晉圣億欣煤礦水文地質(zhì)特征及含水層富水性研究

王 池

（晉煤集團(tuán)晉圣億欣煤業(yè)有限公司，山西 沁水 048299）

1 引言

礦區(qū)水文地質(zhì)特征勘探分析是礦井前期規(guī)劃設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的工作，它關(guān)系到后續(xù)采區(qū)劃分及回采方法的選擇，同時(shí)也影響到采區(qū)防治水措施的實(shí)施和排水線路的安排調(diào)整[1]。富水性是評(píng)價(jià)含水性巖層在后續(xù)回采中涌水量大小的關(guān)鍵指標(biāo)，它不僅反映了含水層溢水量的強(qiáng)度，也表征其外界補(bǔ)水能力。因此，加強(qiáng)對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)特征的勘探和含水層富水性的分析評(píng)價(jià)，對(duì)礦區(qū)回采工作的有序開展具有重要的意義[2]。

含水層富水性評(píng)價(jià)方法主要有：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法、地質(zhì)物探法及多因子分析評(píng)價(jià)法[3]，后者在對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)評(píng)價(jià)的應(yīng)用中尤為普遍。本文基于對(duì)奧陶系含水層富水性有關(guān)的各地質(zhì)因素進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，以此來預(yù)測(cè)巖層富水性分區(qū)特征。

2 礦區(qū)基本概況及水文特征

2.1 基本概況

晉圣億欣煤業(yè)有限公司隸屬于山西晉煤集團(tuán)，是目前集團(tuán)年產(chǎn)百萬噸級(jí)主力生產(chǎn)礦井之一。煤礦位于沁水縣城255°方向直距約10km的沁水縣龍港鎮(zhèn)杏峪、堯都及中村鎮(zhèn)宋莊一帶，開采井田范圍東臨沁水縣龍港鎮(zhèn)，西南部鄰中村鎮(zhèn)，西北部位于翼城縣橋上鎮(zhèn)。井田內(nèi)主采2#、15#煤層，回采標(biāo)高1530～640m，井田面積約31.52km2，其主采煤層特征及頂?shù)装鍘r性如表1所示。

2.2 水文地質(zhì)特征

2.2.1 含水層主要特征

根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果分析，按含水介質(zhì)不同及巖性差異可將礦區(qū)回采深度內(nèi)含水性巖層分為：松散巖性孔隙水含水層、碎屑巖性裂隙水含水層、碎屑巖夾碳酸鹽巖性裂隙水含水層和奧陶系碳酸鹽巖類裂隙水含水層。各含水層水文地質(zhì)特征如下：

（1）松散巖性孔隙水含水層：主要巖性為礫石、細(xì)砂和粉砂，地下水類型為孔隙潛水，埋深3.6～5.2m，主要接受大氣降水垂直補(bǔ)給及基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，向地形較低處徑流與排泄。

（2）碎屑巖性裂隙水含水層：厚層狀砂巖、砂質(zhì)泥巖及紫紅、灰綠中厚層狀泥巖等巖性，類型主要為潛水，局部則為承壓水，埋深5.8～7.1m，主要受大氣降水和第四系孔隙含水層補(bǔ)給，排泄方式為側(cè)向補(bǔ)給溝谷第四系地下水、人工開采及垂直向下補(bǔ)給碎屑巖裂隙含水層。

（3）碎屑巖夾碳酸鹽巖性裂隙水含水層：巖性為多層灰?guī)r及厚層狀砂巖，承壓水，埋深9.5～24.5m，主要以傾向沿相互平行的層間徑流為主，在斷層附近可發(fā)生垂向補(bǔ)給。

（4）奧陶系碳酸鹽類巖裂隙水含水層：巖性為厚層狀灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r或泥灰?guī)r，地下水類型為承壓水，埋深350～500m，徑流方向由西北向東南，處于滯緩流狀態(tài)，排泄方式為大量的人工井采和泉水溢流。

