水文地质条件分析与采动裂隙时空演化成果

禹州煤田位于颍河流域中游及颍河与汝河分水岭地带，为低山丘陵区，沟谷非常发育，基岩含水层大面积裸露，直接接受大气降水补给，尤其寒武纪石灰岩岩溶含水层，富水性强，地下水多通过断裂带在沟谷底部涌出地表，形成上升泉。燕山运动中期以掀斜运动为主，形成矿区内张堂正断层、南关正断层、虎头山正断层和张得正断层等的北西向大主干断裂，将本区改造为与白沙向斜轴相一致的小断陷盆地，这一组主干断裂在挤压运动中形成，在其后的伸展运动中被改造，断裂两盘构造裂隙比较发育，构成基岩地下水的强径流、强富水区。燕山运动中后期，主要发育了北东向断裂系，断层带在强挤压作用下岩石被粉粒化并再胶结，阻水性能较强，地下水不易垂直穿越断层带。煤田西部及西北部为中低山，向东及东南部延伸，逐渐由丘陵、垅岗过渡为洪冲积平原。据水文调查统计，禹州煤田西部低山丘陵区流量大于1L/s的岩溶水上升泉有近40处，近20年来，随着岩溶地下水的过度开发和矿井的大量排放，地下水位持续下降，绝大部分岩溶泉都已干枯。泉店煤矿位于禹州煤田南部岩溶水弱径流区的东段，属于岩溶含水层浅埋区。

1）主要含水层特征

（1）第四系砂及砾石孔隙含水层（组）：

根据《泉店井田勘探报告》与地面补充勘探工程揭露，第四系厚度为24.61～39.26m，平均32.75m，该层主要由黏土质砾石、黏土质砂、中砂和砾石组成，其中大部分钻孔揭露第四系底部为砾石层。第四系含水层（组）由北向南厚度增大，富水性也逐渐增强。据水文地质测绘，区内该含水层最高水位标高为＋121.20m，最低水位标高为＋96.00m，受季节影响动态变化明显。另据原普查水文地质测绘民井，该含水层厚度7.20m，顶板埋深9.80m，水位标高＋116.88m，水柱高度11.55m，单位涌水量为1.52L/（s·m），渗透系数为4.8m/d。该含水层为中等富水性含水层组，由于与含煤地层距离较远且有多个隔水层相隔，对开采无直接影响。

（2）新近系半固结砂砾石孔隙含水层（组）：

根据《河南神火集团兴隆矿业有限责任公司泉店煤矿三维地震勘探报告》与地面补充勘探钻孔揭露，该含水层厚度20～40m，最大厚度82.30m，主要由数层半固结砂、砾岩组成。根据钻孔抽水试验资料，该层水位标高＋113.71m，q＝0.18L/（s·m），K＝0.252m/d，富水性中等，属孔隙承压水，含水层对浅部煤层开采有一定的影响。新近系与下伏二叠系下石盒子组、山西组地层为角度不整合接触。泉店煤矿11采区即研究区抽水试验成果见表2-4，本区新近系上部以黏土、砂质黏土为主，根据抽水试验结果，其单位涌水量0.232～0.321L/（s·m），渗透系数1.89～2.30m/d，为中等富水性含水层。

表2-4　抽水试验成果统计

新近系中部主要以砾砂、中砂和泥质砾砂为主，夹一定厚度的黏土层。该层局部直接覆盖于二叠系基岩面以上，是开采覆岩裂隙导通后的充水含水层。根据钻孔抽水试验，其单位涌水量为0.0032～0.0078L/（s·m），渗透系数为0.01638～0.02104m/d，该层为弱富水性含水层。新近系底部主要由砾砂、粉砂夹黏土层组成，该层仅局部揭露，其单位涌水量为0.0077L/（s·m），渗透系数为0.031m/d，为弱富水性含水层。

（3）基岩风化带孔隙裂隙含水层（组）：

该含水层主要为基岩裂隙带，属裂隙承压水，是开采覆岩裂隙导通后的充水含水层，厚度20.99～42.80m，平均厚33.13m。据本区抽水试验结果，其单位涌水量为0.0022L/（s·m），渗透系数为0.018m/d，水位标高＋40.67m，为弱富水性含水层。

