中國(guó)煤田水文地質(zhì)基本特征及主要水文地質(zhì)問(wèn)題.doc

中國(guó)煤田水文地質(zhì)基本特征及主要水文地質(zhì)問(wèn)題 中 國(guó) 煤 田 水文地質(zhì)基本特征及主要水文地質(zhì)問(wèn)題作者介紹：王夢(mèng)玉，1932年11月30日生于江蘇南京，原籍山西沁縣烏孫村，1955年7月畢業(yè)于南京大學(xué)地質(zhì)系本科，畢業(yè)后在北京煤炭科學(xué)研究院地質(zhì)所工作，1965年至今在中煤科工集團(tuán)西安研究院工作，從事礦井水文地質(zhì)研究工作50余年，是我國(guó)礦山防治水工作開(kāi)拓者之一。教授級(jí)高級(jí)工程師，曾任煤炭工業(yè)部技術(shù)委員會(huì)，國(guó)際水文地質(zhì)學(xué)會(huì)會(huì)員及礦山水協(xié)會(huì)委員，1932年起享受政府津貼。中國(guó)煤炭資源豐富，從寒武紀(jì)石煤至第四紀(jì)泥炭沉積，共有十個(gè)聚煤期，其中，以石炭二疊紀(jì)和侏羅紀(jì)為主要的聚煤期。大地構(gòu)造控制了煤田的分布、成煤時(shí)期、沉積環(huán)境、構(gòu)造特征，也形成了不同的水文地質(zhì)條件。天山陰山緯向構(gòu)造帶以北的東北和內(nèi)蒙東部沉積早侏羅紀(jì)晚白堊紀(jì)含煤地層；以南至昆侖山祁連山緯向構(gòu)造帶以北，賀蘭山經(jīng)向構(gòu)造帶以東的廣闊地區(qū)，沉積了海陸交互相的石炭二疊紀(jì)含煤地層；昆侖山祁連山緯向構(gòu)造帶以南，康黔古陸以東則沉積了晚二疊紀(jì)含煤地層；西北地區(qū)則在侏羅紀(jì)形成了一些大型陸相煤盆地；此外，云南西藏及臺(tái)灣地區(qū)在中生代和新生代分別沉積了含煤地層。以上聚煤區(qū)的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件各不相同，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井防治水的需要，可以將中國(guó)煤田劃分為六個(gè)水文地質(zhì)類型區(qū)，即東北侏羅紀(jì)孔隙裂隙水類型區(qū)，華北石炭二疊紀(jì)孔隙巖溶水類型區(qū)，西北侏羅紀(jì)裂隙水類型區(qū)，華南晚二疊紀(jì)巖溶水類型區(qū)，云南西藏中生代裂隙水類型區(qū)及臺(tái)灣第三紀(jì)裂隙孔隙水類型區(qū)（圖1）。其中，以華北石炭二疊紀(jì)煤田和華南晚二疊紀(jì)煤田的水文地質(zhì)條件最為復(fù)雜，礦井水害嚴(yán)重。主要的水文地質(zhì)問(wèn)題有三個(gè)。即：華北煤系底盤中奧陶統(tǒng)馬家溝灰?guī)r水害問(wèn)題；黃淮平原新生界松散層水害問(wèn)題；華南煤系底盤下二疊統(tǒng)茅口灰?guī)r水害問(wèn)題及頂板上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興灰?guī)r水害問(wèn)題。圖1 中國(guó)煤田水文地質(zhì)類型區(qū)劃分圖華北石炭二疊紀(jì)煤田主要可采煤層賦存于海陸交互相的太原統(tǒng)和陸相的山西統(tǒng)中，其底盤為中奧陶統(tǒng)馬家溝灰?guī)r。太原統(tǒng)中的夾層灰?guī)r在華北煤田有廣泛的分布（圖2），總的趨勢(shì)是，由西北向東南，海水逐漸加深，灰?guī)r層數(shù)由23層，增加到14層以上，灰?guī)r總厚度由5m以下，增加到60m以上，皖北可達(dá)70m。