地质构造对韩城矿区水文地质特征的影响

  韩城矿区以韩城大断层(F1 )为界分为两个地貌单元。断层东南部为黄土台塬区, 是韩城市的主要农业区;西北部为以黄土梁峁景观为主的低山丘陵区, 区内沟谷纵横, 地形复杂, 是煤炭资源的主要开发区。

 

  区域地形总的趋势是西北高东南低;区内属大陆半干旱性气候, 年降水量一般为500mm;年蒸发量大于年降水量的2 ～ 3倍。

 

  韩城矿区属于黄河水系, 常年性河流主要有黄河、凿开河、盘河、涺水河等, 其中黄河为区域最大的地表水流, 是矿区的区域侵蚀基准面, 也是矿区东南部的天然边界。自北向南切穿煤系地层及寒武奥陶系灰岩地层, 在禹门口一带形成峡谷, 流经灰岩段地层长度约7km, 常年平均流量为6328 m3 /s;水位高程在373 ～ 385m之间;凿开河、盘河、涺水河均为流经该区域黄河的支流。

 

  1 韩城矿区水文地质概况

 

  韩城矿区位于渭北煤田的东北端、黄河的西岸, 其主要含煤岩系为二叠系山西组及石炭系太原组, 主采煤层2号、3 号、5 号、11 号, 奥陶系石灰岩(以下简称奥灰岩)为煤系基底。整个矿区的水文地质概况为, 地表水不甚发育, 地下水受构造、岩性及地形地貌的控制。地下水主要埋藏在第四系地层底部的孔隙基岩裂隙和岩溶裂隙之中, 煤系及其上部地层中各含水层充水空间不太发育。

 

  由于受沉积作用的控制, 含水层与隔水层相间存在, 形成多层结构的复合承压含水体。煤系及其上覆地层中含水层的含水性、富水性和透水性多不良, 水力联系较差, 加之地形复杂, 径流条件好, 渗透有限, 补充不足, 故含水量不大。煤系基底奥陶系石灰岩受岩性和构造的影响, 岩溶裂隙在边部、浅部发育, 水文地质条件复杂, 奥灰岩溶含水层为多层段结构的复合承压含水体。

 

  地下水按其岩性及储水空间可分为, 第四系松散岩类孔隙水、石炭二叠系砂(灰)岩裂隙水及奥灰岩岩溶裂隙水三种类型。总体而言, 第四系松散岩类含水不丰富, 石炭二叠系富水性、透水性不强, 奥灰岩岩溶水富水性、透水性强, 但极不均一, 对煤层开采影响极大(表1)[ 2] 。

 

  2 地质构造对水文地质边界的控制作用

 

  矿区内出露的大型断层有两类:一类为张扭性断层, 另一类是压扭性断层, 这两类不同性质的断层, 总的特征是, 高角度、延伸远, 从几公里到几十公里, 断距大, 一般在百米以上。这些断层不但影响着地下水的透水性和富水性, 而且也控制着地下水的径流条件及运动方向。

 

  2.1 韩城正断层(F1)的水文地质特征

 

  断层下盘地层走向NE, 倾向NW,主要由寒武系、奥陶系、石炭二叠系的地层所组成。奥陶系石灰岩出露面积达14.

 

  1km2 , 由于受多次构造破坏, 断层节理发育, 裂隙率达3.6%, 形成网络系统, 成为矿区边浅部径流带, 钻孔单位涌水量达64L/s· m;断层上盘为松散沉积物覆盖,厚度在500m以上, 岩性为黄土状亚粘土、亚砂土、粘土, 局部有砂砾层, 细砂层透镜体, 含水层薄, 富水性弱, 抽水量1 ～ 30m3 /h, 水质类型为HCO3 -SO4 -Ca。

 

  位于水河谷中的203钻孔证明, 在一个钻孔中, 分别有潜水位、奥灰水位, 潜水位高出奥灰水位3.4m, 说明奥灰水与潜水位二者之间没有直接水力联系, 奥灰水位是稳定的, 其水质类型为SO4 -CO3 -Ca-Mg, 矿化度为824.73mg/L。由于断层两侧水位、水质不相同, 证明韩城大断层(F1)是弱透水的水文地质边界线。

