板集煤矿地下水动态特征及其影响因素分析

Analysis of Groundwater Dynamic Characteristics and Influenced Factors in Banji Coal Mine

摘要: 煤矿地下水动态变化规律系统反映了矿井疏放过程中不同含水层对此响应程度，为不同类型水害防治提供直接信息支撑。本研究以安徽省淮南煤田板集煤矿为对象，采用地下水监测与测试分析、统计分析等方法对“四含”(新生界松散层底部含水层)、9煤顶板砂岩含水层水位变化规律进行归纳和总结，并分析影响其变化的主控因素，结果表明：(1) 受9煤顶板砂岩疏放水影响，“四含”各观测孔水位持续下降，累计降深为0.64~8.7 m，为矿井主要充水水源之一，其水位降幅与涌水量变化呈对应关系；9煤顶板砂岩水位动态变化较大，降深为1.14~334.83 m，且以F104-1断层为界，断层以北富水性弱、可疏性好，而以南侧相对富水。(2) 水质特征方面，“四含”pH值7.98~9.04，矿化度2380.00~2419.00 mg/L，水化学类型为HCO₃-Cl-Na；9煤顶板砂岩含水层pH值8.41~10.87，矿化度1683.82~2300.00 mg/L，水化学类型以Cl-Na、Cl⁻·HCO₃-Na为主。导致上述变化的主要控制因素为：(1) 断层作用：F512、BF33、BF34等断层不同段的导水性差异较大(中段相对隔水、南北段具导水性)；(2) 基岩面岩性变化：井田范围内发育6处“天窗”区，导致“四含”与9煤顶板砂岩发生直接水力联系，致使“四含”水补给砂岩含水层，导致水位持续下降。

Abstract: The dynamic changes of coal mine groundwater systematically reflect the response degrees of different aquifers during the mine dewatering process, and also provide direct information support for the prevention and control of different types of water inrush hazards. Taken the Banjie Coal Mine in Huainan Coalfield, Anhui Province as the research object, this study takes methods such as groundwater monitoring, test analysis, and statistical analysis to summarize the water level change of the “Fourth Aquifer” (the aquifer at the bottom of the Cenozoic unconsolidated layer) and the roof sandstone aquifer above No.9 coal seam, and analyze the main controlled factors, and the results show that: (1) Affected by the dewatering from the roof sandstone aquifer above No.9 coal seam, the water levels of all observed holes in the “Fourth Aquifer” have been declining, with a cumulative drawdown between 0.64 and 8.7 m. As one of the main water-filling sources of the mine, the water level drawdown amplitude of the “Fourth Aquifer” has a corresponding relationship with the change of water inflow; the water level of the roof sandstone aquifer above No.9 coal seam fluctuated greatly, with a drawdown between 1.14 and 334.83 m. Taken the F104-1 fault as the boundary, the north of the fault has weak water abundance and good dewaterability; while the south is relatively water-rich. (2) In terms of water quality characteristics, the pH value of the “Fourth Aquifer” ranges from 7.98 to 9.04, the mineralization degree is 2380.00~2419.00 mg/L, and the hydrochemical type is HCO₃-Cl-Na; the pH value of the roof sandstone aquifer above No.9 coal seam ranges from 8.41 to 10.87, and the TDS is from 1683.82 to 2300.00 mg/L, and the hydrochemical types are mainly Cl-Na and Cl⁻·HCO₃-Na. The main controlled factors causing the above changes are as follows: (1) Fault action: The water conductivity of different segments of faults, such as F512, BF33, and BF34 varies greatly (the middle segment is relatively water-resistant, while the north and south segments are water-conductive). (2) The rugged bedrock surface: Six “skylight” areas are developed within the mine field, resulting in direct hydraulic connection between the “Fourth Aquifer” and the roof sandstone aquifer above No.9 coal seam, and the “Fourth Aquifer” continue to discharge toward the sandstone aquifer, with continuous decline of water level.

