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陕北榆横矿区小纪汗井田水文地质特征及矿床充水条件分析

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为他 第32卷第2期 GEOLOGY OF SHAANXI 2014年12月 文章编号:1001---6996(2014)O2—0O84—07 陕北榆横矿区小纪汗井田 水文地质特征及矿床充水条件分析 李玮娜,高春华,张天天,张旭梅 (陕西省地矿局西安地质矿产勘查开发院,西安710100) 摘关要:从用顶板充水、底板突水两个角度对矿坑充水强度进行了分析,为小纪汗 键词:水文地质特征;含水岩组;含(隔)水层;矿床充水条件分析;小 文献标识码:A 井田及周边开采提供了参考。 纪汗井田 中图分类号:P618.11 陕北侏罗纪煤田榆横矿区小纪汗井田位于国家规划的“榆横矿区”东北部,与“榆神 矿区”毗邻。井田地形较平坦,地势总体是西高东低。区内水系不发育,除东部的榆溪河 外,仅东北角有自西北向东南流向的白河。植被稀少,夏季多暴雨(日降水量最高65.5 airn),河水流量变化较大。 1 区域水文地质条件 1.1地下水类型及含水岩组 榆横矿区位于陕北侏罗纪煤田的西南部,陕北黄土高原与毛乌素沙漠的接壤地带。区域 上东部及南部为水系发育的黄土梁峁地形,西部及北部为沙漠滩地及低缓黄土梁岗地形。区 内可分为三个自然地貌区,即沙漠滩地区(包括低缓黄土梁岗区),河谷阶地区及黄土梁峁 区。区内地下水的形成、分布和水化学特征主要受地貌的制约,此外还受地层岩性、地质构 造、古地理环境及水文气象诸因素综合控制。地下水类型分为新生界松散岩类孑L隙及裂隙孔 隙潜水,中生界碎屑岩类裂隙孔隙潜水与层问承压水两大类。 1.2隔水层 主要是新近系上新统静乐组红土,连续分布于王家湾、乔界、董家湾乡连线以东,厚度 30—60 m,系第四系与基岩之间的隔水层。基岩之中分布面积大的厚层泥岩为砂岩之间的隔 水层。 1.3地下水的补给、径流与排泄 收稿日期:2014—o9—28 作者简介:李玮娜,女,34岁,工程师,主要从事水工环地质工作。 第2期 李玮娜等:陕北榆横矿区小纪汗井田水文地质特征及矿床充水条件分析 85 区域内榆溪河由北向南汇人无定河,再由西北向东南流人黄河。河水的补给主要是地下 水和大气降水,水量明显受季节控制。 地下潜水主要接受大气降水补给,此外,还接受区境I生侧向补给及沙漠凝结水补给。松 散层孔隙潜水及基岩风化裂隙潜水的径流方向由高至低与现代地形吻合,河谷区潜水径流方 向与地表水径流方向斜交。其地下水的排泄部分为蒸发、人工开采及基岩裸露地段有大小不 等的泉水出露外,大部分以泄流的方式排入河流。 2井田水文地质条件 2.1地形地貌及地表水系 本区为毛乌素沙漠的东延部分,属风沙堆积地形。地势西及西北部高,东南低,区内地 形整体较为平缓,地貌形态为沙漠滩地区。一般相对高差5—20 m。最高点位于井田西部, 高程1257.4 m;最低点位于井田东部上刀子湾村榆溪河道内。高程1108.90 m,最大相对高 差148.5 m。 沙漠中多以平沙地、新月形沙丘和链状沙丘分布,沙丘呈北东南西方向排列,高5—15 rn,个别可达20 m以上。沙地绝大部分为固定沙、半固定沙,局部地段为移动沙,占区内 面积的85%左右。区内所堆积的风积沙成为大气降水的良好贮运介质,对地下水的补给起 着有利的作用。 滩地处于沙漠之中,包括为数众多的碟形洼地、海子和池塘等,占区内面积约15%左 右。该区地势相对低平,便于降水汇集,地下水位较浅,水量比较丰富。由于滩地之中沟道 少,排泄条件差,故在区内地势低洼的地段多形成海子等地表水体。 白河大致以蜿蜒状流经井田的西北部和东北部,在井田东部边界的转龙湾附近汇入榆溪 河。通过调查访问和近三个月的河流流量动态观测,河水流量1.15—1,69 m3/s。 