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水文地質(zhì)

地質(zhì)構(gòu)造對(duì)韓城礦區(qū)水文地質(zhì)特征的影響

  韓城礦區(qū)以韓城大斷層(F1 )為界分為兩個(gè)地貌單元。斷層?xùn)|南部為黃土臺(tái)塬區(qū), 是韓城市的主要農(nóng)業(yè)區(qū);西北部為以黃土梁峁景觀為主的低山丘陵區(qū), 區(qū)內(nèi)溝谷縱橫, 地形復(fù)雜, 是煤炭資源的主要開(kāi)發(fā)區(qū)。
 
  區(qū)域地形總的趨勢(shì)是西北高東南低;區(qū)內(nèi)屬大陸半干旱性氣候, 年降水量一般為500mm;年蒸發(fā)量大于年降水量的2 ～ 3倍。
 
  韓城礦區(qū)屬于黃河水系, 常年性河流主要有黃河、鑿開(kāi)河、盤河、涺水河等, 其中黃河為區(qū)域最大的地表水流, 是礦區(qū)的區(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面, 也是礦區(qū)東南部的天然邊界。自北向南切穿煤系地層及寒武奧陶系灰?guī)r地層, 在禹門口一帶形成峽谷, 流經(jīng)灰?guī)r段地層長(zhǎng)度約7km, 常年平均流量為6328 m3 /s;水位高程在373 ～ 385m之間;鑿開(kāi)河、盤河、涺水河均為流經(jīng)該區(qū)域黃河的支流。
 
  1 韓城礦區(qū)水文地質(zhì)概況
 
  韓城礦區(qū)位于渭北煤田的東北端、黃河的西岸, 其主要含煤巖系為二疊系山西組及石炭系太原組, 主采煤層2號(hào)、3 號(hào)、5 號(hào)、11 號(hào), 奧陶系石灰?guī)r(以下簡(jiǎn)稱奧灰?guī)r)為煤系基底。整個(gè)礦區(qū)的水文地質(zhì)概況為, 地表水不甚發(fā)育, 地下水受構(gòu)造、巖性及地形地貌的控制。地下水主要埋藏在第四系地層底部的孔隙基巖裂隙和巖溶裂隙之中, 煤系及其上部地層中各含水層充水空間不太發(fā)育。
 
  由于受沉積作用的控制, 含水層與隔水層相間存在, 形成多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合承壓含水體。煤系及其上覆地層中含水層的含水性、富水性和透水性多不良, 水力聯(lián)系較差, 加之地形復(fù)雜, 徑流條件好, 滲透有限, 補(bǔ)充不足, 故含水量不大。煤系基底奧陶系石灰?guī)r受巖性和構(gòu)造的影響, 巖溶裂隙在邊部、淺部發(fā)育, 水文地質(zhì)條件復(fù)雜, 奧灰?guī)r溶含水層為多層段結(jié)構(gòu)的復(fù)合承壓含水體。
 
  地下水按其巖性及儲(chǔ)水空間可分為, 第四系松散巖類孔隙水、石炭二疊系砂(灰)巖裂隙水及奧灰?guī)r巖溶裂隙水三種類型。總體而言, 第四系松散巖類含水不豐富, 石炭二疊系富水性、透水性不強(qiáng), 奧灰?guī)r巖溶水富水性、透水性強(qiáng), 但極不均一, 對(duì)煤層開(kāi)采影響極大(表1)[ 2] 。
 
  2 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)水文地質(zhì)邊界的控制作用
 
  礦區(qū)內(nèi)出露的大型斷層有兩類:一類為張扭性斷層, 另一類是壓扭性斷層, 這兩類不同性質(zhì)的斷層, 總的特征是, 高角度、延伸遠(yuǎn), 從幾公里到幾十公里, 斷距大, 一般在百米以上。這些斷層不但影響著地下水的透水性和富水性, 而且也控制著地下水的徑流條件及運(yùn)動(dòng)方向。
 
  2.1 韓城正斷層(F1)的水文地質(zhì)特征
 
  斷層下盤地層走向NE, 傾向NW,主要由寒武系、奧陶系、石炭二疊系的地層所組成。奧陶系石灰?guī)r出露面積達(dá)14.
 