（4）山西组二1煤层顶板砂岩裂隙含水层（组）：

根据《泉店井田勘探报告》，该层为二1和二3煤层顶板直接充水含水层，由2～6层细—粗中粒砂岩组成，厚度为6.67～31.69m，大部分厚度在13～24m，平均18.15m，砂岩裂隙不发育。另根据抽水试验结果，该含水层单位涌水量为0.0110～0.0119L/（s·m），渗透系数0.038～0.0828m/d，水位标高＋112.63～＋115.56m。根据井下仰斜钻孔的涌水量观测结果如表2-5所示。其涌水量一般为0～0.50m3/h，其中6个钻孔基本未出水，其余4个钻孔0.10（S2－2钻孔）～1.76m3/h（S2－1钻孔），且这些钻孔在施工期间直至终孔深度时涌水量均未发生变化，由此说明二1煤层顶板砂锅窑砂岩富水性不均匀，含水量较小，反映出该含水层组属富水性弱的裂隙承压水，是煤层顶板的直接充水含水层，该层顶板水会随开采逐渐排出。

（5）太原组上段岩溶裂隙含水层（组）：

该含水层由C2 t上段L7～L9三层石灰岩组成，其中L7与L8石灰岩全区稳定且发育，L9石灰岩不发育，含水层厚度为5.24～24.43m，平均14.28m，含水层较致密、完整。根据钻孔抽水试验，该含水层q＝0.00452～0.280L/（s·m），K＝0.02346～0.8910m/d，平均0.495m/d。石灰岩中CaO含量为30.36%～52.61%，平均45.38%。本含水层组属于中等富水的岩溶裂隙承压水，但富水性不均一，是二1煤层底板直接充水含水层。

（6）太原组下段岩溶裂隙含水层（组）：

该含水层是二1煤层底板间接充水含水层，由C2 t下段L1～L4四层石灰岩组成，有时L1与L2合并为一层，局部L4石灰岩相变为砂泥岩地层，含水层厚度为3.79～31.85m，一般为20m左右。含水层裂隙发育，充有网状方解石脉，局部岩芯较破碎，可见小溶洞及地下水活动痕迹，裂面被铁质侵染。1601孔揭露该含水组后先漏水后涌水，最大涌水量40.35m3/h，水位标高＋121.54m，7-∈7孔抽水试验，水位标高＋94.63m，单位涌水量平均0.0105L/（s·m），渗透系数平均0.0355m/d。该含水层组属于弱富水的岩溶裂隙承压水，但富水性不均一。

表2-5　井下仰斜探测孔涌水量

续表

（7）寒武系上统白云质石灰岩岩溶裂隙含水层（组）：

该含水层为石灰岩及白云质石灰岩，矿井范围最大揭露厚度77.92m（15-∈6孔），白云质石灰岩显晶质，裂隙较发育，多充有方解石晶体。根据钻孔抽水试验，本含水层水位标高＋57.33～＋91.17m，q＝0.00643～0.4597L/（s·m），平均0.1831L/（s·m），K＝0.0070～0.628m/d。该含水层属于中等富水的岩溶裂隙承压水，但不均匀，比区域岩溶含水层富水性弱一些，为二1煤层底板间接充水含水层。(www.xing528.com)

2）主要隔水层特征

（1）新生界隔水层：

第四系中一般含有4～5层由黏土和砂质黏土互层组成的隔水层，厚度为30～50m，可有效隔断第四系中各含水层之间的水力联系。而第四系底部与新近系上部分布有一稳定厚度的黏土或砂质黏土层，可以起到阻隔第四系含水层与新近系含水层水力联系的作用。新近系中部由多层黏土、砂质黏土与薄层细砂粉砂互层组成，总厚度较大，细砂综合厚度不高。根据K5和K10钻孔抽水试验结果，其单位涌水量0.0024～0.0078L/（s·m），渗透系数0.0089～0.708m/d，该层表现为弱富水性，总体上可起到阻隔上下含水层水力联系的作用。新近系下部主要由黏土、砂质黏土及黏土质砂砾层组成。根据K8和K9钻孔抽水试验，其单位涌水量为0.005～0.006L/（s·m），渗透系数为0.011～0.035m/d，该层也表现为弱富水性，总体上可起到阻隔上下含水层水力联系的作用。

