翟虎威

（山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西長治046000）

柿莊北區(qū)塊地下水水力聯(lián)系分析

翟虎威*

（山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西長治046000）

針對(duì)近年來在沁水煤田柿莊北區(qū)塊進(jìn)行煤層氣和煤炭開發(fā)過程中出現(xiàn)的水文地質(zhì)問題和現(xiàn)象，闡述了構(gòu)造和人為因素對(duì)含水層的影響，進(jìn)行了地表和地下含水層之間的水力聯(lián)系分析，總結(jié)出規(guī)律性的論點(diǎn)，并提出相應(yīng)的防治和應(yīng)對(duì)措施。

沁水煤田；柿莊北；地下水；導(dǎo)水；變化；水力聯(lián)系

柿莊北區(qū)塊位于山西省晉城市沁水縣柿莊鎮(zhèn)，屬于沁水煤田，是國家規(guī)劃礦區(qū)劃撥給山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)的煤炭儲(chǔ)備資源，格瑞克煤層氣技術(shù)服務(wù)有限公司和中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司獨(dú)自開發(fā)煤層氣資源。山西省財(cái)政廳以地勘基金的方式出資，山西省國土資源廳管理，確定了柿莊北煤炭詳查為2012年度省級(jí)礦業(yè)權(quán)價(jià)款地質(zhì)勘查項(xiàng)目，該項(xiàng)目是在2006年度普查的基礎(chǔ)上續(xù)建的，山西省煤炭地質(zhì)114勘查院承擔(dān)項(xiàng)目實(shí)施，目前已經(jīng)完成了該區(qū)煤炭資源詳查野外施工和基礎(chǔ)資料的驗(yàn)收。近年來，隨著煤層氣和煤炭資源開發(fā)力度的加大，地表水和地下水賦存狀況均有明顯的改變，特別是對(duì)居民的正常生產(chǎn)生活有很大影響，對(duì)未來的煤炭開采也將有持續(xù)影響。

1　含水層補(bǔ)給、徑流和排泄

1.1無構(gòu)造影響

本區(qū)對(duì)未來煤層開采有直接或間接影響的含水層有：第四系松散巖類孔隙含水層、基巖風(fēng)化帶裂隙含水層、三疊系及二疊系砂巖裂隙含水層組、石炭系上統(tǒng)太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層組、奧陶系中統(tǒng)巖溶裂隙含水層組。在正常情況下，這些含水層或含水層組之間有相對(duì)穩(wěn)定的隔水層或隔水層組，形成了平行復(fù)合結(jié)構(gòu)，含水層之間的垂向水力聯(lián)系受阻，使得各含水層之間不發(fā)生水力聯(lián)系或水力聯(lián)系微弱。

（1）松散巖類孔隙含水層主要接受大氣降水、地表河流入滲及泉水的補(bǔ)給，沿河谷或溝谷向固縣河3條支流排泄，形成地表徑流，流出區(qū)外或垂向補(bǔ)給下部含水層。

（2）基巖風(fēng)化帶、劉家溝組和石千峰組砂巖裂隙含水層組，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，以層間徑流為主，垂向上水力聯(lián)系微弱。劉家溝組垂向節(jié)理發(fā)育，溝通含水層之間的水力聯(lián)系可能性較大。在地形切割較深處見有泉水出露，最大流量為0.30L/s。溝谷地帶，可與松散巖類孔隙水及地表水有相互補(bǔ)排關(guān)系。

（3）太原組、山西組及下石盒子組含水層組在區(qū)內(nèi)無出露；上石盒子組含水層組只在東南部零星出露上段。含水層埋藏較深，各含水層間均有一定厚度的隔水層，屬于平行復(fù)合結(jié)構(gòu)類型。含、隔水層均處于分散隔離狀態(tài)，各個(gè)含水層間的水力聯(lián)系被其間隔水層所阻隔，它們之間存在著一定的水位差。若無構(gòu)造溝通或人為破壞，則各含水層間的水力聯(lián)系微弱，主要接受上覆含水層微弱的垂向補(bǔ)給，然后沿傾向徑流，由于補(bǔ)給條件差，地下水徑流微弱。上石盒子組上段由于在地表出露，還接受大氣降水的補(bǔ)給。

