l l a r s s o ， r e s e a r c h i n gh y d r o g e o l o g i c c h a r a c t e r i s t i c so f “4 t h a q u i f e r s o u n d l y a n d s y s t e m a t i c a l l yi sv e r yi m p o r t a n t f i r s t l y , b a s e do nr e f e r r i n gt oal o to fl i t e r a t u r e s i n v o l v i n gt h eb o t t o ma q u i f e rr e s e a r c h e sa n dt h es t u d i e dm e t h o d sw h e nd e t e r m i n i n g t h e h e i g h t o fa n t i - g r o u n d w a t e rc o a l r o c kp i l l a r si no u rc o u n t r ya n da b r o a d ， h y d r o g e o l o g i c c h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l y ，i n c l u d i n gd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fg r o t m d w a t e ra n dt h eh y d r o g e o l o g i cu n i to ft h ei n v e s t i g a t e da r e a m o r e o v e r , h y d r o g e o l o g i cc o n c e p t i o n m o d e la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f 4 t h a q u i f e r a r eb u i l ti nt h i sm i n i n ga r e a t h ei n t e r n a t i o n a la d v a n c e ds o f t w a r ev i s u a 】 m o d f l o w 4 0i su s e dt oi d e n t i f yh y d r o g e o l o g i cp a r a m e t e r so f “4 t ha q u i f e r i nq i d o n g m i n ea n di nt a o y u a nm i n e s e c o n d l y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e li d e n t i f i e di su s e dt o f o r e c a s td y n a m i c a lc h a n g e so f 4 t ha q u i f e r w a t e rt a b l ei nq i d o n gm i n ea n d t a o y u a nm i n eu n d e rt h eb u m p i n go fg r o u n d w a t e ra b o v et h ec o a ls e a m b e s i d e s ，t h e a n a l y t i cm e t h o di su s e dt oa n a l y z e “4 t ha q u i f e r w a t e ri nq i n a nm i n e t h ef o r e c a s t r e s u l t sp r o v i d eab a s i sf o ra c c u r a t e l ye s t i m a t i n gw a t e r e n r i c h m e n ti nd i f f e r e n ta r e a s t h i r d l y , b a s e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e d i m e n t a r yf a c i e sa n dw a t e r e