岱莊井田第四系沉積環(huán)境與其含水層富水性淺談

常文林

中化地質(zhì)礦山總局陜西地質(zhì)勘查院，陜西 西安 710065

岱莊井田第四系松散層的富水性不僅影響到礦井涌水量的預(yù)測[1-5]，還影響到煤層的開采上限及防水煤柱的留設(shè)[6-8]。原始沉積環(huán)境控制沉積物的特征，而沉積物的特征又直接影響含水層的富水性、滲透系數(shù)等相關(guān)水文參數(shù)。在沉積學(xué)理論指導(dǎo)下，本文對井田第四系沉積環(huán)境和富水性、滲透系數(shù)及水化學(xué)特征之間的關(guān)系進行了分析和探討[9-10]。

1 井田概況

岱莊井田位于濟寧市，井田面積為65.6253km2。井田地勢平坦，為近代形成的沖積平原，地面標高為+36.24～+42.94m，平均在+39.25m左右，自然地形坡度為0.05%。井田屬淮河流域南四湖水系，河流相對較少，水量受大氣降水的影響，雨季有水。

井田以東有洸府河，以西有京杭大運河，均由北向南流入南陽湖，井田以北有一條人工分洪渠連接京杭大運河和洸府河。汛期洸府河的最高洪水位標高為+39.30m，最大流量為400m3/s；汛期京杭大運河的最高洪水位標高為+36.67m，最大流量為626m3/s，枯水季節(jié)河水減少甚至斷流。礦井中心南距南陽湖20km，最高湖水位標高為+36.86m。

根據(jù)鉆孔實際揭露并結(jié)合區(qū)域資料，區(qū)內(nèi)地層發(fā)育由老到新依次有奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、第四系。井田主要含煤地層為山西組和太原組，平均總厚度為259.99m，共含煤28層，煤層平均總厚13.71m，含煤系數(shù)5.27%。山西組含煤層4層（2、3上1、3上、3下煤層），煤層平均總厚度4.97m；太原組含煤層為24層（由上而下依次為4、5、6、7、8上、8下、9、10上、10中、10下、11、12上、12中、12下、14、15上、15下、16、17、18上、18中、18下、19、20煤層），煤層平均總厚度為8.74m；其中以3上煤層最厚，最大厚4.33m，平均厚度2.28m，占煤層平均總厚的16.6%，是本礦井的主采煤層。

岱莊井田總體上為一走向北東、傾向南東的單斜構(gòu)造，地層沿走向和傾向均有一定程度的波狀起伏，地層傾角多在2°～14°，僅個別地段受構(gòu)造影響達26°。地質(zhì)構(gòu)造以寬緩褶曲為主，發(fā)育有一定數(shù)量的斷層，區(qū)域性大斷裂對井田內(nèi)的斷層起著明顯的控制作用，使斷層不論是在方向上還是在形成時間、形成次序上均與區(qū)域斷裂一致，具有區(qū)域斷裂的特點；由于受區(qū)域性構(gòu)造的控制，井田內(nèi)發(fā)育北東向、近南北向及北西向三組高角度斷層組，使含煤地層向西呈階梯式下降。

井田內(nèi)對礦井生產(chǎn)有影響的含水層自上而下主要有第四系砂及砂礫孔隙含水層、山西組3煤層頂、底板砂巖裂隙含水層（組）、三灰?guī)r溶裂隙含水層、十下灰?guī)r溶裂隙含水層、十三灰?guī)r溶裂隙含水層、奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。

井田內(nèi)斷裂構(gòu)造是各含水層水力相互聯(lián)系并在工作面開采過程中導(dǎo)致頂、底板突水的主要通道。井田內(nèi)主要有北東向、近南北向及北西向三組斷裂構(gòu)造，斷層大部分為高角度正斷層，傾角70°左右。根據(jù)鉆孔、地震及采掘工程揭露，井田內(nèi)落差≥10m的斷層64條（正斷層60條，逆斷層4條），斷層密度達0.98條/km2。斷層對采區(qū)的合理劃分和采煤工作面的連續(xù)推進有一定影響。

2 第四系沉積環(huán)境特征

根據(jù)鉆孔巖性特征及測井曲線特征，岱莊井田第四系分上組和下組，上組平均厚104.20m，下組平均厚65.90m；上組劃分為2個層段，下組分4個層段。各層段沉積特征分析如下（圖1）：

圖1 井田第四系測井曲線特征Fig.1 Characteristics of the Quaternary logging curve of coalfield

上組第一段（Ⅰ1）：厚度44.00～74.80m，平均54.90m，巖性主要為暗黃色粘土質(zhì)中粒-粗粒石英砂、礫，砂、礫層厚度占本層35%左右。分選性中等-好，大、中型交錯層理為主。視電阻率測井曲線為平躺的U型，顯示高阻特征，反映了高能量的河床沉積。