1. 引言

近年来随着我国东部地区浅部资源日益枯竭，向深部煤层开发已成为必然趋势，大规模煤炭开采活动在带来巨大经济效益的同时，也带来了日益凸显的矿井水害问题[1]-[5]。地下水动态变化是最直接反映矿山在开发过程中，引起其水位、水质、水量和水温及其他组分随时间发生变化最主要的驱动后最直接表现，其地下水动态变化数据不仅为矿井充水水源的来源提供重要的依据，也为矿井水害防治提供了重要依据。煤矿区地下水作为重要的水资源和生态环境因子，其动态变化直接关系到煤矿安全生产、矿区生态安全及区域水资源可持续利用[6]-[10]。矿区水害发生与矿山开采过程中的充水条件密切相关，而地下水动态变化规律，是预防矿井水害发生重要依据[11]。

板集煤矿位于安徽省淮南煤田西部，隶属于阜东矿区，是两淮煤田的重要矿井之一。该矿井水文地质条件较为复杂。自2009年副井发生突水以来，各主要含水层水位均呈现不同程度下降[12]-[14]，其中“四含”(新生界厚松散层底部含水层，简称“四含”)观测孔水位变化尤为显著。随着二叠系9煤顶板砂岩含水层疏水降压，引起“四含”水位持续下降，将会导致工业广场的地表沉降[15] [16]，间接对工业广场及周边建筑物安全构成严重威胁。

为此，以板集煤矿“四含”和“9煤层顶板砂岩含水层”为对象，通过资料分析、数理统计等方法直观揭示板集煤矿地下水动态特征，探究其影响因素，为矿井水害防治提供重要支撑。

2. 研究区概况

2.1. 自然地理

板集井田位于淮南煤田阜东矿区，距离利辛县城约25公里，交通便利，属暖温带半湿润季风气候，四季分明，冬冷夏热，井田东起F12断层，南、西、北三侧以1煤层隐伏露头为界，形成天然的矿井边界。井田地处淮河冲积平原，地势平坦，平均高程在+24.00米至+26.00米之间，区域内沟渠纵横，主要有南部的苏沟和中部的乌江，外围南有济河、北有茨淮新河，地表及地下水资源丰富。

2.2. 地层与构造

板集煤矿位于黄淮平原的南部边缘，其煤系地层隐藏在新生界的松散层之下。地层从老至新依次为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和新生界地层，其中石炭–二叠系为含煤地层。

构造上，板集煤矿位于淮南复向斜构造带内，地处陈桥背斜北翼的西侧位置。井田构造形态为一向斜，其轴方向为近东西向，同时具有向北方向延伸趋势。井田内沿地层走向还发育有小规模起伏或次级褶曲，呈波状起伏较为明显。由于走向断层切割，使向斜具有凹、隆相间的复式向斜特点，向斜主轴位于F104~F101断层之间。其基岩地质平面图和水文地质剖面图如图1。

(a) 板集煤矿基岩地质平面图

(b) A-A’水文地质剖面图

(c) B-B’水文地质剖面图

Figure 1. Hydrogeological map of bedrock in Banji Coal Mine

图1. 板集煤矿基岩水文地质图

2.3. 水文地质条件

井田内松散层厚542.20 m (37-1孔)~713.50 m (28-1孔)，平均厚609.61 m。受古地貌形态影响，该区松散层厚度表现为北厚南薄。自上而下可分为四个含水层(组)和三个隔水层(组)，其中底部含水层(“四含”)，下部为煤系地层，其中“四含”和9煤顶板砂岩含水层为本次研究的对象。

第四含水层(组)包括原新近系中新统(N₁)、第四含水层(组)和古近系含水层(组)。厚度39.80~175.0 m，平均84.06 m；底界埋深542.20~713.50 m，平均614.73 m，赋存稳定。主要岩性为灰绿、土黄、浅灰色的中、细砂及粉砂、粘土质砂，见粗砂和粉砂，偶夹少量小砾石；疏松–松散，局部半固结。夹薄层粘土、砂质粘土。局部地段底部以紫红、红褐、灰白色，局部夹浅灰黄、少夹浅灰及灰绿色砾石夹粘土、含砾粘土、砾石等岩性组成，能起到一定的隔水作用，偶有以紫红色、褐红色泥岩、细砂岩、砂砾岩为主。其中，古近系(E)含水层(组)主要岩性为紫红色、粉红泥岩、粉细砂岩及粗砂岩，疏松–松散；局部为砾石层及砂砾层，夹薄层粘土、砂质及钙质粘土，粘结性及可塑性差，半固结。据井田内以往抽水试验资料，单位涌水量为0.0951~0.6354 L/(s·m)，弱–中等富水。水质类型主要为Cl-Na型，矿化度2.38~2.42 g/L，pH值7.98~9.04。

