濟(jì)寧市王樓煤礦侏羅系含水層水文地質(zhì)條件分析

趙元強(qiáng)

(山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，山東 濟(jì)寧 272000)

濟(jì)寧市王樓煤礦侏羅系含水層水文地質(zhì)條件分析

趙元強(qiáng)

(山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，山東 濟(jì)寧 272000)

王樓煤礦目前正在開采3上煤層，主要水害為頂板水和采空區(qū)積水。頂板水主要水源為3煤頂部砂巖水及侏羅系砂礫巖水，其中侏羅系砂礫巖水是礦井防治水工作的主要對象。區(qū)內(nèi)局部地段侏羅系砂礫巖含水層直接覆蓋在煤層露頭之上，成為3煤層開采的直接充水含水層。運(yùn)用歷年來的抽水試驗(yàn)成果及水位動態(tài)變化資料，對侏羅系含水層的水文地質(zhì)特征進(jìn)行了分析，并對斷裂構(gòu)造對含水層及礦井充水的影響進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明：侏羅系下部砂礫巖段大部地區(qū)富水性弱-中等，是開采淺部煤層時(shí)礦井的主要補(bǔ)給水源之一；上侏羅統(tǒng)砂礫巖裂隙含水層與山西組3上煤層頂?shù)装迳皫r水存在較好的水力聯(lián)系；在區(qū)內(nèi)該含水層除二段上部富水性較弱外，其余的層段富水性均較強(qiáng)，主要接受上部巖漿巖含水層的補(bǔ)給； 煤層開采造成的冒落裂隙帶在局部地段影響到侏羅系含水層，從而使侏羅系含水層成為煤層開采的直接充水水源。

礦井充水；水文地質(zhì)條件；抽水試驗(yàn)；水位動態(tài)變化；富水性；斷裂構(gòu)造

王樓煤礦位于山東省濟(jì)寧市任城區(qū)喻屯鎮(zhèn)境內(nèi)，面積為93.7696km2，2007年7月正式投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.9Mt/a，主要開采3上煤層，近年來礦井正常涌水量基本維持在800m3/h。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》，該礦的水文地質(zhì)類型屬復(fù)雜型。從礦井工作面多次出水分析，發(fā)現(xiàn)其主要充水水源是侏羅系淄博群三臺組底部砂礫巖含水層。因此，弄清該含水層的水文地質(zhì)特征，對礦井安全開采有著十分重要的意義。

1 礦井地質(zhì)特征

1.1 地層

礦區(qū)內(nèi)地層由老到新依次為：奧陶系馬家溝群、石炭-二疊系本溪組、太原組和山西組、二疊系石盒子群、侏羅系淄博群三臺組以及第四系。主要含煤巖系為月門溝群太原組和山西組?，F(xiàn)對與從礦井充水密切相關(guān)的侏羅系淄博群三臺組地質(zhì)特征進(jìn)行重點(diǎn)描述：

該組在礦井的東南部缺失，最大厚度為895.40m，平均455.20m，由東南向西北逐漸增厚(圖1)。上部為厚度50m左右的灰至深灰色的粉砂巖、細(xì)砂巖以及粉細(xì)砂巖互層，局部夾泥巖條帶和紫色泥巖；中部為厚度240m左右的紫灰或暗紫色、灰綠色中、細(xì)砂巖和礫巖透鏡體，砂巖多為泥質(zhì)膠結(jié)，具斜層理，西北部侵入巖漿巖，鉆孔揭露最大厚度為136.60m，有逐漸向東南逐漸變薄的趨勢，巖性為橄欖輝長巖；下部上段為厚度為102m左右的紫紅或暗紅色的中、細(xì)砂巖及礫巖，局部夾粉砂巖及泥巖薄層。礫巖厚度比較穩(wěn)定，礫石最大直徑>90mm，屬于干熱條件下的洪積、沖積相沉積，下部下段厚度約為50m的暗紫或褐紅色中、細(xì)砂巖，局部夾有雜色泥巖，底部沉積不穩(wěn)定的含鐵質(zhì)細(xì)礫巖、泥礫巖。