2.2地下含(隔)水层水文地质特征 根据井田地下水的赋存条件及水力特征,将井田地下水划分为两种类型:即第四系松散 岩类孔隙及孔隙裂隙水、碎屑岩类裂隙水;六个含水岩层(组):第四系全新统河谷冲积层 孔隙潜水、上更新统冲湖积层孔隙潜水、中下更新统黄土孔隙裂隙潜水、白垩系洛河砂岩孔 隙裂隙潜水、侏罗系碎屑岩类风化壳裂隙水、碎屑岩类裂隙承压水。 富水性等级的划分原则主要以钻孔和机井的单孔抽水资料,依据《矿区水文地质工程 地质勘探规范》中含水层富水性分级标准,按钻孑L统降涌水量,即钻孔单位涌水量(q)以 口径91 mm、抽水水位降深10 m为准,将富水性分为以下四级:弱富水性,q<0.1/Ms・m; 中等富水性,0.1/Ms・m<q≤1.0/Ms・m;强富水性,1.0 L/s・m<q≤5.0 L/s・m;极强 富水性,q>5.0 L/s・m。当q<0.001/Ms・m时,其岩层可视为隔水层,井田内的泥岩、 粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等均为隔水层。 2.2.1 松散岩类孑L隙潜水 (1)第全新统河谷冲积层孔隙潜水 仅分布于区内东北隅的白河的阶地及漫滩之中,含水层岩性为具二元结构的冲积相砂夹 亚砂土,厚5—15 m,水位埋深0.5~2 m,富水性弱至中等。 陕西地质 第32卷 (2)第四系松散砂层孔隙潜水 基本分布全区,富水性强的,其砂层厚度≥30 m;富水性中等的砂层厚度介于l5—30 m之间;富水性弱的砂县厚度<15 m。 富水性强的:分布于井田西部的补浪河、大苏计、小苏计、双海测一带。滩地机井 (多管井)调查结果,单井出水量一般均在1000—2000 m。/d;据机井抽水试验,水位埋深 0.58~5.67 m,降深2.71~12.07 m,涌水量810~2808 m /d,单位涌水量0.760~4.789 L/s・m,渗透系数3.272—49.23 m/d,水化学类型为HCO 一Ca型,矿化度214.51~ 402.88 mg/L。 富水性中等的:分布于井田中部、部和东北部小面积范围内。据井田南部石头梁附近机 井抽水试验,水位埋深1.53 m,降深17.83 m,涌水量304 m3/d,单位涌水量0.193 L/s・ nl,渗透系数0.678 m/d,水化学类型为HCO 一Ca型,矿化度262.64 mg/L。 富水性弱的:分布在井田的小面积范围内,该区松散砂层厚度变得很薄,一般小于15 m,局部地段为透水不含水的砂层,总体该区含水层薄且不连续,富水性弱到极弱。 (3)第四系更新统黄土孔隙裂隙潜水 井田内大面积分布,多隐伏于风积沙和萨拉乌苏组地层之下,厚0~64.27 m,平均厚 l9.05 m。黄土岩性为粉砂质粘土为主,粉土次之,偶夹粉细砂层。由于黄土厚度较薄,粒 度较细,故富水性较弱。 2.2.2碎屑岩类孔隙裂隙水 根据水力特征划分为三个含水岩组,即侏罗系碎屑岩类风化带裂隙潜水,下白垩系洛河 砂岩裂隙孔隙潜水及碎屑岩类孔隙裂隙承压水。 (1)侏罗系碎屑岩类风化壳裂隙潜水 分布于井田的东部,据钻孑L抽水试验成果,含水层厚度51.18 m,当降深39.08 m,涌 水量74.56m3/d,单位涌水量0.022 lMs・1TI,渗透系数0.043 m/d,富水性弱。水化学类型 为HC03・SO 一Na型,矿化度320 mg/L。 (2)白垩系洛河砂岩孔隙裂隙水 分布于西部地区,其厚度由东向西逐渐增大。根据钻孔抽水试验含水层厚63.77~ 104.84 m,当降深9.56—27.43 m时,涌水量为101—313 m /d,单位涌水量0.078~0.205 lMs・m,渗透系数0.139—0.381 m/s,富水性弱至中等。水化学类型根据埋藏深度的不同, 其水化学类型亦有一定的差别。东部埋藏较浅的以HCO,一Ca型水为主,矿化度189.04~ 291.93 mg/L;西部埋藏较深,水化学类型为HCO,・SO 一Na型水,矿化度441.14 mg/L。 根据鄂尔多斯盆地地下水勘查资料,从矿区西界向西延伸,随着距离增大,白垩系砂岩厚度 亦随之增厚,富水性亦变得愈强。