1. 引言
煤炭资源一直是我国能源结构中不可缺少的重要组成部分，也是国民经济快速发展保障[1] [2]。我国西部地区煤层顶板水文地质条件的多样性和复杂性，采动覆岩裂隙场与渗流场耦合作用，是造成顶板突水致灾重要因素之一[3]-[5]。随着东部煤炭资源日趋枯竭，开采中心向西北部迁移成为必然趋势[6] [7]。鄂尔多斯盆地浅部煤炭资源储量大，较为丰富，具有较大开采潜力，但煤层顶板砂岩水害问题一直困扰煤矿安全开采难题[8] [9]。国内外学者多采用地球物理勘探[10] [11]、数值模拟[12] [13]、解析法[14] [15]、模拟试验[16] [17]等方法从水文地质[18]-[20]、工程地质[21] [22]以及生态环境[23] [24]等进行研究，而对于矿井生产所引起水位动态变化[25] [26]及影响因素方面研究较少[27]。为此，以鄂尔多斯北部泊江海子矿为例，通过对煤层顶板上覆不同含水层地质和水文地质背景条件、地下水位动态变化分析，获得区内疏放和开采条件下地下水流场变化特征，分析其引起水位动态变化影响因素，从而为工作面安全回采防治水设计提供依据。
2. 地质与水文地质概况
2.1. 地质概况
2.1.1. 地层
泊江海子矿位于东胜煤田的西北边缘，由于新生代地质营力的作用在矿井内表现得较为强烈，上部白垩系地层遭受剥蚀。区内地层由老至新发育有：三叠系上统延长组(T3y)、侏罗系中下统延安组(J1-2y)、侏罗系中统(J2)、白垩系下统志丹群(K1zh)和第四系(Q)，其中侏罗系中下统延安组(J1-2y)为井田含煤地层。
2.1.2. 构造
矿井位于东胜煤田的西北部边缘，其构造形态总体为一走向东西，向北倾斜的单斜构造，地层倾角1˚~3˚，地层产状沿走向及倾向均有一定变化，局部倾角达10˚。但井田内褶曲构造较为发育，主要有台什村西向斜、于家村西背斜、苏家村北向斜、泊江海子矿西背斜和泊江海子矿南背斜等。通过三维地震勘探解释断层28条。
Figure 1. Mine structure geological map
图1. 矿井构造地质图
2.2. 水文地质条件
2.2.1. 含、隔水层结构
研究区含水层从上至下划分为5个含水层，3个隔水层。
第四系(Q)松散层潜水含水层：由松散的风积沙层组成，厚度1.30~6.50 m，富水性弱~中等；
白垩系下统志丹群(K1zh)孔隙裂隙潜水–承压水含水层：主要为砂岩、砂砾岩及砾岩组成，厚度为129.56~268.33 m，平均219.87 m，富水性弱；
(a) 研究区平面图
(b) 研究区剖面图
Figure 2. Hydrogeological plan and profile of the study area
图2. 研究区水文地质平、剖面图
侏罗系中统(J2)承压水含水层：主要有中粗砂岩、砂岩，厚度75.38~227.6 m，平均156.88 m，富水性弱~中等；
侏罗系中、下统延安组(J1-2y)承压水含水层：主要由粉砂岩、细砂岩和砂质泥岩组成，富水性弱；三叠系上统延长组(T3y)承压水含水层富水性弱、透水性能差。
隔水层中白垩系与侏罗系之间隔水层厚度40~60 m，是白垩系与侏罗系间的有效隔水层；侏罗系中统与中下统之间的隔水层厚度12.91~60.28 m，平均29.78 m，为较为稳定的隔水层；侏罗系中下统延安组底部隔水层以砂质泥岩为主，厚度12.08~16.30 m，具有一定的隔水性。研究区水文地质平剖面图如图2所示。
2.2.2. 地下水补径排
第四系松散层潜水含水层和白垩系志丹群上部风化壳含水层中，主要补给来源为大气降水，多以径流的形式流出区外，部分渗入地下补给地下水；白垩系下统志丹群(K1zh)、侏罗系中统(J2)、侏罗系中下统延安组(J1-2y)砂岩类、砾岩类岩层中。主要补给来源为区外的侧向径流补给，其次为上部潜水的垂直渗入补给，在西北部基岩出露处也接受大气降水的渗入补给，一般沿地层倾向径流，以侧向径流排泄为主，受开采影响，深部承压水以垂向、侧向，通过裂隙通道，以渗流、滴水、淋水等形式进行排泄。