 

  在平面图上, F1 断层的控水作用比较明显, 表现在距F1 断层水平距离较近时, 钻孔单位涌水量较大,较远时钻孔单位涌水量较小。

 

  2.2 龙亭断层组的水文地质特征

 

  其代表性断层为爱贴村逆断层(F14), 展布于清水村至西如忌村一线, 延伸达12km, 断层走向N80°E,倾角50°左右, 倾向SE。由于受到强烈的挤压, 产生了许多小型曳引褶曲, 地表上可见上石盒子组底部地层逆冲于石千峰组第一段之上, 断距达450m。

 

  在断层两侧的水文动态观测资料显示, 二者水位相差9 ～ 10m, 不仅水位动态变化不一, 而且奥灰水质也不相同。如断层北侧(位于韩城矿区范围)水质类型为S04 -HCO3 -Ca-Na, 矿化度为729.9mg/L, 而断层南侧(澄合二矿), 水质类型为HCO3 -SO4 -Ca-Na, 矿化度为516.81mg/L。说明以爱贴村逆断层(F14)为代表的龙亭构造带为矿区的南部阻水边界。

 

  2.3 杨山庄F7 正断层的水文地质特征

 

  F7 正断层位于矿区中部杨山庄一带, 断层走向NE到NEE向, 倾向SE, 倾角60°, 断距300 ～ 500m(图2)。上盘为中、下奥陶统石灰岩及太原组地层;下盘为太古界花岗片麻岩。断层两侧水位、水质不同。北图2 杨山庄断层F7 地质平面图Fig.2 GeologicaldiagramofF7 faultofYangshanzhuang侧奥灰水位多年的动态资料显示, 一直在缓慢上升, 水位保持在377m以上, 奥灰水质类型为SO4 -Cl-Ca-Na, 矿化度为1389.23mg/L。南侧奥灰水位保持在371m以上, 奥灰水质类型为SO4 -HCO3-Ca-Mg, 矿化度为824.73mg/L, 证明杨山庄正断层(F7)是阻水边界之一。

 

  2.4 F9 张扭性断层的水文地质特征

 

  F9 断层展布于马沟渠至文家岭一线,延展9km左右, 断层走向N15°～ 30°E, 倾向SE, 倾角60°, 断于寒武系与奥陶系石灰岩中, 是F1 断层的次一级断层, 为一张扭性断层。该断层延展于马沟渠矿+240石门突水地带消失。在消失处由于地应力分散, 岩层变形明显, 形成小型褶曲, 幅度2 ～ 3m, 并伴生垂直节理及断层裂隙, 形成富水带, 该断层导致马沟渠煤矿+240石门突水淹井。

 

  2.5 莲花山F5 逆断层的水文地质特征

 

  F5 逆断层展布于象山至盖儿岑一线, 延展长7km, 断层走向N40°～ 60°E, 倾向NW, 倾角20°～ 45°, 斜断距60 ～ 180m不等, 断层面呈舒缓波状, 旁侧小型曳引褶曲十分发育, 对浅部煤层有一定的破坏作用。由于断层面的倾角变化, 浅部表现地层缺失, 深部表现地层重复。该断层在天然状态下有隔水作用(图3), 在逆断层上盘有电4孔于1977年11月8日经抽水试验水位下降22.80m, 单位涌水量为0.190L/s· m, 在断层下盘有电1孔于1977 年6月16日经过抽水试验, 水位下降0.39m, 单位涌水量46.23L/s· m。上下两盘, 钻孔单位涌水量相差243.32倍[ 4] 。

 

  莲花山逆断层F5 在象山尖灭地段, 由于地应力释放, 产生断层破碎带(包括小断层), 当巷道通过破碎带时, 产生突水滞后现象, 涌水量由小变大, 造成突水, 如象山矿+280石门中突水。

 

  2.6 地质构造对区域水文地质单元划分的影响

 

