地質(zhì)構造對韓城礦區水文地質(zhì)特征的影響

  韓城礦區以韓城大斷層(F1 )為界分為兩個(gè)地貌單元。斷層東南部為黃土臺塬區, 是韓城市的主要農業(yè)區;西北部為以黃土梁峁景觀(guān)為主的低山丘陵區, 區內溝谷縱橫, 地形復雜, 是煤炭資源的主要開(kāi)發(fā)區。

 

  區域地形總的趨勢是西北高東南低;區內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。

 

  韓城礦區屬于黃河水系, 常年性河流主要有黃河、鑿開(kāi)河、盤(pán)河、涺水河等, 其中黃河為區域最大的地表水流, 是礦區的區域侵蝕基準面, 也是礦區東南部的天然邊界。自北向南切穿煤系地層及寒武奧陶系灰巖地層, 在禹門(mén)口一帶形成峽谷, 流經(jīng)灰巖段地層長(cháng)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(pán)河、涺水河均為流經(jīng)該區域黃河的支流。

 

  1 韓城礦區水文地質(zhì)概況

 

  韓城礦區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、3 號、5 號、11 號, 奧陶系石灰巖(以下簡(jiǎn)稱(chēng)奧灰巖)為煤系基底。整個(gè)礦區的水文地質(zhì)概況為, 地表水不甚發(fā)育, 地下水受構造、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, 形成多層結構的復合承壓含水體。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, 加之地形復雜, 徑流條件好, 滲透有限, 補充不足, 故含水量不大。煤系基底奧陶系石灰巖受巖性和構造的影響, 巖溶裂隙在邊部、淺部發(fā)育, 水文地質(zhì)條件復雜, 奧灰巖溶含水層為多層段結構的復合承壓含水體。

 

  地下水按其巖性及儲水空間可分為, 第四系松散巖類(lèi)孔隙水、石炭二疊系砂(灰)巖裂隙水及奧灰巖巖溶裂隙水三種類(lèi)型?？傮w而言, 第四系松散巖類(lèi)含水不豐富, 石炭二疊系富水性、透水性不強, 奧灰巖巖溶水富水性、透水性強, 但極不均一, 對煤層開(kāi)采影響極大(表1)[ 2] 。

 

  2 地質(zhì)構造對水文地質(zhì)邊界的控制作用

 

  礦區內出露的大型斷層有兩類(lèi):一類(lèi)為張扭性斷層, 另一類(lèi)是壓扭性斷層, 這兩類(lèi)不同性質(zhì)的斷層, 總的特征是, 高角度、延伸遠, 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(zhù)地下水的透水性和富水性, 而且也控制著(zhù)地下水的徑流條件及運動(dòng)方向。

 

  2.1 韓城正斷層(F1)的水文地質(zhì)特征

 

  斷層下盤(pán)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。奧陶系石灰巖出露面積達14.

 

  1km2 , 由于受多次構造破壞, 斷層節理發(fā)育, 裂隙率達3.6%, 形成網(wǎng)絡(luò )系統, 成為礦區邊淺部徑流帶, 鉆孔單位涌水量達64L/s· m;斷層上盤(pán)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, 細砂層透鏡體, 含水層薄, 富水性弱, 抽水量1 ～ 30m3 /h, 水質(zhì)類(lèi)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, 奧灰水位是穩定的, 其水質(zhì)類(lèi)型為SO4 -CO3 -Ca-Mg, 礦化度為824.73mg/L。由于斷層兩側水位、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(xiàn)。

 

  在平面圖上, F1 斷層的控水作用比較明顯, 表現在距F1 斷層水平距離較近時(shí), 鉆孔單位涌水量較大,較遠時(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(xiàn), 延伸達12km, 斷層走向N80°E,傾角50°左右, 傾向SE。由于受到強烈的擠壓, 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450m。

 

  在斷層兩側的水文動(dòng)態(tài)觀(guān)測資料顯示, 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(位于韓城礦區范圍)水質(zhì)類(lèi)型為S04 -HCO3 -Ca-Na, 礦化度為729.9mg/L, 而斷層南側(澄合二礦), 水質(zhì)類(lèi)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)為代表的龍亭構造帶為礦區的南部阻水邊界。