2.2.3. 充水条件
1) 充水水源
大气降水是煤层开采间接充水水源，也是最终充水水源，采空区积水是矿井充水的重要水源；侏罗系中下统煤系砂岩水为矿井直接充水水源，侏罗系中统(J2)承压水是矿井充水的主要水源；第四系(Q)松散层潜水、白垩系志丹群(K1zh)潜水~承压水、侏罗系中下统延安组(J1-2y)承压水、三叠系上统延长组(T3y)承压水是矿井的次要充水水源。
2) 充水通道
矿井充水通道主要为煤层采空顶板垮落形成的导水裂缝和地层孔隙和裂隙、封闭不良钻孔及构造断裂等，其中导水裂缝带发育高度为36.80~158.80 m，导通侏罗系中统含水层，冒落裂隙成为侏罗系中统砂岩水补给采空区的主要充水通道。
3) 充水强度
大气降水及地表水对矿井充水强度小；导水裂缝带未发育至白垩系含水层，因此第四系松散潜水、白垩系水在无构造导通情况下，对3−1煤开采基本无影响。由于开采导水裂缝带发育至侏罗系中统含水层，因此，对3−1煤开采影响大；侏罗系中下统延安组碎屑岩类承压水，遇断层、裂隙发育时对煤层开采有一定影响。
2.2.4. 地下水观测系统
侏罗系中统含水层为3−1煤层回采过程中直接充水含水层，为系统掌握采掘过程地下水位动态变化，在井田范围内布置21个地下水位观测孔。其中，白垩系含水层为8个(水文2#、水K5、水K7、水K10、水K12、水K16、水K19和水K22孔)，侏罗系含水层为12个(水文1#、水文3#、水J6、水J8、水J9、水J11、水J13、水J15、水J9-1、水J18、水J21和水J23孔)，混合孔为1个(水文孔)，如图3。
Figure 3. Layout of hydrological observation holes
图3. 水文观测孔平面布置图
3. 各含水层地下水动态变化特征
3.1. 白垩系地下水动态变化特征
随着工作面回采，矿井涌水量也随之增加，白垩系各观测孔水位整体上也呈下降趋势(2016.01~2023.07)；其中水文2#观测孔水位整体上呈先降后升趋势，水位变化为1359.84~1369.17 m，变化幅度较小，水位降深约10 m；水K5观测孔水位整体呈下降趋势，水位变化为1311.01~1347.51 m，水位降深约37 m；水K7观测孔水位变化为1362.57~1367.98 m，变化幅度较小，水位降深约5 m；水K10观测孔水位下降幅度也较小，为1368.89~1371.94 m，水位降深约3 m，白垩系地下水位动态变化如图4所示。
在四个白垩系水位观测孔，除水K5观测孔水位降深为37 m，其余三个观测孔水位变化幅度均在10 m以内。白垩系承压水含水层主要接受大气降水和侧向径流补给，其与侏罗系中统含水层之间存在有一定厚度且较为稳定的隔水层，后期主要通过采动造成的裂隙带存在较弱的水力联系，导致白垩系含水层水位变化。
(a) 水文2#水位与涌水量关系
(b) 水K5水位与涌水量关系
(c) 水K7水位与涌水量关系
(d) 水K10水位与涌水量关系
Figure 4. The relationship curve of Cretaceous groundwater level with mine water inflow
图4. 白垩系地下水位随矿井涌水量变化关系曲线
3.2. 侏罗系地下水水位动态变化特征
