呂東亮，李松營，張春光，楊 培,3，張萬鵬

(1.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司石壕煤礦，河南 三門峽 472000；2.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司地質(zhì)研究所， 河南 義馬 472300；3.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003)

新安煤田區(qū)域水文地質(zhì)條件時空差異

呂東亮1，李松營2，張春光2，楊 培2,3，張萬鵬2

(1.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司石壕煤礦，河南 三門峽 472000；2.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司地質(zhì)研究所， 河南 義馬 472300；3.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003)

為了準(zhǔn)確把握新安煤田礦井充水條件的時空差異，制定有針對性、時效性的防治水措施，收集500余個井上下鉆孔以及水庫動態(tài)資料，分析了新安水文地質(zhì)單元的補給、徑流和排泄條件，研究了區(qū)域水文地質(zhì)條件時空差異。研究表明：區(qū)域水文地質(zhì)條件在小浪底水庫蓄水前后以及前期后期與開采前后存在明顯的時間性差異；煤田東部與西部、淺部與深部、不同含水層之間以及同一含水層的不同區(qū)段也存在明顯的空間性差異；寒武系及奧陶系灰?guī)r含水層是區(qū)域主要含水層，在平面上，可以劃分為補給區(qū)、順層徑流區(qū)、折向匯流區(qū)、緩流滯流區(qū)和排泄區(qū)，強(qiáng)徑流條帶集中在折向匯流區(qū)。新安煤田區(qū)域水文地質(zhì)條件的時空差異決定了區(qū)域內(nèi)礦井充水條件的復(fù)雜性與差異性。

水文地質(zhì)條件；時空差異；水文地質(zhì)分區(qū)；大型地表水體

新安煤田礦井充水條件復(fù)雜，面臨多種水害。小浪底水庫淹沒煤田面積49.5km2，存在水下開采難題[1-8]；新安煤田礦井曾發(fā)生大型以上底板突水4次[9-13]，經(jīng)濟(jì)損失數(shù)億元；也曾發(fā)生多次老空水潰入，其中一次造成42人死亡[14]；頂板砂巖水也多次發(fā)生，影響正常生產(chǎn)。新安煤田礦井防治水形勢嚴(yán)峻，被形象地稱之為“頭頂水庫水，懷揣小窯水，腳踏承壓水”。

新安煤田礦井充水條件由區(qū)域水文地質(zhì)條件決定，而此區(qū)域水文地質(zhì)條件時空差異明顯。新安煤田區(qū)域水文地質(zhì)條件在小浪底水庫蓄水前后、開采前后等發(fā)生著顯著改變，存在時間性差異；在煤田淺部與深部、東部與西部、不同含水層之間以及同一含水層的不同地段等也存在著明顯的差異。

降水的季節(jié)性變化和地層巖性、地形地貌等的不同，導(dǎo)致水文地質(zhì)條件時空差異普遍存在。區(qū)域水文地質(zhì)條件時空差異決定礦井充水條件時空變化。研究新安煤田區(qū)域水文地質(zhì)條件時空差異，可以從根本上把握礦井充水條件變化規(guī)律，更好地指導(dǎo)礦井防治水工作。

1 煤田地質(zhì)及水文地質(zhì)

新安煤田地跨河南省洛陽市新安、孟津兩縣，面積約700km2，主采二疊系山西組二1煤，煤種為貧瘦煤，煤炭資源約30億t，是義馬煤業(yè)集團(tuán)的四大煤田之一；現(xiàn)有5對骨干生產(chǎn)礦井和少數(shù)整合煤礦，生產(chǎn)能力超過600萬t/a。煤田地表為丘陵地形，地勢西高東低，最高+635m，最低+158m。震旦、寒武、奧陶系等老地層在煤田西北部出露，地層傾向東南。區(qū)內(nèi)分布有畛河、石寺河、北冶河等季節(jié)性河流。多年平均降水量670mm，7～9月份降水集中，占全年降水量的50%～60%。小浪底水庫是該區(qū)的主要地表水體。新安煤田整體位于新安水文地質(zhì)單元之內(nèi)。新安煤礦開采-200 m以淺資源，年均礦井涌水量約700 m3/h，礦井水文地質(zhì)類型屬極復(fù)雜；新義、義安、孟津等礦開采-200～-600 m資源，正常礦井涌水量200～400 m3/h，礦井水文地質(zhì)類型中等-復(fù)雜。