n r i c h m e n t o f “4 t ha q u i f e r ”a n dt h es i m u l a t e dr e s u l t su n d e rd i f f e r e n ts c h e m e so fp u m p i n gw a t e r u n d e rt h em i n e ，t h em i n i n ga r e ai sd i v i d e di n t os e c t i o n sa b o u n d i n gw i t hg r o u n d w a t e r m o s t l y , p a r t i a l l ya n dr a r e l y f i n a l l y , h y d r o c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fd i f f e r e n tw a t e r r e s o u r c e so fi n r u s ha q u i f e r sa r ea n a l y z e di nt h i sm i n i n ga r e a f u z z yp a t t e r n r e c o g n i t i o nm e t h o di su s e dt od i s t i n g u i s hd i f f e r e n tw a t e rs o u r c e so ft h ei n r u s ha n d 4 t ha q u i f e r w a t e rp r e v e n t i o nm e t h o d sa r ep u tf o r w a r d k e yw o r d s ：t h ef o u r t ha q u i f e r , h y d r o g e o l o g i cc h a r a c t e r i s t i c s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， w a t e r - e n r i c h m e n t ，s e d i m e n t a r yf a c i e s ，d i s t i n g u i s h i n gd i f f e r e n t w a t e rs o u r c eo fw a t e r i n r u s h y 7 7 6 7 s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞徵堡王盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：协u 撼矽午签字日期：p 彤年6 月7 日 学位论文版权使用授权书。 本学位论文作者完全了解塞徽堡三盔堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞邀垄王 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：9 也甏谚 签字曰期： 州年6 月z 日 导师签名：多智羔每 签字日期：撕盯年6 月v 日 宿南矿区第四含水层水文地质特征研究 1绪论 1 1 选题目的与意义 煤炭是我国的基础工业，然而特殊的地理环境决定了我国煤矿水文地质条 件的极其复杂性，我国煤炭资源的开采受水害的威胁严重”3 。我国很多矿区松散 层和煤系地层直接接触，松散含水层直接覆盖在煤系地层之上，在进行一水平开 采时，底部含水层( 简称“底含”) 水成为煤层安全开采的重大隐患之一。要防 治水害，就必须查明突水水源、堵塞突水通道。留设安全的防水煤岩柱就是一 种防治“底含”突水的有效方法。 但是，一方面煤岩柱如果留设过大，会造成大量煤炭资源积压和浪费；另 一方面煤岩柱高度留设过小，又起不到防水、防砂的作用。在留设防水煤岩柱 时，主要依据煤层开采后上覆基岩裂隙发育的高度值的经验公式设计煤岩柱高 度，目前，煤岩柱一般都按照建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压 煤开采规程进行留设，这些规定主要是从宏观的地质条件和采矿角度出发， 着重考虑煤层采动对上覆岩层的影响。