  韩城矿区自成一个独立的水文地质单元, 即在平面上有独立的补给, 径流、排泄系统。水文地质单元四周边界清楚, 东南以韩城大断层(F1)作为边浅部水文地质边界线, 且为弱透水边界;西南以爱帖沟逆断层(F14 )为代表构成奥灰水的阻水边界;东北以黄河谷地作为奥灰水径流的排泄区边界;西北为奥灰水深循环滞流带, 可看做是地下水的自然边界或阻水边界。

 

  在上述水文地质单元内部, 由于受F2 逆断层、杨山庄正断层(F7 )及花岗岩体的阻隔作用, 以杨山庄、文家岭附近为界, 矿区水文地质单元被分隔为水力联系微弱的两个相对独立的水文地质区, 简称南区和北区(图4)[ 5] 。

 

  3 地质构造对井下突水的影响

 

  象山沟外排矸井突水事件, 斜井掘进长度270m, 共发生三次突水, 都是在逆断层F8 、F10断层破碎带处。因为F8 、F10逆断层两端被F1 大断层所切, 而且逆断层形成时间早, 被晚期F1 大断层破坏, 变成断层破碎带, 所以屡次透水。

 

  象山矿付斜井+280排矸石门、沟外排矸斜井(3次)共5次突水, 马沟渠矿井筒、井底车场及+240石门(7次)共13次涌水, 构造裂隙均为走向NE, 倾向SE, 倾角50°以上的大小断裂及节理组成的断层破碎带。可以看出, 突水岩层为石灰岩或灰质白云岩、白云岩为主, 位置处于浅部地层倾角由大变小转折地段,断裂节理伴生, 且成群出现, 呈平行排列, 出水特征为断层直接导水。

 

  桑树坪矿井下奥灰突水点共有八个, 其中有六个突水点是直接遇上断层点突水, 突水量由100 ～1530m3 /h不等。

 

  4 地质构造对岩溶发育的控制作用

 

  从矿区钻孔及巷道的揭露资料看, 在岩溶发育中占统治地位的是构造裂隙通道, 在垂直方向上呈现带状分布, 次为岩溶通道, 岩溶裂隙发育深度与一系列北升南降, 向汾渭地堑中心依次跌落的正、逆断层组成的深断裂有关。

 

  (1)在高程380 ～ 300m上, 见裂隙宽100 ～ 200mm。每进巷3 ～ 5m, 可见裂隙1条, 裂隙率为6.7%, 溶洞分布在337.83 ～ 365.78m高程, 可见0.6m宽的溶洞及0.5 ～ 5cm宽的溶蚀孔。矿井涌水量180 ～240m3 /h, 为富水带。

 

  (2)在高程300 ～ 200m上, 见裂隙宽度5 ～ 150mm。每进巷3 ～ 10m, 可见裂隙1 条, 从253.34 ～ 295.

 

  08m高程均见有溶洞, 溶洞宽0.2 ～ 0.7m不等。钻孔在此段内常发现掉钻、卡钻、涌水等现象。矿井突水量最高达1.2万m3 /h, 为强富水带。

 

  (3)在高程200m以下, 溶洞、裂隙发育程度下降, 为含水带。

 

  (4)钻探资料证明:在高程100m以上奥灰水质较好, 而在100m以下水质比较差。

 

  5 地质构造对地下水补给、径流、排泄条件的影响5.1 对地下水补给的影响

 

  矿区地下水的主要补给来源为大气降水与地表水体。区内黄土覆盖厚度较大且分布面积广, 加之地形复杂, 地表径流条件好, 大气降水以面流和片流的形式很快排泄到沟谷流走, 仅在基岩露头与裂隙发育段有一些补给, 其余地段渗透很小, 含水层的补充有限。

 

  矿区内河流流向大致与地层走向垂直, 河流在流经矿区基岩露头处的裂隙和构造裂隙发育段均产生渗漏补给。据煤田地质131勘探队的测量, 矿区地表水在奥灰岩段内总的漏失量约为942.26m3 /h。

 

  5.2 对地下水径流的影响

 