Table 1. Aquifer parameters

表1. 含水层参数一览表

含水层类别	厚度/m	单位涌水量L/(s·m)	水质类型	矿化度g/L
第四含水层	39.80~175.0	0.0951~0.6354	Cl-Na	2.38~2.42
9煤顶板砂岩含水层	4.50~64.20m	0.0001~0.089	C1-Na Cl-HCO3-Na	1.24~2.51

9煤顶板砂岩含水层主要由两层相对连续的砂岩组成，其厚度在4.50~64.20 m之间，平均为18.04 m。其中，下层砂岩的厚度范围是0.80~24.87 m，平均为9.40 m，与5煤的距离在16.7~71.97 m之间，平均为56.72 m。这些砂岩主要由一至三层的细砂岩构成，含水层岩性以中、细砂岩为主，局部为粗砂岩和石英砂岩，分布于可采煤层及泥岩之间，岩性厚度变化均较大，分布不稳定。依据区内抽水试验成果，水位标高−72.861~+23.68 m，q = 0.0001~0.089 L/(s·m)，K = 0.0003~0.0615 m/d，水温20℃~27℃，矿化度为1.24~2.51 g/L，水质类型C1-Na、Cl-HCO₃-Na。9煤顶板砂岩富水性以F104-1断层为界呈现明显的南北差异。断层以北富水性弱、可疏性好，静储量型；断层以南相对富水(表1)。

3. 地下水动态变化特征

3.1. 地下水水位变化特征

3.1.1. “四含”地下水位变化特征

目前，井田内5个“四含”观测孔水位均呈现下降趋势。其中，观测孔33-1最高水位为2.21 m，最低水位为−3.51 m，累计降深5.72 m。观测孔水1最高水位为3.12 m，最低水位为-2.83 m，累计降深5.95 m。观测孔水2最高水位为1.89 m，最低水位为−5.06 m，累计降深6.95 m，观1最高水位为1.64 m，最低水位为−7.06 m，累计降深8.7 m。观测孔Q4最高水位为−0.82 m，最低水位为−2.61 m，累计降深1.79 m。观测孔Q4-5最高水位为−5.83 m，最低水位为−6.47 m，累计降深0.64 m，如图2所示。“四含”顶部为“三隔”，其隔水效果好，与“三含”之间水力联系较弱，“四含”水位变化主要受井下疏放水和地面区域注浆治理的影响。“四含”水位随矿井涌水量升高而不断下降，表明“四含”水是矿井涌水的重要补给来源。

Figure 2. Changes in the water level of the 4th Aquifer

图2. “四含”水位变化情况

3.1.2. 9煤砂岩含水层地下水位变化特征

9煤顶部砂岩含水层水位呈波动下降趋势。其中，观测孔30-8水位呈现明显波动下降趋势，其最高水位为5.83 m，最低水位为−329.00 m，累计降深334.83 m，其水位骤降与放水试验有关，水位恢复与地面区域注浆治理有关。观测孔G92水位呈持续下降趋势，最高水位为−4.20 m，最低水位为−92.45 m，累计降深88.25 m，观测孔G94最高水位为0.13 m，最低水位为−145.33 m，累计降深145.46 m，观测孔G95最高水位为−4.57 m，最低水位为−5.71 m，累计降深1.14 m，观测孔G96水位呈波动下降趋势，水位骤降与井下活动有关，其最高水位为−111.43 m，最低水位为−304.41 m，累计降深192.98 m，如图3所示。9煤顶板砂岩水位变化受井下活动影响较大，井下疏放水会导致其水位发生明显下降，地面区域注浆治理又使其水位出现显著上升。

Figure 3. Changes in the water level of the sandstone aquifer of the 9th coal seam roof