（4）奧陶系中統(tǒng)巖溶裂隙含水層，位于泉域東北部邊界處，區(qū)內(nèi)未出露，全部被厚層基巖所覆蓋，故補(bǔ)給條件差，地下水徑流緩慢。在區(qū)域上屬補(bǔ)給—徑流區(qū)。

1.2構(gòu)造影響

在自然條件下，各含水層可能會(huì)通過斷層和陷落柱發(fā)生水力聯(lián)系，一般與構(gòu)造的力學(xué)性質(zhì)和構(gòu)造面的充填膠結(jié)狀況有關(guān)。構(gòu)造按導(dǎo)水性可分為導(dǎo)水、局部導(dǎo)水和不導(dǎo)水，構(gòu)造的導(dǎo)水性通過井巷工程和鉆探工程均可揭露。

2013年區(qū)內(nèi)施工2-1號(hào)水文孔時(shí)，揭示了F3正斷層在奧陶系石灰?guī)r段導(dǎo)水。首先在地面確定了F3斷層的走向和傾向，推測可能在2-1號(hào)鉆孔中揭露，但2-1號(hào)鉆孔鉆進(jìn)至奧陶系峰峰組56m時(shí)，沖洗液消耗量由0.30m3/h增加至12.20m3/h，鉆進(jìn)至峰峰組70.83m時(shí)，沖洗液消耗量為18.60m3/h，立即終止鉆進(jìn)，進(jìn)行抽水試驗(yàn)，始終未見斷層。試驗(yàn)成果為單位涌水量0.0163L/（s·m），滲透系數(shù)0.151m/d，恢復(fù)水位標(biāo)高+626.03m，和區(qū)域上馬家溝組含水層特征完全吻合。由此推斷F3正斷層位于該孔孔底下方，上馬家溝組含水層水通過該斷層與峰峰組巖溶裂隙貫通，進(jìn)而涌入鉆孔內(nèi)（圖1）。

2　地表水變化特征

本區(qū)位于太行山南段西側(cè)，為中低山地貌，屬黃河流域沁河水系，地表無大的水體，南北向的3條較大溝谷發(fā)育有3條固縣河支流，通過普查和詳查2個(gè)勘查階段的對(duì)比，時(shí)隔7年，地表水的變化尤其明顯，主要現(xiàn)象有：

（1）區(qū)內(nèi)水系內(nèi)的干流和支流較7年前同季節(jié)流量減?。蝗巯驕瞎葴峡诜较蛲埔?；部分支流干枯；在勘查程度高的東部地段，固縣河支流在豐水期幾乎斷流；好多村莊陷入吃水難的困境（圖2）。

現(xiàn)象解析：自2008年開始，區(qū)內(nèi)開始進(jìn)行煤層氣開發(fā)，至2014年年底，鉆井工程基本結(jié)束，初步估算有約500口井，成井均用套管進(jìn)行了全孔封閉，對(duì)地下水含水層無影響；按成井率95%計(jì)算，會(huì)產(chǎn)生5%的廢井，即25口廢井，這些廢井大多由于施工工藝和資金問題，未進(jìn)行全孔封閉或封閉不良，導(dǎo)致了上下含水層的溝通。另外普查和詳查階段一共施工了16個(gè)煤田鉆孔，按照當(dāng)時(shí)批復(fù)的鉆孔封閉實(shí)施方案，均封至3號(hào)煤層上部100m，孔口封5m，中間數(shù)百米至上千米的地層含水層溝通?？偣矃^(qū)內(nèi)約有41口井（平均每2km21口井），使劉家溝組（T1l）、石千峰組（P2sh）和上石盒子組（P2s）含水層發(fā)生了水力聯(lián)系，導(dǎo)致上部含水層補(bǔ)給給下部含水層，上部含水層富水性減弱。

圖1　斷層導(dǎo)水示意圖

圖2　河流水系變化對(duì)比圖

（2）在與本區(qū)東部相鄰的趙莊井田內(nèi)，個(gè)別村莊房屋出現(xiàn)濕陷性危害。

現(xiàn)象解析：趙莊井田相對(duì)勘查程度較高，施工鉆孔密度大，相對(duì)出露地層較老，下部含水層通過鉆孔接受上部含水層的充分補(bǔ)給，富水性增強(qiáng)，使老地層出現(xiàn)泉水復(fù)流或流量增大的情況，基礎(chǔ)為老地層的房屋建筑就會(huì)遭受濕陷的威脅。