夾層灰?guī)r的富水性除與厚度、巖溶等因素有關(guān)外，主要決定于與中奧陶統(tǒng)灰?guī)r的水力聯(lián)系程度，從單位涌水量q分布可以看出，峰峰至焦作這一條帶在20L/s.m以上，這是由于這兩個(gè)礦區(qū)的主要夾層灰?guī)r大青灰?guī)r（峰峰）、L2灰?guī)r（焦作）距中奧陶統(tǒng)灰?guī)r垂距僅2540m，可通過(guò)斷層側(cè)向補(bǔ)給或越流補(bǔ)給，兩者水力聯(lián)系密切所致。圖2 華北石炭二迭紀(jì)煤田夾層灰?guī)r分布圖中奧陶統(tǒng)灰?guī)r的厚度（圖3）由東而西逐漸變薄，由魯中的700800m，至太行山東麓及蘇北、魯南的600m，晉中、京西、豫中的400m，淮南、豫西的200300m。從區(qū)域沉積規(guī)律來(lái)看，在河北曲陽(yáng)以北，開(kāi)灤、京西、軒崗等煤田，中奧陶統(tǒng)灰?guī)r最上部的峰峰組缺失，石炭二疊紀(jì)煤系沉積在上馬家溝組灰?guī)r之上。太行山區(qū)、晉中、魯中、蘇北、皖北的峰峰組，由北而南變薄，至太行山南麓的焦作煤田缺失，至豫西的登封以南，奧陶紀(jì)灰?guī)r已無(wú)沉積，平頂山、禹縣、臨汝等煤田煤系地層直接沉積在寒武系地層之上。海水入侵由東而西，在關(guān)中地區(qū)形成一個(gè)走廊，海水退卻的比較晚，沉積了上奧陶統(tǒng)灰?guī)r地層， 圖3 華北石炭二迭紀(jì)煤田中奧陶統(tǒng)灰?guī)r分布圖底部主采煤層距中奧陶統(tǒng)灰?guī)r頂面之間隔水層厚度小于50m的地區(qū)在北京西山淄博濟(jì)寧徐州一線以西，以太行山東、南麓及霍縣、韓城等礦區(qū)最薄。焦作礦區(qū)最底部的煤層為局部可采，如以主要開(kāi)采層大煤至中奧陶統(tǒng)灰?guī)r頂面計(jì)算，則隔水層在100m以上。因此，底板隔水層厚度小于20m的礦區(qū)，主要為峰峰、霍縣、韓城礦區(qū)。對(duì)北方煤礦1207次底板突水資料分析表明，以太行山東、南麓各礦區(qū)突水情況最為嚴(yán)重，計(jì)870次，占統(tǒng)計(jì)次數(shù)的71.4；其次，為魯中、徐淮各礦區(qū)，計(jì)295次，占17.5。晉中、晉東南各礦區(qū)突水次數(shù)最少，僅發(fā)生19次，占1.5。最大突水量的分布情況與突水頻率分布情況一致，亦主要分布在太行山東、南麓及開(kāi)灤至魯中各礦區(qū)，礦井一次最大突水量皆在100m3/min以上。第三紀(jì)以來(lái)，黃淮地區(qū)急劇下降，形成了許多湖盆，其中沉積了很厚的第三紀(jì)地層。第四紀(jì)晚期，黃河及其它河系把流經(jīng)太行山、燕山、黃土高原及晉蒙山地的物質(zhì)攜帶至平原地區(qū)，在山系谷口形成了一系列洪積沖積扇。平原部分、主要為河流沖積物所覆蓋。搬運(yùn)和沉積的單元有黃河、海河、淮河等水系。黃淮平原曾多次遭受海浸，例如7400年前的海浸線，深入到了平原的西部邊緣。新生界的沉積厚度，主要受地殼運(yùn)動(dòng)所控制。本區(qū)位于新華夏第二沉降帶，由于郯廬斷裂以東的新華夏第一隆起帶向北運(yùn)動(dòng)，太行山斷裂以西的新華夏第二隆起帶向南運(yùn)動(dòng)，使黃淮平原第一序次的構(gòu)造線呈NNE向，新生界沉積厚度的總趨勢(shì)與此一致。天津交河臨清一帶，厚度在2000m以上，往東、西逐漸變薄。鄭州商丘一帶，可能受緯向構(gòu)造的影響，沉積方向變?yōu)闁|西，厚度在4000m以上，這種沉積方向的變化，在黃淮平原的南北兩端都有所顯現(xiàn)。（圖4）圖4 黃淮平原新生界等厚線圖新生界的巖性組合，根據(jù)各地區(qū)的巖性資料，歸納如表1?？梢钥闯?，第三紀(jì)始新世上新世的沉積是以陸相紅色地層為主。第四紀(jì)更新世全新世的沉積則是河漫相、河床相、湖相、沼澤相、殘積相。各煤田的大致平均厚度如表2。