随着一盘区涌水量的增加，侏罗系各观测孔的水位整体上呈下降趋势(2016.01~2023.07)；其中，水文1#观测孔和水J11观测孔水位整体上均呈较为平稳的下降趋势，水位变化分别为1244.33~1299.64 m、1135.47~1300.28 m，降幅分别为55.31 m、164.81 m；水J9-1观测孔水位呈下降趋势，水位变化为972.29~989.28 m，降幅约17 m；水J8观测孔水位整体呈下降趋势，前期水位下降幅度较大(2016.01~2016.11)，后期下降幅度相对较平稳(2016.12~2023.07)，水位变化为987.54~1200.35 m，总降幅约213 m；水文观测孔水位整体呈下降趋势，水位变化为1299.49~1335.26 m；水文3#观测孔水位整体呈较为平稳的下降趋势，水位变化为1294.1~1337.38 m，降幅约43 m；水J6观测孔水位整体呈下降趋势，水位变化为1276.42~1346.69 m，前期水位较为平稳，稳定在1345 m左右，2017年初至2020年末水位下降幅度增大，降幅约67 m，后期水位稳定在1276 m左右。侏罗系7个地面观测孔水位变化如图5所示。
侏罗系含水层主要的补给来源为侧向径流补给，但受采动影响，导致侏罗系与白垩系间隔水层产生裂隙，从而在受采动影响范围内，白垩系含水层发生释水。此外，也受到侏罗系下统延安组含水层的补给。侏罗系含水层整体水位变化幅度大于白垩系含水层，不同含水层水位动态变化幅度大小反映了受采动影响程度。
(a) 水文1#、水J11水位与涌水量关系
(b) 水J9-1、水J8水位与涌水量关系
(c) 水文孔、水文3#、水J6水位与涌水量关系
Figure 5. Relationship curve between Jurassic groundwater level and mine water inflow
图5. 侏罗系地下水位与矿井涌水量关系曲线
3.3. 侏罗系中统地下水流场变化特征
2023年井下疏放水后在一盘区形成了以采空区为中心地下水疏降漏斗。分别选取2022年12月30日、2023年3月30日和7月30日工作面疏放水孔和侏罗系观测孔水位降深变化，其三个时刻地下水水位等值线如图6。
1) 侏罗系中统地下水主要补给方向为北部和西部，且含水层的渗透性相对较强，富水性相对较好，为强径流补给区；矿井东部和南部水力梯度大，补给能力相对较弱，渗透性相对较差，为弱径流补给区。
2) 对比三个时刻地下水水位变化发现，降落漏斗深度和范围不断增大，水位等值线由密变疏。
(a) 2022年12月30日工作面与周边观测孔水位等值线图
(b) 2023年3月30日工作面与周边观测孔水位等值线图
(c) 2023年7月30日工作面与周边观测孔水位等值线图
Figure 6. Dynamic change of groundwater level isoline in aquifer of Middle Jurassic ( J2 ) in three periods of mine
图6. 三个时段矿井侏罗系中统(J2)含水层地下水水位等值线动态变化
4. 影响地下水位动态变化因素
4.1. 沉积环境对渗透性和富水性影响
3−1煤层顶板含水层和隔水层主要为辫状河沉积，以粗砂为主，中砂次之；底部为厚层状冲积扇形成的砾石层，后被上覆河流堆积物覆盖。沉积物颗粒较粗，磨圆度和分选性差至中等。因此，中统直罗组中统含水层不仅为地下水提供了储存空间，也是富水地段，反映了沉积环境对含水层和隔水层在空间上控制作用。通过统计抽水试验成果，发现在井田范围内侏罗系中统含水层渗透系数、单位涌水量在空间上存在较大差异性，主要受为河道、天然堤和洪泛平原等亚相控制，整体渗透性较差，富水性较弱，如表1。
Table 1. Statistics of unit water inflow and permeability coefficient of Middle Jurassic aquifer
表1. 侏罗系中统含水层单位涌水量及渗透系数统计
孔号 |
含水层名称 |
S (m) |
Q (L/s) |
q (L/s.m) |