圖1 礦區(qū)侏羅系厚度等值線Figure 1 Isogram of mine area Jurassic System thickness

1.2 構(gòu)造

礦井內(nèi)地層總體為一走向NE，傾向NW的單斜構(gòu)造。按照構(gòu)造變化特征，可分為東部和西部兩個(gè)部分，東部為一寬緩的波狀褶曲構(gòu)造帶，地層總體向NW傾斜，走向上呈不規(guī)則的蛇曲狀或圈閉狀，背斜部位傾角更加寬緩，為3°～12°，向斜部位較背斜部位更加陡峭，為16°～22°。發(fā)育小型斷層。西部為一北西傾向的單斜構(gòu)造，地層傾角為10°～20°。落差50m以下的小斷層比較發(fā)育。

1.3 巖漿巖

本區(qū)西北部有一橄欖輝長巖侵入體，呈巖床狀侵入到侏羅系淄博群三臺組，厚度由21.00～136.60m，平均96.96m，南薄北厚，在本區(qū)的東南部被第四系剝蝕。

2 礦井水文地質(zhì)特征

礦井處于一個(gè)相對封閉的水文地質(zhì)單元內(nèi)。第四系松散層中發(fā)育多層穩(wěn)定的厚層狀黏土；含煤地層由多層含、隔水層相間組成，各基巖段含水層與地表水、大氣降水以及第四系上組含水層無直接的水力聯(lián)系，地下水在垂直方向上滲流差，徑流滯緩，補(bǔ)給不良。

本區(qū)充水含水層主要包括第四系孔隙砂礫含水層、侏羅系砂礫巖裂隙含水層、山西組3煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層、太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。其中侏羅系下部砂礫巖、山西組3煤層頂?shù)装迳皫r和太原組第三層石灰?guī)r是3煤層開采的主要充水含水層。

(1)侏羅系下部砂礫巖段含水層。由紫紅色粉、細(xì)砂巖組成，底部礫巖厚度不穩(wěn)定，常為細(xì)砂巖或粉砂巖，厚度變化較大，為0～137.05m，平均約45m。礫石的主要成分為石英巖和石灰?guī)r等，礫徑最大可達(dá)12cm，分選性較差，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，厚度為1.26～43.82m，平均為9.94m。上部一般為粉砂巖。此含水層巖性主要為中、細(xì)砂巖及礫巖。自1979年開始的濟(jì)寧煤田(東區(qū))詳查、精查階段到2014年施工的各次補(bǔ)勘工作中共有35個(gè)鉆孔揭露該地層，其中5個(gè)鉆孔漏水，漏水孔率為14%，漏失量為8.4m3/h至全漏失。根據(jù)抽水試驗(yàn)資料，精查期間鉆孔單位涌水量為0.000 614～0.000 77 L/(s·m)，礦井生產(chǎn)期間補(bǔ)勘鉆孔單位涌水量為0.038 4～0.402 4L/(s·m)，由此判斷該含水層富水性不均一，局部地段富水性中等，是礦井的主要充水水源。

(2)山西組3煤層頂?shù)装迳皫r含水層。為開采3煤層的直接充水含水層。3煤層頂、底板以中、細(xì)砂巖為主，局部為粗砂巖，頂板砂巖厚度為1.83～28.04m，平均10.24m，底板砂巖厚度為2.04～31.6m，平均為14.4m，一般為淺灰至灰白色中、細(xì)砂巖，大部分巖石堅(jiān)硬、完整，充水空間不發(fā)育。山東煤田地質(zhì)局第一、二、三、四勘探隊(duì)等單位在本區(qū)進(jìn)行煤炭勘探(精查)期間，江蘇長江地質(zhì)勘查院在礦井生產(chǎn)階段補(bǔ)勘中，對該含水層進(jìn)行過4次抽水試驗(yàn)，其中兩孔因無水抽干，其余兩孔的單位涌水量為0.007 5～0.007 858L/(s·m)。而由本礦自行施工的井下鉆探探放水效果也比較差，除個(gè)別鉆孔有少量出水，且出水量不超過3m3/h外，其它探水孔均未無出水現(xiàn)象。以上資料表明，3砂富水性弱，補(bǔ)給條件較差，以靜儲量為主。初步判定3砂水對礦床充水影響較小，但這與工作面開采后采空區(qū)大量出水情況極為矛盾，這種現(xiàn)象表明3砂水不是開采3煤層單一充水含水層，必定具有存在多水源、多通道的水文地質(zhì)特征。