2 區(qū)域水文地質(zhì)

新安水文地質(zhì)單元面積約800km2(圖1)，構(gòu)成相對獨立完整的巖溶地下水補徑排體系。區(qū)內(nèi)含水層有寒武系與奧陶系灰?guī)r(簡稱寒奧灰)巖溶承壓含水層、太原組灰?guī)r巖溶承壓含水層、山西組砂巖裂隙承壓含水層、石盒子組砂巖裂隙承壓含水層、平頂山砂巖裂隙承壓含水層和第四系松散物孔隙潛水含水層等(圖2)。寒奧灰含水層溶裂隙發(fā)育、厚度達(dá)數(shù)百米，是最主要含水層。單元北界為石井河斷層，位于黃河北岸、走向近EW，斷層南盤灰?guī)r與北盤二疊系對接形成阻水邊界；西南以NW向的龍?zhí)稖蠑鄬訛榻?，與義馬水文地質(zhì)單元相鄰；西北以曹村以西元古界石英砂巖露頭線為界，元古界石英砂巖為相對隔水層，形成相對隔水邊界；東南部巖溶含水層深埋，為巖溶地下水滯流區(qū)，形成滯流邊界。寒奧灰含水層在西北部出露面積約108km2，接受大氣降水補給。自然條件下，巖溶地下水再沿地層傾向向東南方向徑流，至深部滯流區(qū)后轉(zhuǎn)向東北，最后排泄入黃河(小浪底水庫)。隨水庫水位漲落，巖溶地下水也間歇性地接受地表水補給。其它承壓含水層，由于厚度小、裂隙不發(fā)育或連通性差，雖有自然統(tǒng)一水位，但水力交替緩慢，富水性不強(qiáng)。潛水含水層受巖性、地形等控制，片狀分布，富水性差別較大。

圖1 新安水文地質(zhì)單元Figure 1 Xin'an hydrogeological unit

圖2 水文地質(zhì)柱狀Figure 2 Hydrogeological column

3 區(qū)域水文地質(zhì)條件時空差異

3.1 時間性差異

3.1.1 水庫蓄水前后

小浪底水庫蓄水前，區(qū)域內(nèi)僅發(fā)育有畛河、石寺河、北冶河等數(shù)條季節(jié)性河流，不存在其它地表水體；2001年小浪底水庫建成蓄水，之后，小浪底水庫成為唯一特大型地表水體。蓄水前，含水層主要在灰?guī)r露頭區(qū)(標(biāo)高+400 m以上)接受大氣降水補給，寒奧灰?guī)r溶水向黃河排泄，排泄出口標(biāo)高不足+200 m；蓄水后，水庫水位常年保持在+230 m以上，水庫水也起到間歇性補給作用，可以通過寒奧灰含水層的原有排泄通道對其反向補給，使得下游水位抬高最大約50 m，但由于水庫設(shè)計最高水位標(biāo)高為+275 m，故大氣降水仍是寒奧灰含水層的最終補給水源(圖3)。

圖3 水庫蓄水后最終地下水補給徑流排泄條件示意Figure 3 A schematic diagram of final groundwater recharge, runoff and discharge conditions after reservoir impounding

3.1.2 水庫蓄水前期與后期

小浪底水庫庫容126.5億m3，死庫容75.5億m3。蓄水前期，上游攜來的泥沙在庫底淤積增厚(圖4)[15]，隨之死庫容內(nèi)的原有排泄通道逐漸被淤實而喪失補、排功能，排泄出口上移，排泄基準(zhǔn)面將抬升至泥沙淤積層以上。蓄水10余年后，進(jìn)入庫區(qū)的泥沙量與排出的泥沙量逐漸趨于平衡，庫區(qū)泥沙淤積層趨于基本穩(wěn)定，死庫容范圍內(nèi)的原有排泄通道將喪失補、排功能。