表1 可采煤層特征表

2.2.2 隔水層主要特征

經(jīng)前期勘探結(jié)果表明，礦區(qū)回采范圍內(nèi)共兩個(gè)隔水層，分別為：

（1）石炭系與二疊系砂巖含水層層間隔水層

隔水層主要巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，單層厚度不等，平均厚度約6.9～22.78m，K7、K8層間隔水層平均厚度達(dá)34.28m。呈層狀分布于風(fēng)化帶以下的砂巖及灰?guī)r含水層之間，阻隔著含水層之間的水力聯(lián)系。

（2）石炭系上統(tǒng)太原組下部及中統(tǒng)本溪組隔水層

位于15#煤層之下，至奧陶系灰?guī)r頂界之間，巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及鋁土質(zhì)泥巖為主。該層段巖層致密，裂隙相對(duì)不發(fā)育，為本區(qū)的主要隔水層，地層厚度12.80～25.50m，平均厚度21.5 m，在煤系地層與奧灰地層之間起到良好的隔水作用。

3 奧陶系含水層富水性評(píng)價(jià)

3.1 富水性評(píng)價(jià)指標(biāo)

礦區(qū)目前主要回采15#煤層，下伏含水層為奧陶系碳酸鹽類巖溶裂隙水含水層。為分析15#煤層回采時(shí)含水層的涌水情況，對(duì)該巖層進(jìn)行富水性評(píng)價(jià)。含水層富水性影響因素很多，并且各因素影響方式不同，指標(biāo)評(píng)價(jià)很難統(tǒng)一。對(duì)含水層富水性的有效定性，關(guān)鍵是確定含水層富水性的主要影響因素。根據(jù)億欣煤礦鄰近相似礦區(qū)及已有地質(zhì)勘探資料，確定影響奧陶灰?guī)r含水層富水性的五個(gè)關(guān)鍵因素：含水層厚度、單位涌水量、巖層滲透系數(shù)、區(qū)域斷層發(fā)育密度和鉆孔沖洗液消耗量[4]。

（1）含水層厚度

含水層富水性強(qiáng)弱與厚度直接相關(guān)。通常情況下，含水層厚度越大，內(nèi)生節(jié)理裂隙越發(fā)育，透水性和孔隙度也越大，富水性越強(qiáng)，而含水層厚度越小，富水性相對(duì)越弱。因此，含水層厚度是富水性評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)。

（2）單位涌水量

單位涌水量是分析富水性強(qiáng)弱的直接評(píng)價(jià)指標(biāo)。含水層單孔抽水試驗(yàn)中的單位涌水量是衡量含水層出水能力的直觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（3）巖層滲透系數(shù)

巖層滲透系數(shù)是評(píng)價(jià)巖石滲透特性的主要指標(biāo)，也是分析含水層富水性的主要指標(biāo)，滲透性越好，巖層透水性越強(qiáng)，相應(yīng)裂隙發(fā)育和富水性也就越強(qiáng)。

（4）區(qū)域構(gòu)造發(fā)育密度

區(qū)域構(gòu)造越發(fā)育，往往意味著此處受構(gòu)造應(yīng)力影響越集中，附近巖層受破壞程度也越大，因此裂隙較發(fā)育、富水性較強(qiáng)。根據(jù)已有地質(zhì)資料結(jié)果表明，含水層處斷層密度越集中，越易引發(fā)后期的突水事故，因此可將區(qū)域斷層發(fā)育密度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（5）鉆孔沖洗液消耗量

該指標(biāo)并非直接反映含水層富水性的強(qiáng)弱，而是根據(jù)地質(zhì)勘探時(shí)，鉆孔沖洗液的遺漏情況，分析勘探區(qū)巖層的孔裂隙發(fā)育情況，進(jìn)而推測(cè)該區(qū)域含水層的富水性特征。

3.2 富水性評(píng)價(jià)方法

3.2.1 層次分析法簡(jiǎn)介

層次分析法主要通過對(duì)多因素指標(biāo)進(jìn)行定量性權(quán)重劃分，然后基于評(píng)價(jià)公式實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)的模糊性定量評(píng)價(jià)[5]。其分析過程為：層次模型創(chuàng)建、構(gòu)造判斷矩陣、權(quán)重確定及一致性檢驗(yàn)。