事实上，按照规程留设煤岩柱高度，仍 会造成矿井突水，如安徽省皖北矿务局的祁东煤矿，2 0 0 1 年1 1 月2 4 同3 2 2 2 工 作面上方发生了新生界“底含”的突水事件，造成严重的淹井事故，损失近七 千万元“1 ；相反，在充分弄清水文地质特征基础上采用无防水煤岩柱开采却获 得了成功，如安徽省淮北矿务局的芦岭煤矿“8 1 0 采区”。1 。其原因是不同矿区 范围内地质、采矿条件是千变万化的。安全煤岩柱留设不仅与煤层上覆基岩的岩 性、结构和拟采用的采煤方法有关，还与新生界底部松散层含水层的赋存条件和 富水性有关。 宿南矿区在实际开采过程中，发生了多起“底含”突水事件( 宿南矿区“四 含”与“底含”对应) ，其中较为严重的两起为：一是祁东煤矿于2 0 0 1 年1 1 月2 4 曰3 2 2 2 工作面上方新生界第四含水层( 简称“四含”) 突水造成淹井事故； 二是2 0 0 2 年1 1 月1 0 ，桃园煤矿因1 0 2 2 工作面开切眼上部“底部流砂层”馈 入巷道，造成人员伤亡事故。研究区内多年的开采实践表明，对于不同开采范 围内留设的煤岩柱类型、煤岩柱高度的尺寸，目前尚无统一的标准，其原因是 “底含”富水性对于合理的煤岩柱留设具有相当大的影晌，不同矿区“底含” 的富水性存在很大的差异，而“四含”形成时期的沉积特征与富水性程度之间 又有着密切关系。因此，在确定合理的煤岩柱类型和尺寸时，应该充分考虑到 松散层底部含水层的赋存条件和富水性，即“底合”的水文地质特征。 本论文正是从这一目的出发，以宿南矿区为研究对象，结合安徽省“十 血”科技攻关课题( “宿南矿区松散层四含水文地质条件分析及开采对 策研究”( 编号：0 2 0 l30 55 ) ) 的子课题“宿南矿区松散层“四含”水文 地质条件分析与评价研究”，为解决宿南矿区第一水平开采时“四含”水的防治 宿南矿区第四含水层水文地质特征研究 问题和煤岩柱高度的合理留设问题，重点研究宿南矿区范围内“四含”水文地 质条件及含水层的富水性特征，为宿南矿区确定煤岩柱留设类型及其合理高度 的酵设提供基础性研究 1 2 国内外研究现状 1 2 1 矿区“底含”研究现状 在矿井开采过程中，对水害分析与防治，研究区的富水性是主要评价对象 之一，以前研究多数集中在灰岩水和煤系地层水方面“”1 ，体现在对区内含水 层本身的评价及补给、径流与排泄情况的分析，而对煤系地层之上的松散含水 层，研究不是很多，尤其是与煤系地层接触的底部含水层。近几年来，有些学 者在研究新生界“底含”对于第一水平上覆煤岩柱留设的重要意义”上， 充分考虑了新生界的“底含”、风化带水文地质特征，而且还提出运用相似模拟、 数值分析、建立耦合模型等方法“”“”3 ，来确定不同煤岩柱类型及其高度的留 设方案。但是，人们常常因同一地质单元，如一个向斜或背斜，或二者组合等， 因留设煤岩柱高度的不同尺寸，没有一个统的清晰认识而困惑不解。有人强 调“，要从一个基本的问题出发，即在受构造作用影响，后期又经风化剥蚀作 用形成的古基底( 古地形) 基础上所形成的“底含”的沉积相及其富水性特征 在空间上的展布范围，以及两者之间的相互关系来考虑这些问题，只有弄清 个相当范围内“底含”多孔介质的沉积相及其水文特征问题，才能圈定煤岩柱 留设类型，力能为留设安全合理煤岩柱高度提供基础地质保障。 有些学者研究发现“5 “”，影响“底含”的发育因素与多孔介质的富水性 之间存在较为密切关系，是否会发生充水主要与煤层露头上方新生界直接充水 含水层的形成时期的沉积环境、垂直上的岩性组合、富水性程度等有关，所以 必须重视“底含”沉积特征基础地质工作以及与其富水性之间关系分析与研究， 咀便给合理的、安全的煤岩柱高度留设提出综合研究思路与方法“。 不同国家防水煤岩柱的留设各不相同。在海下采煤方面，英国、日本，加 拿大、澳大利亚和智利等国家回采上限的确定主要是根据多年的生产经验“， 如日本规定，一般留l o o m 作为防水煤柱：英国所留的上覆岩层最小厚度为1 0 5 m ， 其中必须有6 1 m 厚并夹有页岩的含煤地层，允许最大采厚为1 7 m ( 深厚比为6 2 ) ； 前苏联规定在有隔水层( 第四系粘上层大于2 倍采厚) 存在的情况下，防水煤 柱高度取2 0 4 0 倍采高，否则，根据覆岩中不同性质的岩层所占比例大小可取 2 0 6 0 倍采厚；美国规定安全采深为6 0 倍采厚。在地表河流、湖泊及含水松散 层下采煤方面，前苏联、波兰、英国和美国等国，安全采深仍是采用经验值， 如波兰规定所留设的防水煤柱为开采煤层厚度的8 倍，煤岩柱的最小垂直厚度 定为2 0 m “； 近年来，通过对淮南、淮北矿区以及我国中东部地区开采上限高度合理留 设研究中发现，对于隐伏式煤田，开采上限的研究已涉及到沉积学、水文地质 2 宿南矿区第四含水层水文地质特征研究 工程地质学及采矿学等多门学科和多种技术交叉与综合”“”o “。