圖4 畛河淤積縱剖面變化過程Figure 4 Longisection of Zhenhe River silting-up variation process

3.1.3 開采前后

20世紀(jì)80年代之前，新安煤田尚未正式開發(fā)，地下水補徑排條件處于天然狀態(tài)；寒奧灰?guī)r溶水系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)(圖5a)，總體上由補給區(qū)向排泄區(qū)徑流。開采后，礦井疏水成為受采后冒裂波及的煤層頂板砂巖水和太原組灰?guī)r水的主要排泄方式，采空區(qū)成為其排泄中心。煤田淺部，導(dǎo)水裂隙帶溝通第四系潛水的區(qū)段，礦井疏水對潛水起到排泄作用。特別是近10a來，由于水文孔取水、探查孔放水(試驗)以及突水等，礦井疏水也成為寒奧灰含水層的主要排泄途徑之一，在煤田開采區(qū)域已形成若干程度不同的寒奧灰含水層的降落漏斗(圖5b)。其中，新義井田在沒有采取疏水降壓條件下，2016年水位最大降深已近200 m。巖溶水系統(tǒng)原始統(tǒng)一狀態(tài)被打破并趨于分裂，巖溶水除向天然排泄出口(水庫)排泄外，還就近向人工排泄中心(采空區(qū))排泄。

a

b圖5 寒武系和奧陶系灰?guī)r溶水流場Figure 5 Cambrian and Ordovician limestone karstic water flow field

3.1.4 季節(jié)性差異

大氣降水的季節(jié)性變化導(dǎo)致地下水補給強(qiáng)度的季節(jié)性差異，寒奧灰含水層主要在汛期接受大氣降水補給。受汛期集中降水作用，寒奧灰含水層水位開始持續(xù)上升，但存在滯后，一般至次年元月達(dá)到峰值，之后緩慢下降，每年5～7月份降至低谷。小浪底水庫一般每年5～6月份為泄水期，7～9月份低水位運行，10月開始蓄水，至次年4月期間處于高水位狀態(tài)(圖6)。小浪底水庫有規(guī)律地蓄泄水，造成水位周期性漲落，水面也周期性漲縮。總體上，水庫水位上漲時，水庫水通過對寒奧灰含水層的排泄通道對其反向補給；下降時，恢復(fù)排泄功能。

圖6 巖溶水位、水庫水位與降水量關(guān)系圖Figure 6 Relationship among karstic water level, reservoir water level and precipitation

3.2 空間性差異

3.2.1 東部與西部

常年地表水體主要分布在煤田東部，西部僅發(fā)育有畛河等季節(jié)性河流。煤田東部，數(shù)十個小窯井筒位于庫區(qū)之內(nèi)，小窯水與地表水聯(lián)為一體[16]；受村莊與工業(yè)廣場煤柱阻隔，在煤田西部，二者沒有水力聯(lián)系(圖7)。東部斷裂構(gòu)造發(fā)育，分布有石井河斷層、省磺礦斷層等多條大型斷層(圖8)；而中西部斷層稀少、構(gòu)造簡單；緊鄰岸上斷層的煤田西端中、小型構(gòu)造也較發(fā)育。構(gòu)造發(fā)育的地帶水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

圖7 新安煤田東西部小窯水差異性圖Figure 7 Differentiation between east and west small mine waters in Xin'an coalfield

圖8 新安煤田構(gòu)造綱要圖Figure 8 Structural outline map of Xin'an coalfield

3.2.2 淺部與深部

含水層淺部易受大氣降水、地表水等的補給，水力交替較快；越朝深部，距大氣降水、地表水越遠(yuǎn)，地下水的補給條件變差，主要接受淺部含水層的順層徑流補給，又遠(yuǎn)離排泄出口，多屬滯流環(huán)境，水力交替緩慢。奧灰含水層中放射性同位素氚的平均含量從+25 m水平的2.90 TU逐漸減少到-300 m水平的0.84 TU，也佐證了這一事實。

