潘二煤矿灰岩地下水动态变化特征及影响因素分析

Analysis of Dynamic Change Characteristics and Influencing Factors of Limestone Groundwater in Pan’er Coal Mine

摘要: 随着我国东部矿区煤层开采深度的增加，底板岩溶水是构成煤矿安全生产威胁主要因素。为此，以潘二煤矿西四采区A组煤底板灰岩水为对象，采用放水试验、探查治理工程，并结合矿井水文地质条件，系统分析了各灰岩含水层地下水水位、水质、水温及涌水量等动态变化特征及影响因素，结果表明：西四采区充水水源主要来自太灰的C₃ I组和C₃ II组灰岩含水层；奥灰水位持续下降，不仅反映了奥灰含水层在局部地段裂隙发育，也可能与太灰含水层之间存在一定水力联系。影响上述变化的主要因素为地质构造、采掘活动、含水层间水力联系。

Abstract: With the increasing depth of coal seam mining in eastern China’s mining areas, karst water in the coal seam floor has become a major threat to mine safety. Focusing on the limestone aquifer water in the floor of the A-group coal seams in the West Fourth Mining Area of Pan’er Coal Mine, this study systematically analyzed the dynamic characteristics (water level, quality, temperature) and influencing factors of groundwater in limestone aquifers through water discharge tests, exploration and remediation engineering, and hydrogeological condition assessments. The results indicate that the primary water sources in the West Fourth Mining Area are derived from the C₃ I and C₃ II limestone aquifers of the Taiyuan Formation (Taihui). The continuous decline in the water level of the Ordovician limestone (Aohui) aquifer suggests localized fracture development within the Ordovician strata, implying potential hydraulic connectivity with the Taiyuan Formation aquifers. The main factors influencing the above changes are geological structure, mining activities, and the hydraulic connections between aquifers.

1. 引言

淮南煤田位于华北板块东南部，是我国华北煤田的重要组成部分之一。近年来，随着浅部煤炭资源日益枯竭，向深部开采已成为必然趋势[1] [2]。潘二煤矿位于淮南煤田中部的潘谢矿区。目前，主要开采二叠系下部的A组煤层，因受多期构造地质作用，各灰岩含水层间存在一定的水力联系，深部岩溶水文地质条件极为复杂[3]-[7]。潘二煤矿A组煤层开采过程中曾因奥陶系岩溶突水，导致矿井下部水平被淹。因此，进一步查明岩溶水文地质条件，对岩溶水害防治至关重要。为此，采用疏水降压、地面区域探查治理、放水试验与示踪试验等方法[8]-[16]，获得各含水层地下水的水位、水温、水质等地下水动态变化信息，分析岩溶地下水充水要素及各含水层间水力联系[17]-[22]。

Figure 1. Bedrock geologic plan of Pan’er coal mine

图1. 潘二煤矿基岩地质平面图

Figure 2. Hydrogeologic profile

图2. 水文地质剖面图

2. 矿井地质概况

潘二煤矿位于安徽省淮南市潘集区境内，西边与潘三煤矿相接，南边为潘一矿，北边为潘北矿。潘二矿处在陶王背斜及其转折端，其核部为煤系地层所覆盖。地层走向为N55˚W~N70˚W，地层倾向NE，倾角变化较大。研究区内主要发育有F₁、F₂、F₅、F₆₆等较大断层及F₁₀、DF₉和DF₁等小断层。其中F₁在研究区内部为正断层，走向N50˚W~N75˚W，倾向S，倾角70˚~80˚；以F1断层为界，将整个井田分为了西部和南部2个块段[23]-[28]，如图1所示。区内地层由老至新依次为寒武系，奥陶系，石炭系，二叠系，三叠系，古近系，新近系和第四系，主要含煤地层为二叠系的山西组和上、下石盒子组。

潘二煤矿含水层由新生界松散层砂层孔隙含水层(组)、二叠系砂岩裂隙含水层(组)、太灰含水层(组)和奥灰含水层(组)四部分组成。煤系砂岩各含水层之间分布着粘土隔水层，砂岩含水层静储量为主，富水性差，补给量缺乏，见图2。