(3)太原組第三層灰?guī)r含水層。該含水層為3煤層開采的間接充水含水層。厚度為0.15～13.20m，平均為6.28m，為淺灰至褐灰色，含燧石及鐵錳質(zhì)結(jié)核。裂隙發(fā)育，局部被方解石充填。區(qū)內(nèi)有30孔見三灰，未發(fā)生漏水現(xiàn)象。據(jù)1981～1983年山東省煤田地質(zhì)勘探公司施工的濟(jì)寧三號井田精查和1989～1991年山東省煤田地質(zhì)勘探公司第二勘探隊(duì)施工的鹿洼井田精查鉆孔抽水試驗(yàn)，單位涌水量為0.003 1～0.056 2L/(s·m)。2002年9月至12月，淄博翔宇勘探工程有限責(zé)任公司施工的本礦井主井井筒檢查孔和副井井筒檢查孔各1個(gè)，主井檢查孔在該層段處水位為20.50m～22.00m，鉆井液消耗量為3.26～8.15L/min，副井檢查孔在該層段處水位為25.20m，鉆井液消耗量為10.87～16.30L/min。根據(jù)以上資料可以看出，本含水層為弱含水層，但局部富水性不均一，正常情況下,對煤層開采影響不大。但本礦井3上煤層資源儲量主要賦存在-600m以下，底板隔水層承受的太原組第三層灰?guī)r含水層壓較大，大于6.2MPa,按煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程防治水要求，應(yīng)對太原組第三層灰?guī)r含水層進(jìn)行疏水降壓，以確保安全生產(chǎn)。

3 侏羅系砂礫巖裂隙含水層富水性分析

3.1 富水層段分析

井田內(nèi)局部地段侏羅系砂礫巖含水層直接覆蓋在煤層露頭之上，成為3煤層開采的直接充水含水層。按其富水性自上而下劃分為巖漿巖頂部及鄰近J3m砂巖段、巖漿巖底部及鄰近J3m砂巖段、J3m下部砂礫巖段三個(gè)含水段。

(1)巖漿巖頂部及鄰近J3m砂巖段(一段)。上部為灰色厚層狀泥巖，厚12.25～151.85m，平均95.31m，能起到良好的隔水作用，一般情況下能隔斷與松散層之間的水力聯(lián)系。

下部有巖漿侵入，巖漿巖厚0～163.1m，平均104.46m，其頂部及鄰近的砂巖在巖漿侵入過程中，受到擠壓、烘烤，裂隙發(fā)育。礦井內(nèi)36孔穿過此層位，累厚19.20～ 210.30m，平均76.65m，砂巖裂隙發(fā)育不均，差異性較大。其中有20個(gè)鉆孔發(fā)生漏水，漏水孔率為33%，部分鉆孔全漏失，所以該段下部富水性較強(qiáng)。

(2)巖漿巖底部及鄰近J3m砂巖段(二段)。此段累厚13.80～278.50m，平均110.65m。有6個(gè)鉆孔發(fā)生漏水，漏水孔率為9%，漏失量為1.6m3/h至全漏水。各個(gè)勘查階段的鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可見，該含水層富水性較弱。

(3)J3m下部砂礫巖段(三段)。濟(jì)寧煤田各個(gè)勘查階段鉆孔的漏水率為14%，漏失量為1.6m3/h至全漏水，抽水試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，該含水層的富水性不均一，大部地區(qū)富水性弱-中等。它是開采淺部煤層時(shí)礦井的主要補(bǔ)給水源之一。

表1 侏羅系鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果

3.2 富水性分區(qū)

綜上資料分析，礦井田范圍內(nèi)侏羅系含水層以細(xì)砂巖、礫巖為主，屬孔隙-裂隙水，分布廣泛，厚度大，但受剝蝕影響，殘留厚度不均，富水性不均(圖6)。區(qū)域上該含水層補(bǔ)給來源較差，以靜儲量為主；但在區(qū)內(nèi)該含水層除二段上部富水性較弱外，其余的層段富水性均較強(qiáng)，除靜儲量外還有良好的補(bǔ)給來源，主要接受上部巖漿巖含水層的補(bǔ)給(圖2) 。