图3. 9煤顶板砂岩含水层水位变化情况

3.2. 地下水水质变化特征

针对矿井水样展开分析，采集矿区不同含水层的水样，通过水化学成分分析得知，“四含”pH值为7.98~9.04，平均值为8.66；矿化度为2380.00~2419.00 mg/L，平均值为2401.25 mg/L；Na⁺ + K⁺浓度为861.41~946.25 mg/L，平均值为890.28 mg/L；Mg²⁺浓度为5.96~8.03 mg/L，平均值为6.75 mg/L；Ca²⁺浓度为27.66~33.47 mg/L，平均值为30.36 mg/L；Cl⁻浓度为1045.78~1063.50 mg/L，平均值为1055.97 mg/L；${\text{CO}}_3^{2-}$ 浓度为11.70~30.01 mg/L，平均值为13.65 mg/L；${\text{SO}}_4^{2-}$ 浓度为188.66~242.64 mg/L，平均值为226.27 mg/L；${\text{HCO}}_3^{-}$ 浓度为293.51~335.61 mg/L，平均值为306.02 mg/L。阳离子Na⁺ + K⁺离子浓度最高，阴离子Cl⁻、${\text{HCO}}_3^{-}$ 浓度最高，水化学类型为${\text{HCO}}_3^{-}$ ·Cl-Na。

9煤顶板砂岩的pH值为8.41~10.87，平均值为9.64；矿化度为1683.82~2300.00 mg/L，平均值为1991.91 mg/L；Na⁺ + K⁺浓度为560.71~842.21 mg/L，平均值为701.46 mg/L；Mg²⁺浓度为1.22~10.89 mg/L，平均值为6.06 mg/L；Ca²⁺浓度为8.33~21.91 mg/L，平均值为15.12 mg/L；Cl⁻浓度为448.41~984.42 mg/L，平均值为716.42 mg/L；${\text{CO}}_3^{2-}$ 浓度为12.30~37.36 mg/L，平均值为24.83 mg/L；${\text{SO}}_4^{2-}$ 浓度为121.11~345.82 mg/L，平均值为233.47 mg/L；${\text{HCO}}_3^{-}$ 浓度为154.39~718.02 mg/L，平均值为436.21 mg/L。阳离子Na⁺ + K⁺离子浓度最高，阴离子Cl⁻、${\text{HCO}}_3^{-}$ 浓度最高，水化学类型以Cl-Na、Cl·HCO₃-Na型为主。

由于在9煤顶板砂岩含水层中检测到了属于“四含”水的离子，表明“四含”水对9煤顶板砂岩含水层进行了补给，9煤顶板含水层的水有一部分是来自“四含”的，进一步证明二者存在水力联系(图4)。

Figure 4. Piper three-line diagram of aquifer in Banji Coal Mine

图4. 板集煤矿含水层Piper三线图

4. 影响水位变化因素分析

4.1. 断层的影响

板集煤矿地质构造条件复杂，断层、裂隙是影响含水层水位动态变化的关键因素。根据板集煤矿相关资料，研究区内断层带岩性多为砂岩、泥岩、煤屑经挤压破碎形成，将9煤砂岩含水层分为多个区块，区块间富水性、可疏性均存在差异。通过对落差大于20 m统计，发现F104、F104-3、F104-1、DF11、BF30和F104-1等断层富水性较差。其中，F104断层位于F104-1断层的北面，走向为NEE，倾向为NNW，倾角为76˚，落差范围是0~130 m。在东北方向，与F101层交汇，该区域的延展长度超过3050 m，单位涌水量为0.0099 L/(s·m)，具有弱富水性。DF11是一个正断层，断层位于研究区的东北部，其走向为NE，倾向为NW，倾角在60˚~75˚之间。BF30断层位于研究区东北部的一个正断层，走向为NE，倾向为NW，倾角在55˚~75˚，落差在0~50 m之间。

4.2. “天窗”的影响

通过统计井田内基岩面钻孔资料，发现在区内存在6个无黏土层覆盖的基岩“天窗”区，如图5所示。在天窗区范围内，“四含”直接与9煤层的顶板砂岩露头发生接触，由于砂岩具有良好的富水性，且存在大量裂隙通道，所以“天窗区”是良好的导水通道，即“四含”与砂岩含水层通过“天窗区”发生水力联系，进而导致四含水位下降，向9煤顶板砂岩含水层补给。

