粘土矿区水文地质特征与充水因素分析范文
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摘要：
通过对区域水文状况、区域构造、区域地下水补径排和矿区水文地质条件、含隔水层特征等因素的分析，总结了矿床的充水因素，为矿山开采水害防治提供了参考资料和决策依据。
关键词：
矿床水文地质；充水因素；铝、粘土矿；河南
1区域水文地质概况
区域地处华北地台南部嵩箕台隆嵩山复背斜北翼，按照中国北方岩溶水系统划分属偃龙岩溶水系统，该系统西起平乐宜阳断层，东至五指岭断层，南至万安山、马鞍山地表水分水岭，北至奥灰深部滞流区，总面积566．18km2；五指岭断层把东部荥巩岩溶水系统和偃龙岩溶水系统分隔成两个独立的水文单元；嵩山复背斜为黄河水系和淮河水系的地表分水岭。
1．1自然地理
区域位于巩义市南，西接偃师，南隔嵩山与登封相望。区内地势东南高，西北低，地形切割强烈，沟岭相间，纵横交错，相对高差400m左右。区域属暖温带大陆性季风气候，四季分明，根据巩义市气象局多年资料，年平均气温14．6℃，最高气温42．3℃，最低气温－21．7℃。年最大降水量990．6mm，年平均降水量604．7mm，年平均蒸发量2136．2mm。蒸发量大于降水量。春季干燥多风少雨，夏季炎热多雨，雨季多集中在七、八两个月。年平均无霜期242天，12月至次年3月为霜冻期。
1．2地层
区域内地层为华北地层区豫西分区嵩箕小区，南部基岩出露，北部黄土覆盖；地层走向东西偏北，倾向北，倾角10°～30°，自下而上依次为下古生界寒武系、奥陶系灰岩；上古生界石炭系含铝岩层，二叠系（含煤）砂泥质岩层；新生界新近系、第四系冲积层等。
1．3构造
区域内构造断裂发育，大型褶皱有嵩山复背斜，展布于登封、巩义、新密等地，构成了嵩山山脉主体，展布方向近东西，轴部由基底岩系组成，两翼则为中—新元古界和古生代地层构成，是一个比较宽缓的大背斜，其间被五指岭断层、嵩山断层两次左行错断，总体控制了区内主要煤田、铝和粘土矿分布。主要大断层有以下几种。
1．3．1五指岭断层。
属区域性大断层，走向为北西南东，北西端起于南山口附近没入黄土层下，南东端止于登封市的黄花岭以东，延长达15km以上，断层东北为仰侧西南为俯侧，断层面倾向为南西，倾角60°左右，属高角度的正断层，垂直断距约1000m，且有平移性质，将嵩山山脉东部向北西方向平移达5km；是东部荥巩岩溶水系统和偃龙岩溶水系统的分界线。
1．3．2嵩山断层。
此断层与五指岭断层近于平行，位于登封市城之西北，走向北西—南东，东南端起于登封市之中岳庙，西北端没入巩义市张庄附近之黄土层下，延长达18km，断面倾向南西，倾角70°～80°，为—东仰西俯的高角度的正断层，垂直断距为400m～500m，东西两侧位移达2km，断层带硅泥胶结，以往曾有钻孔揭露此断层，但未发现涌（漏）水现象，断层两侧太原组灰岩水水位相差大约150m，判定此断层含水性和导水性弱，属阻水断层。
1．4区域地下水补给、径流和排泄
偃龙岩溶水该系统特征为一单斜顺置型，岩溶地下水流向与地层倾向相同；区域南部为嵩山，有约176km2基岩裸露于地表，雨季接受大气降水的直接补给，为岩溶裂隙地下水的入渗补给区；受地形和构造等影响，岩溶地下水总体由南向北向径流，局部受沟谷切割以泉的形式排泄，如凌沟泉、申沟泉、罗汉寺泉等，另外，区域内人工开采和矿山开采也是地下水的主要排泄方式。
矿区处于小秦岭－嵩山东西向构造东段，嵩山复背斜北翼，五指岭断层和嵩山断层之间；属黄河流域，伊洛河水系，矿区呈一单斜构造，总体地势东南高西北低，南部嵩山是黄河和准河的地表分水岭，矿区内无大的地表水体，只有矿区北部（矿区外）有一条涉村河自东南向西北流入坞罗水库，再经伊洛河，最后在巩义北部汇入黄河。