表1地區(qū)地層魯西冀西冀北蘇北淮南淮北河南全新統(tǒng)亞粘土、亞沙土、砂礫石亞沙土、粉砂黃灰色砂質(zhì)粘土、粉砂、細(xì)砂粘土、亞粘土、砂礫石更新統(tǒng)紅色亞粘土、亞砂土、粉砂、砂礫石粘土、砂質(zhì)粘土夾砂礫石亞粘土、底部加砂礫層紅土及砂礫層砂礫石上新統(tǒng)玄武巖粘土、砂、礫石、泥灰?guī)r、砂礫石玄武巖玄武巖、紫紅色砂礫層紫紅色砂礫層中新統(tǒng)漸新統(tǒng)紅色砂礫層玄武巖頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、細(xì)砂巖紫紅色砂礫層紫紅色砂礫層始新統(tǒng)表2煤 田平均厚度（m）煤 田平均厚度（m）煤 田平均厚度（m）黃河北100肥城65濟(jì)寧200兗州180官橋30滕縣80棗莊10徐州200沛縣200大屯150宿縣100淮北70淮南100北京200開(kāi)灤200邢臺(tái)200焦作20平頂山30第四系具有多旋回性，可以劃分為四個(gè)旋回。每個(gè)旋回的底部為砂礫層或粘土層夾礫石層，向上沉積物變細(xì)。第四系中的砂層和礫石層的厚度，在各煤田約占第四系厚度的3555，第四系的富水性，一般情況下，上部最強(qiáng)，下部次之，中部又次之。例如，兗州煤田上部65m鉆孔單位涌水量為12升/秒.米，農(nóng)業(yè)用水主要來(lái)自本含水層組。中部47米鉆孔單位用水量為0.0450.2升/秒.米。下部45米鉆孔單位涌水量為0.21.44升/秒.米。黃淮平原煤田在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，第四系流砂層水潰入井下的事例很多。解放后，在水文地質(zhì)勘探和第四系含水層下采煤方面，進(jìn)行了大量的工作，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。但隨著黃淮平原煤炭工業(yè)的大規(guī)模建設(shè)，工農(nóng)業(yè)基地迅速發(fā)展的形勢(shì)下，有兩個(gè)水文地質(zhì)問(wèn)題必須進(jìn)一步解決。一是如何保證礦井及礦工的安全；同時(shí)，減少頂板防水煤柱，提高資源回收問(wèn)題。二是如何解決礦井排水與工農(nóng)業(yè)用水之間的矛盾，同時(shí)，為工農(nóng)業(yè)建設(shè)提供更多的水源問(wèn)題。長(zhǎng)江以南浙、閩、粵、湘、干、桂及蘇、鄂、皖南部以晚二疊世煤系沉積為主，礦井充水的主要含水層是龍?zhí)睹合档装宓南露B統(tǒng)茅口灰?guī)r和頂板的上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興灰?guī)r。煤系底板直接為茅口灰?guī)r的沉積地區(qū)（圖1），大致在巢縣蕪湖南昌萍鄉(xiāng)湘鄉(xiāng)武崗嘉禾連陽(yáng)羅定一線以西。此線以東至金華寧都武平一線之間，浙西、贛南、湘南等地，茅口灰?guī)r之上有孤峰頁(yè)巖的沉積；蘇南、皖東南一帶可能由于相變關(guān)系，孤峰頁(yè)巖之下的茅口灰?guī)r不復(fù)存在。此外，湘、贛地區(qū)的當(dāng)沖層或鳴山層的層位皆與孤峰層相當(dāng)；不過(guò)巖性變化為硅質(zhì)層。金華寧都武平一線以東，茅口灰?guī)r相變?yōu)槲墓P山頁(yè)巖（圖5）。煤系底板直接為茅口灰?guī)r的沉積地區(qū)，主要可采煤層或煤系最下部的可采煤層與茅口灰?guī)r之間的隔水層，一般超不過(guò)10米，最薄的地區(qū)如湘中煤田僅有0.10.3米的粘土，茅口灰?guī)r地下水害，主要圖5 華南晚二迭世煤田茅口灰?guī)r分布圖發(fā)生在這個(gè)地區(qū)。煤系之下有鳴山硅質(zhì)頁(yè)巖或文筆山頁(yè)巖沉積的地區(qū)，隔水層厚達(dá)100400米，一般不會(huì)有茅口灰?guī)r的突水危險(xiǎn)。茅口灰?guī)r相變?yōu)楣栀|(zhì)層的地區(qū)，由于富水性很弱，一般亦不會(huì)構(gòu)成對(duì)礦井的威脅。