矿井目前开采A组煤层，充水水源主要为C₃ I组灰岩水，C₃ II组灰岩水对充水贡献极小。

3. 岩溶水文地质条件

3.1. 含(隔)水层结构

A组煤层开采过程中，主要受到底板下部岩溶含水层影响，其含隔水层结构阐述如下[29] [30]。

1) 太原组含水层

依据水文地质勘探成果，将太原组灰岩承压含水层分为三个含水组：C₃ I灰岩含水组、C₃ Ⅱ灰岩含水组和C₃ Ⅲ灰岩含水组。

C₃ I组灰岩含水层：C₃ I灰岩含水组厚度20.55~40.4 m，平均厚度33.56 m。单位涌水量为0.000009~0.306 L/(s∙m)；渗透系数0.00028~0.09 m/d；富水性为弱–中等。

C₃ Ⅱ组灰岩含水层：C₃ Ⅱ灰岩含水组厚度15.84~29.8 m，平均厚度24.04 m。单位涌水量为0.000263~0.0015 L/(s∙m)，为弱富水性。

C₃ Ⅲ组灰岩含水层：C₃ Ⅲ灰岩含水组厚度21.06~42.89 m，平均32.71 m。单位涌水量为0.000083~0.00958 L/(s∙m)，为弱富水性。

2) 奥陶系灰岩含水层

由奥灰钻孔知，奥灰厚度99.87 m~131.90 m，平均厚度116.37 m。渗透系数为0.00004~4 m/d。裂隙较发育，多被方解石充填。

3) 寒武系灰岩含水层：单位涌水量为0.0015 L/(s∙m)；渗透系数为0.00044 m/d。

4) 太原组层组间隔水层

C₃ I~C₃ Ⅱ组灰岩隔水层：隔水层厚度相对较薄(2.35~15.58 m)，平均厚度7.21 m。

C₃ Ⅱ~C₃ Ⅲ组灰岩隔水层：区域厚度相对较大(11.36~25.1 m)，平均厚度16.74 m。

太原组–奥陶系灰岩隔水层：该隔水层相对较薄(3.01~11.37 m)，平均厚度5.82 m。

3.2. 矿井充水条件

3.2.1. 充水水源

1) 太原组灰岩水(C₃ I、C₃ Ⅱ、C₃ Ⅲ)

C₃ I段灰岩：直接位于A组煤层底板下方，平均间距16.17 m，富水性弱至中等(单位涌水量0.000009~0.306 L/(s·m))，水压较高(2~3.8 MPa)，是A组煤开采的直接充水水源。

C₃ Ⅱ段灰岩：富水性极弱，对充水贡献较小。

C₃ Ⅲ段灰岩：富水性弱，但与奥陶系灰岩水力联系密切，可能通过垂向补给间接威胁煤层。

2) 奥陶系灰岩水

厚度大(99.87~131.90 m)，岩溶裂隙较发育，富水性强(渗透系数0.00004~4 m/d)，具有“高承压、强富水”特征。正常情况下与煤层间距较远，但通过陷落柱、导水断层或采动裂隙可能形成突水威胁。