2．1矿区所处水文地质单元
矿区所在区域属偃龙岩溶水系统，受中部近南北向嵩山断层（阻水断层）的切割，偃龙岩溶水系统又补分割为东西两个亚单元，即东部的瑶岭－上庄岩溶水系统和西部的龙门－夹沟岩溶水系统。巩义粘土矿区正处于瑶岭－上庄岩溶水系统东南部涉村－凌沟水文地质段。属区域地下水补给径流区。
2．2含水层、隔水层
2．2．1寒武－奥陶系（∈－O）灰岩岩溶裂隙含水层。
由寒武系中上统和奥陶系中上统地层组成，广泛出露于南部山区，在矿区隐伏于石炭系含矿地层以下；岩性主要为灰色、深灰色层状灰岩、角砾状灰岩、白云质灰岩等，岩溶裂隙、溶洞发育，含水层富水性较强，但不均匀，属岩溶裂隙承压水；地下水化学类型为HCO3－CaMg及HCO3－Ca型，矿化度350mg／l～600mg／l，水温14℃～16℃，pH值7．3～7．55，水位标高在360m～426m之间，泉水流量2l／s～117．3l／s；涉村南沟泉、凌沟泉和涉村粘土矿厂的自流井均属此含水层；凌沟泉为区域内大泉，流量50．58l／s，泉水四季不断流；涉村自流井为20世纪80年代粘土矿厂施工的生活水井，施工中揭露到此含水层时，承压水头冲出地表约15m，现在水井仍在自流，开始时流量4000m3／d，现在流量500m3／d，附近煤矿多次较大突水均源于该含水层，此含水层是矿区地下水最主要含水层。
2．2．2二叠系太原组（Pt）灰岩岩溶裂隙含水层。
广泛分布在矿区中南部山前、山前丘陵，岩性主要由4～5层灰岩组成，厚度在10m～60m之间，岩溶裂隙、溶孔、小溶洞发育，富水性中等，但不均匀，属岩溶裂隙承压水；地下水化学类型为HCO3SO4－CaMg型，矿化度300mg／l～400mg／l，水温14℃～22℃，pH值7．35～7．90，水位标高在361．40～366．00之间；一般情况下此含水层富水性中等，但局部构造断裂发育地段，富水性较强，其中申沟泉、罗寺泉和河南煤田地质二队在30年前施工的CK84涌水钻孔，均属此含水层，申沟泉和罗汉寺泉为区域内大泉，泉水四季不断流，泉水流量20l／s～45l／s，CK84涌水钻孔，单位涌水量16．259l／s．m，渗透系数154．20m／d。
2．2．3二叠系山西组（Ps）砂岩裂隙含水层。
广泛分布于矿区大部，主要由山西组中粒、中粗粒和粗粒砂岩构成，多发育于构造裂隙和风化裂隙附近，加上泥岩、砂质泥岩、碳质泥岩等相对隔水，为地下水的赋存创造了条件，形成层间水，但由于基岩山区地形起伏、沟谷深切，降水入渗形成的地下水总是速来速去，因此显得较为贫乏，属弱含水层，泉流量多小于1l／s，地下水化学类型为HCO3－KNa型水，矿化度160mg／l～300mg／l，水温14℃～15℃，pH值7．3～7．5，水位标高受地形影响，变化较大，钻孔单位涌水量0．003l／s．m～0．008l／s．m，渗透系数0．007m／d～0．04m／d。
2．2．4第四系（Q）含水层。
第四系的冲积、洪积地层仅分布于河流和沟谷两侧，属孔隙潜水，厚度0～27m，此含水层透水性强，含水较弱，为弱含水层。
2．2．5石炭系本溪组含铝岩系隔水层。
本隔水岩层由铁质泥岩、铝土矿、粘土矿、粘土岩及炭质泥岩等组成，在矿区广泛发育，厚度一般在0～50m之间，厚度受古地形控制，构造影响微弱，岩体结构完整，具良好的隔水作用，不过矿山开采的即为此层，因此矿山开采后，直接揭露下部寒武－奥陶系灰岩，因此，此层也失去了隔水意义。
2．2．6二叠系含煤岩系、砂质泥岩、泥岩隔水层。
主要由炭质泥岩、煤层、砂质泥岩、泥岩等组成，分布比较稳定，厚度不均匀，是将太原组含水层和石盒子砂岩含水层分割开来的隔水层。在无构造断裂影响的情况下，隔水性能良好。
影响矿床充水因素主要有以下几个方面。
2．3．1大气降水。