  矿区奥陶系灰岩含水层中的地下水, 径流带处于矿区浅部单斜构造由急倾斜变成缓倾斜的转折部位。

 

  由于边浅部碳酸盐岩体受到多次的压扭、张扭作用破坏, 形成褶断破碎带, 不仅造成断层、节理与层理相互连通, 而且使奥陶系各组岩层错开对接或与寒武系各组岩层对接, 导致上下含水层连通一起, 形成了统一的含水体及+380m的统一区域水位。其径流形式在中深部通过构造裂隙以渗流的形式向边浅部运动, 向黄河谷地方向排泄, 渗透系数k=3m/d;在边浅部构造带, 地下水在岩溶作用形成的岩溶裂隙中以管道流的形式运动, 渗透系数k=28.7m/d。抽水试验表明, 沿南北方向上奥灰水导水性强, 沿东西方向上导水性差, 南北方向形成的漏斗影响范围远远大于东西方向形成的漏斗影响范围, 反映沿矿区边浅部断层走向方向是主要的来水方向与主要的导水通道。

 

  5.3 地下水排泄的影响

 

  奥灰岩地下水运动主要受地质构造、岩层的含水性、黄河临时侵蚀基准面高程所控制, 并与潜水运动方向有关。韩城矿区奥灰岩地下水运动。

 

  (1)矿区灰岩地层出露面积14.7km2 , 据测定, 奥灰岩的面裂隙率为2%左右, 大气降水与地表水可通过裂隙补给地下奥灰岩含水层, 并在奥灰岩中分别形成垂直渗入带, 即奥灰水面以上到露头地面;季节变动带, 即奥灰最低水位到最高水位, 370m到380m;水平径流带, 即奥灰水位370m到矿井最低220m排泄高程;200m以下称深部缓流带。

 

  (2)向井田深部为单斜构造, 随埋藏逐步加深, 水压增加, 水的矿化度增高, 而深部又无排泄口, 为相对隔水边界。

 

  (3)边浅部为补给区与径流带, 二者大体一致, 其和井田深部含水带的关系是径流带与呆滞区的关系。矿区实测动态资料证明, 二者水位升降同步、同曲, 表明水力联系密切, 但水质差别大, 证明为水压传导关系。

 

  (4)在径流带(补给区)与缓慢径流带之间有一个动静储量调节带, 即维持径流带中的动储量与(井田深部)呆滞区带中的静储量之间的平衡关系。

 

  由于奥灰水位为+380m左右, 地面高程为+400m以上, 所以矿区内无明显排泄口。根据矿区等水位线图, 受黄河临时侵蚀基准面控制, 奥灰水的天然流场均由西北向东南、向黄河谷地方向排泄, 与地面潜水排泄方向一致。

 

  6 结论

 

  (1)地质构造不但影响着地下水的透水性和富水性, 而且控制着地下水的径流条件及运动方向[ 9 ～ 11] 。

 

  韩城矿区地质构造对地下水的透水性、富水性和地下水的径流条件、运移情况的影响明显。

 

  (2)由于受地质构造的控制韩城矿区自成一个相对独立的水文地质单元。韩城水文地质单元四周边界东南以韩城大断层(F1 )作为边浅部水文地质边界线, 且为弱透水边界;西南以爱帖沟逆断层为代表构成奥灰水的阻水边界;东北以几乎全部切割了奥陶纪地层的黄河谷地作为奥灰水径流的排泄区边界;西北为奥灰水深循环滞流带, 可看作是地下水的自然边界或阻水边界。韩城水文地质单元内部由于受F2 逆断层、杨山庄正断层(F7 )及花岗岩体的阻隔作用, 以杨山庄、文家岭附近为界, 矿区水文地质单元又被分为两个相对独立的水文地质区, 简称南区和北区。

 

  (3)该区域煤矿井下突水点位置处于井田的浅部, 地层倾角由大变小转折地段。这些部位一般呈现断裂节理伴生, 且成群出现, 均为断层造成的直接导水。

 

  (4)地质构造对韩城矿区岩溶的发育、井下突水和地下水的补给、径流、排泄有着重要影响。