3.2.3 潛水與承壓水

區(qū)域潛水含水層受地形、沉積物控制，呈片狀、條帶狀分布；富水性受松散物成分控制，一般可視作均質(zhì)含水層；受大氣降水和地表水補給，隨降水多寡或水庫水位升降變化，沒有統(tǒng)一的補徑排條件。區(qū)域(灰?guī)r、砂巖)承壓含水層富水性受裂、溶隙發(fā)育程度以及風(fēng)化充填程度控制，空間分布極不均勻；有統(tǒng)一的補徑排條件，巖溶水由高水位向低水位、補給區(qū)向排泄區(qū)徑流，水位不受地形控制。例如奧灰含水層，原始狀態(tài)下，在露頭區(qū)接受大氣降水補給，然后順層向深部徑流，再折向流向東北方向，最后排泄于黃河(圖4、圖5)；在煤礦大規(guī)模開采和小浪底水庫蓄水的共同條件下，奧灰水既向水庫排泄，又向采空區(qū)漏斗排泄，但其徑流受地形控制(圖4、圖5)。

3.2.4 砂巖與灰?guī)r

砂巖裂隙承壓含水層主要分布在主采煤層二1煤頂板，單層厚度多不足20 m，富水性弱而不均，連通性差，層間一般沒有水力聯(lián)系?；?guī)r溶、裂隙承壓含水層分布在煤層底板，自上而下有太原組灰?guī)r(太灰)、奧陶系灰?guī)r(奧灰)和寒武系灰?guī)r(寒灰)。受穩(wěn)定分布的本溪組鋁土巖阻隔，太灰與寒奧灰之間水力聯(lián)系微弱。太灰水在采掘區(qū)域已被疏干；而奧灰水仍保持較高的水位。

3.2.5 太灰與寒奧灰

太灰有上下兩層，單層厚度一般不足10 m，裂隙不發(fā)育，連通性差，補給不足，富水性弱，靜儲量小，易被疏干；奧灰與寒灰含水層，厚度大，二者水力聯(lián)系密切，被視作統(tǒng)一含水層，補給較充沛，靜儲量大，難以疏干，是當(dāng)?shù)氐闹饕畬?，也是?dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)用水的最主要地下水取水目的層。

3.2.6 寒奧灰的空間差異性

在垂向上，寒奧灰自上而下劃分為馬家溝組、冶里組、鳳山組、長山組、固山組、張夏組、徐莊組和毛莊組等，各組巖性差異，溶裂隙發(fā)育程度差別較大，富水性不同；根據(jù)已施工的數(shù)百個底板探查鉆孔，奧灰頂部風(fēng)化殼15～20 m裂隙多被充填，富水性較差，單孔涌水量很少超過5 m3/h；之下一定范圍內(nèi)巖溶發(fā)育，富水性較強(qiáng)，單孔涌水量可達(dá)50 m3/h以上，甚至超過200 m3/h。

在水平方向上，新安水文地質(zhì)單元自然條件下可以劃分為補給區(qū)、順層徑流區(qū)、折向匯流區(qū)、緩流滯流區(qū)和排泄區(qū)等(圖9)。折向匯流區(qū)，徑流帶集中分布，富水性強(qiáng)，水力交替較為迅速，已發(fā)生的大型與特大型寒奧灰突水事故均處于此條帶，涌水量達(dá)到50 m3/h以上的探查鉆孔也主要集中在此區(qū)域；而緩流滯流區(qū)，富水性較弱，水力交替緩慢，探查鉆孔的涌水量多在5 m3/h以下，奧灰水易于疏降，已形成若干降深70～200 m的降落漏斗(圖6)。

圖9 新安水文地質(zhì)單元補徑排條件分區(qū)圖Figure 9 Xin'an hydrogeological unit recharge, runoff and discharge conditions partition map