圖2 侏羅系含水層富水性分區(qū)Figure 2 Jurassic aquifers water yield partition

4 侏羅系砂礫巖含水層水位動態(tài)變化

區(qū)內(nèi)各階段施工侏羅系水文孔9個(gè)(圖3)。

從2011年以后各孔水位數(shù)據(jù)來看，在2013年2月之前，水位緩慢下降，變化較穩(wěn)定，在2013年2月之后，尤其是13301工作面出水量迅速增加階段，各孔水位表現(xiàn)為迅速下降，尤其是劉官屯斷層南側(cè)附近的3C-30和3C-21鉆孔表現(xiàn)明顯，水位分別下降147.9m和181.7m，其他鉆孔也有不同程度的下降，C-31下降67.2m，3C-20下降28.7m，3C-32下降25.1m，在2013年4月水位基本達(dá)到穩(wěn)定，在2015年3月份之后又有一定程度的下降，從2016年之后到5月份幾個(gè)月的變化看，除3C-21孔水位有下降趨勢，其余觀測孔均有回升趨勢(圖4、圖5)。

本礦工作面直接充水水源主要為山西組3上煤層頂?shù)装迳皫r水，從13301工作面大量涌水后上侏羅統(tǒng)砂礫巖裂隙含水層水位變化情況看，上侏羅統(tǒng)砂礫巖裂隙含水層水位與山西組3上煤層頂?shù)装迳皫r水存在較好的水力聯(lián)系。

5 侏羅系砂礫巖含水層對3煤層的充水影響

3煤頂板砂巖含水層直接覆蓋在3煤之上，區(qū)內(nèi)3煤層隱伏于侏羅系之下，3煤層上距侏羅紀(jì)底界21.04～203.38m，平均約122.75m，3煤層下距太原組第三層灰?guī)r103m。3上煤層厚0.56～4.48m。

由于山西組和侏羅系淄博群三臺組之間為角度不整合關(guān)系，二者的間距并不一致。無論是在勘查階段還是礦井生產(chǎn)階段，以及此后進(jìn)行的多次地質(zhì)及水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探工作，均對侏羅系砂礫巖進(jìn)行了礦井充水條件論證，并計(jì)算了3煤層與侏羅系砂礫巖的間距。

圖3 侏羅系水文孔位置Figure 3 Jurassic hydrogeological borehole positions

圖4 3C-30水位變化曲線Figure 4 Water level variation curve of borehole 3C-30

圖5 3C-21水位變化曲線Figure 5 Water level variation curve of borehole 3C-21

經(jīng)計(jì)算，礦井內(nèi)只有D25-4與16-1兩孔導(dǎo)水裂隙帶分別進(jìn)入侏羅系砂礫巖含水層深度為18.98m與3.46m，初期采區(qū)范圍內(nèi)，僅有3煤露頭附近受侏羅系底部砂礫巖水的影響。觀測孔動態(tài)觀測資料表明，侏羅系砂礫巖水水位大幅度下降，砂礫巖水已經(jīng)成為礦井涌水量的主要水源，說明侏羅系砂礫巖水存在著充水通道。一方面由于斷層的錯(cuò)動導(dǎo)致3煤層對盤的侏羅系砂礫巖間距變小，在采煤導(dǎo)水裂隙帶作用下，對盤的侏羅系砂礫巖水通過導(dǎo)水裂隙帶涌入礦井，另一方面斷層或斷層群等斷裂構(gòu)造帶在采動影響下有可能活化成為導(dǎo)水通道，導(dǎo)通侏羅系砂巖水，造成工作面突水 。

6 斷裂構(gòu)造侏羅系含水層及礦井的充水的影響

區(qū)內(nèi)斷層較發(fā)育，根據(jù)現(xiàn)有勘探資料，大多數(shù)斷層含水性弱，不導(dǎo)水，但是部分?jǐn)鄬泳哂幸欢ǖ母凰院蛯?dǎo)水性。

王樓煤礦近SN向斷層為導(dǎo)水?dāng)鄬?，斷層直達(dá)第四系底部，因而切穿各砂巖含水層；F21、劉官屯斷層等主干斷層在王樓煤礦的南部及中西部地區(qū)構(gòu)成了一個(gè)良好的地下水管道網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)含水層的水通過這個(gè)管道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入離煤層相近的砂巖含水層，當(dāng)工作面開采時(shí)，砂巖含水層中的承壓水便會順著裂隙通道進(jìn)入工作面。