只有对覆岩裂 隙发育规律、岩性结构特征、覆岩之上含水层形成的沉积环境、地下水动力场 及其含、隔水层性质等多种因素的综合考虑与分析，才能确定既安全又尽可能 回收煤炭资源的防水煤岩柱高度。 1 2 2 研究方法的现状情况 研究宿南矿区“四含”水的性质，除了对其条件进行评价外，还采用水文 地质方法对此进行评价与分析。目前，水文地质领域所用的方法主要有：水均 衡法、解析法、数理统计方法、系统理论分析方法和数值法。 水均衡法在水文地质领域有较广的应用，主要是利用水量平衡原理，建立 水均衡模型、进行水均衡分析以及水位动森预测。“”。”。”。6 2 ”“”“。水均衡法 主要适用于水文地质参数和开采程度比较均匀的地区，这种方法要求全区域内 有关降雨和灌溉入渗补给、蒸发消耗、给水度等水文地质参数均采用统一的数 值，其计算结果反映了全区的平均情况，因此，其适用性受到一定限制，对不 同部位地下水的变化存在显著差异的区域则会出现较大误差3 。 早在1 8 5 6 年，达谫通过长期实验得出了著名的i ) a r c y 定律，1 9 3 5 年，美国学 者泰斯又在理想条件下建立了承压水非稳定流计算公式，并得出著名t h e i s 公式 。“，从此，解析法得到了长足的发展，如用解析法预铡涌水量”。“、求解水 文地质参数”“”“”7 ”、进行地下水资源评价”以及含水层的井流计算”“等。 在用解析法进行计算时，通常要基于一些假设条件，如均质各向同性、隔水底 板水平、无限侧向延伸等，但是实际的水文地质条件比解析法所假设的条件要 复杂的多，因此解析法对于大范围的含水层系统不是很适用。 数理统计法有一元线性回归、多元线性回归方法等，用数理统计进行计算 时，首先应建立其经验函数，然后进行检验，检验之后的数学模型才能运用于 实际。在我国1 9 6 6 年以前，已有少数地质工作者做过些数理统计方面的应用 工作，1 9 6 9 年以后，这方面有了较快地发展，在国外，特别是一些技术发达的 国家，这些方法的应用已相当普遍，如1 9 6 3 年，美国c f 梅里亚姆( m e r r i a m ) 运用趋势面分析解决构造问题；加拿大西安略大学地质系于1 9 6 8 年建立了 s a f r a s 地质数据系统等“。目前在水文地质领域也有广泛的应用，如范鹏飞利 用水均衡方法并结合数理统计方法，建立地下水演化模型并预测水资源盈亏情 况“；赵军利用数据样本统计分析小凌河水质中污染物浓度与其沿岸地下水水 质的污染物浓度的相关关系“”等等。 系统分析的方法在水资源中的应用始于5 0 年代的美国，受现代科学技术发 展的影响，随着系统论，计算理论，新技术的创立和应用，人们用系统分析的 方法对水资源问题进行了深入的理论研究和工程实践，取得了丰硕的理论成果 和实践经验，提出了一系列模型、理论方法。如：模糊理论、灰色系统理论、时 问序列分析、线性规划、多目标多阶段规划等，其后又出现了以g 1 s 为核心的水 宿南矿区第四含水层水文地质特征研究 资源管理决策支持系统。随着这些理论不断发展，充实和完善，对地下水的研 究产生了深远的影响，大大丰富和突破了传统地下水科学的研究范围”1 ”。”3 。 由于解析法等难以描述非均质含水层中和复杂条件下的地下水运动规律， 而且随着电子计算机的出现、快速发展和应用，从二十世纪六十年代起，数值 法丌始得到推广“，数值法主要有：有限元法、边界元法和有限差分法，数值 法的出现，使非稳定流解析法计算中难以解决的复杂条件下的水文地质计算问 题得以解决。到了二十世纪八十年代，随着地下水流动问题数值方法的专著的 出版后，数值方法在水文地质中得到了快速的发展，但主要为一维流和二维流 ”，到了九十年代，国内对三维流的探讨和研究逐渐增多”“”“；在国外，三维 流发展迅速，也开发研制了很多应用系统软件，如g m s 、v i s u a lm o d f l o w 、 v i s u a l g r o u n d w a t e r 、p h r e e q c 、h s t 3 d 、t n t m i p s 等”“。其中v i s u a lm o d f l o w 主 要采用的是有限差分法原理，在国外应用已相当普及，主要涉及的内容包括建立 地下水模型。4 “3 ，预测地下水水位、水质变化”7 ”删。”以及污染物溶质运移方 面“”“，建立地下水与地面沉降耦合模型，预测地面沉降方面”“。