3　地下水的變化特征

半封閉的鉆孔作為導(dǎo)水通道，使上部含水層補(bǔ)給下部含水層，導(dǎo)致上部含水層富水性減弱，下部含水層富水性增強(qiáng)。上部含水層通過地表水變化特征得到了充分的驗(yàn)證，下部含水層仍需通過地下水徑流方式收集更多的實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。但通過地下水補(bǔ)給關(guān)系分析，下部含水層富水性勢必會(huì)增強(qiáng)，由于大部分煤田鉆孔封至上石盒子組底部（3號(hào)煤層上部100m左右），上石盒子組下段（P2s1）出露的地段會(huì)有泉復(fù)流或泉流量增大，特別是沿著地下水徑流方向在下游找泉眼或做鉆孔抽水試驗(yàn)，會(huì)驗(yàn)證本次分析的可靠性。

4　地下水變化的危害

上下含水層貫通，除對(duì)地表水有大的影響之外，對(duì)未來3號(hào)煤層開采也有著潛在威脅。

據(jù)區(qū)內(nèi)勘查成果，在91mm孔徑內(nèi)，3號(hào)煤層頂板正常涌水量為1.05m3/h，另外下石盒子組（P1x）和上石盒子組（P2s）正常涌水量為3.90m3/h，石千峰組（P2sh）和劉家溝組（T1l）正常涌水量為3.75m3/h，在未來開采3號(hào)煤層導(dǎo)水裂隙帶和鉆孔同時(shí)溝通的情況下，尤其是煤層深埋區(qū)，3號(hào)煤層頂板涌水量將達(dá)到8.70m3/h，是正常涌水量的8倍多，回采工作面展開時(shí)涌水量將還會(huì)增大。

本區(qū)3號(hào)煤層厚度為2.22～6.65m，平均5.66m。其導(dǎo)水裂隙帶最大高度按《煤礦床文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（MT/T 1091-2008）附錄D的公式計(jì)算：

式中：Hf——導(dǎo)水裂隙帶（包括冒落帶）最大高度，m；

M——煤層厚度，m；

n——煤分層開采系數(shù)（取1）。

一次性采全高時(shí)產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶（包括冒落帶）最大高度為60.53～158.98m，平均為136.98m，可以溝通上石盒子組底部含水層，進(jìn)而溝通上部地層的全部含水層。

5　防治措施

總之，人為干預(yù)地下水流場，不僅影響人的正常生活，而且影響未來井下的安全生產(chǎn)，采取防治并舉的有效措施尤為重要。

（1）預(yù)防措施：建議相關(guān)部門出臺(tái)法規(guī)條例，實(shí)行責(zé)任追究，要求對(duì)一切勘查鉆孔實(shí)行全孔封閉；在下一步勘查過程中，相關(guān)部門應(yīng)加大對(duì)鉆孔封閉設(shè)計(jì)的審核和封閉過程的的監(jiān)督力度，對(duì)施工鉆孔進(jìn)行安全全孔封閉。

（2）治理措施：建議相關(guān)部門立項(xiàng)或采礦權(quán)人出資對(duì)老鉆孔進(jìn)行啟封透孔，重新進(jìn)行全孔封閉，以保障日后對(duì)3號(hào)煤層的安全開采。

6　結(jié)語

本文通過理論聯(lián)系實(shí)際，對(duì)勘查過程中遇到的一些水文方面的現(xiàn)象和問題，進(jìn)行了細(xì)致闡述，科學(xué)剖析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律，與讀者共享。

［1］山西省沁水煤田沁水縣柿莊勘查區(qū)煤炭普查地質(zhì)報(bào)告［R］.山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，2010.

［2］山西省沁水煤田沁水縣柿莊北勘查區(qū)煤炭詳查地質(zhì)報(bào)告［R］.山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，2014.

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A

1004-5716（2016）01-0146-03

2015-01-09

2015-01-09

翟虎威（1983-），男（漢族），山西原平人，工程師，現(xiàn)從事地質(zhì)勘查工作。