3) 其他水源

新生界松散层孔隙水：底部“红层”黏土阻隔了与基岩的水力联系，但在天窗区可能成为浅部煤层开采的补给水源。

二叠系砂岩裂隙水：富水性弱，以静储量为主，通常对充水影响较小。

3.2.2. 充水通道

1) 构造通道

断层：井田内发育多条断层(F₁、F₃、F₆₆等)，部分断层(如走向断层)导水性强，成为沟通奥灰与太原组灰岩的垂向通道。

陷落柱：隐伏岩溶陷落柱是奥灰水突入矿井的主要导水通道。

2) 岩溶裂隙

奥陶系灰岩：溶蚀裂隙及小溶洞发育，形成导水网络。

C₃ Ⅲ段灰岩：局部裂隙发育，与奥灰水力联系密切，构成垂向补给路径。

3) 采动裂隙

A组煤开采导致底板破坏，形成裂隙带，破坏隔水层完整性，使太原组灰岩水直接涌入采掘空间。

4. 地下水动态变化特征

4.1. 西四采区灰岩放水阶段地下水位变化特征

1) C₃ Ⅰ组灰岩地下水位变化特征

受区域治理影响，Ⅶ~Ⅷ C₃ I~2孔水位下降幅度最大为41.68 m，水位标高−164.619 m；Ⅳ西C₃ Ⅰ孔水位下降幅度最小为0.83 m；其余C₃ I组灰岩观测孔水位降幅均较小，如表1。C₃ I组灰岩水位与灰岩涌水量变化见图3。

Table 1. List of changes in groundwater level of C₃ Ⅰ group gray rock

表1. C₃ Ⅰ组灰岩地下水位变化情况一览表

观测孔	层位	2022年3月10日	2023年6月20日		2024年3月20日
		水位标高/m	水位标高/m	累计降深/m	水位标高/m	累计降深/m
Ⅶ~ⅧC3 Ⅰ~2	C3I	−62.84	−122.94	−60.1	−164.619	−101.78
Ⅵ~ⅦC3 Ⅰ	C3I	−139.34	−146.12	−6.78	−164.53	−25.19
Ⅵ西C3 Ⅰ	C3I	−488.94	−444.11	44.83	−471.11	17.79
Ⅴ西C3 Ⅰ	C3I	−343.856	−358.32	−14.46	−363.828	−19.97
Ⅳ西C3 Ⅰ	C3I	−46.554	−50.21	−3.66	−51.045	−4.49
C3 Ⅰ观	C3I	−220.675	−205.389	15.29	−206.792	13.88

Figure 3. Calendar curve of surface hydrologic observation holes and downhole water output in C₃ I group tuffs

图3. C₃ I组灰岩地面水文观测孔与井下出水量历时曲线

2) C₃ Ⅱ组灰岩地下水位变化特征

受区域治理影响，Ⅵ西C₃ Ⅱ孔水位下降幅度较大为37.92 m，水位标高−458.116 m；Ⅴ西C₃ Ⅱ孔下降幅度较小为8.56 m，如表2。C₃ Ⅱ组灰岩水位与灰岩涌水量变化见图4(a)~(c)。

Table 2. List of changes in groundwater levels in C₃ II group graywacke

表2. C₃ Ⅱ组灰岩地下水位变化情况一览表

观测孔	层位	2022年3月10日	2023年6月20日		2024年3月20日
		水位标高/m	水位标高/m	累计降深/m	水位标高/m	累计降深/m
Ⅵ西C3 Ⅱ	C3 Ⅱ	−476.62	−420.2	56.42	−458.116	18.50
Ⅴ西C3 Ⅱ	C3 Ⅱ	−208.402	−246.74	−38.34	−255.297	−46.90
C3 Ⅱ观	C3 Ⅱ	−196.87	−226.63	−29.76	−249.96	−53.09

3) C₃ Ⅲ组灰岩地下水位变化特征

受区域治理影响，C₃ III组灰岩钻孔水位下降幅度均较小，如表3。C₃ Ⅱ组灰岩水位与灰岩涌水量变化见图4(d)~(f)。

4) 奥陶系灰岩地下水位变化特征

受区域治理影响，奥灰6个水位观测孔(奥观1、奥观2、奥观4、水二1、Ⅵ西O₂和奥陶观孔)水位变化均较小，其中奥观4孔最大降幅5.05 m，Ⅵ西O₂孔最小降幅为1.87 m，如表4。奥灰观测孔水位整体一致，均呈现直线下降趋势。奥陶观孔2023年6月水位出现较大降幅，可能是该处奥灰水补给C₃ Ⅰ、C₃ Ⅱ、C₃ Ⅲ组灰岩，如图5所示。