国内，虽然 起步较晚，但运用也较多，主簧为预测水位的变化情况”“”、污染物溶质运移 方面“”1 ，近几年，v i s u a lm o d f l o v 也用于矿区地下水的模拟，但目前运用于 煤层顶板、底板突水以及新生界“底部”含水层模拟计算较少，武强运用v i s u a l m o d f l o w 对回采工作面涌水量以及采前预疏放方案进行预测”7 “1 。 1 3 研究内容及技术路线 13 1 研究主要内容 “四含”地下水文地质条件分析 分析宿南矿区自开采以来，含水层水位的动态变化特征，重点为“四含” 在突水过程中，宿南矿区及其周边地下水水位的动态变化，确定“四含”在平 面上的变化特征，同时分析“四含”与其它含水层之间的关系以及水文地质单 元的确定； “四含”模型的识别验证与疏放性评价 利用抽水试验资料及“四含”突水时的观测资料，运用数值计算的方法， 对不同矿井的“四含”参数进行识别，并用识别后的模型对“四含”疏放过程 中的地下水水位变化进行预测，同时运用解析法对祁南矿的疏放性进行分析， 以此对研究范围内的“四含”富水性特征进行评价； “四含”的富水性研究 利用沉积物结构特征、厚度分布特征、沉积物中的特征矿物，并利用测井 曲线，结合古地貌特征，综合分析对比，在划分不同沉积相的分布范围的基础 上，确定富水性与不同沉积相之间的对应关系，结合数值模拟结果，确定“四 含”富水性分区； 不同含水层的水质特征分析，运用p i p e r 三线躅、模糊数学理论对突水含水 4 宿南矿区第四含水层水文地质特征研究 层的水源进行判别以及“四含”水害防治； 1 3 2 研究技术路线 依据“四含”以上研究内容，在查阅国内外关于水文地质研究的基础上， 有针对性地收集研究区内基础地质资料，包括以往钻孔岩芯的大量资料、现场 的岩芯地质资料，相邻矿井及研究区内各煤矿的水文地质资料等。通过对岩芯 样品的处理、统计与分析、模拟计算，得出研究区内“四含”沉积相与富水性 之间的关系、各矿“四含”的富水性特点，并结合水化学资料分析，对突水水 源进行判别分析，为安全开采提供了基础研究保障。 其研究技术路线如图卜l 所示。 图卜1 研究技术路线图 5 宿南矿眨第四禽水层水文地质特征研究 2 宿南矿区地质背景及含水层特征 2 j 研究区概况 2 1 1 自然地理概况 宿南矿区位于安徽省宿州市南 部的淮北平原，和淮北市、怀远县 和固镇县相邻( 图2 1 ) ，矿区内有 三对矿井：祁东煤矿、祁南煤矿和桃 园煤矿。 矿区属淮河流域，在区内有淮 河支流浍河从矿区流过，通航民船， 流量不稳定，随季节影响变化大， 常年有水。浍河自西北向东南注入 淮河和洪泽湖。历年最高洪水位 + 2 4 5 m ，对矿坑及矿区建设影响不 大。 本区气候温和，属北温带季风 区海洋大陆性气候。气候变化明 显，四季分明，冬季寒冷多风，夏 季炎热多雨，春秋两季温和。据宿 图2 - 1 宿南矿区地理位置图 州市气象局1 9 8 0 1 9 9 8 年观测资料，平均气温1 4 6 c ，最高气温4 0 3 ， 最低气温一1 2 5 c 。年平均降雨量7 5 6 m m ，雨羹多集中在7 、8 月份。 2 1 2 地层概况 宿县矿区位于淮北煤田的东南缘，在地层区划分上属于华北地层区鲁西 地层分区徐宿小区。本区地层出露甚少，多为第四系冲、洪积平原覆盖。区内 所发育地层由老到新层序为青白口系( z 。) 、震星系( z ：) 、寒武系( ) 、奥陶 系( 0 。+ 。) 、石炭系( c 。) 、二叠系( p ) 、侏罗系( j ) 、白垩系( k ) 、上第三系 ( n ) 和第四系( 0 ) 。据安徽省地矿局编写的区域地质调奁报告有关资料，如 表2 一l 所示。 6 蔷斟窀冈潞醇跨*和六对藩濠辞龠章爵 挑- l 冈 薅 薛 蹄 卅 期陪舛7期恃口卜r翔降丹翔睁鼙 翔 e l 嚣 糌 洲爵滑溺疑，鹊蹲。潲姻弃 襄 屠 t i 烈 7 丑寻h 一 露 萎基 1 盯 龄 瀑龄辩潜蚺游龄 广广n 监 冀冀薰 醅 * 汁 量爿k 酋 础州 离 辅淘角卧 譬塞 姑衄已冲 e 监益龄吨益鉴监监 鞋 醢一 监 p pp 尹 on 弗 峄骂霉 h 矗譬= g 痂 。 x 甲 薹善 o涵 舌譬gg 若 88 g = o i 。 g v o 卫辩辩毋盎料寄嚣 群辩寄蘑燎粤耸薜 却蛀妊输海衄 试 鸯妊蝻 妊痢 量南 枣 斗 刑 7 7 和辞77 眺。嘧 。 州 海雌 削e 广寄 罄。 | | | | 箭斟嫠 ， 高 。毋 沛 姑淘淘瞥雌滑雌麓箭群时 裂 7 剐 ) 量i 群旧臻。