11305工作面出水前侏羅系含水層兩盤水位相差100m左右，出水后相差250m左右(上盤水位埋深最大的3C-21號孔現(xiàn)在水位為-378.88m，下盤水位埋深最大的3C-31號孔現(xiàn)在水位為-120.17m)。說明劉官屯斷層在天然狀態(tài)下，斷層兩盤侏羅系含水層連通性較差，兩盤分屬相對較為獨(dú)立的水力單元。

11305工作面出水后兩年對侏羅系含水層水位連續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)斷層兩盤侏羅系水位都持續(xù)下降，但上盤(三采區(qū))水位下降快，下盤(一采區(qū))水位下降慢。說明受劉官屯斷層及工作面采煤的影響，冒落裂隙帶與斷層“管涌”通道相連，在劉官屯斷層局部薄弱部位形成了“管涌式”導(dǎo)水通道，且上盤出水通道比下盤出水通道“通暢”，工作面出水大部分來自于斷層上盤。斷裂構(gòu)造影響示意圖見圖6。

7 結(jié)論及建議

(1)王樓煤礦侏羅系底部砂礫巖含水層較為發(fā)育，與相鄰礦井之間會存在著一定的水力聯(lián)系，水源可互相補(bǔ)給，通過基巖露頭接受巖漿巖水的補(bǔ)給，但補(bǔ)給條件一般。

圖6 斷裂構(gòu)造對含水層影響示意Figure 6 A schematic diagram of impacts from faulted structure on aquifer

(2)當(dāng)煤層開采造成的冒落裂隙帶影響到侏羅系，其中的孔隙水和裂隙水就會順著冒落裂隙帶直接進(jìn)入礦井，成為煤層開采的直接充水水源，它是淺部煤層開采時(shí)礦井充水的主要補(bǔ)給來源之一。當(dāng)頂板煤層距侏羅系底界間距大時(shí)，在斷層的影響下，孔隙水和裂隙水也會通過斷層垂向或側(cè)向補(bǔ)給含煤地層。

(3)建議在煤層開采時(shí)，詳細(xì)查明侏羅系含水層的富水性及補(bǔ)給來源及通道，提前進(jìn)行注漿或疏水降壓，以減少局部賦水地段的水壓和水量，防治水害事故發(fā)生，確保礦井開采安全 。

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HydrogeologicalConditionAnalysisforJurassicAquifersinWanglouCoalmine,JiningCity

Zhao Yuanqiang

(The Second Exploration Team, Shandong Bureau of Coal Geological Exploration, Jining, Shandong 272000)

At present, the Wanglou coalmine is in course of coal No.3U extraction, while the main water hazard is from coal roof aquifer and gob ponding. The roof aquifers have coal No.3 roof sandstone and Jurassic sandy conglomerate, the later is the main target of coalmine water control. Locally, the sandy conglomerate aquifer is directly overlying on coal outcrops, thus the immediate water filling aquifer during the coal No.3 extraction. Using the pumping test results and water level dynamics over the years, carried out analysis for hydrogeological features of Jurassic aquifers, and assessed impacts from faulted structure on aquifer and coalmine water filling. The results have shown that in most areas, the water yield property of Jurassic lower part sandy conglomerate sector is from weak to medium, one of the main recharge sources during the shallow part coal mining. Between the upper Jurassic sandy conglomerate fissure aquifer and the Shanxi Formation coal No.3U roof and floor sandstone aquifers have better hydraulic connection. Besides the upper member of sandy conglomerate fissure aquifer has weaker water yield property, the rest parts are rather strong and mainly recharged by overlying magmatic rock aquifer. The coal mining caused caving fissure zone can locally impact Jurassic aquifers, thus enabling them become immediate water filling sources during the coal mining.

mine water filling; hydrogeological condition; pumping test; water level dynamics; water yield property; faulted structure

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.10.09

1674-1803(2017)10-0051-06

A

趙元強(qiáng)(1979—)，男 ，工程師，現(xiàn)從事地質(zhì)及水文地質(zhì)工作。

2017-05-12

責(zé)任編輯：樊小舟