 

  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(pán)為中、下奧陶統石灰巖及太原組地層;下盤(pán)為太古界花崗片麻巖。斷層兩側水位、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(lèi)型為SO4 -Cl-Ca-Na, 礦化度為1389.23mg/L。南側奧灰水位保持在371m以上, 奧灰水質(zhì)類(lèi)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嶺一線(xiàn),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巖中, 是F1 斷層的次一級斷層, 為一張扭性斷層。該斷層延展于馬溝渠礦+240石門(mén)突水地帶消失。在消失處由于地應力分散, 巖層變形明顯, 形成小型褶曲, 幅度2 ～ 3m, 并伴生垂直節理及斷層裂隙, 形成富水帶, 該斷層導致馬溝渠煤礦+240石門(mén)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(xiàn), 延展長(cháng)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, 旁側小型曳引褶曲十分發(fā)育, 對淺部煤層有一定的破壞作用。由于斷層面的傾角變化, 淺部表現地層缺失, 深部表現地層重復。該斷層在天然狀態(tài)下有隔水作用(圖3), 在逆斷層上盤(pán)有電4孔于1977年11月8日經(jīng)抽水試驗水位下降22.80m, 單位涌水量為0.190L/s· m, 在斷層下盤(pán)有電1孔于1977 年6月16日經(jīng)過(guò)抽水試驗, 水位下降0.39m, 單位涌水量46.23L/s· m。上下兩盤(pán), 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, 由于地應力釋放, 產(chǎn)生斷層破碎帶(包括小斷層), 當巷道通過(guò)破碎帶時(shí), 產(chǎn)生突水滯后現象, 涌水量由小變大, 造成突水, 如象山礦+280石門(mén)中突水。

 

  2.6 地質(zhì)構造對區域水文地質(zhì)單元劃分的影響

 

  韓城礦區自成一個(gè)獨立的水文地質(zhì)單元, 即在平面上有獨立的補給, 徑流、排泄系統。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(xiàn), 且為弱透水邊界;西南以愛(ài)帖溝逆斷層(F14 )為代表構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、文家嶺附近為界, 礦區水文地質(zhì)單元被分隔為水力聯(lián)系微弱的兩個(gè)相對獨立的水文地質(zhì)區, 簡(jiǎn)稱(chēng)南區和北區(圖4)[ 5] 。

 

  3 地質(zhì)構造對井下突水的影響

 

  象山溝外排矸井突水事件, 斜井掘進(jìn)長(cháng)度270m, 共發(fā)生三次突水, 都是在逆斷層F8 、F10斷層破碎帶處。因為F8 、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(mén)、溝外排矸斜井(3次)共5次突水, 馬溝渠礦井筒、井底車(chē)場(chǎng)及+240石門(mén)(7次)共13次涌水, 構造裂隙均為走向NE, 傾向SE, 傾角50°以上的大小斷裂及節理組成的斷層破碎帶?？梢钥闯? 突水巖層為石灰巖或灰質(zhì)白云巖、白云巖為主, 位置處于淺部地層傾角由大變小轉折地段,斷裂節理伴生, 且成群出現, 呈平行排列, 出水特征為斷層直接導水。

 

  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)構造對巖溶發(fā)育的控制作用

 

  從礦區鉆孔及巷道的揭露資料看, 在巖溶發(fā)育中占統治地位的是構造裂隙通道, 在垂直方向上呈現帶狀分布, 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。鉆孔在此段內常發(fā)現掉鉆、卡鉆、涌水等現象。礦井突水量最高達1.2萬(wàn)m3 /h, 為強富水帶。

 

  (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)構造對地下水補給、徑流、排泄條件的影響5.1 對地下水補給的影響

 

  礦區地下水的主要補給來(lái)源為大氣降水與地表水體。區內黃土覆蓋厚度較大且分布面積廣, 加之地形復雜, 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)育段有一些補給, 其余地段滲透很小, 含水層的補充有限。

 