蛀她* 科f箭雌蛀姚 丽簿 埒 j 煳 姚7 弗棼 嚣 潞7 箭箭箭 羹霎 封址尊蔓蚝 颡 替 对雌 古i 潍蛀 ， 沛 潮雠。峨 裁进博谇 。灌冽湘 中音 辩 北 鬯 蛀 沿稀 蛀 阚h薛 鎏茬蓁 嘧和 。如 面妻 蘸 薅 薛岛滴 襄鎏术亡i e 蒜 雌l i 珂 弗 a 辩 1 群 渤姚 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。两翼较为平缓，东翼较陡，南翼平缓，并发育与地层走向大体一致的次 缀褶曲构造。该向斜受北北东向断裂所控制，含煤岩系的基底多由奥陶系中 下统组成。 图2 - 2 研究区构造纲要示意圈 2 2 研究区各含水层特征 研究区为隐蔽式井田，根据研究区地层岩性和含水层赋存空间的分布情况， 可分为三个含水层系统：新生界松散孔隙含水层系统、煤系裂隙含水层系统和 碳酸盐岩类裂隙、溶隙含水层系统。 2 21 新生界松散层类孔隙含、隔水层 含水层特征 宿南矿区第四含水层水文地质特祉研究 受占地貌及沉积环境地控制影响，在本矿区范围内，新生界松散层孔隙含 水层组，共分为三个隔水层和四个含水层，其剖厦岩性变化如附图2 一l 、2 - 2 、 2 - 3 所示，剖面线选取东西方向两条，南北方向一条，如图2 - 3 所示。 “、cr 焉一面。 。 图2 - 3 宿南矿区剖面线位置 第一含水层为潜水含水层，接受大气降水的入渗补给。厚度在1 5 3 0 m 之 间。该层岩性以粉砂、粘土质砂、细砂组成，夹粘土和砂质粘土6 8 层。富水 性中等到强富水，单位涌水量为0 1 5 3 5 l s m ，渗透系数为1 0 3 8 6 7 m d ， 水质类型为h c q ，一n a m g 型水。 第二含水层，由浅黄色细砂、粉砂及粘土质砂组成，厚度为l o 6 0 m ，中间 夹1 5 数层粘土层，富水性中一强，单位涌水量为0 1 3 l s 1 i t ，渗透系数为 0 9 2 l o 9 5 m d ，水质类型为h c o ：。s o 。一n a c a 、h c o j n a c a 型水。 第三含水层，厚度在1 7 6 8 0 r a 变化之间，富水性中等，单位涌水量为0 1 4 宿南矿区第四含水层水文地质特征研究 3 1 2 1 l s m ，渗透系数为0 5 1 3 5 4 7 m d ，水质类型为s o 。h c o ：；- n a c a 、 h c o 。s o 。一n a c a 型水。 第四含水层，又称“底含”，是本次研究的重点，它直接覆盖在煤系地层、 太原组狄岩和奥陶系灰岩风化露头之上，厚度变化较大，研究范围内“四含” 厚度在o 5 9 i m 之问。单位涌水量在0 0 0 0 2 4 2 6 3 5l s m ，渗透系数0 0 0 l1 2 0 m d ，水质类型为s o 。h c o 。一n a c a 、h c o 。c 1 一n a c a 型水。该层由于受第三隔 水层阻隔，使其接受上部含水层补给量较少，因而以静储量为主，尽管煤系地 层的基岩风化带的泥土充填了风化裂隙，但在进行浅部煤层开采时，往往会因 水害而威胁矿井安全生产。 隔水层特征 与上面四个含水层对应的隔水层分别为一、二、三隔水层。它们主要由粘 土、砂质粘土、钙质粘土组成，厚度1 3 1 5 8 m ，分布稳定，粘土塑性指数为1 9 3 8 ，隔水性能好，尤其是第三隔水层，不仅单层厚度大，可塑性强，且塑性指 数2 l 3 8 ，膨胀量近1 3 7 ，因此，隔水性能较好，它直接阻隔了地表水、第 一、第二、第三含水层与“四含”之间的水力联系。 2 2 2 煤系砂岩裂隙水 煤系地层的砂岩裂隙含水层，由于受构造运动和风化作用的影响，在煤系 地层中，形成了不同程度、各向异性的裂隙，主要分布于3 煤、7 煤、8 煤和1 0 煤层的顶、底板砂岩中。3 煤层砂岩含水层的厚度为2 0 6 0 m ，单位涌水量 0 0 2 0 8 7l s m ，富水性弱，其渗透系数为0 0 2 3 2 6 5 m d ，水质类型为s o 。 c a n a 、h c o 。c l n a c a 型水；8 煤层底板砂岩单位涌水量为0 0 0 2 2 - 0 12l s m ， 富水性弱，渗透系数为0 0 0 6 6 1 4 5 m d ，水质类型为h c o 。c i n a c a 、h c o 。一n a ； i 0 煤顶板砂岩厚度为1 0 - 4 0 m ，单位涌水量为0 0 0 3 0 1 3 l s m ，渗透系数为 0 0 0 9 0 6 7 m d ，富水性弱，水质类型为h c o 。