（2）山西组上部隔水层：

该层包括山西组顶部的小紫段及香炭段上部的泥质岩地层，平均厚度约为18m。正常情况下本隔水段可隔断其上下砂岩含水层间的水力联系。

（3）二1煤底板隔水层：

该层由二1煤底板至太原组L9石灰岩顶板间的泥岩、砂质泥岩、砂岩等碎屑岩类组成，厚5.40～33.18m，平均19.12m。隔水段分布连续，但厚度变化大。

（4）太原组中段隔水层：

该层由太原组L7石灰岩底板至L4石灰岩顶板间的泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、砂岩和二层不稳定的石灰岩（L5、L6）组成，平均厚约41m；正常情况下基本可隔断太原组上、下段含水层间的水力联系。

（5）本溪组隔水层：

该层厚度为1.00～11.45m，平均7.58m，主要由铝土质泥岩、铝土岩组成。矿井范围仅4孔揭露该段，隔水层厚度极不稳定，在厚度变薄部位隔水能力较差，在下伏寒武系石灰岩水的高压作用下，其自然导升现象即有可能使其上下含水层间产生一定水力联系。

3）断层水文地质特征

泉店矿井以断裂构造为主，发育NW、NE及EW向三组断层，控制矿井水文地质条件及对二1煤层坑道充水有影响的主要为落差大于50m的断层。

（1）南关正断层（F3）：

该断层走向NW，倾向NE，落差为300～1000m，延伸长度约40km，为多次活动的张性断裂，断层影响带裂隙发育，地下水活动强烈，断层NE盘下降，SW盘上升使区内二1煤层及其顶板和底板充水直接含水层与外围（西南部）的寒武系强岩溶含水层相对接，该断层构成了本矿井南部的补给边界。

（2）前石固正断层（F82）：

该断层走向近SN，倾向W，落差为400m，延伸长度为10km，属于北东向压扭正断层，具有一定的阻水性能，基本上隔断了本矿井与西北部外围岩溶水强径流区的水力联系。该断层西盘下降，造成矿井二1煤层及其顶板和底板直接充水含水层与外部的新生界隔水层相对接，构成矿井西部的阻水边界。

（3）DF07正断层：

该断层走向NE，倾向NW，落差为100m左右，造成矿井内二1煤层顶板砂岩裂隙含水层与外围C2 t下段岩溶裂隙含水层相对接，并使二1煤层底板直接充水含水层（C2 t上段石灰岩）与外围的寒武系岩溶含水层相对接，使矿井东部边界条件相对复杂一些。

（4）DF04正断层：

该断层为横跨矿井中部的一条较大断层，走向近EW，倾向N，倾角40°～63°，落差为50～150m，且自东向西落差渐小，造成断层自东向西上盘的二1煤层依次与下盘的∈3岩溶含水层、C2 t下段溶隙含水层和C2 t上段石灰岩含水层相对接。建井期间东翼轨道石门、上仓斜巷、总回风巷穿越该断层时，涌水量很小，但在对断层两盘的11－CS1地面长观孔与井下D1探水孔C2 t上段地下水位观测中，水位几乎是同步下降，显示其为导水断层，又1301孔对该断层带抽水时，判定其为导水断层，综合分析认为该断层基本为导水断层，只是局部导水性较弱。

此外，落差在50～60m的正断层有3条，其中DF04-1正断层为DF04断层的支断层，而DF104与FB1正断层最大落差均为50m，位于矿井南及东南部边界，这三条断层将其上盘的二1煤层与下盘的C2 t上段L7石灰岩相对接，可使C2 t上段岩溶裂隙水充入二1煤层坑道。其他还有最大落差为30～40m的正断层6条，可将局部地段C2 t上段L8和L9岩溶裂隙水导入二1煤层坑道。而落差小于30m的小正断层，则对二1煤层坑道充水影响不大。