据钻孔抽水试验资料,涌水量774.40 m /d,单位涌水量 1.62—4.60 L/s・m。 2.2.3碎屑岩类裂隙承压水 (1)安定组砂岩含水岩组 除井田东部边缘剥蚀殆尽外,基本全井田分布,零星出露于井田的东北部。含水层多以 中粒砂岩为主,一般厚18.9O~46.40 m。据钻孑L抽水试验水位埋深3.96~8.51 m,当降深 2O.53~33.00 m时,涌水量55—90 In。/d,单位涌水量0.019—0.044 L/s・m,富水性弱。 第2期 李玮娜等:陕北榆横矿区小纪汗井田水文地质特征及矿床充水条件分析 87 水化学类型为HCO3・SO4一Na・Ca及SO4・HCO3一Ca・Na、SO4・HCO3一Na型水,矿化 度298.94 ̄483.34 mg/L。 (2)罗系直罗组砂岩含水岩组 全井田分布,厚度82.19—173.89 m。据该层抽水试验,含水层厚27.20 m,水位埋深 4.68 m,当降深22.13 m时,涌水量72 m /d,单位涌水量0.0374 m/s・rn,富水性弱。水 化学类型为SO ・HCO3一Na・Ca型水,矿化度为416.52 mg/L。 (3)2号煤层顶板砂岩含水岩组裂隙承压水 2号煤层至导水裂隙带内含水岩组,以2号煤层顶板的砂岩含水层为主,局部地段包括 直罗组底砂岩。岩性为中、粗粒长石砂岩,厚21.2O~6O.45 m。据钻孔抽水试验水位埋深 6.25—25.83 m,当降深3O.23—39.50 m,涌水量65~83 m /d,单位涌水量0.0214~ 0.0267 L/s・m,渗透系数0.0436—0.1219 m/d,富水性弱。水化学类型为SO 一Na・Ca型 水,矿化度1615.28—3465.77 m L。 (4)2号煤层下部碎屑岩类孔隙裂隙承压水 2号煤层至延安组底界之间层段。岩性为浅灰色粉、细砂岩与深灰色泥岩不等厚互层夹 煤层,因埋藏深,岩石较完整,裂隙不发育,故富水性弱。据钻孔抽水试验,含水层厚 40.10 m,当降深46.29 m,涌水量75 m /d,单位涌水量0.019 L/s・m,渗透系数0.0455 m/d。水化学类型为SO 一Na・Ca型水,矿化度211O.75 mg/L。 2.3隔水层 在基岩中,厚度较大且连续分布的泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等泥岩类,与含水层 相间分布,厚度一般为10-40 nl,为层间裂隙承压水的隔水层。 3地表水、地下水的补给、径流与排泄 3.1 地表水、地下水的动态变化特征 动态变化与大气降水关系极为密切,具有同步变化特征,地下水位动态特征是雨季大幅 上升,枯季持续下降,但年变幅最大不超过0.4/'/1'。。 3.2地下水的补给、径流、排泄关系 第四系松散层潜水以大气降水补给为主,部分为沙漠凝结水补给及灌溉回归水、渠水渗 漏补给。基岩风化带裂隙潜水,在裸露区直接由大气降水渗入补给,其余地区靠上覆松散层 潜水的下渗补给。承压水除基岩裸露区通过风化裂缝带间接得到大气降水补给外,还接受上 游地段潜水渗入补给,径流方向基本沿岩层倾向由东向西或西南方向运移。 3.3地下水主要化学特征 本区地下水化学特征主要受古地理环境及补给、径流、排泄条件的控制。区内第四系松 散层潜水、洛河砂岩孔隙裂隙潜水及基岩风化裂隙带潜水,由于埋藏均较浅,一般均为物理 性质较好的重碳酸盐型水,矿化度低,水质良好。而基岩承压水随深度增加,沉积时代变 老,地下水运动速度变慢,交替不畅,水化学类型由简单到复杂,即由重碳酸盐逐渐向硫酸 盐转化,矿化度逐渐升高的规律。 3.4矿区水文地质勘探类型 88 陕西地质 第32卷 综上所述,区内主要含水层为第四系松散沙层,富水性中等至强,次为白垩系洛河组砂 岩,富水性弱至中等。区内地质构造简单,2号主采煤层,其顶板直接充水含水层为冒落带 内的砂岩,富水性弱,间接充水含水层为导水裂隙带内的直罗组底砂岩(七里镇砂岩),富 水性弱。