c l n a 、h c o 。一n a 型水。 其隔水层主要由泥岩及粉砂岩。对应各主采煤层砂岩裂隙含水层的四个隔 水层划分如下：1 2 煤层隔水层、4 6 煤隔水层、8 煤下铝质泥岩隔水层和l o 煤下海相泥岩隔水层，其隔水性能一般较好。 2 2 3 灰岩溶隙水 灰岩含水层系统，位于1 0 煤层下部，主要为太原组灰岩和奥陶系灰岩。 太原组含1 1 1 2 层灰岩，累计厚度为4 7 1 3 5 m ，其中三、四、五和十一灰岩 厚度占总厚度的5 0 。钻搽资料表明，主要含水地段在单斜的浅部隐伏露头带， 含水层具有不均匀性和各向异性，区内8 3 孔抽水试验表明，该含水层的单位 涌水量为0 0 0 3 4 一1 1 4 l s m ，渗透系数为0 0 1 5 3 6 4 m d ，水质类型为 h c 0 。s 0 4 一ca m g 、s 瓯c 卜n a c a 型水。 奥灰含水层厚度为5 0 0 m ，奥灰地下水在流动过程中，具有不均匀性和备向 异性特点，少数钻孔揭露时发现严重漏水，在桃园揭露出岩溶陷落柱，没有发生 宿南矿区第四含水层水文地质特征研究 突水现象。该含水层般含水丰富，富水性强，其单位涌水量为0 0 0 6 5 4 5 5 6 l s m ，渗透系数为0 0 0 7 2 6 0 2 4 m d 。1 0 煤层之下约有5 0 6 0 m 的砂岩、泥岩 底板隔水层，使得太原组灰岩含水层系统与之不发生直接水力联系，但主要通 过断层和大的裂隙与之发生水力联系，其水质类型为 t o o 。一c a l g 、s o + h c o ：、 一c a m g 型水。 2 3 研究区“四含”沉积条件及含水屡结构特点 奥陶系经风化剥蚀后，沉积了一套石炭二叠系煤系地层，经过褶曲、断裂 等多期、多级构造运动作用，然后在此基础上，进行了长期的风化剥蚀作用， 形成了高低不平的古地形，以此为沉积基底，沉积了一套松散的新生界沉积物。 受古地形及沉积环境地控制影响，“四含”为一套洪积相、河流相、坡积相交错 沉积的产物。在宿南矿区范围内，四含厚度总体上中间厚两边薄，但不同地段， 其变化相差较大。 图2 4 “四含4 厚度与基岩面高度( 古地形) 之间的关系图 从图2 4 可以看出，在研究区的南北方向上，古地形标高为一1 2 0 一1 8 0 m 之 间，基本属于无“四含”沉积范围，属于物源补给区。沉积厚度较大的范围位 于桃园煤矿的西北以及祁东矿附近，其厚度变化范围分别为5 - 3 5 m 和1 5 - 5 0 m ， 此外，在祁东与桃园煤矿之间“四含”厚度分布较大，其范围为5 - 3 0 m 。祁南煤 矿除与祁东煤矿接壤范围外，“四含”沉积厚度较薄，范围变化在5 1 5 m ，少数 地段未发生沉积，因此厚度为o m 。 通过对研究区“四含”厚度与古地形标高之间关系研究发现，“四含”厚度 宿南矿区第四含水层水文地质特征研究 与古地形标高之问成反比关系，即，古地形标高大，“四含”厚度小，反之，古 地形标高小，则“四含”厚度大。 “四含”内部结构在沉积剖面上很不均匀，以祁东煤矿3 0 勘探线为例( 图 2 5 ) ，底部基岩面以上砾石层的沉积厚度不均匀，主要以砾石层为主，其间央 粘土、砂质粘土层，其中砾石层分为松散的棱角、次棱角为主砾石，松散次圆 圆状砾石层，以及半固结的含粘土质砾石层，此外，还有细砂、中砂层。这一 套沉积物充分反映了它由洪积扇相、河流相、坡积相组合的复合产物。间接反 映当时对应的沉积环境为山前冲洪积环境、河流环境、坡积环境特征。 e w 砾石屡砂质粘粘土 中粗砂 含砾石质粘土含粘土质砾石 图2 - 5“四宙”沉积物岩性剖面 2 ，4 “四含”水动态特征分析” 地下水动态是地下水系统对外部环境影响的综合态势，是自然人类复 杂因素影响的结果。通过对地下水动态的研究，可掌握地下水的运动规律，进 一步了解地下水系统的内部结构。 宿南矿区范围内的“四含”水动态主要受矿并突、涌水的影响，三对矿井 中，以祁东煤矿“四含”突、涌水表现最为显著，其次为桃园煤矿。工作面在 推进过程中，受井下应力场变化的影响，导致上部冒落带裂隙发育，并进一步 扩展到基岩风化面，引起“四含”水通过裂隙通道涌入矿井下。涌水最初表现 为煤层顶板上部的基岩裂隙水( 或老塘水) 的渗、涌，随着涌水量的增加和时 间的延长，补给区范围和降落漏斗范围的不断扩大，“四含”水就可以成为矿井 涌水的补给来源。本文利用以往各矿井“四含”突水资料以及周边朱仙庄煤矿、 芦岭煤矿“四含”水位资料，对研究区内各矿井“四含”水位变化情况进行细 致地分析，并根据桃园煤矿灰岩放水试验资料以及祁东煤矿3 ：2 2 工作面的“四 含”突水后的水位、流场的变化，对宿南矿区内“四含”与灰岩之间的关系以 及与周边矿井“四含”的关系作了系统的分析。 