  礦區內河流流向大致與地層走向垂直, 河流在流經(jīng)礦區基巖露頭處的裂隙和構造裂隙發(fā)育段均產(chǎn)生滲漏補給。據煤田地質(zhì)131勘探隊的測量, 礦區地表水在奧灰巖段內總的漏失量約為942.26m3 /h。

 

  5.2 對地下水徑流的影響

 

  礦區奧陶系灰巖含水層中的地下水, 徑流帶處于礦區淺部單斜構造由急傾斜變成緩傾斜的轉折部位。

 

  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、節理與層理相互連通, 而且使奧陶系各組巖層錯開(kāi)對接或與寒武系各組巖層對接, 導致上下含水層連通一起, 形成了統一的含水體及+380m的統一區域水位。其徑流形式在中深部通過(guò)構造裂隙以滲流的形式向邊淺部運動(dòng), 向黃河谷地方向排泄, 滲透系數k=3m/d;在邊淺部構造帶, 地下水在巖溶作用形成的巖溶裂隙中以管道流的形式運動(dòng), 滲透系數k=28.7m/d。抽水試驗表明, 沿南北方向上奧灰水導水性強, 沿東西方向上導水性差, 南北方向形成的漏斗影響范圍遠遠大于東西方向形成的漏斗影響范圍, 反映沿礦區邊淺部斷層走向方向是主要的來(lái)水方向與主要的導水通道。

 

  5.3 地下水排泄的影響

 

  奧灰巖地下水運動(dòng)主要受地質(zhì)構造、巖層的含水性、黃河臨時(shí)侵蝕基準面高程所控制, 并與潛水運動(dòng)方向有關(guān)。韓城礦區奧灰巖地下水運動(dòng)。

 

  (1)礦區灰巖地層出露面積14.7km2 , 據測定, 奧灰巖的面裂隙率為2%左右, 大氣降水與地表水可通過(guò)裂隙補給地下奧灰巖含水層, 并在奧灰巖中分別形成垂直滲入帶, 即奧灰水面以上到露頭地面;季節變動(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(chēng)深部緩流帶。

 

  (2)向井田深部為單斜構造, 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, 為相對隔水邊界。

 

  (3)邊淺部為補給區與徑流帶, 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的關(guān)系。礦區實(shí)測動(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, 證明為水壓傳導關(guān)系。

 

  (4)在徑流帶(補給區)與緩慢徑流帶之間有一個(gè)動(dòng)靜儲量調節帶, 即維持徑流帶中的動(dòng)儲量與(井田深部)呆滯區帶中的靜儲量之間的平衡關(guān)系。

 

  由于奧灰水位為+380m左右, 地面高程為+400m以上, 所以礦區內無(wú)明顯排泄口。根據礦區等水位線(xiàn)圖, 受黃河臨時(shí)侵蝕基準面控制, 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 結論

 

  (1)地質(zhì)構造不但影響著(zhù)地下水的透水性和富水性, 而且控制著(zhù)地下水的徑流條件及運動(dòng)方向[ 9 ～ 11] 。

 

  韓城礦區地質(zhì)構造對地下水的透水性、富水性和地下水的徑流條件、運移情況的影響明顯。

 

  (2)由于受地質(zhì)構造的控制韓城礦區自成一個(gè)相對獨立的水文地質(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(xiàn), 且為弱透水邊界;西南以愛(ài)帖溝逆斷層為代表構成奧灰水的阻水邊界;東北以幾乎全部切割了奧陶紀地層的黃河谷地作為奧灰水徑流的排泄區邊界;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、文家嶺附近為界, 礦區水文地質(zhì)單元又被分為兩個(gè)相對獨立的水文地質(zhì)區, 簡(jiǎn)稱(chēng)南區和北區。

 

  (3)該區域煤礦井下突水點(diǎn)位置處于井田的淺部, 地層傾角由大變小轉折地段。這些部位一般呈現斷裂節理伴生, 且成群出現, 均為斷層造成的直接導水。

 

  (4)地質(zhì)構造對韓城礦區巖溶的發(fā)育、井下突水和地下水的補給、徑流、排泄有著(zhù)重要影響。