  1km2 , 由于受多次構(gòu)造破壞, 斷層節(jié)理發(fā)育, 裂隙率達(dá)3.6%, 形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng), 成為礦區(qū)邊淺部徑流帶, 鉆孔單位涌水量達(dá)64L/s· m;斷層上盤為松散沉積物覆蓋,厚度在500m以上, 巖性為黃土狀亞粘土、亞砂土、粘土, 局部有砂礫層, 細(xì)砂層透鏡體, 含水層薄, 富水性弱, 抽水量1 ～ 30m3 /h, 水質(zhì)類型為HCO3 -SO4 -Ca。
 
  位于水河谷中的203鉆孔證明, 在一個(gè)鉆孔中, 分別有潛水位、奧灰水位, 潛水位高出奧灰水位3.4m, 說(shuō)明奧灰水與潛水位二者之間沒(méi)有直接水力聯(lián)系, 奧灰水位是穩(wěn)定的, 其水質(zhì)類型為SO4 -CO3 -Ca-Mg, 礦化度為824.73mg/L。由于斷層兩側(cè)水位、水質(zhì)不相同, 證明韓城大斷層(F1)是弱透水的水文地質(zhì)邊界線。
 
  在平面圖上, F1 斷層的控水作用比較明顯, 表現(xiàn)在距F1 斷層水平距離較近時(shí), 鉆孔單位涌水量較大,較遠(yuǎn)時(shí)鉆孔單位涌水量較小。
 
  2.2 龍亭斷層組的水文地質(zhì)特征
 
  其代表性斷層為愛(ài)貼村逆斷層(F14), 展布于清水村至西如忌村一線, 延伸達(dá)12km, 斷層走向N80°E,傾角50°左右, 傾向SE。由于受到強(qiáng)烈的擠壓, 產(chǎn)生了許多小型曳引褶曲, 地表上可見(jiàn)上石盒子組底部地層逆沖于石千峰組第一段之上, 斷距達(dá)450m。
 
  在斷層兩側(cè)的水文動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料顯示, 二者水位相差9 ～ 10m, 不僅水位動(dòng)態(tài)變化不一, 而且?jiàn)W灰水質(zhì)也不相同。如斷層北側(cè)(位于韓城礦區(qū)范圍)水質(zhì)類型為S04 -HCO3 -Ca-Na, 礦化度為729.9mg/L, 而斷層南側(cè)(澄合二礦), 水質(zhì)類型為HCO3 -SO4 -Ca-Na, 礦化度為516.81mg/L。說(shuō)明以愛(ài)貼村逆斷層(F14)為代表的龍亭構(gòu)造帶為礦區(qū)的南部阻水邊界。
 
  2.3 楊山莊F7 正斷層的水文地質(zhì)特征
 
  F7 正斷層位于礦區(qū)中部楊山莊一帶, 斷層走向NE到NEE向, 傾向SE, 傾角60°, 斷距300 ～ 500m(圖2)。上盤為中、下奧陶統(tǒng)石灰?guī)r及太原組地層;下盤為太古界花崗片麻巖。斷層兩側(cè)水位、水質(zhì)不同。北圖2 楊山莊斷層F7 地質(zhì)平面圖Fig.2 GeologicaldiagramofF7 faultofYangshanzhuang側(cè)奧灰水位多年的動(dòng)態(tài)資料顯示, 一直在緩慢上升, 水位保持在377m以上, 奧灰水質(zhì)類型為SO4 -Cl-Ca-Na, 礦化度為1389.23mg/L。南側(cè)奧灰水位保持在371m以上, 奧灰水質(zhì)類型為SO4 -HCO3-Ca-Mg, 礦化度為824.73mg/L, 證明楊山莊正斷層(F7)是阻水邊界之一。
 
  2.4 F9 張扭性斷層的水文地質(zhì)特征
 
  F9 斷層展布于馬溝渠至文家?guī)X一線,延展9km左右, 斷層走向N15°～ 30°E, 傾向SE, 傾角60°, 斷于寒武系與奧陶系石灰?guī)r中, 是F1 斷層的次一級(jí)斷層, 為一張扭性斷層。該斷層延展于馬溝渠礦+240石門突水地帶消失。在消失處由于地應(yīng)力分散, 巖層變形明顯, 形成小型褶曲, 幅度2 ～ 3m, 并伴生垂直節(jié)理及斷層裂隙, 形成富水帶, 該斷層導(dǎo)致馬溝渠煤礦+240石門突水淹井。
 