Table 3. List of changes in groundwater levels in C₃ III group graywacke

表3. C₃ Ⅲ组灰岩地下水位变化情况一览表

观测孔	层位	2022年3月10日	2023年6月20日		2024年3月20日
		水位标高/m	水位标高/m	累计降深/m	水位标高/m	累计降深/m
Ⅴ西C3 Ⅲ	C3 Ⅲ	−204.712	−198.61	6.10	−205.799	−1.10
Ⅵ西C3 Ⅲ	C3 Ⅲ	−44.604	−42.34	2.26	−49.122	−4.52
C3 Ⅲ观	C3 Ⅲ	−59.69	−62.76	−3.07	−60.32	−0.63

Figure 4. Historical curves of surface hydrologic observation holes and downhole water output in C₃ II and C₃ III group tuffs

图4. C₃ Ⅱ和C₃ Ⅲ组灰岩地面水文观测孔与井下出水量历时曲线

Table 4. List of changes in groundwater levels in Ordovician tuffs

表4. 奥陶系灰岩地下水位变化情况一览表

观测孔	层位	2022年3月10日	2023年7月20日		2024年3月20日
		水位标高/m	水位标高/m	累计降深/m	水位标高/m	累计降深/m
奥观1	奥灰	−16.01	−27.37	−11.36	−30.49	−14.48
水二1	奥灰	−34.627	−41.16	−6.53	−44.125	−9.50
Ⅵ西O2	奥灰	−35.65	−39.33	−3.68	−41.147	−5.547
奥陶观	奥灰	−28.42	−38.248	−9.83	−41.348	−12.93
奥观2	奥灰	−35.87	−44.952	−9.08	−47.213	−11.343
奥观4	奥灰	−27.422	−44.609	−17.19	−49.658	−22.24

Figure 5. O’ash surface hydrologic observation holes and downhole water discharge ephemeral curves

图5. 奥灰地面水文观测孔与井下出水量历时曲线

通过不同含水层组的水位历时曲线综合分析得到以下结论：

(1) C₃ Ⅰ、C₃ Ⅱ、C₃ Ⅲ组灰岩水位表现为阶段性下降或波动，表明地面区域治理和疏放水效果显著。

(2) 奥观1、2、4孔均呈多段式下降，斜率逐渐减小，这主要是由于疏放水减少的原因。

(3) 奥灰水位持续下降，表明奥灰含水层裂隙等通道发育，各灰岩含水层之间局部存在一定的水力联系。

4.2. 地下水质动态变化特征

据区内地面钻孔抽水试验水质资料可知：

1) C₃ I组灰岩水

C₃ I组灰岩水是pH值为7.59~11.45的中性~强碱性水；矿化度0.25~2.50 g/L，为微咸水；灰岩水中阳离子以Na⁺ + K⁺为主，Ca²⁺含量较低，阴离子中${\text{HCO}}_3^{-}$ 和Cl⁻含量相近，水化学类型主要为Cl∙HCO₃-K + Na、Cl-K + Na和SO₄-K + Na型。

2) C₃ Ⅲ灰岩水

C₃ Ⅲ灰岩水是pH值为8.87~12.76的弱碱性~强碱性水；矿化度0.66~0.9 g/L，为淡水；灰岩水中阳离子以Na⁺ + K⁺为主，Ca²⁺含量较低，阴离子中${\text{HCO}}_3^{-}$ 含量相对较高，Cl⁻含量较低，水化学类型主要为Cl∙SO₄-Na + K、SO₄∙Cl-Na + K型。

3) 奥陶、寒武系岩溶水

奥陶、寒武系岩溶水是pH值为7.52~7.98的中性水；矿化度1.93~2.76 g/L，为微咸水；岩溶水中阳离子Ca²⁺、Mg²⁺浓度和总硬度普遍高于太灰水，阴离子中SO₄^2-浓度普遍高于太灰水，而${\text{HCO}}_3^{-}$ 浓度和碱度普遍低于太灰水，水化学类型主要为Cl∙SO₄-Na型。