理论上计算的煤层开采后导水裂隙带未与第四系松散砂层孔隙潜水沟通,但根据陕 北侏罗纪煤田近十几年煤矿开采后长期观测,煤层开采后引起的导水裂隙带远大于理论计算 值(即为H导=20M,M为煤层厚度),若这样计算,煤层开采后引起的导水裂隙带有可能 与第四系松散层潜水及洛河砂岩裂隙水沟通,引起矿坑涌水量的增加。通过本矿矿井涌水量 预算,矿井正常涌水量为571.3 m /h,矿坑最大涌水量为858.9 m /h。根据《矿区水文地 质工程地质勘规范》(GB12719)及《煤、泥炭地质勘查规范》(DZ/T0215—2002)中有关 规定,本区水文地质勘探类型应划为二类二型,即以裂隙含水层充水为主的水文地质条件中 等的矿床。 4矿床充水因素分析 4.1矿坑充水水源 4.1.1大气降水 区内第四系广布,其上多被现代风积沙覆盖,大气降水均渗入地下,成为松散岩类孔隙 潜水。区内多年平均降水量410 mm,降水多集中在7~9月份,占全年降水量的65.5%,历 史日最大降水量达141.7 mm。大气降水在本区为矿床间接充水水源。 4.1.2地下水 纵观全区地质、水文地质特征,矿坑直接充水水源为各煤层顶板基岩裂隙水。2号煤层 之上砂岩含水层富水性较弱,单位涌水量0.0214~0.0267 L/s・m,渗透系数0.0436~ 0.1219 m/d。2号煤层之下岩石完整性较好,裂隙不发育,砂岩含水层厚度薄,含水微弱, 渗透系数、涌水量均很小。 第四系萨拉乌苏组孔隙潜水,全井田分布,含水层厚度大,单位涌水量绝大部分地段大 于0.1 L/s・m,富水性中等至强。煤矿主、副井开拓过程中均要穿越该层,它会成为煤矿 开采中最主要的水文地质问题。 白垩系洛河组砂岩主要分布于井田的西部,含水层厚度由东向西增厚,富水性亦随之增 强,一般单位涌水量在0.10~1.00 lMs・m之间。主、副开拓均要穿越该层,成为井简充水 的主要含水层之一。 4.2矿坑充水通道 由于本区地质构造简单,基岩裂隙不发育,所以矿坑充水通道主要为人工通道,即勘探 钻孑L造成的充水通道及煤层开采形成的冒落带和导水裂隙带。 4.2.1勘探钻孔造成的充水通道 按规定,勘探施工的各种钻孔,在工作结束后都要按要求用水泥进行封闭,如果封孔质 量未达蓟标准要求,钻孔就成了煤层与其顶底板含水层之间的通道。在开采过程中,遇到或 接近它们时,就会引起涌水或造成淹井事故。 4.2.2煤层开采后形成的导水裂隙带 第2期 李玮娜等:陕北榆横矿区小纪汗井田水文地质特征及矿床充水条件分析 89 就本区2号、4—2号主采煤层而言,2号煤层厚度在井田内变化较大,东部厚0.80— 2.37 m,西部厚2.50~8.64 m,全区平均厚3.43 1TI。4—2号煤层较稳定,・一般厚0.80— 2.33 m,平均厚1.87 m。根据区内地质、水文地质条件简单,构造简单及本区煤层顶板为 半坚硬岩层等地质特征,其形成的冒落导水裂隙带高度按原煤炭工业部颁发的《三下采煤 规程》推荐的经验公式计算,即i H冒=[100 M/(4.7 M+19)]+2.2 H裂=[100 M./(1.6 M+3.6)]+5.6 式中: H冒一冒落带最大高度(m) H裂一导水裂隙带最大高度(m) M一累计采厚(m) 4.3矿坑充水强度分析 区内矿坑充水强度主要取决于直接充水水源的富水程度及冒裂带发育程度两个因素,并 受隔水层明显影响。 2号煤层的导水裂隙带一般为21.99~55.19 m,充水水源为其顶板的砂岩。其导水裂隙 带理论上穿越砂岩含水层24.O5—45.25 m,其中包括2号煤层顶板砂岩和直罗组部分砂岩。 因该含水层裂隙不发育,补给条件差,通过抽水试验,富水性弱。对煤矿生产建设不会构成 危害。 4—2号煤层的导水裂隙带21.99~39.81 m,穿越的含水层厚12.49—3O.88 m,因顶板 埋藏较深,裂隙极不发育,导水性及富水性弱,补给条件差,故亦不会对煤矿生产建设造成 威胁。