  2.5 蓮花山F5 逆斷層的水文地質(zhì)特征
 
  F5 逆斷層展布于象山至蓋兒岑一線, 延展長(zhǎng)7km, 斷層走向N40°～ 60°E, 傾向NW, 傾角20°～ 45°, 斜斷距60 ～ 180m不等, 斷層面呈舒緩波狀, 旁側(cè)小型曳引褶曲十分發(fā)育, 對(duì)淺部煤層有一定的破壞作用。由于斷層面的傾角變化, 淺部表現(xiàn)地層缺失, 深部表現(xiàn)地層重復(fù)。該斷層在天然狀態(tài)下有隔水作用(圖3), 在逆斷層上盤有電4孔于1977年11月8日經(jīng)抽水試驗(yàn)水位下降22.80m, 單位涌水量為0.190L/s· m, 在斷層下盤有電1孔于1977 年6月16日經(jīng)過(guò)抽水試驗(yàn), 水位下降0.39m, 單位涌水量46.23L/s· m。上下兩盤, 鉆孔單位涌水量相差243.32倍[ 4] 。
 
  蓮花山逆斷層F5 在象山尖滅地段, 由于地應(yīng)力釋放, 產(chǎn)生斷層破碎帶(包括小斷層), 當(dāng)巷道通過(guò)破碎帶時(shí), 產(chǎn)生突水滯后現(xiàn)象, 涌水量由小變大, 造成突水, 如象山礦+280石門中突水。
 
  2.6 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐值挠绊?/div>
 
  韓城礦區(qū)自成一個(gè)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元, 即在平面上有獨(dú)立的補(bǔ)給, 徑流、排泄系統(tǒng)。水文地質(zhì)單元四周邊界清楚, 東南以韓城大斷層(F1)作為邊淺部水文地質(zhì)邊界線, 且為弱透水邊界;西南以愛(ài)帖溝逆斷層(F14 )為代表構(gòu)成奧灰水的阻水邊界;東北以黃河谷地作為奧灰水徑流的排泄區(qū)邊界;西北為奧灰水深循環(huán)滯流帶, 可看做是地下水的自然邊界或阻水邊界。
 
  在上述水文地質(zhì)單元內(nèi)部, 由于受F2 逆斷層、楊山莊正斷層(F7 )及花崗巖體的阻隔作用, 以楊山莊、文家?guī)X附近為界, 礦區(qū)水文地質(zhì)單元被分隔為水力聯(lián)系微弱的兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)區(qū), 簡(jiǎn)稱南區(qū)和北區(qū)(圖4)[ 5] 。
 
  3 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)井下突水的影響
 
  象山溝外排矸井突水事件, 斜井掘進(jìn)長(zhǎng)度270m, 共發(fā)生三次突水, 都是在逆斷層F8 、F10斷層破碎帶處。因?yàn)镕8 、F10逆斷層兩端被F1 大斷層所切, 而且逆斷層形成時(shí)間早, 被晚期F1 大斷層破壞, 變成斷層破碎帶, 所以屢次透水。
 
  象山礦付斜井+280排矸石門、溝外排矸斜井(3次)共5次突水, 馬溝渠礦井筒、井底車場(chǎng)及+240石門(7次)共13次涌水, 構(gòu)造裂隙均為走向NE, 傾向SE, 傾角50°以上的大小斷裂及節(jié)理組成的斷層破碎帶。可以看出, 突水巖層為石灰?guī)r或灰質(zhì)白云巖、白云巖為主, 位置處于淺部地層傾角由大變小轉(zhuǎn)折地段,斷裂節(jié)理伴生, 且成群出現(xiàn), 呈平行排列, 出水特征為斷層直接導(dǎo)水。
 
  桑樹(shù)坪礦井下奧灰突水點(diǎn)共有八個(gè), 其中有六個(gè)突水點(diǎn)是直接遇上斷層點(diǎn)突水, 突水量由100 ～1530m3 /h不等。
 