4.3. 地下水温动态变化特征

根据潘二矿相关资料显示，区内恒温带深度为30 m，温度为16.8℃，西四采区地温梯度为2.7℃/hm~4.5℃/hm，平均为3.57℃/hm。根据钻孔实际揭露情况，推测已施工钻孔对应C₃ I、C₃ Ⅱ组灰岩埋深大约在600~700 m左右，根据地温背景值公式：$T\left(h\right)=16.8+\frac{h-30}{100}\times 3.57$ ，计算钻孔出水点温度为37.1℃~40.7℃。

灰岩钻孔水温最低值(30℃)靠近1814A工作面收作线位置，水温整体上呈现由南(浅部)向北(深部)逐渐增加，且局部出现高温(42℃)异常点。存在少量深部灰岩水补给。

5. 影响因素分析

潘二煤矿西四采区灰岩地下水动态变化特征受多因素共同作用，结合水文地质条件、开采活动及治理工程，其主控因素可归纳如下。

5.1. 地质构造的作用

矿区发育的断层、褶皱及隐伏陷落柱对地下水运移具有显著控制作用：

1) 断层导水性：F₃、F₆₆等逆冲断层及走向断层切割太原组与奥陶系灰岩含水层，成为垂向导水通道。

2) 褶皱：陶王背斜核部灰岩裂隙发育，形成局部富水带，区域治理前奥灰水由背斜翼部向核部汇聚；治理后流场反转，核部水位下降速率加快，表明背斜轴部裂隙网络对水流方向具有主导作用。

3) 裂隙发育差异：C₃ Ⅲ组灰岩与奥灰间水力联系密切，其裂隙发育程度高于C₃ Ⅰ、C₃ Ⅱ组，导致奥灰水通过C₃ Ⅲ组间接补给煤层底板，加剧充水风险。

5.2. 开采活动对隔水层的破坏

A组煤开采深度增加(−800 m以下)导致底板岩层应力重分布，具体影响包括：

1) 采动裂隙发育：底板破坏形成裂隙带(深度15~20 m)，直接贯通C₃Ⅰ组灰岩含水层，使静水压力传递至工作面(初始突水系数0.11~0.38 MPa/m)。

2) 长期疏放效应：西四采区疏水量与奥灰水位降幅呈正相关，持续排水形成区域降压漏斗，诱发深部含水层对浅层的“虹吸效应”，加剧水位下降趋势。

5.3. 含水层水力联系与补给

1) 垂向补给：C₃ Ⅲ组灰岩与奥灰间隔水层厚度仅5.82 m，且裂隙被方解石部分充填，局部形成薄弱带。水质分析显示，C₃ Ⅲ组Cl⁻/${\text{SO}}_4^{2-}$ 比值与奥灰接近，说明二者存在垂向补给。

2) 侧向径流：地面治理工程封堵部分径流通道后，C₃ Ⅰ组观测孔水位下降速率减缓，表明侧向补给对水位动态具有调控作用。

3) 深部间接补给：高温异常点(如Z3孔42.5℃)与地温梯度分析(3.57℃/hm)，表明深部灰岩水通过断层带等构造上涌，间接参与矿井充水。

6. 结论

1) 通过对不同开采水平水量、水质与水温时空分析，西四采区疏放水的水源主要来自太灰的C₃ Ⅰ组和C₃ II组灰岩；

2) 奥灰含水层与C₃ Ⅲ组灰岩含水层之间存在密切的水力联系，主要表现为奥灰水通过断层、陷落柱等垂向导水通道间接补给C₃ Ⅲ组灰岩。而太原组C₃ Ⅰ和C₃ Ⅱ段灰岩含水层间水力联系弱，含水层之间响应不明显；

3) 通过水化学特征对比发现，C₃ Ⅲ组灰岩水的Cl⁻/${\text{SO}}_4^{2-}$ 比值与奥灰水接近，与奥灰水化学特征(Cl∙SO₄-Na型)表现出相似性。奥灰水可能通过断层或裂隙等垂向通道对C₃ Ⅲ组灰岩进行补给，表明了两者间存在水力联系。

4) 从影响因素来看，含水层的岩溶发育特征、地下水的补给、径流、排泄条件与断层条件使得地下水动态特征呈现一定规律。