K (m/d) |
20 |
J2 |
85.11 |
1.750 |
0.02056 |
0.016804 |
69.16 |
1.570 |
0.02270 |
0.018130 |
52.12 |
1.340 |
0.02571 |
0.019865 |
12 |
J2 |
84.29 |
1.390 |
0.01649 |
0.012556 |
68.03 |
1.230 |
0.01808 |
0.013425 |
47.95 |
0.990 |
0.02065 |
0.014673 |
15 |
J2 |
77.42 |
1.040 |
0.01343 |
0.015655 |
69.20 |
0.950 |
0.01373 |
0.015762 |
58.03 |
0.820 |
0.01413 |
0.015833 |
水文1# |
J2 |
33.03 |
0.052 |
0.00160 |
0.000770 |
63.47 |
0.050 |
0.00079 |
0.000430 |
水J6 |
J2 |
81.68 |
0.123 |
0.00150 |
0.000890 |
水J8 |
J2 |
35.25 |
3.857 |
0.10940 |
0.065400 |
23.68 |
2.638 |
0.11140 |
0.062800 |
13.56 |
1.554 |
0.11460 |
0.059200 |
23.10 |
2.585 |
0.11900 |
0.062900 |
15.38 |
1.753 |
0.11400 |
0.061000 |
7.64 |
0.895 |
0.11710 |
0.054700 |
4.2. 地质构造
井田地层整体构造形态为近东西向，倾向北北西向(NNW向)，倾角范围1~10˚，含水层起伏相对较大，褶皱范围内裂隙发育，特别为垂向裂隙发育，为地下水储存提供良好的空间和导水通道。井田内共揭露断层21条，均为正断层，断层落差一般0~1.2 m左右，最大落差2.8 m，均小于3 m，如图1。后期三维地震解译出断层28条，均为正断层，落差一般在0~3 m。一盘区位于苏家村向斜，在其核部，裂隙发育，渗透性和富水性较好。
在巷道掘进和回采过程中，遇到层面裂隙时，表现为集中出水特点；由于盆地在抬升过程中，导致侏罗系含水层的垂向的微裂隙、大尺度裂隙发育，为地下水提供良好的储存空间，在开采条件下，微裂隙的水通过微裂隙通道为尺度较大的裂隙提供补给水源，这种微裂隙一大尺度裂隙的双重介质并存，是控制地下水流动的主要因素。
4.3. 井下疏放水
煤层顶板覆岩主要由粉砂岩和泥岩组成。受疏放水影响，侏罗系中统含水层水位继续下降，白垩系水位略有下降，地下水有原先的水平径流方向转为周边侧向补给至排泄范围，在侏罗系含水层形成形态不对称降落漏斗。
4.4. “垮落带和裂隙带”破坏影响
当3−1煤层受到开采影响时，煤层顶板受到周期来压的影响，导致顶板出现不同程度的损伤破坏，形成了“垮落带和裂隙带”，并与已有裂隙连通，穿越侏罗系与白垩系含水层之间的隔水层，使之发生水力联系，含水层地下水流不仅有侧向水平运动，也发生垂向运动，形成统一地下水流动系统。即开采后，在一盘区范围内形成了地表–浅层–中层–深层地下水系统，形成多级地下水降落漏斗。
5. 结论
通过对矿井不同含水层的地下水位动态特征分析，探讨了其影响因素，主要结论为：
1) 疏放水仅仅对侏罗系含水层有影响，而白垩系含水层仅在回采时地下水位发生变化，开采后使得二者发生水力联系，形成更大范围地下水降落漏斗；
2) 煤层后垂向裂隙发育，充水水源以侏罗系中统及中下统砂岩水为主，而白垩系砂岩水为间接水源。
3) 顶板含水层水位变化影响因素主要为沉积环境、地质构造、井下疏放水以及采动引起的“两带”。
NOTES
*通讯作者。