  4 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育的控制作用
 
  從礦區(qū)鉆孔及巷道的揭露資料看, 在巖溶發(fā)育中占統(tǒng)治地位的是構(gòu)造裂隙通道, 在垂直方向上呈現(xiàn)帶狀分布, 次為巖溶通道, 巖溶裂隙發(fā)育深度與一系列北升南降, 向汾渭地塹中心依次跌落的正、逆斷層組成的深斷裂有關(guān)。
 
  (1)在高程380 ～ 300m上, 見(jiàn)裂隙寬100 ～ 200mm。每進(jìn)巷3 ～ 5m, 可見(jiàn)裂隙1條, 裂隙率為6.7%, 溶洞分布在337.83 ～ 365.78m高程, 可見(jiàn)0.6m寬的溶洞及0.5 ～ 5cm寬的溶蝕孔。礦井涌水量180 ～240m3 /h, 為富水帶。
 
  (2)在高程300 ～ 200m上, 見(jiàn)裂隙寬度5 ～ 150mm。每進(jìn)巷3 ～ 10m, 可見(jiàn)裂隙1 條, 從253.34 ～ 295.
 
  08m高程均見(jiàn)有溶洞, 溶洞寬0.2 ～ 0.7m不等。鉆孔在此段內(nèi)常發(fā)現(xiàn)掉鉆、卡鉆、涌水等現(xiàn)象。礦井突水量最高達(dá)1.2萬(wàn)m3 /h, 為強(qiáng)富水帶。
 
  (3)在高程200m以下, 溶洞、裂隙發(fā)育程度下降, 為含水帶。
 
  (4)鉆探資料證明:在高程100m以上奧灰水質(zhì)較好, 而在100m以下水質(zhì)比較差。
 
  5 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件的影響5.1 對(duì)地下水補(bǔ)給的影響
 
  礦區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水與地表水體。區(qū)內(nèi)黃土覆蓋厚度較大且分布面積廣, 加之地形復(fù)雜, 地表徑流條件好, 大氣降水以面流和片流的形式很快排泄到溝谷流走, 僅在基巖露頭與裂隙發(fā)育段有一些補(bǔ)給, 其余地段滲透很小, 含水層的補(bǔ)充有限。
 
  礦區(qū)內(nèi)河流流向大致與地層走向垂直, 河流在流經(jīng)礦區(qū)基巖露頭處的裂隙和構(gòu)造裂隙發(fā)育段均產(chǎn)生滲漏補(bǔ)給。據(jù)煤田地質(zhì)131勘探隊(duì)的測(cè)量, 礦區(qū)地表水在奧灰?guī)r段內(nèi)總的漏失量約為942.26m3 /h。
 
  5.2 對(duì)地下水徑流的影響
 
  礦區(qū)奧陶系灰?guī)r含水層中的地下水, 徑流帶處于礦區(qū)淺部單斜構(gòu)造由急傾斜變成緩傾斜的轉(zhuǎn)折部位。
 
  由于邊淺部碳酸鹽巖體受到多次的壓扭、張扭作用破壞, 形成褶斷破碎帶, 不僅造成斷層、節(jié)理與層理相互連通, 而且使奧陶系各組巖層錯(cuò)開(kāi)對(duì)接或與寒武系各組巖層對(duì)接, 導(dǎo)致上下含水層連通一起, 形成了統(tǒng)一的含水體及+380m的統(tǒng)一區(qū)域水位。其徑流形式在中深部通過(guò)構(gòu)造裂隙以滲流的形式向邊淺部運(yùn)動(dòng), 向黃河谷地方向排泄, 滲透系數(shù)k=3m/d;在邊淺部構(gòu)造帶, 地下水在巖溶作用形成的巖溶裂隙中以管道流的形式運(yùn)動(dòng), 滲透系數(shù)k=28.7m/d。抽水試驗(yàn)表明, 沿南北方向上奧灰水導(dǎo)水性強(qiáng), 沿東西方向上導(dǎo)水性差, 南北方向形成的漏斗影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于東西方向形成的漏斗影響范圍, 反映沿礦區(qū)邊淺部斷層走向方向是主要的來(lái)水方向與主要的導(dǎo)水通道。
 