矿区地形切割强烈、沟谷发育，地表大部分为黄土覆盖，雨季大部分大气降水都沿各沟谷顺利排泄出，只有一少部分垂直向下入渗补给了矿区地下水，因此，大气降水对矿床充水直接影响比较小。
2．3．2地表水。
矿区内无大的地表水体，只有矿区北部涉村河自东南向西北流出，涉村河流量受季节影响明显，且对其切割的基岩含水层补给量非常有限，因此，地表水对矿床充水影响不大。
2．3．3地下水。
根据区域和矿区地下水特征，矿区第四系孔隙水和二叠系砂岩裂隙水，水量都非常有限，基本不会对矿床充水构成影响，对矿区矿床充水构成影响的主要为寒武－奥陶系灰岩岩溶裂隙水和二叠系太原组灰岩岩溶裂隙水，其影响如下：①寒武－奥陶系灰岩岩溶裂隙水：属矿区矿体间接底板水，位于矿体下部，其间一般赋存铁质泥岩、菱铁矿等具有一定隔水性的岩层，局部也会出现缺失；矿区采矿过程破坏了本溪组隔水层，直接揭露下部寒武－奥陶系灰岩水，寒武－奥陶系灰岩岩溶裂隙水具有明显的承压性，且在矿区中北部其水位标高明显高于矿体赋存标高，因此，其对矿床充水影响较大，此含水层是区域地下水的主要含水层，其特点是：富水性强，且极不均匀，如遇突水，一般突水量大，稳定且持续时间长，危害大，是矿区矿床充水主要预防对象。②二叠系太原组灰岩岩溶裂隙水：属矿区矿体间接顶板水，位于矿体上部，其间存在碳质泥岩、粘土岩等隔水岩层，矿床开采时受其直接影响，此含水层也是区域地下水的主要含水层，其特点是：一般富水性中等，但不均匀，附近煤矿多见此含水层突水，不过单就此含水层突水，一般突水量不是特别大，易于控制；但是在构造断裂发育地段，特别是该含水层与下伏的寒武－奥陶系含水层产生垂直水力联系时，富水性明显增强，局部富水性极强；其突水危害相当严重；因此，二叠系太原组灰岩岩溶裂隙水也是矿区矿床主要充水因素之一。综上所述，矿区矿床主要受底部寒武－奥陶系灰岩岩溶裂隙水和顶部二叠系太原组灰岩岩溶裂隙水影响。
3矿床水文地质条件
本区属侵蚀型低中山地貌，属于区域地下水补给径流区，地下水资源丰富，矿区矿体多赋存在侵蚀基准面以下；其中矿区南部矿体赋存较高，高于寒武－奥陶系灰岩水水位，中北部矿体位于寒武－奥陶系灰岩水水位以下；矿区无大的地表水体，矿区地下水寒武－奥陶系灰岩岩溶裂隙水和二叠系太原组灰岩岩溶裂隙水是未来矿床开采的主要充水因素。矿床水文地质条件属以岩溶裂隙含水层充水为主、顶底板间接充水、南部条件简单，北中部中等偏复杂类型矿床（第三类第二型）。
4结论与建议
①矿区位于偃龙岩溶水系统东南部，由于地形和构造影响，矿区地下水补给充足，矿床充水主要是矿体间接顶、底板岩溶裂隙水，其中最主要的是底板寒武－奥陶系灰岩岩溶裂隙水，因此，要做好寒武－奥陶系灰岩岩溶水动态水位观测，特别是矿区中北部（寒武－奥陶系灰岩水水位高于矿体部分），要加强观测，确保寒武－奥陶系灰岩岩溶水不影响矿山正常开采。②根据矿区矿体特征和地下水特征，可先对南部埋深较浅进行开采，并对南部寒武－奥陶系灰岩岩溶水进行疏排，再通过中北部寒武－奥陶系灰岩水水位观测结果，确保水位降到安全水头以下再进行中北部开采。③虽然目前矿区内未发现大的构造断裂，但由于区域构造断裂发育，矿山开采过程中也应多重视小的构造断裂影响，坚持“有疑必探”，在确保查清其影响后再进行施工。④根据矿区野外水文地质调查和分析研究，发现矿区及周边矿井，寒武－奥陶系灰岩水和太原组灰岩水存在密切联系，根据雨后各水位观测点观测情况，往往是寒武－奥陶系灰岩水水位变化滞后期要短于太原组灰岩水水位变化滞后期，也就是说寒武－奥陶系灰岩水雨后补给路径较短，推测为雨季降水先补给下部寒武－奥陶系灰岩水，然后下部寒武－奥陶系灰岩水再通过导水通道补给上部太原组灰岩水。
［参考文献］
［1］GB12719－91，矿区水文地质工程地质勘探规范［S］．
作者：马志永 包刚 陈欣昕 单位：河南省有色金属地质矿产局第六地质大队