上組第二段（Ⅰ2）：厚度14.90～99.10m，平均49.30m，巖性主要為銹黃色中-粗粒石英砂層，夾暗黃色、灰綠色砂質(zhì)粘土2～5層，砂層厚度占本段厚度的63%。分選性中等，中型交錯層理為主。視電阻率測井曲線為鋸齒狀，總體顯示高阻特征，反映了較高能量的邊灘沉積。

下組第一段（Ⅱ1）：厚度20.13～80.21m，平均60.20m，巖性主要為灰白色含粘土長石、石英砂礫層，夾灰綠、灰白色粘土，粘土質(zhì)砂礫層厚度占本段厚度的72%。分選性中等-好，中型交錯層理為主。視電阻率測井曲線為鋸齒狀，總體顯示較高阻特征，反映了較高能量的邊灘沉積。

下組第二段（Ⅱ2）：厚度18.33～30.11m，平均20.21m，巖性主要為灰綠色含砂粘土，砂質(zhì)粘土厚度占本段厚度的86%。分選性好，水平層理為主。視電阻率測井曲線為鋸齒狀，顯示低阻特征，反映了低能量的湖泊沉積。

下組第三段（Ⅱ3）：厚度30.56～95.41m，平均70.32m，巖性主要為灰白色含粘土長石、石英砂礫層和砂質(zhì)粘土互層，各層厚度占本段厚度的50%左右。分選性中等，小型交錯層理及水平層理為主。視電阻率測井曲線為鋸齒狀，總體顯示較高阻和低阻交替特征，反映了高、低能量交替變化的河漫灘沉積。

下組第四段（Ⅱ4）：厚度15.63～25.51m，平均18.73m，巖性主要為灰綠色含砂粘土，砂質(zhì)粘土厚度占本段厚度的90.2%。分選性好，水平層理為主。視電阻率測井曲線為鋸齒狀，顯示低阻特征，反映了低能量的湖泊沉積。

3 第四系富水性及水化學(xué)特征

井田第四系含水層為上組砂層和下組砂層，表1為抽水試驗結(jié)果，據(jù)此可以總結(jié)出以下特征：

表1 井田第四系抽水試驗成果表Table 1 Table of the Quaternary pumping test results of coalfield

（1）第四系上組砂層比下組砂層不僅富水性強，而且前者滲透系數(shù)遠遠高于后者。反映了上組砂層疏松性遠遠好于下組砂層。

（2）第四系上組砂層比下組砂層礦化度高。反映了上組地層比下組地層含有更多的易溶礦物，盡管下組地層比上組地層沉積時間早，但地下水中礦化度主要取決于易溶礦物質(zhì)，而不是沉積時間長短。

（3）第四系上組砂層水質(zhì)陰離子為碳酸氫根，下組砂層水質(zhì)陰離子為硫酸根和碳酸氫根。反映了上組地層主要形成于氧化環(huán)境，而下組地層主要形成于還原環(huán)境[11]。

（4）第四系砂層水質(zhì)鉀、鈉陽離子由淺部向深部含量增加。反映了第四系上組砂層水比下組的更適宜飲用。

（5）富水性、滲透系數(shù)及礦化度呈正相關(guān)關(guān)系。反映了第四系地下水流場不僅連通性好，而且動水力交換頻繁。

4 沉積環(huán)境與富水性

井田的河流相含水層原始沉積環(huán)境為河床和河漫灘。河床環(huán)境沉積物以礫石成分為主，且礫石的粒度變化范圍很寬，河床沉積物不僅孔隙度大，而且孔隙之間連通性好，導(dǎo)致其單位涌水量和滲透系數(shù)都很大；河漫灘環(huán)境沉積物以砂石成分為主，且砂石的粒度變化范圍也很寬，河漫灘沉積物孔隙度較大，而且孔隙之間連通性較好，導(dǎo)致其單位涌水量和滲透系數(shù)都較大。

井田的湖泊相含水層原始沉積環(huán)境為淺湖。淺湖環(huán)境沉積物以粉砂質(zhì)和泥質(zhì)為主，且連續(xù)性好，這就導(dǎo)致其單位涌水量和滲透系數(shù)都很小。

5 結(jié)論

岱莊井田的原始沉積環(huán)境決定了其沉積相特征，從而控制了井田的含水層富水性和滲透性特征；第四系上組地層為河流相沉積，下組地層為湖泊相和河流相交替沉積；河流相砂層為強富水性，湖泊相砂層為弱富水性，且前者比后者滲透系數(shù)及礦化度高；第四系地下水由淺至深礦化度降低，含鹽量增高，上組含水層比下組含水層更適合做飲用水。