茅口灰?guī)r為厚層純灰?guī)r，在鄂中地區(qū)厚約200400米，鄂東南地區(qū)厚約100120米，湘中地區(qū)厚約400600米，贛中地區(qū)厚度大于130米，贛北地區(qū)厚約200米，桂中及桂西地區(qū)厚約150300米。茅口灰?guī)r巖溶發(fā)育，富水性極強(qiáng)。各煤田皆有流量很大的茅口灰?guī)r泉群出露。例如，恩口煤田的溫塘泉最大流量達(dá)910米3/時(shí)；斗笠山煤田泉水排多年平均流量達(dá)154米3/時(shí)。煤田勘探、基建及生產(chǎn)過(guò)程中，茅口灰?guī)r的水量都相當(dāng)可觀。例如，云湖橋煤田1969年8月勘探抽水，降深僅6.92米，水量即達(dá)2382.72米3/時(shí)；煤炭壩煤礦5畝沖井1972年2月突水量達(dá)6400米3/時(shí)；橋頭河煤礦青山井1971年6月突水量達(dá)27000米3/時(shí)。煤系頂板直接為長(zhǎng)興灰?guī)r地區(qū)（圖6），大致分布在宜興廣德休寧德安常德一線以南，福州大田將樂(lè)新余萍鄉(xiāng)湘鄉(xiāng)安化武崗連陽(yáng)以北的地區(qū)。根據(jù)目前的資料，僅太湖流域、萍樂(lè)凹陷帶、湘贛邊區(qū)及福建大田四個(gè)地區(qū)比較標(biāo)準(zhǔn)，屬淺海相沉積，為深灰色較厚層灰?guī)r。其余地區(qū)，相當(dāng)于該層位沉積了海相泥巖及硅質(zhì)巖的互層，即所謂大隆組。圖6 華南晚二迭世煤田長(zhǎng)興灰?guī)r分布圖在長(zhǎng)興灰?guī)r沉積的地區(qū)，含水層下距煤系上部可采煤層之間的隔水層，一般都很薄。例如，寧鄉(xiāng)株洲地區(qū)約為1525米，萍樂(lè)凹陷帶一般在10米以下，太湖南部及東部約為15米，鎮(zhèn)江蕪湖地區(qū)及黃石一帶，一般在25米以下。這類地區(qū)的煤田在開(kāi)采上部煤層時(shí)，經(jīng)常發(fā)生長(zhǎng)興灰?guī)r的水害事故。而煤系頂板為大隆組沉積的地區(qū)，隔水層的厚度都在50米以上，或不存在強(qiáng)含水層；所以，一般不會(huì)構(gòu)成對(duì)礦井的威脅。長(zhǎng)興灰?guī)r的厚度，在太湖流域約為50100米，萍樂(lè)凹陷帶約為50250米，湘中地區(qū)約為50100米，湘西地區(qū)約為50200米。長(zhǎng)興灰?guī)r巖溶發(fā)育，水量豐沛。例如，煤炭壩煤田躍進(jìn)井50米標(biāo)高，長(zhǎng)340米的長(zhǎng)興灰?guī)r巷道中，有95條溶蝕裂縫；1972年7月五畝沖井長(zhǎng)興灰?guī)r突水量達(dá)2700米3/時(shí)。豐城煤田鉆探時(shí)曾發(fā)現(xiàn)高達(dá)121米的溶蝕裂縫；1974年7月云莊井60米標(biāo)高長(zhǎng)興灰?guī)r突水量達(dá)10000米3/時(shí)以上。除以上討論的幾個(gè)主要水文地質(zhì)問(wèn)題外，還有西北干旱、半干旱地區(qū)煤礦企業(yè)供水，煤炭開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)，東北及內(nèi)蒙地區(qū)露天煤礦地面防水等問(wèn)題。這些問(wèn)題將在另文中作詳細(xì)討論。參考文獻(xiàn)：1.王夢(mèng)玉：中國(guó)巖溶型煤田水文地質(zhì)問(wèn)題 “煤炭科學(xué)與技術(shù)”1981.122.王夢(mèng)玉：煤層底板突水機(jī)理與預(yù)測(cè)方法探討 “煤炭科學(xué)與技術(shù)”1979.93.劉剛峰、王夢(mèng)玉：黃淮平原新生界水文地質(zhì)問(wèn)題 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