3.2.2 層次模型創(chuàng)建

根據(jù)奧陶系灰?guī)r含水層富水性評(píng)價(jià)關(guān)鍵影響指標(biāo)，可以根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)和屬性將模型分成3層：基于層次分析法的最終目的是對(duì)礦區(qū)內(nèi)含水層富水性進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，所以隸屬目標(biāo)層（A）；將五個(gè)末端因素進(jìn)行分類劃分，可以得出巖層特性、滲流場(chǎng)和含水層特征這三個(gè)模型準(zhǔn)則層（B）；五個(gè)末端評(píng)價(jià)因素構(gòu)成模型的決策層（C）。如圖1所示。

圖1 含水層富水性評(píng)價(jià)分層模型

3.2.3 判斷矩陣和權(quán)重分析

本文中層次分析法采用專家打分的方式來構(gòu)造判斷矩陣。從專家?guī)熘羞x三名專家，依據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)特征和其他勘探資料，對(duì)上述五個(gè)關(guān)鍵因素關(guān)于奧陶灰?guī)r含水層富水性影響程度進(jìn)行兩兩對(duì)比評(píng)分，最終構(gòu)建出相應(yīng)的判斷矩陣。通過對(duì)矩陣相容性進(jìn)行計(jì)算，確定結(jié)果可接受，即取各組矩陣的平均值作為權(quán)重結(jié)果，得到權(quán)重分配初值，然后通過公式（1）的歸一化處理，得到權(quán)重歸一結(jié)果如表2所示。

表2 奧陶灰?guī)r含水層富水性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分配

3.2.4 評(píng)價(jià)結(jié)果

通過表2的權(quán)重分配結(jié)果，可以得到含水層富水性指數(shù)Si的評(píng)價(jià)計(jì)算公式：

式中：

Si-富水性指數(shù)；

wi-歸一化后的各因素權(quán)重值；

fi(x,y)-處于（x,y）坐標(biāo)下的影響函數(shù)。

通過應(yīng)用GIS對(duì)各因素疊加效果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算，得到區(qū)域內(nèi)富水性指數(shù)，進(jìn)而得出晉圣億欣煤礦井田內(nèi)奧陶灰?guī)r含水層富水性強(qiáng)弱分布情況。根據(jù)富水性指數(shù)結(jié)果，可以按 1～0.7，0.7～0.5，0.5～0.3，0.3～0.2，0.2～0.09 為分界區(qū)，將井田內(nèi)奧陶系含水層富水性分為強(qiáng)富水區(qū)、較強(qiáng)富水區(qū)、中等富水區(qū)、較弱富水區(qū)、弱富水區(qū)，如圖2所示。從中可以看出，強(qiáng)富水區(qū)主要分布于礦區(qū)北部，較強(qiáng)富水區(qū)分布于中北部及西北部區(qū)域，中等富水區(qū)分布于中南部，弱及較弱富水區(qū)廣泛分布于礦區(qū)中部大部范圍。

圖2 奧陶系含水層富水性分區(qū)

4 結(jié) 論

依據(jù)晉圣億欣煤礦內(nèi)水文地質(zhì)特征，并對(duì)奧陶系碳酸鹽類巖溶裂隙水含水層采用層次分析法進(jìn)行富水性評(píng)價(jià)，確定了影響奧陶系灰?guī)r含水層富水性的五個(gè)關(guān)鍵因素：含水層厚度、單位涌水量、巖層滲透系數(shù)、斷層發(fā)育密度和鉆孔沖洗液消耗量，然后借助對(duì)比矩陣得到各因素的歸一權(quán)重值，最后通過GIS的數(shù)據(jù)處理，得出了億欣煤礦15#煤層下伏奧陶含水層強(qiáng)富水區(qū)多集中在礦區(qū)北部、西北部區(qū)域內(nèi)。在礦井生產(chǎn)回采中采取針對(duì)性防治水措施，為礦井安全生產(chǎn)提供保障。