Figure 5. Distributed area of “Skylight” at the “Fourth aquifer” bottom

图5. “四含”底部“天窗”区分布图

4.3. 注浆的影响

如下图6所示，9煤顶板砂岩含水层水位变化受顶板注浆影响，如T22注浆经过F509断层，使地下水流通道被封堵，间接使G96孔水位呈现阶段式上升，也表明F509和F512-1原先为导水断层。导水断层的存在使得含水层内存在良好的水流通道，因此“四含”向9煤顶板砂岩含水层补给更为便捷。而注浆封堵后造成水流通道减少，对“四含”水位下降起到了一定的遏止作用，可有效避免土壤有效应力突变，进而保证了矿井地层的稳定性。

Figure 6. Water level changes in borehole G96 under the influence of grouting

图6. 注浆影响下G96孔水位变化

4.4. 煤矿疏放水影响

根据最近三年的井下钻孔探查数据，F104-1断层南区9煤顶板砂岩探查孔的最大出水量为70.0 m³/h，水温为35.5℃，水质类型为Cl-Na。出水层位是9煤顶板砂岩。在放水期间，水量呈现衰减趋势。在探放水期间，“四含”观测孔的水位随着水量的变化而同步下降，这表明“四含”水与9煤顶板砂岩水之间存在一定的水力联系。

2023年对板集煤矿120501工作面进行了井下顶板孔放水试验，放水层位主要为9煤顶板砂岩含水层，分别对9煤顶板下层砂岩、9煤顶板上层砂岩出水钻孔进行放水，得出以下结论：

1) 向斜轴东侧出水钻孔之间水力联系密切，且与东侧30-8孔存在水力联系，但与向斜轴西侧钻孔未发现明显水力联系；

2) 9煤顶板下层砂岩层内水力联系通畅，经疏放后水压衰减明显，可疏性较强，9煤顶板上层砂岩疏放期间水压衰减较为缓慢，富水性较9煤顶板下层砂岩强；

3) 向斜轴东侧出水钻孔附近地层等效渗透系数在0.1134~1.3147 m/d之间，不同区域差异性较强，受构造等导水通道影响明显。

5. 结论

1) 水位变化特征：板集煤矿地下水水位呈显著下降趋势，但两核心含水层下降特征存在显著差异。“四含”所有观测孔水位均持续下降，其水位变化主要受井下疏放水与地面区域注浆治理影响，是矿井涌水量的重要补给来源，水位降低与涌水量上升呈对应关系；9煤顶板砂岩含水层水位呈波动下降趋势水位骤降多与井下放水试验、井下生产活动相关，水位恢复则与地面区域注浆治理有关。

2) 水质变化特征：两含水层水质具鲜明共性与差异。共性为均以Na⁺ + K⁺为主要阳离子，Cl⁻、${\text{HCO}}_3^{-}$ 为主要阴离子；差异体现在“四含”pH值7.98~9.04、矿化度2380.00~2419.00 mg/L，水化学类型为${\text{HCO}}_3^{-}$ ·Cl⁻-Na⁺；9煤顶板砂岩含水层pH值8.41~10.87、矿化度1683.82~2300.00 mg/L，水化学类型以Cl⁻-Na⁺、Cl⁻·${\text{HCO}}_3^{-}$ -Na⁺为主。表明“四含”水对9煤顶板砂岩含水层有补给作用。

6. 讨论

通过分析得知地质构造是基础控制因素，F512、BF33、BF34等断层不同层位导水性差异大，井田6处“天窗”使“四含”与9煤顶板砂岩发生直接水力联系；煤矿开采是直接驱动因素，井下疏放水形成大范围降落漏斗，受水压差影响，进一步加强了二者的水力联系。

本研究明确了板集煤矿地下水动态特征及主控因素，为矿井水害防治提供了针对性方向：“四含”需加强疏放水管控与地面注浆加固，防范突水涌砂及地表沉降风险；9煤顶板砂岩含水层需结合断层分布与富水性差异制定分区疏放方案；同时需重视“天窗”区与断层导水风险监测，考虑到淮南煤田乃至整个华东地区地层结构具有一定相似性，且淮南煤田的地质结构在全国属较为复杂，因此本研究成果可为类似水文地质条件的煤矿的安全开采与水资源保护提供参考。

基金项目

地质工程专业学位地下水数值模拟计算教学案例库2022zyxwjxalk086。

NOTES

^*通讯作者。