4 結(jié)語

(1)新安煤田區(qū)域水文地質(zhì)條件存在明顯的時間性差異：小浪底水庫蓄水前，地下水主要接受大氣降水補給；之后，水庫水也成為地下水的重要補給水源。蓄水后期，逐漸形成的軟弱淤積層利于減弱地表水與地下水的水力聯(lián)系，使得寒奧灰含水層排泄出口上移。開采前，地下水有統(tǒng)一的補徑排條件；之后，礦井疏水成為煤層頂板大占砂巖、香炭砂巖與底板太原組灰?guī)r等含水層的主要排泄途徑，也是寒奧灰含水層的重要排泄方式。隨著大氣降水的季節(jié)性變化與水庫水位的周期性漲落，地下水補徑排條件也呈現(xiàn)較明顯的季節(jié)性變化。

(2)新安煤田區(qū)域水文地質(zhì)條件存在明顯的空間性差異：煤田東部存在常年地表水體，西部僅發(fā)育有季節(jié)性河流。東部小窯水與地表水聯(lián)為一體，西部二者之間沒有水力聯(lián)系。東部斷層發(fā)育，使得水文地質(zhì)條件更趨復(fù)雜，而西部斷層稀少。向地層深部，逐漸形成地下水滯流環(huán)境，補給不足。各含水層之間以及同一含水層的不同地段也存在較大的水文地質(zhì)條件差異。寒奧灰含水層，在水平方向上可劃分為補給區(qū)、順層徑流區(qū)、折向匯流區(qū)、緩流滯流區(qū)和排泄區(qū)等，徑流條帶多集中在折向匯流區(qū)；奧灰頂部風(fēng)化殼15～20 m裂隙多被泥質(zhì)充填，富水性弱。

(3)新安水文地質(zhì)單元的水文地質(zhì)條件對區(qū)域內(nèi)礦井充水條件起著決定作用；礦井充水條件的時空變化決定于區(qū)域水文地質(zhì)條件時空差異，是制定針對性、時效性防治水措施的依據(jù)。

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SpatiotemporalDifferencesinXin'anCoalfieldRegionalHydrogeologicalCondition

Lyu Dongliang1, Li Songying2, Zhang Chunguang2, Yang Pei2, 3and Zhang Wanpeng2

(1.Shihao Coalmine, Yima Coal Industry Group Co. Ltd., Sanmenxia, Henan 472000; 2.Geological Research Institute, Yima Coal Industry Group Co. Ltd., Sanmenxia, Henan 472000; 3.School of Resources and Environment, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454003)

To grasp the spatiotemporal differences in the Xin'an coalfield coalmine water filling condition accurately, formulate targeted and time-efficient water control measures, have collected dynamic data from 500 more surface and underground boreholes and reservoirs, analyzed recharge, runoff, and discharge conditions in Xin'an hydrogeological unit, and studied spatiotemporal differences in regional hydrogeological condition. The study has shown that the obvious temporal differences have been existed in regional hydrogeological conditions before and after impounding of the Xiaolangdi reservoir; early and late stages of impounding; as well as before and after coal mining. Also, obvious spatial differences have been existed between eastern part and western part, shallow part and deep part of the coalfield, between different aquifers, same aquifer but different sectors. The Cambrian and Ordovician limestone aquifers are the main aquifers in the area. On the plane can be divided into recharge area, bedding runoff area, turning confluence area, sluggish viscous flow area and discharge area; while the intensive runoff zones are concentrated in turning confluence area. Spatiotemporal differences in Xin'an coalfield area hydrogeological condition have decided the complexity and diversity of coalmines water filling condition in the region.

hydrogeological condition; spatiotemporal differences; hydrogeological partitioning; large surface water body

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.07

1674-1803(2017)11-0035-06

A

國家自然科學(xué)基金重點資助項目(41130419)

呂東亮(1982—)，男，河南汝南人，工程師，碩士，從事礦井地質(zhì)、防治水方面的科研與管理工作。

2017-05-03

樊小舟