甘肃省宁县和盛川县荔堡煤矿区白垩系洛河组地下水流场及水化学类型分析

甘肃省宁县和盛川县荔堡煤矿区白垩系洛河组地下水流场及水化学类型分析

研究区位于庆阳市南部。地形类型主要包括黄土岭、河谷滩、低山和丘陵。区内蕴藏有丰富的煤炭资源。2013年,甘肃煤炭地质勘查院在进行煤炭详查设计时,借鉴邻区高平煤炭详查区资料,将本区水文地质条件定为简单,水文地质勘查工作量也据此进行布置。2015年勘查工作结束后,对获取的资料整理,并与以往背景资料对比,发现本区白垩系洛河组地下水流场及水化学类型发生了变化。本文对其变化原因进行分析、猜测,认为这种变化可能从侧面反映了本区水文地质条件并非简单类型,未来矿井建设、生产过程中,可能存在一些因素使矿区水文地质条件复杂化,造成矿井突水、冒顶等不良地质后果,从而对矿井排水、支护等产生影响,希望能为矿井安全生产提供参考。1研究区域的地质和水文条件1.1底部出露下白垩统环河组勘查区大部分为第四系覆盖,仅在沟谷底部出露下白垩统环河组(K延安组为本区含煤地层,自下而上可分为3个岩性段:第一段(J第二段(J第三段(J1.2马莲河河流概况区内常年性地表流水有马莲河、蒲河、泾河。马莲河为庆阳境内的第一大河流,在庆阳市区内流长366km,整体流向由北向南,年均径流量4.04×101.3第四系洛河组含水层本区属于鄂尔多斯盆地中的一个相对独立的白垩系含水盆地,属鄂尔多斯盆地的泾河-马莲河地下水流系统。本区地下水主要储存在3个由良好隔水层分隔开、水力联系弱的独立含水层中,从上到下分别是:(1)第四系碎屑岩类孔隙潜水含水层(以下简称第四系含水层)。由第四系底部河湖相沉积的砾岩组成,分布于黄土塬区,厚度1~3m,为局部含水层,塬区机井涌水量25~500m(2)白垩系下统洛河组层状孔隙承压水含水层(以下简称白垩系洛河组含水层)。平均厚度为398.84m,岩性以下部洛河组紫红、褐红色中、粗粒砂岩及紫灰、浅紫红色厚层状中-粗砾岩为主,矿化度不超过2g/L。单位涌水量0.7800~6.6756L/(s·m),富水性强。(3)侏罗系直罗组-煤8顶板层状孔隙、裂隙承压水层(以下简称侏罗系含水层)。岩性是直罗组粗、中、细粒砂岩为脆性岩层,发育有少量裂隙,属弱含水层。延安组内含水层和隔水层呈互层状发育,为复合含水层。这二者构成了直罗组-煤8顶板层状孔隙、裂隙承压水含水层。含水层平均厚度83.40m,单位涌水量q=0.0040~0.0439L/(s·m),富水性弱,是煤层的直接充水含水层。第四系含水层与白垩系洛河组含水层之间主要是白垩系环河组隔水层,岩性由浅紫红、灰绿、黄灰色砂质泥岩、粉砂岩及泥岩夹薄层细粒砂岩组成,全区均有分布,平均厚度395.63m,隔水性好。白垩系洛河组含水层与侏罗系含水层之间是侏罗系安定组隔水层,由泥岩、粉砂岩构成,全区均有分布,厚9.1~124.48m,为一较好的隔水层。2地下水流场变化根据《鄂尔多斯盆地地下水勘查研究》(中国地质调查局,2007年)第二篇中的“白垩系地下水水流系统划分图”,本区第四系潜水的径流受其局部地形地貌制约,一般流向河谷或沟谷;白垩系洛河组承压水径流方向在马莲河以西区域由西北往东南径流,北部则由北往南径流,最终向马莲河沟谷区汇集排泄,总体上该区地下水流向与地表水流向基本一致(图1)。目前,勘查区内共施工10个水文地质钻孔,累计抽水试验20层(次),其中,白垩系洛河组含水层抽水试验4层(次),质量均达到合格及以上。根据抽水试验成果,绘制了勘查区西部的白垩系洛河组地下水流场图(图2)。从图上反映的结果来看,白垩系地下水流向大体上呈现出由南向北、由东向西的趋势,与“白垩系地下水水流系统划分图”的反映的结果并不吻合,甚至截然相反。其中,2803孔的实际水位与预测水位差距最大,前者高出约50m。3白垩系洛河含水层矿化度依据《鄂尔多斯盆地地下水勘查研究》第二篇中的“洛河组地下水矿化度分区图”,本区白垩系洛河组地下水矿化度应归为“1000~2000mg/L”分区。但实际上,详查阶段我们采取4组白垩系洛河含水层水样进行测试(表1)。从表中可以看出,该区矿化度为728.78~1927.82mg/L,其中2807、X1801孔处的矿化度均小于1000mg/L,与分区图的预计结果有所差异。总体上比预计值低,但又高于第四系地下水矿化度。同时,本区白垩系洛河组地下水的主要阴离子比例含量也发生了变化。