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及水化學(xué)類型分析

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及水化學(xué)類型分析

研究區(qū)位于慶陽市南部。地形類型主要包括黃土嶺、河谷灘、低山和丘陵。區(qū)內(nèi)蘊藏有豐富的煤炭資源。2013年,甘肅煤炭地質(zhì)勘查院在進行煤炭詳查設(shè)計時,借鑒鄰區(qū)高平煤炭詳查區(qū)資料,將本區(qū)水文地質(zhì)條件定為簡單,水文地質(zhì)勘查工作量也據(jù)此進行布置。2015年勘查工作結(jié)束后,對獲取的資料整理,并與以往背景資料對比,發(fā)現(xiàn)本區(qū)白堊系洛河組地下水流場及水化學(xué)類型發(fā)生了變化。本文對其變化原因進行分析、猜測,認(rèn)為這種變化可能從側(cè)面反映了本區(qū)水文地質(zhì)條件并非簡單類型,未來礦井建設(shè)、生產(chǎn)過程中,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,從而對礦井排水、支護等產(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。馬蓮河為慶陽境內(nèi)的第一大河流,在慶陽市區(qū)內(nèi)流長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相對獨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)地下水主要儲存在3個由良好隔水層分隔開、水力聯(lián)系弱的獨立含水層中,從上到下分別是:(1)第四系碎屑巖類孔隙潛水含水層(以下簡稱第四系含水層)。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(以下簡稱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2g/L。單位涌水量0.7800~6.6756L/(s·m),富水性強。(3)侏羅系直羅組-煤8頂板層狀孔隙、裂隙承壓水層(以下簡稱侏羅系含水層)。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地下水流場變化根據(jù)《鄂爾多斯盆地地下水勘查研究》(中國地質(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個水文地質(zhì)鉆孔,累計抽水試驗20層(次),其中,白堊系洛河組含水層抽水試驗4層(次),質(zhì)量均達到合格及以上。根據(jù)抽水試驗成果,繪制了勘查區(qū)西部的白堊系洛河組地下水流場圖(圖2)。從圖上反映的結(jié)果來看,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,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孔的實際水位與預(yù)測水位差距最大,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)。但實際上,詳查階段我們采取4組白堊系洛河含水層水樣進行測試(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)計結(jié)果有所差異?？傮w上比預(yù)計值低,但又高于第四系地下水礦化度。同時,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)類型分區(qū)圖”所展示的結(jié)果來看,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程中的混合作用微弱,各含水層地下水流場、礦化度及水化學(xué)類型不會出現(xiàn)大的變化。但是,本次水文地質(zhì)勘查資料反映的實際結(jié)果并不與《鄂爾多斯盆地地下水勘查研究》報告中情況相符。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測標(biāo)高為1031.11m,侏羅系地下水水位實測標(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個鉆孔,終孔層位均為煤8-2層底板以下30m或進入富縣組、延長組,均按設(shè)計要求進行了全孔封閉?，F(xiàn)場選取了一部分鉆孔進行了啟封,并采取了封孔水泥樣作力學(xué)實驗,尚未發(fā)現(xiàn)異常。但由于鉆孔封閉是隱蔽工程,無法做到所有鉆孔都進行全孔封孔質(zhì)量檢查。同時,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)計值,可能原因是鉆孔封閉不良,第四系潛水進入了白堊系,使其礦化度降低,水化學(xué)類型也發(fā)生改變。5覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測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,未來礦井建設(shè)與開采中,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算采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(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度大都在20~30MPa,堅硬程度為中硬。根據(jù)該規(guī)程,冒落帶采用如下公式計算:導(dǎo)水裂隙帶最大高度計算公式:式中:HHM——累計采厚,m,當(dāng)下部煤層的冒落帶進入上部煤層時,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。計算結(jié)果表明,煤2-2、煤5-1、煤6-2、煤8-2層在開采后,達不到下白堊系洛河組含水層底界。如果僅從單孔導(dǎo)水裂隙帶高度來看,白堊系洛河組地下水無法進入礦井,礦井直接充水含水層是侏羅系含水層,水量較小,對礦井威脅不大。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,礦井開采過程中,導(dǎo)水裂隙帶隨時有可能和導(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,抽水試驗測得的涌水量最大超過150m同時,根據(jù)已有的巖石力學(xué)測試資料,本區(qū)內(nèi)煤層頂、底板巖石均堅固性屬不堅固-中等堅固巖石,巖石完整性極差-好,堅硬程度屬軟巖-較軟巖。軟化性上屬軟化巖石,煤層直接頂、底巖體質(zhì)量等級以Ⅲ-Ⅳ類為主,間接頂板巖體質(zhì)量等級也以Ⅲ-Ⅳ類為主,局部地段為Ⅴ類,巖石穩(wěn)定性差。煤層埋藏深自地表以下達945.42~1594.98m,平均1288.98m,井巷巖石自身所受地應(yīng)力高。未來開采時,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)生巖爆等問題,會對井巷的施工和維護產(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)過程應(yīng)該增加資金投入,提升防水、