再者,4—2号煤层与2号煤层间距为61.52~110.36 nl,平均为87.78 m,4—2号煤 层采动时形成的导水裂隙带均未达2号煤层底板,2号煤层开采后所形成的采空区对4—2 号煤层开采影响不大。 5结论与建议 (1)通过水文地质填图、水文地质钻探和抽水试验,详细查明了井田水文地质条件。 井田内地下水可划分为两种类型:即第四系松散岩类孔隙及孑L隙裂隙水、碎屑岩类裂隙水; 六个含水岩层(组):第四系全新统河谷冲积层孔隙潜水、上更新统冲湖积层孔隙潜水、中 更新统黄土孔隙裂隙潜水、自垩系洛河砂岩孔隙裂隙潜水、侏罗系碎屑岩类风化壳裂隙水、 碎屑岩类裂隙承压水。隔水层为基岩中厚度大且分布连续的泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩 等泥岩类,与含水层相间分布,厚度一般为1O一40 m。 (2)井田内主要含水层为第四系松散沙层,富水性中等至强,次为白垩系洛河组砂岩, 富水性弱至中等。区内地质构造简单,2号主采煤层顶板直接充水含水层为冒落带内的砂 岩,富水性弱,间接充水含水层为导水裂隙带内的直罗组底砂岩(七里镇砂岩),富水性 弱。2号煤层上覆基岩厚度大,煤层开采后的导水裂隙带未与第四系松散砂层孔隙潜水沟 通。其余煤层顶板富水性弱到极弱,地下水补给条件较差。本区水文地质勘探类型应划为二 类一型,即以裂隙含水层充水为主的水文地质条件简单的矿床。 陕西地质 第32卷 (3)本区生态环境较脆弱,煤层开采后有可能造成地表变形,对地表水、地下水及生 态环境造成重大影响或破坏。建议设计和建设单位合理确定采煤方法,减轻煤层开采后对生 态环境的影响和破坏程度,并开展相应的监测工作。 [参考文献] [1] 刘光亚.基岩地下水[M].1979. [2] 杨成田.专门水文地质学[M].1981. [3] 中华人民共和国国家标准.矿区水文地质工程地质勘探规范[S].1991. [4] 陕西省地矿局西安地质矿产勘查开发院.陕西省陕北侏罗纪煤田榆横矿区小纪汗井田勘探报告[R].2011 HYDRoGEoLoGY AND WATER INFⅡ LING CoNDITIoN OF XIAoJIHAN CoAL MINE IN THE JURASSIC YULIN-HENGSHAN CoAL F皿LD. NoRTHERN SHAANXI PRoINCE Li Wei—na,Gao Chun—hua,Zhang Tian—tian and Zhang Xu—mei (Xi’an Exploration Insittute of Geology and Minerals, Sh ̄qxi Bureau of Geology and Mineral Resources,xi’an 710100) Abstract:Hydrogeological condition in the Xiaojihan coal mine is discussed in this paper based on regional hydrogeology of the Jurassic Yulin—Hengshan coal field in northern Shaanxi.Analysis of mine water infilling,including mine water infilling from roof andwater inrush from foot wall,pro— .rides coal mining wiht references for Xiaojihan coal mine and other adjacent coal mines. Key words:hydrogeology;aqui ̄r group i aquiclude;analysis of mine water infilling factors;Xiao‘ jihan coal mine 

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