依据《鄂尔多斯盆地地下水勘查研究》第二篇中的“洛河组地下水水化学类型分区图”所展示的结果来看,本区洛河组地下水应归为“HCO4未发现导水断层从本区已有的钻探资料来看,本区地层沉积韵律清楚,地层分层明显,含水层之间有相对稳定的区域隔水层,上下含水层之间连通性差,地下水径流以顺层径流为主,大气降水与地下水的混合作用以及不同含水层地下水渗流过程中的混合作用微弱,各含水层地下水流场、矿化度及水化学类型不会出现大的变化。但是,本次水文地质勘查资料反映的实际结果并不与《鄂尔多斯盆地地下水勘查研究》报告中情况相符。因此,我们认为,可能存在以下原因:(1)勘查区内可能存在未被发现的导水断层。现有的断层全为地震勘查的结果,钻探并未发现,现有的工作量及方法还无法完全查明断裂带的导水性能,不排除尚未发现的断层可能导水。2803孔白垩系洛河组地下水水位实测标高为1031.11m,侏罗系地下水水位实测标高1037.21m,二者较为接近,极有可能是导水断层沟通了白垩系洛河组含水层与侏罗系含水层,使侏罗系地下水流向白垩系,从而使白垩系洛河组地下水流向发生变化。(2)部分钻孔可能存在封闭不良的现象。2011-2015年,区内普、详查共施工211个钻孔,终孔层位均为煤8-2层底板以下30m或进入富县组、延长组,均按设计要求进行了全孔封闭。现场选取了一部分钻孔进行了启封,并采取了封孔水泥样作力学实验,尚未发现异常。但由于钻孔封闭是隐蔽工程,无法做到所有钻孔都进行全孔封孔质量检查。同时,由于钻孔地理位置的差异(河谷区钻孔易涌水,封闭难度较塬区钻孔大),施工工艺与设备的差别,这些因素致使各孔封孔质量有所差异,可能存在封闭不良的钻孔。可能存在封闭不良的钻孔可能揭穿了白垩系洛河组含水层和侏罗系含水层之间、白垩系洛河组含水层与第四系含水层之间的隔水层,侏罗系地下水或第四系潜水越流进入白垩系洛河组含水层,从而改变了白垩系地下水水位及水化学类型。例如,区内的2807孔、X1801孔处的白垩系洛河组地下水矿化度高于第四系潜水,但又低于1000~2000mg/L的预计值,可能原因是钻孔封闭不良,第四系潜水进入了白垩系,使其矿化度降低,水化学类型也发生改变。5覆岩导水裂隙带高度预测侏罗系含水层是煤层顶板直接充水含水层,但水量小,容易疏干。白垩系洛河组含水层水量丰富,未来矿井建设与开采中,白垩系洛河组含水层与侏罗系含水层是否联通是矿井防水工作的关键。本区导水裂隙带最大高度的计算采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中规定的方法,煤层倾斜程度为缓倾斜,煤层顶板天然抗压强度大都在20~30MPa,坚硬程度为中硬。根据该规程,冒落带采用如下公式计算:导水裂隙带最大高度计算公式:式中:HHM——累计采厚,m,当下部煤层的冒落带进入上部煤层时,M值为上下煤层厚度之和。煤分层数n等于煤层厚度除以8m并向上取整。依据上述公式按钻孔逐孔计算了4层可采煤层煤2-2、煤5-1、煤6-2、煤8-2层的导水裂隙带最大高度和冒落带最大高度。计算结果表明,煤2-2、煤5-1、煤6-2、煤8-2层在开采后,达不到下白垩系洛河组含水层底界。如果仅从单孔导水裂隙带高度来看,白垩系洛河组地下水无法进入矿井,矿井直接充水含水层是侏罗系含水层,水量较小,对矿井威胁不大。但是,由于区内可能存在尚未发现的导水断层和封闭不良的钻孔,矿井开采过程中,导水裂隙带随时有可能和导水断层联通,成为白垩系洛河组地下水或第四系潜水进入矿井的通道,使矿井水文地质条件瞬间复杂化。尤其是白垩系洛河组地下水,抽水试验测得的涌水量最大超过150m同时,根据已有的岩石力学测试资料,本区内煤层顶、底板岩石均坚固性属不坚固-中等坚固岩石,岩石完整性极差-好,坚硬程度属软岩-较软岩。软化性上属软化岩石,煤层直接顶、底岩体质量等级以Ⅲ-Ⅳ类为主,间接顶板岩体质量等级也以Ⅲ-Ⅳ类为主,局部地段为Ⅴ类,岩石稳定性差。煤层埋藏深自地表以下达945.42~1594.98m,平均1288.98m,井巷岩石自身所受地应力高。未来开采时,岩石变形产生的裂隙穿透顶底、板岩石,造成地下水渗入,一旦白垩系洛河组地下水经由导水断层或导水裂隙带下渗,导致岩石强度大幅度降低,围岩整体稳定性降低,将大大加剧岩石冒顶、片帮、垮落等不良地质现象,甚至发生岩爆等问题,会对井巷的施工和维护产生大的危害。鉴于上述分析,我们认为,首先应在矿井生产过程应该增加资金投入,提升防水、