宿南矿区第四含水层水文地质特征研究 2 41 事b 东煤矿“四含”水动态特征 祁东煤矿自开采以来主要发生了四次较为显著的“四含”突水事件，按突 水时间顺序为：3 ：2 2 工作面突水3 。2 l 工作面突水6 ，1 4 工作面突水 7 。1 4 工作面突水。 1 ) “四含”涌水量变化特征 该矿在2 0 0 1 年1 1 月2 4 同3 ：2 2 工作面推进至2 8 8 m 时老顶初次来压，工作 面推进至4 2 m 时顶板周期来压，出现少量渗水，初始水量仅为1 0 一h ，2 4 小时 后，突水量达1 5 2 0 m 3 h ，水量大，来势迅猛，其涌水量与水位变化关系如图2 - 6 所示，“四含”长观孔水位下降明显，后期通过注浆堵水、截流、强排等防治水 措施控制了突水水源，同时水位得到了恢复。 1 2 0 0 1 0 8 0 0 t6 0 0 a 加0 2 。0 - 2 91 2 _ 41 2 - 9f 2 - 12 _ 1 91 2 - 2 41 2 - 2 9 d a t o 。，6 1 8 。2 0 2 2 2 4 - 2 6 2 8 点 3 0 工 一豫 3 4 3 6 3 8 4 0 图2 - 6 祁东矿3 2 2 2 = 作面突水水位、涌水量历时变化曲线 3 。2 l 工作面2 0 0 2 年9 月1 6 日时推进7 1 m 处，面内出现大范围的淋水，逐 渐为2 0 m 3 h ，随着工作面的继续推进，水量星现增大趋势，最大达2 3 8 m 3 h ，随 后对工作面进行改造，重开切眼，涌水量持续在9 0 1 3 0 0 h ，2 0 0 4 年为7 0 m 3 h 。 6 。1 4 工作面于2 0 0 3 年1 0 月1 4 同机头6 3 m 处发生顶板淋水，起初涌水量为 1 4 m 1 h ，出水后水量成衰减趋势。 7 ；1 4 工作面于2 0 0 4 年7 月2 2 日出现老塘水，初始涌水量为3 4 r n 3 h ，至 7 月2 9 日，随着老顶初次来压，水量增大到1 5 m 3 h 。到目前涌水量为1 0 0 m 1 h 。 综上所述，3 2 2 2 工作面涌水量大、突水时间快，说明径流、补给条件好， 而7 ，1 4 与3 。2 j 工作面出水较相似，水量随着工作面的推进，呈缓慢增加趋势。 目前，3 ：2 l 工作面、6 1 4 工作面水和7 。1 4 工作面涌水量是矿井水的主要补给来 宿南矿区第四含水层水文地质特征研究 源，祁东煤矿总涌水量由3 2 1 、6 。1 4 和7 。1 4 工作面涌水量组成，其变化历时曲 线如图2 7 所示。 圈2 7 祁东矿目前各上作面涌水量变化情况 2 ) 祁东煤矿“四含”水位变化特征 祁东矿目前有常观孔7 个( 如图2 - 8 ) ，其中s 0 1 、s q 2 、s q 3 、s q 4 、s q 5 为 四含观测孔，s t l 为太灰常观孔，自矿井开采以来“四含”水位变化的幅度，受 矿井突水事件的影响，随着涌水量的变化而发生不均匀的变化，其变化幅度如 图2 - 9 所示。 圈2 - 8 祁东矿观测孔位置幽 1 5 宿南矿区第四含水层水文地质特征研究 0 1 5 1 0 1 5 乓。2 0 工 氆 一3 0 - 3 5 , - 4 0 2 0 0 2 - 2 - 1 52 2 0 - 42 0 0 5 8 12 0 。4 8 2 02 0 0 4 - 1 0 - 1 02 4 2 5 日期 图2 - 9 祁束矿水位历时变化曲线 从图中可以看出，3 。2 2 工作面突水后，“四含”观测孔s 0 1 、$ 0 3 及灰岩s t l 观测孔水位降幅很大，水位标高开始由原先的5 5 2 9 m 、3 9 8 l m 、6 4 6 5 m ，分别 降至一3 9 4 1 m 、一8 7 6 9 m 、一4 7 7 5 m ，最大水位标高降低到一3 5 一4 0 米之间。涌水 量与水位变化具有一致性，几乎无滞后现象，后期通过截堵措施，水位又有了 较大幅度的回升到0 一5 m 左右，突水水源主要为“四含”水。 受3 。2 l 工作面突水的影响，s q l 、s 0 3 、s t i 降幅明显，涌水量由2 0 m 3 h 逐 渐增至9 9 m 3 h ，s q l 水位下降2 6 8 m ，s q 4 水位下降1 5 6 m ，该工作面涌水已有 “四含”水的补给。 6 - 1 4 工作面出水后，四含常