  5.3 地下水排泄的影響
 
  奧灰?guī)r地下水運(yùn)動(dòng)主要受地質(zhì)構(gòu)造、巖層的含水性、黃河臨時(shí)侵蝕基準(zhǔn)面高程所控制, 并與潛水運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)。韓城礦區(qū)奧灰?guī)r地下水運(yùn)動(dòng)。
 
  (1)礦區(qū)灰?guī)r地層出露面積14.7km2 , 據(jù)測(cè)定, 奧灰?guī)r的面裂隙率為2%左右, 大氣降水與地表水可通過(guò)裂隙補(bǔ)給地下奧灰?guī)r含水層, 并在奧灰?guī)r中分別形成垂直滲入帶, 即奧灰水面以上到露頭地面;季節(jié)變動(dòng)帶, 即奧灰最低水位到最高水位, 370m到380m;水平徑流帶, 即奧灰水位370m到礦井最低220m排泄高程;200m以下稱深部緩流帶。
 
  (2)向井田深部為單斜構(gòu)造, 隨埋藏逐步加深, 水壓增加, 水的礦化度增高, 而深部又無(wú)排泄口, 為相對(duì)隔水邊界。
 
  (3)邊淺部為補(bǔ)給區(qū)與徑流帶, 二者大體一致, 其和井田深部含水帶的關(guān)系是徑流帶與呆滯區(qū)的關(guān)系。礦區(qū)實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)資料證明, 二者水位升降同步、同曲, 表明水力聯(lián)系密切, 但水質(zhì)差別大, 證明為水壓傳導(dǎo)關(guān)系。
 
  (4)在徑流帶(補(bǔ)給區(qū))與緩慢徑流帶之間有一個(gè)動(dòng)靜儲(chǔ)量調(diào)節(jié)帶, 即維持徑流帶中的動(dòng)儲(chǔ)量與(井田深部)呆滯區(qū)帶中的靜儲(chǔ)量之間的平衡關(guān)系。
 
  由于奧灰水位為+380m左右, 地面高程為+400m以上, 所以礦區(qū)內(nèi)無(wú)明顯排泄口。根據(jù)礦區(qū)等水位線圖, 受黃河臨時(shí)侵蝕基準(zhǔn)面控制, 奧灰水的天然流場(chǎng)均由西北向東南、向黃河谷地方向排泄, 與地面潛水排泄方向一致。
 
  6 結(jié)論
 
  (1)地質(zhì)構(gòu)造不但影響著地下水的透水性和富水性, 而且控制著地下水的徑流條件及運(yùn)動(dòng)方向[ 9 ～ 11] 。
 
  韓城礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地下水的透水性、富水性和地下水的徑流條件、運(yùn)移情況的影響明顯。
 
  (2)由于受地質(zhì)構(gòu)造的控制韓城礦區(qū)自成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。韓城水文地質(zhì)單元四周邊界東南以韓城大斷層(F1 )作為邊淺部水文地質(zhì)邊界線, 且為弱透水邊界;西南以愛(ài)帖溝逆斷層為代表構(gòu)成奧灰水的阻水邊界;東北以幾乎全部切割了奧陶紀(jì)地層的黃河谷地作為奧灰水徑流的排泄區(qū)邊界;西北為奧灰水深循環(huán)滯流帶, 可看作是地下水的自然邊界或阻水邊界。韓城水文地質(zhì)單元內(nèi)部由于受F2 逆斷層、楊山莊正斷層(F7 )及花崗巖體的阻隔作用, 以楊山莊、文家?guī)X附近為界, 礦區(qū)水文地質(zhì)單元又被分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)區(qū), 簡(jiǎn)稱南區(qū)和北區(qū)。
 
  (3)該區(qū)域煤礦井下突水點(diǎn)位置處于井田的淺部, 地層傾角由大變小轉(zhuǎn)折地段。這些部位一般呈現(xiàn)斷裂節(jié)理伴生, 且成群出現(xiàn), 均為斷層造成的直接導(dǎo)水。
 
  (4)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)韓城礦區(qū)巖溶的發(fā)育、井下突水和地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄有著重要影響。